KR102140710B1 - 이산화탄소 전환용 고압 반응조 및 이의 운영 방법 - Google Patents

이산화탄소 전환용 고압 반응조 및 이의 운영 방법 Download PDF

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Abstract

이산화탄소 전환용 고압 반응조 및 이의 운영 방법이 개시된다. 본 발명은, 전도성 물질로 이루어진 다공성의 환원 전극을 통해 이산화탄소의 이동속도를 향상시키고 이산화탄소의 지속적인 공급이 가능하며, 이산화탄소의 환원반응을 통해 발생된 생성물을 추가적인 분리공정없이 회수한다. 본 발명에 따르면, 전도성 물질로 이루어진 다공성의 환원 전극을 통해 전기화학적 이산화탄소 전환 공정의 가장 큰 문제점인 용액 내 이산화탄소의 느린 물질 이동 속도와 낮은 용해도에 의한 효율 감소를 해결할 수 있고, 생성물을 추가적인 분리공정없이 분리함으로써 기존 문제점인 산화 전극에서 생성물의 재산화로 인한 효율 감소를 극복할 수 있으며, 값비싼 이온 교환막의 사용이 필요없기 때문에 그 비용을 절감할 수 있고, 환원 전극을 통해 발생되는 유량을 조절함으로써 반응조 내부에 가해지는 압력을 조절할 수 있기 때문에 압력에 따른 이산화탄소의 용해도 조절이 가능하다.

Description

이산화탄소 전환용 고압 반응조 및 이의 운영 방법{High pressure reactor for carbon dioxide conversion and method for operating thereof}
본 발명은 이산화탄소 전환용 고압 반응조 및 이의 운영 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전도성 물질로 이루어진 다공성의 환원 전극을 통해 이산화탄소를 환원하여 생성물을 회수하는 장치 및 이의 운영 방법에 관한 것이다.
에너지 소비 증가로 인한 지구온난화 문제와 함께 에너지 가격의 상승으로 인해 전 세계적인 자원 확보가 주요 과제로 대두되고 있다. 산업공정에서 배출되는 대표적인 온실가스인 이산화탄소의 대기 중 농도를 저감하고자 지하나 해저에 매립 또는 저장하는 기술에 초점을 맞춰 연구가 진행되어 왔다. 그러나 최근 이산화탄소를 활용하여 부가가치가 높은 다른 탄화수소 화합물로 전환하는 연구가 각광받고 있다. 이산화탄소를 탄소원으로 사용하여 유용한 자원을 확보함으로써 대기 중 이산화탄소 농도를 저감하고 추가적인 자원을 생산한다는 측면에서 가능성이 인정되고 있는 추세이다.
이산화탄소 변환 기술은 크게 생물학적 전환과 화학적 전환으로 분류되며, 화학적 전환은 기술적 특성에 따라 열적, 광화학적, 전기화학적 전환 등으로 나눌 수 있다. 이중 전기화학적 이산화탄소 전환 공정은 반응조건(전극, 온도, 시간, 전위 등)에 따라 생성물의 선택성 조절이 가능하고, 지역 및 환경에 영향을 받지 않는다는 장점이 있다. 특히, 반응에 사용되는 전기 에너지를 신재생 에너지로부터 공급받는다면 추가적인 에너지의 투입없이 이산화탄소를 고부가가치의 화학물질로 전환할 수 있다는 점에서 큰 이점을 지닌다. 종래의 전기화학적 이산화탄소 전환 공정을 위한 반응조(10)는 도 1에 도시된 바와 같이 환원 전극(Cathode), 산화 전극(Anode) 및 이온 교환막(Ion Exchange Membrane; IEM)으로 구성되며, 수용액 전해질 내에서 이산화탄소가 환원되는 기술이다. 반응조(10)는 산화 챔버와 환원 챔버로 이루어지며 두 챔버는 이온 교환막으로 분리된다. 산화 전극에서는 물 분자가 산화되어 산소 기체(O2), 수소 이온(H+) 및 전자(e-)가 발생한다. 이때 발생한 전자는 외부 회로를 따라 환원전극으로 이동하고 수소 이온은 이온 교환막을 통해 환원 전극 챔버에 이동한다. 환원 전극에 존재하는 이산화탄소가 산화 전극으로부터 이동한 전자 및 수소 이온을 통해 환원되어 생성물이 발생한다.
