KR101826603B1 - 이산화탄소 고정화물 제조장치 및 이산화탄소 고정화물 제조방법 - Google Patents

이산화탄소 고정화물 제조장치 및 이산화탄소 고정화물 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예는 용매, 혼합가스 및 금속 원료가 유입 및 혼합되어 반응되는 제1반응부; 상기 제1반응부와 일 경로로 연통되어 혼합물이 유입되는 제1석출부; 상기 제1석출부와 일 경로로 연통되어 상기 혼합물 중 미 반응물 일부가 유입되고, 타 경로로 혼합가스가 유입되어, 혼합 및 반응되는 제2반응부; 및 상기 제2반응부로부터 일 경로로 연통되어 혼합물이 유입되는 제2석출부;를 포함하고, 상기 혼합가스는 이산화탄소를 포함하고, 상기 제1반응부는 상기 제1석출부의 미 반응물 다른 일부 및 제2석출부의 미 반응물이 유입되어 재사용되는, 이산화탄소 고정화물 제조장치를 제공한다.

Description

이산화탄소 고정화물 제조장치 및 이산화탄소 고정화물 제조방법{APPARATUS FOR FIXING CARBON DIOXIDE AND MANUFACTURING METHOD OF CARBON DIOXIDE SOLIDIFICATION}
본 발명은 이산화탄소 고정화물 제조장치 및 이산화탄소 고정화물 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 연속적 운영이 가능한 이산화탄소 고정화물 제조장치 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
종래의 이산화탄소 고정 화합물을 생산 및 회수하는 장치들은 배치(batch) 타입으로 연속적인 운영이 불가능하는 단점이 있다.
이산화탄소 고정화 장치의 일례로, 한국 등록특허공보 제10-1356067호에서, 제철폐기물을 농축시키는 농축장치; 농축된 제철폐기물을 탈수하는 탈수장치; 탈수된 제철폐기물을 강산과 반응시켜 수소와 금속염을 생성하는 용해장치; 상기 금속염에 이산화탄소를 함유하는 배가스와 알칼리 폐수를 반응시켜 금속탄산염을 제조하는 혼합교반장치;및 상기 금속탄산염을 건조하는 건조장치를 포함하는 이산화탄소 고정장치를 개시하고 있다.
이산화탄소 고정화 장치의 또 다른 일례로, 한국 공개특허공보 제10-2014-0042394호에서, 이산화탄소 및 물을 공급받아 중탄산(HCO3-)을 생성하는 이산화탄소 흡수 장치; 제 1 반응을 통해 환원극에서 수산화나트륨 수용액을 생성하는 전해 반응 장치; 및 상기 이산화탄소 흡수 장치에 연결되어 상기 중탄산을 공급받고 상기 전해 반응 장치로부터 수산화나트륨 수용액을 공급받아 탄산 이온을 생성하고, 폐기물로부터 추출된 금속 이온을 이용한 제 2 반응을 통해 탄산염을 생성하는 광물화 반응 장치를 포함하는 이산화탄소 무기 탄산화 장치를 제공하고 있다.
기존의 배치 타입은 이산화탄소를 흡수-전환하는 전환반응과 전환용액에 금속이온등을 투입하여 반응시키는 반응기로 이루어져 있으며, 생성된 이산화탄소 탄산염은 필터 등을 이용하여 액체와 고체로 분리 및 회수를 하게 된다. 따라서, 반응이 연속적으로 이루어지지 않아 공정이 간결하지 않다는 단점과 반응기의 용량이 커져야 한다는 단점을 지니고 있다.
