KR20090129511A - 공기로부터 이산화탄소(co2)의 포집 방법 - Google Patents

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에드 레온-구에레로
우르슬라 긴스터
티모시 카터슨
칼 매디슨
류헤이 이시가와
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마크 말콤슨
핑 리우
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글로벌 리서치 테크놀로지스, 엘엘씨
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Abstract

가스 스트림으로부터 이산화탄소를 제거하는 방법을 개시하며, 상기 방법에는 가스 스트림과 수지가 접촉되도록 두고, 수지를 물로 습윤시키며, 수증기 및 이산화탄소를 수지로부터 수집하고, 수증기로부터 이산화탄소를 분리하는 단계를 포함한다. 수지는 챔버 또는 연속적으로 연결된 다수의 챔버에 위치되는데, 연속적으로 연결된 다수의 챔버에서, 제1 챔버에 가스와 처음으로 접촉하는 수지가 포함되고, 마지막 챔버에 이르기까지 각 연결된 챔버에 습윤된 수지 및 이전의 챔버보다 긴 시간 동안 수집된 이산화탄소가 포함된다. 수증기로부터 이산화탄소를 더욱 분리하기 위하여 제2 흡수체를 사용할 수 있다.

Description

공기로부터 이산화탄소(CO2)의 포집 방법{CAPTURE OF CARBON DIOXIDE(CO2) FROM AIR}
본 발명은 공기로부터 특정 가스를 제거하는 방법 및 장치에 관한 것이다. 본 발명은 특히 공기로부터 이산화탄소를 추출하는 데 유용하며, 그 외에 다른 유용성들도 있으나, 상기 유용성과 관련하여 기술하기로 한다.
대기 중 이산화탄소의 증가는 지표 온도의 상승에 주요한 원인이 되는 것으로 알려져 있다. 이러한 현상을 지구 온난화라고 한다. 다양한 이산화탄소 배출원 중에서는, 배출원에서의 배출완화가 현실적으로 어려운, 그 규모가 작고 전세계적으로 분포되어 있는 배출체들(emitters)이 있다. 뿐만 아니라, 탄화수소를 연료로 사용하는 발전소(hydrocarbon-fueled power plants)와 같은 큰 규모의 이산화탄소 배출체들 역시, 대기 중으로의 이산화탄소 배출이 충분히 제어되고 있지 않다. 이러한 대규모 배출이 다른 배출과 결합하여 대기 중의 이산화탄소 농도를 급격히 증가시킨다. 모든 배출체들이 배출 단계에서 제어되지 않는 이상, 증가하고 있는 대기 중 이산화탄소를 포집하기 위한 기술이 필요하다. 이산화탄소의 배출을 줄이려는 노력뿐만 아니라 대기 중의 이산화탄소를 직접 포획하려는 새로운 기술 개발에 대한 노력 역시 진행 중이다. 이러한 노력들은 이산화탄소가 대기 중으로 다시 도 입되는 것을 막는 방법으로 이산화탄소를 취급하는 방법론에 관한 것이다.
이산화탄소의 배출은 다양한 산업 분야, 예컨대 석탄으로부터 전력을 생산하는 발전소, 엔진과 같은 연소장치에서 연소되는 연료의 주성분인 탄화수소의 사용 등에 의해 이루어진다. 상기 연소장치로부터 배출된 배기가스에는 이산화탄소가 포함되어 대기 중으로 배출된다. 그러나 온실가스에 대한 우려에 따라, 모든 이산화탄소 배출원으로부터 이산화탄소 배출이 감소되어야 한다. 자동차 또는 비행기 등의 운송 수단에 있어서는 운송 수단 중의 연소장치로부터 이산화탄소를 포집 하는 것보다 공기 중에서 이산화탄소를 포집 하는 것이 바람직할 수 있다. 공기 중으로부터 이산화탄소를 제거할 때의 장점은 운송 수단에 이산화탄소를 저장할 필요가 없다는 점이다.
대기 중으로부터 이산화탄소를 추출하게 되면 탄소 기반의 원료를 사용하는 것이 가능하게 되고, 관련된 온실 가스 배출을 처리할 수 있게 된다. 이산화탄소는 ppm(parts per million) 양으로는 독성이 있다거나 해롭다거나 하지는 않고 대기 중에 축적됨으로써 환경 문제를 야기하기 때문에, 시간과 장소를 달리하여 배출된 이산화탄소와 동일한 정도의 양을 공기로부터 제거할 수 있게 된다.
그러나, 공기로부터 이산화탄소를 포집 하는 대부분의 종래기술은 오히려 비효율적인 방법이었는데, 이는 이러한 공정들이 공기를 가열 또는 냉각하거나, 상당한 양으로 공기의 압력을 변화시키는 공정들이었기 때문이다. 결과적으로, 이산화탄소 제거 공정으로 대기 중의 이산화탄소를 제거하는 양과, 상기 공정에 소모되는 전력에 의해 부산물로 생성되는 이산화탄소의 양을 고려하면, 최종적으로 대기 중 에 이산화탄소가 제거되는 양은 거의 미미한 것이었다.
본 출원인은 선행 출원을 통하여, 대기 중으로부터 이산화탄소를 추출하기 위한 관능성 이온교환수지(functionalized ion exchange resin)의 사용을 기술한 바 있다. 특히, 본 출원인의 '326출원에서, 강염기 이온교환수지에 대하여 개시한 바 있는데, 강염기 이온교환수지는 강한 함습 작용(strong humidity function)이 있어서, 이산화탄소를 습윤 상태로 포집(take up)하는 경향은 적고, 이산화탄소를 습윤 상태로 배출(give up)하는 경향은 크다. 본 발명은 이온교환수지(IER)를 사용한 개선된 공기 포집 장치(air capture device)를 제공한다.
이온교환이라 함은, 불용성 고체상 물질(insoluble solid phase material)로부터 이온이 방출되어 고체상 물질을 둘러싼 용액 중의 다른 이온과 교환되는 가역적인 과정을 의미한다. 이온교환수지의 수화가 거의 일어나지 않아 이온교환수지 상에 육안으로 보이는 수분이 거의 없어서, 수분 함량(water content)이 일반적으로 용액을 구성하는 것으로 고려되지 않는 경우에도 상기 용어를 사용한다.
본 발명에서 습윤 이온교환수지(wetting ion exchange resin)에 대하여 언급한다. 습윤(wetting)이라 함은, 수지를 물에 노출시키거나 수증기압을 증가시키는 것을 말한다. 증기압의 증가(enhanced vapor pressures)라 함은, 특히 정의되지 않는 한, 이산화탄소를 수집할 때 미리 수지에 노출시킨 과량의 수증기 부분압을 말한다.
통상 상업적으로 사용되는 이온교환수지는 보통 클로로메탈레이션(chloromathalation)을 통하여 음이온 형태(anionic form)로 아민화된 폴리스티렌 또는 셀룰로오스를 기본 골격으로 한다. 여기에 아민기가 공유결합되면 아미노기의 이온성 어트리뷰트(ionic attribute)를 사용하는 이온교환 사이트(ion exchange site)로 거동할 수 있게 된다. 그러나, 다른 이온교환 물질들 역시 대기로부터 이산화탄소를 수집하는데 사용될 수 있다.
제조 기술에 따라 수지의 특정 성질을 조절할 수 있는데, 본 발명은 수지의 특정 성질을 조절하도록 설계함으로써 특정한 적용에 가능하도록 하는 것을 하나의 목적으로 하고 있다. 중요한 조절 수단 중의 하나는, 폴리머 스트랜드(strands) 간의 크로스링킹 정도(degree of crosslinking)이다. 도 2는 공유결합에 의하여 두 개의 폴리머 스트랜드가 크로스링크되어 연결되는 방식을 도시한 도면이다. 이는 두 개의 크로스링트된 스트랜드 사이에 벤젠 고리를 공유함으로써 이루어진다.
이온교환수지에 있어서, 크로스링킹 정도는 수지의 수분 보유 능력(water retention ability)을 나타낸다. 수지의 이온성으로 인해, 물은 부착된 전하와 균형을 이루는 이온에 대한 친화력이 높기 때문에 물이 수지에 부착된다. 수지와 평형을 이루는 물의 양은 수지 중에 함유된 이온성 염(ionic salt)의 상대적인 농도를 나타낸다. pH로 이산화탄소 흡수의 반응 역학(reaction kinetic)을 조절할 수 있다.
폴리머의 관능기화 정도는 클로로메탈레이션(chloromathalation) 및 아민이 공유결합하는 아미노화반응(amination)이 일어나는 동안 반응물(reactants)의 농도를 변화시킴으로써 조절할 수 있다. 부피 당 관능기의 수는 수지의 저장 능력(storage capacity)를 결정한다. 아민기 사이트가 많을수록 이온이 더 많이 저장될 수 있다. 반면, 아민기 사이트가 너무 많으면, 수지 간의 쿨롱 힘(Coulombic forces) 때문에 많은 이온이 통과할 수 없다. 단단하게 결합된 수지 중의 입체 방해(steric hindrance)는 이온교환될 원자 종류에 영향을 미친다.
