KR102305657B1 - 무기 폐기물을 이용한 저전력 통합공정 기반 이산화탄소 광물화 장치 및 방법 - Google Patents

무기 폐기물을 이용한 저전력 통합공정 기반 이산화탄소 광물화 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 이산화탄소 광물화 장치는 염수를 전기분해하여 염소 가스와 알칼리금속수산화물 수용액을 생성 배출하는 전기분해부; 염산 수용액과 2가금속 함유 무기폐기물을 공급받아 2가금속염화물을 포함하는 추출 용액을 배출하는 추출부; 상기 전기분해부에서 배출되는 알칼리금속수산화물 수용액이 분기된 제1분기 액상과 제2분기 액상 중, 제1분기 액상, 이산화탄소를 포함하는 처리 대상 가스 및 추출 용액을 공급받아 결정상의 2가금속탄산염을 생성하고 고액 분리에 의해 결정화된 2가금속탄산염을 포함하는 고상과 알칼리금속 염화물을 함유하는 잔류 액상을 배출하는 광물화부;를 포함하며, 상기 2분기 액상은 상기 전기분해부의 환원전극의 전극액으로 공급된다.

Description

무기 폐기물을 이용한 저전력 통합공정 기반 이산화탄소 광물화 장치 및 방법{Apparatus and Method for Mineralizing Carbon Dioxide Using Integrated Process With Low Power Consumption Using Inorganic Waste}
본 발명은 무기 폐기물을 이용한 저전력 통합 공정 기반 이산화탄소 광물화 장치 및 방법에 관한 것으로, 상세하게, 염수 전기분해 공정, 무기 폐기물을 이용한 추출 공정 및 이산화탄소 광물화 공정이 유기적으로 통합된 통합 공정 기반 저전력 이산화탄소 광물화 장치 및 방법에 관한 것이다.
화석연료의 사용에 따라 대기 중에 이산화탄소, 메탄, 황산화물, 질산화물 등의 산성가스 농도가 증가하여, 이로 인한 지구 온난화 및 대기 오염이 문제되고 있다. 특히 대기 중 이산화탄소는 1992년 리우 환경회의 이후 그 저감을 위한 여러 방안이 세계적으로 활발히 논의되고 있다.
이산화탄소 포집 및 저장(Carbon Dioxide Capture& Storage, CCS) 기술은 화석연료를 사용하여 이산화탄소를 대량 배출하는 발전소, 철강, 시멘트 공장 등에서 배출되는 이산화탄소를 대기로부터 격리시키는 기술이다. 이산화탄소 포집 및 저장 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 이산화탄소를 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 이산화탄소와 수소로 전환시킨 후에 이산화탄소/수소 혼합가스 중에서 이산화탄소를 분리하거나 또는 혼합가스를 연소시켜서 배기가스 중의 이산화탄소를 포집하는 기술이다. 또한 순 산소 연소기술(Oxy-fuel combustion technology)은 화석연료를 연소시킬 때 공기 대신 산소만을 이용하여 연소시켜 이산화탄소 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 흡수/재생하여 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.
대한민국등록특허 제10-1800779호에는 산성가스 흡수제를 생산하는 전기분해 시스템에 이산화탄소를 비롯한 산성가스를 직접 주입하고, 기/액 접촉 효율을 높일 수 있는 구조를 제공함으로써 수산화나트륨 등의 생산과 더불어 이산화탄소를 효율적으로 제거하고자 하였다. 그러나 이러한 구조의 기술은 수소와 이산화탄소가 혼합되므로 발생되는 수소를 활용할 수 없는 한계를 가진다.
또한 이산화탄소를 고정화하기 위한 수단으로, 이산화탄소를 중탄산나트륨(NaHCO3) 또는 탄산나트륨(Na2CO3) 등으로 전환하는 종래의 솔베이(Solvay) 공정을 이용한 사례가 있었다. 종래의 솔베이 공정을 이용한 기술은 석회암(limestone)을 고온에서 이산화탄소를 내보내는 하소(calcination) 공정을 포함하므로, 이산화탄소를 직접 배출함에 따라 온실가스 배출량이 많고, 1 톤의 탄산나트륨을 생산할 경우 약 10 m3의 폐수가 발생하는 한계가 있어, 비용적인 측면은 물론 환경적인 측면에서도 문제가 된다.
따라서 온실 가스인 이산화탄소를 포함하는 산성가스를 제거하는 장치 및 방법에 있어서, 보다 높은 에너지 효율로 산성가스를 제거할 수 있는 것은 물론 폐수 발생을 방지하거나 최소화할 수 있으며, 반응 산물이나 부산물로 고부가가치의 물질을 얻을 수 있는 산성 가스의 제거 장치 및 방법에 대한 연구가 필요하다.
대한민국등록특허 제10-1800779호
본 발명의 목적은 에너지를 절감할 수 있는 온실가스/산성가스 제거 장치 및 온실가스/산성가스 제거 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 우수한 온실가스/산성가스 제거 효율을 가지며, 폐액의 발생을 방지하거나 최소화할 수 있는 환경 친화적인 온실가스/산성가스 제거 장치 및 온실가스/산성가스 제거 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 우수한 공정 안정성을 갖는 온실가스/산성가스 제거 장치 및 온실가스/산성가스 제거 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 온실가스/산성가스의 제거와 함께, 고부가가치의 생성물(부산물)을 얻을 수 있어, 경제성이 우수한 온실가스/산성가스 제거 장치 및 온실가스/산성가스 제거 방법을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 이산화탄소 광물화 장치(I)는 염수를 전기분해하여 염소 가스와 알칼리금속수산화물 수용액을 생성 배출하는 전기분해부; 염산 수용액과 2가금속 함유 무기폐기물을 공급받아 2가금속염화물을 포함하는 추출 용액을 배출하는 추출부; 및 상기 전기분해부에서 배출되는 알칼리금속수산화물 수용액이 분기된 제1분기 액상과 제2분기 액상 중, 제1분기 액상, 이산화탄소를 포함하는 처리 대상 가스 및 추출 용액을 공급받아 결정상의 2가금속탄산염을 생성하고 고액 분리에 의해 결정화된 2가금속탄산염을 포함하는 고상과 알칼리금속 염화물을 함유하는 잔류 액상을 배출하는 광물화부;를 포함하며, 상기 2분기 액상은 상기 전기분해부의 환원전극의 전극액으로 공급된다.
본 발명에 따른 이산화탄소 광물화 장치(II)는 염수를 전기분해하여 염소 가스와 알칼리금속수산화물 수용액을 생성 배출하는 전기분해부; 상기 전기분해부에서 배출되는 알칼리금속수산화물 수용액과 이산화탄소를 포함하는 제1처리대상가스를 공급받아 알칼리금속탄산염 수용액을 배출하는 이산화탄소 흡수부; 염산 수용액과 2가금속 함유 무기폐기물을 공급받아 2가금속염화물을 포함하는 추출 용액을 배출하는 추출부; 및 상기 이산화탄소 흡수부에서 배출되는 알칼리금속탄산염 수용액이 분기된 제1분기 액상과 제2분기 액상 중, 제1분기 액상 및 추출 용액을 공급받아 결정상의 2가금속탄산염을 생성하고 고액 분리에 의해 결정화된 2가금속탄산염을 포함하는 고상과 알칼리금속 염화물을 함유하는 잔류 액상을 배출하는 광물화부;를 포함하며, 상기 제2분기 액상이 상기 전기분해부의 환원전극의 전극액으로 공급된다.
본 발명이 일 실시예에 따른 광물화 장치(II)에 있어, 상기 이산화탄소 흡수부에서 배출되는 알칼리금속탄산염 수용액의 pH는 11.0 내지 12.5일 수 있다.
본 발명이 일 실시예에 따른 광물화 장치(I, II)는 상기 광물화부에서 배출되는 잔류 액상을 공급받아 2가 금속 이온을 제거하여 2가 금속 이온이 제거된 용액을 배출하는 이온제거부; 및 상기 이온제거부에서 배출되는 2가 금속 이온이 제거된 용액을 공급받고 이를 농축하여, 농축된 용액과 농축시 수집된 물을 각각 배출하는 농축부;를 더 포함하거나, 상기 광물화부에서 배출되는 잔류 액상을 공급받고 이를 농축하여, 농축된 용액과 농축시 수집된 물을 각각 배출하는 농축부; 및 상기 농축부에서 배출된 농축 용액을 공급받아 2가 금속 이온을 제거하여 2가 금속 이온이 제거된 농축 용액을 배출하는 이온제거부;를 더 포함할 수 있으며, 상기 농축부에서 배출되는 물과, 농축부와 이온제거부에 의해 2가 금속 이온이 제거된 농축 용액은 각각 전기분해부로 공급될 수 있다.
본 발명이 일 실시예에 따른 광물화 장치(I, II)에 있어, 상기 전기분해부는 산화전극측으로 염수를 공급받고 환원전극측으로 물을 포함하는 전극액을 공급받아 산화전극측에서 염소 가스를 배출하고, 환원전극측에서 알칼리금속수산화물 수용액과 수소 가스를 포함하는 혼합물을 배출할 수 있으며, 상기 혼합물을 기상과 액상으로 분리 배출하는 기액분리부에 의해 배출된 액상이 분기될 수 있고, 상기 제2분기 액상은 상기 농축부에서 배출되는 물과 혼합되어 상기 환원전극측으로 공급될 수 있다.
본 발명이 일 실시예에 따른 광물화 장치(I, II)에 있어, 상기 전기분해부의 환원전극은 산소-소모 환원전극(ODC; oxygen depolarized cathode)일 수 있으며, 상기 전기분해부는 산화전극측으로 염수를 공급받고 산소-소모 환원전극측으로 물을 포함하는 전극액 및 함산소 가스를 공급받아, 산화전극측에서 염소 가스를 배출하고, 산소-소모 환원전극측에서 알칼리금속수산화물 수용액을 배출할 수 있으며, 상기 제2분기 액상은 상기 농축부에서 배출되는 물과 혼합되어 상기 환원전극측으로 공급될 수 있다.
본 발명이 일 실시예에 따른 광물화 장치(I, II)는 상기 전기분해부의 산화전극측에서 배출되는 잔류 알칼리염화물 수용액과 염소 가스를 포함하는 혼합물을 공급받아 염소 가스의 기상과 잔류 알칼리염화물 수용액의 액상을 분리 배출하는 기액분리기를 더 포함할 수 있고, 상기 기액분리기에서 배출되는 잔류 알칼리염화물 수용액은 상기 2가 금속 이온이 제거된 농축 용액과 혼합되어 상기 전기분해부의 산화전극의 전극액으로 재공급될 수 있다.
