KR101800779B1

KR101800779B1 - 기액 접촉 효율이 높은 산성가스 제거를 위한 전기분해 반응기 및 방법

Info

Publication number: KR101800779B1
Application number: KR1020160097164A
Authority: KR
Inventors: 정순관; 박기태; 강성필; 김학주; 윤민혜
Original assignee: 한국에너지기술연구원
Priority date: 2015-07-31
Filing date: 2016-07-29
Publication date: 2017-11-28
Also published as: WO2017023029A1; KR20170015851A

Abstract

본 발명은 기액 접촉 효율이 높은 산성가스 제거를 위한 전기분해 반응기 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 산성가스를 전기분해 반응기의 캐소드에 직접 공급하여 생성된 NaOH와 산성가스가 반응하도록 하고, 이때 전기분해 반응기의 캐소드 영역에서 기/액 접촉 효율을 높일 수 있는 구조를 제공하여 NaOH 생산과 동시에 산성가스인 이산화탄소를 효율적으로 제거함으로서 별도의 흡수 반응기를 필요로 하지 않고 탄산염(CO₃ ^2-) 또는 중탄산염(HCO₃ ^-)을 제조할 수 있는 반응기 및 방법에 관한 것이다.

Description

기액 접촉 효율이 높은 산성가스 제거를 위한 전기분해 반응기 및 방법{Electrolysis reactor and method for removing acid gases, having high gas-liquid contact efficiency}

본 발명은 기액 접촉 효율이 높은 산성가스 제거를 위한 전기분해 반응기 및 이를 이용한 탄산염(CO₃ ^2-) 또는 중탄산염(HCO₃ ^-) 제조 방법에 관한 것이다.

화석연료의 사용에 따라 대기 중에 이산화탄소(CO₂), 메탄(CH₄), 황화수소(H₂S), 카보닐 설파이드(COS) 등 산성가스 농도가 증가하여, 이로 인한 지구 온난화가 문제되고 있다. 특히 대기 중 이산화탄소는 1992년 리우 환경회의 이후 그 저감을 위한 여러 방안이 세계적으로 활발히 논의되고 있다.

이산화탄소 포집 및 저장(CCS; Carbon Dioxide Capture& Storage) 기술은 화석연료를 사용하여 이산화탄소를 대량 배출하는 발전소, 철강, 시멘트 공장 등에서 배출되는 이산화탄소를 대기로부터 격리시키는 기술이다.

CCS 기술 중 이산화탄소 포집기술은 전체 비용의 70 내지 80%를 차지하는 핵심 기술로 크게 연소 후 포집기술(Post-combustion technology), 연소 전 포집기술(Pre-combustion technology) 및 순산소 연소기술(Oxy-fuel combustion technology)로 구분된다.

연소 후 포집기술(Post-combustion technology)은 화석연료 연소에서 나온 이산화탄소(CO₂)를 여러 용매에 흡수시키거나 반응시켜 제거하는 기술이며, 연소 전 포집기술(Pre-combustion technology)은 연소 전에 이산화탄소를 분리해 내는 것으로 석탄과 같은 화석연료를 가스화시키는 과정을 통해 사전 처리하여 CO₂와 수소로 전환시킨 후에 이산화탄소(CO₂)/수소(H₂)혼합가스 중에서 이산화탄소(CO₂)를 분리하거나 또는 혼합가스를 연소시켜서 배기가스 중의 이산화탄소(CO₂)를 포집하는 기술이다. 또한, 순 산소 연소기술(Oxy-fuel combustion technology)은 화석연료를 연소시킬 때 공기 대신 산소만을 이용하여 연소시켜 이산화탄소(CO₂) 포집을 용이하게 하는 기술이다. 위 기술 중 연소 후 포집기술이 현재 가장 폭넓게 사용되고 있다.

기존 이산화탄소 발생원에 적용하기 가장 용이한 기술은 연소 후 포집기술이다. 흡수제를 이용하여 이산화탄소를 흡탈착하여 이산화탄소를 분리하는 방법으로 흡수제 성능향상과 이에 따른 공정 개선 등에 초점이 맞추어져 있다. 이 기술은 요소비료 생산, 자동용접, 탄산음료 등에 필요한 이산화탄소를 공급하기 위하여 습식 흡수기술과 건식 흡착기술이 상용화되어 가동되고 있으며, 습식 흡수기술의 효율이 높은 편이다.