그러나, 종래의 반응조(10)는 산화 전극과 환원 전극을 분리하기 위해 이온 교환막의 장착을 요구하고 있다. 이는 이산화탄소 환원반응을 통한 생성물이 반응조 내에 머무르면서 산화 전극에서의 재산화에 따른 효율 감소가 발생할 수 있기 때문이다. 아울러, 전해질 내 이산화탄소가 전환되기 위해 환원 전극의 표면으로 이동하여야 하는데, 이때 이산화탄소의 이동은 교반에 의한 확산 속도에 의존하게 되는 한계를 나타내고 있다. 또한, 종래의 반응조(10)는 초기에 압력을 설정하여 외부에서 기체(이산화탄소)를 주입시키면서 운영하기 때문에 운영 시 유동적인 압력 조절이 불가하며 이산화탄소 환원반응을 통해 생성되는 생성물의 회수를 위해 일정 시간 경과 후 반응조 내 용액을 채취하여 추가적인 분리공정을 거쳐야 한다. 아울러, 이산화탄소의 전환 속도가 용액 내 교반에 의존하기 때문에 공정 효율이 낮은 문제가 있다.
즉, 이산화탄소가 열역학적으로 매우 안정하기 때문에 이를 환원시키기 위해서는 이론적으로 요구되는 에너지보다 더 높은 에너지를 필요로 한다. 또한 수용액 내 이산화탄소의 낮은 용해도와 확산에 기반한 느린 물질 이동속도가 극복해야 할 주요 문제로 남아있다. 이를 해결하기 위해 고압 운영조건에서 이산화탄소를 전환시키는 기술이 대안으로 사용되고 있지만, 현재까지 개발된 고압 반응조의 경우 제한된 운전 조건으로 인해 이산화탄소의 확산 속도의 개선이 불가하고 에너지 소모가 큰 단점을 지닌다.
한국공개특허 제2013-0061366호 (삼성전자주식회사) 2013. 6. 11. 특허문헌 1은 축전식 탈염장치로서, 특허문헌 1에는 높은 유전상수를 가지는 강유전체를 포함하여 형성된 전극을 구비하는 축전식 탈염장치에 대해 개시되어 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 전도성 물질로 이루어진 다공성의 환원 전극을 통해 이산화탄소의 이동속도를 향상시키고 이산화탄소의 지속적인 공급이 가능하며, 이산화탄소의 환원반응을 통해 발생된 생성물을 추가적인 분리공정없이 회수하는 이산화탄소 전환용 고압 반응조 및 이의 운영 방법을 제공하는 데 있다.
상기의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 이산화탄소 전환용 고압 반응조는, 몸체부; 상기 몸체부의 내부에 위치하는 산화 전극; 내부에 공간이 형성되고, 다공성의 전도성 막으로 이루어지며, 상기 몸체부의 내부에 위치하는 환원 전극; 상기 몸체부의 내부로 이산화탄소를 유입하는 공급부; 및 상기 환원 전극과 연결되어, 상기 이산화탄소의 환원반응을 통해 발생된 생성물을 물과 함께 상기 몸체부의 외부로 유출하는 배출부;를 포함한다.
상기 배출부는 촉매가 도포된 상기 환원 전극의 표면에서 상기 이산화탄소가 환원되어 발생된 상기 생성물을 물과 함께 상기 몸체부의 외부로 유출하며, 상기 생성물은 상기 환원 전극의 표면에 도포된 촉매를 기반으로 결정될 수 있다.
상기 공급부는 상기 몸체부의 내부로 유입되는 이산화탄소의 양을 조절하여, 상기 몸체부의 내부의 압력을 조절할 수 있다.
상기 배출부는 상기 몸체부의 외부로 유출되는 물의 양을 조절하여, 상기 몸체부의 내부의 압력을 조절할 수 있다.
상기 환원 전극은 전도성이 있는 다공성 전극으로, 탄소 기반 소재나 금속으로 이루어진 중공사 형태의 막 또는 평판형 막 구조체일 수 있다.
상기 환원 전극은 복수개로 이루어지며, 상기 배출부는 복수개의 상기 환원 전극과 연결되어, 상기 생성물을 물과 함께 상기 몸체부의 외부로 유출할 수 있다.
