KR101698794B1 - 탄화수소의 생성 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전해 및 두개의 별개의 반응기를 사용하여 이산화탄소 및 물로부터 탄화수소를 생성시키는 방법에 관한 것이다. 제 1 반응기(14)는 양극, 및 물과 이온화 물질을 포함하는 액체 전해 매질을 함유한다. 제 2 반응기(12)는 음극, 및 물과 이산화탄소의 혼합물을 포함하는 액체 전해 매질을 함유한다. 반응기들은 전자 및/또는 이온들이 제 1 및 제 2 반응기의 전해 매질들 사이를 통과하게 하는 연결 수단으로 연결된다. 양극 및 음극에 직류가 인가되어 탄화수소(전형적으로 메탄); 및 산소를 생성시킨다.

Description

탄화수소의 생성 방법{THE PRODUCTION OF HYDROCARBON}
지구는 현재 지구와 지구상의 사람들에게 심각한 영향을 미치는 두 가지 큰 문제, 즉,
과도한 이산화탄소 생성으로 인한 지구 온난화; 및
지나치게 높은 원유 가격 및 이에 따른 높은 석유 및 디젤 가격
에 의해 시달리고 있다.
본 발명의 목적은 이러한 문제점을 감소시키고, 이에 따라 미래 세계를 개선시키는 것이다.
화석 연료 사용 엔진의 생산 증가는 원유에 대한 과도한 수요를 초래하였고, 이어서 지나치게 높은 가격을 초래하였다. 이러한 연료의 소비는 지구 온난화를 유발하는 이산화탄소 생성량을 증가시켰다. 수목에 의한 이산화탄소 흡수 및 이에 따른 산소 방출은 방대한 숲이 사라짐으로써 약화되었다. 이러한 불균형은 지구의 생태를 혼란에 빠지게 하였으며, 계속해서 점점 더 그러한 혼란에 빠지게 하고 있다.
엔진의 효율을 개선시키고, 화석 연료 산물의 낭비를 감소시키려는 노력은, 기하급수적으로 증가하는 인구 및 사람들의 열망때문에 그러한 상황을 개선시킬 가능성이 거의 없다. 다른 기술을 적극적으로 찾고 있는 중이다.
상기 언급된 문제점을 해결하는 방법으로는 하기를 포함한다:
대기 중 이산화탄소 감소;
'탄소 발자국(carbon footprint)'(탄소 제품의 사용)의 감소; 및
원유 및 그 밖의 화석 연료에 대한 수요 감소(대용물을 찾음으로써 그것들의 가격을 낮추게 함).
본 발명의 목적은 상기 감소에 기여하는 공정 및 장치를 제공하는 것이며, 연료를 포함하는, 탄화수소를 생성시키기 위한 화학적 원료 공급원을 제공한다.
발명의 개요
이산화탄소 및 물로부터 탄화수소를 생성시키는 방법은
(a) 양극, 및 물 및 이온화 물질을 포함하는 액체 전해 매질을 함유하는 제 1 반응기(14)를 제공하는 단계;
(b) 음극, 및 물과 이산화탄소의 혼합물을 포함하는 액체 전해 매질을 함유하는 제 2 반응기(12)를 제공하는 단계;
(c) 제 1 반응기 및 제 2 반응기를, 전자 및/또는 이온이 제 1 반응기 및 제 2 반응기의 전해 매질들 사이를 통과하게 하는 연결 수단으로 연결시키는 단계;
(d) 양극 및 음극에 직류를 인가하여
● 전자가 반응기들(12 및 14)내 전해 매질을 통해 캐소드에서 애노드로 흐르게 하고(또는 전하를 원자로부터 인접하는 원자로 전달함으로써 연속적으로 원자를 이온화하고 탈이온화함);
● 제 2 반응기에서 수소, 탄소의 이온화를 수행하여, 양으로 하전된 수소 및 탄소 이온을 생성시키고, 이들이 결합하여 탄화수소(전형적으로, 메탄), 및 가능하게는 탄소, 수소 및 일산화탄소를 형성시키고;
● 제 1 반응기에서 산소의 이온화를 수행하고, 이를 결합하여 산소를 형성시키는 단계를 포함한다.
