KR20090003206A - 주변 ｃｏ₂를 포획하기 위한 관능화 이온 교환 막을 갖는 공기 수집기 - Google Patents

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Abstract

공기의 흐름에 노출되는 매트릭스 내에 형성된 음이온 교환 물질을 포함하는, 대기로부터 CO2를 포획하기 위한 장치를 개시한다.
음이온 교환 물질, 수산화나트륨, 이산화탄소, ＣＯ₂ 포획 장치, 관능화 이온 교환 막

Description

주변 ＣＯ₂를 포획하기 위한 관능화 이온 교환 막을 갖는 공기 수집기{AIR COLLECTOR WITH FUNCTIONALIZED ION EXCHANGE MEMBRANE FOR CAPTURING AMBIENT CO2}
일 양태에서, 본 발명은 선택된 가스를 공기로부터 제거하는 것에 관한 것이다. 본 발명은 NOx 및 SO2를 비롯한 다른 가스의 제거를 비롯하여, 공기로부터 이산화탄소 (CO2)를 추출하는 특정한 용도를 갖고, 다른 용도가 고려될 수 있지만, 이러한 용도와 관련하여 본 발명을 기재할 것이다.
대기의 CO2 수준의 급격한 증가와, 지구 표면 온도의 상응하는 증가 간에 높은 상관 관계가 있다는 것을 제안하는 주목하지 않을 수 없는 증거가 있다. 이러한 효과가 일반적으로 지구 온난화로서 공지되어 있다. CO2 배출의 각종 출처 중에서, 출처에서 경감시키기에 현실적이지 못한 다수의 작고 넓게 분포된 배출처가 존재한다. 또한, 탄화수소 연료 발전소와 같은 큰 규모의 배출처는 CO2가 대기로 배출되는 것을 완전히 막지는 못한다. 이들 주요 출처뿐만 아니라 기타 다른 출처와의 조합이 대기의 CO2 농도의 비율을 급격하게 증가시킨다. 모든 배출처가 이들의 출처에서 바로잡힐 때까지, 비록 비교적 낮기는 하지만, 증가하는 주변 수준의 대기 CO2를 포획하는 것이 필요하다. 기존의 배출 감소 기술을 발전시키고 뿐만 아니라 주변 CO2의 직접 포획을 위한 새롭고 신규한 기술을 개발하려는 노력이 진행중이다. 이들 노력은 CO2가 대기로 재혼입되는 것을 방지하도록 하는 방식으로, 생성된 CO2의 농축 폐 스트림을 관리하는 방법을 필요로 한다.
CO2의 생성은 전기 발전소에서의 석탄으로부터의 생성과 같은 다양한 산업 분야 및 전형적으로는 엔진과 같은 연소 장치에서 연소되는 연료의 주성분인 탄화수소의 사용으로 발생한다. 이러한 연소 장치로부터 방출된 배기 가스는 CO2 가스를 함유하고, 이것은 그냥 대기로 배출된다. 그러나, 온실 가스에 대한 관심이 높아지고 있기 때문에, 모든 출처로부터의 CO2 배출을 줄여야 한다. 이동성 출처의 경우, 최선의 선택은 차량 또는 항공기 내의 이동성 연소 장치로부터 보다는 공기로부터 직접 CO2를 수집하는 것일 것이다. 공기로부터의 CO2 제거의 이점은 이것이 CO2를 이동성 장치에 저장할 필요성을 없앤다는 것이다.
주변 공기로부터의 이산화탄소 (CO2) 추출은 탄소계 연료의 사용 및 그 후의 관련된 온실 가스 배출의 처리를 가능하게 할 것이다. CO2는 수 ppm의 양에서 유독하거나 유해하지는 않지만 단순히 대기에 축적됨으로써 환경 문제를 유발하기 때문에, 상이한 장소 및 상이한 시간에서 동일한 양의 배출을 보완하기 위해서 공기로 부터 CO2를 제거하는 것이 가능하다.
공기로부터 CO2를 제거하기 위해서 다양한 방법 및 장치가 개발되어 왔다. 한 종래 기술 방법에서, 가스 및 액체의 혼합을 최대화하는 라스히 링(Raschig ring)이라 지칭되는 것으로 충전된 탱크 내에서 공기를 알칼리 용액과 같은 흡착액으로 세척한다. CO2가 흡착액과 반응하고 흡착액에 의해서 포획된다. 소량의 CO2를 제거하기 위해서, 겔 흡수제를 또한 사용하였다. 이들 방법은 CO2를 제거하는데에는 효율적이지만, 이들이 공기로부터 이산화탄소를 효율적으로 제거하기 위해서는 심각한 문제점이 있다. 즉, 공기가 상당히 높은 압력에서 흡착액을 통과해야 한다. 공기로부터 상당한 양의 낮은 농도의 CO2를 제거하기 위한 임의의 기술을 위한 가장 위압적인 도전은, 최초에 CO2를 발생시켰던 것보다 적은 에너지 소모로 광범위한 양의 공기를 처리하고 CO2를 농축시키는 것을 포함한다. 세척 공정 동안 비교적 높은 압력 손실이 발생하고, 이것이 공기를 압축시키는데 필요한 높은 에너지 비용을 초래한다. 공기 압력을 증가시키는데 필요한 에너지가 자체로 CO2를 생성할 수 있고 이는 포획되는 양을 초과할 수 있으며 이로 인해 공정의 가치가 떨어지므로, 공기를 압축시키는데 사용되는 이러한 추가 에너지는 공정의 전체 이산화탄소 균형과 관련된 바람직하지 않은 효과를 가질 수 있다.