상기 산화 전극은 복수개로 이루어지며, 복수개의 상기 환원 전극과 복수개의 상기 산화 전극은 서로 접촉하지 않도록 지그재그 형상으로 배치될 수 있다.
상기 산화 전극은 복수개로 이루어질 수 있다.
상기의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 이산화탄소 전환용 고압 반응조의 운영 방법은, 몸체부, 상기 몸체부의 내부에 위치하는 산화 전극, 내부에 공간이 형성되고 다공성의 전도성 막으로 이루어지며 상기 몸체부의 내부에 위치하는 환원 전극, 상기 몸체부의 내부로 이산화탄소를 유입하는 공급부, 및 상기 환원 전극과 연결되어, 상기 이산화탄소의 환원반응을 통해 발생된 생성물을 물과 함께 상기 몸체부의 외부로 유출하는 배출부를 포함하는 이산화탄소 전환용 고압 반응조의 운영 방법으로서, 상기 이산화탄소가 상기 몸체부의 내부로 유입되는 단계; 및 상기 몸체부의 내부로 공급된 상기 이산화탄소의 환원반응을 통해 발생된 생성물이 물과 함께 상기 몸체부의 외부로 유출하는 단계;를 포함한다.
상기 유출 단계는 촉매가 도포된 상기 환원 전극의 표면에서 상기 이산화탄소가 환원되어 발생된 상기 생성물을 물과 함께 상기 몸체부의 외부로 유출하는 것으로 이루어지며, 상기 생성물은 상기 환원 전극의 표면에 도포된 촉매를 기반으로 결정될 수 있다.
상기 몸체부의 내부로 유입되는 이산화탄소의 양을 조절하여, 상기 몸체부의 내부의 압력을 조절하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 몸체부의 외부로 유출되는 물의 양을 조절하여, 상기 몸체부의 내부의 압력을 조절하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 환원 전극은 전도성이 있는 다공성 전극으로, 탄소 기반 소재나 금속으로 이루어진 중공사 형태의 막 또는 평판형 막 구조체일 수 있다.
본 발명에 따른 이산화탄소 전환용 고압 반응조 및 이의 운영 방법에 의하면, 전도성 물질로 이루어진 다공성의 환원 전극을 통해 전기화학적 이산화탄소 전환 공정의 가장 큰 문제점인 용액 내 이산화탄소의 느린 물질 이동 속도와 낮은 용해도에 의한 효율 감소를 해결할 수 있다.
그리고, 생성물을 추가적인 분리공정없이 분리함으로써 기존 문제점인 산화 전극에서 생성물의 재산화로 인한 효율 감소를 극복할 수 있다.
또한, 값비싼 이온 교환막의 사용이 필요없기 때문에 그 비용을 절감할 수 있다.
아울러, 환원 전극을 통해 발생되는 유량을 조절함으로써 반응조 내부에 가해지는 압력을 조절할 수 있기 때문에 압력에 따른 이산화탄소의 용해도 조절이 가능하다.
도 1은 종래의 이산화탄소 전환용 고압 반응조를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이산화탄소 전환용 고압 반응조를 설명하기 위한 블록도이다.
도 3은 도 2에 도시한 환원 전극의 일례를 설명하기 위한 도면이다.
도 4 내지 도 7은 각각 도 2에 도시한 전극 구성의 다른 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 도 2에 도시한 이산화탄소 전환용 고압 반응조의 구현 일례를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이산화탄소 전환용 고압 반응조의 성능을 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이산화탄소 전환용 고압 반응조의 공정 운영의 일례를 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이산화탄소 전환용 고압 반응조의 운영 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
이하에서 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 이산화탄소 전환용 고압 반응조 및 이의 운영 방법의 바람직한 실시예에 대해 상세하게 설명한다.
먼저, 도 2 및 도 3을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이산화탄소 전환용 고압 반응조에 대하여 설명한다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이산화탄소 전환용 고압 반응조를 설명하기 위한 블록도이고, 도 3은 도 2에 도시한 환원 전극의 일례를 설명하기 위한 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이산화탄소 전환용 고압 반응조(100)(이하 '반응조'라 한다)는 몸체부(110), 산화 전극(120), 환원 전극(130), 공급부(140), 배출부(150), 압력측정부(160) 및 전원부(170)를 포함할 수 있다.