아민기 타입은 설정가능한 어트리뷰트(customizable attribute)이다. 부착된 일부는 암모니아나 2-아미노디프로판올아민 등과 같은 복합체 분자와 같은 단순한 화학물질일 수 있다. 아민기 중 수소 이온을 다른 유기 체인으로 치환함으로써, 수지에 부착되는 이온기의 염기도(basicity)를 결정할 수 있다. 카운터 전하(counter charges)로 거동하는 음이온이, 부착된 아민 양이온(amine cations)으로 이동함으로써 수지의 이산화탄소 흡수 동력학에 영향을 주게된다. 예컨대, 질소원자에 부착되어 있는 다른 많은 서브그룹에도 불구하고 Cl- 또는 OH-와 같은 작은 음이온은 일반적으로 수지 중에서 매우 이동성이 좋다. 반면, CO3 = 또는 NO3 =와 같은 큰 음이온들은 비교적 이동성이 적고, 유기 서브그룹이 아민기에 부착됨으로써 이동성이 없어진다.
수지에 부착된 아민 타입은 아민의 이온 해리(ionic disassociation) 정도에 영향을 미친다. 질소 원자는 3개의 공유결합을 형성할 수 있으나, 양이온으로서는 4차 공유결합을 형성할 수 있다. 암모니아와 물이 반응하여 수산화암모늄을 형성한다(NH3 + H2O ?? NH4 + OH-). 그러나 암모니아가 약 염기이기 때문에, 평형은 NH3 쪽으로 치우치게 된다. 암모니아가 폴리머 골격에 부착될 때 평형이 이동되는 정도를 조절할 수 있다. R-NH2 의 경우에는 아민기가 중성 상태인 R-NH2으로 존재하거나 R-NH3 + 형태의 양이온 사이트를 형성할 수 있다. 사이트가 이온화되는 정도는 R에 따라 달라진다. 또한 분자 내의 수소 원자들을 치환하여 이온화 정도를 변화시킬 수도 있다. 극단적인 경우는 4개의 유기 잔기가 4급 암모늄을 형성하는 질소 원자에 부착되어 양(+)으로 이온화된 상태로 고정되는 것이다. 질소의 4개의 결합 모두가 사용되어 폴리머 매트릭스에 결합함으로 인해 질소는 암모니아 NH3 역방향의 평형이동에 더 이상 참여할 수 없게 된다. 수산기는 4급 암모늄의 양이온 사이트와 이온으로 결합하기 때문에, 생성된 염기는 완전히 해리된다. 따라서 4급 아민 수지가 강염기 수지로 알려져 있다. 암모늄이 완전히 해리되면, NaOH와 같이 다른 강염기와 마찬가지로 거동한다. 암모늄은 고체 폴리머에 부착될 필요가 없어 완전히 해리되고, 테트라메틸-암모늄-하이드록사이드 또는 완전히 해리되는 다른 유기 액체들의 경우도 마찬가지이다. 상기 화합물들은 강한 토금속 염기(earth metal bases)와 등가로 고려되고, 상기 이온성 액체들은 이산화탄소를 매우 잘 흡수하는 것으로 관찰된다. 따라서 상기 이온성 액체들을 흡수체(sorbents)로 사용할 수 있고 공기로부터 이산화탄소를 제거할 수 있게 된다.
상기에서 살펴본 바와 같이, 아민기가 염기로 거동할 수 있는 정도는 질소에 부착된 기의 타입에 따라 조절할 수 있다. 모든 가능한 반응 사이트를 탄소기로 채움으로써 강염기를 제조할 수 있는 것처럼, 부착되는 기를 제한함으로써 약염기를 제어할 수 있다.
이온교환수지(IER)를 직접적으로 적용함으로써, 물에 대한 높은 친화성 및 인터널 이온 서큘레이션 메커니즘(internal ion circulation mechanism)과 같은 재미있는 특성이 나타난다. 이러한 특성으로 이산화탄소 포집에 있어서는 연속적으로 습윤할 필요 없이 유효한 OH-- 표면을 형성할 수 있다. 활성 OH-- 표면(active OH-- surface)을 형성할 수 있을 뿐만 아니라, 상기 특성을 이용하여 표면의 pH를 조절할 수 있다. 또한, 이산화탄소 흡수는 수지 매트릭스의 수분함량에 의존적이다.
강염기 용액으로 거동하는 고체 표면을 생성함으로써 다음과 같은 장점이 있다:
1. 안전성(safety): OH-- 기는 고체 표면에 부착됨으로써, 이동은 되지 않고 치환에 의한 제거만이 가능하다. 따라서, 강염기 화학물질이 주변환경으로 배출될 위험이 없다. 뿐만 아니라, 공기 중에 에어로졸을 형성하여 주변환경으로 배출되는 액체도 없다. 수지 제조업자들은 강한 산화제와 접촉되지 않도록 IER을 고려하여야 한다.
2. 환경적인 부산물 제거(environmental by-products elimination): 수집기(collector)는 매우 많은 양의 공기와 접촉하기 때문에, 공기 수집기에 공기에 포함되어 있던 먼지(dust), 오염물(pollen) 및 다른 불순물들(impurities)이 수집되기 쉽다. 기체-액체 접촉 시스템(gas-liquid contact configuration)에 있어서는 이러한 점이 문제가 된다. 장치의 오염 및 비용 추가가 되지 않게 하기 위해서는 도입되는 공기의 업스트림 여과(upstream filtration) 또는 다운스트림 분리 공정(downstream separation process)에서의 부가적인 여과가 필요하다. 고체 OH-- 표면은 배타적으로 음이온과 이온성 결합을 하기 때문에, 먼지 또는 파편과 같은 오염물을 고체 표면 및 포획된 음이온에 영향을 주지 않으면서 고체 표면으로부터 제거할 수 있다. 세정 용액 중에는 고체 또는 화학물질이 함유되어 있지 않기 때문에 후속의 조치 없이 세정 용액으로 전형적으로는 식수(potable water)를 사용할 수 있다.
3. 구조(structure): 대부분의 폴리머는 아민화되기 때문에, 구조적으로 안정한 표면에 아민기를 직접 도입하여 접촉 표면(contact surface)을 제공할 수 있을 뿐만 아니라 사실상 수집기(de facto collector)로 작용할 수 있다. 이로써 기계적 디자인이 단순화되고, 제조 비용을 절감할 수 있으며, 조립이 용이하다.
5. 이온 플로우 동역학(ion flow dynamics): 이온교환수지가 인터널 서피스 리제너레이션 메커니즘(internal surface regeneration mechanism)을 포함한다는 것이 실험을 통하여 알려져 있다. 이론에 국한되는 것은 아니지만, 이는 수지 및 공기와의 접촉으로 형성된 이온 농도구배(ionic concentration gradients) 사이의 수분 보유(water retention)에 기인한 것으로 생각된다. OH-- 표면에 이산화탄소를 함유하는 스트림이 접촉하면, H+ 및 OH- 사이의 산-염기 반응으로 물이 생성되고 수지 상의 OH- 가 HCO3 - 기로 치환된다. 수지 사이에는 다양한 레벨의 OH-- 표면이 있기 때문에, 농도 구배가 형성되어 수지 사이에 이온의 이동이 발생된다. 표면 상에는 카보네이트 또는 바이카보네이트 이온이 고농도로 존재하고 수지 사이는 저농도이기 때문에, 카보네이트가 내부로 이동하고, 동시에 반대의 농도 구배 역시 수지 내부의 OH- 음이온을 표면으로 이동시킨다. 각 농도 구배는 다른 농도 구배를 촉진시키고, 가스 흡수 동역학을 방해하지 않는 충분한 반응 속도를 생성한다.
5. 수분 손실(water loss): 수집기에 있어서 일반적으로 고려되지는 않으나 중요한 요소 중의 하나가 수분 손실이다. 수분 손실은 수용액 기반 접촉기(aqueous solution based contactor)와 관련이 있다. 일반적으로 수분 손실은 수집된 이산화탄소량의 10 내지 100 배 또는 그 이상이다. 관능기화된 고체 표면 수집기를 건조 조작함으로써 수분 손실을 감소시킬 수 있다.
6. pH 조절(pH control): 크로스링크를 통해서 수화된 물의 양을 감소시킴으로써, 고체의 유효 pH를 조절할 수 있다. 또한, 고체 상의 OH- 기의 상대 밀도를 증가시킴으로써 pH를 조절할 수도 있다.