탄화수소(전형적으로 메탄)은 제 2 반응기(12)로부터 회수된다.
산소는 제 1 반응기(14)로부터 회수된다.
반응기들(12 및 14)은 동일한 내압으로 작동되고, 상이한 온도에서 작동될 수 있다.
연결 수단은 액체 전해 매질일 수 있으며, 이러한 경우, 전자 및 가능하게는 소정의 이온은 통과시키나 원자는 통과시키지 않는 멤브레인(mebrane)이 제공될 수 있다.
연결 수단은 하나 이상의 튜브(들), 예컨대 모세관(들)로 규정될 수 있다.
바람직하게는, 연결 수단에는 스탑퍼(stopper) 수단, 예컨대 밸브 또는 밸브들이 구비될 수 있다.
상기/각 튜브의 내경 대 길이의 비는 0.00001:1 내지 0.1:1, 바람직하게는 0.00001:1 내지 0.001:1이다.
제 1 반응기(14) 내 양극은 한 단부가 폐쇄되고, Pt로 이루어져 있는 중공의 미세다공성 실린더의 형태로 존재할 수 있다.
제 2 반응기(12) 내 음극은 한 단부가 폐쇄되고, CuPt 아말감(amalgam) 또는 Pt로 이루어져 있는 중공의 미세다공성 실린더의 형태로 존재할 수 있다.
제 1 반응기(14) 및 제 2 반응기(12) 내 전해 매질의 액체 상태는 적합한 고압 및 적합한 온도 하에서 반응기를 작동시킴으로써 달성될 수 있다.
예를 들어, 제 1 반응기(14) 및 제 2 반응기(12)는 5.1 atm 초과, 5.1 내지 1000 atm, 전형적으로 10 atm 내지 400atm, 바람직하게는 10 내지 200atm의 압력에서 작동되어야 한다.
반응기들(12 및 14)은 상이한 온도에서 작동될 수 있으며, 예를 들어, 제 1 반응기(14)는 20℃ 내지 200℃, 전형적으로 20℃ 내지 30℃의 온도에서 작동될 수 있고; 제 2 반응기(12)는 -50℃ 내지 200℃, 전형적으로 -10℃ 내지 70℃의 온도에서 작동될 수 있다.
보통, 제 1 반응기(14)는 주위 온도(20℃ 내지 30℃)에서 작동되고, 제 2 반응기의 온도는 요망되는 온도로 조절되며, 예를 들어, -50℃ 내지 10℃로 냉각되거나, 50℃ 내지 200℃로 가열될 수 있다.
양극 및 음극에 걸쳐 인가되는 전압은 -0.5v 내지 -20v, -0.5v 내지 -10v, -0.5v 내지 -6v, 또는 -0.5v 내지 -3v일 수 있다.
양극 및 음극에 걸쳐 인가되는 직류는 50 내지 500mA, 전형적으로 100 내지 200mA일 수 있다.
다중 전극의 격자가 평행하게 배선되는 경우, 양극 및 음극에 걸쳐 인가되는 직류는 0.1 내지 10amp 또는 그 초과일 수 있다.
제 2 반응기 내 이산화탄소 및 물은 하기 식에 따른 화학량론적(또는 그 초과의) 비율로 또는 1:1 내지 1:2의 부피비로 혼합될 수 있다:
CO2 + 2H20 → CH4 + 2O2.
제 2 반응기의 전해 매질로부터 분리된 이산화탄소, 물 및 일산화탄소는 제 2 반응기로 재순환될 수 있다.
제 1 반응기의 전해 매질로부터 분리된 물은 제 2 반응기로 재순환될 수 있다.
상기 방법은 반응기(12)내 물과 이산화탄소의 혼합물이 초임계 유체인 상태 하에서 수행될 수 있다.