한국 등록특허공보 제10-1356067호 한국 공개특허공보 제10-2014-0042394호
본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 보다 간결한 공정으로 이산화탄소로부터 탄산염을 연속적으로 생산할 수 있는 이산화탄소 고정화물 제조장치 및 이산화탄소 고정화물 제조방법을 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일 양태는 용매, 혼합가스 및 금속 원료가 유입 및 혼합되어 반응되는 제1반응부; 상기 제1반응부와 일 경로로 연통되어 혼합물이 유입되는 제1석출부; 상기 제1석출부와 일 경로로 연통되어 상기 혼합물 중 미 반응물 일부가 유입되고, 타 경로로 혼합가스가 유입되어, 혼합 및 반응되는 제2반응부; 및 상기 제2반응부로부터 일 경로로 연통되어 혼합물이 유입되는 제2석출부;를 포함하고, 상기 혼합가스는 이산화탄소를 포함하고, 상기 제1반응부는 상기 제1석출부의 미 반응물 다른 일부 및 제2석출부의 미 반응물이 유입되어 재사용되는, 이산화탄소 고정화물 제조장치를 제공한다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1석출부 및 제2석출부는 상기 공급받는 혼합물의 액체 사이클론을 형성시켜, 혼합물 중 반응물을 선택적으로 분리할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1반응부의 혼합물 일부는 상기 제1석출부, 제2반응부 및 제2석출부를 통해 연속적으로 이송될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1반응부 및 제1석출부 사이, 제1석출부 및 제2반응부 사이, 제2반응부 및 제2석출부 사이, 제2석출부 및 제1반응부 사이 밸브 및 펌프를 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제2반응부에 유입되는 혼합가스는 상기 제1반응부의 반응 후 배출되는 가스일 수 있다.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 또 다른 일 양태는 상기의 이산화탄소 고정화물 제조장치를 이용하여, 상기 제1반응부에서 용매, 혼합가스 및 금속 원료를 혼합 및 반응시키는 단계(단계 1); 상기 혼합된 물질을 상기 제1석출부로 이송시키고, 반응물 및 미 반응물을 분리하는 단계(단계 2); 상기 분리된 미 반응물을 상기 제2반응부로 이송시키고, 혼합가스를 제2반응부로 투입하여 혼합 및 반응시키는 단계(단계 3); 및 상기 혼합된 물질을 상기 제2석출부로 이송시키고, 반응물 및 미 반응물을 분리하는 단계(단계 4);를 포함하고, 상기 혼합가스는 이산화탄소를 포함하고, 상기 단계 2의 제1석출부의 미 반응물 일부 및 상기 단계 4의 제2석출부의 미 반응물이 상기 제1반응부로 회수되고, 상기 단계 2 및 단계 4에서 분리된 반응물을 수득하는, 이산화탄소 고정화물 제조방법을 제공한다.
일 실시예에 있어서, 상기 단계 3에서 제2반응부로 투입되는 혼합가스는 상기 단계 1의 제1반응부의 반응 후 배출되는 가스일 수 있다.
본 발명의 일 양태에 따르면, 이산화탄소로부터 탄산염을 연속적으로 생산할 수 있고, 저농도 및 고농도 등의 이산화탄소를 함유하고 있는 공정, 혹은 산업에서 배출되는 이산화탄소를 탄력적으로 적용이 가능한 장점이 있다.
또한, 병렬식 혹은 2차, 3차의 반응부 배치를 통하여, 보다 적은 부지 면적으로도 탄산염을 생산 가능하게 하고, 원하는 형태의 물리 화학적 조성을 지닌 탄산염을 선택적으로 생산 및 회수할 수 있다는 장점이 있다.
나아가, 비교적 조작이 간단하고, 가스 형태가 아닌 액체-고체 형태의 매질을 이용함으로써 안전성이 뛰어나다.
게다가, 최근 연구 및 개발되고 있는 다성분의 무기염 용액(해수, 해수 농축수, 도금폐수 등)을 이용한 이산화탄소 저감 및 탄산염의 생성에도 적용 가능한 이점이 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 이산화탄소 고정화물 제조장치의 일례를 나타낸 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 이산화탄소 고정화물 제조장치의 다른 일례를 나타낸 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 이산화탄소 고정화물 제조방법의 일례를 나타낸 개략도이다.
도 4 (a)는 실시예 1의 1차 회수 탄산염을 주사 전자 현미경을 통해 촬영한 사진이고, 도 4 (b)는 2차 회수 탄산염을 촬영한 사진이다.
도 5 (a)는 실시예 2의 1차 회수 탄산염을 주사 전자 현미경을 통해 촬영한 사진이고, 도 5 (b)는 2차 회수 탄산염을 촬영한 사진이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것을 달성하는 방법은 첨부된 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다.
그러나, 본 발명은 이하에 개시되는 실시예들에 의해 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있고, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 또한, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
나아가, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기술 등이 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있다고 판단되는 경우 그에 관한 자세한 설명은 생략하기로 한다.
