KR102025920B1 - 이산화탄소 활용 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 외부 전원 없이 자발적 전기화학 반응을 통해 이산화탄소를 활용하여, 전기, 수소 및 중탄산이온을 생산하고, 이로부터 발생하는 금속 이온을 회수할 수 있는 이산화탄소 활용 시스템에 관한 것으로, 본 발명에 의하면 다양한 금속을 사용하여 별도의 외부 전원 없이 자발적 전기화학 반응을 통해 이산화탄소를 활용하여, 전기, 수소 및 중탄산이온을 생성할 수 있다. 아울러, 상기 이산화탄소 활용 시스템은 금속 회수부를 더 포함함으로써, 상기 이산화탄소 활용 시스템에서 소모되어 이온 형태로 남은 금속을 고순도로 다시 회수할 수 있다.

Description

이산화탄소 활용 시스템{CARBON DIOXIDE UTILIZATION SYSTEM}
본 발명은 외부 전원 없이 자발적 전기화학 반응을 통해 이산화탄소를 활용하여, 전기, 수소 및 중탄산이온을 생산하고, 이로부터 발생하는 금속 이온을 회수할 수 있는 이산화탄소 활용 시스템에 관한 것이다.
최근 산업화와 더불어 온실가스의 배출이 지속적으로 증가하고 있으며, 온실가스 중 이산화탄소가 가장 큰 비중을 차지하고 있다. 산업 유형별 이산화탄소 배출량은 발전소 등 에너지 공급원에서 가장 많고, 발전을 포함한 시멘트/철강/정제 산업 등에서 발생되는 이산화탄소가 전 세계 발생량의 절반을 차지하고 있다. 이산화탄소 전환/활용 분야는 크게 화학적 전환, 생물학적 전환, 직접 활용으로 구분할 수 있으며, 기술적 범주로는 촉매, 전기화학, 바이오 공정, 광활용, 무기(탄산)화, 폴리머 등으로 구분 지을 수 있다. 이산화탄소는 다양한 산업 및 공정에서 발생되고, 하나의 기술로 이산화탄소 저감을 달성할 수 없기 때문에 이산화탄소 저감을 위한 다양한 접근 방식이 필요하다.
현재 미국 에너지성 DOE(Department Of Energy)는 이산화탄소를 저감하기 위한 기술로 CCS(Carbon Capture & Storage)와 CCU (Carbon Capture & Utilization)이 복합된 CCUS 기술에 관심을 두고 다각적 기술 개발을 추진 중이다. CCUS 기술은 효과적인 온실가스 감축 방안으로 인정받고 있으나, 고 투자 비용, 유해 포집제의 대기 방출 가능성, 낮은 기술 성숙도의 문제에 직면하고 있다. 또한, 에너지 및 기후 정책적 관점에서 CCUS는 온실가스 배출량을 실질적으로 감축하는 수단을 제공하지만 기술의 실현에는 보완 사항이 많다. 따라서, 보다 효율적으로 이산화탄소 포집, 저장 및 활용하는 새로운 개념의 한계돌파형(breakthrough) 기술 개발이 요구되고 있다.
본 발명의 기술분야와 관련된 선행 특허문헌으로서, 공개특허공보 제10-2015-0091834호는 이산화탄소를 포집하는 나트륨 이차전지를 개시하고 있다.
대한민국 공개특허공보 제10-2015-0091834호 "이산화탄소 포집 이차전지" (2015.08.12.)
본 발명의 목적은 별도의 전원을 이용하지 않고 자발적 전기화학 반응을 통해 온실 가스인 이산화탄소를 활용하는 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 이산화탄소를 활용하여 친환경 연료인 수소를 고순도로 생산할 수 있는 이산화탄소 활용 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 이산화탄소를 중탄산이온으로 포집할 수 있는 이산화탄소 활용 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 이산화탄소 활용 시스템에서 애노드에 사용된 금속을 회수할 수 있는 이산화탄소 활용 시스템을 제공하는 것이다.
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면, 제1 수용 공간, 제1 수용액 및 상기 제1 수용액에 적어도 일부가 잠기는 캐소드를 포함하는 캐소드부, 제2 수용 공간, 염기성인 제2 수용액 및 상기 제2 수용액에 적어도 일부가 잠기는 금속의 애노드를 포함하는 애노드부 및 상기 캐소드부와 애노드부를 연결하는 연결부를 포함하며, 상기 제1 수용액으로 유입된 이산화탄소를 중탄산이온으로 포집하고 수소이온을 생성하고, 상기 수소이온과 상기 캐소드의 전자가 반응하여 수소를 생산하는 이산화탄소 활용 시스템이 제공된다.
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 수용액을 수용하는 반응 공간, 상기 반응 공간에서 상기 수용액에 적어도 일부가 잠기는 캐소드 및 상기 반응 공간에서 상기 수용액에 적어도 일부가 잠기는 금속 재질의 애노드를 포함하며, 상기 수용액으로 유입된 이산화탄소를 중탄산이온으로 포집하고 수소이온을 생성하고, 상기 수소이온과 상기 캐소드의 전자가 반응하여 수소를 생산하는 이산화탄소 활용 시스템이 제공된다.