본 발명의 목적은 기/액 접촉 효율을 높여 우수한 효율로 산성가스를 제거할 수 있는 장치 및 이를 이용한 탄산염(CO₃ ^2-) 또는 중탄산염(HCO₃ ^-) 제조 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 제1양태는 애노드, 기액 접촉반응부인 캐소드 및 상기 애노드와 캐소드 사이에 위치한 이온교환막을 구비한 산성가스 전기분해 반응기로서, 캐소드에서 제1경로로 공급된 물(H₂O)을 H₂와 OH^-로 전기분해시키고, 애노드에서 제2경로로 공급된 NaCl 함유 수용액을 Na⁺와 Cl₂로 전기분해하고, Cl₂ 는 수용액 내 물에 용해되어 제3경로를 통해 배출하고, Na⁺이온은 이온교환막을 통하여 캐소드로 이동하여 NaOH를 형성하고, 기액 접촉반응부인 캐소드에서 제4경로로 공급된 이산화탄소 함유 산성가스와 상기 NaOH를 반응시켜 Na₂CO₃ 및/또는 NaHCO₃ 함유 수용액을 형성시킨 후 제5경로를 통해 배출하는 것이 특징인 반응기를 제공한다.

본 발명의 제2양태는 애노드, 기액 접촉반응부인 캐소드 및 상기 애노드와 캐소드 사이에 위치하여 애노드 영역과 캐소드 영역을 구분해주는 이온교환막을 포함하는 전기화학적 전지 내에서 산성가스를 제거하는 방법으로서,

캐소드에서 제1경로로 공급된 물(H₂O)을 H₂와 OH^-로 전기분해시키고, 애노드에서 제2경로로 공급된 NaCl 함유 수용액을 Na⁺와 Cl₂로 전기분해하고, Na⁺이온은 이온교환막을 통하여 캐소드로 이동하여 NaOH를 형성하고, 기액 접촉반응부인 캐소드에서 제4경로로 공급된 이산화탄소 함유 산성가스와 상기 NaOH를 반응시켜 Na₂CO₃ 및 NaHCO₃ 함유 수용액을 형성시키는 제1단계;

상기 애노드에서 생성된 Cl₂는 수용액 내 물에 용해되어 제3경로를 통해 배출시키는 제2단계; 및

상기 캐소드에서 생성된 Na₂CO₃ 및/또는 NaHCO₃ 함유 수용액을 제5경로를 통해 배출시키는 제3단계를 포함하고,

상기 이산화탄소 함유 산성가스를 공급하는 제4경로 상에 다공성 기체 확산층을 구비하되, 상기 다공성 기체 확산층은 미세 기공 구조를 가지고 있어서 기체를 미세한 기포 형태로 캐소드의 기액 접촉 반응부로 공급하는 것이 특징인 방법을 제공한다.

본 발명의 제3양태는 애노드, 기액 접촉반응부인 캐소드 및 상기 애노드와 캐소드 사이에 위치하여 애노드 영역과 캐소드 영역을 구분해주는 이온교환막을 포함하는 전기화학적 전지 내에서 탄산염(CO₃ ^2-) 또는 중탄산염(HCO₃ ^-)을 제조하는 방법으로서,

캐소드에서 제1경로로 공급된 물(H₂O)을 H₂와 OH^-로 전기분해시키고, 애노드에서 제2경로로 공급된 NaCl 함유 수용액을 Na⁺와 Cl₂로 전기분해하고, Na⁺이온은 이온교환막을 통하여 캐소드로 이동하여 NaOH를 형성하고, 기액 접촉반응부인 캐소드에서 제4경로로 공급된 이산화탄소 함유 산성가스와 상기 NaOH를 반응시켜 Na₂CO₃ 및/또는 NaHCO₃ 함유 수용액을 형성시키는 제1단계;

상기 애노드에서 생성된 Cl₂는 수용액 내 물에 흡수되어 제3경로를 통해 배출시키는 제2단계; 및

이하 본 발명을 자세히 설명한다.

기존 산성 가스 처리 방법은 NaCl 수용액을 전기분해하여 NaOH 수용액을 생성하고 별도의 기/액 흡수 반응기에서 산성가스와 생성된 NaOH 수용액을 접촉시켜 반응시킴으로써 산성가스인 CO₂, SOx, NOx를 흡수함으로써 오염물 배출을 억제하는 방식이었다. 그러나, 이러한 기술은 산성가스가 NaOH 수용액과 반응하는 별도의 흡수 반응기를 필요로 하고 기/액 접촉 면적에 한계가 있어 반응 효율이 떨어지는 단점이 있다. 따라서, 산성가스가 NaOH 수용액 간의 기/액 접촉 효율을 높일 수 있는 구조가 필요하다.

