KR102129769B1 - 킬른 더스트를 활용한 이산화탄소의 광물화 방법 및 시스템 - Google Patents

킬른 더스트를 활용한 이산화탄소의 광물화 방법 및 시스템 Download PDF

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Abstract

킬른 더스트를 활용한 이산화탄소의 광물화 방법 및 시스템이 개시된다. 본 킬른 더스트를 활용한 이산화탄소의 광물화 방법은, 시멘트 제조 공정에 의해 발생된 킬른 더스트에 물을 첨가한 후 교반시켜 Ca와 Mg가 포함된 용출액을 제조하는 단계; 및 상기 용출액에서 이온수를 분리하여 기포집된 이산화탄소에 반응시킴으로써 광물화하는 단계;를 포함한다. 이에 의해, 시멘트 제조공정에서 부산물로 발생되는 킬른 더스트와 이산화탄소를 반응시켜 최소화된 공정으로 이산화탄소를 광물화할 수 있어, 광물화된 탄산칼슘과 탄산마그네슘의 재활용에 의한 경제적 이익을 기대할 수 있으며, 탄소배출 저감에 따른 부수적인 경제적 이익도 기대할 수 있게 된다.

Description

킬른 더스트를 활용한 이산화탄소의 광물화 방법 및 시스템{Method and system for mineralization of carbon dioxide using kiln dust}
본 발명은 킬른 더스트를 활용한 이산화탄소의 광물화 방법 및 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 시멘트 제조공정에서 발생되는 킬른 더스트와 이산화탄소를 반응시켜 온실화의 주범이 되는 이산화탄소를 광물화할 수 있는 킬른 더스트를 활용한 이산화탄소의 광물화 방법 및 시스템에 관한 것이다.
산업기술이 발달됨에 따라 대기 중에 이산화탄소의 농도가 증가되면서 지구온난화가 가속되고 있는 있으며, 이에 환경적으로 탄소배출량을 줄여야 하는 인식과 필요성이 증대되고 있다.
이러한 인식과 필요성에도 불구하고, 건축물을 시공하기 위한 재료로서는 부득이 시멘트가 사용되고 있으며, 시멘트는 제조되는 공정 상에서 다량의 이산화탄소를 배출한다는 문제를 지니고 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 대한민국 등록특허공보 10-1450697(2014. 10. 07. 등록)와 같이, 용매에 시멘트 킬른 더스트를 첨가하고 교반하여 칼슘(Ca) 등이 함유된 용출액이 제조되도록 하고, 제조된 용출액으로부터 침강물을 분리시키며, 침강물이 분리된 용출액과 이산화탄소를 저온에서 반응시켜 탄산칼슘이 생성되도록 한다는 내용의 기술이 공지되어 있다.
그러나, 침강물을 효과적이고 생산적으로 분리시키기 위해서는 일반적으로 복수의 방법들을 혼합한 복수의 침전/여과 과정이 수반되지만, 환경적 요인이나 기타 부대 상황은 시시각각 변할 수 있기 때문에, 그에 맞는 개별적인 침전/여과 과정을 일일이 설계하는 것은 곤란한 것이 현실이다.
이에 따라, 복수의 침전/여과 과정이 진행되되, 개별적인 상황에 맞는 침전/여과 과정이 진행되도록 하여, 불필요한 과정이 생략되도록 하여 광물화의 경제성을 도모하기 위한 방안의 모색이 요청된다.
대한민국 등록특허공보 10-1450697
본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로 본 발명의 목적은 시멘트 제조공정에서 발생되는 킬른 더스트와 이산화탄소를 반응시켜 최소화된 공정으로 온실화의 주범이 되는 이산화탄소를 광물화할 수 있는 킬른 더스트를 활용한 이산화탄소의 광물화 방법 및 시스템을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 킬른 더스트를 활용한 이산화탄소의 광물화 방법은, 시멘트 제조 공정에 의해 발생된 킬른 더스트에 물을 첨가한 후 교반시켜 Ca와 Mg가 포함된 용출액을 제조하는 단계; 및 상기 용출액에서 이온수를 분리하여 기포집된 이산화탄소에 반응시킴으로써 광물화하는 단계;를 포함한다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 킬른 더스트를 활용한 이산화탄소의 광물화 시스템은, 시멘트 제조 공정에 의해 발생된 킬른 더스트에 물을 첨가한 후 교반시켜 Ca와 Mg가 포함된 용출액을 제조하는 추출 장치; 복수의 분리 과정들을 거쳐 상기 용출액에서 이온수를 분리하는 이온수 분리장치; 및 상기 분리된 이온수에 이산화탄소를 반응시켜 광물화하는 광물화 장치;를 포함한다.