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 금속 회수부를 더 포함하고 상기 금속 회수부는 상기 애노드에서 산화된 금속 이온이 용해된 제2 수용액을 공급받는 공급부, 상기 공급받은 제2 수용액을 수용하는 회수 공간, 상기 회수 공간에 수용된 제2 수용액에 적어도 일부가 잠기는 상기 애노드와 동일한 재질의 제2 캐소드, 상기 회수 공간에 수용된 제2 수용액에 적어도 일부가 잠기는 제2 애노드 및 상기 제2 캐소드와 상기 제2 애노드에 전원을 공급하는 전원공급부를 포함하며, 상기 공급받은 제2 수용액으로부터 산화된 금속 이온을 회수하는 이산화탄소 활용 시스템이 제공된다.
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 금속 회수부를 더 포함하고 상기 금속 회수부는 상기 애노드에서 산화된 금속 이온이 용해된 수용액을 공급받는 공급부, 상기 공급받은 수용액을 수용하는 회수 공간, 상기 회수 공간에 수용된 수용액에 적어도 일부가 잠기는 상기 애노드와 동일한 재질의 제2 캐소드, 상기 회수 공간에 수용된 수용액에 적어도 일부가 잠기는 제2 애노드 및 상기 제2 캐소드와 상기 제2 애노드에 전원을 공급하는 전원공급부를 포함하며, 상기 공급받은 수용액으로부터 산화된 금속 이온을 회수하는 이산화탄소 활용 시스템이 제공된다.
본 발명에 의하면 앞서서 기재한 본 발명의 목적을 모두 달성할 수 있다. 구체적으로는, 다양한 금속을 사용하여 별도의 외부 전원 없이 자발적 전기화학 반응을 통해 이산화탄소를 활용하여, 전기, 수소 및 중탄산이온을 생성할 수 있다.
아울러, 상기 이산화탄소 활용 시스템은 금속 회수부를 더 포함함으로써, 상기 이산화탄소 활용 시스템에서 소모되어 이온 형태로 남은 금속을 고순도로 다시 회수할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 활용 시스템의 작동 과정을 도시한 모식도이다.
도 2는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 이산화탄소 활용 시스템의 작동 과정을 도시한 모식도이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 이산화탄소 활용 시스템의 작동 과정을 도시한 모식도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 처리부를 포함하는 이산화탄소 활용 시스템의 작동 과정을 도시한 모식도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 회수부를 포함하는 이산화탄소 활용 시스템의 작동 과정을 도시한 모식도이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예의 구성 및 작용을 상세하게 설명한다.
도 1에는 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 활용 시스템의 구성이 도시되어 있다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 활용 시스템(100a)은 캐소드부(110), 애노드부(150) 및 캐소드부(110)와 애노드부(150)를 연결하는 연결부(190)를 포함한다. 상기 연결부(190)은 염다리(salt bridge)일 수 있다. 이산화탄소 활용 시스템(100a)은 자발적 산화환원 반응 과정에서 온실가스인 이산화탄소 기체(CO2)를 원료로 사용하며, 친환경 연료인 수소(H2)를 생산한다.
캐소드부(110)는 제1 수용 공간(111)에 담긴 제1 수용액(115)과, 제1 수용액(115)에 적어도 일부가 잠기는 캐소드(cathode)(118)를 구비한다. 제1 수용액(115)으로는 알칼리성 수용액(본 실시예에서는 1M KOH의 강 염기성 용액에서 CO2를 용리시킨 것이 사용됨), 해수, 수돗물 및 증류수 등이 사용될 수 있다. 캐소드(118)는 전기 회로를 형성하기 위한 전극으로서, 탄소 페이퍼, 탄소 섬유, 탄소 펠트, 탄소 천, 금속 폼, 금속박막, 또는 이들의 조합일 수 있으며, 백금 촉매도 사용될 수 있다. 촉매의 경우, 백금 촉매 외에 탄소 계열 촉매, 탄소-금속 계열 복합 촉매, 페로브스카이트 산화물 촉매 등 일반적으로 산소발생반응(HER) 촉매로 사용될 수 있는 다른 모든 촉매도 포함된다. 캐소드부(110)에는 제1 수용 공간(111)과 연통되는 제1 유입구(112)와 제1 배출구(113)가 형성된다. 제1 유입구(112)는 제1 수용액(115)의 수면보다 아래에 위치하도록 제1 수용 공간(111)의 하부에 위치한다. 제1 배출구(113)는 제1 수용액(115)의 수면보다 위에 위치하도록 제1 수용 공간(111)의 상부에 위치한다. 제1 유입구(112)를 통해 반응 과정에서 연료로 사용되는 이산화탄소가 제1 수용 공간(111)으로 유입되는데, 필요 시 제1 수용액(115)도 유입될 수 있다. 제1 배출구(113)를 통해서는 반응 과정에서 생성된 가스가 외부로 배출된다. 도시되지는 않았으나, 유입구(112)와 배출구(113)는 반응시 밸브 등에 의해 선택적으로 적절히 시기에 맞춰서 개폐될 수 있다. 캐소드부(110)에서는 반응 과정에서 이산화탄소 용리 반응이 일어난다.