본 발명자들은 산업에서 배출되는 배가스는 연속적으로 발생하고 있는 점을 착안하여, 본 발명은 반응부에서 반응시간을 조절하여 연속적으로 원하는 형태와 크기의 탄산염을 생성할 수 있도록 하는 구성을 개발하였고, 본 발명을 완성하였다.
본 발명의 일 양태는,
용매, 혼합가스 및 금속 원료가 유입 및 혼합되어 반응되는 제1반응부(R1);
상기 제1반응부(R1)와 일 경로로 연통되어 혼합물이 유입되는 제1석출부(S1);
상기 제1석출부(S1)와 일 경로로 연통되어 상기 혼합물 중 미 반응물 일부가 유입되고, 타 경로로 혼합가스가 유입되어, 혼합 및 반응되는 제2반응부(R2); 및
상기 제2반응부(R2)로부터 일 경로로 연통되어 혼합물이 유입되는 제2석출부(S2);를 포함하고,
상기 혼합가스는 이산화탄소를 포함하고,
상기 제1반응부(R1)는 상기 제1석출부(S1)의 미 반응물 다른 일부 및 제2석출부(S2)의 미 반응물이 유입되어 재사용되는, 이산화탄소 고정화물 제조장치(100)를 제공한다.
이하, 본 발명의 일 양태에 따른 이산화탄소 고정화물 제조장치(100)에 대하여 도 1 및 도 2을 참조하여 각 구성별로 설명한다.
본 발명의 일 양태에 따른 이산화탄소 고정화물 제조장치(100)에 있어서, 상기 제1반응부(R1)는 도 1에 도시된 바와 같이 용매, 혼합가스 및 금속 원료가 유입 및 혼합되어 반응될 수 있다. 구체적으로, 용매 공급부(T1) 및 금속원료 공급부(T2)로부터 각각 용매와 금속원료가 유입될 수 있다.
상기 금속원료는 이산화탄소와 탄산염을 형성할 수 있는 1가 내지 3가의 금속이온을 포함할 수 있다. 구체적으로, Li+, Na+, K+, Rb+, Mg2 +, Ca2 +, Sr2 +, Ba2 +, Al3+으로 이루어진 군 중 선택된 1종 이상의 금속 양이온을 포함할 수 있다.
상기 혼합가스는 이산화탄소 및 불활성기체를 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 불활성기체는 질소, 헬륨, 네온 및 아르곤으로 이루어진 군 중 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다. 상기 혼합가스의 이산화탄소 농도에는 제한이 없으나, 5 체적% 내지 15 체적%의 이산화탄소를 포함하는, 저농도의 혼합가스로 본 발명의 일 양태에 따른 장치를 통해 탄산화 반응을 용이하게 수행할 수 있다.
상기 용매는 메탄올, 에탄올, 프로판올, 에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜, 디에틸렌글리콜, 트리에티렌글리콜, 폴리에틸렌글리콜 ,N-메틸피롤리돈, 프로필렌카보네이트 및 에틸렌 카보네이트로 이루어진 군 중 선택된 1종 이상일 수 있다.
상기 제1반응부(R1) 및 제2반응부(R2)에서 유입되는 물질들이 혼합 및 반응되어 생성되는 반응물은 탄산염일 수 있고, 상기 탄산염은 상기 금속 원료에 포함된 금속이온 및 이산화탄소가 반응하여 생성된 모든 물질을 포함할 수 있으며, 구체적으로 Li2CO3, Na2CO3, K2CO3, Rb2CO3, MgCO3, CaCO3, SrCO3, BaCO3 및 Al2(CO3)3 으로 이루어진 군 중 선택된 1종 이상일 수 있다.
상기 제1반응부(R1) 및 제2반응부(R2)에서 유입되는 물질들이 미처 반응되지 못한 미 반응물은 금속 이온 및 용매를 포함할 수 있다.
상기 제1반응부(R1)로 물질들이 유입 및 배출되는 경로를 구체적으로 설명하자면, 먼저 상기 제1반응부의 용매 유입은 상기 용매 공급부(T1)와 제1반응부가 연통되도록 하는 제4유로(L4)를 통해 이루어질 수 있다.
상기 제1반응부(R1)의 금속원료 유입은 상기 금속원료 공급부(T2)와 제1반응부가 연통되도록 하는 제3유로(L3)를 통해 이루어질 수 있다.