본 발명에서는 도 1에 도시된 바와 같이 산성가스를 전기분해 반응기의 캐소드에 직접 공급하여 캐소드에서 생성된 NaOH와 산성가스가 반응하도록 하고, 이때 전기분해 반응기의 캐소드 영역에서 기/액 접촉 효율을 높일 수 있는 구조를 제공하여 NaOH 생산과 동시에 산성가스인 이산화탄소를 제거함으로써 별도의 흡수 반응기를 필요로 하지 않고 탄산염(CO₃ ^2-) 또는 중탄산염(HCO₃ ^-)을 제조하는 것을 특징으로 한다.

전술한 바와 같이, 기/액 접촉 효율을 높일 수 있는 구조로서, 본 발명은 애노드, 캐소드 및 상기 애노드와 캐소드 사이에 위치한 이온교환막을 구비한 산성가스 전기분해 반응기에 있어서, 기액 접촉반응부인 캐소드에서 제1경로로 공급된 물(H₂O)을 H₂와 OH^-로 전기분해시키고, 애노드에서 제2경로로 공급된 NaCl 함유 수용액을 Na⁺와 Cl₂로 전기분해하고, Cl₂ 기체는 수용액 내 물에 용해되어 HCl 및/또는 HClO을 형성시킨 후 제3경로를 통해 배출하고, Na⁺이온은 이온교환막을 통하여 캐소드로 이동하여 NaOH를 형성하고, 기액 접촉반응부인 캐소드에서 제4경로로 공급된 이산화탄소 함유 산성가스와 상기 NaOH를 반응시켜 Na₂CO₃ 및/또는 NaHCO₃ 함유 수용액을 형성시킨 후 제5경로를 통해 배출하는 반응기를 제공할 수 있다.

또한, 본 발명에 따라, 애노드, 기액 접촉반응부인 캐소드 및 상기 애노드와 캐소드 사이에 위치하여 애노드 영역과 캐소드 영역을 구분해주는 이온교환막을 포함하는 전기화학적 전지 내에서

산성가스를 제거하는 방법 또는 탄산염(CO₃ ^2-) 또는 중탄산염(HCO₃ ^-)을 제조하는 방법은,

상기 애노드에서 생성된 Cl₂ 기체는 수용액 내 물에 용해되어 HCl 및/또는 HClO을 형성시킨 후 제3경로를 통해 배출시키는 제2단계; 및

이때, 상기 이산화탄소 함유 산성가스를 공급하는 제4경로 상에 다공성 기체 확산층을 구비하되, 상기 다공성 기체 확산층은 미세 기공 구조를 가지고 있어서 기체를 미세한 기포 형태로 캐소드의 기액 접촉 반응부로 공급하는 것이 특징이다.

즉, 본 발명에서는 이산화탄소 함유 산성가스를 공급하는 제4경로 상에 다공성 기체 확산층을 구비하되, 상기 다공성 기체 확산층은 미세 기공 구조를 가지고 있어서 기체를 미세한 기포 형태로 캐소드의 기액 접촉 반응부로 공급함으로써 기/액 접촉 효율을 극대화시킬 수 있다.

본 발명에서, 다공성 기체 확산층은 기액 접촉 반응부의 액상을 통과시키지 못하는 것일 수 있다. 본 발명에서, 다공성 기체 확산층은 발수성을 발휘하는 미세기공을 가질 수 있다. 또한, 다공성 기체 확산층은 물을 통과시키지 아니하고, 기체만 통과시킬 수 있도록 발수처리된 것일 수 있다. 발수처리는 물방울의 접촉각을 이용하여 확인할 수 있다.

본 발명에서, 다공성 기체 확산층은 이산화탄소 함유 산성가스 공급에 대한 차압 손실이 0.01 내지 0.1 atm 범위인 기체 투과도를 가질 수 있다.

본 발명에서, 다공성 기체 확산층은 전기전도성이 있는 것일 수 있다. 전기 전도성이 있는 경우 캐소드에서 전자의 이동을 원활하게 하여 NaOH 생성 효율을 높일 수 있다.

본 발명에서, 다공성 기체 확산층은 발수처리된 탄소 종이일 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.