여기서, 상기 이온수 분리장치는, 상기 Ca와 Mg가 포함된 용출액을 상기 추출 장치로부터 전달받아, 비중차를 이용해 여과시킨 후 상기 추출 장치로 재전달하는 제1 여과부; 및 상기 제1 여과부에 의해 여과된 용출액을 상기 추출 장치로부터 전달받아, 회전에 의한 원심력을 기반으로 여과시킨 후 상기 추출 장치로 재전달하는 제2 여과부;를 포함할 수 있다.
그리고, 상기 이온수 분리장치는, 상기 제2 여과부에 의해 여과된 용출액을 상기 추출 장치로부터 전달받아, 여과망을 통해 여과시킨 후 상기 추출 장치로 재전달하는 제3 여과부; 및 상기 제3 여과부에 의해 여과된 용출액을 상기 추출 장치로부터 전달받아, 여과망을 통해 여과시킨 후 상기 광물화 장치로 전달하는 제4 여과부;를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 추출 장치는, 내부의 용출액에 포함되어 있는 Ca 양이온과 Mg 양이온의 농도를 센싱하기 위한 이온센서; 및 상기 이온센서로부터 센싱된 농도를 기반으로 상기 이온수 분리장치로의 전달 여부를 결정하는 전달결정부;를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 이온센서는, 상기 제1 여과부에 의한 여과 과정, 상기 제2 여과부에 의한 여과 과정, 상기 제3 여과부에 의한 여과 과정 및 상기 제4 여과부에 의한 여과 과정마다 각각 농도를 센싱하고, 상기 전달결정부는, 상기 여과 과정들 중 일 여과 과정에서 상기 센싱된 농도가 기설정된 농도를 초과하는 것으로 판단되면, 상기 일 여과 과정 이후의 다른 여과 과정이 생략되도록 상기 용출액을 상기 광물화 장치로 전달할 수 있다.
또한, 상기 기설정된 농도는, 상기 기포집된 이산화탄소를 탄산칼슘과 탄산마그네슘으로 광물화하기에 충분한 것으로 판단되는 농도일 수 있다.
이에 의해, 시멘트 제조공정에서 부산물로 발생되는 킬른 더스트와 이산화탄소를 반응시켜 최소화된 공정으로 이산화탄소를 광물화할 수 있어, 광물화된 탄산칼슘과 탄산마그네슘의 재활용에 의한 경제적 이익을 기대할 수 있으며, 탄소배출 저감에 따른 부수적인 경제적 이익도 기대할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 킬른 더스트를 활용한 이산화탄소의 광물화 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 킬른 더스트를 활용한 이산화탄소의 광물화 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이온수 분리장치의 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 추출 장치의 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 프로세스가 생략되는 과정을 설명하기 위해 제공되는 도면이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명에 대해 보다 상세히 설명하기로 한다.
이하에 소개되는 실시예들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위한 예로서 제공되는 것이다. 본 발명의 이하 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 킬른 더스트를 활용한 이산화탄소의 광물화 시스템을 설명하기 위한 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 킬른 더스트를 활용한 이산화탄소의 광물화 과정을 설명하기 위한 도면이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이온수 분리장치의 구성을 설명하기 위한 도면이다.
본 실시예에 따른 킬른 더스트를 활용한 이산화탄소의 광물화 시스템은, 시멘트 제조공정에서 발생되는 킬른 더스트와 이산화탄소를 반응시켜 최소화된 공정으로 온실화의 주범이 되는 이산화탄소를 광물화할 수 있게 된다.
킬른 더스트는, 시멘트 제조공정에서 부산물로 발생되는 산업폐기물이며, 이에 시멘트 킬른 더스트(Cement Kiln Dust) 또는 CKD라고 불리기도 한다. 이러한 킬른 더스트는 CaO, SiO2, Al2O3, K2O, MgO 등으로 구성되어 있다.
한편, 이를 위한 본 실시예에 따른 킬른 더스트를 활용한 이산화탄소의 광물화 시스템은, 추출장치(100), 이온수 분리장치(200) 및 광물화 장치(300)로 구성된다.