본 발명이 일 실시예에 따른 광물화 장치(I, II)는 차아염소산염 제조부를 더 포함할 수 있으며, 상기 차아염소산염 제조부는, 상기 전기분해부에서 생성 배출되는 염소 가스와, 상기 전기분해부에서 생성 배출되는 알칼리금속수산화물 수용액의 일부나 장치 외부에서 공급되는 알칼리금속수산화물을 공급받아 알칼리금속 차아염소산염을 생성할 수 있다.
본 발명에 따른 이산화탄소 광물화 방법(I)은 염수를 전기분해하여 염소 가스와 알칼리금속수산화물 수용액을 생성하는 전기분해 단계; 상기 전기분해 단계와 독립적으로 염산 수용액과 2가금속 함유 무기폐기물을 반응시켜 2가금속염화물을 포함하는 추출 용액을 생성하는 2가금속 추출단계; 및 상기 알칼리금속수산화물 수용액이 분기된 제1분기 액상과 제2분기 액상 중 제1분기 액상, 이산화탄소를 포함하는 처리대상가스 및 추출용액을 반응시켜, 결정화된 2가금속탄산염을 포함하는 고상과 알칼리금속 염화물을 함유하는 잔류 액상을 생성하는 광물화단계;를 포함하며, 상기 제2분기 액상은 상기 전기분해 단계의 환원전극의 전극액으로 공급된다.
본 발명에 따른 이산화탄소 광물화 방법(II)은 염수를 전기분해하여 염소 가스와 알칼리금속수산화물 수용액을 생성하는 전기분해 단계; 전기분해 단계에서 생성된 알칼리금속수산화물 수용액과 이산화탄소를 포함하는 제1처리대상가스를 공급받아 알칼리금속탄산염 수용액을 생성하는 이산화탄소 흡수단계; 상기 전기분해 단계 및 상기 이산화탄소 흡수단계와 독립적으로 염산 수용액과 2가금속 함유 무기폐기물을 반응시켜 2가금속염화물을 포함하는 추출 용액을 생성하는 2가금속 추출단계; 및 상기 이산화탄소 흡수 단계의 알칼리금속탄산염 수용액이 분기된 제1분기 액상과 제2분기 액상 중 제1분기 액상 및 상기 2가금속 추출단계의 추출 용액을 반응시켜 결정화된 2가금속탄산염을 포함하는 고상과 알칼리금속 염화물을 함유하는 잔류 액상을 생성하는 광물화단계;를 포함하며, 상기 제2분기 액상은 상기 전기분해 단계의 환원전극의 전극액으로 공급된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광물화 방법(II)에 있어, 상기 이산화탄소 흡수단계에서 생성되는 알칼리금속탄산염 수용액의 pH는 11.0 내지 12.5일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광물화 방법(I, II)은, 상기 광물화단계에서 생성된 잔류 액상에서 2가 금속 이온을 제거하여 2가 금속 이온이 제거된 용액을 생성하는 이온제거단계; 및 상기 2가 금속 이온이 제거된 용액을 농축하여 2가 금속 이온이 제거된 농축된 용액을 생성하고 농축시 수집된 물을 생성하는 농축단계;를 더 포함하거나, 상기 광물화단계에서 생성된 잔류 액상을 공급받아 농축된 용액을 생성하고 농축시 수집된 물을 생성하는 농축단계; 및 상기 농축된 용액을 공급받아 2가 금속 이온을 제거하여 2가 금속 이온이 제거된 농축된 용액을 생성하는 이온제거단계;를 더 포함할 수 있으며, 상기 농축단계에서 수집된 물과, 상기 농축 단계와 이온제거 단계에 의한 2가 금속 이온이 제거된 농축된 용액은 각각 상기 전기분해 단계에 공급될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광물화 방법(I, II)에 있어, 상기 전기분해 단계는, 산화전극측으로 염수를 공급받고 환원전극측으로 물을 포함하는 전극액을 공급받아 염수를 전기분해하여, 산화전극측에서 염소 가스를 생성 배출하고, 환원전극측에서 알칼리금속수산화물 수용액과 수소 가스를 포함하는 혼합물을 생성 배출할 수 있으며, 상기 혼합물의 기상 분리에 의해 분리된 액상이 제1분기 액상과 제2분기 액상으로 분기될 수 있고, 상기 제2분기 액상은 상기 농축단계에서 수집된 물과 혼합되어 상기 전기분해 단계의 환원전극 측으로 공급될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광물화 방법(I, II)에 있어, 상기 전기분해 단계에서, 염수의 전기분해는 산소-소모 환원전극을 이용한 것일 수 있고, 상기 전기분해 단계는, 산화전극측으로 염수를 공급받고 환원전극측으로 물을 포함하는 전극액 및 함산소 가스를 공급받아 염수를 전기분해하여, 산화전극측에서 염소 가스를 배출하고, 환원전극측에서 알칼리금속수산화물 수용액을 배출할 수 있으며, 상기 제2분기 액상은 상기 농축단계에서 수집된 물과 혼합되어 상기 전기분해 단계의 환원전극 측으로 공급될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광물화 방법(I, II)에 있어, 상기 전기분해 단계에서 생성된 염소와 잔류 알칼리염화물 수용액의 혼합물은 기액 분리에 의해 분리되어, 분리된 잔류 알칼리염화물 수용액은 상기 2가 금속 이온이 제거된 농축된 용액과 혼합되어 상기 전기분해단계의 산화전극 측으로 공급될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광물화 방법(I, II)은 전기분해단계에서 생성되는 염소 가스와, 상기 전기분해부단계 생성 배출되는 알칼리금속수산화물 수용액의 일부나 외부에서 공급되는 알칼리금속수산화물을 공급받아 알칼리금속 차아염소산염을 생성하는 차아염소산염제조단계;를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 광물화 장치 및 방법은 처리대상가스에 함유된 이산화탄소를 제거함과 동시에 고부가가치의 물질인 2가금속탄산염의 결정화된 광물을 생산할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 광물화 장치 및 방법은, 이산화탄소 제거와 함께 버려지는 폐자원의 활용이 가능하고, 염소나 차아염소산염등과 같이 고부가가치의 물질을 제조할 수 있는 장점이 있다. 또한, 본 발명에 따른 광물화 장치 및 방법은 에너지 소모가 적고, 폐액의 발생을 최소화할 수 있는 친환경적이며 에너지 절감형 장치 및 방법인 장점이 있다. 또한, 본 발명에 따른 광물화 장치 및 방법은 다량의 2가금속탄산염의 제조가 가능하며, 증가된 기대수명을 갖는 장점이 있다.
도 1은 제1양태의 일 예에 따른 광물화 장치의 공정도를 도시한 도면으로, 전기분해부가 수소-발생 클로르알칼리 공정에 의한 일 예이다.
도 2는 제1양태의 일 예에 따른 광물화 장치의 공정도를 도시한 도면으로, 전기분해부가 산소-소모 클로르알칼리 공정에 의한 일 예이다.
도 3은 제2양태의 일 예에 따른 광물화 장치의 공정도를 도시한 도면으로, 전기분해부가 수소-발생 클로르알칼리 공정에 의한 일 예이다.
도 4는 제2양태의 일 예에 따른 광물화 장치의 공정도를 도시한 도면으로, 전기분해부가 산소-소모 클로르알칼리 공정에 의한 일 예이다.
도 5는 제1양태의 일 예에 따른 광물화 장치의 다른 공정도를 도시한 도면으로, 차아염소산염 제조부가 더 구비된 일 예이다.
도 6은 제2양태의 일 예에 따른 광물화 장치의 다른 공정도를 도시한 도면으로, 차아염소산염 제조부가 더 구비된 일 예이다.
이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 이산화탄소 광물화 장치 및 방법을 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있으며, 이하 제시되는 도면들은 본 발명의 사상을 명확히 하기 위해 과장되어 도시될 수 있다. 이때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다. 또한 명세서 및 첨부된 특허청구범위에서 사용되는 단수 형태는 문맥에서 특별한 지시가 없는 한 복수 형태도 포함하는 것으로 의도할 수 있다. 또한 본 명세서에서, "포함한다"는 표현은 "구비한다", "함유한다", "가진다" 또는 "특징으로 한다" 등의 표현과 등가의 의미를 가지는 개방형 기재이며, 추가로 열거되어 있지 않은 요소, 재료 또는 공정을 배제하지 않는다. 본 명세서 및 첨부된 특허청구범위에서 특별한 언급 없이 사용된 단위는 중량을 기준으로 하며, 일 예로 % 또는 비의 단위는 중량% 또는 중량비를 의미한다.
본 발명에 따른 이산화탄소 광물화 장치 및 방법은, 염수의 전기분해 공정, 무기폐기물로부터의 2가 금속 추출 공정 및 이산화탄소의 광물화 공정이 통합된 통합 공정 기반이며, 온실가스인 이산화탄소를 포함하는 산성 가스의 제거와 함께 고부가가치의 물질을 생산할 수 있으며, 장치 구동을 위해 소모되어야 하는 에너지의 절감이 가능하고, 폐액의 발생을 최소화할 수 있으며 폐 자원의 활용이 가능한 환경 친화적인 에너지 절감형 통합 공정 기반 이산화탄소 광물화 장치 및 방법이다.
본 발명에 따른 이산화탄소 광물화 장치 및 방법은, 전기분해시 환원전극에 공급되는 액(환원전극액)이 순환되며, 순환되는 환원전극액의 종류에 따라, 제1양태와 제2양태로 나뉘어질 수 있다. 이하, 본 발명을 상술함에 있어, 제1양태(제1양태에 따른 장치나 방법)나 제2양태(제2양태에 따른 장치나 방법)로 명시되어 한정되지 않는 구성은, 제1양태와 제2양태 모두에 속할 수 있다.