애노드부(150)는 제2 수용 공간(151)에 담긴 제2 수용액(155)과, 제2 수용액(155)에 적어도 일부가 잠기는 애노드(anode)(158)를 구비한다. 제2 수용액(155)으로는 고농도의 알칼리 용액이 사용되는데, 예를 들어, 1M KOH 또는 6M KOH가 사용될 수 있다. 애노드(158)는 전기 회로를 이루는 금속 재질의 전극으로서, 본 실시예에서는 애노드(158)로 아연(Zn) 또는 알루미늄(Al)이 사용되는 것으로 설명한다. 또한, 애노드(158)로는 아연 또는 알루미늄을 포함하는 합금이 사용될 수도 있다.
염다리(연결부 (190))는 양단부가 각각 제1 수용액(115)과 제2 수용액(155)에 잠긴다. 염다리의 내부 용액으로 염화칼륨(KCl), 염화나트륨(NaCl) 등 통상적으로 사용되는 염다리 내부 용액이 사용될 수 있다.
이제, 위에서 구성 중심으로 설명된 이산화탄소 활용 시스템(100a)의 반응 과정이 상세하게 설명된다. 도 1에는 이산화탄소 활용 시스템(100a)의 반응 과정이 함께 도시되어 있다. 도 1을 참조하면, 유입구(112)를 통해 제1 수용액(115)으로 이산화탄소가 주입되며, 캐소드부(110)에서는 다음 [반응식 1]과 같은 이산화탄소의 화학적 용리 반응이 이루어진다.
[반응식 1]
H2O(l) + CO2(g) → H+(aq) + HCO3 -(aq)
즉, 캐소드부(110)에서는 캐소드부(110)에 공급된 이산화탄소(CO2)가 제1 수용액(115)의 물(H2O)과 자발적으로 반응하여 수소 양이온(H+)과 중탄산염(HCO3 -)을 생성한다.
또한, 캐소드부(110)에서는 다음 [반응식 2]와 같은 전기적 반응이 이루어진다.
[반응식 2]
2H+(aq) + 2e- → H2(g)
즉, 캐소드부(110)에서 수소 양이온(H+)은 전자(e-)를 받아서 수소(H2)기체를 발생하게 한다. 발생된 수소(H2)기체는 제1 배출구(113)를 통해서 외부로 배출된다.
아울러, 캐소드부(110)에서는 다음 [반응식 3]과 같은 복합 수소발생 반응이 이루어진다.
[반응식 3]
2H2O(l) + 2CO2(g) + 2e- → H2(g) + 2HCO3 -(aq)
그리고, 애노드부(150)에서는 애노드(158)가 아연(Zn)인 경우에 다음 [반응식 4]와 같은 산화 반응이 이루어진다.
[반응식 4]
Zn + 4OH- → Zn(OH)4 2- + 2e- (E0 = -1.25V)
Zn(OH)4 2- → ZnO + H2O + 2OH-
결국, 애노드(158)가 아연(Zn)인 경우에 반응 과정에서 이루어지는 전체 반응식은 다음 [반응식 5]와 같다.
[반응식 5]
Zn + 2CO2 + 2H2O + 2OH- → ZnO + 2HCO3 -(aq) + H2(g) (E0 = 1.25V)
만일, 애노드부(150)에서 애노드(158)가 알루미늄(Al)인 경우에 다음 [반응식 6]과 같은 산화 반응이 이루어진다.
[반응식 6]
Al + 3OH- → Al(OH)3 + 3e- (E0 = -2.31V)
결국, 애노드(158)가 알루미늄(Al)인 경우에 반응 과정에서 이루어지는 전체 반응식은 다음 [반응식 7]과 같다.
[반응식 7]
2Al + 6CO2 + 6H2O + 6OH- → 2Al(OH)3 + 6HCO3 -(aq) + 3H2(g) (E0 = 2.31V)
결과적으로, [반응식 5]와 [반응식 7]을 통해 알 수 있는 바와 같이, 반응 시 제1 수용액(115)에서 용리된 이산화탄소에 의해 생성된 수소 이온이 캐소드(118)로부터 전자를 받아서 수소 기체로 환원되어서, 제1 배출구(113)를 통해 배출되고, 금속 애노드(158)는 산화물의 형태로 변하게 된다. 반응이 진행되면서 제1 수용액(115)에는 HCO3 -(중탄산이온)이 생성되는데, 염다리의 내부 용액이 염화나트륨(NaCl)과 같이 나트륨 이온(Na+)을 포함하는 경우, 이온 균형을 맞추기 위하여 염다리로부터 나트륨 이온이 확산되어서 탄산수소나트륨(NaHCO3)수용액 형태의 이온으로 존재하게 된다. 이 용액을 건조하면 베이킹소다 형태의 탄산나트륨 고체 생성물을 부가적으로 획득할 수 있게 된다.