이러한 종래 기술 방법은 공기를 가열하거나 냉각시키거나, 또는 공기의 압 력을 실질적인 양으로 변화시키기 때문에, 공기로부터의 비효율적인 CO2 포획을 유발한다. 이 결과, 클리닝 공정이, 공정에 전력을 공급하는데 사용되는 전기 생성의 부산물로서 CO2를 대기 중으로 혼입시킬 수 있기 때문에, CO2의 실제 감소는 무시할 만하다.
일 양태에서, 본 발명은 N0x 및 SO2와 같은 기타 산 가스 및 CO2를 공기로부터 직접 포획하기 위해서 고체상 음이온 교환 막을 사용함으로써, 공기로부터 CO2를 제거하기 위한 종래 기술 시스템을 개선시켰다. 구체적으로, 본 발명은 고체상 음이온 교환 물질을 기재로 하며, CO2 및 기타 산 가스의 공기로부터의 직접 포획을 용이하게 하기 위한 활성 부재의 실용적인 물리적 구성, 활성 부재의 제조 방법 및 공기 수집 장치의 구성 선택을 제공한다.
일 양태에서, 본 발명은 고체상 음이온 교환 물질을 기재로 하며, CO2 및 기타 산 가스의 공기로부터의 직접 포획을 용이하게 하기 위한 활성 공기 접촉 부재의 실용적인 물리적 구성, 상기 활성 부재의 제조 방법 및 공기 수집 장치의 구성 선택을 제공한다.
본 발명에 따른 공기 포획 장치는 낮은 농도의 주변 CO2를 포획하고 공기 포획 장치로부터 포획된 CO2를 화학적으로 제거하고, 후속의 영구적인 제거를 위해서 CO2를 농축시키고, 공정 화학물질을 재구성하고, 다음 포획 사이클을 위한 제조에서 CO2 포획 물질을 재활성화시키도록 고안된 대형 시스템의 전단부(front-end) 부재를 포함한다.
공기 포획 장치는 공기 흐름이 최소한의 저항을 가질 수 있는 비교적 큰 표면적을 제공하도록 형성된 관능화 음이온 교환 중합체를 사용한다. 일 실시양태에서, 음이온 교환 중합체는 예를 들어 증발 또는 습윤 패드에서 발견되는 것과 유사한 "누들 유사(noodle-like)" 스트랜드의 비정련된 메시(mesh) 또는 개방형 매트릭스의 형태이다. 대안적으로, 음이온 교환 중합체는 특정 중요한 포획 성능 요건을 제공하는 공극(cell) 내에 형성되거나 공극 내에 형성된 지지 물질의 표면 상에 코팅된다.
본 출원인의 출원인 PCT 출원 제PCT/US06/029238호 (2006년 7월 28일자 출원)에서, 본 출원인들은 고체상 이온 교환 물질의 화학적 성능에 대한 특정 요건을 기재하였다. 상기 출원은 일 양태에서 반복가능한 공기 포획 성능을 갖는 튼튼한 디자인을 보증하면서 전체 시스템이 낮은 에너지를 필요로 하는 기계적 구성 및 공기 부분 성능 개선에 역점을 두고 있다. 또다른 양태에서, 상기 출원은 포획된 CO2를 다른 분자로 재형성시키기 위한 통합 시스템을 기재하고 있고, 이것이 CO2가 대기중으로 재혼입되는 것을 영구적으로 방지할 것이다.
첨부된 도면과 하기 상세한 설명으로부터 본 발명의 추가의 특징 및 이점을 알 수 있을 것이다.
도 1은 공기로부터의 CO2 포획을 예시하는 흐름도이다.
도 2a 내지 2f는 본 발명에 따른 공기 포획 매질의 다양한 구성을 도식적으로 예시하는 단면도이다.
도 2g 및 2h는 본 발명에 따른 "누들 유사" 공기 포획 매질을 예시하는 투시도이다.
도 3a, 3b 및 4는 본 발명에 따른 공기 포획 매질의 다양한 실시양태를 예시하는 투시도이다.
도 5는 본 발명에 따른 냉각탑에 설치된 공기 포획 매질을 도식적으로 예시한다.
도 6은 본 발명에 따른 배출 시스템에 설치된 공기 포획 매질을 나타내는 개략도이다
도 7은 본 발명의 바람직한 실시양태에 따른 공기로부터의 CO2 포획 이후에 이어지는 제거를 예시하는 개략도이다.
본 발명의 공기 포획 장치의 한 목적은, 장치를 통한 공기 압력 감소를 최소화하면서, 고부피 유량 및 저압력 공기 스트림으로, 단위 부피 당 고체상 이온 교환 물질의 표면적을 최대화하는 것이다.
바람직하게는, 공기 포획 장치는 또한 가능한 완전한 침투 및 모든 표면과 흡착제 화학물질과의 충분한 액체 접촉을 보장하고 포획된 CO2를 제거하고 막 표면 을 재활성화하도록 구성된다.
작동시, 공지된 성능 특성을 통해서 포획된 탄소 함유 분자를 제거하고 고체상 음이온 교환 물질을 재활성화시키는 것이 필요할 때까지, 공기 포획 장치를 소정의 시간 동안 공기의 스트림에 노출할 것이다. 이어서, 고체상 음이온 교환 물질을, 예를 들어, 액조 침지 또는 분무를 통해서, 예를 들어 흡착제 화학물질로 처리하여 탄소 함유 분자를 제거하고 고체상 음이온 교환 물질을 재활성화시킬 것이다. 유출 시, 공기 포획 장치를 공기 스트림에 재도입할 수 있다.