몸체부(110)는 공급부(140)를 통해 유입되는 이산화탄소를 수용하고, 이산화탄소의 전환 반응을 위한 용기 역할을 수행한다. 즉, 몸체부(110)는 용액(이산화탄소가 용해되어 있는 물)을 수용하고 있다.
산화 전극(120)는 몸체부(110)의 내부에 위치하며, 전원부(170)로부터 인가되는 전압을 통해 산화 전극의 역할을 수행한다.
환원 전극(130)은 몸체부(110)의 내부에 위치하며, 산화 전극(120)과 이격되어 배치된다. 그리고, 환원 전극(130)은 내부에 공간이 형성되고, 다공성의 전도성 막으로 이루어진다. 환원 전극(130)의 내부 공간을 통해 배출부(150)로 물이 흐르게 된다.
여기서, 환원 전극(130)은 전도성이 있는 다공성 전극으로, 탄소 기반 소재나 금속으로 이루어진 중공사 형태의 막일 수 있다. 중공사 막 형태의 전극은 다공성을 갖는 탄소 기반의 동소체 또는 금속으로 이루어지고 내부가 비어있는 관 형태로 이루어진다. 그리고, 중공사 막 형태의 전극은 직육면체 등과 같은 다면체의 형상으로 이루어질 수 있다. 물론, 중공사 막 형태의 전극은 원기둥, 원뿔 등과 같은 회전체의 형상으로 이루어질 수도 있다.
또한, 환원 전극(130)은 도 3에 도시된 바와 같은 평판형 막 구조체일 수도 있다. 즉, 평판형 막 구조체는 금속 지지체 및 탄소 재료 또는 금속을 포함하는, 상부가 개방되고 내부에 공간을 갖는 파우치 형태의 막 구조체이다. 금속 지지체는 메쉬 구조의 금속 평판으로 구성되며, 상부가 개방되고 내부에 공간을 갖는 파우치 형태이다. 금속 지지체 위에 탄소 재료는 서로 얽혀 3차원 망상 구조물을 형성하고, 망상 구조물의 일부는 금속 지지체의 메쉬 구조와 서로 얽혀있다. 또한, 금속 지지체 위에 이와 동일하거나 다른 금속 재료를 도포할 수 있다.
공급부(140)는 몸체부(110)의 내부로 이산화탄소를 유입한다. 이때, 공급부(140)는 하나의 유입 라인(도시하지 않음)을 구비하고, 외부 장치로부터 공급된 이산화탄소가 용해되어 있는 물을 유입 라인을 통해 몸체부(110)의 내부로 유입할 수 있다. 물론, 공급부(140)는 두개의 공급 라인(도시하지 않음)과 하나의 유입 라인(도시하지 않음)을 구비하고, 두개의 공급 라인을 통해 외부 장치로부터 이산화탄소 및 물을 각각 공급받은 다음, 이산화탄소를 물에 용해시켜 유입 라인을 통해 몸체부(110)의 내부로 유입할 수도 있다.
또한, 공급부(140)는 몸체부(110)의 내부로 유입되는 이산화탄소의 양을 조절하여, 몸체부(110)의 내부의 압력을 조절할 수 있다. 예컨대, 공급부(140)는 유입 라인을 통해 몸체부(110)의 내부로 유입되는 용액(이산화탄소가 용해되어 있는 물)의 양을 조절할 수 있다. 물론, 공급부(140)는 공급 라인을 통해 공급되는 이산화탄소 및/또는 물의 양을 조절할 수도 있다.
배출부(150)는 환원 전극(130)과 연결되어, 이산화탄소의 환원반응을 통해 발생된 생성물을 물과 함께 몸체부(110)의 외부로 유출한다. 즉, 배출부(150)는 배출 라인(도시하지 않음)을 구비하고, 배출 라인이 환원 전극(130)의 내부 공간과 연결되어, 환원 전극(130)의 표면에서 이산화탄소의 환원반응을 통해 발생된 생성물을 물과 함께 공급받아, 이를 배출 라인을 통행 외부로 유출할 수 있다.