본 발명에 따른 산성가스 전기분해 반응기는 선박에 장착될 수 있으며, 이때, 캐소드에서 제1경로로 공급된 물(H₂O) 및 애노드에서 제2경로로 공급된 NaCl 함유 수용액은 각각 독립적으로 해수일 수 있다.

본 발명의 산성가스 전기분해 반응기는 캐소드에 액상의 반응물이 공급되는 주입구와 기상 반응물이 공급되는 주입구를 별도로 제공한다. 이때, 액상 반응물은 별도의 공급로를 통해 전극 표면으로 공급되고 기상 반응물은 다공성 기체 확산층을 통과하여 전극 표면으로 전달된다. 바람직하기로, 기상 반응물은 다공성 기체 확산층을 통과하면서 미세한 기포 형태로 분산되어 액상 반응물과 접촉함으로써 기/액 접촉 효율을 극대화할 수 있다. 따라서, 캐소드에서 생성된 NaOH 수용액과 산성가스인 이산화탄소가 고효율로 접촉하여 이산화탄소 흡수 반응을 수행할 수 있다.

본 발명은 산성가스를 전기분해 반응기의 캐소드에 직접 공급하여 생성된 NaOH와 산성가스가 반응하도록 하고, 이때 전기분해 반응기의 캐소드 영역에서 기/액 접촉 효율을 높일 수 있는 구조를 제공하여 NaOH 생산과 동시에 산성가스인 이산화탄소를 제거함으로써, 별도의 흡수 반응기를 필요로 하지 않고 탄산염(CO₃ ^2-) 또는 중탄산염(HCO₃ ^-)을 제조할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 구체예에 따른 산성가스 전기분해 반응기의 개략적인 개념도이다.
도 2는 실시예 1에서 제작한, 산성가스 제거를 위한 전기분해 반응 시스템을 도시한 개략도이다.
도 3은 실시예 1에서 제작한 산성가스 제거용 전기분해 반응 시스템에서 반응을 수행한 결과 반응 온도에 따른 NaOH 생성 패러데이 효율을 도시한 그래프이다.
도 4는 실시예 1에서 제작한 산성가스 제거용 전기분해 반응 시스템에서 반응을 수행한 결과 반응 온도에 따른 이산화탄소 제거율을 도시한 그래프이다.

본 발명이 속하는 기술분야에 있어서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있을 정도로 본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 산성가스 전기분해 반응기의 구성을 설명하도록 한다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 구체예에 따른 산성가스 전기분해 반응기는 애노드, 캐소드, 상기 애노드와 캐소드 사이에 위치한 이온교환막, 상기 캐소드에 물을 공급하기 위한 물 공급 주입구, 상기 물 공급 주입구로 공급된 물이 캐소드로 이동하는 제1경로, 상기 애노드에 NaCl 함유 수용액을 공급하기 위한 NaCl 함유 수용액 공급 주입구, 상기 NaCl 함유 수용액 공급 주입구로 공급된 NaCl 함유 수용액이 애노드로 이동하는 제2경로, 애노드에서 생성된 HCl 및/또는 HClO을 배출시키기 위한 배출구, 상기 애노드로부터 HCl 및/또는 HClO 배출구로 HCl 및/또는 HClO이 이동하는 제3경로, 상기 캐소드에 이산화탄소 함유 산성가스를 공급하기 위한 이산화탄소 함유 산성가스 공급 주입구, 상기 이산화탄소 함유 산성가스 공급 주입구로 공급된 이산화탄소 함유 산성가스가 캐소드로 이동하는 제4경로, 상기 제4경로 상에 위치한 다공성 기체 확산층, 기액 접촉반응부인 캐소드에서 생성된 Na₂CO₃ 및/또는 NaHCO₃ 함유 수용액을 배출시키기 위한 Na₂CO₃ 및/또는 NaHCO₃ 함유 수용액 배출구, 및 상기 캐소드로부터 Na₂CO₃ 및/또는 NaHCO₃ 함유 수용액 배출구로 Na₂CO₃ 및/또는 NaHCO₃ 함유 수용액이 이동하는 제5경로를 포함할 수 있다.