바람직하게는, 공기 포획 장치는 이의 주요 특징부 또는 면이 공기 스트림 흐름 경로에 대해 실질적으로 수직이도록, 공기 스트림에 배향된다. 면은 공기 스트림의 주축과 평행이고 공기 포획 장치의 부피를 완전히 통과하는 통로 매트릭스가 관통한다.
상기에서 언급한 바와 같이, 대기 CO2를 포획하고 농축시키기 위한 공기 포획 및 클리닝 공정에 의해서 소비되는 에너지의 양을 최소화해야 한다. 실용적이기 위해서는, 이들 공정은, 공정에 전원을 공급하는데 사용되는 전기 생성의 부산물로서의 CO2가, 포획된 CO2의 양보다 적은 양으로 대기 중에 혼입되어야 한다. 이것이 공기 포획 장치의 구성, 구체적으로는 도입되는 공정 공기 스트림에 대한 이의 공기 역학적 임피던스에 영향을 미친다.
이상적인 장치의 구성은 팬의 보조 없이 사용가능한 바람 구동성 기류를 사용하는 것일 것이지만, 기류를 보조하는 팬에 대한 경우가 또한 고려되어야 한다. 공지된 양의 공기가 공지된 양의 CO2를 (CO2 각 단위에 대해 공기 10,000 단위 정도로) 추출하도록 처리되어야 하고 공기 포획 장치에 의해 제공되는 임피던스가 팬 입력 전압에 대해 직접적인 영향이 있을 것임을 감안하면, 장치를 통한 공기 부분 압력 강하를 최소화시키는 것이 필요하다. 이것은 공기가 공기 포획 장치의 유입 면에서 배출 면으로 낮은 흐름 저항으로 통과하는 낮은 압력 강하 특징부의 디자인을 통해 달성할 수 있다.
상기 요건과의 경쟁으로, 또다른 중요한 기준은 장치의 비활성표면적(specific active surface area)을 최대화시키는 것을 요구한다. 장치의 용적의 단위 부피 당 단위 활성 면적으로 표현된 바와 같이, 본 발명의 한 목적은 공기 포획 장치의 전체 물리적 크기를 제한하는 것이다. 이 관련성은 고려 중인 이온 교환 물질에 대해 실험적으로 유래된 CO2 포획 유동값으로부터 발생한다. 다른 CO2 포획 방법에 비해서, 이것은 매우 잘 수행되고 유동값이 매우 낮다. 구체적으로는, 본 발명자들은 평균 포획 유동이 2 내지 6 x 10-5 mole CO2/m2/sec인 것을 입증하였다. 이것은 실용적인 포획량을 달성하는데 필요한 활성 물질의 표면적의 양에 유의한 영향을 미친다. 예를 들어, 2 x 10-5 mole CO2/m2/sec에서, 하루에 CO2 1톤을 포획하려는 목적이면, 장치는 13,150 m2의 막을 공기 스트림에 노출시키는 것이 필요할 것이다. 따라서, 수집기 크기로 인한 이의 위치 선정을 제한하지 않으면서, 실용적인 장치를 달성하기 위해서 비활성표면적이 높은 매트릭스로 장치를 구 성하는 것이 필요하다.
세번째 기준은 구조적 매트릭스가, 포획된 CO2를 제거하고 활성 물질을 회복시키는데 필요한 흡착제 화학물질에 의해 완전히 습윤되는 능력이다. 습윤되기 쉽고 완전히 습윤되는 이의 능력은 다음 처리 사이클을 위한 제조에서 완전히 배수되는 이의 능력과 상응한다.
네번째 기준은 구조적 매트릭스가 단단하고 균일하고 치수적으로 안정한 형태를 제공하도록 구성되는 것을 요구한다. 이것은 하기 인자에 필요하다.
1. 우선, 물질은 습윤 상태 및 건조 상태 사이의 팽창 및 수축 과정으로 인해서 상당한 치수 변화를 겪을 수 있다. 매트릭스의 구조물은 찢어지거나 파괴되지 않으면서 수년의 사이클에 걸쳐서 반복되는 변형을 견디도록 내부성분 간에 단단한 결합을 제공해야 한다.
2. 내부 특징부의 디자인은 치수 안정성을 유지하면서 팽창 및 수축에 적응해야 한다. 이는 노출된 활성 막의 감소를 유발할 공기 스트림에 제공되는 단면적의 국지적 및/또는 전체 감소를 방지하기 위해서 필요하다.
그러나, 매우 높은 비활성표면적이 낮은 압력 감소에 대한 요건과 경쟁할 것이고, 이는 높은 표면적 대 부피 효율이 매우 작은 내부 특징부 또는 통로로 달성된다는 사실로부터 기인한다. 더욱이, 매우 작은 내부 특징부는 또한 이들 내부 특징부 내에서 특징적인 임계 공기 흐름 미만으로 공기 정체를 유발함으로써 공기 흐름을 손상시킬 수 있다.
따라서, 최종 디자인 및 구성은 압력 강하, 비활성표면적 및 전체 수집기 크기의 최적화일 것이다. 이것은 또한 단단하고 비용 효율적인 장치를 제조하는데 필요한 실용적인 제조 공정에 의해서 영향을 받을 수 있다.