또한, 본 발명은 이산화탄소 및 물로부터 탄화수소를 생성시키기 위한 장치로서,
물을 액체 상태로 함유하기 위한 제 1 반응기(14);
이산화탄소와 물의 혼합물을 액체 상태로 함유하기 위한 제 2 반응기(12);
제 1 반응기(14) 내에 위치하는 양극;
제 2 반응기(12) 내에 위치하는 음극; 및
제 1 및 제 2 반응기(14 및 12) 내 전해 매질을 연결시키는 연결 수단을 포함하는 장치에 관한 것이다.
연결 수단은 액체 전해 매질일 수 있으며, 이러한 경우, 전자를 통과시키고, 가능하게는 소정의 이온을 통과시키나 원자는 통과시키지 않는 멤브레인이 제공될 수 있다.
연결 수단은 하나 이상의 튜브(들), 예컨대 모세관(들)로 규정될 수 있다.
바람직하게는, 연결 수단에는 스탑퍼 수단, 예컨대 밸브 또는 밸브들이 구비될 수 있다.
바람직하게는, 상기 장치는 두 반응기 내 압력을 평형화시키기 위한 고압 증압기(high pressure intensifier)를 포함한다.
고압 증압기는 바람직하게는 CO2로 가압되고, 제 2 반응기(12)를 직접적으로 CO2로 가압하고, 제 1 반응기(14)를 H2O로 가압하기 위해 고압 축압기가 구비된다.
도 1은 본 발명의 구체예에 따른 반응기의 평면도이다.
도 2는 이산화탄소에 대한 상태도이다.
도 3은 이산화탄소에 대한 밀도-압력 프로파일이다.
도 4는 가스 크로마토그래피이다.
국제 특허 출원 번호 PCT/IB2009/053136(이의 개시 내용은 본원에 참고로 포함됨)는 하기 단계를 포함하는, 이산화탄소 및 물로부터 수소, 산소 및 탄화수소를 생성시키는 공정을 기술하고 있다:
(a) 양극 및 음극을 함유하는, 고압 및 고온을 견딜 수 있는 용기에서 이산화탄소와 액체 상태의 물을 혼합하여 액체 전해 매질을 제공하는 단계;
(b) 양극 및 음극에 직류를 인가하여 수소, 탄소 및 산소의 이온화를 수행하고, 양으로 하전된 수소 및 탄소 이온 및 음으로 하전된 산소 이온을 생성시키는 단계;
(c) 용이하게는 산소 이온의 양극으로의 잉동 및 수소 및 탄소 이온의 음극으로의 이동에 의해 달성될 수 있는, 산소 이온으로부터 수소 및 탄소 이온을 분리시키는 단계;
(d) 탄소 및 수소 이온으로부터 수소, 가능하게는 탄소 및 탄화수소(전형적으로 메탄)가 형성되고, 산소 이온으로부터 산소가 형성되는 단계; 및
(e) 수소, 탄소 수소 및 산소 생성물을 별개의 용기에서 수거하는 단계(탄소 또한 수거될 수 있음).
정반응:
C + O2 → CO2
은 유리하게는 열역학적 사항으로 인해 역으로 일어난다.
유사하게, 반응:
2H2O +CO2 → CH4 + 2O2
은 역반응보다 더욱 힘든 전체 열역학적 요건을 갖는다.
후자의 공정 중 메탄(및 그 밖의 탄화수소)를 수득하는데 있어서의 어려움 중 하나는, 생성물들이 재결합하여 반응을 역전시킬 수 없도록 일단 형성된 생성물을 분리하는 것이다.
본 발명의 목적은 생성물들이 상이한 반응기에서 생성되기 때문에 재결합할 수 없는 방식으로 공정 중에 생성물 성분을 분리시킴으로써 제 2(후기) 반응 생성물을 얻는 개선된 수단을 제공하는 것이다.