상기 제1반응부(R1)의 혼합가스 유입은 제1반응부와 연통된 제1유로(L1)를 통해 이루어질 수 있다.
상기 제1반응부(R1) 일 측면에 연통된 제2유로(L2)를 통해 반응 후 가스가 배출될 수 있다. 상기 반응 후 가스는 불활성기체일 수 있다.
상기 제1반응부(R1)에 용매, 혼합가스 및 금속 원료가 혼합되어 반응되고, 상기 제1석출부(S1)와 제1반응부가 연통되도록 하는 제5유로(L5)를 통해 제1석출부로 혼합물들이 이송될 수 있다. 상기 제5유로에 구비된 제1밸브(V1) 및 제1펌프(P1)를 통해 상기 제1반응부에서 배출되는 혼합물 이송 시 유속 및 압력이 제어될 수 있다. 상기 제1밸브 및 제1펌프를 통하여 압력을 제어함으로써, 제1반응부의 반응시간을 조절할 수 있고, 후술할 연속공정의 출발점이 될 수 있다.
본 발명의 일 양태에 따른 이산화탄소 고정화물 제조장치(100)에 있어서, 상기 제1석출부(S1)는 상기 제1반응부(R1)와 일 경로로 연통되어 제1반응부에서 혼합된 혼합물이 유입된다. 상기 제1반응부에서는 액체 사이클론이 형성되며, 유입되는 혼합물의 고액분리가 수행될 수 있다. 구체적으로, 제1반응부 하부로는 탄산염, 상부로는 용매 및 금속이온이 각각 분리될 수 있다.
상기 제1석출부(S1)는 상기 제2반응부(R2)와 연통된 제8유로(L8)을 통해 제1석출부에서 분리된 미 반응물이 상기 제2반응부로 유입될 수 있다. 상기 제8유로에 구비된 제3밸브(V3) 및 제3펌프(P3)을 통해, 상기 제1석출부에서 배출되는 미 반응물의 일부를 제2반응부로 이송 시, 유속 및 압력을 제어할 수 있다.
상기 제1석출부(S1)는 상기 제1반응부(R2)와 또 다른 경로로 연통된 제6유로(L6)를 통해 제1석출부에서 분리된 미 반응물이 상기 제1반응부(R2)로 유입될 수 있다. 상기 제6유로에 구비된 제2밸브(V2) 및 제2펌프(P2)를 통해 상기 제1석출부에서 배출되는 미 반응물의 다른 일부를 제1반응부로 이송 시 유속 및 압력을 제어할 수 있다.
상기 제1석출부(S1)와 연통된 제6유로(L6) 및 제8유로(L8) 일부 구간은 같은 유로를 공유하여 구비될 수 있고, 구체적으로 제1석출부(S1) 일측으로 연장되어 형성된 유로가 공유될 수 있다.
본 발명의 일 양태에 따른 이산화탄소 고정화물 제조장치(100)에 있어서, 상기 제2반응부(R2)는 상기 제1석출부(S1)와 일 경로로 연통되어 상기 혼합물 중 미 반응물 일부가 유입되고, 타 경로로 혼합가스가 유입되어, 혼합 및 반응이 이루어진다.
상기 제2반응부(R2)는 일 측면에 연통된 제9유로(L9)를 통해 혼합가스가 유입될 수 있고, 이때 유입되는 혼합가스 성분은 상기 제1반응부(R1)에 유입되는 혼합가스 성분과 동일할 수 있다.
상기 제2반응부(R2)와 상기 제2석출부(S2)가 연통되도록 하는 제11유로(L11)를 통해, 상기 제2반응부의 혼합물이 제2석출부로 유입될 수 있다. 상기 제11유로에 구비된 제4밸브(V4) 및 제4펌프(P4)를 통해 상기 제2반응부에서 배출되는 혼합물을 제2석출부로 이송 시 유속 및 압력을 제어할 수 있다.
상기 제2반응부(R2)의 타 측면에 연통된 제10유로(L10)을 통해 반응 후 가스가 배출될 수 있고, 상기 배출되는 가스는 불활성기체일 수 있다.
본 발명의 일 양태에 따른 이산화탄소 고정화물 제조장치(100)에 있어서, 상기 제2석출부(S2)는 상기 제2반응부로부터 일 경로로 연통되어 혼합물이 유입된다.