활성 부재의 디자인 및 구성
a. 요건 개요
본 발명의 공기 포획 장치는 2개의 대향하는 면 사이에서 직접 소통하는 활성 부재 또는 특징부의 계 또는 매트릭스를, 이들 특징부를 통한 기류로부터 발생하는 공기역학적 힘으로 인한 에너지 손실을 최소화시키는 방식으로 포함한다. 본 발명의 일 실시양태에서, 활성 부재 또는 특징부는 증발 또는 습윤 패드에서 발견되는 것과 유사한 "누들 유사" 스트랜드의 비정련된 메시 또는 개방형 매트릭스의 형태이다. 본 발명의 또다른 실시양태에서, 활성 부재 또는 특징부는 완성된 매트릭스를 차지하는 크기 및 형상이 변할 수 있는 규칙적 및 불규칙적 다각형 (이에 제한되지는 않음)과 같은 반복 형상으로 이루어진다. 형상, 크기 및 분포는 기류 특징 및 압력 강하 분포를 최적화하기 위해서 전체 매트릭스에 걸쳐서 다양하여 상기에 언급한 목적하는 포획 동역학 및 구조 성능 기준을 성취할 수 있다.
b. 물리적 및 성능 속성
소정의 특징부의 단면적이 작을수록, 매트릭스의 단위 부피의 비면적 (즉, 비면적은 부피에 대한 면적의 비율임)이 커진다. 예를 들어, 각 변이 5 mm인 등변 삼각형의 행인 매트릭스의 경우, 평면 시트에 의해 분리되는 각 행은 비면적이 대 략 1200 m2/m3일 것이다. 10 mm 등변 삼각형의 매트릭스는 비면적이 대략 600 m2/m3일 것이다.
작은 크기의 특징부로의 교환은 난기류 및 압력 강하의 공기 부분 공기역학 특징을 갖는다. 소정의 기류의 경우, 특징부의 단면적이 감소되기 때문에 공기 경로 길이를 따라 난기류 및 압력 강하가 증가될 것이다. 제한된 정도로, 고체상 음이온 교환 물질을 사용하여 난기류가 양호한 CO2 포획 동역학을 보증하는 것이 바람직하다. 그러나, 보다 높은 난기류 및 상응한 압력 강하에 대한 비용 역시 공기를 공기 포획 장치를 통해 이동시키는데 필요한 보다 높은 에너지에 상응한다. 공정 공기와 접촉하는 고체상 음이온 교환 물질의 소정의 표면 조도(roughness)를 위해서, 유의한 다양한 성능 교환 변수는 특징부 단면적 및 균일성, 흐름 경로 길이, 매트릭스의 면에서의 공기 속도 유동 및 고체상 음이온 교환 물질의 CO2 포획 동역학 반응이다.
이들 성능 교환 문제를 해결하는 것은 특징부 및 매트릭스를 제조하고 조립하는 것에 관한 것이다. 단단하고 일정한 조립체이면서 작은 특징부를 생성하는데 필요한 제조 방법은 출발 원료 물질과 연관될 것이다. 고체상 음이온 교환 물질의 가장 통상적인 2가지 형태는 열가소성 시트 및 비드이다. 작은 특징부를 형성하는 실용성은 이들 물질에 주어진 사용가능한 공정 및 방법에 영향을 받는다. 특정 특징부 크기일 수 있고, 그 크기보다 작을 경우 제조 공정은 잠재적으로 보다 높은 단위 비용을 발생시키는 변화가 필요할 수 있다.
c. 구성 선택
가장 개별적인 수준에서, 반복적인 특징부는 완성된 매트릭스를 포함하는 크기 및 모양이 변할 수 있는 규칙적 및 불규칙적 다각형 (이에 제한되지는 않음)과 같은 반복 형상으로 구성될 것이다. 형상의 선택은 부분적으로는 비면적 요건 및 제조가능성에 영향을 받을 것이다. 또한, 공기 포획 장치의 전체 구성은 공기 스트림에 대한 노출을 최대화하고 차동 공기 속도 유동을 조정하기 위해서 한 특정 형상을 초과할 수 있다. 잠재적인 형상으로는 이등변 및 등변 삼각형, 사다리꼴, 정사각형, 직사각형, 기타의 규칙적 및 불규칙적 다각형이 포함되지만, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어 도 2a 내지 2f를 참고하기 바란다. 형상화된 음이온 교환 물질은 관능화 폴리스티렌 등과 같은 음이온 교환 물질의 시트로부터 형성될 수 있거나 또는 음이온 교환 물질로 코팅된 불활성 기재 물질의 시트를 포함할 수 있다. 대안적으로 및 본 발명의 바람직한 실시양태에서, 음이온 교환 물질은 시판되는 음이온 교환 막 물질을 절단함으로써 형성된 두께 1 mm x 폭 1 mm의 "누들 유사" 스트랜드를 포함한다. 일반적으로 바람직한 한 물질은 스노우퓨어, 엘엘씨(SnowPure LLC, 미국 캘리포니아주 샌 클레멘트 소재)로부터 시판되는 음이온 교환 막 물질이다. 이 제조사는 이들 막 물질이 폴리프로필렌 매트릭스 내에 혼합된 분쇄된 음이온성 교환 수지를 포함하고 미국 특허 제6,503,957호 및 동 제6,716,888호의 교시에 따른 시트와 같이 압출되었다고 기재하고 있다. "누들" 또는 스트랜드는 스노우퓨어 음이온 교환 물질의 1 mm 시트를 1 mm 폭의 "누들" 또는 스트랜드로 절단함으로써 형성된다 (도 2g 내지 2h 참고).
본 발명의 일 실시양태에 따라서, 공기 포획 장치는 나선형 패턴을 따르는 다각형의 매트릭스를 사용하여, 실질적인 원형 형상 및 일정한 두께의 형상, 즉, 디스크로 형성되어 공기 포획 장치의 두께만큼 넓은 주름잡힌(corrugated) 고체상 음이온 교환 물질의 연속 스트립의 이점을 갖는다. 예를 들어, 도 3a 및 3b를 참고하기 바란다. 목적하는 직경이 달성될 때까지, 연속적인 주름잡힌 층 및 공결합된(co-joined) 평면 층이 있는 단위체로 권취될 것이다. 이러한 구성의 대안은, 직경이 점점 커지는 독립된 고리형 분절의 주름잡힌 고체상 음이온 교환 물질 및 평면 시트 하부조립체를, 목적하는 직경의 공기 포획 장치가 달성될 때까지 편안하게 함께 고정시키는 것일 것이다.