도 1과 관련하면, 반응기 시스템(일반적으로 부호(10)로 표시됨)에 두개의 별개의 반응기들(12 및 14)이 구비되며, 이들 반응기는 좁은 모세관(16)(1.2 내지 1.5 mm의 내경 및 약 2 m의 길이를 가짐으로써 모세관의 내경 대 길이의 비는 0.00001:1 내지 0.1:1일 수 있다)에 의해 결합되고, 전자는 통과시키나, CO2 및 산소 전달에는 영향을 미치지 않는 선택적 멤브레인을 접합 지점(18 및/또는 20)에서 함유할 수 있다. 모세관(16)은 상이한 온도 조건이 별개의 반응기들(12 및 14) 내에 유지될 수 있도록 그 안에 있는 물질을 통해 온도 전도를 제한하는 작은 치수를 갖는다. 모세관(16)에는 밸브(22)가 구비된다. 전자 흐름, 또는 전달, 전류가 물리적 이온 전달과 함께 모세관(16) 내에서 발생할 수 있다. 병렬로 배열되는 다수의 모세관이 존재할 수 있다.
반응기(12)에는 액체 CO2(24), 액체 H2O(26) 및 가능하게는 소량의 이산화황 또는 염화나트륨이 물의 동결 온도를 감소시키기 위해, 그리고 추가의 이온화 물질로서 CO2와 H2O의 혼합물을 함유하는 액체 전해 매질(28)을 제공하기 위해 공급된다.
반응 용기(14)에는 H2O(26)가 공급되고, 소량의 이온화 물질, 예컨대 산이 공급되고, 소량의 이산화황, 염화나트륨, 또는 전해질, 예컨대 NaKHCO3 또는 KHCO3(0.1 내지 0.5M)이 H2O를 함유하는 액체 전해 매질(30)을 제공하기 위해 촉매로서 첨가될 수 있다.
모세관(16)은 액체 전해 매질(28 또는 30), 또는 이 둘의 혼합물, 또는 전도성 겔 중 어느 하나를 함유할 수 있다.
반응기(12)는 5.1 atm 초과, 전형적으로 5.1 내지 1000 atm의 고압, 및 -50℃의 저온 내지 200℃ 이하의 고온에서 작동할 수 있도록 구성된다. 저온은 반응기(12)를 냉장고 안에 둠으로써 달성되고, 고온은 반응기(12) 내에 위치하는 가열 요소를 사용하여 달성된다. 반응기(12)에는 음극(32)이 배치된다. 음극(32)은 한 단부가 폐쇄되어 있고, 66%/34% CuPt 아말감 또는 Pt로 제조될 수 있는 중공의 미세다공성 실린더의 형태로 존재한다.
반응기(14)는 5.1 atm 초과 내지 1000 atm의 고압 및 주위 온도(20℃ 내지 30℃, 전형적으로 25℃)에서 작동할 수 있도록 구성된다. 반응기(14) 내에는 Pt로 이루어진 양극(34)이 위치한다. 양극(34)은 한 단부가 폐쇄되어 있는 중공의 미세다공성 실린더 형태로 존재한다.
반응기(14) 내 압력을 조절하고/거나 이것의 내압과 반응기(12) 내의 압력을 평형화시키기 위한 수단이 구비된다:
압력 증압기(36)에는 CO2(38)가 구비되고, 반응기(12)에 직접 연결되며, 반응기(12)를 CO2(24)로 가압한다. 고압 증압기(36)는 C02가 반응기(14)의 내용물과 반응하는 것을 방지하는 고압 축압기(42)를 통해 반응기(14)에 연결된다. 고압 축압기(42)는 압력 증압기(36)로부터의 이산화탄소(44)로 가압되고, 반응기(14)를 물(46)로 가압한다. 이 시스템은 반응기들(12 및 14)을 가압하여 모세 연결기를 통해 동등하게 반응기(12)와 반응기(14) 간에 전해질이 벗어나지 않도록 한다. 가압은 전해 반응이 개시되기 전 초기에는 두 반응기(12 및 14) 사이에 있는 밸브(22)를 닫음으로써 안정화될 수 있다. 고압 축압기(42)는 매질 분리기로서 작용하여 이산화탄소가 제 2 반응기(12)의 챔버내로 유입되지 않도록 하고, 동시에 두 반응기(12 및 14) 내의 압력이 평형을 이루도록 한다.