육안으로는 액체 부착이 되어 있지 않은 건조 수지는 상당한 양의 이산화탄소를 흡수할 수 있고, 아민 사이트 당 하나의 이산화탄소 분자가 있는 로딩 스테이트(loading state)에 이를 수 있다. 습윤 수지는 2개의 아민 사이트 당 하나의 이산화탄소 분자를 흡착할 수 없다. 전자의 경우, 수지는 바이카보네이트 염과 등가인(equivalent) 카보네이션 스테이트(carbonation state)에 도달하게 되는데, 반면 후자의 경우에는 등가 염(equivalent salt)이 카보네이트이다. 데이터에 따르면, 건조 수지의 경우에, 카보네이트 보다 적은 부분적인 로딩(partial loading)으로부터 카보네이트를 실질적으로 초과하는 로딩(loading)으로 시스템이 이동함에 따라 반응 역학이 급격하게 변하지 않는다. 이는 카보네이트 이온과 바이카보네이트 이온이 공존하는 시스템에 적합하다.
상기로부터, 공기(실외 및 실내 공기 모두)로부터 상당한 양의 이산화탄소를 흡수하는 것이 가능하고, 흡수체 수지를 액체 형태 또는 수증기 형태를 모두 포함하는 상당한 양의 물에 노출시킴으로써 흡수체 수지로부터 상당량의 이산화탄소를 구축할 수 있다.
따라서, 고체 흡수체로부터 이산화탄소의 방출을 유도하고, 상기 부분압에서 가스 스트림으로부터 이산화탄소를 제거할 수 있고 고체 흡수체 가까이에 있는 액체 흡수체 중에서 이산화탄소를 다시 포집할 수 있다. 이하, 물에서 이온교환물질의 습윤을 수행하는 것을 워터 스윙(water swing)이라 하고, 수증기 부분압을 증가시키면서 습윤을 수행하는 것을 습윤 스윙(humidity swing)이라고 한다.
수지를 순수(pure liquid water)에 노출시키면, 방출된 이산화탄소를 보유할 수 있는 물의 흡수력(capacity)이 매우 제한되고, 대부분의 이산화탄소는 물질을 습윤시키는 물 필름(water film)에 인접한 가스 상에서 수집될 것이다. 실험을 통하여, 액체 습윤 이온교환수지(liquid wetted ion exchange resin)를 초과하는 이산화탄소의 부분압이 50mbar를 초과하는 것을 확인할 수 있었다. 그러나, 물에 염기를 함유함으로써, 주변의 기체 공간으로 이산화탄소를 방출하는 것보다, 용액 중에 이산화탄소가 함유되도록 할 수 있다. 이로써 이온교환수지의 카보네이트 워시(carbonate wash)가 가능하다. 용액 중의 물은 수지로부터 과량의 이산화탄소가 방출되도록 하고, 방출된 이산화탄소는 카보네이트 용액으로부터 바이카보네이트 용액으로 용액을 전환시킨다. 상기 바이카보네이트 함수(brine)는 이산화탄소를 방출하여 카보네이트 용액으로 다시 전환된다. 카보네이트 용액은 다시 이산화탄소로 부분적 또는 완전히 포화된 다음 수지를 워싱한다.
바이카보네이트로부터 이산화탄소를 분리하는 방법은 전기투석 셀 스택(electrodialytic cell stack)을 사용하는 것이다. 전기투석 셀 스택은 염(바이카보네이트, 예컨대 소듐 바이카보네이트)을 염기(카보네이트, 예컨대 소듐 카보네이트)와 산(탄산, 물과 이산화탄소로 분리되어 이산화탄소를 방출)으로 분리한다. 이산화탄소와 같은 약산의 경우에는, 중간에 희석 염 스트림(dilute salt stram)을 생성하지 않고 양이온(예컨대 소듐 이온)을 산 챔버로부터 염기 챔버로 이동시키는 양이온성 막(cationic membrane) 만으로 염을 분리할 수 있다. 도 10은 염을 분리하는 디자인이 도시되어 있다.
바이카보네이트 용액으로부터 이산화탄소를 회수하고 카보네이트 용액을 다시 생성하는 다른 방법은 다음과 같다. 우선, 전기화학적 분리(electrochemical separation)에는 다양한 변수가 있다. 예컨대, 일련의 양극성(bipolar), 양이온성(cationic) 및 음이온성(anionic) 막을 사용하는 통상적인 염 분리기(salt splitter)를 사용할 수 있다. 이 경우 염 용액은 희석되어 희석된 물의 스트림으로 회수된다. 일련의 양극성 및 음이온성 막인 스택(stack)을 사용할 수도 있다. 이러한 경우에는, 양이온이 아닌 바이카보네이트 이온이 막 사이를 통과한다.
모든 회수과정이 자연 상태에서 전기화학적인 것은 아니다. 용액을 가열하여 이산화탄소의 방출을 유도할 수 있다. 또한 용액을 냉각하여, 소듐 카보네이트보다 용해도가 낮은 소듐 바이카보네이트의 침전을 촉진시키고, 연속된 과정으로 고체 소듐 바이카보네이트를 소성시켜 이산화탄소, 증기 및 소듐 카보네이트를 생성할 수 있다.
무기 함수 용액(inorganic brine solution)을 사용하는 것 보다, 아민 용액을 사용하여 막으로부터 방출되는 이산화탄소를 포집할 수 있다. 이러한 경우에는, 용액 중에서 유기 아민에 의해 수지가 분해될 수 있으므로, 수지와 아민의 화학적 적합성(chemical compatibility)이 중요하다. 이 경우에도 역시, 액체 아민에 특히 적합한 회수 기술을 사용할 수 있다. 이산화탄소의 배출은 물의 존재에 의해 촉진되기 때문에 약한 아민(weak amine)을 이용하거나 매우 약한 알칼라인 함수(weakly alkaline brine)를 사용하는 것이 도움이 된다.
일반적으로, 물 또는 수증기의 존재에 의해 이산화탄소의 배출이 촉진되기 때문에, 강염기 이온교환수지로부터 이산화탄소를 회수하는 것이 도움이 될 수 있다. 물이 약간 알칼리성인 경우, 배출된 이산화탄소는 물에서 후속의 공정으로 회수될 수 있는 주위의 가스상 공간으로 배출될 수 있다. 수지 표면을 습윤하기 위하여 물 보다 수증기를 사용하는 공정은, 습윤 스윙을 발생시키기 위하여 소금물(saltwater) 또는 다른 오염된 물을 사용할 수 있다는 부가적인 장점이 있다. 후속의 수지 건조 공정에서 수분 손실을 감소시킬 수 있다는 점 외에, 경제적인 측면에서 소금물 또는 폐수(grey water)를 사용함으로써 사용되는 물의 비용을 낮출 수 있다는 장점이 있다.
수증기에 의해 스윙을 유도하는 경우, 이산화탄소가 가스 공간으로 배출되기 때문에 다른 방법으로 수집하여야 할 필요가 있다. 이와 같은 회수에는 몇 가지 방법이 있다. 첫째는 폭넓게 사용될 수 있는 제2 흡수체(secondary sorbent)를 사용하는 것이다. 건조 수지보다 이산화탄소에 대한 결합력이 약한 흡수체를 사용하는 것이 유리하다. 물 또는 수증기의 존재는 실질적으로 이산화탄소의 평형 부분압(equilibrium partial pressure)을 높여 제2 흡수체의 최소 요구 결합에너지를 감소시킨다. 실험에 따르면, 물 또는 습윤 스윙은 제2 흡수체가 50 밀리바(milibar)를 초과하는 이산화탄소의 부분압에서 작동되도록 한다. 직접적으로 수지와 접촉할 필요가 없는 제2 흡수체는, 예컨대 약 염기 수지와 같은 다른 수지, 액체 아민 용액, 부분적으로 카보네이트 및/또는 바이카보네이트 로딩이 되어 있거나 되어있지 않은 알칼라인 함수(alkaline brine), 활성 탄소 베드, 제올라이트 베드 등을 포함할 수 있다.
본 발명을 보다 상세히 설명하기 위하여, 이산화탄소 포집 과정을 이용한 방법 및 장치의 구체적인 예를 기술하기로 한다.
하나의 관점에서, 본 발명의 일 실시예는 수지에 전체적으로 또는 부분적으로 이산화탄소를 포집하기 위해 수지와 접촉하는 이산화탄소를 포함하는 가스 스트림(gas stream)을 발생시키는 단계, 흡수된 이산화탄소를 부분적으로 배출하기 위하여 상기 수지를 물 또는 수증기에 습윤시키는 단계, 수지로부터 수증기 및 이산화탄소를 수집하여 가스 스트림(gas stream)으로부터 이산화탄소를 추출하는 단계, 및 하나 이상의 방법을 통하여 수증기로부터 이산화탄소를 분리하는 단계를 포함한다. 또한, 다른 실시예로서, 습윤 단계가 알칼라인 워싱 용액(alkaline washing solution)으로 수행되는데, 상기 알칼라인 워싱 용액(alkaline washing solution)은 이산화탄소 흡수체(sorbent)가 되고, 용액 중의 물은 수지로부터 워싱 용액 중의 알칼리도(alkalinity)에 의해 흡수 또는 함유된 이산화탄소의 배출을 유도한다.