상기 다양한 예는 가변성 두께의 디스크를 가질 것이다. 예를 들어, 도 4를 참고하기 바란다. 이것은 공기 포획 장치 크기 전체에서 균일한 포획 및/또한 공기역학 성능을 보장하기 위해서 불균일한 공기 유동 계의 존재하에 있는 것이 바람직할 수 있다.
원형 단면의 한 이점은 마찬가지로 단면이 원형인 상향 냉각 탑과 같은 냉각 탑에 공기 포획 장치의 외형을 맞추는 것이다. 예를 들어, 도 5를 참고하기 바란다. 이러한 원형 특징부는 또한 기존의 냉각 탑 설비의 갱신 용도를 제공한다.
공기 포획 장치에 대한 또다른 구성은 예를 들어, 도 6에 나타낸 바와 같이 실질적으로 직사각형일 것이다. 매트릭스는 평면 시트에 의해서 서로 분리된 행 또는 열로 고정된 규칙적 반복 다각형의 계로 이루어질 것이다. 대안적인 구성은, 공기 포획 장치의 크기 전체에서 CO2 포획 동역학 및 공기역학 성능을 최대화하는 교호하는 형상, 패턴 및/또는 크기의 독립적으로 위치한 영역을 갖는 규칙적 다각형의 계를 실질적으로 포함할 것이다. 이러한 구성의 한 이점은 기존의 협동 수송 설비(intermodal transportation infrastructure)을 통해 쉽게 수송되는 자립형(stand-alone), 통합형 및 자급형(self-contained) 장치의 발전을 용이하게 하는 표준 선박용 컨테이너로의 설비를 제공한다는 것이다.
상기에 논의한 모든 구성에서, 다각형 기재 특징부의 매트릭스 배치에 대한 유의한 한 이점은 이의 내재적인 구조 안정성 및 강도이다. 평면 시트 형태에서, 고체상 음이온 교환 물질은 안정성을 위한 실제적인 구조가 없고 비면적이 낮고, 비드 형태에서, 고체상 음이온 교환 물질은 압력 강하가 높고 외부 봉쇄 구조물을 필요로 한다. 고체상 음이온 교환 물질의 제조 매트릭스 또는 음이온 교환 물질로 코팅된 기재는 항공기 바닥 및 자동차 본체에 사용되는 것과 유사한 스페이스 프레임 구조물을 생성한다. 이들 분야에서, 스페이스 프레임은 설계자가 강도 대 중량 비가 매우 높은 가벼운 중량의 매우 강성이며 강하고 안정한 구조를 생성할 수 있게 한다. 매우 안정하고 강한 3차원 구조를 산출하는 가벼운 중량의 물질로부터 제조된 규칙적 다각형의 유사한 매트릭스의 성질을 띤 한 예는 벌집형이다.
제조 방법의 개요
a. 개요 및 요건
일반적인 이온 교환 수지는 폴리스티렌 또는 셀룰로오스 기재 골격으로 제조 되고 이것은 통상적으로 클로로메탈레이션을 통해 후속적으로 관능화 (아민화(aminated))된다.
제안된 매트릭스 구조체를 조립하는데 사용가능한 제조 방법은 폴리스티렌 열가소물에 의해 제공되는 성형성의 이점을 취할 수 있다. 넓게는, 제조 공정에는 2가지 경로가 있다. 제1 경로는 활성화 또는 관능화 전에 조립된 매트릭스 또는 메시를 형성시키는 것을 포함한다. 이것은 제조자가 완결(mature) 플라스틱의 제조 방법을 넓게 선택할 수 있도록 하는 융통성을 제공하여, 그렇지 않을 경우 관능화 처리된 물질이 손상되거나 또는 제거될 수 있는 공기 포획 매트릭스가 제조될 수 있게 한다. 주요 개념은 폴리스티렌을 용융시키는데 수반되는 온도가 관능화 물질의 상한 내성을 초과한다는 것이다.
다른 제조 경로는 미리 처리되거나 관능화된 물질을 사용하는 것을 포함한다. 이것은 물질의 이온성 능력을 보존하기 위한 처리 조건의 일부 제한과 함께 미리 존재하는 고체상 음이온 교환 물질과 함께 작업되는 선택을 제공한다. 이 제한은 물질 상의 관능화 아민기의 상대적으로 낮은 온도 내성으로부터 기인한다. 온도 상한은 열가소성 물질을 융해시키는데 필요한 처리 온도보다 낮은, 100 내지 140℃ 범위 내이다. 폴리스티렌은 Tg 또는 유리전이온도가 대략 100℃이고 용융점이 약 24O℃이다. 이 결과, 물질은, 관능성을 제거하는 물질의 용용 없이, 관능화 물질에 대한 안전한 상한 근처에서 작업되고 형성될 수 있다.