사용시, 밸브(22)는 닫히고, 액체 상태의 CO2(24)(고압 CO2 증압기(36)으로부터의) 및 액체 상태의 H2O(26)이 반응기(12)에 전달되고; H2O(26)가 반응기(14)에 전달되어 반응기(12 및 14) 각각에 전해 유체(28 및 30)를 제공한다. 고압 증압기(36)는 반응기(12 및 14) 내에 높고 같은 압력, 및 두 반응기 내의 액체 상태 조건을 적용시키고 유지시키는데 사용된다. 반응기들(12 및 14) 내 압력이 동일하게 되면, 밸브(22)는 열릴 수 있고, 반응기들(12 및 14) 간에 최소의 유체 흐름만 있을 것이다. 액체 상태의 전해 유체(28 및 30)는 반응기들(12 및 14) 내 적합한 상태의 압력 및 온도를 유지함으로써 유지된다. 바람직하게는, 반응기들(12 및 14) 내 압력은 5.1 atm 내지 1000 atm, 10 atm 내지 400 atm, 바람직하게는 10 내지 200 atm로 유지된다.
반응기(14)는 주위 온도(20℃ 내지 30℃, 전형적으로 25℃)로 유지된다.
전해 반응은 전기 회로(35) 상에서 양극(34) 및 음극(32)를 걸쳐 -0.5 내지 -10v의 직류 전압 및 50 내지 500mA의 전류를 인가함으로써 개시된다. 인가된 전하는 전해 매질(28 및 30) 내의 원자를 이온화시킨다. 전자(e-)는 전극들(34 및 32) 사이에서, 그리고 이에 따라 모세관(16)을 따라 이온으로부터 인접하는 이온으로 흐른다. 이론에 의해 결부되는 것을 바라지 않지만, H+,(OH)-, O2 - 이온들이 반응기(14)에서 형성되고, H+, C4 +.(CO)2- 이온들이 반응기(12)에서 형성되는 것으로 여겨진다. 반응기(12)에서, 탄소 및 수소 이온은 결합하여 탄화수소, 특히 메탄, 및 그 밖의 탄화수소를 형성한다. 전해 공정의 개시는 발생기(이온화된) 수소 이온이 전해질(30) 중에 존재하는 H2O로부터 형성되게 하며, 탄소 이온들은 전해질(28) 중의 CO2로부터 분리된다. 따라서, CO2가 반응기(12)에서 감소한다. 반응기(14)에서, 전자는 음하전된 산소 이온이 그 안에 있는 양하전된 전극(34)로 유인되게 하고, 이로써 산소 분자가 전극에서 유리된다. 또한, H2가 반응기(14)에서 형성될 수 있다.
단방향-흐름(unidirectional-flow) 산소 특성을 가질 수 있는 모세관(16)은 전자 전달을 허용하고, 거기에 있는 탄소 및/또는 수소와의 재결합을 피하기 위해 반응기(12)로부터 이격되어 반응기(14) 내의 유리된 산소를 유지시키는데 필요하다. 또한, 모세관(16)의 작은 치수는 반응기들(12 및 14)에 상이한 온도 조건이 유지되어 그 안에서 발생되는 상이한 반응을 증진시키고 용이하게 하고, 에너지 비용을 절약하도록 열 전도 전달을 감소시키는 역할을 한다. 두 반응기를 분리하는 모세관에 의해 분리됨으로써 이온들이 생성(이온화)되는 경우, 양하전된 이온(탄소 & 수소)는 그 자체/서로와 반응할 수 있고, 이에 따라 반응기(12)에서 요망하는 생성물(탄화수소)을 생성할 수 있다.
고압(> 5.1atm)은 추가로 반응물을 액체 상태로 유지시키고, 이에 따라 보다 적은 장치가 사용되어 가스상 상태로 가능한 것보다 더 많은 생성물을 생성할 수 있도록 생성된 이온의 농도를 증가시킨다.
모세관(16)은 원자들이 상호반응하여 새로운 요망하는 생성물을 형성할 수 있도록 성분 원자를 이온화시키는 전자의 전달을 허용하는데 필요하다. 분리됨으로써 이온들이 생성(이온화)되는 경우, 양하전된 이온(탄소 & 수소)는 단지 자체적으로 상호작용함으로써 요망하는 생성물(탄화수소)을 생성할 수 있는 반면, 음이온(산소)는 이들로부터 분리되어 단지 그 자체로 결합하여 산소 분자를 형성할 수 있다. 이들은 단지 전자의 최종 전달이 종결되는 전극에서 유리될 수 있다.