본 발명에서 캐소드 및 애노드는 전압이 인가될 수 있는 한, 그 종류는 제한되지 아니하나, 생성물의 선택도 및 반응 활성도 측면에서, 상기 캐소드로는 Au, Ag, C, Cd, Co, Cr, Cu, Cu 합금, Ga, Hg, In, Mo, Nb, Ni, Ni 합금 등이 사용될 수 있다. 또한, 상기 애노드로는 Pt, Au, Pd, Ir, Ag, Rh, Ru, Mo, Cr, Cu, Ti, W, 이들의 합금, 또는 혼합 금속 산화물, 예를 들어 Ta₂0₅, Ir0₂ 등이 사용될 수 있다.

상기 이온교환막으로는 음이온 교환막 또는 양이온 교환막(CEM, cation exchange membrane)을 사용할 수 있다. 예를 들어, 나피온^® N115 등을 사용할 수 있다.

본 발명에서는 이산화탄소 함유 산성가스를 상기 이산화탄소 함유 산성가스 공급 주입구로부터 상기 제4경로 상에 위치한 다공성 기체 확산층을 통해 캐소드에 직접 공급하여 캐소드에서 생성된 NaOH 함유 수용액과 반응하여 Na₂CO₃ 및/또는 NaHCO₃로 전환됨으로써 처리, 즉 제거될 수 있다.

본 발명에서는 상기 NaOH 함유 수용액과 이산화탄소 함유 산성가스의 반응 효율을 높이기 위해 기/액 접촉 효율을 증가시킬 수 있는 구조로 산성가스 전기분해 반응기가 설계된 것이 특징이다. 구체적으로, 본 발명에서는 캐소드에 액상의 반응물이 공급되는 주입구와 기상 반응물이 공급되는 주입구가 별도로 구성되어 있다. 이때, 액상 반응물은 별도의 공급로를 통해 전극 표면으로 공급되고 기상 반응물은 다공성 기체 확산층을 통과하여 전극 표면으로 전달된다. 특히, 기상 반응물은 다공성 기체 확산층을 통과하면서 미세한 기포 형태로 분산되어 액상 반응물과 접촉함으로써 기-액 접촉 효율을 극대화 할 수 있다. 이에 따라 캐소드에서 생성된 NaOH 수용액과 산성가스인 이산화탄소가 고효율로 접촉하여 이산화탄소 흡수 반응을 수행할 수 있다.

상기 산성가스 전기분해 반응기는 상기 애노드 및 상기 캐소드 사이에 전압을 인가하여 상기 캐소드에서 기액반응을 유도하도록 구성된 에너지 공급원과 결합될 수 있다.

산성가스 전기분해를 위한 전기 에너지는 통상 핵 에너지 공급원 및 태양 전지 또는 다른 비-화석 연료 전기 공급원으로부터의 대체 에너지 공급원(예를 들어, 수력, 풍력, 태양열 발전, 지열 등)을 비롯한 통상적인 에너지 공급원으로부터 올 수 있다. 사용되는 전지의 내부 저항에 따라 다른 전압 값을 조정할 수 있다.

또한, 상기 산성가스 전기분해 반응기는 상기 물 공급 주입구와 연결되어 캐소드에 물을 공급하기 위한 물 공급원, 상기 NaCl 함유 수용액 공급 주입구와 연결되어 애노드에 NaCl 함유 수용액을 공급하기 위한 NaCl 함유 수용액 공급원, 상기 이산화탄소 함유 산성가스 공급 주입구와 연결되어 캐소드에 이산화탄소 함유 산성가스를 공급하기 위한 이산화탄소 함유 산성가스 공급원을 추가로 포함할 수 있다.

상기 산성가스 전기분해 반응기는 기액 접촉반응부인 캐소드에서 제1경로로 공급된 물(H₂O)을 H₂와 OH^-로 전기분해시키고, 애노드에서 제2경로로 공급된 NaCl 함유 수용액을 Na⁺와 Cl₂로 전기분해하고, Cl₂ 기체는 수용액 내 물에 용해되어 HCl 및/또는 HClO을 형성시킨 후 제3경로를 통해 배출하고, Na⁺이온은 이온교환막을 통하여 캐소드로 이동하여 NaOH를 형성하고, 제4경로로 공급된 이산화탄소 함유 산성가스와 상기 NaOH를 반응시켜 Na₂CO₃ 및/또는 NaHCO₃ 함유 수용액을 형성시킨 후 제5경로를 통해 배출할 수 있다.