추출장치(100)는 시스템의 중심에 마련되어, 시멘트 제조 공정에 의해 발생된 킬른 더스트에 물을 첨가한 후 교반시켜 Ca와 Mg가 포함된 용출액을 제조하는 역할을 한다.
물론, 킬른 더스트에 첨가되는 용매는 물 이외의 용매로서 염화암모늄, 아세트산암모늄 등이 사용되어도 무방하다.
이와 같이 킬른 더스트에 물이 첨가되어 교반되면, 용출액에는 Ca와 Mg가 이온상태로 존재하게 되어 이산화탄소와 반응되기 위한 조건이 마련된다.
그러나, 추출장치(100)에서 교반을 통해 제조된 용출액에는 불순물들이 다량 함유되어 있어, 추출장치(100)는 제조된 용출액을 이온수 분리장치(200)로 전달하여 불순물이 여과되도록 한다(S11).
이온수 분리장치(200)는 추출장치(100)에서 제조된 용출액에서 불순물을 여과시키기 위해 침전 방식, 원심력 집진 방식, 필터 방식 등을 활용하며, 이러한 방식들을 사용하기 위해 다양한 구성을 가진 상태에서 다양한 방식을 혼용할 수 있다.
이와 같이 다양한 방식을 혼용하여 사용하는 이유는, 하나의 방식만으로는 원하는 수준의 불순물 여과가 어렵고, 최종 산출물의 결과가 가장 우수한 방식만으로 여과를 하는 경우에는 시간이 많이 소요되거나 비용이 많이 발생하기 때문이다.
즉, 복수의 방식들이 단계별로 혼용되어 사용될 때, 보다 빠르고 효과적으로 불순물을 제거할 수 있게 된다.
본 실시예에서는 이온수 분리장치(200)가 제1 여과부(210), 제2 여과부(220), 제3 여과부(230) 및 제4 여과부(240)라는 최대 네 가지의 구성을 통해 적어도 둘 이상의 서로 다른 방식으로 불순물을 여과시키는 것으로 상정하였다.
제1 여과부(210)는 추출장치(100)에서 제조된 용출액에서 비중차를 이용하여 불순물을 여과한다. 예를 들어, 추출장치(100)에서 제조된 용출액이 제1 여과부(210)로 전달되면, 제1 여과부(210)는 기설정된 시간동안 용출액을 보관만 하고, 이후 비중차이에 의해 층분리된 상층 부분의 이온수를 다시 추출장치(100)로 전달하고(S12) 하층 부분의 불순물은 버려지도록 할 수 있다.
제1 여과부(210)에서 여과된 용출액이 다시 추출장치(100)로 전달되면(S12), 추출장치(100)는 펌프 등의 장치를 이용하여 이를 제2 여과부(220)로 전달한다(S13).
제2 여과부(220)는 하이드로 사이클론 방식으로 용출액을 여과한다. 제2 여과부(220)는 원심력을 기반으로 한 내부선회류로 상향하는 이온수를 모아 다시 추출장치(100)로 전달하고(S14) 원심력의 영향에도 무게로 인해 하향하는 불순물은 버려지도록 한다.
제2 여과부(220)에서 여과된 용출액이 다시 추출장치(100)로 전달되면(S14), 추출장치(100)는 이를 제3 여과부(230)로 전달한다(S15).
제3 여과부(230)는 여과망 방식으로 용출액을 여과한다. 제3 여과부(230)는 용출액 중 이온수를 통과시키고 이온수 이외의 불순물이 걸러지도록 하기 위한 메쉬 형태로 구성되어, 통과된 이온수를 모아 다시 추출장치(100)로 전달하고(S16), 통과되지 못한 불순물은 버려지도록 한다.
제3 여과부(230)에서 여과된 용출액이 다시 추출장치(100)로 전달되면(S16), 추출장치(100)는 이를 제4 여과부(240)로 전달한다(S17).
제4 여과부(240)는 제3 여과부(230)와 마찬가지로 여과망 방식으로 용출액을 여과한다. 제4 여과부(240)는 용출액 중 이온수를 통과시키고 이온수 이외의 불순물이 걸러지도록 하기 위한 메쉬 형태로 구성되어, 통과된 이온수를 모아 최종적으로 외부의 광물화 장치 또는 광물화 장치에서 이산화탄소와 반응되기까지 저장되어 있을 수 있도록 마련되는 저장부(250)로 전달한다(S18).