본 발명에서, 알칼리금속염화물, 알칼리금속수산화물, 알칼리금속탄산염등의 알칼리금속(M)은 리튬, 나트륨, 칼륨, 루비듐, 세슘 및 프랑슘에서 하나 이상 선택되는 금속일 수 있으며, 실질적으로 수급 용이성, 자원의 풍부함에 의한 공정 비용 절감등을 고려하여, 알칼리금속은 나트륨을 포함할 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명에서, 무기 폐기물은 2가 금속을 함유하는 무기 폐기물로, 폐시멘트, 폐콘크리트, 석탄재, 시멘트 킬른 더스트, 비산재(플라이애쉬) 및/또는 제철 슬래그등을 들 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 2가 금속을 함유하는 광물 또한 사용 가능하다. 즉, 무기 폐기물은 저품위의 2가금속 함유 광물 또한 포함한다. 2가 금속(Mdv)은 칼슘, 마그네슘, 철, 망간, 니켈, 코발트, 크롬, 구리, 아연 및 바륨 등에서 하나 이상 선택되는 금속일 수 있으며, 수급 용이성 측면에서 무기 폐기물에 함유된 2가 금속은 칼슘일 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명에서, 처리대상가스는 산성 가스를 포함하며, 산성 가스는 온실 가스인 이산화탄소를 포함한다. 산성 가스는 파이넥스 오프 가스(FOG, FINEX off gas), 파이넥스 테일 가스(FTG, FINEX tail gas), 고로 가스(BFG, Blast furnace gas), 전로 가스, 석탄 발전소 배가스, 가스 발전소 배가스, 소각로 배가스, 유리용해 배가스, 열설비 배가스, 석유화학공정 배가스, 석유화학공정 공정가스, 연소전 배가스, 가스화기 배가스등일 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 산성 가스는 온실 가스인 이산화탄소 가스와 함께, 황산화물 가스(SOx), 질소산화물 가스(NOx) 또는 황산화물 가스와 질소산화물 가스등, 이산화탄소 이외의 산성을 띄는 가스를 더 포함할 수 있다. 그러나, 본 발명이 구체 처리대상가스의 종류에 한정될 수 없음은 물론이며, 이산화탄소를 함유하는 한 어떠한 가스라도 처리대상가스로 사용될 수 있다.
본 발명에서, 함산소 가스는 산소 가스를 함유하는 가스를 의미하며, 구체적으로 산소를 15부피% 이상, 보다 구체적으로 20부피% 이상 함유하는 가스를 의미할 수 있다. 함산소 가스의 구체예로, 100% 산소 가스, 산소와 불활성 가스의 혼합 가스 또는 공기(air)등을 들 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명에서, 특별히 용매의 종류가 한정되지 않는 한, 용액이나 액은 수용액을 의미한다. 또한, 장치의 일 요소에서 배출되는 물질이 다른 일 요소로 공급되는 경우, 물질 이송 라인 별로, 물질의 이송을 위한 이송관, 펌프, 밸브등과 같은 물질 이송시 통상적으로 사용되는 이송 수단이 구비될 수 있음은 물론이며, 물질 이송 라인에 따라, 필요시, 물질 이송 속도나 유량을 제어하기 위한 통상의 제어 수단이 구비될 수 있음은 물론이다.
본 발명의 제1양태에 따른 이산화탄소 광물화 장치는 염수를 전기분해하여 염소 가스와 알칼리금속수산화물 수용액을 생성 배출하는 전기분해부; 염산 수용액과 2가금속 함유 무기폐기물을 공급받아 2가금속염화물을 포함하는 추출 용액을 배출하는 추출부; 및 상기 전기분해부에서 배출되는 알칼리금속수산화물 수용액이 분기된 제1분기 액상과 제2분기 액상 중, 제1분기 액상, 이산화탄소를 포함하는 처리 대상 가스 및 추출 용액을 공급받아 결정상의 2가금속탄산염을 생성하고 고액 분리에 의해 결정화된 2가금속탄산염을 포함하는 고상과 알칼리금속 염화물을 함유하는 잔류 액상을 배출하는 광물화부;를 포함하며, 상기 2분기 액상은 상기 전기분해부의 환원전극의 전극액(환원전극액)으로 공급된다.
제1양태에 따른 이산화탄소 광물화 장치는 클로르알칼리 공정인 염수 전기분해 공정으로부터 알칼리금속수산화물과 염소를 생산하고, 생산된 알칼리금속수산화물, 염산 용액을 이용하여 2가금속 함유 무기 폐기물로부터 추출된 추출 용액(2가금속염화물을 함유하는 용액), 및 이산화탄소를 포함하는 처리대상가스를 반응시켜, 이산화탄소를 2가금속탄산염으로 광물화함과 동시에 온실가스인 이산화탄소를 포함하는 산성가스를 제거할 수 있다. 이때, 염수 전기분해 공정에서 생성된 알칼리금속수산화물 용액은 제1분기 용액과 제2분기 용액으로 분기되어, 일 분기 용액(제1분기 용액)은 이산화탄소의 광물화에 사용되며 다른 일 분기 용액(제2분기 용액)은 염수 전기분해 공정으로 유입되어, 장치 내에서 알칼리금속수산화물 용액의 순환 라인이 형성될 수 있다.
제1양태에 따른 이산화탄소 광물화 장치는 처리대상가스에 함유된 이산화탄소를 제거함과 동시에 고부가가치의 물질인 2가금속탄산염의 결정화된 광물과 염소가스나 염소가스를 이용한 염소화합물을 생산할 수 있으며, 이산화탄소 뿐만 아니라 SOx나 NOx등과 같은 다른 산성 가스 또한 제거될 수 있다. 또한, 클로르알칼리 공정이 수소-발생 클로르알칼리 공정인 경우, 이와 함께 수소와 같은 화학 에너지 또한 생산할 수 있으며, 이와 달리 클로르알칼리 공정이 산소-소모 클로르알칼리 공정인 경우 전기 에너지 소모를 크게 절감할 수 있는 장점이 있다.
본 발명의 제2양태에 따른 이산화탄소 광물화 장치는 염수를 전기분해하여 염소 가스와 알칼리금속수산화물 수용액을 생성 배출하는 전기분해부; 상기 전기분해부에서 배출되는 알칼리금속수산화물 수용액과 이산화탄소를 포함하는 제1처리대상가스를 공급받아 알칼리금속탄산염 수용액을 배출하는 이산화탄소 흡수부; 염산 수용액과 2가금속 함유 무기폐기물을 공급받아 2가금속염화물을 포함하는 추출 용액을 배출하는 추출부; 및 상기 이산화탄소 흡수부에서 배출되는 알칼리금속탄산염 수용액이 분기된 제1분기 액상과 제2분기 액상 중, 제1분기 액상 및 추출 용액을 공급받아 결정상의 2가금속탄산염을 생성하고 고액 분리에 의해 결정화된 2가금속탄산염을 포함하는 고상과 알칼리금속 염화물을 함유하는 잔류 액상을 배출하는 광물화부;를 포함하며, 상기 제2분기 액상이 상기 전기분해부의 환원전극의 전극액(환원전극액)으로 공급된다.
제2양태에 따른 이산화탄소 광물화 장치는 클로르알칼리 공정인 염수 전기분해 공정으로부터 알칼리금속수산화물과 염소를 생산하고, 생산된 알칼리금속수산화물을 이용하여 온실가스인 이산화탄소를 포함하는 처리대상가스를 반응시켜 알칼리금속탄산염 용액을 생성하고, 생성된 알칼리금속탄산염 용액을 분기하여 일부(제2분기 용액)는 환원전극액으로 공급하여 알칼리금속탄산염을 함유하는 환원전극액이 순환되도록 한다. 또한, 알칼리금속탄산염 용액이 분기된 다른 일부(제1분기 용액)와 2가금속염화물을 함유하는 추출 용액을 반응시켜, 2가금속탄산염으로 광물화 및 결정화시킴과 동시에 이산화탄소를 포함하는 산성가스를 제거할 수 있다.
이에 따라, 제2양태에 따른 이산화탄소 광물화 장치는, 알칼리금속탄산염 용액이 분기되어 환원전극액으로써 전기분해부에 공급됨에 따라, 전기분해부와 이산화탄소 흡수부간 알칼리금속탄산염 용액의 순환 경로가 형성될 수 있다. 제2양태에 따른 이산화탄소 광물화 장치는 알칼리금속탄산염 용액이 환원전극액으로 순환됨에 따라, 클로르알칼리 공정에서 순환되는 알칼리금속수산화물 수용액보다 pH가 낮기 때문에, 전기분해부의 이온교환막(멤브레인)의 안정성이 증가해 전기분해부의 기대수명을 늘릴 수 있으며, 전기분해에서 원치 않는 부산물(일 예로, 일산화탄소나 개미산염 등의 이산화탄소 전환생성물)의 생성을 방지할 수 있다. 또한, 제2양태에 따라 알칼리금속탄산염 용액이 순환되는 경우, 알칼리금속중탄산염의 용해도보다 알칼리금속탄산염의 용해도가 훨씬 크기 때문에 더 고농도의 용액이 순환될 수 있으며, 이에 의해 광물화부에서 보다 많은 양의 2가금속탄산염이 수득될 수 있다. 또한, 알칼리금속중탄산염 용액이 순환되는 경우, 전기분해부의 고온 구동시 알칼리금속중탄산염의 분해에 의해 CO2가 생성될 위험이 있으나, 이산화탄소 흡수부에서 배출되는 수용액의 pH를 11.0 이상, 좋게는 12.0이상이 되도록 함으로써 알칼리금속중탄산염의 생성을 억제하여, 알칼리금속중탄산염의 분해에 의한 CO2 생성을 방지할 수 있다. 또한, 환원전극액으로 알칼리금속탄산염 용액이 사용되는 경우 환원전극액의 pH가 낮아져 포베 다이어그램(Pourbaix diagram)상 보다 작은 과전압이 요구됨에 따라, 소비전력을 낮출 수 있어 광물화 장치의 에너지 효율을 증가시킬 수 있다. 또한, 제1양태와 유사하게, 처리대상가스에 함유된 이산화탄소를 제거함과 동시에 고부가가치의 물질인 2가금속탄산염의 결정화된 광물을 생산할 수 있으며, 환원전극액으로 알칼리금속탄산염 용액이 사용되는 경우에도 이산화탄소 뿐만 아니라 SOx나 NOx등과 같은 다른 산성 가스 또한 제거될 수 있다. 또한, 클로르알칼리 공정이 수소-발생 클로르알칼리 공정인 경우, 이와 함께 수소와 같은 화학 에너지 또한 생산할 수 있으며, 이와 달리 클로르알칼리 공정이 산소-소모 클로르알칼리 공정인 경우 전기 에너지 소모를 크게 절감할 수 있는 장점이 있다.