상기 산성가스 전기분해 반응기 내 애노드와 캐소드에 전압이 인가되면 하기 반응식 1과 같이 애노드에서 NaCl이 전기분해되어 나트륨 양이온 및 염소 기체가 발생되고, 상기 나트륨 양이온은 이온교환막을 통해 캐소드로 이동하고,

캐소드에서는 나트륨 양이온과 전자를 받아 물 분자가 환원되어 수소기체와 NaOH가 생성되고, 캐소드 영역으로 주입된 이산화탄소 함유 산성가스가 캐소드 영역 내 NaOH 함유 염기성 물과 반응하여 탄산염(CO₃ ^2-) 및/또는 중탄산 염(HCO₃ ^-)을 형성시킨다.

[반응식 1]

애노드 반응 : 2NaCl → 2Na⁺ + Cl₂ + 2e^-

Cl₂ + H₂O → HCl + HClO

애노드 전체 반응 : 2NaCl + H₂O → 2Na⁺ + HCl + HClO + 2e^-

캐소드 반응 : 2H₂O + 2e^- → H₂ + 2OH^-

Na⁺ + OH^- → NaOH

NaOH + CO₂ → NaHCO₃

또는 2NaOH + CO₂ → Na₂CO₃ + H₂O

캐소드 전체 반응 : 2Na⁺ + 2e^- + 2H₂O + 2CO₂ → H₂ + 2NaHCO₃

또는 2Na⁺ + 2e^- + H₂O + CO₂ → H₂ + Na₂CO₃

제1경로를 통해 캐소드에 공급되는 물(H₂O)은 순수일 수도 있으나, 염(salt)을 함유하여 전기전도도 및/또는 이온전도도가 높은 전해액(예, 해수)일 수 있다. 이때, 본 발명에 따른 산성가스 전기분해 반응기의 작동에 있어서, 염의 종류 및 농도는 제한되지 아니한다. 염의 일례로는 NaCl이 있으며, 제1경로로 공급되는 물은 NaCl 수용액일 수 있다.

상기 산성가스 전기분해 반응기 구성에 있어서 다공성 기체 확산층은 다음과 같은 조건을 만족해야 한다.

1) 미세 기공 구조를 가지고 있어서 반응 기체를 미세한 기포 형태로 기액 접촉 반응부로 공급할 수 있어야 한다.

2) 기체 투과도가 높아서 기체 공급에 대한 차압 손실이 적어야 한다.

3) 기액 접촉 반응부의 액상은 다공성 기체 확산층을 통과하여 기체 공급부로 투과되지 않아야 한다.

4) 전기전도성이 우수해야 한다.

이를 위해 본 발명에서, 다공성 기체 확산층은 이산화탄소 함유 산성가스 공급에 대한 차압 손실이 0.01 내지 0.1 atm 범위인 기체 투과도를 가질 수 있다. 또한, 상기 다공성 기체 확산층은 기액 접촉 반응부의 액상을 통과시키지 못하는 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 다공성 기체 확산층은 발수성을 발휘하는 미세기공을 가질 수 있다. 이는 다공성 기체 확산층을 통해 기체가 원활하게 캐소드로 공급되고 기액 접촉 반응부의 반응 생성물을 포함하는 액상이 다공성 기체 확산층을 통해 누출되지 않게 하기 위해서이다. 또한, 상기 다공성 기체 확산층은 전기전도성이 있는 것일 수 있다. 예를 들어, 상기 다공성 기체 확산층은 발수처리된 탄소 종이일 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.

이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 산성가스 전기분해 반응기를 구성하기 위한 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명에 속한다고 할 것이다.

이하에서는 구체적인 실시예를 통하여 본 발명의 산성가스 전기분해 반응기를 사용하여 산성 가스를 제거하는 방법을 보다 자세히 설명한다. 그러나 이들 실시예는 본 발명을 예시적으로 설명하기 위한 것으로 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.

실시예 1: 산성가스 전기분해 반응기 제작 및 운전효율 조사

도 1에 도시된 바와 같이, 산성가스 전기분해 반응기를 제작하였으며, 도 2에 도시된 바와 같이, 산성가스 제거를 위한 전기분해 반응 시스템을 제작하였다.