다시 설명하면, 배출부(150)는 촉매가 도포된 환원 전극(130)의 표면에서 이산화탄소가 환원되어 발생된 생성물을 물과 함께 몸체부(110)의 외부로 유출할 수 있다. 여기서, 생성물은 환원 전극(130)의 표면에 도포된 촉매를 기반으로 결정될 수 있다. 즉, 환원 전극(130)의 표면에 도포된 촉매의 종류에 따라, 이산화탄소의 환원반응을 통해 발생된 생성물도 달라지게 된다.
또한, 배출부(150)는 몸체부(110)의 외부로 유출되는 물의 양을 조절하여, 몸체부(110)의 내부의 압력을 조절할 수 있다. 예컨대, 배출부(150)는 배출 라인을 통해 몸체부(110)의 외부로 유출되는 용액(이산화탄소가 용해되어 있는 물)의 양을 조절할 수 있다.
압력측정부(160)는 몸체부(110)의 내부의 압력을 측정하고, 측정된 압력을 사용자가 확인할 수 있도록 출력할 수 있다.
전원부(170)는 산화 전극(120)과 환원 전극(130)에 전압을 인가한다. 이에 따라, 환원 전극(130)의 표면에서 이산화탄소가 환원되어 생성물을 발생시키고, 환원 전극(130)의 내부 공간으로부터 배출부(150)로 흐르는 물의 흐름에 따라 발생된 생성물은 물과 함께 몸체부(110)의 외부로 발생과 동시에 유출되게 된다.
그러면, 도 4 내지 도 7을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전극 구성의 다른 예에 대하여 설명한다.
도 4 내지 도 7은 각각 도 2에 도시한 전극 구성의 다른 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 4를 참조하면, 환원 전극(130)은 복수개로 이루어질 수 있다. 이에 따라, 배출부(150)는 복수개의 환원 전극(130) 각각의 내부 공간과 연결되어, 복수개의 환원 전극(130)에서 발생된 생성물을 물과 함께 몸체부(110)의 외부로 유출할 수 있다.
도 5를 참조하면, 산화 전극(120)은 복수개로 이루어질 수 있다.
도 6을 참조하면, 산화 전극(120)은 복수개로 이루어지고, 환원 전극(130)도 복수개로 이루어질 수 있다. 이에 따라, 배출부(150)는 복수개의 환원 전극(130) 각각의 내부 공간과 연결되어, 복수개의 환원 전극(130)에서 발생된 생성물을 물과 함께 몸체부(110)의 외부로 유출할 수 있다.
도 7을 참조하면, 산화 전극(120)은 복수개로 이루어지고, 환원 전극(130)도 복수개로 이루어질 수 있다. 여기서, 복수개의 환원 전극(130)과 복수개의 산화 전극(120)은 서로 접촉하지 않도록 지그재그 형상으로 배치될 수 있다. 예컨대, 산화 전극, 환원 전극, 산화 전극, 환원 전극의 순서로 배치될 수 있다. 이에 따라, 배출부(150)는 복수개의 환원 전극(130) 각각의 내부 공간과 연결되어, 복수개의 환원 전극(130)에서 발생된 생성물을 물과 함께 몸체부(110)의 외부로 유출할 수 있다.
그러면, 도 8을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이산화탄소 전환용 고압 반응조의 구현 일례에 대하여 설명한다.
도 8은 도 2에 도시한 이산화탄소 전환용 고압 반응조의 구현 일례를 설명하기 위한 도면이다.
도 8을 참조하면, 공급부(140)는 몸체부(110)의 내부로 용액(이산화탄소가 용해되어 있는 물)을 유입한다. 그러면, 환원 전극(130)의 표면에서 이산화탄소의 환원 반응을 통해 발생된 생성물이 물의 흐름에 따라 환원 전극(130)의 내부 공간을 따라 배출부(150)를 통해 몸체부(110)의 외부로 유출되게 된다. 이에 따라, 이산화탄소의 지속적인 공급이 가능하고, 발생된 생성물이 물과 함께 외부로 자연스럽게 분리되게 된다.
아울러, 공급부(140)를 통해 유입되는 용액(이산화탄소가 용해되어 있는 물)의 양을 조절하거나, 배출부(150)를 통해 유출되는 물의 양을 조절함으로써, 몸체부(110)의 내부 압력을 조절할 수 있다.
