KR102465326B1 - Apparatus for producing ammonia using nitrogen monoixde - Google Patents

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천선정
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Abstract

일산화질소를 이용한 암모니아 제조 장치에 대한 것으로, 저농도의 일산화질소 가스를 흡수액을 통해 용액화하는 일산화질소 흡수 반응부; 흡수액 내 용해된 액상의 일산화질소를 가열 및 감압을 통해 가스 상으로 탈리하는 일산화질소 분리 반응부; 및 일산화질소 분리 반응부를 통해 분리된 일산화질소 가스를 암모니아로 전환하는 암모니아 전환셀;을 포함하고, 암모니아 전환셀은, 캐소드; 애노드 및 이들 사이에 위치하는 이온교환막을 포함하고, 캐소드 일면에는 캐소드 촉매층이 위치되고, 캐소드 촉매층 내 촉매에 의해 일산화질소 가스가 암모니아로 전환되는 것인 일산화질소를 이용한 암모니아 제조 장치를 제공할 수 있다.An apparatus for producing ammonia using nitrogen monoxide, comprising: a nitrogen monoxide absorption reaction unit for converting a low-concentration nitrogen monoxide gas into a solution through an absorption liquid; a nitrogen monoxide separation reaction unit for desorbing liquid nitrogen monoxide dissolved in the absorption liquid into a gas phase through heating and reduced pressure; and an ammonia conversion cell for converting the nitrogen monoxide gas separated through the nitrogen monoxide separation reaction unit into ammonia; It includes an anode and an ion exchange membrane positioned between them, and a cathode catalyst layer is positioned on one surface of the cathode, and nitrogen monoxide gas is converted into ammonia by a catalyst in the cathode catalyst layer. An apparatus for producing ammonia using nitrogen monoxide can be provided. .

Description

일산화질소를 이용한 암모니아 제조 장치 {APPARATUS FOR PRODUCING AMMONIA USING NITROGEN MONOIXDE}Ammonia manufacturing apparatus using nitrogen monoxide {APPARATUS FOR PRODUCING AMMONIA USING NITROGEN MONOIXDE}

배기가스 내 일산화질소를 이용한 암모니아 제조 장치에 대한 것이다. It relates to an ammonia production apparatus using nitrogen monoxide in exhaust gas.

질소산화물을 함유하는 배기 가스는 차량 및 각종 공장에서 다량으로 배출되어, 다양한 해를 초래하고 있다. Exhaust gases containing nitrogen oxides are emitted in large amounts from vehicles and various factories, causing various harms.

특히, 최근에는, 미세 먼지 문제와 함께 전세계적으로 각종 배기 가스 내 질소 산화물을 제어하는 규제가 엄격하게 적용 중이다. In particular, recently, regulations for controlling nitrogen oxides in various exhaust gases are being strictly applied worldwide along with the problem of fine dust.

따라서, 질소 산화물을 무해화하는 기술에 대해서 여러 가지의 연구, 개발이 이루어지고 있다. Accordingly, various researches and developments have been made on techniques for detoxifying nitrogen oxides.

이에 본 발명자는 문제가 되는 질소 산화물을 산업 원료로 사용하는 방법을 제안하고자 한다. Accordingly, the present inventors intend to propose a method of using nitrogen oxide, which is a problem, as an industrial raw material.

환경적으로 문제가 있는 질소 산화물을 산업 원료인 암모니아로 전환할 수 있는 방법을 제안하고자 한다. We would like to propose a method for converting environmentally problematic nitrogen oxides into ammonia, an industrial raw material.

본 발명의 일 구현예에 따른 일산화질소를 이용한 암모니아 제조 장치는, 저농도의 일산화질소 가스를 흡수액을 통해 용액화하는 일산화질소 흡수 반응부; 흡수액 내 용해된 액상의 일산화질소를 가열 및 감압을 통해 가스 상으로 탈리하는 일산화질소 분리 반응부; 및 일산화질소 분리 반응부를 통해 분리된 일산화질소 가스를 암모니아로 전환하는 암모니아 전환셀;을 포함할 수 있다. An apparatus for manufacturing ammonia using nitrogen monoxide according to an embodiment of the present invention includes: a nitrogen monoxide absorption reaction unit for converting a low-concentration nitrogen monoxide gas into a solution through an absorption liquid; a nitrogen monoxide separation reaction unit for desorbing liquid nitrogen monoxide dissolved in the absorption liquid into a gas phase through heating and reduced pressure; and an ammonia conversion cell converting the nitrogen monoxide gas separated through the nitrogen monoxide separation reaction unit into ammonia.

또한, 암모니아 전환셀은, 캐소드; 애노드 및 이들 사이에 위치하는 이온교환막을 포함하고, 캐소드 일면에는 캐소드 촉매층이 위치되고, 캐소드 촉매층 내 촉매에 의해 일산화질소 가스가 암모니아로 전환될 수 있다. In addition, the ammonia conversion cell, the cathode; It includes an anode and an ion exchange membrane positioned therebetween, a cathode catalyst layer is positioned on one surface of the cathode, and nitrogen monoxide gas can be converted into ammonia by a catalyst in the cathode catalyst layer.