도 2에는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 이산화탄소 활용 시스템(100b)의 구성이 도시되어 있다. 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 활용 시스템(100b)의 캐소드부(110)와 애노드부(150)를 연결하는 연결부(190)는 제1 수용 공간과 상기 제2 수용 공간 사이에 설치되고, 상기 제1 수용액과 상기 제2 수용액의 이동은 차단하고 수용액에 용해된 이온 물질은 통과할 수 있는 다공성 구조의 이온 전달 부재이다.
도 2에 도시된 일 실시예에 따른 이산화탄소 활용 시스템(100b)은 하기에서 설명하는 연결부(190)의 차이를 제외하고, 앞서서 도 1을 참고하여 상세하게 설명된 바와 동일한 구성을 가지며, 마찬가지로 반응 과정에서 이산화탄소 가스를 연료로 사용하고 수소 가스를 발생시킨다.
캐소드부(110)에는 제1 수용 공간(111)과 연통되는 제1 유입구(112), 제1 배출구(113) 및 제1 연결구(114)가 형성된다. 제1 연결구(114)는 제1 수용액(115)의 수면보다 아래에 위치하며, 제1 연결구(114)에 연결부(190)가 연결된다. 캐소드부(110)에서는 반응 과정에서 이산화탄소 용리 반응이 일어난다.
애노드부(150)에는 제2 수용 공간(151)과 연통되는 제2 연결구(154)가 형성된다. 제2 연결구(154)는 제2 수용액(155)의 수면보다 아래에 위치하며, 제2 연결구(154)에 연결부(190)가 연결된다.
본 일 실시예에 따른 연결부(190)는 다공성 이온 전달 부재로 캐소드부(110)와 애노드부(150)를 연결하는 연결 통로(191)와, 연결 통로(191)의 내부에 설치되는 이온 전달 부재(192)를 구비한다.
연결 통로(191)는 캐소드부(110)에 형성된 제1 연결구(114)와 애노드부(150)에 형성된 제2 연결구(154)의 사이에 연장되어서 캐소드부(110)의 제1 수용 공간(111)과 애노드부(150)의 제2 수용 공간(151)을 연통시킨다. 연결 통로(191)의 내부에 이온 전달 부재(192)가 설치된다.
이온 전달 부재(192)는 대체로 디스크 형상으로서 연결 통로(191)의 내부를 막는 형태로 설치된다. 이온 전달 부재(192)는 다공성 구조로 이루어져서 캐소드부(110)와 애노드부(150)의 사이에 이온의 이동은 허용하면서, 수용액(115, 155)의 이동은 차단한다. 본 실시예에서는 이온 전달 부재의 재질이 유리인 것으로 설명하는데, 본 발명은 이에 제한되는 것은 아니며, 다공성 구조의 다른 재질도 사용될 수 있고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것이다. 본 실시예에서 이온 전달 부재(192)는 기공 크기가 G2 등급(grade)에 해당하는 40 내지 90 미크론(micron), G3 등급에 해당하는 15 내지 40 미크론, G4 등급에 해당하는 5 내지 15 미크론, G5에 해당하는 1 내지 2 미크론인 다공성 유리가 사용될 수 있다. 이온 전달 부재(192)는 이온만 전달시킴으로써 반응 과정에서 생기는 이온 불균형을 해소하게 된다.
도 3에는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 이산화탄소 활용 시스템(100c)의 구성이 도시되어 있다. 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 활용 시스템(100c)은 수용액(161)을 수용하는 반응 공간(161), 상기 반응 공간(161)에서 상기 수용액(161)에 적어도 일부가 잠기는 캐소드(118) 및 상기 반응 공간(161)에서 상기 수용액(161)에 적어도 일부가 잠기는 금속 재질의 애노드(158)를 포함한다.
반응 용기(160)는 내부에 수용액(162)이 담기고 캐소드(118)와 애노드(158)가 수용되는 반응 공간(161)을 제공한다. 반응 용기(160)에는 반응 공간(161)과 연통되는 제1 유입구(112)와 제1 배출구(113)가 형성된다. 제1 유입구(112)는 수용액(162)의 수면보다 아래에 위치하도록 반응 공간(161)의 하부에 위치한다. 제1 배출구(113)는 수용액(162)의 수면보다 위에 위치하도록 반응 공간(161)의 상부에 위치한다. 제1 유입구(112)를 통해 반응 과정에서 연료로 사용되는 이산화탄소 가스가 반응 공간(161)으로 유입되는데, 필요 시 수용액(162)도 유입될 수 있다. 제1 배출구(113)를 통해서는 반응 과정에서 생성된 가스가 외부로 배출된다. 도시되지는 않았으나, 제1 유입구(112)와 제1 배출구(113)는 충전 및 반응시 밸브 등에 의해 선택적으로 적절히 시기에 맞춰서 개폐될 수 있다. 제1 연결구(114)는 제1 수용액(115)의 수면보다 아래에 위치하며, 제1 연결구(114)에 연결부(190)가 연결된다. 반응 공간(161)에서는 반응 과정에서 이산화탄소 용리 반응이 일어난다.