정리하면, 본 발명에 따른 반응조(100)는 종래의 고압 반응조(10)와 달리 환원 전극(130)에서 이산화탄소 전환에 의해 발생되는 생성물이 발생과 동시에 물의 여과를 통해 반응조(100) 내에서 분리되기 때문에 별도의 이온 교환막의 장착이 필요 없다. 또한, 다공성의 환원 전극(130)을 이용한 고압의 여과 공정으로 인해 용액 내 용해되어 있는 이산화탄소가 대류에 기인하여 이동하기 때문에, 종래 교반에 의한 확산에 기인한 것보다 더 빠른 물질 이동 속도로 환원 전극(130)의 표면에 도달하게 된다. 아울러, 다공성의 환원 전극(130)을 통해 생성물이 얻어지므로, 추가적인 분리공정없이 생성물의 회수가 가능하다. 또한, 여과되는 물의 양, 즉 환원 전극(130)의 단위 면적당 유량을 조절함으로써, 반응조(100) 내부에 걸리는 압력이 조절되기 때문에, 이산화탄소의 지속적인 공급과 이산화탄소의 용해도 조절이 가능하다.
그러면, 도 9 및 도 10을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이산화탄소 전환용 고압 반응조의 성능에 대하여 설명한다.
도 9는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이산화탄소 전환용 고압 반응조의 성능을 설명하기 위한 도면이다. 즉, 도 9의 (a)는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 반응조(100)의 성능 시험 환경을 설명하기 위한 도면이고, 도 9의 (b)는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 반응조(100)의 유출 유량과 반응조(100) 내부의 압력 간의 상관관계를 나타내는 그래프이다.
도 9의 (a)에 도시된 환경에서 반응조(100)의 유출 유량을 측정하였다. 여과 모듈의 내부 부피는 6.28 mL이며, 유입수 탱크는 유입수 유출, 농축수 유입 및 가스 유입 밸브와 압력기가 장착된 장비를 사용하였다. 질소 가스(99.99%)를 이용하여 압력을 조절하였고, 순환 여과방식 운영을 위해 기어펌프를 이용하였다. 총 30분 동안 유출되는 물의 양을 측정하였고, 농축수가 유입수 탱크로 재순환되도록 기어펌프를 연결하였다. 수온에 따른 영향을 최소화하기 위해 실험 온도는 23도로 유지하였고, 측정 전 질소 가스를 이용하여 유입수 내 용존 기체를 제거하였다. 각 압력에서의 유량은 순수한 막 저항만을 고려하여 계산하였다.
도 9의 (b)를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 반응조(100)의 성능 실험 결과, 반응조(100) 내의 압력이 증가하면 유출되는 유량도 압력에 비례하여 증가함을 확인할 수 있다.
도 10은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이산화탄소 전환용 고압 반응조의 공정 운영의 일례를 설명하기 위한 도면이다. 즉, 도 10의 (a)는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 반응조(100)의 내부 압력 및 환원 전극(130)의 개수와 유출 유량의 상관관계를 나타내는 그래프이고, 도 10의 (b)는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 반응조(100)의 외부 압력 및 유출 유량과 내부 압력(즉, 이산화탄소 용해도)의 상관관계를 나타내는 그래프이다.
도 10의 (a)를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 반응조(100)의 공정 운영 시, 생산되는 유량은 반응조(100) 내 압력뿐만 아니라 환원 전극(130)의 면적에 비례함을 확인할 수 있다. 동일 압력에서 다공성 환원 전극(130)의 사용 면적이 증가함에 따라, 즉, 복수개의 환원 전극(130)을 장착함에 따라 생성되는 유량은 비례적으로 증가하게 된다. 따라서, 일정 압력에서 환원 전극(130)의 개수를 조절함에 따라 유량을 변화시킬 수 있고, 일정 유량에서 환원 전극(130)의 개수를 조절함에 따라 내부 압력을 조절할 수 있다.
도 10의 (b)를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 반응조(100)의 공정 운영 시, 동일한 조건에서 생성되는 유량은 외부 압력에 의해 결정된다. 따라서, 특정 외부 압력 P1에서 생성되는 유량 J1을 유출구 쪽의 유량 조절 밸브를 통해 J2로 감소시키면, 동일한 외부 조건에서 내부 압력이 증가하게 되므로 반응조 내 이산화탄소의 용해도가 증가하는 효과를 나타내게 된다. 즉, 유출되는 유량의 조절을 통해 반응조 내 이산화탄소의 용해도와 체류시간을 유동적으로 조절이 가능하므로, 최대 효율을 나타내는 운영 조건을 정립하는 등의 탄력적인 공정 운영이 가능한 장점을 나타낼 수 있다.