저농도의 일산화질소 가스를 흡수액을 통해 용액화하는 일산화질소 흡수 반응부;에서, 흡수액은 Fe(II)EDTA 등과 같은 철 킬레이트를 포함할 수 있다. In the nitrogen monoxide absorption reaction unit for converting low-concentration nitrogen monoxide gas into a solution through the absorption liquid, the absorption liquid may include an iron chelate such as Fe(II)EDTA.

저농도의 일산화질소 가스를 흡수액을 통해 용액화하는 일산화질소 흡수 반응부; 내 반응은 하기 반응식 1을 통해 이루어질 수 있다. a nitrogen monoxide absorption reaction unit for converting low-concentration nitrogen monoxide gas into a solution through an absorption liquid; My reaction can be made through Scheme 1 below.

[반응식 1][Scheme 1]

Fe(II)(EDTA) (aq) + (NO) (g) -> Fe(II)(EDTA)(NO) (aq) Fe(II)(EDTA) (aq) + (NO) (g) -> Fe(II)(EDTA)(NO) (aq)

일산화질소 분리 반응부를 통해 분리된 일산화질소 가스를 암모니아로 전환하는 암모니아 전환셀;에서, 일산화질소는 하기 반응식 2를 통해 암모늄 이온으로 전환될 수 있다. In the ammonia conversion cell for converting the nitrogen monoxide gas separated through the nitrogen monoxide separation reaction unit into ammonia; in, the nitrogen monoxide may be converted into ammonium ions through the following Reaction Equation 2.

[반응식 2][Scheme 2]

NO + 6H+ 5e- -> NH4 + + H2O NO + 6H + 5e - -> NH 4 + + H 2 O

일산화질소 분리 반응부를 통해 분리된 일산화질소 가스를 암모니아로 전환하는 암모니아 전환셀;에서, 애노드 전극은 하기 반응식 3의 산화 반응이 일어날 수 있다. An ammonia conversion cell for converting the nitrogen monoxide gas separated through the nitrogen monoxide separation reaction unit into ammonia; in the anode electrode, the oxidation reaction of Reaction Formula 3 may occur.

[반응식 3][Scheme 3]

H2O -> ½O2 + 2H+ + 2e- H 2 O -> ½O 2 + 2H + + 2e -

일산화질소 분리 반응부를 통해 분리된 일산화질소 가스를 암모니아로 전환하는 암모니아 전환셀;에서, 인가 전압을 조절하여, 아산화질소(N2O), 질소(N2), 및 하이드록실아민(NH2OH) 중 어느 하나를 선택적으로 제조할 수 있다. In an ammonia conversion cell that converts the nitrogen monoxide gas separated through the nitrogen monoxide separation reaction unit into ammonia; in, by controlling the applied voltage, nitrous oxide (N 2 O), nitrogen (N 2 ), and hydroxylamine (NH 2 OH) ) can be selectively prepared in any one of.

일산화질소 흡수 반응부에는 일산화질소 가스 공급용 버블러가 설치될 수 있다. A bubbler for supplying nitrogen monoxide gas may be installed in the nitrogen monoxide absorption reaction unit.

버블러는 흡수액 속에 일산화질소 가스를 기포 형태로 통과시키는 것일 수 있다. The bubbler may be to pass nitrogen monoxide gas in the form of bubbles in the absorption liquid.

일산화질소 분리 반응부에는 액상의 일산화질소를 기화시키기 위한 흡수액 가열기가 설치되는 것일 수 있다. An absorption liquid heater for vaporizing liquid nitrogen monoxide may be installed in the nitrogen monoxide separation reaction unit.

일산화질소 분리 반응부에는 일산화질소 분리 반응부의 내부 압력을 설정 압력 이하로 감압하기 위한 진공 펌프가 설치되는 것일 수 있다. A vacuum pump for reducing the internal pressure of the nitrogen monoxide separation reaction unit to a set pressure or less may be installed in the nitrogen monoxide separation reaction unit.

흡수액 가열기와 진공 펌프 사이에는 흡수액의 수증기를 냉각시키기 위한 수증기 냉각탑이 설치되는 것일 수 있다. A water vapor cooling tower for cooling the water vapor of the absorbent liquid may be installed between the absorbent liquid heater and the vacuum pump.

수증기 냉각탑의 배관은 지그재그 형태를 갖는 것일 수 있다. The pipe of the steam cooling tower may have a zigzag shape.

환경적으로 문제가 있는 질소 산화물을 산업 원료인 암모니아로 전환할 수 있다. The environmentally problematic nitrogen oxides can be converted into ammonia, an industrial raw material.

도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 암모니아 생산 장치에 대한 개략적인 구성도이다.
도 2는 일산화질소 분리 반응기의 흡수액에 녹아 있는 일산화질소 농도를 시간에 따라 측정한 결과이다.
도 3은 암모니아 전환셀에서 일산화질소의 농도에 따라 일정전위법을 수행한 결과이다.
도 4는 일산화질소 농도에 따른 효율 평가 결과이다.
도 5는 인가 전압에 따른 반응물의 선택성을 확인한 결과이다. 1 is a schematic configuration diagram of an ammonia production apparatus according to an embodiment of the present invention.
2 is a result of measuring the concentration of nitrogen monoxide dissolved in the absorption liquid of the nitrogen monoxide separation reactor over time.
3 is a result of performing a constant potential method according to the concentration of nitrogen monoxide in the ammonia conversion cell.
4 is an efficiency evaluation result according to the concentration of nitrogen monoxide.
5 is a result of confirming the selectivity of the reactant according to the applied voltage.