반응 용기(160)는 내부에 수용액(162)이 담기고 캐소드(118)와 애노드(158)가 수용되는 반응 공간(161)을 제공한다. 반응 용기(160)에는 반응 공간(161)과 연통되는 제1 유입구(112)와 제1 배출구(113)가 형성된다. 제1 유입구(112)는 수용액(162)의 수면보다 아래에 위치하도록 반응 공간(161)의 하부에 위치한다. 제1 배출구(113)는 수용액(162)의 수면보다 위에 위치하도록 반응 공간(161)의 상부에 위치한다. 제1 유입구(112)를 통해 반응 과정에서 연료로 사용되는 이산화탄소 가스가 반응 공간(161)으로 유입되는데, 필요 시 수용액(162)도 유입될 수 있다. 제1 배출구(113)를 통해서는 반응 과정에서 생성된 가스가 외부로 배출된다. 도시되지는 않았으나, 제1 유입구(112)와 제1 배출구(113)는 반응시 밸브 등에 의해 선택적으로 적절히 시기에 맞춰서 개폐될 수 있다. 제1 연결구(114)는 제1 수용액(115)의 수면보다 아래에 위치하며, 제1 연결구(114)에 연결부(190)가 연결된다. 반응 공간(161)에서는 반응 과정에서 이산화탄소 용리 반응이 일어난다.
수용액(162)은 반응 공간(161)에 담기며, 수용액(162)에 캐소드(118)의 적어도 일부와 애노드(158)의 적어도 일부가 잠긴다. 본 실시예에서 수용액(162)로 염기성 용액 또는 해수가 사용되는 것으로 설명한다. 수용액(162)은 반응 과정에서 제1 유입구(112)를 통해 유입되는 이산화탄소 가스에 의해 약산성을 띄게 된다.
캐소드(118)는 반응 공간(161)에서 수용액(162)에 적어도 일부가 잠긴다. 캐소드(118)는 반응 공간(161)에서 애노드(158)보다 제1 유입구(112)에 상대적으로 가깝게 위치한다. 캐소드(118)는 전기 회로를 형성하기 위한 전극으로서, 탄소 페이퍼, 탄소 섬유, 탄소 펠트, 탄소 천, 금속 폼, 금속박막, 또는 이들의 조합일 수 있으며, 백금 촉매도 사용될 수 있다. 촉매의 경우, 백금 촉매 외에 탄소 계열 촉매, 탄소-금속 계열 복합 촉매, 페로브스카이트 산화물 촉매 등 일반적으로 산소발생반응(HER) 촉매로 사용될 수 있는 다른 모든 촉매도 포함한다. 반응 시 캐소드(118)에서는 환원 반응이 일어나며, 그에 따라 수소가 발생하게 된다.
애노드(158)는 반응 공간(161)에서 수용액(162)에 적어도 일부가 잠긴다. 애노드(158)는 반응 공간(161)에서 캐소드(118)보다 제1 유입구(112)와 상대적으로 멀게 위치한다. 애노드(158)는 전기 회로를 이루는 금속 재질의 전극으로서, 본 실시예에서는 애노드(158)로 바나듐(V), 크롬(Cr), 망간(Mn), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 구리(Cu), 알루미늄(Al) 또는 아연(Zn)이 사용되는 것으로 설명한다. 또한, 바나듐(V), 크롬(Cr), 망간(Mn), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 구리(Cu), 알루미늄(Al) 및 아연(Zn) 중 어느 하나 이상의 합금을 포함될 수 도 있다. 반응 시 애노드(158)에서는 약산성 환경에 따른 산화 반응이 일어나게 된다.
이제, 위에서 구성 중심으로 설명된 이산화탄소 활용 시스템(100c)의 반응 과정이 상세하게 설명된다. 도 3에는 이산화탄소 활용 시스템(100c)의 반응 과정이 함께 도시되어 있다. 도 3을 참조하면, 제1 유입구(112)를 통해 수용액(162)으로 이산화탄소 가스가 주입되며, 반응 공간(161)에서는 다음 [반응식 1]과 같은 이산화탄소의 화학적 용리 반응이 이루어진다.
[반응식 1]
H2O(l) + CO2(g) → H+(aq) + HCO3 -(aq)
즉, 반응 공간(161)으로 공급된 이산화탄소(CO2)는 수용액(162)의 물(H2O)과 자발적으로 반응하여 수소 양이온(H+)과 중탄산염(HCO3 -)을 생성한다.
또한, 캐소드(118)에서는 다음 [반응식 2]와 같은 전기적 반응이 이루어진다.
[반응식 2]
2H+(aq) + 2e- → H2(g)
즉, 캐소드(118) 주변에서 수소 양이온(H+)은 전자(e-)를 받아서 수소(H2)기체를 생성한다. 발생된 수소(H2)기체는 제1 배출구(113)를 통해서 외부로 배출된다.