열가소성 고체상 음이온 교환 물질을 사용한 실험은, 열 영향 대역이 매우 국지적이어서 이 방법에 의해서 제거되는 관능성의 양이 제한되기 때문에, 스팟 용 접(spot welding)과 같은 매우 국지적인 융해 결합 방법을 매트릭스의 조립을 위해 사용할 수 있음을 나타내었다. 이 방법은 고체상 음이온 교환 물질의 벌크 성능에 유의하게 영향을 주지 않는다.
b. 특징부의 형성 및 매트릭스의 조립
특징부의 형상의 선택은 부분적으로는 사용가능한 제조 방법에 영향을 받을 것이다. 예를 들어, 삼각형과 같은 단순한 다각형의 선택은 일부 단순한 형성 방법을 제공한다. 롤 형태의 예비 관능화 또는 후 관능화 폴리스티렌의 연속 시트로 출발하여, 주름을 생성하는 연속식 형성 공정은 2개의 가열되고 짝지워진 컨투어드 롤러(contoured roller) 사이에 시트를 통과시킴으로써 달성될 수 있다. 정밀하게 이격된 롤러가 폴리스티렌을 포획하고, 물질의 유리전이온도로 물질을 가열하고 삼각형 형상을 부여할 것이다. 주름잡힌 시트가 롤러에서 빠져나올 때, 이들은 냉각되어 형상이 영구적으로 고정된다. 날카로운 구부러짐을 나타내거나 또한 보다 정밀한 공정을 요구하는 형상을 위해서, 보다 높은 온도 공정을 가능하게 하는 후 관능화 물질이 보다 적합할 수 있다.
상기 예에서와 같은 유사한 결과를 얻지만 다른 원리로 형성된 시트를 제조하는 또다른 형성 방법은 압력 하에서 2개의 가열된 컨투어드 플레이튼 사이에서 평면 시트를 압착하는 것일 것이다. 그 전에, 형상의 특징부는 형성 온도를 나타낼 수 있어서, 예비 관능화 또는 후 관능화 물질을 선택할 수 있다.
또다른 형성 방법은 플라스틱 부품의 제조에 적용되는 종래 기술의 이점을 가질 것이다. 구체적으로는, 폴리스티렌을 가열하고 압출 또는 사출 성형하여 복 합 형상을 형성할 수 있다. 분리된 부품 또는 연속적인 주조 형상인지 아닌지 간에, 이어서 최종 생성물은 형성 후에 관능화될 것이다.
또다른 형성 방법은 폴리스티렌 발포체 물질의 생성을 포함한다. 발포제를 첨가하여, 개방형 공극 발포체 물질을 생성하고, 이 물질을 조각으로 절단하고, 조립하기 전에 조각을 관능화할 수 있다. 발포체의 개방형 공극 본성이 물질을 통해서 공기를 흐르게 할 수 있을 것이다.
또다른 제조 방법은 2개 이상의 독립적인 예비 형성된 폴리스티렌 부품의 용해를 포함한다. 물질의 용융점 이상에서, 매우 국지화된 높은 온도의 적용을 통해서, 예를 들어 독립 지역에서 스팟 용접함으로써, 또는 연속 라인을 따라서 시임 용접(seam welding)함으로써 2개 이상의 폴리스티렌 물질 조각을 함께 융해시키는 영역을 생성하는 것이 가능하다. 선택되는 용접 방법은 최종 조립체, 최종 부품의 다듬질 및 요구되는 견고성에 적합하게 선택될 것이다.
마지막으로, 음이온 교환 물질의 "누들 유사" 스트랜드의 매트릭스 또는 비정련된 메시를 사용할 수 있다.
공기 포획 장치에 대한 디자인 및 구성 선택
a. 개요 및 요건
형상 및 제조 방법의 관점에서 매트릭스에 대해 공개된 무수히 많은 디자인 선택이 공기 포획 장치의 다양한 구성을 제공한다. 이들 구성이 기존 공간, 및 가격, 효율성 및 제조에 대한 최적화에 적합하게 맞춤화 및 모듈화를 가능하게 한다
b. 입방체형
입방체형은 효율적인 포장 배치 및 모듈화를 제공하여 성능 확대를 지지한다. 선택은 표준 20 및 40 피트 선박용 컨테이너에 조화되도록 구성되는 CO2 포획 시스템이며, 여기서 공기 포획 장치는 실질적으로 입방체형일 것이다.
공기 포획 장치는 또한 집합적으로 목적하는 CO2 포획 성능을 제공하는 다수의 분리된 입방체형 모듈 영역으로 구성될 수 있다. 이것은 연속적이고 중단되지 않는 CO2 포획을 가능하게 하면서 각 영역을 따로따로 독립적으로 재생시킬 기회를 제공한다.
c. 원형
원형은 통상적인 상향 냉각 탑을 모방하는 디자인을 제공한다. 디스크는 이의 두께에 거쳐 치수 및 특징부가 일정한 "충실" 형태이도록 구성될 수 있다. 기류는 디스크의 회전 축에 평행한 경로를 따를 것이다.
한 배치에서, 공기 포획 디스크는 이것 위에 배치된 팬과 수평으로 배향되어 공기의 상향 흐름을 제공할 수 있다.
또다른 배치는 디스크 앞 또는 뒤에 존재하는 팬에 수직으로 배향된 디스크를 갖는다. 디스크는 활성 물질을 재생시키는 화학물질을 함유하는 용기를 통과하여 천천히 회전하도록 배열될 수 있다.
갱신 시장에서, 디스크는 기존 상향 냉각 탑 내에 맞도록 구성되어 이용가능한 드래프트의 이점을 가질 수 있다.