이하, 본 발명의 구현예를 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은 후술할 청구범위의 범주에 의해 정의될 뿐이다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail. However, this is provided as an example, and the present invention is not limited thereto, and the present invention is only defined by the scope of the claims to be described later.

도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 암모니아 생산 장치에 대한 개략적인 구성도이다. 1 is a schematic configuration diagram of an ammonia production apparatus according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 일 구현예에 따른 암모니아 생산 장치는, 크게 일산화질소 흡수 반응기(10), 일산화질소 분리 반응기(20), 및 암모니아 전환셀(30)을 포함할 수 있다. The ammonia production apparatus according to an embodiment of the present invention may include a nitrogen monoxide absorption reactor 10 , a nitrogen monoxide separation reactor 20 , and an ammonia conversion cell 30 .

일산화질소 흡수 반응기(10)는, 저농도의 일산화질소 가스를 흡수액을 통해 용액화할 수 있다. The nitrogen monoxide absorption reactor 10 may solution the low concentration nitrogen monoxide gas through the absorption liquid.

여기서, 흡수액은 Fe(II)EDTA 등과 같은 철 킬레이트를 포함할 수 있다.Here, the absorbent liquid may include an iron chelate such as Fe(II)EDTA.

일산화질소 흡수 반응기(10)에서는, 흡수액(11)을 이용해 배기가스 내 함유된 저농도의 일산화질소 가스를 선택적으로 흡수할 수 있다. 이를 통해 질소 산화물의 다른 형태, 기타 배기 가스 불순물을 효과적으로 제어할 수 있다.In the nitrogen monoxide absorption reactor 10 , the low concentration nitrogen monoxide gas contained in the exhaust gas can be selectively absorbed using the absorption liquid 11 . This allows effective control of other forms of nitrogen oxides and other exhaust gas impurities.

여기서, 일산화질소의 저농도라 함은 배기가스에 100~500ppm의 일산화질소 가스가 함유된 상태를 가리킬 수 있다. Here, the low concentration of nitrogen monoxide may refer to a state in which 100 to 500 ppm of nitrogen monoxide gas is contained in the exhaust gas.

즉, 일산화질소 흡수 반응기(10)에서 흡수액(11)은 배기가스 내 함유된 저농도의 일산화질소 가스와만 선택적으로 반응하여 일산화질소 가스를 액상의 일산화질소(14)로 액화시키고, 이와 같이 액화된 액상의 일산화질소(14)는 흡수액(11)에 녹아 저장된다. That is, in the nitrogen monoxide absorption reactor 10, the absorption liquid 11 selectively reacts only with the low concentration nitrogen monoxide gas contained in the exhaust gas to liquefy the nitrogen monoxide gas into liquid nitrogen monoxide 14, and thus liquefied The liquid nitrogen monoxide 14 is dissolved in the absorption liquid 11 and stored.

일산화질소 흡수 반응기(10)에는 일산화질소 가스가 함유된 배기가스를 공급하기 위한 일산화질소 가스 공급용 버블러(13)가 설치될 수 있다. The nitrogen monoxide absorption reactor 10 may be provided with a bubbler 13 for supplying nitrogen monoxide gas for supplying exhaust gas containing nitrogen monoxide gas.

버블러(13)는 흡수액(11) 속에서 일산화질소 가스가 용이하게 반응하여 액화될 수 있도록 일산화질소 가스가 함유된 배기가스를 미세한 기포 형태로 통과시킬 수 있다. The bubbler 13 may pass the exhaust gas containing nitrogen monoxide gas in the form of fine bubbles so that the nitrogen monoxide gas can easily react and liquefy in the absorption liquid 11 .

버블러(13)의 유출구(13-1)는 일산화질소 가스가 함유된 배기가스를 흡수액(11) 속에 미세한 기포 형태로 용이하게 통과시킬 수 있도록 흡수액(11)에 담기도록 설치될 수 있다. The outlet 13-1 of the bubbler 13 may be installed to be contained in the absorbent liquid 11 so that the exhaust gas containing nitrogen monoxide gas can easily pass through the absorbent liquid 11 in the form of fine bubbles.

다음으로, 일산화질소 분리 반응기(20)에서는 일산화질소 흡수 반응기(10)에서 불순물이 제거된 액상의 일산화질소를 다시 일산화질소 가스로 탈리할 수 있다. Next, in the nitrogen monoxide separation reactor 20 , the liquid nitrogen monoxide from which impurities have been removed in the nitrogen monoxide absorption reactor 10 may be desorbed back into nitrogen monoxide gas.

이때는 기액 분리 방법을 이용하며, 대표적으로 용매의 가열 및 분압 차이를 이용하여 분리할 수 있다. In this case, a gas-liquid separation method is used, and the separation can be typically performed using a difference in partial pressure and heating of a solvent.