유리한 일 예에 따른 광물화 장치에 있어, 광물화 장치는 광물화부에서 배출되는 잔류 액상을 공급받아 2가 금속 이온을 제거하여 2가 금속 이온이 제거된 용액을 배출하는 이온제거부; 및 상기 이온제거부에서 배출되는 2가 금속 이온이 제거된 용액을 공급받고 이를 농축하여, 농축된 용액과 농축시 수집된 물을 각각 배출하는 농축부;를 더 포함할 수 있으며, 상기 농축부에서 배출되는 물(수집된 물)과 농축된 용액은 각각 전기분해부로 공급될 수 있다. 이때, 농축부에서 물의 기화에 의한 농축 또는 멤브레인에 의한 농축이 수행될 수 있으며 수집된 물은 멤브레인에 의해 농축된 물이나 기화제거된 물이 액상으로 응축된 물을 포함할 수 있다.
이와 달리, 유리한 일 예에 따른 광물화 장치에 있어, 광물화 장치는 광물화부에서 배출되는 잔류 액상을 공급받아 이를 농축하여, 농축된 용액과 농축시 수집된 물을 각각 배출하는 농축부; 및 농축부에서 배출된 농축 용액을 공급받아 2가 금속 이온을 제거하여 2가 금속 이온이 제거된 농축 용액을 배출하는 이온제거부;를 더 포함할 수 있으며, 농축부에서 배출되는 물과, 농축부와 이온제거부에 의해 2가 금속 이온이 제거된 농축 용액은 각각 전기분해부로 공급될 수 있다.
즉, 유리한 일 예에 따른 광물화 장치는 광물화부에서 배출되는 잔류 액상의 흐름 방향을 기준으로 순차적으로 이온제거부와 농축부를 더 포함하거나, 농축부와 이온제거부를 더 포함함으로써, 잔류 액상에서 2가 금속 이온이 제거되고 농축된 용액을 생성할 수 있다. 이때, 생성된 용액(2가 금속 이온이 제거되고 농축된 용액)은 알칼리금속염화물을 함유하는 용액임에 따라, 전기분해부의 산화전극 측에 염수로써 공급될 수 있으며, 농축시 수집된 물은 전기분해부의 환원전극 측에 공급될 수 있다.
제1양태에서 광물화부에는 2가금속염화물을 함유하는 용액인 추출 용액, 이산화탄소를 포함하는 처리대상 가스 및 분기된 알칼리금속수산화물 용액이 투입되어, 결정화된 고상의 2가금속탄산염과 알칼리금속염화물을 포함하는 잔류 액상이 분리 배출될 수 있다. 이와 달리, 제2양태에서 광물화부에는 2가금속염화물을 함유하는 용액인 추출 용액 및 분기된 알칼리금속탄산염 용액이 투입되어, 결정화된 고상의 2가금속탄산염과 알칼리금속염화물을 포함하는 잔류 액상이 분리 배출될 수 있다.
즉, 제1양태 및 제2양태 모두, 광물화부에서 배출되는 잔류 액상은 알칼리금속염화물을 함유하며, 알칼리금속염화물은 클로르알칼리 공정에 기반한 전기분해부에 원료로 사용될 수 있다.
상세하게, 광물화부에서 배출되는 잔류 액상에 2가 금속 이온이 함유되는 경우, 환원전극액에 2가 금속 이온이 존재할 수 있어 장치 안정성을 저해할 위험이 있다. 이에, 이온제거부를 통해 광물화부에서 배출되는 잔류 액상에 존재하는 2가 금속 이온을 제거할 수 있다. 또한, 잔류 액상은 농축부에 의해 전기분해에 유리한 농도로 농축될 수 있다. 이에, 광물화부에서 배출되는 잔류 액상은 이온제거부와 농축부에 의해 2가 금속 이온이 제거된 농축된 용액으로 전환될 수 있다. 앞서 상술한 바와 같이, 이온제거 후 농축이 수행될 수도 있으며, 농축이 수행된 후 이온제거가 수행되어도 무방하다. 농축부에서는 비농축된 용액의 매질인 물을 기화제거하거나 멤브레인에 의해 비농축된 용액을 농축시켜, 알칼리금속염화물이 농축된 농축 용액이 생성됨과 기화제거된 물이 응축되거나 멤브레인에 의해 액상의 물이 생성될 수 있다.
2가 금속이온이 제거되고 농축된 용액(이하, 고농도 용액)과 물은 각각 전기분해부에 공급될 수 있다. 알려진 바와 같이, 클로르알칼리 공정에서 산화전극측에는 알칼리금속 염화물이 공급되며 환원전극측에는 물이 공급되어야 한다. 농축부와 이온제거부에 의해 생성된 고농도 용액은 알칼리금속 염화물이 농축된 용액임에 따라, 고농도 용액은 전극액으로써 전기분해부의 산화전극 측으로 공급될 수 있으며, 농축부에서 배출되는 물은 전극액으로써 전기분해부의 환원전극 측으로 공급될 수 있다.
일 구체예에 있어, 분기되어 전기분해부의 환원 전극으로 투입되는 분기된 액상(제1양태의 경우 분기된 알칼리금속수산화물 수용액, 제2양태의 경우 분기된 알칼리금속탄산염 수용액)은 농축부에서 생성된 물과 혼합되어 전기분해부의 환원전극으로 공급될 수 있다. 이때, 물은 전기분해부의 환원전극에 공급되는 알칼리금속수산화물 수용액이나 알칼리금속탄산염 수용액의 농도가 일정하게 유지되도록 혼합될 수 있으며, 환원전극에는 일정한 농도의 알칼리금속수산화물 수용액이나 알칼리금속탄산염 수용액이 유입될 수 있다.
일 구체예에 있어, 전기분해부의 산화 전극에서 배출되는 알칼리금속염화물(미반응 알칼리금속염화물 수용액은 저농도 용액이며, 이러한 저농도 용액은 이온제거부와 농축부에 의해 2가 금속이온이 제거되고 농축된 용액(고농도 용액)과 혼합되어, 전기분해부의 산화 전극으로 (재)공급될 수 있다. 이때, 농축부에 의해 생성되는 농축된 용액의 농도는, 저농도 용액과의 혼합시 용액의 농도가 일정하게 유지될 수 있는 농도일 수 있으며, 산화전극에는 일정한 농도의 알칼리금속염화물 수용액이 유입될 수 있다.
유리한 일 예에 따라 이온제거부와 농축부가 더 구비되는 경우, 이산화탄소 광물화 장치는 클로르알칼리 공정에 기반한 전기분해부의 원료 물질(염수, 물)이 장치 내에서 자체 공급될 수 있다. 그러나, 이는 본 발명에 따른 유리한 일 예에 따른 장점에 의한 것으로, 본 발명이 장치 외부에서 알칼리금속 염화물 용액의 공급이나 물의 공급을 완전히 배제하는 것은 아니며, 필요시 적정 수준의 알칼리금속 염화물 용액이나 물이 장치 외부에서 전기분해부로 공급될 수도 있음은 물론이다.
전기분해부의 염수 전기분해 공정은 클로르알칼리 공정에 의한 것일 수 있다. 클로르알칼리 공정은 수소-발생 클로르알칼리 공정 또는 산소-소모 클로르알칼리 공정일 수 있다.
알려진 바와 같이, 수소-발생 클로르알칼리 공정은 물과 알칼리금속의 염화물을 공급받아 알칼리금속염화물을 전기분해하여, 염소;와 알칼리금속수산화물과 수소의 혼합물을 생성하는 공정으로, 본 발명에서 수소-발생 클로르알칼리 공정을 이용한 전기분해부는 수소-발생 클로르알칼리 공정의 전기화학 반응, 즉, 산화전극 :
Figure 112019121753003-pat00001
, 환원전극 :
Figure 112019121753003-pat00002
, 전체반응 :
Figure 112019121753003-pat00003
(M=알칼리금속)의 전기화학반응에 사용되는 알려진 장치나 방법을 사용하면 족하다. 일 구체예에 있어, 수소-발생 클로르알칼리 공정에 의한 전기분해부는 산화전극이 구비되는 산화극실, 환원전극이 구비되는 환원극실, 산화극실과 환원극실을 구획하고 알칼리금속 이온을 투과하는 이온교환막을 포함하며, 산화전극측에는 염수, 구체적으로 알칼리금속 염화물 용액을 포함하는 산화전극액이 공급되며 환원전극측에는 물을 포함하는 환원전극액이 공급되어 알칼리금속 염화물을 전기분해함으로써 수행될 수 있다.
산소-소모 클로르알칼리 공정은 환원전극에 산소-소모 환원전극이 도입된 클로르알칼리 공정이다. 알려진 바와 같이, 산소-소모 환원전극이 도입된 클로르알칼리 공정은, 종래 물과 알칼리금속의 염화물을 공급받아 염소;와 알칼리금속수산화물과 수소;를 생성하는 수소-발생 클로르알칼리 공정과는 달리, 산소를 환원전극측에 공급해 수소 발생을 억제하는 공정이다.
산소-소모 환원전극이 도입된 클로르알칼리 공정(산소-소모 클로르알칼리 공정)은 수소 발생이 억제되며, 산화전극 :
Figure 112019121753003-pat00004
, 환원전극 :
Figure 112019121753003-pat00005
, 전체반응 :
Figure 112019121753003-pat00006
(M=알칼리금속)의 전기화학반응이 발생한다. 반응식과 같이, 산소-소모 클로르알칼리 공정은, 일반적인 수소-발생 클로르알칼리 공정의 H2를 발생시키는 H2O의 전기화학반응을, H2 발생을 억제하는 O2와 H2O의 전기화학반응으로 대체함으로써, 환원전극전위가 상승(약 1.23V)하여 전체 시스템의 작동전압을 낮추어 소비전력을 절감(약 30%에 이르는 절감)할 수 있고, 절감된 소비전력만큼 온실가스 배출 저감에 기여할 수 있다.
산소-소모 클로르알칼리 공정은 산소-소모 환원전극이 도입된 클로르알칼리 공정을 이용하여 염수를 전기분해하는데 사용되는 알려진 장치나 방법을 사용하면 족하다. 일 구체예에 있어, 전기분해부는 산화전극이 구비되는 산화극실, 산소-소모 환원전극이 구비되는 환원극실, 산화극실과 환원극실을 구획하고 알칼리금속 이온을 투과하는 이온교환막을 포함하며, 산화전극측에는 염수, 구체적으로 알칼리금속 염화물 용액을 포함하는 산화전극액이 공급되며 산소-소모 환원전극측에는 물을 포함하는 환원전극액과 함산소 가스가 공급되어 염수의 알칼리금속 염화물을 전기분해함으로써 수행될 수 있다. 산소-소모(소비) 환원전극은 클로르알칼리 공정에서 산소-탈분극 전극으로도 통칭되며, 통상적으로 전기전도성 지지체 및 산소 환원을 위한 촉매 활성 성분(일 예로, 귀금속, 질소-개질된 CNT등)을 갖는 기체 확산층을 포함하는 전극 구조를 가질 수 있다.