본 발명은 수지에서 이산화탄소의 포집 및 물에서 이산화탄소의 배출을 향상시키는 기질 물질(substrate materials)을 제공한다. 탄산무수화 효소(carbonic anhydrase)를 물에 가하여 공정의 진행을 도울 수 있다. 습윤 공기(humid air) 또는 스팀(steam) 또는 물(liquid water)로 수지를 습윤 시킬 수 있다. 실험을 통하여, 액체로 덮인 표면(liquid covered surface)을 형성할 필요가 없음을 확인할 수 있었다. 구체적으로는 상기 공정은 업라이트 타워 어셈블리(upright tower assembly)에서 이루어질 수 있다.
다른 관점으로는, 본 발명의 공정은 제2 흡수체(secondary sorbents), 예컨대 약한 액체 아민(weak liquid amine) 또는 소수성 활성화된 탄소(hydrophobic activated carbon)를 사용하여 이산화탄소와 수증기를 분리시킬 수 있다. 제2 흡수체는 제1 흡수제의 작용을 방해하지 않기 때문에, 이산화탄소를 수지로부터 바로 워싱하는 것이 가능하다.
본 발명은 또한, 연속적으로 연결된 다수의 챔버에 수지를 배치하는 것을 제공하는데, 제1 챔버의 수지에 가스 스트림으로부터 이산화탄소가 가장 먼저 포화되고, 마지막 챔버에 이르기까지 이어지는 각각의 챔버에 습윤된 수지 및 직전의 챔버에서 보다 더 많은 시간 수집된 이산화탄소가 포함된다. 다수의 챔버는 다수의 밸브로 연결되는데, 밸브의 연결에 따라 제1 챔버를 결정할 수 있다.
본 발명의 또 다른 관점은, 고체-가스 교환을 위한 세공 크기가 큰 공간(large pore space)와 고체-스팀 및 고체-액체 교환을 위한 세공 크기가 작은 공간(small pore space)를 변경할 수 있는 수집기를 제공한다. 이와 같은 변경은 세공 사이즈(pore size)를 변경하거나 세공 사이즈를 다양화한 구조를 사용함으로써 만들 수 있다. 고정된 세공 사이즈 시스템(fixed pore size system)도 포함된다.
또 다른 관점으로는, 본 발명은 이산화탄소를 포집하고, 관능기화된 매질(functionalized medium)을 염기성 용액으로 세정함으로써 카보네이트 또는 바이카보네이트 농도가 높은 유출액(effluent)을 생성하는 과정을 포함한다.
본 발명의 또 다른 장점은 하기 상세한 설명과 도면을 통하여 더욱 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 공지 기술에 따른 이온교환 과정을 도시한 도면이다.
도 2는 공지 기술에 따른 이온교환수지에 있어서의 공유결합을 도시한 도면이다.
도 3은 물을 가하여 수지로부터 이산화탄소를 방출시키는, 본 발명에 따른 이산화탄소의 포집을 위한 이온교환 과정을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 이산화탄소의 포집을 위하여 약한 액체 아민을 사용 하는 과정을 나타낸 도면이다.
도 5는 다수의 챔버를 연속적으로 사용하는, 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소의 포집을 위한 이온교환 과정을 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 챔버 사이의 유속을 조절하기 위하여 밸브를 사용하는 이산화탄소의 포집을 위한 이온교환 과정을 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 활성화된 탄소를 사용하여 이산화탄소를 포집하기 위한 이온교환 과정을 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명에 따른 업라이트 실린더형 타워를 도시한 도면이다.
도 9A 및 9B는 본 발명의 일 실시예에 따른 수집기의 회전 형상(roll geometry)을 나타낸 도면이다.
도 10A 및 10B는 본 발명의 일 실시예에 따른 수집기의 평평한 시트 형상(flat sheet geometry)을 나타낸 도면이다.
도 11A 및 11B는 본 발명의 일 실시예에 따른 접을 수 있는 수집기(collapsible collector)를 나타낸 도면이다.
도 12A 내지 12F는 본 발명의 일 실시예에 따른 수집기의 고정 형상(fixed geometry)을 나타낸 도면이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기투석 셀(electrodialysis cell)을 갖는 본 발명의 장치를 나타낸 도면이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기투석 셀(electrodialysis cell)을 갖는 본 발명의 장치를 나타낸 도면이다.
본 발명은 수분 레벨(moisture levels), 온도 및 압력을 변화시킴에 따른 이산화탄소 평형압(equilibrium pressure)의 이동(swing)에 근거한 것이다. 이러한 변수들을 조합함으로써 수지에 노출되어 있는 공기로부터 이산화탄소를 회수할 수 있는 방법들을 도출할 수 있다. 본 명세서에 기재된 장치에 의해 여러 가지 조건에서 대기로부터 이산화탄소를 제거할 수 있을 뿐만 아니라, 다른 가스의 혼합물에서도 이산화탄소를 제거할 수 있다. 본 발명은 이산화탄소의 농도가 낮은 경우(예컨대 1% 미만)에 바람직하게 사용될 수 있으나, 이산화탄소의 농도가 1 내지 98%의 범위인 가스 혼합물에서도 이산화탄소를 분리할 수 있다.
대기 중에 노출된 건조 이온교환수지 역시 이산화탄소를 흡수할 수 있으며, 일정 시간 경과 후에는 대기 중 이산화탄소의 부분압이 균형을 이룬 평형 상태에 도달하게 된다. 공기뿐만 아니라, 1 내지 200,000 ppm의 낮은 이산화탄소 부분압을 갖는 유사한 가스 혼합물을 사용할 수도 있다. 수지를 가스 혼합물 중 이산화탄소 농도가 400 ppm 가량인 대기에 노출시킨 경우에는, 공기에 노출된 수지 물질을 습윤시켜, 부분압이 예컨대 80,000 ppm이상인 이산화탄소를 회수할 수 있다. 따라서, 수분의 존재로 수지 상에서의 이산화탄소의 평형 부분압이 크게 상승된다. 결과적으로 수지를 물로 세정하여 물과 접촉하고 있는 가스로부터 이산화탄소를 회수할 수 있다. 또한, 이산화탄소를 흡수하고 있는 수용액으로부터 이산화탄소를 포집할 수 있는데, 이는 수지에 결합되어 있지 않는 이산화탄소와 결합하기 위해서는 알칼리도가 필요하기 때문이다. 알칼리도는 수산화물 용액(예컨대, NaOH, 또는 KOH)으 로부터 공급될 수 있고, 카보네이트 용액(예컨대, Na2CO3, K2CO3, 또는 공기에 노출된 수지와 접촉하기 위해서 바이카보네이트 양이 더 적게 포함되어 있는 카보네이트와 바이카보네이트 용액의 혼합 용액)으로부터 공급될 수 있다.
실험을 통하여, 이온교환수지를 물에 직접 노출시키는 것보다 습도가 높은 환경에 이온교환수지를 노출시키는 것만으로도 충분하고, 수지로부터 이산화탄소의 실질적인 배출 효과를 얻을 수 있음을 확인할 수 있었다. 대기에 대해서 이산화탄소가 평형 상태로 있는 수지에 대한 이산화탄소의 평형 부분압은 시스템에 있어서 상대 습도(relative humidity) 보다는 절대 습도(absolute humidity)에 영향을 받음을 실험을 통하여 확인할 수 있었다. 사실상, 수지에 대한 이산화탄소의 부분압은 온도에 따라서는 크게 변하지 않으나, 수지가 접촉하고 있는 가스의 절대 습도에는 상당히 민감하게 변화한다.
실험을 통하여, 수증기압에 노출시킴으로써 공기 중에 예컨대 산소 및 질소와 같은 다른 조성이 없더라도 수지로부터 이산화탄소의 배출을 자극할 수 있음을 확인할 수 있었다. 본 발명에서는, 수지 물질을 수증기 및/또는 물에 노출시키기 전에 탈기되는 카트리지에 채우거나 챔버에 넣었다.
본 발명에서는 다양한 형태 및 디자인으로 수지를 공기 중에 노출시켰다. 수지를 공기로부터의 이산화탄소에 포화 또는 부분적으로 포화되어 400ppm미만인 이산화탄소 부분압과 평형상태를 이룬 후에, 이산화탄소의 부분압이 50,000 microbar 이상인 가스 스페이스로 이산화탄소를 배출하였다.