아울러, 캐소드(118) 주변에서는 다음 [반응식 3]과 같은 복합 수소발생 반응이 이루어진다.
[반응식 3]
2H2O(l) + 2CO2(g) + 2e- → H2(g) + 2HCO3 -(aq)
그리고, 애노드부(150)에서는 애노드(158)가 아연(Zn)인 경우에 다음 [반응식 4]와 같은 산화 반응이 이루어진다.
[반응식 4]
Zn + 4OH- → Zn(OH)4 2- + 2e- (E0 = -1.25V)
Zn(OH)4 2- → ZnO + H2O + 2OH-
결국, 애노드(158)가 아연(Zn)인 경우에 반응 과정에서 이루어지는 전체 반응식은 다음 [반응식 5]와 같다.
[반응식 5]
Zn + 2CO2 + 2H2O + 2OH- → ZnO + 2HCO3 -(aq) + H2(g) (E0 = 1.25V)
만일, 애노드(150)에서 애노드(158)가 알루미늄(Al)인 경우에 다음 [반응식 6]과 같은 산화 반응이 이루어진다.
[반응식 6]
Al + 3OH- → Al(OH)3 + 3e- (E0 = -2.31V)
결국, 애노드(158)가 알루미늄(Al)인 경우에 반응 과정에서 이루어지는 전체 반응식은 다음 [반응식 7]과 같다.
[반응식 7]
2Al + 6CO2 + 6H2O + 6OH- → 2Al(OH)3 + 6HCO3 -(aq) + 3H2(g) (E0 = 2.31V)
결과적으로, [반응식 5]와 [반응식 7]을 통해 알 수 있는 바와 같이, 반응 시 수용액(162)에서 용리된 이산화탄소에 의해 생성된 수소 이온이 캐소드(118)로부터 전자를 받아서 수소 기체로 환원되어서, 제1 배출구(113)를 통해 배출되고, 금속 애노드(158)는 산화물의 형태로 변하게 된다. 반응이 진행되면서 수용액(162)에는 HCO3 -(중탄산이온)이 생성된다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 처리부(200)을 포함하는 이산화탄소 활용 시스템의 반응 과정을 도시한 모식도이다. 도 4를 참조하면, 이산화탄소 활용 시스템(100a, 100b, 100c)은 이산화탄소 처리부(200)를 더 포함할 수 있다. 상기 이산화탄소 처리부(200)는 캐소드부(110)의 제1 수용액(115) 또는 반응 공간(161)의 수용액(162)과 동일한 수용액을 구비한다. 상기 이산화탄소 처리부(200)는 캐소드부(110) 또는 반응 공간(161)과 이산화탄소 처리부(200)를 연통시키는 연결관(210), 이산화탄소가 유입되는 제2 유입구(220), 상부에 위치하는 제2 배출구(230) 및 이산화탄소 순환 공급부(240)를 포함할 수 있다. 이산화탄소 활용 시스템(100a, 100b, 100c)은 도 1 내지 3에 도시된 실시예에서 설명된 것과 동일하므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
제2 유입구(220)는 이산화탄소 처리부(200)에서 연결관(210)보다 위에 위치하고, 제2 배출구(230) 및 제1 수용액(115) 또는 수용액(162)의 수면보다 아래에 위치한다. 제2 유입구(220)를 통해 반응 과정에서 연료로 사용되는 이산화탄소 기체가 이산화탄소 처리부(200)으로 유입된다. 제2 유입구(220)를 통해 필요에 따라 제1 수용액(115) 또는 수용액(162)도 공급될 수 있다. 제2 유입구(220)와 제1 배출구(113)는 반응시 밸브 등에 의해 선택적으로 적절한 시기에 맞춰서 개폐될 수 있다.
연결관(210)은 이산화탄소 처리부(200)에서 제2 유입구(220)보다 아래에 위치하며, 연결관(210)을 통해 이산화탄소 처리부(200)는 제1 수용 공간(111) 또는 반응 공간(161)과 연통된다.
제2 배출구(230)는 이산화탄소 처리부(200)에서 제2 유입구(220) 및 제1 수용액(115) 또는 수용액(162)의 수면보다 위에 위치한다. 제2 배출구(230)를 통해 이산화탄소 처리부(200)에서 제1 수용액(115) 또는 수용액(162)에 용해되지 않아서 이온화되지 않은 이산화탄소 기체가 외부로 배출된다. 제2 배출구(230)를 통해 배출된 이산화탄소는 이산화탄소 순환 공급부(240)를 통해 제2 유입구(220)로 공급된다.
이산화탄소 순환 공급부(240)는 제2 배출구(230)를 통해 배출되는 이산화탄소를 제2 유입구(220)로 순환시켜서 재공급한다.
연결관(210)은 제1 수용 공간(111) 또는 반응 공간(161)의 제1 유입구(112)와 연결된다. 연결관(210)을 통해 제1 수용 공간(111) 또는 반응 공간(161)과 이산화탄소 처리부(200)가 연통된다.