즉, 일산화질소 분리 반응기(20)에는 액상의 일산화질소가 녹아 있는 흡수액(11)을 설정 온도(예컨대, 60~80℃)로 가열하여 액상의 일산화질소를 일산화질소 가스로 기화시키기 위한 흡수액 가열기(21)가 설치될 수 있다. That is, in the nitrogen monoxide separation reactor 20, the absorption liquid 11 in which liquid nitrogen monoxide is dissolved is heated to a set temperature (eg, 60 to 80 ° C.), and an absorption liquid heater for vaporizing liquid nitrogen monoxide into nitrogen monoxide gas ( 21) can be installed.

흡수액 가열기(21)는 일산화질소 분리 반응기(20)의 흡수액(11)을 효과적으로 가열할 수 있도록 일산화질소 분리 반응기(20)의 외측면을 감싸도록 설치될 수 있다.The absorption liquid heater 21 may be installed to surround the outer surface of the nitrogen monoxide separation reactor 20 so as to effectively heat the absorption liquid 11 of the nitrogen monoxide separation reactor 20 .

또한, 일산화질소 분리 반응기(20)에는 흡수액 가열기(21)와 함께 흡수액(11)의 액상의 일산화질소로부터 일산화질소 가스로 용이하게 탈리될 수 있도록 일산화질소 분리 반응기(20)의 내부 압력을 설정 압력(예컨대, -600mmHg) 이하로 감압하기 위한 진공 펌프(23)가 설치될 수 있다. In addition, in the nitrogen monoxide separation reactor 20, the internal pressure of the nitrogen monoxide separation reactor 20 is set together with the absorption liquid heater 21 so as to be easily desorbed from the liquid nitrogen monoxide of the absorption liquid 11 into nitrogen monoxide gas. A vacuum pump 23 for reducing the pressure to (eg, -600 mmHg) or less may be installed.

흡수액 가열기(21)와 진공 펌프(23) 사이에 배치되고, 흡수액 가열기(21)에 의하여 가열되어 증발되는 흡수액(11)의 수증기를 냉각시켜 일산화질소 분리 반응기(20)로 순환시키기 위한 수증기 냉각탑(25)이 설치될 수 있다. A water vapor cooling tower ( 25) can be installed.

수증기 냉각탑(25)의 냉각수(Cooling water)가 흐르는 배관은 흡수액(11)의 수증기를 효과적으로 냉각시킬 수 있도록 지그재그 형태로 이루어질 수 있다. The pipe through which the cooling water of the steam cooling tower 25 flows may be formed in a zigzag shape to effectively cool the water vapor of the absorption liquid 11 .

이와 같이, 일산화질소 분리 반응기(20)에서 분리된 일산화질소 가스는 암모니아 전환셀(30)을 통해 암모니아로 전환될 수 있다. In this way, the nitrogen monoxide gas separated in the nitrogen monoxide separation reactor 20 may be converted into ammonia through the ammonia conversion cell 30 .

암모니아 전환셀(30)에서는, 캐소드(31) 내 환원 반응을 통해 암모늄 이온을 생성하게 되며, 애노드(32) 내 산화 반응을 통해 물의 전기 분해 반응이 일어날 수 있다. In the ammonia conversion cell 30 , an ammonium ion is generated through a reduction reaction in the cathode 31 , and an electrolysis reaction of water may occur through an oxidation reaction in the anode 32 .

암모니아 전환셀(30)은, 캐소드(31); 애노드(32), 및 캐소드와 애노드(32) 사이에 위치하는 이온교환막(33)을 포함할 수 있다. Ammonia conversion cell 30, the cathode 31; It may include an anode 32 and an ion exchange membrane 33 positioned between the cathode and the anode 32 .

캐소드(31)의 일면에는 캐소드 촉매층(34)이 위치되며, 캐소드(31)와 캐소드 촉매층(34)는 기준 전극(35)이 설치되는 캐소드 전해질 챔버(36) 내에 설치될 수 있다. A cathode catalyst layer 34 is positioned on one surface of the cathode 31 , and the cathode 31 and the cathode catalyst layer 34 may be installed in the cathode electrolyte chamber 36 in which the reference electrode 35 is installed.

또한, 애노드(32)는 애노드 전해질 챔버(37) 내에 설치되며, 애노드(32)의 외측면에는 애노드 외벽(38)이 설치될 수 있다. In addition, the anode 32 is installed in the anode electrolyte chamber 37, the outer surface of the anode 32, the anode outer wall 38 may be installed.

캐소드(31)의 일면에는 진공 펌프(23)를 통해 공급되는 일산화질소 가스가 통과되어 확산되기 위한 캐소드 가스 확산층(39)이 배치될 수 있다. A cathode gas diffusion layer 39 through which nitrogen monoxide gas supplied through the vacuum pump 23 passes and diffuses may be disposed on one surface of the cathode 31 .

캐소드 가스 확산층(39) 및 캐소드(31)를 순차적으로 통과한 일산화질소 가스는 캐소드 촉매층(34) 내 촉매에 의해 암모니아로 전환될 수 있다. The nitrogen monoxide gas that has passed through the cathode gas diffusion layer 39 and the cathode 31 sequentially may be converted into ammonia by a catalyst in the cathode catalyst layer 34 .