구체적으로, 애노드와 캐소드에 사용된 촉매는 백금(Pt)으로서 입자상의 백금 촉매 분말을 나피온이오노머(Nafion ionomer)와 함께 알코올에 혼합하고 제조된 혼합용액을 이온교환막의 양쪽 면에 각각 코팅하여 애노드 및 캐소드 전극을 제조하였다. 제조된 애노드 쪽에는 0.1mm 두께의 가스켓과 집전판을 결합하고, 캐노드 쪽에는 0.1mm 두께의 가스켓, 0.2mm 두께의 발수처리된 탄소종이 및 가스켓, 그리고 0.1mm 두께의 가스켓을 순서대로 결합함으로서 각각 기액 접촉 반응부, 기체 확산층, 기체 공급부를 제작하고 마지막으로 집전판을 결합하였다. 집전판은 전기분해 반응기에 전압을 인가했을 때 두 전극 사이에 전위차를 형성할 수 있도록 전기전도도가 우수한 흑연판 또는 황동판을 사용하였고, 애노드와 캐소드에 반응물을 공급하고 생성물을 배출할 수 있도록 유로를 형성하였다. 제작된 반응 시스템을 이용하여 2.8V의 전압을 인가하는 조건에서 전기분해 반응기 온도를 30℃에서 90℃로 변화시키면서 NaOH 제조 성능 및 이산화탄소 제거율을 측정하였다.

구체적인, 실험조건은 하기와 같았다.

인가전압 : 2.8V

반응온도 : 30 ~ 90 ℃

전해질 막 : Nafion 115

애노드 전극촉매 : Pt

캐소드 전극촉매 : Pt

공급된 CO₂ 가스의 농도 : 10% (v/v) (N₂-balanced)

애노드 전해액 : NaCl 수용액 (35g/l)

캐소드 전해액 : NaCl 수용액 (35g/l)

상기 전기분해 반응 시스템 및 상기 실험조건에서 산성 가스 제거 공정을 수행한 후 운전효율을 조사하여 도 3(반응 온도에 따른 NaOH 생성 패러데이 효율을 도시한 그래프) 및 도 4(반응 온도에 따른 이산화탄소 제거율을 도시한 그래프)에 도시하였다. 그 결과, 본 발명에 따른 산성가스 전기분해 반응기가 우수한 효율로 산성가스를 제거할 수 있음을 확인하였다.

통상 기체의 용해도는 온도에 반비례한다. 이산화탄소 흡수면에서는 온도가 낮을수록 좋다. 그러나, 이와 상반되는 결과(도 4)가 본 실시예에 따른 산성가스 전기분해 반응기에서 나타나는데, 즉 온도가 높을수록 이산화탄소의 흡수 및 제거가 우수한데, 이는 기액 접촉 반응부인 캐소드에서 기액 접촉이 우수하다는 것을 제시 해준다.

도 3에서도 온도가 높을수록 NaOH 형성이 잘 되는 것을 알 수 있다. 이는 온도가 높을수록 기액 접촉 반응부인 캐소드에서 기액 접촉이 우수하여 이산화탄소와 NaOH의 반응이 잘 일어나, 생성물인 NaOH를 계속 소모하기 때문이다.