원형의 또다른 구성은 장치가 고리형 단면을 갖는 것이다. 이 구성에서, 처 리된 공기는 설비에 따라서 내향으로 또는 외향으로 구조물의 측면을 통해 방사상으로 이동할 것이다.
d. 기타 형태
중공형인 것을 포함하는 공기 포획 장치의 디자인에 이용가능한 많은 형태가 있다. 상기에 지시한 바와 같이 성능을 제어하는 것이 있음에도 불구하고, 이 구성은 설비의 제약에 매우 크게 의존적일 것이다.
e. 일정하지 않은 단면 형태
일부 예에서 공기 포획 장치의 일정하고 효율적인 성능을 보장하기 위해서 단면에 대한 조절이 필요할 수 있다. 이것이 일정하지 않은 단면 및/또는 비대칭 프로파일을 갖는 매트릭스 구성을 초래한다. 설비 인자, 인클로저 디자인 및 팬 성능이 또한 매트릭스의 최종 디자인 및 형태와 관련이 있을 수 있다.
f. 매트릭스 또는 비정련된 메시 형태
두께 1 mm x 폭 1 mm의 "누들" 스트랜드의 매트릭스 또는 비정련된 메시는 시판되는 1 mm 두께의 음이온 교환 물질의 시트를 절단으로써 형성된다. 이어서, 생성된 "누들"을 도 2h에 나타낸 것처럼 공기가 통과하는 도관에 느슨하게 패킹할 수 있다.
이롭게도, 높은 표면적과 낮은 압력 강하가 조합된 또다른 구조를 본 발명에 따라서 사용할 수 있다.
본 발명의 또다른 양태에서, 공기로부터 포획된 CO2는 영구적으로 격리된다. 영구적인 CO2 격리를 달성하도록 통합될 수 있는 몇몇의 독립적인 방법이 존재한다. 첨부된 도 7을 참고하면, 이러한 2가지 방법은 본 출원인의 출원인 미국 특허 제11/209,962호 (2005년 8월 22일자 출원)에 기재된 것과 같은 공기 포획 장치 및 통상적인 산업용 클로르-알칼리 공정이다.
클로르-알칼리 공정은 전해질 전지에서 예를 들어 해수의 전기분해에 의해서 NaCl로부터 상용의 염소 (Cl2) 및 수산화나트륨 (NaOH)를 제조하기 위한 일반적인 산업 공정이다. 전기화학 전류는 염소 이온이 염소 가스로 수집되는 애노드로 염소 이온을 이동하게 한다. 수산화나트륨 및 수소가 또한 형성된다. 전체 공정은 하기 화학량론적 관계식 하에서 수행된다.
I. 2H2O + 2NaCl → 2NaOH + H2 + Cl2 ΔH = +543 kJ/g-mole H2
염소의 전형적인 용도에는 펄프 및 제지 산업용 표백제뿐만 아니라 소독제가 포함된다. 수산화나트륨은 많은 화학물질 및 물질 제조 공정을 위한 매우 일반적인 공급 스택이다. 수소 스트림은 전형적으로 폐 스트림으로 간주된다. 열 및 전력 연료 공급원으로서 사용하기 위해서 일부 공장 설비가 이 폐 스트림의 일부를 회수하긴 하지만, 전세계에서 생성된 대부분은 단순히 발화된다. 즉, 제거하기 위해서 대기에서 연소된다. 일 양태에서, 본 발명은 이미 언급한 두 공정의 하류에 발열 공정인 사바티어(Sabatier) 환원 공정을 도입함으로써 기존 클로르-알칼리 공정으로부터의 생성물 및 페 스트림뿐만 아니라 공기 포획 시스템으로부터의 CO2 생성물 스트림을 이용한다. 보다 구체적으로는, 본 발명에 따르면, 공기 포획 시스 템에 수집된 CO2, 및 H2 폐 스트림은 승온에서 니켈 또는 루테늄 촉매 상에서 조합되어 하기 화학량론적 조건 하에서 이들 공급 스트림을 CH4 (메탄) 및 H2O (물)로 재형성한다.
II. CO2 + 4H2 → CH4 + 2H2O ΔH = -165 kJ/mole (25℃에서)
따라서, 본 발명의 일 양태에 따라서, 공기 포획 시스템으로부터의 이산화탄소 및 클로르-알칼리 공정으로부터의 수소 가스는 사바티어 공정을 위한 공급 스트림으로서 사용된다. 낮은 압력 (대략 1 bar) 및 400℃ 내지 600℃의 작동 온도에서, 메탄올 및 물 증기의 생성물 스트림이 분출된다. 메탄 중의 탄소를 영구적으로 제거하기 위해서, 메탄 가스는 플라스틱 처리 산업을 위한 공급원료가 될 수 있다. 메탄 가스는 또한 합성 연료로서 연소될 수 있고, 액체 합성 연료를 형성하기 위한 공급원료로서 사용될 수 있다.
클로르-알칼리 공정의 생성물 스트림의 추가 통합에 의해서 부가적인 CO2 제거를 달성할 수 있다. 상기에 기재된 바와 같이, H2 스트림은 사바티어 공정을 통해 CO2를 격리시키는 것을 돕는데 사용된다. NaOH 스트림은 또한 CO2를 포획하고 격리하는데 사용될 수 있다. 구체적으로는, NaOH는 CO2에 대한 강 용매이다. 따라서, 대기에 NaOH를 노출시킴으로써, 대기의 CO2가 NaOH와 반응하여 하기 반응식에 따라서 안정한 탄산염을 형성할 것이다.
III. 2NaOH + CO2 → Na2CO3 + H2O, 및
IV. NaOH + CO2 → NaHCO3
이들 화합물은 환경, 특히 해양에서 자연적으로 발생한다. 따라서, NaOH가 대기중의 CO2와 완전히 반응하면, 해양 생태계에 보완적인 생성된 탄산염이 해양으로 도입될 수 있고, 고유한 해양 생물에 의해 사용되어 단단한 산호 및 조개 껍질과 같은 생명체를 형성할 수 있다. 또다른 가능성은 해양으로의 NaOH의 직접 주입이고, 이것은 해양의 pH를 변화시키고 해양을 상기한 본 출원인의 PCT 특허 출원 제PCT/US06/029,238호에 기재된 바와 같은 대기의 CO2 수집기로서 작용하게 할 것이다.