본 출원인은 선행 특허출원을 통하여, 공기로부터 이산화탄소를 흡수하기 위하여 3급 및 4급 아민으로 관능기화된 1형 및 2형 강염기 수지를 기재한 바 있다. 선행 특허출원에 기재된 바에 따르면, 이산화탄소를 추출하여 카보네이트 또는 바이카보네이트로 수지에 저장하였다. 더욱 구체적으로는, 미국 특허출원11/866,326에 따르면, 상기 강염기 수지의 가장 큰 특징은, 습윤되었을 때보다 건조 상태에서 이산화탄소를 더 많이 흡수한다는 점이다. 공기 중의 습도, 수지의 온도 및 수지에 포집된 이산화탄소의 상태에 따라 성능이 달라지는데, 수지에 담을 수 있는 이산화탄소의 양이 비슷할 때 건조 수지보다 습윤 수지 상의 평형 부분압이 약 200배 정도 컸다. 예컨대, 건조 상태의 수지를 건조한 대기 중에 노출시키고 물에 노출시켰을 때 이산화탄소의 부분압이 60mbar(60,000 microbar)를 초과하는 작은 공기 스페이스를 채우게 된다는 것을 확인하였다. 수지는 소듐 카보네이트/바이카보네이트 용액과 평형을 이루고, 차례로 공기 중의 이산화탄소와 평형을 이루는데, 카보네이트 또는 바이카보네이트 이온으로 수지의 표면에 부착된 2개의 양 이온 당 하나 이상의 탄소 원자만이 결합한다. 다른 한편으로는, 물이 없는 상태에서 낮은 습도의 공기와 평형을 이루는 경우에는, 부착된 이온 당 탄소 이온의 수는 1에 가까워 진다. 수지의 이러한 성질은 이산화탄소를 포집 및 수집하기 위한 습도 유도 압력 스윙(humidity induced pressure swing)을 이루는데 사용될 수 있다.
공기 중의 습도가 증가할수록, 기질(matrix)에 대한 이산화탄소의 평형 부분압은 급격하게 증가한다. 예컨대, 산 클레멘트(San Clemente)의 스노우퓨어(Snowpure) LLC의 음이온 교환 막 물질로 사용되는 수지 6g을 샘플로 테스트한 결과, 막이 1mm 두께 및 1mm 폭의 국수 가락 형태(noodle-like)의 스트랜드(strands)로 쪼개졌다. 실온에서 대기압 중 3 ppt의 물에서 상기 물질 일정량은 40 ppm의 이산화탄소와 평형을 이루고, 공기 중의 수증기 함량이 30 ppt로 상승되면 20 리터의 종 모양의 그릇(bell jar) 안의 이산화탄소 부분압은 1200 ppm이상으로 상승한다. 그리고, 이산화탄소 100 cc를 방출할 수 있는 막 물질 10g 은 건조 후에 이산화탄소 100cc를 추가로 흡수하였고, 습윤 후에 이산화탄소 방출의 제1 사이클에서 종 모양의 그릇 중의 이산화탄소 함량은 3700 ppm이었다. 따라서, 건조 수지 물질은 그 자체로 재배열되어, 카보네이트 이온들뿐만 아니라 바이카보네이트 이온까지 수용한다. 탄소 수용력(carbon capacity)에 있어서 이와 같은 현저한 스윙 때문에, 흡수된 이산화탄소를 수지로부터 방출시키기 위하여 수지의 습도를 높일 필요가 있다.
수지는 건조될수록 카보네이트 이온 보다는 바이카보네이트 이온으로 그 구조가 재배열된다. 그러나, 이산화탄소의 수지에 이산화탄소의 포집이 진행될수록 흡수 속도는 점차적으로 감소한다. 건조 수지에 있어서 카보네이트/하이드록사이드와 카보네이트바이카보네이트 사이에 분명한 구별이 있는 것은 아니고, 하이드록사이드 잔기를 갖는 시스템에서 카보네이트 이온 잔기를 갖는 시스템으로 변화됨에도 이산화탄소의 흡수 메커니즘은 변화하지 않는다. 수용액에서 상기 반응 평형은 바이카보네이트보다 카보네이트 방향으로 치우침에도 불구하고, 건조 시스템에서는, 카보네이트 이온은 바이카보네이트 이온과 하이드록사이드 이온으로 해리된다. 바이카보네이트는 수지 표면에서 카보네이트 이온보다 더 일찍 침전되고, 따라서, 용 액 중에서 바이카보네이트의 형태로 카보네이트가 제거될 수 있다. 수성 시스템에서의 탄산염화(carbonation)의 정도에 기초하였을 때보다 표면의 pH 영향이 더 큰 것으로 보인다.
이산화탄소 저장 능력(storage capacity)에 있어서 이러한 현저한 스윙(pronounced swing)으로 인해, 수지로부터 흡수된 이산화탄소를 방출시키기 위해 수지에 대한 습도(humidity)를 상승시킬 수 있다. 이산화탄소를 방출시키기 위해 수지를 물에 침지(immerse)시킬 수 있다. 이러한 과정이 도 3에 기재되어 있다. 수지를 짧은 시간 습윤 시키는 것으로는 결합된 이산화탄소를 방출시키기에 충분하지 않을 수 있다. 수지로부터 이산화탄소의 방출은 상당 시간 동안 진행되지만, 수지 표면에 결합되어 있는 이산화탄소의 대부분이 방출된다. 본 발명의 또 다른 실시예는, 이산화탄소가 방출되는 시간 동안 수지를 침지시키는 것이 아니라, 습윤된 수지를 공기 중에 노출시키는 것이다. 이러한 설계에서는 시간이 중요한 변수가 되기 때문에 비교적 큰 장치가 바람직하고, 연장된 시간만큼의 부피를 탈기할 수 있다.
공기 중의 질소 및 산소가 실질적으로 시스템으로부터 제거되는, 인접한 진공기(vacuum)에서 작동시키는 것으로 인해 공정의 역학이 감소되지는 않는다. 따라서, 수증기와 수지로부터 방출되는 이산화탄소의 혼합물인 습윤 수지물질(wetted resin material)로부터 가스 스트림(gas stream)을 생성할 수 있다. 후자의 부분압은 60 밀리바(milibar)정도 이다. 전자의 부분압은 온도에 따라 다르지만 약 30 밀리바(milibar) 이하이다. 시스템의 봉쇄(containment)는 시스템이 평형 조건을 유지하는 동안 이산화탄소를 서서히 방출할 수 있도록 유속을 조절하는 방법으로 설 계되어야 한다. 이산화탄소가 너무 빨리 탈기되면, 수증기가 빠르게 생성되어 수증기 방출 대비 이산화탄소 방출비가 변화되어 과량의 물이 방출된다. 이렇게 되면 시스템이 냉각되어, 추가적인 가열이 필요하게 된다. 물이 응축 트랩(condensation trap)에 저류되면, 냉각 에너지가 빠르게 증가할 것이다. 따라서, 최적의 유속으로 평형 포인트의 근방을 유지하는 것이 중요한다.
건조 대기 조건에서 이산화탄소를 수집한다. 수지의 포화도를 높여 카보네이트 형태에서 포화된 바이카보네이트 형태로 전환시키고, 수지 물질을 챔버에 담아, 먼저 탈기시키고, 이어서 수증기 및 물을 채워 모든 수지의 표면이 완전히 습윤될 때까지 교반한다. 아니면, 수지를 수증기에만 접촉시킬 수 있다. 그러나 수지로부터 이산화탄소의 방출 비율은 수증기에만 노출시켰을 때보다 수지를 습윤시켰을 때 더 높다. 방출 비율만 높아지는 것이 아니라, 이산화탄소의 부분압 또한 높아진다.
수지로부터 물 및 주변의 가스 공간으로의 이산화탄소 이동 반응을 향상시키기 위하여, 탄산 탈수효소(carbonic anhydrase) 소량을 가하는 것이 좋다. 과량의 공기를 제거하기 위하여 먼저 탈기된 용기 중에서 이산화탄소가 포함된 수지 물질을 수집하는 것이 유리할 수 있다. 이산화탄소를 방출시키기 위하여 수지를 습윤시킨다. 이 경우 챔버 중 이산화탄소는 50 mbar이고, 탄산 탈수효소를 가하면 물은 20 내지 30 mbar 정도가 된다. 시스템의 온도를 변화시킴으로써 물의 함량을 변화시킬 수 있다.
생성된 가스를 시스템으로부터 펌프할 수 있는데, 가스가 압축될수록 가스 중의 물은 응축될 것이고, 이산화탄소는 더욱 압축될 것이다. 최종적으로 이산화탄 소 파이프라인에 압력을 가할 수 있으며, 바람직하게는 이산화탄소를 최종적으로 수집하기에 앞서 이산화탄소를 건조시킬 수 있다.
수지 물질을 습윤시킴으로써 수지로부터 이산화탄소를 방출할 수 있으나, 이러한 방출은 매우 느리게 일어난다. 물질 자체를 짧게 습윤시키는 것으로는 이산화탄소를 충분히 방출시킬 수 없다. 그러나, 물질로부터 이산화탄소를 방출시키는데 시간이 오래 걸리기는 하지만, 수지 표면에 이산화탄소가 다량으로 결합될 수 있다.