상기 제2석출부(S2)는 상기 제1석출부(S1)와 마찬가지로 액체 사이클론이 형성되며, 유입되는 혼합물의 고액분리가 수행될 수 있다. 구체적으로, 제2반응부 하부로는 탄산염, 상부로는 용매 및 금속이온이 각각 분리될 수 있다.
상기 제2석출부(S2) 및 상기 제1반응부(R1)을 연통하는 제12유로(L12)를 통해, 상기 제2석출부(S2) 내 혼합물의 고액분리 후 분리된 미 반응물을 상기 제1반응부(R1)로 이송시킬 수 있다. 상기 제12유로(L12)에 구비된 제5펌프(P5)는 상기 제2석출부의 분리된 미 반응물을 제1반응부로 이송시킬 시, 유속 및 압력을 제어할 수 있도록 한다.
본 발명의 일 양태에 따른 이산화탄소 고정화물 제조장치(100)는 제5유로(L5)의 제1밸브(V1) 및 제6유로(L6)의 제2밸브(V2)를 제어하여 용매 및 금속 이온 등의 미 반응물질의 체류시간을 조정함으로써, 제1반응부(R1)의 반응시간을 조절할 수 있는 장점이 있다.
또한, 제1반응부(R1) 및 제1석출부(S1)의 액체 사이클론을 통하여, 열역학적으로 자유에너지가 상대적으로 낮은 물질을 빠른 속도로 분리할 수 있으며, 제2반응부(R2)에 유입되는 용매, 금속 이온의 이온 강도를 조절할 수 있다.
산업에서 요구되는 탄산염의 물리적 성상 중 크기와 모양 등의 조절이 필요하다고 하면, 제1반응부(R1) 및/또는 제2반응부(R2)의 반응시간을 각각의 반응부에 연통된 유로의 밸브를 통해 조절하여, 탄산염 형태를 조절할 수 있다.
본 발명의 일 양태에 따른 이산화탄소 고정화물 제조장치(100)는 제3반응부(미도시) 및 제3석출부(미도시)를 더 추가적으로 구비할 수 있고, 이와 연통되는 유로(미도시), 유로에 구비된 밸브 및 펌프(미도시)를 추가적으로 구비할 수 있다.
구체적으로, 상기 제2반응부(R2)와 일 경로로 연통되어 상기 혼합물 중 미 반응물 일부가 유입되고, 타 경로로 혼합가스가 유입되어, 혼합 및 반응되는 제3반응부; 상기 제3반응부로부터 일 경로로 연통되어 혼합물이 유입되는 제3석출부;를 포함할 수 있다. 이때 상기 제3석출부는 타 경로로 상기 제1반응부와 연통되어 제3석출부 내 미 반응물질을 제1반응부로 회수하도록 할 수 있다.
본 발명의 일 양태에 따른 이산화탄소 고정화물 제조장치(100)는 상기와 같이 반응부 및 석출부를 더 추가적으로 구비할 수도 있음을 양지해야 한다.
본 발명의 일 양태에 따른 이산화탄소 고정화물 제조장치(100)는 상기의 구성을 통해 산업 공정 등에서 배출되는 이산화탄소와 금속 이온 등을 이용하여, 금속 탄산염을 연속적으로 생산 및 회수할 수 있다.
본 발명의 다른 일 양태는,
상기의 이산화탄소 고정화물 제조장치를 이용하여,
상기 제1반응부에서 용매, 혼합가스 및 금속 원료를 혼합 및 반응시키는 단계(단계 1)(S10);
상기 혼합된 물질을 상기 제1석출부로 이송시키고, 반응물 및 미 반응물을 분리하는 단계(단계 2)(S20);
상기 분리된 미 반응물을 상기 제2반응부로 이송시키고, 혼합가스를 제2반응부로 투입하여 혼합 및 반응시키는 단계(단계 3)(S30); 및
상기 혼합된 물질을 상기 제2석출부로 이송시키고, 반응물 및 미 반응물을 분리하는 단계(단계 4)(S40);를 포함하고,
상기 혼합가스는 이산화탄소를 포함하고,
상기 단계 2의 제1석출부의 미 반응물 일부 및 상기 단계 4의 제2석출부의 미 반응물이 상기 제1반응부로 회수되고,
상기 단계 2 및 단계 4에서 분리된 반응물을 수득하는, 이산화탄소 고정화물 제조방법을 제공한다.