염소 생성물 스트림은 예를 들어, 천연 수산화마그네슘 (MgOH)과의 반응을 통해 지표면 내에 안전하게 격리될 수 있다. 염소는 물 중에서 해리되어 염화수소산을 생성하고, 이것이 수산화마그네슘과 반응하여 다양한 산업 용도를 갖는 염화마그네슘 및 물을 생성한다. 또다른 가능성은 영구적인 미네랄 격리를 위해서 동일계에 미네랄 염을 남겨두는 것이다.
물론, NaOH, Cl2 및 HCl의 클로르-알칼리 생성물 스트림은 또한 시판가능한 상품이어서, 처분과 대조되는 수익 생성을 위해서 사용될 수 있다.
또다른 가능성은 깊은 물웅덩이 또는 깊은 해양 저장소에 CO2를 직접 주입하는 것을 포함한다.
본 발명은 몇 단계에서 탄소 배출권을 발생시킨다. 한 탄소 배출권은 공기로부터 CO2를 제거함으로써 발생한다. 부가적인 탄소 배출권은 탄소를 탄산나트륨으로서 격리시킴으로써 발생한다. 두 탄소 배출권은 탄소를 중탄산나트륨으로 전환시킴으로써 얻는다. 부가적인 탄소 배출권은 또한 탄소를 미네랄에 산 주입함으로써 (즉, 염을 형성함으로써), 또는 깊은 물웅덩이 또는 깊은 해양 저장소에 CO2를 통과시킴으로써, 또는 탄소를 플라스틱 메탄 또는 합성 연료로 격리시킴으로써 얻을 수 있다
본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 다양한 변화가 가능하다. 예를 들어, 음이온성 교환 표면 흡착제를 재활성화시키기 위해서 NaOH를 기재하였지만, 본 발명은 흡착제로서 수산화나트륨을 사용하는 것으로 제한되지 않고, 탄산나트륨과 같이 이산화탄소를 흡착할 수 있는 기타 흡착제를 본 발명에서 사용할 수 있다. 또한, 공기 포획 장치의 골격을 형성하기 위한 바람직한 물질로서 이온 교환 물질을 기재하였지만, 상기한 본 출원인의 PCT 특허 출원 제PCT/US06/029238호 및 동 제PCT/US05/029979호에 기재된 것과 같은 기타 공기 포획 장치를 이롭게 사용할 수 있다. 또한, 음이온 교환 시트 물질로부터 "누들"을 절단하는 것 이외에, "누들"이 직접 형성되도록, 음이온성 교환 수지 물질을 분쇄하고 결합제 중의 분쇄된 수지 물질을 압출하여 음이온 교환 물질의 실을 형성할 수 있다. 또한 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 또다른 용도에 사용될 수 있다.

Claims (19)

  1. 공기의 흐름에 노출되는 매트릭스 내에 형성된 음이온 교환 물질을 포함하는, 대기로부터 CO2를 포획하기 위한 장치.
  2. 제1항에 있어서, 물질이 복수의 다각형으로 형성된 것인 장치.
  3. 제1항에 있어서, 물질이 복수의 정사각형, 직사각형, 삼각형, 사다리꼴, 오각형, 또는 육각형으로 형성된 것인 장치.
  4. 제1항에 있어서, 물질이 나선 권취형 디스크로 형상화된 것인 장치.
  5. 제1항에 있어서, 물질이 복수의 동심원적 층으로 형상화된 것인 장치.
  6. 제1항에 있어서, 물질이 원뿔대로 형상화된 것인 장치.
  7. 제1항에 있어서, 물질이 복수의 루버(louver)로 형상화된 것인 장치.
  8. 제1항에 있어서, 물질이 폴리스티렌 또는 셀룰로오스 기재 음이온 교환 수지 로 형성된 것인 장치.
  9. 제1항에 있어서, 물질이 메시(mesh)로 형성된 것인 장치.
  10. 제1항에 있어서, 냉각 탑 내에 설치된 장치.
  11. 제1항에 있어서, 배출 시스템 내에 설치된 장치.
  12. 벌집형 또는 메시로 형성된 음이온성 막 물질을 포함하는, 대기로부터 CO2를 포획하기 위한 장치.
  13. 공기를 제1항에 기재된 장치와 접촉하도록 통과시켜 CO2를 음이온성 물질로 포획하는 단계, 및 음이온성 물질을 처리하여 포획된 CO2를 제거하고 농축하는 단계를 포함하는, 공기로부터 CO2를 제거하기 위한 방법.
  14. 제13항에 있어서, 포획된 CO2를 메탄으로 전환시키는 단계를 포함하는 방법,
  15. 제14항에 있어서, 포획된 CO2가 사바티어(Sabatier) 공정에 의해 메탄으로 전환되는 방법.
  16. 제13항에 있어서, 포획된 CO2가 액체 합성 연료 또는 플라스틱으로 전환되는 방법.
  17. 제13항에 있어서, 포획된 CO2가 깊은 물웅덩이 또는 깊은 해양 저장소로 통과되는 방법.
  18. 알칼리성 해수 또는 염수와 접촉시킴으로써 공기로부터 CO2를 제거하고, 해수 또는 염수가 H2, Cl2 및 NaOH로 분해되고 Cl2가 염기성 지면에 주입되어 염을 형성하는, 공기로부터 CO2를 제거하기 위한 방법.
  19. 제19항에 있어서, NaOH를 해수 또는 염수에 다시 첨가하여 알칼리성을 증가시켜서, 대기의 CO2를 포획하는 해수 또는 염수의 능력을 증가시키는 방법.
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