막 물질 6g을 스트립으로 잘라, 증류수(DI water) 중에 수지를 15분간 세정하면, 수지로부터 이산화탄소가 방출되어 폐쇄된 종 모양의 용기 시스템 중의 이산화탄소 레벨은 1200 ppm으로 상승한다. 하루 동안 방치하여 건조시키면, 수지에 이산화탄소가 다시 포집되어 종 모양의 용기 중의 이산화탄소 레벨은 약 40 ppm으로 감소된다. 종 모양의 용기 중의 습도를 높여 30 ppm 정도로 하면 이산화탄소가 방출되어 1400 ppm 정도가 된다. 이산화탄소를 방출시키고 증류수 중에 수지를 세정함으로써, 종 모양의 용기 중의 압력이 약 1800 ppm가 되도록 이산화탄소의 방출을 증가시킬 수 있다. 제2 시험에서는 1100 ppm 이었으며, 제3 시험에서는 700 ppm 이었다. 전체 시스템에서 적어도 1000 + 1400 + 500 + 300 ~ 3000 ppm 방출된다. 달리 말하면, 이산화탄소 66cc 정도 또는 카보네이트 세정 막에 의해 최초 수집된 이산화탄소의 2/3 정도이다. 막 물질의 총 수용량(total capacity)은 6 밀리몰(milimole) 또는 약 120 cc이다. 결과적으로, 순수(pure water)만으로 기질(matrix)에 결합된 이산화탄소의 큰 스윙을 일으킬 수 있다. 종 모양의 용 기(bell jar) 외부의 세정 사이클(wash cycle) 동안 기질로부터 이산화탄소가 어느 정도의 양으로 방출되는지는 명확하지 않다. 시스템이 물에 있는 몇 분 동안, 부가적인 이산화탄소의 상당량이 제거될 것이다. 최종 데이터로부터, 세정 사이클 동안 이산화탄소 방출 속도가 감소한다는 것, 세정 사이클로 인해 부가적인 이산화탄소를 빠른 속도로 제거된다는 것을 알 수 있다. 그러나, 세정 사이클 동안 제거된 이산화탄소의 총량은 상당 시간 동안 방출된 양을 고려하면 비교적 적은 편이다.
막 물질이 물에 있는 동안의 탈탄소 속도(rate of decarbonization)는 측정하지 않았다. 그러나, 탄산 탈수효소는 습윤 막으로부터 이산화탄소의 방출 속도에 거의 영향을 미치지 않음을 확인할 수 있었는데, 이는 전체 공정에 있어서 느린 단계가 막으로부터 이산화탄소의 방출되는 단계임을 암시한다.
도 4를 참조하면, 제2 흡수 단계의 약한 액체 아민과 같은 다른 분리 과정을 사용하여 가스 스트림으로부터 이산화탄소를 분리해낼 수 있다. 상기 아민은 이산화탄소 부분압을 약 20 내지 30 밀리바(mbar) 정도로 낮출 수 있도록 가스 혼합물 중 이산화탄소 함량을 낮출 수 있어야 한다. 따라서 이산화탄소 포집에 사용한 제1 수지보다 더 약한 흡수체일 수 있고, 매우 약한 아민 또는 약한 아민을 기초로 한 수지(weak amine based resin)를 사용할 수 있다. 수지가 수지 세정으로 손상되는 경우에는, 수지에 의해 습윤됨으로 인해 상당량의 이산화탄소를 흡수할 수 있는 다른 표면으로 아민을 씻어낼 수 있다.
본 발명의 다른 구체적인 실시예에 따르면, 공기 포집 장치로서 동일한 형태의 수지를 사용하되 다른 수준의 로딩 커브(loading curve)로 작동시킬 수 있다. 상기 수지는 습윤된 상태로 유지되고, 이산화탄소 제거에 있어서 열적 스윙(thermal swing)에 의존적이다.
공기 중에 수증기 또는 습기(moisture)의 정도는 이산화탄소 방출에 충분할 정도이어야 하지만, 이산화탄소 방출에 물을 사용할 수도 있다. 그러나 물보다 수증기를 사용하는 경우 수지에 대한 마모(wear and tear)가 감소될 수 있다. 소금 또는 다른 불순물을 함유하는 물을 사용할 수도 있다.
수증기가 포화되어 응축되도록 가스에 압력을 가함으로써 이산화탄소-수증기 혼합물로부터 과량의 수증기를 제거하는 것이 바람직하다. 그러나, 냉각 트랩(cold trap)을 이용하여 물을 제거하는 것도 가능한데, 이 경우에는 이산화탄소용 제2 냉각 트랩이 연결되어야 한다. 이 방법은 가열된 수지가 낮은 주위 온도로 냉각됨으로써 적어도 물 응축(water condensation)이 부분적으로 이루어질 때 특히 중요하다. 초기부터 폐수(grey water) 또는 소금물을 사용한 경우에는 물 응축에 의해 부산물로 수득되는 깨끗한 물의 스트림을 분리할 수 있다.
물 소비를 감소시키는 방법은 다음과 같다. 예컨대, 수지에 스팀을 짧게 간헐적으로 공급하는 것으로, 수지 안으로 스팀이 깊숙이 침투하기에는 짧은 정도이나 수지 표면으로부터 이산화탄소를 간헐적으로 분리하기에는 충분한 정도의 간격으로 간헐적으로 공급한다. 후에, 수지 내부로의 확산으로 수지로 다시 분배되고, 전체 이산화탄소 함량이 충분히 떨어질 때까지 수 차례 반복될 수 있다.
건조 수지에 수집된 이산화탄소의 대부분은, 건조 수지를 물로 포화된 공기 또는 물에 침지시킴으로써 다시 제거할 수 있다. 특히 워터 스윙에 의존하는 실행 에 있어서는 물질의 마모가 적어 수 차례 반복적으로 사용할 수 있다. 스윙의 폭(amplitude)은 이산화탄소를 운반할 수 있는 수지의 수용능력의 절반 정도일 수 있으나, 실질적으로는 로딩(loading)에 있어서 약간 낮은 스윙(swing)이 이루어지도록 디자인할 수 있다.
막의 수는 대략적일 수 있는데, 증발 속도(the rate of exhalation)는 10g 샘플에 있어서 15 분 동안 이산화탄소 1 밀리몰(milimole)이 증발되거나, 약 1e-4 milimole/g/sec 이다. 물질로서 육안으로 보이는 표면적(macroscopic surface area)이 약 40 cm2/g인 물질을 사용하였기 때문에 방출속도는 약 2.5e-5 mole/m2/sec 이다. 업테이크 속도(Uptake rates)는 비슷하지만, 보통 약간 더 느리다. 이는 50g의 샘플로 약 0.1 cc/sec 또는 약 15분에 100 cc의 가스를 생성할 수 있다는 의미이다.
이론에 의하면, 공기 중의 질소 및 산소가 시스템으로부터 제거되는 진공의 근방에서 작동시킴으로써 진행의 속도가 느려지지 않는다. 이는 실험을 통하여 확인할 수 있었다. 압력이 낮은 조건에서, 습윤 수지 물질로부터 가스 스트림(gas stream)을 생성할 수 있는데, 이는 수증기와 이산화탄소의 혼합물로서, 상기 수증기는 챔버 내에서 온도에서 평형상태이고, 이산화탄소는 수지로부터 방출된 것이다. 챔버 내에서 이산화탄소의 압력은 60 밀리바(millibar) 정도 일 수 있으나, 이산화탄소를 함유하는 수지의 로딩(loading)이 감소됨에 따라 빠르게 감소한다. 실온에서, 수증기의 부분압은 30 밀리바(millibar) 근방이다. 온도를 상승시킴으로써 챔버 내의 수증기의 부분압(partial pressure)을 증가시킬 수 있다. 이로써 하이브리드 시스템(hybrid system)을 만들어낼 수 있는데, 이는 습윤/물 스윙(humidity/water swing)과 온도 스윙(temperature swing)과의 결합이다. 상기 시스템이 가열되면, 주위 온도(ambient temperatures)에 대하여 아웃풋 스트림(output stream)을 냉각시킴으로써 수증기를 감소시킬 수 있다. 이로서 챔버 중 수증기 농도를 주위 온도(ambient temperature)에서 평형압(equilibrium pressure)까지 감소시키게 된다.