캐소드 촉매층(34) 내에서 전환된 암모니아는 캐소드 전해질 챔버(36) 내의 전해질에 용해되어 있으며, pH(수소 이온 농도 지수) 조절을 통해 암모니아수 또는 암모이나 가스 형태로 암모니아 전환셀(30)의 외부로 배출될 수 있다. The ammonia converted in the cathode catalyst layer 34 is dissolved in the electrolyte in the cathode electrolyte chamber 36, and through pH (hydrogen ion concentration index) adjustment, it is converted into ammonia water or ammonia gas to the outside of the ammonia conversion cell 30. can be emitted.

이하 구체적으로 공정에 대해 다시 설명한다. Hereinafter, the process will be specifically described again.

첫 번째 공정인 일산화질소 흡수 반응기(10)에서 저농도의 일산화질소 가스를 흡수액(예: Fe(II)EDTA)(11)을 이용해 용액 속에 액상의 일산화질소로 저장할 수 있다. In the first process, nitrogen monoxide absorption reactor 10, a low concentration of nitrogen monoxide gas may be stored as liquid nitrogen monoxide in a solution using an absorption liquid (eg, Fe(II)EDTA) 11 .

상기 저장 메커니즘은 아래 반응식을 통해 이루어질 수 있다. The storage mechanism may be achieved through the following reaction equation.

[반응식 1][Scheme 1]

Fe(II)(EDTA) (aq) + (NO) (g) -> Fe(II)(EDTA)(NO) (aq) Fe(II)(EDTA) (aq) + (NO) (g) -> Fe(II)(EDTA)(NO) (aq)

즉, 일산화질소 흡수 반응기(10)의 흡수액(11)은 배기가스 내 함유된 저농도의 일산화질소 가스와만 선택적으로 반응하여 일산화질소 가스를 액상의 일산화질소(14)로 액화시키고, 이와 같이 액화된 액상의 일산화질소(14)는 흡수액(11)에 녹아 저장된다.That is, the absorption liquid 11 of the nitrogen monoxide absorption reactor 10 selectively reacts only with the low concentration nitrogen monoxide gas contained in the exhaust gas to liquefy the nitrogen monoxide gas into liquid nitrogen monoxide 14, and thus liquefied The liquid nitrogen monoxide 14 is dissolved in the absorption liquid 11 and stored.

이때, 일산화질소 공급용 버블러(13)가 일산화질소 가스가 함유된 배기가스를 일산화질소 흡수 반응기(10)의 흡수액(11)에 공급할 수 있다. At this time, the nitrogen monoxide supply bubbler 13 may supply the exhaust gas containing nitrogen monoxide gas to the absorption liquid 11 of the nitrogen monoxide absorption reactor 10 .

두 번째 공정인 일산화질소 분리 반응기(20)에서 흡수액(11)에 녹아 있는 액상의 일산화질소를 가열 및 감압을 통해 순수한 일산화질소 가스로 탈리할 수 있다. In the second process, the nitrogen monoxide separation reactor 20, liquid nitrogen monoxide dissolved in the absorption liquid 11 may be desorbed into pure nitrogen monoxide gas through heating and pressure reduction.

상기 탈리 메커니즘은 아래 반응식을 통해 이루어질 수 있다. The desorption mechanism may be achieved through the following reaction formula.

[반응식 4][Scheme 4]

Fe(II)(EDTA)(NO) (aq) -> Fe(II)(EDTA) (aq) + NO (g)Fe(II)(EDTA)(NO) (aq) -> Fe(II)(EDTA) (aq) + NO (g)

(흡수액 가열기의 흡수액 가열 온도: 80℃, 진공 펌프의 일산화질소 분리 반응기의 감압 압력: -600 )(The absorption liquid heating temperature of the absorption liquid heater: 80°C, the reduced pressure of the nitrogen monoxide separation reactor of the vacuum pump: -600 )

즉, 흡수액 가열기(21)는 일산화질소 흡수 반응기(10)로부터 일산화질소 분리 반응기(20)로 공급된 액상의 일산화질소가 녹아 있는 흡수액(11)을 설정 온도(예컨대, 60~80℃)로 가열하여 액상의 일산화질소를 일산화질소 가스로 기화시킬 수 있다. That is, the absorption liquid heater 21 heats the absorption liquid 11 in which the liquid nitrogen monoxide supplied from the nitrogen monoxide absorption reactor 10 to the nitrogen monoxide separation reactor 20 is dissolved to a set temperature (eg, 60 to 80 ° C). Thus, liquid nitrogen monoxide can be vaporized into nitrogen monoxide gas.

또한, 진공 펌프(23)는 일산화질소 분리 반응기(20)의 내부 압력을 설정 압력(예컨대, -600mmHg) 이하로 감압하여, 흡수액 가열기(21)와 함께 흡수액(11)의 액상의 일산화질소로부터 일산화질소 가스로 용이하게 탈리될 수 있도록 한다. In addition, the vacuum pump 23 reduces the internal pressure of the nitrogen monoxide separation reactor 20 to a set pressure (eg, -600 mmHg) or less, and together with the absorption liquid heater 21 , monoxide from liquid nitrogen monoxide in the absorption liquid 11 is Make it easy to desorb with nitrogen gas.