정리하면, 종래의 고압 반응조(10)는 외부에서 압력을 설정하여 이산화탄소를 주입 시키는 단순한 압력 조절만 가능하지만, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 반응조(100)는 외부 압력(전해질 및 이산화탄소의 유입 유량), 환원 전극(130)의 개수 및 유출되는 유량 조절 등의 유동적인 공정 운영이 가능하다.
그러면, 도 11을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이산화탄소 전환용 고압 반응조의 운영 방법에 대하여 설명한다.
도 11은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이산화탄소 전환용 고압 반응조의 운영 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 11을 참조하면, 이산화탄소가 반응조(100)의 몸체부(110)의 내부로 유입된다(S110). 이때, 반응조(100)는 하나의 유입 라인(도시하지 않음)을 구비하고, 외부 장치로부터 공급된 이산화탄소가 용해되어 있는 물을 유입 라인을 통해 몸체부(110)의 내부로 유입할 수 있다. 물론, 반응조(100)는 두개의 공급 라인(도시하지 않음)과 하나의 유입 라인(도시하지 않음)을 구비하고, 두개의 공급 라인을 통해 외부 장치로부터 이산화탄소 및 물을 각각 공급받은 다음, 이산화탄소를 물에 용해시켜 유입 라인을 통해 몸체부(110)의 내부로 유입할 수도 있다.
그러면, 이산화탄소의 환원반응을 통해 발생된 생성물이 물과 함께 몸체부(110)의 외부로 유출된다(S130). 즉, 반응조(100)는 배출 라인(도시하지 않음)을 구비하고, 배출 라인이 환원 전극(130)의 내부 공간과 연결되어, 환원 전극(130)의 표면에서 이산화탄소의 환원반응을 통해 발생된 생성물을 물과 함께 공급받아, 이를 배출 라인을 통행 외부로 유출할 수 있다. 다시 설명하면, 반응조(100)는 촉매가 도포된 환원 전극(130)의 표면에서 이산화탄소가 환원되어 발생된 생성물을 물과 함께 몸체부(110)의 외부로 유출할 수 있다. 여기서, 생성물은 환원 전극(130)의 표면에 도포된 촉매를 기반으로 결정될 수 있다. 즉, 환원 전극(130)의 표면에 도포된 촉매의 종류에 따라, 이산화탄소의 환원반응을 통해 발생된 생성물도 달라지게 된다.
이후, 반응조(100)의 몸체부(110)의 내부의 압력을 조절할 수 있다(S150). 즉, 반응조(100)는 몸체부(110)의 내부로 유입되는 이산화탄소의 양을 조절하여, 몸체부(110)의 내부의 압력을 조절할 수 있다. 예컨대, 반응조(100)는 유입 라인을 통해 몸체부(110)의 내부로 유입되는 용액(이산화탄소가 용해되어 있는 물)의 양을 조절하거나, 공급 라인을 통해 공급되는 이산화탄소 및/또는 물의 양을 조절할 수 있다. 또한, 반응조(100)는 몸체부(110)의 외부로 유출되는 물의 양을 조절하여, 몸체부(110)의 내부의 압력을 조절할 수 있다. 예컨대, 반응조(100)는 배출 라인을 통해 몸체부(110)의 외부로 유출되는 용액(이산화탄소가 용해되어 있는 물)의 양을 조절할 수 있다.