수지로부터 이산화탄소를 방출시켜 주위 가스(surrounding gas)와 평행을 이루도록 하는 데 시간이 오래 걸리기 때문에, 이산화탄소의 느린 방출이 시스템을 이산화 탄소의 부분 평형 평형 조건 근처에서 유지되도록 하기 위하여 유속을 조절(throttle)하는 방법으로 시스템의 컨테인먼트(containment)가 설계되어야 한다. 유속이 너무 빠르게 이동하면, 과량의 수증기가 방출되어 수증기 방출에 대한 이산화탄소 방출의 비율이 변화될 것이다. 이는 시스템을 불필요하게 냉각시켜 부가적인 가열 과정을 필요로 하게 한다. 물이 축합 트랩에서 제거되어, 가스 혼합 중의 이산화탄소에 대한 수증기 비율이 증가하게 되면, 가스 스트림(gas stream)을 냉각시키기 위한 에너지 요구는 빠르게 증가할 것이다. 물에 대한 이산화탄소의 적절한 혼합 비율은 1:1 이다. 따라서, 시스템을 평형점(equilibrium point) 근처에서 유지하는 것이 바람직하고, 평형점에서 허용 가능한 최대 유속이 된다.
몇 가지 방법으로 상기 낮은 압력의 혼합물로부터 물을 제거할 수 있다. 우선은, 가스를 냉각하여 물을 축합시켜 분리하는 방법이다. 시스템의 온도가 주 위(ambient) 온도 이상인 이상, 실질적인 에너지 패널티(practical energy penalty)는 없으나, 축합(condensation)이 주위보다 낮은 조건(sub-ambient conditions)에서 이루어지는 경우에는 패널티가 심각하다. 이를 피하는 한 가지 방법은 물/이산화탄소 가스 혼합물을 압축(compress)하는 것이다. 물의 부분압이 증가하면, 주위 조건 보다 높은 온도에서 축합이 이루어지게 되어, 매우 작은 에너지 패널티만으로도 물을 제거할 수 있게 된다. 실제로 이행에 있어서, 챔버의 작동 온도 보다 높은 온도에서 축합을 할 수 있고, 따라서 축합 열로부터 열 요구의 실질적인 분획(a substantial fraction of the heat demand)을 제공한다. 사실상, 축합 열을 시스템에 상승된 온도에서 이동시키는 효율적인 열 펌프(heat pump)로 시스템이 운용된다.
이러한 조건에 기초하여 워터(또는 습윤) 스윙 시스템을 디자인하였는데, 이는 건조 조건에서, 이산화탄소를 공기로부터 수집하는 방법이다. 실험에 기초하여, 습윤 레벨은 상대 습도가 아닌, 주로 절대 습도(absolute humidity)에서 특징지워 진다. 이는 일정한 절대 습도에서 밀폐된 종 모양의 용기(closed bell jar) 내에서의 이산화탄소 레벨을 관찰한 것에 기초한 것으로, 상기 밀폐된 종 모양의 용기 내에서 공기가 수지와 접촉하고, 온도가 이슬점(dew point) 근처에서 더 높은 온도, 예컨대 10 내지 20 ℃ 상승함에 따라 이산화탄소의 레벨은 변화하지 않을 것이다. 다른 한편으로는, 습도의 변화는 이산화탄소 평형 레벨에 있어서 큰 스윙을 유발한다. 이로부터, 건조한 기후뿐만 아니라 습윤/냉각 기후에서도 습윤 건조 사이클(wet dry cycle)이 가능할 것이라고 추측할 수 있다. 수지가 매우 높은 수준으로 포화되면, 즉, 건조한 기후에서 카보네이트 형태에서 전체적으로 바이카보네이트된 형태로 전환되면, 수지 물질을 챔버 안에 넣어, 먼저 그 안을 비우고, 이어서 수증디 및/또는 물로 채워 모든 수지의 표면이 완전히 습윤될 때까지 교반한다. 시스템은 이어서 이산화탄소를 방출하고, 챔버 안에 충분한 물질을 넣어, 시스템은 챔버 안에서 수증기 압력을 초과하는 이산화탄소 압력에 도달할 수 있다. 이산화탄소의 압력을 상승시키기 위하여(약 30 내지 60 밀리바), 도 5와 같이 일련의 연속된 챔버를 제공할 수 있는데, 주위 조건(약 30 mb의 스팀) 근처에서 수증기로 포화되지만, 온도를 변화시키면 수증기 포화 압력(water saturation pressure)은 업스트림 엔드(upstream end)로부터 떨어진다(업스트임 엔드는 스팀이 도입되는 곳을 의미하고, 업스트임 엔드로부터 스팀이 다운스트림 엔드로 이동하는데, 이곳에서 이산화탄소와 스팀이 제거된다). 상기 시스템에서 가스 플로우는 유지되는데, 이는 수증기와 이산화탄소가 연속된 챔버의 다운스트림 엔드에서 추출되기 때문이다. 체인의 마지막 챔버에는, 공기 포화(air saturation)로부터 막 회수된 수지가 포함되는데, 이는 수증기압과 동일하거나 더 높은 이산화탄소의 부분압을 구축(driving)할 수 있다. 업스트림이 높을수록 챔버에 포함된 수지가 따뜻하고 습한 환경에 더 오래 동안 노출되게 된다.
챔버는 수지 물질로 거의 환전히 채워지는 것이 바람직한데, 이는 빈 공간이 많아질수록, 시스템 안의 이산화탄소의 부분압이 높아지는 것이 어려워지기 때문이다. 새로운 수지를 체인의 끝의 가스 아웃플로우(gas outflow)에서 가함으로써, 챔버를 물리적으로 체인으로 이동시킬 수 있고, 다른 쪽 끝에서 이산화탄소 제거된 수지(CO2 depleted resin)를 제거한다. 개개의 챔버 또는 상기 챔버에 맞는 카트리지를 이동시키는 것 보다, 챔버에 대한 밸브를 변화시킬 수 있다. 이러한 관점에서, 각 챔버는 다운스트림 방향으로 인접하게 연결되거나 최종 추출 시스템(final extraction system)으로 연결될 수 있다. 각 챔버는 또한 업스트림에 인접한 챔버와 업스트림 방향으로도 연결되거나 또는 수증기 공급부 및 스윕 가스 인풋(sweep gas input)과 연결될 수 있다. 유닛 마다 밸브로 조절하여, 비우고 다시 채우고 밸브의 방향을 바꾸어 체인의 방향을 바꿀 수 있다. 이러한 방법으로 수지는 그 위치에 변화없이 체인에서 이동될 수 있다.
수증기로부터 분리하는 동안 이산화탄소를 스트림으로부터 흡수하지 않거나, 가스 성분들 모두가 단순히 펌프되어 압축되지 않으면, 수증기는 축합되어 이산화탄소 스트림으로부터 분리되어야 한다. 체인의 다운스트림의 마지막, 또는 챔버에서 챔버로 이동할수록 온도가 떨어져 가스 플로우가 진행됨에 따라 수증기압을 낮아지는 중간 챔버에서 축합이 이루어질 수 있다. 수증기의 축합으로 시스템의 끝에서 낮은 압력으로 유속이 생긴다.
마지막 챔버로부터의 다운스트림되어, 매우 낮은 온도(-80℃ 내지 -100℃사이)에서, 또는 가스를 높은 압력에서 다른 저장소(reservoir)로 이동하는 콤프레셔 펌프(compressor pumps)를 사용하여 축합/승화(condensation/sublimation)함으로써 이산화탄소를 제거할 수 있다. 그렇지 않으면, 흡수체(sorbent), 예컨대 찬 액체 메탄올(cold liquid methanol), 액체 아민, 또는 소듐 카보네이트를 이용하여 이산 화탄소를 제거할 수 있다. 다른 방법으로는 활성 탄소(activated carbon)의 소수성 버전(hydrophobic versions)을 포함한다.
도 6을 참조하면, 6g의 스노우퓨어 음이온 교환 물질(SnowPure Anion Exchange material)이 있는 싱글 챔버 안에서, 탈이온수(DI water) 중에 수지를 15분간 세척한 후에, 수지는 여전히 이산화탄소를 방출하여 시스템 중의 이산화탄소 레벨이 1200 ppm으로 증가한다. 하룻밤 동안 방치하여 건조시킴으로써, 수지에 모든 이산화탄소가 다시 포집되어(recaptured) 용기 중의 이산화탄소 레벨이 40 ppm으로 낮아진다. 용기 안의 습도가 300 ppm으로 높아지면, 이산화탄소가 방출되어 1400 ppm 이상으로 된다. 상기 이산화탄소를 다시 방출하고 탈이온수 중에 수지 스트랜드를 세척함으로써 이산화탄소의 방출 속도를 더 높일 수 있고, 종 모양의 용기 중의 압력은 약 1800 ppm으로 높아진다. 2차 반복(second iteration)으로 1100 ppm 이상으로 되고 3 차 반복(third iteration)으로 700 ppm이 된다. 전체 시스템에서는 약 3300 ppm이 방출된다. 이는 이산화탄소 66cc 또는 카보네이트 세척된 막에 최초로 수집된 이산화탄소 용량의 약 2/3 정도임을 의미한다. 막 물질의 총 용량(total capacity)은 약 6 밀리몰(millimole) 또는 약 120 cc이다. 결과적으로, 순수(pure water)만으로는 이산화탄소가 결합된 기질 중에서 큰 스윙(large swing)을 유발한다고 볼 수 있다. 종 모양의 용기의 측정 시스템의 외부의 세정 사이클이 이루어지는 동안 이산화탄소의 양이 어느 정도 기질로부터 방출되는지는 분명하지 않다. 시스템은 물 속에서 수 분 간 소요되는데, 이 때 부가된 이산화탄소의 상당량이 제거되고, 작동이 끝날 때 수득된 데이터로부터 세정 사이클로 부가적으로 이 산화탄소가 상당히 빠른 속도로 제거된다고 가정하였을 때 세정 사이클(wash cycle)이 진행되는 동안 이산화탄소 방출 속도가 어느 정도 떨어진다는 것을 알 수 있다. 그러나 세정 사이클 동안 제거된 이산화탄소의 총량은, 상당한 기간 동안 방출된 양을 고려하면 상대적으로는 적다.