제2 유입구(220)를 통해 이산화탄소 처리부(200)로 유입된 이산화탄소 중 제1 수용액(115) 또는 수용액(162)에 용해되지 않아서 이온화되지 않은 이산화탄소 기체는 제1 수용 공간(111) 또는 반응 공간(161)으로 이동하지 못하고 상승하여 이산화탄소 처리부(200) 내 제1 수용액(115) 또는 수용액(162)의 수면 위 공간에 모인 후 제2 배출구(230)를 통해 배출되고, 제2 배출구(230)를 통해 배출된 이산화탄소 기체는 이산화탄소 순환 공급부(240)에 의해 제2 유입구(220)를 통해 이산화탄소 처리부(200)로 공급되어서 재활용된다. 또한, 이산화탄소 처리부(200)로 유입된 이산화탄소 중 제1 수용액(115) 또는 수용액(162)에 용해되지 않아서 이온화되지 않은 이산화탄소 기체는 제1 수용 공간(111) 또는 반응 공간(161)으로 이동하지 못하므로, 제1 배출구(113)를 통해서 이산화탄소가 섞이지 않은 고순도의 수소가 배출될 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 회수부(300)를 포함하는 이산화탄소 활용 시스템의 반응 과정을 도시한 모식도이다. 도 5를 참조하면, 이산화탄소 활용 시스템(100a, 100b, 100c)은 금속 회수부(300)를 더 포함할 수 있다. 상기 금속 회수부(200)는 애노드부(150)의 제2 수용액(155) 또는 반응 공간(161)의 수용액(162)과 동일한 수용액을 구비한다. 상기 금속 회수부(300)는 애노드부(150) 사용된 제2 수용액(155) 또는 반응 공간(161)에서 사용된 수용액(162)을 공급 받는 공급부(320), 공급 받은 폐수용액(155 또는 162)으로부터 금속을 회수하는 제2 캐소드(330), 전기 회로를 형성하기 위한 제2 애노드(340) 및 상기 제2 캐소드(330)와 제2 애노드(340)으로 전력을 공급하는 전원공급부(350)을 포함할 수 있다. 이산화탄소 활용 시스템(100a, 100b, 100c)은 도 1 내지 3에 도시된 실시예에서 설명된 것과 동일하므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
상기 공급부(320)는 이산화탄소 활용 시스템(100a, 100b, 100c)로부터 금속 이온이 용해되어 있는 수용액(155 또는 162)을 금속 회수부(300)로 공급한다. 상기 공급부(320)는 필요에 따라 밸브 등에 의해 선택적으로 적절한 시기에 맞춰서 개폐될 수 있다.
제2 캐소드(330)는 회수 공간(310)에 수용된 수용액(155 또는 162)에 적어도 일부가 잠기며, 애노드(158)와 동일한 재질로 이루어진다. 이산화탄소 활용 시스템(100a, 100b, 100c)의 애노드(158)가 아연(Zn)인 경우에는 상기 공급받은 수용액(155 또는 162)에는 Zn(OH)4 2-가 존재하게 된다. 그리고, 회수 공간(310)의 제2 캐소드(330)에서는 다음 [반응식 8]과 같은 환원 반응이 이루어질 수 있다.
[반응식 8]
Zn(OH)4 2- + 2e- → Zn + 4OH-
만일, 애노드(158)가 알루미늄(Al)인 경우에는 상기 공급받은 수용액(155 또는 162)에는 Al(OH)4 2-이 존재하게 된다. 그리고, 회수 공간(310)의 제2 캐소드(330)에서는 다음 [반응식 8]과 같은 금속 회수 반응이 이루어진다.다음 [반응식 9]와 같은 환원 반응이 이루어질 수 있다.
[반응식 9]
Al(OH)3 + 3e- → Al + 3OH-
[반응식 8]와 [반응식 9]을 통해 알 수 있는 바와 같이, 활용 시스템(100a, 100b, 100c)으로부터 공급받은 수용액(155 또는 162)에 용해되어 있는 금속 이온은 제2 캐소드(330)로부터 전자를 받아서 금속으로 환원될 수 있다.
제2 애노드(340)는 회수 공간(310)에 수용된 수용액에 적어도 일부가 잠기며, 전기 회로를 형성하기 위한 전극이다. 상기 제2 애노드의 재질은 탄소 페이퍼, 탄소 섬유, 탄소 펠트, 탄소 천, 금속 폼, 금속박막, 또는 이들의 조합일 수 있으며, 백금 촉매도 사용될 수 있다. 촉매의 경우, 백금 촉매 외에 탄소 계열 촉매, 탄소-금속 계열 복합 촉매, 페로브스카이트 산화물 촉매 등 일반적으로 산소발생반응(HER) 촉매로 사용될 수 있는 다른 모든 촉매도 포함한다.
회수 공간(310)의 제2 애노드(310)에서는 다음 [반응식 10]과 같은 금속 회수 반응이 이루어진다. 다음 [반응식 10]과 같은 산화 반응이 이루어질 수 있다.