이하, 본 발명의 일 양태에 따른 이산화탄소 고정화물 제조방법에 대하여 각 단계별로 설명한다.
본 발명의 일 양태에 따른 이산화탄소 고정화물 제조방법에 있어서, 상기 단계 1(S10)은 제1반응부에서 용매, 혼합가스 및 금속 원료를 혼합 및 반응시킨다.
상기 단계 1의 용매, 혼합가스 및 금속 원료는 앞선 제조장치(100)에서 설명한 바와 같을 수 있다.
상기 단계 1의 혼합을 통해 혼합물 중 일부 탄산염이 형성될 수 있다. 생성되는 탄산염은 앞선 제조장치(100)에서 설명한 바와 같을 수 있다.
본 발명의 일 양태에 따른 이산화탄소 고정화물 제조방법에 있어서, 상기 단계 2(S20)는 상기 혼합된 물질을 상기 제1석출부로 이송시키고, 반응물 및 미 반응물을 분리한다.
상기 단계 2에서는 혼합된 물질이 상기 제1석출부로 이송되며 형성된 액체 사이클론에 의해 고-액 분리가 나타날 수 있다. 상기 단계 2는 제1석출부 상부로 미 반응 용매 및 금속 이온이 분리될 수 있고, 제1석출부 하부로 반응물인 탄산염이 분리될 수 있다.
본 발명의 일 양태에 따른 이산화탄소 고정화물 제조방법에 있어서, 상기 단계 3(S30)은 상기 분리된 미 반응물을 상기 제2반응부로 이송시키고, 혼합가스를 제2반응부로 투입하여 혼합 및 반응시킨다.
상기 단계 3은 상기 단계 2의 제1석출부에서 미 반응물인 용매 및 금속 이온이 제2반응부로 유입되고, 혼합가스가 별도의 경로로 유입되어 탄산염 반응이 진행된다.
본 발명의 일 양태에 따른 이산화탄소 고정화물 제조방법에 있어서, 상기 단계 4(S40)는 상기 혼합된 물질을 상기 제2석출부로 이송시키고, 반응물 및 미 반응물을 분리한다.
상기 단계 4에서는 혼합된 물질이 상기 제2석출부로 이송되며 형성된 액체 사이클론에 의해 고-액 분리가 나타날 수 있다. 상기 단계 4는 상기 단계 2와 마찬가지로 제2석출부 상부로 미 반응 용매 및 금속 이온이 분리될 수 있고, 제2석출부 하부로 반응물인 탄산염이 분리될 수 있다.
상기 단계 2의 제1석출부의 미 반응물 일부 및 상기 단계 4의 제2석출부의 미 반응물이 상기 제1반응부로 회수될 수 있고, 이에 따라 용매 및 미 반응된 금속 이온의 연속적 재사용이 가능하다.
상기 단계 2 및 단계 4에서 각각의 석출부 하부로 분리된 반응물인 탄산염을 수득하고 세척하여 최종적으로 이산화탄소 고정화물을 얻을 수 있다.
이하, 실시예 및 실험예에 의하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하고자 한다. 단, 하기 실시예 및 실험예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐 본 발명의 범위가 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
< 실시예 1> 이산화탄소 고정화물 제조장치 연속식 운영 1
도 1에 도시한 바와 같이, 용매 공급부(T1), 금속 원료 공급부(T2) 및 제1유로(L1)으로부터 용매, 금속 원료 및 이산화탄소+질소 혼합가스가 유입 및 혼합되어 반응되는 제1반응부(R1); 상기 제1반응부와 제5유로(L5)로 연통되어 혼합물이 유입되는 제1석출부(S1); 상기 제1석출부와 제8유로(L8)로 연통되어 상기 혼합물 중 미 반응물 일부가 유입되고, 제9유로(L9)로 혼합가스가 유입되어, 혼합 및 반응되는 제2반응부(R2); 및 상기 제2반응부로부터 제11유로(L11)로 연통되어 혼합물이 유입되는 제2석출부(S2);를 포함하고, 상기 제1반응부는 상기 제1석출부의 미 반응물 다른 일부 및 제2석출부의 미 반응물이 각각 제6유로(L6) 및 제12유로(L12)로 유입되어 재사용되도록 하였다. 상기 제1석출부 및 제2석출부는 상기 공급받는 혼합물의 액체 사이클론을 형성시켜, 혼합물 중 반응물을 선택적으로 분리하도록 하였다. 상기 제1반응부 및 제1석출부 사이, 제1석출부 및 제2반응부 사이, 제2반응부 및 제2석출부 사이, 제2석출부 및 제1반응부 사이 유량을 조절할 수 있는 밸브 및 펌프를 포함시켜, 이산화탄소 고정화물 제조장치(100)를 구비하였다.