압력 차에 의해, 반응기(12)로부터의 전해 액체는 팽창기(48)로 도입된다. 팽창기(48)는 탄화수소 50(전형적으로 반응기(12)에서 형성된 메탄), 탄소(52) 및 CO2, H20 및 CO을 함유하는 스트림(54)을 분리하도록 구성된다. 다수의 분리 수단이 있을 수 있으나, 가장 바람직하고 가능하게는 각 생성물의 상이한 온도 및 압력에서의 액화 또는 가스화일 것이다. CO2, H2O 및 CO을 함유하는 스트림(54)은 -ve 전극(32)을 함유하는 반응기(12)로 재환되어 공정 수율을 증가시킬 수 있다.
압력 차에 의해 반응기(14)로부터 전해 액체는 용기(56)으로 도입된다. 용기(56)은 산소(58), 및 H20 및 가능하게는 H2를 함유하는 스트림(60)을 분리하도록 구성된다. 분리는 원심분리기 또는 상 변화 파라미터 차를 사용하여 달성될 수 있다. H20 및 가능하게는 H2를 함유하는 스트림(60)은 -ve 전극(32)을 함유하는 반응기(12)로 재순환되어 공정 수율을 증가시킬 수 있다.
1 atm = 1,01325 bar
1 atm = 101,325 kPa
본 발명은 도면에 도시되어 있는 구체예들로 제한되지 않는다. 따라서, 첨부되는 특허청구범위에서 언급된 특징에 도면 부호가 따르는 경우, 이러한 부호는 특허청구범위의 명료성을 증진시킬 목적으로만 포함되는 것이고, 특허청구범위의 번위를 제한하려는 것은 결코 아닌 것으로 이해해야 한다.
본 발명은 이제 하기의 비제한적 실시예를 참조하여 보다 자세히 기술될 것이다.
실시예 1
1. 계산
1.1 전기 화학
환원 반응
Figure 112012044675069-pct00001
Figure 112012044675069-pct00002
실제 환원 반쪽 반응
Figure 112012044675069-pct00003
산화 반쪽 반응
Figure 112012044675069-pct00004
실제 레독스 반응
Figure 112012044675069-pct00005
상기 반응에 따라, 표준 조건(실온, 대기압)에서 이산화탄소로부터 메탄을 생성할 수 있는데 필요한 전위차는 1.77V이다. 전기화학적 거동은 부분적으로 상기 조건 하에서의 제한된 조사로 인해 조사된 조건 하에서 잘 이해되지 않았다. 개선된 실험 계획을 위해서는 추가 조사가 필요할 것이다.
1.2 화학량론적 양
각각의 시약의 화학량론적 양을 명시된 조건 하에서 각 시약의 밀도를 고려함으로써 산출하였다. 모든 실험에 증류수를 사용하였다.
물의 밀도는 온도 및 압력의 변화를 각각 고려하여 밀도를 산출하는 하기 식(1) 및(2)를 사용함으로써 산출하였다:
Figure 112012044675069-pct00006
상기 식에서, β는 부피 온도 팽창 계수(m3/m3·℃)이고, T는 온도(℃)이고, ρ는 밀도(kg/m3)이다.
Figure 112012044675069-pct00007
상기 식에서, P는 압력(N/m2)(Pa)이고, E는 유체 체적탄성률(bulk modulus fluid elasticity)(N/m2)이고, ρ는 밀도(kg/m3)이다.
몰 밀도는 하기 식(3)에 따라 계산한다:
Figure 112012044675069-pct00008
상기 식에서, ν는 몰 밀도(cm3/mol)이고, ρ는 밀도(kg/m3)이고, M은 몰 질량(g/mol)이다.
각 시약의 양은 해당 섹션에서 작동 조건과 함께 기재된다.