[반응식 10]
4OH- → 2H2O + O2 + 4e-
전원공급부(350)는 제2 캐소드(330) 및 제2 애노드(340)와 전기적으로 연결되어 전기를 제공한다. 전원공급부(350)의 음극은 금속 회수부(300)의 제2 캐소드(330)와 전기적으로 연결되고 전원공급부(350)의 양극은 금속 회수부(300)의 제2 애노드(340)와 전기적으로 연결된다. 상기 전원공급부(300)는 이에 제한되는 것은 아니나, 일반적인 전지나 발전기 뿐만 아니라 태양전지, 풍력발전 등의 신재생 에너지가 사용될 수 있다.
이상 실시예를 통해 본 발명을 설명하였으나, 본 발명은 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 실시예는 본 발명의 취지 및 범위를 벗어나지 않고 수정되거나 변경될 수 있으며, 본 기술분야의 통상의 기술자는 이러한 수정과 변경도 본 발명에 속하는 것임을 알 수 있을 것이다.
100a, 100b, 100c : 이산화탄소 활용 시스템
110 : 캐소드부 111 : 제1 수용 공간
112 : 제1 유입구 113 : 제1 배출구
114 : 제1 연결구 115 : 제1 수용액
118 : 캐소드 150 : 애노드부
151 : 제2 수용 공간 154 : 제2 연결구
155 : 제2 수용액 158 : 애노드
160 : 반응 용기 161 : 반응 공간
162 : 수용액 190 : 연결부
191 : 연결 통로 192 : 이온 전달 부재
200 : 이산화탄소 처리부 210 : 연결관
220 : 제2 유입구 230 : 제2 배출구
240 : 이산화탄소 순환 공급부 300 : 금속 회수부
310 : 회수 공간 320 : 공급부
330 : 제2 캐소드 340 : 제2 애노드
350 : 전원공급부

Claims (9)

  1. 수용액을 수용하는 반응 공간;
    상기 반응 공간에서 상기 수용액에 적어도 일부가 잠기는 캐소드;
    상기 반응 공간에서 상기 수용액에 적어도 일부가 잠기는 금속 재질의 애노드; 및
    금속 회수부;를 포함하고,
    상기 수용액으로 유입된 이산화탄소를 중탄산이온으로 포집하고 수소이온을 생성하고, 상기 수소이온과 상기 캐소드의 전자가 반응하여 수소를 생산하고,
    상기 금속 회수부는
    상기 애노드에서 산화된 금속 이온이 용해된 수용액을 공급받는 공급부;
    상기 공급받은 수용액을 수용하는 회수 공간;
    상기 회수 공간에 수용된 수용액에 적어도 일부가 잠기는 상기 애노드와 동일한 재질의 제2 캐소드;
    상기 회수 공간에 수용된 수용액에 적어도 일부가 잠기는 제2 애노드; 및
    상기 제2 캐소드와 상기 제2 애노드에 전원을 공급하는 전원공급부;를 포함하며,
    상기 공급받은 수용액으로부터 산화된 금속 이온을 회수하는 이산화탄소 활용 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 애노드의 재질은 바나듐(V), 크롬(Cr), 망간(Mn), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 구리(Cu), 알루미늄(Al) 또는 아연(Zn)인 이산화탄소 활용 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 반응 공간은 생성된 수소를 배출하는 제1 배출구를 구비하고, 상기 제1 배출구는 수용액의 수면보다 위에 위치하는 이산화탄소 활용 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 반응 공간과 수용액이 연통되는 제1 연결관을 구비하는 이산화탄소 처리부를 더 포함하고,
    상기 이산화탄소 처리부는 유입된 이산화탄소 중 이온화되지 않은 이산화탄소가 상기 반응 공간으로 공급되지 않도록 하는 이산화탄소 활용 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 이산화탄소 처리부는,
    상기 이온화되지 않은 이산화탄소를 상기 이산화탄소 처리부 내의 수용액과의 비중 차이를 이용하여 분리하는 이산화탄소 활용 시스템.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 이산화탄소 처리부는,
    상기 이온화되지 않은 이산화탄소를 이산화탄소 처리부 내의 수용액의 수면 상부에서 수집하는 이산화탄소 활용 시스템.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 이산화탄소 처리부는,
    상기 이산화탄소 처리부 내의 수용액의 수면보다 낮은 위치에 이산화탄소가 유입되는 유입구를 구비하고,
    상기 제1 연결관은 상기 유입구보다 낮은 위치에 구비되는 이산화탄소 활용 시스템.
  8. 제 4 항에 있어서,
    상기 이산화탄소 처리부는 이산화탄소 처리부 내의 수용액의 수면 상부에 이온화되지 않은 이산화탄소를 배출하는 제2 배출구를 구비하는 이산화탄소 활용 시스템.
  9. 제 4 항에 있어서,
    상기 이산화탄소 처리부는 상기 반응 공간의 수용액으로부터 분리된 이온화되지 않은 이산화탄소를 상기 이산화탄소 처리부 내의 수용액으로 공급하는 이산화탄소 순환 공급부를 더 포함하는 이산화탄소 활용 시스템.
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