상기 제조장치를 통해, 상기 제1반응부에서 용매, 질소+이산화탄소 혼합가스 및 마그네슘 원료를 혼합 및 반응시켰다(단계 1). 상기 혼합된 물질을 상기 제1석출부로 이송시키고, 반응물인 탄산마그네슘과 미 반응물인 용매 및 마그네슘 이온을 분리하였다(단계 2). 상기 분리된 미 반응물을 상기 제2반응부로 이송시키고, 혼합가스를 제2반응부로 투입하여 혼합 및 반응시켰다(단계 3). 상기 혼합된 물질을 상기 제2석출부로 이송시키고, 반응물인 탄산마그네슘과 미 반응물인 용매 및 마그네슘 이온을 분리하였다(단계 4). 상기 단계 2의 제1석출부의 미 반응물 일부 및 상기 단계 4의 제2석출부의 미 반응물이 상기 제1반응부로 회수되었다.
이때, 상기 단계 3의 혼합가스의 제2반응부 투입은 상기 단계 1의 반응 후 반응부에서 반응 후 제2유로를 통해 배출되는 가스를 사용하였다. 상기 단계들은 연속적으로 운영되었다.
최종적으로 상기 단계 2 및 단계 4에서 분리된 반응물(탄산염)을 수득하고 운영울 종료하였다.
< 실시예 2> 이산화탄소 고정화물 제조장치 연속식 운영 2
상기 실시예 1에서, 상기 단계 3에서 유입되는 혼합가스를 상기 단계 1에서 유입되는 혼합가스와 동일하게 한 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일하게 운영하였다.
< 실험예 1> 연속식 운영 후 탄산염 형성 평가
상기 실시예 1 및 2에서 전환된 이산화탄소량, 탄산염 생성량, 미 반응물 회수율을 측정하였고, 생성된 탄산염을 주사 전자 현미경을 통해 촬영하였으며, 그 결과를 표 1, 2, 도 4 및 도 5에 나타내었다.
1차 CO2 전환량 1차 탄산염 생성량 1차 미 반응물 순환(회수)율 2차 CO2 전환량 2차 탄산염 생성량 2차 미 반응물 순환(회수)율
0.482 mol 18.3 g 67-83 % 0.462 mol 16.5 g 63-77 %
실시예 1(제1반응부 유입 혼합가스의 1차 반응 후 배출된 가스를 이용하여 제2반응부 2차 반응, 1차 반응 대비 2차 반응에 사용된 이산화탄소의 농도는 낮음)
1차 CO2 전환량 1차 탄산염 생성량 1차 미 반응물 순환(회수)율 2차 CO2 전환량 2차 탄산염 생성량 2차 미 반응물 순환(회수)율
0.479 mol 18.5 g 71-86 % 0.468 mol 17.9 g 73-84 %
실시예 2(제1 및 제2반응부 유입 CO2 농도 동일)
도 4 및 도 5를 참고하면, 실시예 1의 1차 회수 탄산염(탄산마그네슘, MgCO3)인 도 4 (a), 2차 회수 탄산염인 도 4 (b), 실시예 2의 1차 회수 탄산염인 도 5 (a), 2차 회수 탄산염인 도 5 (b)에서 각각의 탄산염 형태를 확인할 수 있었다. 밸브 등을 통하여 반응에 관여하는 이산화탄소의 농도 및 유량등의 조절을 통해, 생성되는 탄산염의 형태를 선택적으로 조절할 수 있음을 확인하였다.
실시예 1에서, 제1반응부에 유입되는 이산화탄소 혼합가스가 1차 반응을 통해 탄산염을 생성한 후, 제2반응부에 유입되는 미 반응물과 이산화탄소는 습식 사이클론을 통해 유입되어, 생성되는 2차 탄산염의 형상이 달라지게 되는 것을 확인할 수 있었다.