1.3 초임계점
물과 이산화탄소의 화학량론적 혼합물에 대해, 혼합물의 임계점이 하기 식(4) 및(5)에 의해 추산될 수 있다. 이러한 추산치가 하기 표 1에 요약된다.
Figure 112012044675069-pct00009
표 1: 식(4) 및(5)를 사용한 초임계점 결과
Figure 112012044675069-pct00010
1.4 이산화탄소
도 2 및 3은 실험이 수행되는 평형 조건을 도시한 것이다.
도 2에서, "A"는 초임계 상태를 나타내고, "B"는 실시예 1A에 대한 상태를 나타내고, "C"는 에 대한 상태를 나타낸다.
실시예 1A - 모세관을 갖는 두 챔버 시험
도면에 도시된 바와 같은 모세관으로 연결된 두개의 챔버 반응기 시스템을 셋업하고, -6v의 전기 전압 및 대략 120mA의 전류로 440분 동안 작동시켰다. 실시예 1A에 대한 시험 조건은 하기 표 1에 기재되어 있다. 두 반응기(12 및 14)를 주위 온도(25℃)에서 작동시켰다.
표 1
Figure 112012044675069-pct00011
검출가능한 양의 메탄이 반응기(12)에서 생성되었다. 가스 크로마토그래피에 의해 생성된 결과가 도 4에 도시된다.
크로마토그래피는 하기 성분들을 나타낸다:
공기: 체류 시간 2.27, 폭 7.20, 면적 8354522.0, 결과 20.9
메탄: 체류 시간 4.76, 폭 9.60, 면적 116449.8, 결과 0.3
CO2: 체류 시간 7.43, 폭 24.00, 면적 31502188.0, 결과 78.8
이들 결과는 분석된 샘플이 소량이기 때문에 정량적 방식으로 해석되지 않아야 한다. 상기 반응의 몇몇 영향은 캐소드 상에서 관찰된 탄소 침전물 및 캐소드 전해질의 착색였다. 애노드는 영향을 받지 않고 남아 있었으나, 전해질의 약간의 착색이 보였다.
실시예 1B-1I에 대한 시험 조건은 하기 표 2에 제공된다. 각각의 경우, 반응기(14)는 주위 온도(22℃)에서 작동되었다. 표 2에 기재된 온도는 반응기(12)의 온도이다.
기체상 샘플에서 메탄을 검출하기 위해 하기 조건을 사용하였다.
가스 크로마토그래피: HP 5890A
컬럼: 60/80 Carboxen-1000, 15'x 1/8"SS(2.1mm ID)
오븐 온도: 45℃(5.5분)에서 200℃(10℃/분으로)
주입기 온도: 80℃
검출기: TCD
검출기 온도: 250℃
주입기 부피: 0.3 내지 1.0ml
체류 시간: 1. 산소: 5.00분
2. 질소: 5.49분
3. 일산화탄소: 7.37분
4. 메탄: 13.27분
5. 이산화탄소: 17.47분
메탄이 하기 조건 하에서 생성되었다.
표 2
Figure 112012044675069-pct00012
실시예 1J -저온 조건에서의 시험
실시예 1A에서 사용된 동일한 시스템 셋업을 또한 반응기(12)를 대략 7℃ 아래로 냉각시킴으로써 비교적 저온에서 사용하였다. 반응기(14)는 주위 온도(22℃)였다. 시험 조건은 하기 표 3에 요약되어 있다:
표 3
Figure 112012044675069-pct00013
140 bar 및 7℃에서 검출가능한 메탄이 생성되지 않았지만, 이 온도에서 약간의 메탄이 보다 낮은 압력(65 bar)에서 검출될 수 있었다. 조사시, 두 전극은 깨끗한 것으로 나타났고, 두 반응기로부터 전해질은 투명하였다.
결론
관찰된 결과로부터, 하기와 같이 결론지을 수 있다:
- 모세관에 의해 연결되는 두 개의 챔버 구조를 사용하여 검출가능한 양의 메탄이 생성될 수 있다.
- 동일한 내압 및 상이한 온도에서 반응기들(12 및 14)을 작동시켜 검출가능한 양의 메탄이 생성될 수 있다.