일 구체예에 있어, 장치는 필요시, 2가금속 함유 무기폐기물과 물을 공급받아 2가금속 함유 무기폐기물에 함유된 수용성염(일 예로, KCl등)을 제거하는 수용성염제거부를 더 포함할 수 있으며, 수용성염제거부에 의해 수용성염이 제거된 2가금속함유 무기폐기물이 추출부로 공급될 수 있다.
이하, 제시되는 도면에서 장치 외부에서 장치로 공급되는 물질이나 장치에서 최종 생산되는 물질은 이탤릭체로 도시하였으며, 물질의 분자식에 괄호로 같이 도시된 내용은 해당 물질의 상(phase)이나 상태를 나타내는 것으로, (l)은 해당 물질이 액상이나 용액상임을 의미하며, (s)는 해당 물질이 고상임을 의미하며, (g)의 기체상을 의미한다. 또한, 이하 제시되는 도면에서 화살표는 병기된 물질이 공급(이송)되는 경로 및 방향을 나타낸다. 또한, 이하 도면에 도시된 일 예들을 상술함에 있어, 각 부에서 발생하는 반응에 관여하는 물질을 위주로 각 부에 공급되는 물질과 배출되는 물질을 상술하나, 순환되는 알칼리금속수산화물 용액이나 순환되는 알칼리금속탄산염 용액의 순환 경로에 있는 각 부들에 해당 순환 용액이 같이 공급 및/또는 배출됨은 물론이다. 또한, 이하의 도면에서, 광물화 장치가 이온제거부와 농축부를 포함하는 경우, 광물화부에서 배출되는 잔류 액상의 흐름 방향을 기준으로 순차적으로 이온제거부와 농축부가 구비되는 예를 기준하여 도시하나, 농축부가 전단에 구비되고 이온제거부가 후단에 구비될 수 있음은 물론이다. 또한, 이하 제시되는 각 도면에서 서로 동일한 구성요소는 동일 내지 유사한 작용을 함에 따라, 서로 상이한 구성요소에 대해서만 상술한다.
도 1은 제1양태의 일 예에 따른 광물화 장치의 공정도를 도시한 도면으로, 염수 전기분해가 수소-발생 클로르알칼리 공정에 의한 일 예이다.
도 1에 도시한 예와 같이, 광물화 장치는 수소-발생 클로르알칼리 공정에 의해 염수를 전기분해하는 전기분해부(10), 기액분리부(30), 추출부(40) 및 광물화부(20)를 포함할 수 있으며, 좋게는, 이온제거부(50)와 농축부(60)를 더 포함할 수 있다.
전기분해부(10)는 염수, 구체적으로 알칼리금속염화물 수용액을 산화전극의 전극액(산화전극액)으로 공급받고, 환원전극측에는 물을 포함하는 환원전극액을 공급받는다. 제1양태에서, 물을 포함하는 환원전극액은 알칼리금속수산화물 수용액을 의미할 수 있다. 클로르알칼리 공정에 의해 전기분해부의 산화전극에서는 염소가스가 생성되며, 환원전극에서는 알칼리금속수산화물 용액과 수소 가스를 포함하는 혼합물이 생성된다.
전기분해부(10)에서 생성된 혼합물은 기액분리부(30)로 공급되어, 수소 가스를 포함하는 가스상과 알칼리금속수산화물 용액을 포함하는 액상으로 분리 배출된다. 분리 배출된 수소 가스는 그 자체로 화학 에너지임에 따라, 압축 저장되거나 수소 가스를 요구하는 다른 장치로 이송될 수 있다. 기액분리부(30)에서 분리 배출되는 알칼리금속수산화물 용액을 포함하는 액상은 제1분기 액상과 제2분기 액상으로 분기되어, 분기된 액상(제2분기 액상)은, 농축부(60)에서 수집된 물과 혼합되어, 환원전극액으로써 전기분해부(10)의 환원 전극측으로 공급된다.
추출부(40)에서는 장치 외부로부터 염산 수용액과 2가 금속 함유 무기 폐기물을 공급받아 무기 폐기물에서 2가 금속을 추출하여, 2가금속염화물(MdvCl2)을 함유하는 추출 용액을 생성한다.
광물화부(20)는 추출부(40)에서 배출되는 추출 용액, 알칼리금속수산화물 용액을 포함하는 액상이 분기된 제1분기 액상, 및 이산화탄소를 함유하는 처리대상가스(gas)를 공급받아 결정상의 2가금속탄산염(MdvCO3)을 포함하는 고상과, 알칼리금속염화물을 포함하는 액상(잔류 액상)을 생성하고 고액 분리시켜 2가금속탄산염과 잔류 액상을 각각 배출한다. 이때, 광물화부(50)에서는
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(M=알칼리금속, Mdv=2가 금속)의 광물화 반응이 발생할 수 있다. 이때, 이산화탄소가 제거된 처리대상가스는 광물화부(20) 밖으로 벤트(vent)될 수 있음은 물론이다.
광물화부(20)에서 배출된 잔류 액상은 알칼리금속 염화물을 포함하는 수용액임에 따라 염수로 사용 가능하다. 이온제거부(50)는 광물화부(20)에서 배출되는 잔류 액상을 공급받아 잔류 액상 내 함유된 2가 금속 이온을 제거한다. 이때, 이온제거부(50)는 제올라이트, 연수기 등과 같이 2가 금속 이온을 선택적으로 제거하는데 통상적으로 사용되는 물질이나 장치를 포함할 수 있음은 물론이다.
이온제거부(50)에서 배출되는 비농축 용액(2가 금속 이온이 제거된 잔류 액상)은 농축부(60)에 의해 농축될 수 있다. 농축부(60)는 비농축 용액을 가열하여 비농축 용액의 물을 휘발 제거하거나 멤브레인을 통해 비농축 용액을 농축시킬 수 있다. 이때, 농축부(60)가 물의 휘발 제거에 의해 비농축 용액을 농축하는 경우, 시멘트 공장이나 제철소등에서 발생하는 폐열과 같이 장치 외부에서 발생하는 폐열을 이용하여 비농축 용액을 가열하거나, 별도의 가열부재(일 예로, 줄열등)를 이용하여 농축 용액(MCl(l)HC)을 생성할 수 있다. 이때, 농축부(60)는 휘발되는 물을 응축 수집하는 수집부(일 예로, 관)을 포함할 수 있으며, 이에, 농축용액과 별도로 수집된 액상의 물을 배출할 수 있다. 이와 달리 농축부(60)는 역삼투멤브레인등과 같이 물은 통과시키나 이온성 물질은 배제시키는 통상의 멤브레인을 이용하여 비농축 용액을 농축시키고, 농축 용액과 물을 각각 배출할 수 있다.
농축부(60)에서 배출되는 알칼리금속염화물이 고농도로 농축된 농축 용액은 전기분해부(10)의 산화전극 측으로 공급될 수 있으며, 농축부(60)에서 배출되는 물은 상술한 제2분기 액상에 합류되어 환원전극액으로 전기분해부(10)의 환원전극 측으로 공급될 수 있다. 농축부(70)에서 배출되는 물과 제1분기 액상이 혼합되며, 환원전극측에 공급되는 전극액의 농도가 일정하게 유지될 수 있으며, 전기분해부(10)의 환원전극은 일정 농도의 전극액을 지속적으로 공급받을 수 있다.
또한, 도 1에 도시한 일 예와 같이, 전기분해부(10)의 산화전극측에서는 염소 가스가 생성될 수 있으며, 염소 가스와 함께 미반응 알칼리금속염화물에 의한 저농도 알칼리금속염화물 용액(MCl(l)LC)에 배출될 수 있다. 이러한 배출물은 기액분리기(5)에 의해 저농도 알칼리금속염화물 용액(MCl(l)LC)과 염소 가스로 분리될 수 있으며, 분리된 저농도 알칼리금속염화물 용액(MCl(l)LC)은 다시 전기분해부(10)로 공급(농축부에서 배출되는 고농도의 알칼리금속염화 용액과 합류되어 전기분해부의 산화전극으로 공급)될 수 있다. 이때, 분리된 저농도 알칼리금속염화물 용액(MCl(l)LC)은 고농도의 알칼리금속염화물 용액(MCl(l)HC)과 합류되어 일정한 농도의 알칼리금속염화물 용액이 전기분해부의 산화전극측에 지속적으로 공급될 수 있다.
기액분리기(5)에서 분리된 염소 가스는 고부가가치의 생성물임에 따라, 기상 상태로 압축 저장되거나, 다른 고부가가치의 물질, 일 예로, 알칼리금속의 차아염소산염으로 전환될 수 있다.
도면에 도시하지 않았으나, 필요시, 본 발명의 일 실시예에 따른 광물화 장치는 광물화부 후단에 위치하는 가열부를 더 포함할 수 있다. 가열부는, 고액 분리에 의해 광물화부에서 생성된 2가금속탄산염을 공급받아 건조, 구체적으로 탈수 및 건조하여 수분이 제거된 상태인 2가금속탄산염 분말을 제조할 수 있다.
도 1에서 알 수 있듯이, 일 예에 따른 광물화 장치는 염산 수용액, 무기 폐기물(만)을 외부에서 공급하여도 장치의 구동이 가능하며, 폐액을 발생을 최소화할 수 있고, 온실 가스인 이산화탄소를 포함하는 산성 가스가 광물화되어 제거됨과 동시에, 결정화된 2가금속탄산염, 염소나 차아염소산염과 같은 고부가가치의 물질이 제조되는 장점이 있다.
도 2는 제1양태의 일 예에 따른 광물화 장치의 공정도를 도시한 도면으로, 염수 전기분해가 산소-소모 클로르알칼리 공정에 의한 일 예이다.
도 2에 도시한 예와 같이, 광물화 장치는 산소-소모 클로르알칼리 공정에 의해 염수를 전기분해하는 전기분해부(15), 추출부(40) 및 광물화부(20)를 포함할 수 있으며, 도 1을 기반으로 상술한 바와 유사하게, 이온제거부(50)와 농축부(60)를 더 포함할 수 있다.