한편, 제1 여과부(210), 제2 여과부(220) 및 제3 여과부(230)에서 불순물 제거가 완료된 이온수는 다시 추출장치(100)로 재전달되게 되는데, 이에 대한 이유는 도 4 및 도 5를 참고하여 후술하기로 한다.
이와 같이 다양한 구성들을 마련하여 다양한 방식으로 불순물을 여과함으로 인해 보다 빠르고 효과적인 여과가 가능하기에, 대부분의 킬른 더스트를 활용한 이산화탄소의 광물화 시스템들은 복수의 구성을 마련하여 복수의 방법을 혼합하여 사용하고는 한다.
즉, 불필요한 투자를 방지하고 효과적인 광물화를 위해서는, 킬른 더스트를 활용한 이산화탄소의 광물화 시스템을 현장에 마련하기 전, 어떠한 구성들과 어떠한 방식들을 사용하여 불순물을 여과할 것인지를 미리 결정하여 설비를 구축할 필요가 있다.
또한, 가능한 구성들을 모두 마련한 후 선택적으로 사용할 수 있는 여지를 마련한다고 하더라도, 실제 현장에서 사용할 구성들을 선별하고 선별된 구성들만 동작하도록 재배치하거나 재구성하기는 쉽지 않은 것이 현실이다.
이하에서는 도 4 및 도 5를 참고하여, 복수의 침전/여과 과정이 진행되되, 개별적인 상황에 맞는 침전/여과 과정이 진행되도록 하여, 불필요한 과정이 생략되도록 하여 광물화의 경제성을 도모하기 위한 방안에 대해 설명하기로 한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 추출 장치(100)의 구성을 설명하기 위한 도면이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 프로세스가 생략되는 과정을 설명하기 위해 제공되는 도면이다.
상기 설명한 바와 같이 광물화의 경제성을 도모하기 위해, 추출 장치(100)는 이온센서(110)와 전달결정부(120)를 구비한다.
이온센서(110)는 추출 장치(100) 내부의 용출액에 포함되어 있는 Ca 양이온과 Mg 양이온의 농도를 센싱하는 역할을 한다. 특히, 이온센서(110)는 전술한 제1 여과부(210)에 의한 여과 과정, 제2 여과부(220)에 의한 여과 과정, 제3 여과부(230)에 의한 여과 과정 및 제4 여과부(240)에 의한 여과 과정마다 각각 농도를 센싱한다.
이온센서(110)는 센싱된 농도에 대한 데이터를 전달결정부(120)로 전달하며, 전달결정부(120)는 수신된 농도 데이터를 기반으로 추출장치(100) - 제1 여과부(210) - 추출장치(100) - 제2 여과부(220) - 추출장치(100) - 제3 여과부(230) - 추출장치(100) - 제4 여과부(240)의 프로세스를 단축시키게 된다.
즉, 이온센서(110)를 통해 센싱된 이온수의 농도가 미리 포집된 이산화탄소를 광물화하기에 충분한 상태라고 판단되면, 전달결정부(120)는 추가적인 프로세스가 남아있다고 하더라도 추가적인 프로세스를 거치지 않고 곧바로 이온수가 저장부(250)에 저장될 수 있도록 할 수 있다.
예를 들어, 제2 여과부(220)로부터 추출장치(100)로 재전달된 이온수에서의 센싱농도가 미리 설정된 레퍼런스 농도를 초과하여 미리 포집된 이산화탄소를 광물화하기에 충분한 상태라고 판단되면, 추출장치(100)의 전달결정부(120)는 제3 여과부(230)에서 추가적인 여과 작업이 진행되지 않고 이온수가 곧바로 저장부(250)에 전달되도록 할 수 있는 것이다.
한편, 이온센서(110)는 이온수에 있는 Ca의 농도를 센싱하기 위한 제1 센싱부(미도시)와 Mg의 농도를 센싱하기 위한 제2 센싱부(미도시)를 별도로 구비할 수 있다. 이와 같이 별도로 구비하는 경우에도, 미리 포집된 이산화탄소를 광물화하기에 충분한 상태라고 판단되면, 추출장치(100)의 전달결정부(120)는 기본적인 프로세스를 단축시킬 수 있게 된다.