그리고, 수증기 냉각탑(25)은 흡수액 가열기(21)에 의하여 가열되어 증발되는 흡수액(11)의 수증기를 냉각시켜 일산화질소 분리 반응기(20)로 되돌려 보낼 수 있다. In addition, the water vapor cooling tower 25 may cool the water vapor of the absorbent liquid 11 heated and evaporated by the absorbent liquid heater 21 and return it to the nitrogen monoxide separation reactor 20 .

도 2는 일산화질소 분리 반응기의 흡수액에 녹아 있는 일산화질소 농도를 시간에 따라 측정한 결과이다. 2 is a result of measuring the concentration of nitrogen monoxide dissolved in the absorption liquid of the nitrogen monoxide separation reactor over time.

흡수액을 동시에 80℃로 가열 및 -600 mmHg로 감압하였을 때 일산화질소가 가장 빠르게 탈리되는 것을 확인할 수 있다. (50분 내 약 100% 탈리)It can be seen that nitrogen monoxide is most rapidly desorbed when the absorbent solution is simultaneously heated to 80°C and reduced to -600 mmHg. (Approximately 100% tally in 50 minutes)

가열 혹은 감압이 동시에 이루어지지 않고 각각 진행되면 탈리 속도가 느려지는 것을 확인할 수 있다. It can be seen that the desorption rate is slowed when heating or decompression is not performed at the same time and proceeds separately.

이후 질소 등 외부 가스와 혼합하여 일산화질도 농도를 조절할 수 있다. 목표로 하는 생성물의 조건에 따라 농도가 조절될 수 있으며, 최대 99부피%까지 조절될 수 있다. Thereafter, it is possible to adjust the concentration of monoxide by mixing it with an external gas such as nitrogen. The concentration can be adjusted according to the conditions of the target product, and can be adjusted up to 99% by volume.

일산화질소 분리 반응기(20)를 통하여 탈리된 일산화질소 가스는 암모니아 전환셀(30)로 이동할 수 있다. The nitrogen monoxide gas desorbed through the nitrogen monoxide separation reactor 20 may move to the ammonia conversion cell 30 .

암모니아 전환셀(30)의 캐소드 가스 확산층(39)으로 이동된 일산화질소 가스는 캐소드(31) 전극 반응을 통해 암모니아로 전환될 수 있다. The nitrogen monoxide gas moved to the cathode gas diffusion layer 39 of the ammonia conversion cell 30 may be converted into ammonia through the cathode 31 electrode reaction.

이때 반응은 아래 반응식 2를 통해 이루어질 수 있다. In this case, the reaction may be carried out through the following Reaction Scheme 2.

[반응식 2][Scheme 2]

NO + 6H+ 5e- -> NH4 + + H2O NO + 6H + 5e - -> NH 4 + + H 2 O

즉, 진공 펌프(23)로부터 캐소드 가스 확산층(39)으로 이동된 일산화질소 가스는, 캐소드 가스 확산층(39)을 통과하면서 확산되어 캐소드(31)를 통과한 후 캐소드 촉매층(34)으로 이동된다. That is, the nitrogen monoxide gas moved from the vacuum pump 23 to the cathode gas diffusion layer 39 is diffused while passing through the cathode gas diffusion layer 39 , passes through the cathode 31 , and then moves to the cathode catalyst layer 34 .

이때, 일산화질소 가스는 캐소드 촉매층(34) 내의 촉매 의해 암모니아로 전환되며, 이와 같이 전환된 암모니아는 캐소드 전해질 챔버(36)를 통하여 암모니아 전환셀(30)의 외부로 배출될 수 있다.At this time, the nitrogen monoxide gas is converted into ammonia by the catalyst in the cathode catalyst layer 34 , and the converted ammonia may be discharged to the outside of the ammonia conversion cell 30 through the cathode electrolyte chamber 36 .

도 3은 암모니아 전환셀에서 일산화질소의 농도에 따라 일정전위법을 수행한 결과이다. 3 is a result of performing a constant potential method according to the concentration of nitrogen monoxide in the ammonia conversion cell.

과전압(Overpotential)의 증가에 따른 환원 전하량의 증가가 나타나는 것을 확인할 수 있다. It can be seen that the amount of reduction charge increases with the increase of overpotential.

또한, 일산화질소 농도의 증가에 따른 환원 전하량의 증가를 확인할 수 있다. In addition, it can be confirmed that the amount of reduction charge increases with the increase of the nitrogen monoxide concentration.

도 4는 일산화질소 농도에 따른 효율 평가 결과이다. 4 is an efficiency evaluation result according to the concentration of nitrogen monoxide.

암모니아 전환셀에서 1%의 일산화질소가 반응물로 제공되었을 때 가장 높은 효율을 보이는 것을 확인할 수 있다. It can be seen that the highest efficiency is shown when 1% of nitrogen monoxide is provided as a reactant in the ammonia conversion cell.