상술한 바와 같이, 산소-소모 클로르알칼리 공정을 이용하여 염수를 전기분해하는 전기분해부(15)의 환원전극은 산소-소모 환원전극(ODC; oxygen depolarized cathode)이다. 전기분해부(15)는 산화전극측으로 염수를 공급받고 산소-소모 환원전극측으로 물을 포함하는 환원전극액 및 함산소 가스를 공급받아, 산화전극측에서 염소 가스를 배출하고, 산소-소모 환원전극측에서 알칼리금속수산화물 수용액을 배출할 수 있다.
전기분해부(15)에서 배출되는 알칼리금속수산화물 수용액은 제1분기 액상과 제2분기 액상으로 분기되어, 제1분기 액상은 광물화부(20)로, 제2분기 액상은 농축부(60)에서 배출되는 물과 혼합되어, 환원전극액으로써, 산소-소모 환원전극측으로 공급된다.
전기분해부(15)가 산소-소모 클로르알칼리 공정인 경우, 화학에너지인 수소는 생산되지 않으나, 도 1의 수소-발생 클로르알칼리 공정을 이용하는 광물화 장치 대비 전력 소모를 30%에 이르도록 크게 절감할 수 있어, 에너지 절감 이산화탄소 광물화 장치의 구현이 가능하다.
또한, 도 2에 도시한 일 예와 같이, 전기분해부(15)가 산소-소모 클로르알칼리 공정에 의해 염수를 전기분해하는 경우, 산소-소모 환원전극 측에서 수소가 발생하지 않고 알칼리금속수산화물 용액(만)이 생성 및 배출됨에 따라, 도 1과는 달리 기액분리부(30)를 배제할 수 있다. 이때, 도 2에 도시한 일 예와 같이, 알칼리금속수산화물 용액이 분기된 제1분기 액상과 제2분기 액상의 유속이나 유량이 보다 안정적으로 제어될 수 있도록, 광물화 장치는, 필요시, 전기분해부(15)에서 배출되는 알칼리금속수산화물 용액을 저장하는 알칼리금속수산화물 탱크(70)를 더 포함할 수 있으며, 알칼리금속수산화물 탱크(70) 또는 알칼리금속수산화물 탱크(70)의 후단에서 액상의 분기가 이루어질 수 있다.
도 3은 제2양태의 일 예에 따른 광물화 장치의 공정도를 도시한 도면으로, 염수 전기분해가 수소-발생 클로르알칼리 공정에 의한 일 예이다.
도 3의 일 예와 같이, 제2양태에 따른 광물화 장치는 수소-발생 클로르알칼리 공정에 의해 염수를 전기분해하는 전기분해부(10), 기액분리부(30), 이산화탄소 흡수부(80), 추출부(40) 및 광물화부(25)를 포함하며, 이온제거부(50)와 농축부(60)를 더 포함할 수 있다.
제2양태의 일 예에 따른 광물화 장치는 기액분리부(30)에서 분리된 알칼리금속수산화물 용액을 포함하는 액상이 광물화부로 공급되지 않고, 이산화탄소 흡수부(80)로 공급된다.
이산화탄소 흡수부(80)는 기액분리부(30)에서 분리된 액상과, 이산화탄소를 함유하는 산성가스를 포함하는 처리대상가스(gas)를 공급받아, 알칼리금속탄산염 용액을 생성한다. 즉, 이산화탄소 흡수부(80)에서는
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(M=알칼리금속)의 이산화탄소 흡수 반응에 의해, 이산화탄소가 알칼리금속탄산염의 형태로 제거된다. 이산화탄소 흡수 반응과 도 1 및 도 2를 기반으로 상술한 광물화 반응의 반응식에 의해 알 수 있듯이, 처리대상가스 내 이산화탄소의 농도를 고려하고, 기액분리부(30)에서 배출되는 액상 내 알칼리금속수산화물의 농도를 고려하여 각각의 공급 비율을 조절함으로써 이산화탄소 흡수 반응을 발생시킬 수 있다. 이때, 이산화탄소 흡수부(80)에서 생성되는 알칼리금속탄산염 수용액의 pH는 11.0 내지 12.5일 수 있으며, 생성되는 알칼리금속탄산염 수용액의 pH가 11.0 내지 12.5으로 유지되도록 처리대상가스와 액상(기액 분리부에 의해 배출되는 알칼리금속수산화물 용액을 함유하는 액상)의 공급 비율, 공급량, 공급속도등이 제어될 수 있다.
이산화탄소 흡수부(80)에서 생성된 알칼리금속탄산염 수용액은 분기되어 일부(제2분기 용액)는 전기분해부(10)의 환원전극 측에 공급되며, 다른 일부(제1분기 용액)는 광물화부(25)로 공급된다.
제1양태에서 광물화부(20)가 알칼리금속수산화물 용액을 공급받은 것과 달리, 제2양태에서 광물화부(25)는 분기된 알칼리금속탄산염 용액(제1분기 용액)과 추출부(40)에서 배출되는 2가금속염화물(MdvCl2)을 함유하는 추출 용액을 공급받아, 결정화된 2가금속탄산염(MdvCO3)의 광물을 생성하고, 알칼리금속 염화물을 포함하는 잔류 용액을 생성한다. 이에, 제2양태에서, 광물화부(25)에서는
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(M=알칼리 금속, Mdv=2가 금속)의 결정화 반응이 발생한다.
상술한 바와 같이, 제2양태에 따라, 장치 내를 순환하는 환원전극액이 알칼리금속탄산염 용액을 포함하는 경우, 알칼리금속수산화물 용액 대비 낮은 pH를 가져, 전기분해부의 멤브레인의 안정성이 증가되어 기대 수명을 늘일 수 있고, 전기분해 시 보다 낮은 과전압에서 분해 반응이 발생할 수 있다. 또한, 상술한 바와 같이, 이산화탄소 흡수부에서 pH가 11.0 내지 12.5, 좋게는 12 내지 12.5인 알칼리금속탄산염 수용액을 생성함으로써, 알칼리금속중탄산염의 생성을 방지할 수 있어, 전기분해부의 고온 동작시에도 알칼리금속중탄산염의 원치않는 분해에 의한 CO2의 생성을 방지할 수 있고, 전기분해부에 소요되는 에너지를 줄일 수 있다. 또한, 장치 내를 순환하는 환원전극액이 알칼리금속탄산염 용액인 경우, 높은 용해도에 의해 고농도화가 가능하여 다량의 2가금속탄산염 광물을 생산할 수 있다.
도 4는 제2양태의 일 예에 따른 광물화 장치의 공정도를 도시한 도면으로, 염수 전기분해가 산소-소모 클로르알칼리 공정에 의한 일 예이다. 도 4에 도시한 예와 같이, 광물화 장치는 산소-소모 클로르알칼리 공정에 의해 염수를 전기분해하는 전기분해부(15), 이산화탄소 흡수부(80), 추출부(40) 및 광물화부(25)를 포함하며, 이온제거부(50)와 농축부(60)를 더 포함할 수 있다.
전기분해부가 산소-소모 클로르알칼리 공정에 의해 전기분해함에 따라, 전기분해부(15)는 산화전극측으로 염수를 공급받고 산소-소모 환원전극측으로 물을 포함하는 전극액 및 함산소 가스를 공급받아, 산화전극측에서 염소 가스를 배출하고, 산소-소모 환원전극측에서 알칼리금속수산화물 수용액(만)이 생성된다. 이에, 도 3의 일 예와 달리, 기액분리부(30)를 배제할 수 있으며, 산소-소모 환원전극측에서 배출되는 알칼리금속수산화물 수용액을 함유하는 용액이 직접적으로 이산화탄소 흡수부(80)로 공급될 수 있다. 이때, 제2양태는 장치 내 순환되는 환원전극액이 알칼리금속탄산염 용액을 포함함에 따라, 산소-소모 환원전극측으로 공급되는 물을 포함하는 전극액은 알칼리금속탄산염 용액을 포함할 수 있으며, 산소-소모 환원전극측에서 배출되는 액은 알칼리금속탄산염과 전기분해시 생성된 알칼리금속수산화물을 함유하는 용액을 포함은 물론이다.
이산화탄소 흡수부(80)에서 배출되는 알칼리금속탄산염 수용액은 제1분기 액상과 제2분기 액상으로 분기되어, 제1분기 액상은 광물화부(25)로, 제2분기 액상은 농축부(60)에서 생성 배출되는 물과 혼합되어, 환원전극액으로써, 산소-소모 환원전극측으로 공급된다. 이에, 전기분해부(15)와 이산화탄소 흡수부(80) 사이에서 알칼리금속탄산염 수용액의 순환 라인이 형성되어, 산소-소모 클로르알칼리 공정에 의한 전력 절감과 함께 알칼리금속탄산염 수용액을 함유하는 환원전극액에 의한 전력 절감 또한 이루어진다.
도 5는 제1양태의 일 예에 따른 광물화 장치의 공정도를 도시한 도면으로, 염수 전기분해가 산소-소모 클로르알칼리 공정에 의해 이루어지고, 차아염소산염 제조부(90)가 더 구비된 예를 도시한 것이다.
도 5는, 전기분해부(15)의 환원전극 측에서 생성 및 배출되는 알칼리금속 수산화물 용액이 제1분개 용액, 제2분기 용액 및 제3분기 용액으로 분기되어, 제1분기 용액은 광물화부(20)로 공급되어 이산화탄소의 광물화에 사용되고, 제2분기 용액은 전기분해부(15)의 환원전극 측으로 순환되고, 제3분기 용액은 차아염소산염 제조부(90)로 공급되는 예이다.
차아염소산염 제조부(90)는 전기분해부(15)의 산화전극 측에서 생성 및 배출되고 기액분리기(5)에 의해 잔류 알칼리금속염화물 수용액과 분리된 염소 가스를 공급받고, 분기된 알칼리금속수산화물 수용액을 공급받아, 알칼리금속 차아염소산염 수용액을 제조할 수 있다. 그러나, 도 5의 일 예와 달리 알칼리금속 수산화물이 장치 외부에서 차아염소산염 제조부로 공급될 수도 있음은 물론이다.
도 6은 제2양태의 일 예에 따른 광물화 장치의 공정도를 도시한 도면으로, 염수 전기분해가 산소-소모 클로르알칼리 공정에 의해 이루어지고, 차아염소산염 제조부(90)가 더 구비된 예를 도시한 것이다. 도 6에 도시된 예와 같이, 알칼리금속탄산염 용액이 순환되는 경우, 차아염소산염 제조부(70)는 전기분해부(15)의 산화전극 측에서 생성 및 배출되고 기액분리기(5)에 의해 잔류 알칼리금속염화물 수용액과 분리된 염소 가스를 공급받고, 장치 외부에서 공급되는 알칼리금속수산화물을 공급받아 알칼리금속 차아염소산염을 제조할 수 있다.