실시예 2와 같이, 반응기에 유입되는 이산화탄소 혼합가스가 제1, 제2반응부에 동일하게 유입될 경우 1차, 2차에서 생성되는 탄산염의 형태는 동일하다는 것을 나타내었다. 이를 고려하면, 연속식 반응기의 밸브 등의 조절을 통하여 원하는 형태의 탄산염을 회수 할 수 있음을 확인하였다.
지금까지 본 발명의 일 양태에 따른 이산화탄소 고정화물 제조장치 및 이산화탄소 고정화물 제조방법에 관한 구체적인 실시예에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 실시 변형이 가능함은 자명하다.
그러므로 본 발명의 범위에는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
즉, 전술된 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며, 한정적인 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술될 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 그 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
R1 : 제1반응부
R2 : 제2반응부
S1 : 제1석출부
S2 : 제2석출부
T1 : 용매 공급부
T2 : 금속 원료 공급부
L1 내지 L12 : 제1유로 내지 제12유로
P1 내지 P5 : 제1펌프 내지 제5펌프

Claims (7)

  1. 용매, 이산화탄소를 포함하는 혼합가스 및 금속 원료가 유입 및 혼합되어 반응되는 제1반응부;
    상기 제1반응부와 일 경로로 연통되어 상기 제1반응부에서 생성된 탄산염, 미 반응된 금속 원료 및 용매가 유입되는 제1석출부;
    상기 제1석출부와 일 경로로 연통되어 상기 제1석출부의 미 반응된 금속 원료 및 용매가 유입되고, 타 경로로 이산화탄소를 포함하는 혼합가스가 유입되어, 혼합 및 반응되는 제2반응부; 및
    상기 제2반응부로부터 일 경로로 연통되어 상기 제2반응부에서 생성된 탄산염, 미 반응된 금속 원료 및 용매가 유입되는 제2석출부;를 포함하고,
    상기 제1반응부는 상기 제1석출부의 미 반응된 금속 원료 및 용매의 일부와, 제2석출부의 미 반응된 금속 원료 및 용매가 유입되어 재사용되고,
    상기 제1반응부에서 생성된 탄산염은 상기 제1석출부 하부에서 분리되고, 상기 제2반응부에서 생성된 탄산염은 상기 제2석출부 하부에서 분리되는, 이산화탄소 고정화물 제조장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1석출부 및 제2석출부는,
    유입되는 물질의 액체 사이클론을 형성시켜, 상기 미 반응된 금속 원료, 용매를 선택적으로 분리하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 고정화물 제조장치.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1반응부 및 제1석출부 사이, 제1석출부 및 제2반응부 사이, 제2반응부 및 제2석출부 사이, 제2석출부 및 제1반응부 사이 밸브 및 펌프를 포함하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 고정화물 제조장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제2반응부에 유입되는 혼합가스는,
    상기 제1반응부의 반응 후 배출되는 가스인 것을 특징으로 하는 이산화탄소 고정화물 제조장치.
  6. 제1항의 이산화탄소 고정화물 제조장치를 이용하여,
    상기 제1반응부에서 용매, 이산화탄소를 포함하는 혼합가스 및 금속 원료를 혼합 및 반응시키는 단계(단계 1);
    상기 제1반응부에서 생성된 탄산염, 미 반응된 금속 원료 및 용매를 상기 제1석출부로 이송시키고, 탄산염을 분리하는 단계(단계 2);
    상기 단계 2의 미 반응된 금속 원료 및 용매를 상기 제2반응부로 이송시키고, 이산화탄소를 포함하는 혼합가스를 제2반응부로 투입하여 혼합 및 반응시키는 단계(단계 3); 및
    상기 제2반응부에서 생성된 탄산염, 미 반응된 금속 원료 및 용매를 상기 제2석출부로 이송시키고, 탄산염을 분리하는 단계(단계 4);를 포함하고,
    상기 단계 2의 미 반응된 금속 원료 및 용매의 일부와, 상기 단계 4의 미 반응된 금속 원료 및 용매가 상기 제1반응부로 회수되고,
    상기 단계 2 및 단계 4에서 분리된 탄산염을 수득하는, 이산화탄소 고정화물 제조방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 단계 3에서 제2반응부로 투입되는 혼합가스는,
    상기 단계 1의 제1반응부의 반응 후 배출되는 가스인 것을 특징으로 하는 이산화탄소 고정화물 제조방법.

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