암모니아 생성에 대한 전류 밀도는 5%의 일산화질소가 제공되었을 때 가장 빠른 생성 속도를 보이는 것을 알 수 있다. It can be seen that the current density for ammonia production shows the fastest production rate when 5% of nitrogen monoxide is provided.

암모니아 전환셀(30)의 애노드(32) 전극 반응은 다음과 같은 물의 산화 반응이 일어날 수 있다. The anode 32 electrode reaction of the ammonia conversion cell 30 may be the following oxidation reaction of water.

[반응식 3][Scheme 3]

H2O -> ½O2 + 2H+ + 2e- H 2 O -> ½O 2 + 2H + + 2e -

암모니아 전환셀(30)에서는 암모니아뿐만 아니라, 아산화질소(N2O), 질소(N2), 하이드록실아민(NH2OH)을 인가 전압에 따라 선택적으로 생산할 수 있다. In the ammonia conversion cell 30, as well as ammonia, nitrous oxide (N 2 O), nitrogen (N 2 ), and hydroxylamine (NH 2 OH) may be selectively produced according to the applied voltage.

도 5는 인가 전압에 따른 반응물의 선택성을 확인한 결과이다. 5 is a result of confirming the selectivity of the reactant according to the applied voltage.

보다 구체적으로, 1%의 일산화질소 가스를 암모니아 전환셀로 주입했을 때, 인가 전압에 따른 생성물의 선택도를 나타낸다. More specifically, when 1% of nitrogen monoxide gas is injected into the ammonia conversion cell, it shows the selectivity of the product according to the applied voltage.

낮은 과전압에서는 아산화질소가 100% 가까이 생성되는 것을 확인할 수 있다. At low overvoltage, it can be seen that nitrous oxide is generated close to 100%.

높은 과전압에서는 도 4와 같이 암모니아가 70% 이상 생성되는 것을 확인할 수 있다. At a high overvoltage, it can be seen that 70% or more of ammonia is generated as shown in FIG. 4 .

본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.The present invention is not limited to the above embodiments, but can be manufactured in a variety of different forms, and those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains can take other specific forms without changing the technical spirit or essential features of the present invention. It will be understood that it can be implemented as Therefore, it should be understood that the embodiments described above are illustrative in all respects and not restrictive.

10: 일산화질소 흡수 반응기
20: 일산화질소 분리 반응기
21: 흡수액 가열기
23: 진공 펌프
25: 수증기 냉각탑
30: 암모니아 전환셀
31: 캐소드
32: 애노드
33: 이온 교환막
34: 캐소드 촉매층
36: 캐소드 전해질 챔버
37: 애노드 전해질 챔버
39: 캐소드 가스 확산층10: Nitric Oxide Absorption Reactor
20: nitrogen monoxide separation reactor
21: absorbent liquid burner
23: vacuum pump
25: water vapor cooling tower
30: ammonia conversion cell
31: cathode
32: anode
33: ion exchange membrane
34: cathode catalyst layer
36: cathode electrolyte chamber
37: anode electrolyte chamber
39: cathode gas diffusion layer

Claims (12)