본 발명은 상술한 장치를 이용한 이산화탄소 광물화 방법을 포함한다. 이에, 이산화탄소 광물화 방법은 광물화 장치를 기반으로 상술한 모든 내용을 포함한다.
본 발명의 제1양태에 따른 이산화탄소 광물화 방법은 염수를 전기분해하여 염소 가스와 알칼리금속수산화물 수용액을 생성하는 전기분해 단계; 상기 전기분해 단계와 독립적으로 염산 수용액과 2가금속 함유 무기폐기물을 반응시켜 2가금속염화물을 포함하는 추출 용액을 생성하는 2가금속 추출단계; 상기 알칼리금속수산화물 수용액이 분기된 제1분기 액상과 제2분기 액상 중 제1분기 액상, 이산화탄소를 포함하는 처리대상가스 및 추출용액을 반응시켜, 결정화된 2가금속탄산염을 포함하는 고상과 알칼리금속 염화물을 함유하는 잔류 액상을 생성하는 광물화단계;를 포함하며, 상기 제2분기 액상은 상기 전기분해 단계의 환원전극의 전극액으로 공급된다. 이때, 전기분해 단계는 상술한 제1양태에 따른 장치의 전기분해부에서, 광물화 단계는 상술한 제1양태에 따른 장치의 광물화부에서, 추출단계는 상술한 제1양태에 따른 장치의 추출부에서 수행될 수 있다.
본 발명의 제2양태에 따른 이산화탄소 광물화 방법은 염수를 전기분해하여 염소 가스와 알칼리금속수산화물 수용액을 생성하는 전기분해 단계; 전기분해 단계에서 생성된 알칼리금속수산화물 수용액과 이산화탄소를 포함하는 제1처리대상가스를 공급받아 알칼리금속탄산염 수용액을 생성하는 이산화탄소 흡수단계; 상기 전기분해 단계 및 상기 이산화탄소 흡수단계와 독립적으로 염산 수용액과 2가금속 함유 무기폐기물을 반응시켜 2가금속염화물을 포함하는 추출 용액을 생성하는 2가금속 추출단계; 및 상기 이산화탄소 흡수 단계의 알칼리금속탄산염 수용액이 분기된 제1분기 액상과 제2분기 액상 중 제1분기 액상 및 상기 2가금속 추출단계의 추출 용액을 반응시켜 결정화된 2가금속탄산염을 포함하는 고상과 알칼리금속 염화물을 함유하는 잔류 액상을 생성하는 광물화단계;를 포함하며, 상기 제2분기 액상은 상기 전기분해 단계의 환원전극의 전극액으로 공급된다. 이때, 전기분해 단계는 상술한 제2양태에 따른 장치의 전기분해부에서, 이산화탄소 흡수 단계는 상술한 제2양태에 따른 장치의 이산화탄소 흡수부에서, 광물화 단계는 상술한 제2양태에 따른 장치의 광물화부에서, 2가금속 추출단계는 상술한 제2양태에 따른 장치의 추출부에서 수행될 수 있다.
본 발명의 제2양태에 따른 일 구체예에 있어, 이산화탄소 흡수단계에서 생성되는 알칼리금속탄산염 수용액의 pH는 11.0 내지 12.5, 구체적으로 pH12-12.5일 수 있다.
일 구체예에 있어, 이산화탄소 광물화 방법은 상기 광물화 단계에서 배출되는 잔류 액상에서 2가 금속 이온을 제거하는 2가 이온 제거단계; 및 상기 2가 이온 제거 단계에서 생성된 2가 금속 이온이 제거된 용액을 농축하여 농축된 용액을 생성하고 농축시수집된 물을 생성하는 농축 단계;를 더 포함할 수 있다.
다른 일 구체예에 있어, 이산화탄소 광물화 방법은 상기 광물화 단계에서 배출되는 잔류 액상을 공급받아 농축된 용액을 생성하고 농축시 수집된 물을 생성하는 농축 단계; 및 상기 농축된 용액을 공급받아 2가 금속 이온을 제거하는 2가 이온 제거 단계;를 더 포함할 수 있다.
상술한 2가 이온제거단계 및 농축 단계에서 생성된 2가 금속 이온이 제거된 농축된 용액과 농축 단계에서 수집된 물은 각각 상기 전기분해 단계에 공급될 수 있다. 구체적으로, 2가 금속 이온이 제거된 농축된 용액은 클로르 알칼리 공정의 산화전극측에 공급될 수 있으며, 수집된 물은 클로르 알칼리 공정의 환원전극측에 공급될 수 있다. 이때, 농축 단계에서의 농축은 물의 기화에 의한 농축이나 멤브레인에 의한 농축일 수 있다.
본 발명(제1양태 또는 제2양태)의 일 구체예에 따라, 전기분해 단계가 수소-발생 클로르알칼리 공정에 의해 수행되는 경우, 전기분해시 산화전극측으로 염수를 공급받고 환원전극측으로 물을 포함하는 전극액(환원전극액)을 공급받아 염수를 전기분해하여, 산화전극측에서 염소 가스가 생성되며, 환원전극측에서 알칼리금속수산화물 용액과 수소 가스를 포함하는 혼합물이 생성될 수 있다. 이에, 전기분해 단계가 수소-발생 클로르알칼리 공정에 의해 수행되는 경우, 전기분해 단계 직후, 환원전극측에서 생성된 혼합물을 수소 가스를 포함하는 기상과 알칼리금속수산화물 수용액을 포함하는 액상으로 기액분리하는 단계가 더 수행될 수 있다. 기액분리에 의해 분리된 알칼리금속수산화물 용액 함유 액상이 제1분기 액상과 제2분기 액상으로 분기되며, 제2분기 액상은 상기 농축단계에서 수집된 물과 혼합되어 상기 전기분해 단계의 환원전극 측으로 공급될 수 있다. 이때, 제1양태에서 환원전극측에 공급되는 환원전극액은 알칼리금속수산화물 용액을 포함할 수 있고, 제2양태에서 환원전극측에 공급되는 환원전극액은 알칼리금속탄산염 용액을 포함할 수 있다.
본 발명(제1양태 또는 제2양태)의 일 구체예에 따라, 전기분해 단계가 산소-소모 클로르알칼리 공정에 의해 수행되는 경우, 전기분해시 산화전극측으로 염수를 공급받고 산소-소모 환원전극측으로 물을 포함하는 환원전극액 및 함산소 가스를 공급받아 염수를 전기분해하여, 산화전극측에서 염소 가스가 생성되고, 산소-소모 환원전극측에서 알칼리금속수산화물 수용액이 생성될 수 있다. 산소-소모 환원전극측에서 생성 및 배출되는 알칼리금속수산화물 용액 함유 액상은 제1분기 액상과 제2분기 액상으로 분기되며, 제2분기 액상은 상기 농축단계에서 수집된 물과 혼합되어 상기 전기분해 단계의 산소-소모 환원전극 측으로 공급될 수 있다.
일 구체예에 있어, 전기분해 단계의 산소-소모 클로르알칼리 공정 또는 수소-발생 클로르알칼리 공정에서, 산화전극 측에서 생성되는 염소가스와 잔류 알칼리금속염화물 용액은 기액분리되어, 염소 가스는 압축 저장되거나 차아염소산염 제조에 사용될 수 있으며, 잔류 알칼리금속염화물 용액은 전기분해 단계에 재사용될 수 있다. 이때, 잔류 알칼리금속염화물 용액은 이온제거단계와 농축단계에서 생성된 2가 금속이온이 제거된 농축된 용액과 혼합되어 클로르알칼리 공정의 산화전극액으로 공급될 수 있다.
일 구체예에 있어, 전기분해 단계에서 생성된 염소와, 전기분해 단계에서 생성된 알칼리금속수산화물 수용액의 일부 또는 외부에서 공급되는 알칼리금속수산화물 수용액을 반응시켜 알칼리금속 차아염소산염을 생성하는 차아염소산염 제조단계;를 더 포함할 수 있다. 이때, 차아염소산염 제조단계는 상술한 장치에서 차아염소산염 제조부에서 수행될 수 있다.
일 구체예에 있어, 광물화 단계에서 생성된 결정화된 광물인 2가금속탄산염을 건조하여 2가금속탄산염 분말을 생성하는 가열 단계를 더 포함할 수 있다.
일 구체예에 있어, 분기되어 전기분해부의 환원 전극으로 투입되는 분기된 액상(제1양태의 경우 분기된 알칼리금속수산화물 수용액, 제2양태의 경우 분기된 알칼리금속탄산염 수용액)은 농축 단계에서 생성된 물과 혼합되어 전기분해 단계의 환원전극으로 공급될 수 있다. 이때, 물은 전기분해 단계의 환원전극에 공급되는 알칼리금속수산화물 수용액이나 알칼리금속탄산염 수용액의 농도가 일정하게 유지되도록 혼합될 수 있으며, 환원전극에는 일정한 농도의 알칼리금속수산화물 수용액이나 알칼리금속탄산염 수용액이 지속적으로 유입될 수 있다.
일 구체예에 있어, 전기분해 단계의 산화 전극에서 배출되는 알칼리금속염화물(미반응 알칼리금속염화물 수용액은 저농도 용액이며, 이러한 저농도 용액은 이온제거 단계와 농축 단계에 의해 2가 금속이온이 제거되고 농축된 용액(고농도 용액)과 혼합되어, 전기분해 단계의 산화 전극으로 (재)공급될 수 있다. 이때, 농축 단계에 의해 생성되는 농축된 용액의 농도는, 저농도 용액과의 혼합시 용액의 농도가 일정하게 유지될 수 있는 농도일 수 있으며, 산화전극에는 일정한 농도의 알칼리금속염화물 수용액이 지속적 유입될 수 있다.