Claims

애노드, 기액 접촉반응부인 캐소드 및 상기 애노드와 캐소드 사이에 위치한 이온교환막을 구비한 산성가스 전기분해 반응기로서,
캐소드에서 제1경로로 공급된 물(H₂O)을 H₂와 OH^-로 전기분해시키고, 애노드에서 제2경로로 공급된 NaCl 함유 수용액을 Na⁺와 Cl₂로 전기분해하고, Cl₂ 는 수용액 내 물에 흡수되어 제3경로를 통해 배출하고, Na⁺이온은 이온교환막을 통하여 캐소드로 이동하여 NaOH를 형성하고, 기액 접촉반응부인 캐소드에서 제4경로로 공급된 이산화탄소 함유 산성가스와 상기 NaOH를 반응시켜 Na₂CO₃ 및/또는 NaHCO₃ 함유 수용액을 형성시킨 후 제5경로를 통해 배출하고,
상기 이산화탄소 함유 산성가스를 공급하는 제4경로 상에 다공성 기체 확산층을 구비하되, 상기 다공성 기체 확산층은 미세 기공 구조를 가지고 있어서 기체를 미세한 기포 형태로 캐소드의 기액 접촉 반응부로 공급하고,
상기 다공성 기체 확산층은 기액 접촉 반응부의 액상을 통과시키지 못하는 것이 특징인 반응기.
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제1항에 있어서, 다공성 기체 확산층은 이산화탄소 함유 산성가스 공급에 대한 차압 손실이 0.01 내지 0.1 atm 범위인 기체 투과도를 갖는 것이 특징인 반응기.
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제1항에 있어서, 다공성 기체 확산층은 전기전도성이 있는 것이 특징인 반응기.
제1항에 있어서, 다공성 기체 확산층은 발수성을 발휘하는 미세기공을 갖는 것이 특징인 반응기.
제1항에 있어서, 다공성 기체 확산층은 물을 통과시키지 아니하고, 기체만 통과시킬 수 있도록 발수처리된 것이 특징인 반응기.
제1항에 있어서, 제1경로로 캐소드에 공급되는 물(H₂O), 제2경로로 애노드에 공급되는 NaCl 함유 수용액, 또는 둘다는 해수이고, 선박에 장착되는 것이 특징인 반응기.
제1항에 있어서, 산성가스 전기분해 반응기는 가압없이 20 ~ 100 ℃에서 작동되는 것이 특징인 반응기.
애노드, 기액 접촉반응부인 캐소드 및 상기 애노드와 캐소드 사이에 위치하여 애노드 영역과 캐소드 영역을 구분해주는 이온교환막을 포함하는 전기화학적 전지 내에서 산성가스를 제거하는 방법으로서,
캐소드에서 제1경로로 공급된 물(H₂O)을 H₂와 OH^-로 전기분해시키고, 애노드에서 제2경로로 공급된 NaCl 함유 수용액을 Na⁺와 Cl₂로 전기분해하고, Na⁺이온은 이온교환막을 통하여 캐소드로 이동하여 NaOH를 형성하고, 기액 접촉반응부인 캐소드에서 제4경로로 공급된 이산화탄소 함유 산성가스와 상기 NaOH를 반응시켜 Na₂CO₃ 및/또는 NaHCO₃ 함유 수용액을 형성시키는 제1단계;
상기 애노드에서 생성된 Cl₂는 수용액 내 물에 흡수되어 제3경로를 통해 배출시키는 제2단계; 및
상기 캐소드에서 생성된 Na₂CO₃ 및/또는 NaHCO₃ 함유 수용액을 제5경로를 통해 배출시키는 제3단계를 포함하고,
상기 이산화탄소 함유 산성가스를 공급하는 제4경로 상에 다공성 기체 확산층을 구비하되, 상기 다공성 기체 확산층은 미세 기공 구조를 가지고 있어서 기체를 미세한 기포 형태로 캐소드의 기액 접촉 반응부로 공급하고,
상기 다공성 기체 확산층은 물을 통과시키지 아니하고, 기체만 통과시킬 수 있도록 발수처리된 것이 특징인 방법.
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제10항에 있어서, 제1경로로 캐소드에 공급되는 물(H₂O), 제2경로로 애노드에 공급되는 NaCl 함유 수용액, 또는 둘다는 해수인 것이 특징인 방법.
제10항에 있어서, 산성가스를 제거하는 방법은 가압없이 20 ~ 100 ℃에서 수행되는 것이 특징인 방법.
애노드, 기액 접촉반응부인 캐소드 및 상기 애노드와 캐소드 사이에 위치하여 애노드 영역과 캐소드 영역을 구분해주는 이온교환막을 포함하는 전기화학적 전지 내에서 탄산염(CO₃ ^2-) 또는 중탄산염(HCO₃ ^-)을 제조하는 방법으로서,
캐소드에서 제1경로로 공급된 물(H₂O)을 H₂와 OH^-로 전기분해시키고, 애노드에서 제2경로로 공급된 NaCl 함유 수용액을 Na⁺와 Cl₂로 전기분해하고, Na⁺이온은 이온교환막을 통하여 캐소드로 이동하여 NaOH를 형성하고, 기액 접촉반응부인 캐소드에서 제4경로로 공급된 이산화탄소 함유 산성가스와 상기 NaOH를 반응시켜 Na₂CO₃ 및/또는 NaHCO₃ 함유 수용액을 형성시키는 제1단계;
상기 애노드에서 생성된 Cl₂는 수용액 내 물에 흡수되어 제3경로를 통해 배출시키는 제2단계; 및
상기 캐소드에서 생성된 Na₂CO₃ 및/또는 NaHCO₃ 함유 수용액을 제5경로를 통해 배출시키는 제3단계를 포함하고,
상기 이산화탄소 함유 산성가스를 공급하는 제4경로 상에 다공성 기체 확산층을 구비하되, 상기 다공성 기체 확산층은 미세 기공 구조를 가지고 있어서 기체를 미세한 기포 형태로 캐소드의 기액 접촉 반응부로 공급하고,
상기 다공성 기체 확산층은 기액 접촉 반응부의 액상을 통과시키지 못하는 것이 특징인 방법.