저농도의 일산화질소 가스를 흡수액을 통해 용액화하는 일산화질소 흡수 반응부;
상기 흡수액 내 용해된 액상의 일산화질소를 가열 및 감압을 통해 일산화질소 가스로 탈리하는 일산화질소 분리 반응부; 및
상기 일산화질소 분리 반응부를 통해 분리된 일산화질소 가스를 암모니아로 전환하는 암모니아 전환셀;을 포함하고,
상기 암모니아 전환셀은, 캐소드, 애노드, 및 상기 캐소드와 상기 애노드 사이에 위치하는 이온교환막을 포함하고,
상기 캐소드 일면에는 캐소드 촉매층이 위치되고,
상기 캐소드 촉매층 내 촉매에 의해 일산화질소 가스가 암모니아로 전환되고,
상기 일산화질소 분리 반응부에는 액상의 일산화질소를 기화시키기 위한 흡수액 가열기가 설치되고,
상기 일산화질소 분리 반응부에는 상기 일산화질소 분리 반응부의 내부 압력을 설정 압력 이하로 감압하기 위한 진공 펌프가 설치되고,
상기 흡수액 가열기와 상기 진공 펌프 사이에는 흡수액의 수증기를 냉각시키기 위한 수증기 냉각탑이 설치되는 것인, 일산화질소를 이용한 암모니아 제조 장치.a nitrogen monoxide absorption reaction unit for converting low-concentration nitrogen monoxide gas into a solution through an absorption liquid;
a nitrogen monoxide separation reaction unit for desorbing liquid nitrogen monoxide dissolved in the absorption liquid into nitrogen monoxide gas through heating and reduced pressure; and
An ammonia conversion cell for converting the nitrogen monoxide gas separated through the nitrogen monoxide separation reaction unit into ammonia;
The ammonia conversion cell comprises a cathode, an anode, and an ion exchange membrane positioned between the cathode and the anode,
A cathode catalyst layer is positioned on one surface of the cathode,
Nitrogen monoxide gas is converted into ammonia by a catalyst in the cathode catalyst layer,
An absorption liquid heater for vaporizing liquid nitrogen monoxide is installed in the nitrogen monoxide separation reaction unit,
A vacuum pump is installed in the nitrogen monoxide separation reaction unit to reduce the internal pressure of the nitrogen monoxide separation reaction unit to a set pressure or less,
A water vapor cooling tower for cooling the water vapor of the absorbent liquid is installed between the absorbent liquid heater and the vacuum pump, an apparatus for producing ammonia using nitrogen monoxide. 제1항에 있어서,
상기 저농도의 일산화질소 가스를 흡수액을 통해 용액화하는 일산화질소 흡수 반응부;에서,
상기 흡수액은 철 킬레이트를 포함하는 것인 일산화질소를 이용한 암모니아 제조 장치.According to claim 1,
In the nitrogen monoxide absorption reaction unit for making the low concentration nitrogen monoxide gas into a solution through the absorption liquid;
The absorption liquid is an apparatus for producing ammonia using nitrogen monoxide that contains iron chelate. 제2항에 있어서,
상기 저농도의 일산화질소 가스를 흡수액을 통해 용액화하는 일산화질소 흡수 반응부; 내 반응은 하기 반응식 1을 통해 이루어지는 것인 일산화질소를 이용한 암모니아 제조 장치.
[반응식 1]
Fe(II)(EDTA) (aq) + (NO) (g) -> Fe(II)(EDTA)(NO) (aq) 3. The method of claim 2,
a nitrogen monoxide absorption reaction unit for dissolving the low-concentration nitrogen monoxide gas through an absorption liquid; My reaction is an ammonia production apparatus using nitrogen monoxide that is made through the following Reaction Formula 1.
[Scheme 1]
Fe(II)(EDTA) (aq) + (NO) (g) -> Fe(II)(EDTA)(NO) (aq) 제1항에 있어서,
상기 일산화질소 분리 반응부를 통해 분리된 일산화질소 가스를 암모니아로 전환하는 암모니아 전환셀;에서,
상기 일산화질소 가스는 하기 반응식 2를 통해 암모니아로 전환되는 것인 일산화질소를 이용한 암모니아 제조 장치:
[반응식 2]
NO + 6H+ 5e- -> NH4 + + H2OAccording to claim 1,
In the ammonia conversion cell for converting the nitrogen monoxide gas separated through the nitrogen monoxide separation reaction unit into ammonia;
Ammonia production apparatus using nitrogen monoxide to which the nitrogen monoxide gas is converted to ammonia through the following reaction formula 2:
[Scheme 2]
NO + 6H + 5e - -> NH 4 + + H 2 O 제1항에 있어서,
상기 일산화질소 분리 반응부를 통해 분리된 일산화질소 가스를 암모니아로 전환하는 암모니아 전환셀;에서,
상기 애노드는 하기 반응식 3의 산화 반응이 일어나는 것인 일산화질소를 이용한 암모니아 제조 장치:
[반응식 3]
H2O -> ½O2 + 2H+ + 2e- According to claim 1,
In the ammonia conversion cell for converting the nitrogen monoxide gas separated through the nitrogen monoxide separation reaction unit into ammonia;
The anode is an apparatus for producing ammonia using nitrogen monoxide in which the oxidation reaction of the following Reaction Scheme 3 occurs:
[Scheme 3]
H 2 O -> ½O 2 + 2H + + 2e - 제1항에 있어서,
상기 일산화질소 분리 반응부를 통해 분리된 일산화질소 가스를 암모니아로 전환하는 암모니아 전환셀;에서,
인가 전압을 조절하여, 아산화질소(N2O), 질소(N2), 및 하이드록실아민(NH2OH) 중 어느 하나를 선택적으로 제조하는 것인 일산화질소를 이용한 암모니아 제조 장치.According to claim 1,
In the ammonia conversion cell for converting the nitrogen monoxide gas separated through the nitrogen monoxide separation reaction unit into ammonia;
Ammonia production apparatus using nitrogen monoxide to selectively prepare any one of nitrous oxide (N 2 O), nitrogen (N 2 ), and hydroxylamine (NH 2 OH) by controlling the applied voltage. 제3항에 있어서,
상기 일산화질소 흡수 반응부에는 일산화질소 가스 공급용 버블러가 설치되는 것인 일산화질소를 이용한 암모니아 제조 장치.4. The method of claim 3,
Ammonia production apparatus using nitrogen monoxide to which a bubbler for supplying nitrogen monoxide gas is installed in the nitrogen monoxide absorption reaction unit. 제7항에 있어서,
상기 버블러는 흡수액 속에 일산화질소 가스를 기포 형태로 통과시키는 것인 일산화질소를 이용한 암모니아 제조 장치.8. The method of claim 7,
The bubbler is an ammonia production apparatus using nitrogen monoxide to pass the nitrogen monoxide gas in the form of bubbles in the absorption liquid. 삭제delete 삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 수증기 냉각탑의 배관은 지그재그 형태를 갖는 것인 일산화질소를 이용한 암모니아 제조 장치.According to claim 1,
Ammonia production apparatus using nitrogen monoxide that the pipe of the steam cooling tower has a zigzag shape.
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