일 구체예에 있어, 이산화탄소 광물화 방법은 필요시, 2가금속 함유 무기폐기물과 물을 혼합하여 2가금속 함유 무기폐기물에 함유된 수용성염(일 예로, KCl등)을 제거하는 수용성염제거단계;를 더 포함할 수 있으며, 수용성염제거단계에 의해 수용성염이 제거된 2가금속함유 무기폐기물이 추출 단계로 공급될 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 광물화 장치 및 방법은 온실가스인 이산화탄소를 포함하는 산성가스를 제거함과 동시에, 2가금속탄산염의 고부가가치 물질과 함께, 염소나 차아염소산염, 수소 등의 고부가가치 물질이 생성되는 장점이 있다. 또한, 산소-소모 클로르알칼리 공정에 의한 염수의 전기분해 및 알칼리금속탄산염을 함유하는 환원전극액에 의해, 장치 구동에 소요되는 전력을 크게 절감시킬 수 있으며, 폐액의 발생을 최소화할 수 있는 장점이 있다. 또한, 환원전극액이 알칼리금속탄산염 용액을 함유하는 경우, 고농도화가 가능하고 상대적으로 낮은 pH를 가질 수 있어, 보다 대량의 광물(2가금속탄산염)을 수득할 수 있으며 장치의 에너지 효율을 보다 향상시킬 수 있고, 이산화탄소 뿐만 아니라 황산화물이나 질소산화물등과 같은 다른 산성 가스 또한 제거될 수 있으며, 이온교환막의 안정성이 높아져 장기간 장치의 구동이 가능한 장점이 있다.
이상과 같이 본 발명에서는 특정된 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

Claims (16)

  1. 삭제
  2. 염수를 전기분해하여 염소 가스와 알칼리금속수산화물 수용액을 생성 배출하는 전기분해부;
    상기 전기분해부에서 배출되는 알칼리금속수산화물 수용액과 이산화탄소를 포함하는 제1처리대상가스를 공급받아 알칼리금속탄산염 수용액을 배출하는 이산화탄소 흡수부;
    염산 수용액과 2가금속 함유 무기폐기물을 공급받아 2가금속염화물을 포함하는 추출 용액을 배출하는 추출부;
    상기 이산화탄소 흡수부에서 배출되는 알칼리금속탄산염 수용액이 분기된 제1분기 액상과 제2분기 액상 중, 제1분기 액상 및 상기 추출부에서 배출되는 추출 용액을 공급받아 결정상의 2가금속탄산염을 생성하고 고액 분리에 의해 결정화된 2가금속탄산염을 포함하는 고상과 알칼리금속 염화물을 함유하는 잔류 액상을 배출하는 광물화부;를 포함하며,
    상기 제2분기 액상이 상기 전기분해부의 환원전극의 전극액으로 공급되어 알칼리금속 탄산염이 순환되는 이산화탄소 광물화 장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 이산화탄소 흡수부에서 배출되는 알칼리금속탄산염 수용액의 pH는 11.0 내지 12.5인 이산화탄소 광물화 장치.
  4. 제 2항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광물화 장치는 상기 광물화부에서 배출되는 잔류 액상을 공급받아 2가 금속 이온을 제거하여 2가 금속 이온이 제거된 용액을 배출하는 이온제거부; 및
    상기 이온제거부에서 배출되는 2가 금속 이온이 제거된 용액을 공급받고 이를 농축하여, 농축된 용액과 농축시 수집된 물을 각각 배출하는 농축부;를 더 포함하거나,
    상기 광물화부에서 배출되는 잔류 액상을 공급받고 이를 농축하여, 농축된 용액과 농축시 수집된 물을 각각 배출하는 농축부; 및
    상기 농축부에서 배출된 농축 용액을 공급받아 2가 금속 이온을 제거하여 2가 금속 이온이 제거된 농축 용액을 배출하는 이온제거부;를 더 포함하며,
    상기 농축부에서 배출되는 물과, 농축부와 이온제거부에 의해 2가 금속 이온이 제거된 농축 용액은 각각 전기분해부로 공급되는 이산화탄소 광물화 장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 전기분해부는 산화전극측으로 염수를 공급받고 환원전극측으로 물을 포함하는 전극액을 공급받아 산화전극측에서 염소 가스를 배출하고, 환원전극측에서 알칼리금속수산화물 수용액과 수소 가스를 포함하는 혼합물을 배출하며, 상기 혼합물을 기상과 액상으로 분리 배출하는 기액분리부에 의해 배출된 액상이 분기되고, 상기 제2분기 액상은 상기 농축부에서 배출되는 물과 혼합되어 상기 환원전극측으로 공급되는 이산화탄소 광물화 장치.
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 전기분해부의 환원전극은 산소-소모 환원전극(ODC; oxygen depolarized cathode)이며, 상기 전기분해부는 산화전극측으로 염수를 공급받고 산소-소모 환원전극측으로 물을 포함하는 전극액 및 함산소 가스를 공급받아, 산화전극측에서 염소 가스를 배출하고, 산소-소모 환원전극측에서 알칼리금속수산화물 수용액을 배출하며, 상기 제2분기 액상은 상기 농축부에서 배출되는 물과 혼합되어 상기 환원전극측으로 공급되는 이산화탄소 광물화 장치.
  7. 제 4항에 있어서,
    상기 이산화탄소 광물화 장치는 상기 전기분해부의 산화전극측에서 배출되는 잔류 알칼리염화물 수용액과 염소 가스를 포함하는 혼합물을 공급받아 염소 가스의 기상과 잔류 알칼리염화물 수용액의 액상을 분리 배출하는 기액분리기를 더 포함하며, 상기 기액분리기에서 배출되는 잔류 알칼리염화물 수용액은 상기 2가 금속 이온이 제거된 농축 용액과 혼합되어 상기 전기분해부의 산화전극의 전극액으로 재공급되는 이산화탄소 광물화 장치.
  8. 제 2항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    이산화탄소 광물화 장치는 차아염소산염 제조부를 더 포함하며,
    상기 차아염소산염 제조부는, 상기 전기분해부에서 생성 배출되는 염소 가스와, 상기 전기분해부에서 생성 배출되는 알칼리금속수산화물 수용액의 일부나 장치 외부에서 공급되는 알칼리금속수산화물을 공급받아 알칼리금속 차아염소산염을 생성하는 이산화탄소 광물화 장치.
  9. 삭제
  10. 염수를 전기분해하여 염소 가스와 알칼리금속수산화물 수용액을 생성하는 전기분해 단계;
    전기분해 단계에서 생성된 알칼리금속수산화물 수용액과 이산화탄소를 포함하는 제1처리대상가스를 공급받아 알칼리금속탄산염 수용액을 생성하는 이산화탄소 흡수단계;
    상기 전기분해 단계 및 상기 이산화탄소 흡수단계와 독립적으로 염산 수용액과 2가금속 함유 무기폐기물을 반응시켜 2가금속염화물을 포함하는 추출 용액을 생성하는 2가금속 추출단계; 및
    상기 이산화탄소 흡수 단계의 알칼리금속탄산염 수용액이 분기된 제1분기 액상과 제2분기 액상 중 제1분기 액상 및 상기 2가금속 추출단계의 추출 용액을 반응시켜 결정화된 2가금속탄산염을 포함하는 고상과 알칼리금속 염화물을 함유하는 잔류 액상을 생성하는 광물화단계;
    를 포함하며, 상기 제2분기 액상은 상기 전기분해 단계의 환원전극의 전극액으로 공급되어 알칼리금속탄산염이 순환되는 이산화탄소 광물화 방법.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 이산화탄소 흡수단계에서 생성되는 알칼리금속탄산염 수용액의 pH는 11.0 내지 12.5인 이산화탄소 광물화 방법.
  12. 제 10항 내지 제 11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광물화 방법은,
    상기 광물화단계에서 생성된 잔류 액상에서 2가 금속 이온을 제거하여 2가 금속 이온이 제거된 용액을 생성하는 이온제거단계; 및 상기 2가 금속 이온이 제거된 용액을 농축하여 2가 금속 이온이 제거된 농축된 용액을 생성하고 농축시 수집된 물을 생성하는 농축단계;를 더 포함하거나,
    상기 광물화단계에서 생성된 잔류 액상을 공급받아 농축된 용액을 생성하고 농축시 수집된 물을 생성하는 농축단계; 및 상기 농축된 용액을 공급받아 2가 금속 이온을 제거하여 2가 금속 이온이 제거된 농축된 용액을 생성하는 이온제거단계;를 더 포함하며,
    상기 농축단계에서 수집된 물과, 상기 농축 단계와 이온제거 단계에 의한 2가 금속 이온이 제거된 농축된 용액은 각각 상기 전기분해 단계에 공급되는 이산화탄소 광물화 방법.
  13. ◈청구항 13은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    제 12항에 있어서,
    상기 전기분해 단계는, 산화전극측으로 염수를 공급받고 환원전극측으로 물을 포함하는 전극액을 공급받아 염수를 전기분해하여, 산화전극측에서 염소 가스를 생성 배출하고, 환원전극측에서 알칼리금속수산화물 수용액과 수소 가스를 포함하는 혼합물을 생성 배출하며, 상기 혼합물의 기상 분리에 의해 분리된 액상이 제1분기 액상과 제2분기 액상으로 분기되며, 상기 제2분기 액상은 상기 농축단계에서 수집된 물과 혼합되어 상기 전기분해 단계의 환원전극 측으로 공급되는 이산화탄소 광물화 방법.
  14. ◈청구항 14은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    제 12항에 있어서,
    상기 전기분해 단계에서, 염수의 전기분해는 산소-소모 환원전극을 이용한 것이며, 상기 전기분해 단계는, 산화전극측으로 염수를 공급받고 환원전극측으로 물을 포함하는 전극액 및 함산소 가스를 공급받아 염수를 전기분해하여, 산화전극측에서 염소 가스를 배출하고, 환원전극측에서 알칼리금속수산화물 수용액을 배출하며, 상기 제2분기 액상은 상기 농축단계에서 수집된 물과 혼합되어 상기 전기분해 단계의 환원전극 측으로 공급되는 이산화탄소 광물화 방법.
  15. ◈청구항 15은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    제 12항에 있어서,
    상기 전기분해 단계에서 생성된 염소와 잔류 알칼리염화물 수용액의 혼합물은 기액 분리에 의해 분리되어, 분리된 잔류 알칼리염화물 수용액은 상기 2가 금속 이온이 제거된 농축된 용액과 혼합되어 상기 전기분해단계의 산화전극 측으로 공급되는 이산화탄소 광물화 방법.
  16. ◈청구항 16은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    제 12항에 있어서,
    상기 광물화 방법은 전기분해단계에서 생성되는 염소 가스와, 상기 전기분해단계에서 생성 배출되는 알칼리금속수산화물 수용액의 일부나 외부에서 공급되는 알칼리금속수산화물을 공급받아 알칼리금속 차아염소산염을 생성하는 차아염소산염제조단계;를 더 포함하는 이산화탄소 광물화 방법.
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