본 발명은 또한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체는 컴퓨터에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록 장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체의 예로는 롬(ROM), 램(RAM), 씨디-롬(CD-ROM), 자기 테이프, 플로피 디스크, 광 데이터 저장장치 등이 있으며, 또한 캐리어 웨이브(인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현되는 것도 포함한다. 또한, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 유무선 통신망으로 연결된 컴퓨터 장치에 분산되어 분산 방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 다음의 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
100 : 이산화탄소 전환용 고압 반응조,
110 : 몸체부, 120 : 산화 전극,
130 : 환원 전극, 140 : 공급부,
150 : 배출부, 160 : 압력측정부,
170 : 전원부

Claims (13)

  1. 이산화탄소의 이동속도를 향상시키고 이산화탄소의 지속적인 공급이 가능하며, 이산화탄소의 환원반응을 통해 발생된 생성물을 추가적인 분리공정없이 회수하는 이산화탄소 전환용 고압 반응조로서,
    몸체부;
    상기 몸체부의 내부에 위치하는 산화 전극;
    내부에 공간이 형성되고, 다공성의 전도성 막으로 이루어지며, 상기 몸체부의 내부에 위치하는 환원 전극;
    상기 몸체부의 내부로 이산화탄소를 유입하고, 상기 몸체부의 내부로 유입되는 이산화탄소의 양을 조절하여, 상기 몸체부의 내부의 압력을 조절하는 공급부; 및
    상기 환원 전극과 연결되어, 촉매가 도포된 상기 환원 전극의 표면에서 상기 이산화탄소가 환원되어 발생된 생성물을 물과 함께 상기 몸체부의 외부로 유출하고, 상기 몸체부의 외부로 유출되는 물의 양을 조절하여, 상기 몸체부의 내부의 압력을 조절하는 배출부;
    를 포함하며,
    상기 생성물은, 상기 환원 전극의 표면에 도포된 촉매를 기반으로 결정되는,
    이산화탄소 전환용 고압 반응조.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에서,
    상기 환원 전극은, 전도성이 있는 다공성 전극으로, 탄소 기반 소재나 금속으로 이루어진 중공사 형태의 막 또는 평판형 막 구조체인,
    이산화탄소 전환용 고압 반응조.
  6. 제1항에서,
    상기 환원 전극은, 복수개로 이루어지며,
    상기 배출부는, 복수개의 상기 환원 전극과 연결되어, 상기 생성물을 물과 함께 상기 몸체부의 외부로 유출하는,
    이산화탄소 전환용 고압 반응조.
  7. 제6항에서,
    상기 산화 전극은, 복수개로 이루어지며,
    복수개의 상기 환원 전극과 복수개의 상기 산화 전극은 서로 접촉하지 않도록 지그재그 형상으로 배치되는,
    이산화탄소 전환용 고압 반응조.
  8. 제1항 또는 제6항에서,
    상기 산화 전극은, 복수개로 이루어지는,
    이산화탄소 전환용 고압 반응조.
  9. 이산화탄소의 이동속도를 향상시키고 이산화탄소의 지속적인 공급이 가능하며, 이산화탄소의 환원반응을 통해 발생된 생성물을 추가적인 분리공정없이 회수하고, 몸체부, 상기 몸체부의 내부에 위치하는 산화 전극, 내부에 공간이 형성되고 다공성의 전도성 막으로 이루어지며 상기 몸체부의 내부에 위치하는 환원 전극, 상기 몸체부의 내부로 이산화탄소를 유입하는 공급부, 및 상기 환원 전극과 연결되어, 상기 이산화탄소의 환원반응을 통해 발생된 생성물을 물과 함께 상기 몸체부의 외부로 유출하는 배출부를 포함하는 이산화탄소 전환용 고압 반응조의 운영 방법으로서,
    상기 이산화탄소가 상기 몸체부의 내부로 유입되는 단계;
    상기 몸체부의 내부로 유입되는 이산화탄소의 양을 조절하여, 상기 몸체부의 내부의 압력을 조절하는 단계;
    촉매가 도포된 상기 환원 전극의 표면에서, 상기 몸체부의 내부로 공급된 상기 이산화탄소가 환원되어 발생된 생성물이 물과 함께 상기 몸체부의 외부로 유출하는 단계; 및
    상기 몸체부의 외부로 유출되는 물의 양을 조절하여, 상기 몸체부의 내부의 압력을 조절하는 단계;
    를 포함하며,
    상기 생성물은, 상기 환원 전극의 표면에 도포된 촉매를 기반으로 결정되는,
    이산화탄소 전환용 고압 반응조의 운영 방법.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 제9항에서,
    상기 환원 전극은, 전도성이 있는 다공성 전극으로, 탄소 기반 소재나 금속으로 이루어진 중공사 형태의 막 또는 평판형 막 구조체인,
    이산화탄소 전환용 고압 반응조의 운영 방법.
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