여기서, 센싱된 이온수의 농도가 미리 포집된 이산화탄소를 광물화하기에 충분한 상태인지 여부는, 여러 가지 방법으로 결정될 수 있는데, 전술한 바와 같이 미리 포집된 이산화탄소의 농도/양을 측정하고 미리 포집된 이산화탄소를 광물화하기 충분한 농도/양의 이온수에 대한 레퍼런스 값이 미리 저장되어 있도록 하는 방법이 있을 수 있고, 사용자에 의해 일괄적으로 세팅된 값이 미리 저장되어 있도록 하는 방법이 있을 수 있으며, 그 외 다양한 방법으로 레퍼런스 값이 계산되도록 할 수 있을 것이다.
이에 의해, 시멘트 제조공정에서 부산물로 발생되는 킬른 더스트와 이산화탄소를 반응시켜 이산화탄소를 광물화할 수 있게 되며, 특히, 이산화탄소의 광물화에 필요한 공정만을 거쳐 불필요한 공정이 진행되는 것을 방지할 수 있게 된다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형 실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.
100 : 추출장치 110 : 이온센서
120 : 전달결정부 200 : 이온수 분리장치
210 : 제1 여과부 220 : 제2 여과부
230 : 제3 여과부 240 : 제4 여과부
250 : 저장부 300 : 광물화 장치

Claims (7)

  1. 삭제
  2. 시멘트 제조 공정에 의해 발생된 킬른 더스트에 물을 첨가한 후 교반시켜 Ca와 Mg가 포함된 용출액을 제조하는 추출 장치;
    복수의 분리 과정들을 거쳐 상기 용출액에서 이온수를 분리하는 이온수 분리장치; 및
    상기 분리된 이온수에 이산화탄소를 반응시켜 광물화하는 광물화 장치;를 포함하고,
    상기 이온수 분리장치는,
    상기 Ca와 Mg가 포함된 용출액을 상기 추출 장치로부터 전달받아, 비중차를 이용해 여과시킨 후 상기 추출 장치로 재전달하는 제1 여과부; 및
    상기 제1 여과부에 의해 여과된 용출액을 상기 추출 장치로부터 전달받아, 회전에 의한 원심력을 기반으로 여과시킨 후 상기 추출 장치로 재전달하는 제2 여과부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 킬른 더스트를 활용한 이산화탄소의 광물화 시스템.
  3. 삭제
  4. 제2항에 있어서,
    상기 이온수 분리장치는,
    상기 제2 여과부에 의해 여과된 용출액을 상기 추출 장치로부터 전달받아, 여과망을 통해 여과시킨 후 상기 추출 장치로 재전달하는 제3 여과부; 및
    상기 제3 여과부에 의해 여과된 용출액을 상기 추출 장치로부터 전달받아, 여과망을 통해 여과시킨 후 상기 광물화 장치로 전달하는 제4 여과부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 킬른 더스트를 활용한 이산화탄소의 광물화 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 추출 장치는,
    내부의 용출액에 포함되어 있는 Ca 양이온과 Mg 양이온의 농도를 센싱하기 위한 이온센서; 및
    상기 이온센서로부터 센싱된 농도를 기반으로 상기 이온수 분리장치로의 전달 여부를 결정하는 전달결정부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 킬른 더스트를 활용한 이산화탄소의 광물화 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 이온센서는,
    상기 제1 여과부에 의한 여과 과정, 상기 제2 여과부에 의한 여과 과정, 상기 제3 여과부에 의한 여과 과정 및 상기 제4 여과부에 의한 여과 과정마다 각각 농도를 센싱하고,
    상기 전달결정부는,
    상기 여과 과정들 중 일 여과 과정에서 상기 센싱된 농도가 기설정된 농도를 초과하는 것으로 판단되면, 상기 일 여과 과정 이후의 다른 여과 과정이 생략되도록 상기 용출액을 상기 광물화 장치로 전달하는 것을 특징으로 하는 킬른 더스트를 활용한 이산화탄소의 광물화 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 기설정된 농도는,
    상기 이산화탄소를 탄산칼슘과 탄산마그네슘으로 광물화하기에 충분한 것으로 판단되는 것으로 사용자에 의해 설정된 농도인 것을 특징으로 하는 킬른 더스트를 활용한 이산화탄소의 광물화 시스템.
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