Claims (53)

  1. 이산화탄소 및 물로부터 탄화수소를 생성시키는 방법으로서,
    (a) 양극과 물 및 전해질을 포함하는 액체 전해 매질을 함유하는 제 1 반응기(14)를 제공하는 단계;
    (b) 음극, 및 물과 이산화탄소의 혼합물을 포함하는 액체 전해 매질을 함유하는 제 2 반응기(12)를 제공하는 단계;
    (c) 제 1 반응기(14) 및 제 2 반응기(12)를 연결 수단으로 연결시키는 단계로서, 연결 수단은 액체 전해 매질을 함유하는 하나 이상의 튜브(들)로 규정되고, 튜브(들)은 전자는 통과시키나 분자를 통과시키지 않는 선택적인 멤브레인을 포함하고, 튜브(들)에 스탑퍼(stopper) 수단이 구비되는 단계;
    (d) 양극 및 음극에 직류를 인가하여
    ● 제 2 반응기(12) 내의 음극 부분에서 탄화수소를 형성시키고;
    ● 제 1 반응기(14) 내의 양극 부분에서 산소를 형성시키며;
    제 2 반응기(12) 및 제 1 반응기(14)가 5.1 atm 초과의 압력 및 상이한 온도에서 작동되는 단계를 포함하는 방법.
  2. 제 1항에 있어서, (d) 단계에서 형성된 탄화수소가 메탄인 방법.
  3. 제 1항에 있어서, 제 2 반응기(12) 및 제 1 반응기(14)가 동일한 내압에서 작동되는 방법.
  4. 제 1항에 있어서, 스탑퍼 수단이 밸브 또는 밸브들인 방법.
  5. 제 1항에 있어서, 제 1 반응기(14) 및 제 2 반응기(12) 내 전해 매질이 액체 상태로 유지되는 방법.
  6. 제 5항에 있어서, 제 1 반응기(14) 및 제 2 반응기(12)가 5.1 내지 1000 atm의 압력에서 작동되는 방법.
  7. 제 1항에 있어서, 제 1 반응기(14)가 20℃ 내지 200℃의 온도에서 작동되는방법.
  8. 제 1항에 있어서, 제 2 반응기(12)가 -50℃ 내지 200℃의 온도에서 작동되는방법.
  9. 제 1항에 있어서, 양극 및 음극에 걸쳐 인가되는 전압이 -0.5v 내지 -20v인 방법.
  10. 제 1항 있어서, 양극 및 음극에 걸쳐 인가되는 직류가 50 내지 500mA인 방법.
  11. 이산화탄소 및 물로부터 탄화수소를 생성시키기 위한 장치로서,
    5.1 atm 초과의 고압에서 작동되며, 물을 액체 상태로 함유하기 위한 제 1 반응기(14);
    5.1 atm 초과의 고압에서 작동되며, 이산화탄소와 물의 혼합물을 액체 상태로 함유하기 위한 제 2 반응기(12);
    제 1 반응기(14) 내에 위치하는 양극;
    제 2 반응기(12) 내에 위치하는 음극; 및
    제 1 반응기(14) 및 제 2 반응기(12) 내 전해 매질을 연결시키는 연결 수단을 포함하고, 연결 수단은 전해 매질을 함유하는 하나 이상의 튜브(들)로 규정되며, 튜브(들)은 전자는 통과시키나 분자를 통과시키지 않는 선택적인 멤브레인을 포함하고, 튜브(들)에 스탑퍼 수단이 구비되는 장치.
  12. 제 11항에 있어서, 스탑퍼 수단이 밸브 또는 밸브들인 장치.
  13. 제 11항에 있어서, 제 2 반응기(12) 및 제 1 반응기(14) 내 압력을 평형화시키기 위한 고압 증압기를 포함하는 장치.
  14. 제 13항에 있어서, 고압 증압기가 CO2로 가압되고, 제 2 반응기(12)를 직접적으로 CO2로 가압하며, 제 1 반응기(14)를 H2O로 가압하기 위해 고압 축압기가 구비되는 장치.
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