막 몇 개를 사용하면, 방출 속도는 15 분 동안 샘플 10g의 이산화탄소 약 1 밀리몰 또는 약 1e-4 millimole/g/sec이다. 물질로서 육안으로 보이는 표면적(macroscopic surface area)이 약 40 cm2/g인 물질을 사용하였기 때문에 방출속도는 약 2.5e-5 mole/m2/sec 이다. 업테이크 속도(Uptake rates)는 비슷하지만, 보통 약간 더 느리다. 이는 50g의 샘플로 약 0.1 cc/sec 또는 약 15분에 100 cc의 가스를 생성할 수 있다는 의미이다.
수 개의 챔버를 연속적으로 배치하였다. 다른 챔버 안의 수지들을 아웃개싱 과정(outgassing process) 중에 각각 다른 시간 동안 노출시켰다. 수지들은 챔버에서 챔버로 이동될 수 있거나, 밸브로 체인의 소거된(purged) 끝으로부터 챔버를 바꾸고, 그 내용물(charge) 제거하여 턱(chin)의 소거되지 않은(unpurged) 끝을 수지로 채울 수 있다. 각 챔버 안의 가스는 수증기, 이산화탄소 그리고 가능하다면 불활성 스윕 가스(inert sweep gas)로 구성될 수 있다. 상기 세 가지의 부분압의 총합은 시스템의 업스트림의 끝으로부터 시스템의 다운스트림의 끝으로 단순하게 감소된다. 스윕 가스(sweep gas) 압력은 플로우 스피드(flow speed)를 증가시킴으로써 감소될 수 있으나, 수증기압은 이 지점에서 물과 평형을 이룬다. 이산화탄소 압 력은 스윕되는 방향으로 증가하여야 한다. 수증기가 총 압력의 큰 부분을 이루는 경우에는, 수증기압 구배(water vapor pressure gradient)가 유속을 조절하고, 각 챔버에 플로우에 이산화탄소를 가함에 따라 하나의 챔버에서 다른 챔버로 이산화탄소 압력은 증가하는 반면, 하나의 챔버에서 다른 챔버로 온도가 떨어질 것이다. 각 챔버의 컨트리뷰션(contribution)은 물질이 이산화탄소를 방출하는 속도 및 특정 수지가 도달하는 평형압(equilibrium pressure)에 의해 제한될 것이다. 업스트림 끝의 수지는 거의 모든 이산화탄소를 방출하여, 총 산물에는 거의 추가하지 않는다; 마지막 다운스트림 유닛은 원칙적으로 60 밀리바(millibar)를 가한다. 이 때문에 업스트림 끝에서 스팀 압력이 70 밀리바를 초과하거나 이산화탄소와는 분리되는 스윕-가스의 실질적인 컨트리뷰션이 있다.
시스템 밖으로 축합되어 배출될 각 스윕-가스는 메탄올 증기(methanol vapor)일 수 있으며, 시스템의 마지막 단계는 찬 메탄올 중에서 이산화탄소를 수집하는 단계이다. 다른 방법은, 물에 의존하는 방법으로, 물의 업스트림 온도는 적어도 60 밀리바의 부분압을 생성할 정도로 크다. 스팀이 하나의 챔버에서 다음 챔버로 이동할수록, 더 차가운 온도에 접촉하게 되어 부분적으로 축합되고, 시스템의 낮은 이산화탄소 끝에서 높은 이산화탄소 끝으로 총 가스 플로우를 유발하는 압력 프로파일(pressure profile)이 생성된다.
모든 남아있는 물을 축합하고 이산화탄소를 펌프 제거할 수 있다. 또 다른 방법으로는 이산화탄소의 흡수 및 후속적인 흡수체 회복(sorbent recovery)에 의존할 수 있다. 상기 흡수체로는 차가운 메탄올, 액체 아민, 또는 암모니아, 또는 소 듐 카보네이트를 사용할 수 있다. 활성탄소의 소수성 버전(hydrophobic versions of activated carbon)도 포함된다.
도 7을 참조하면, 본 발명은 습윤 되었을 때 활성 탄소가 이산화탄소를 흡수하고, 건조되면 흡수되었던 이산화탄소를 방출한다는 것에 기초한 것이다. 이는 이온 교환 수지의 상반된 거동이다. 따라서, 이온교환수지와 활성탄소가 연속적으로 결합하는 것이 가능하다. 건조 활성탄소 및 습윤 수지 물질에서 출발하여 공기가 시스템을 통과한다. 공기가 수지를 건조시키면, 공기에 의해 수증기가 탄소로 이동된다. 건조되면서 수지는 이산화탄소를 포집하고, 습윤되면서 활성 탄소는 이산화탄소를 포집한다. 수지가 건조되면, 시스템은 역으로 되고, 신선한 공기가 활성탄소를 통과하면서, 습기를 이온교환수지로 다시 방출한다. 탄소가 건조될수록 이산화탄소를 방출하고, 농축 및 제거될 때 이산화탄소 부분압이 높아진다. 이러한 방법으로 이온교환물질과 활성 탄소를 커플링하는 특성 및 장접은 물이 보존되고, 공기 플로우를 역으로 밸브 조절할 수 있는 간단한 방법이라는 점이다.
본 발명은 변형이 가능하다. 예컨대, 제올라이트와 같은 다른 물질을 활성 탄소 대신 사용할 수 있다.
따라서, 이온교환수지를 사용함으로써 습윤 스윙(moisture swing)을 주위의 이산화탄소의 분리 및 포집에 사용할 수 있다. 몇 개의 공기 포집 장치(air capture devices)를 함께 연결함으로써, 주위의 이산화탄소를 농축하여 제거할 수 있다.
이산화탄소만을 제거하거나, 활성탄소 또는 제올라이트와 결합하여 연속적으 로 제거하는 이온교환수지를 사용함으로써, 과거에 이산화탄소의 집진기(scrubbers)에 전형적으로 사용되었던 소듐 하이드록사이드와 같은 위해한 화학물질을 사용하지 않을 수 있다는 장점이 있다. 또한, 폐쇄된 시스템에서 습윤 스윙을 사용함으로써 물을 보존할 수 있다.
도 8을 참조하면, 이산화탄소 포집 물질을 함유하는 다수의 업라이트 실린터형 타워(100)로 이루어진 이산화탄소 공기 포집 장치(CO2 air capture device)가 개시되어 있다. 필수적인 것은 아니나, 바람직하게는, 이산화탄소 포집 물질로는 전술한 바와 같이 습기에 민감한 이온교환 물질(humidity sensitive ion exchange material)을 포함한다. 각 타워(100)는 하부 끝(lower end)에 인접한 공기 인렛(102) 다수를 포함하고, 상부 끝(top end)에 인접한 공기 아웃렛(104) 다수를 포함한다. 또한, 타워의 벽은 지상 상부의 어느 레벨로든 공기가 통과할 수 있도록 열릴 수 있다. 공기가 인렛(102)에 포집되어 타워(100)의 상부로 이동되어 이산화탄소 포집 물질과 접촉한다. 공기 플로우(Airflow)는 자연적인 환류 플로우(natural convective flow)이거나, 필요하다면, 팬으로 만들 수 있다. 인렛(102)과 아웃렛(104)은 셔텨(shutters)(도면에는 표시되지 않음)로 선택적으로 개폐할 수 있으며, 타워의 습윤을 증가시킬 수 있고, 포집된 이산화탄소를 수지로부터 제거하여 농축할 수 있다. 또한 수지를 물로 세정하여 포집된 이산화탄소를 제거할 수 있는데, 이는 염기 중에서 농축되고, 플럼빙(plumbing) 및 밸빙(valving) 등을 또한 포함한다(도면에 표시되지 않음). 또한 이산화탄소 포집 물질에는 아민 또는 카보네이트 또는 다른 이산화탄소 흡수체와 같은 습윤 흡수체를 포함할 수 있는데, 이는 펌프되고(pumped up) 타워 안에서 기질 물질(matrix material)을 떨어뜨리거나(dribbled) 아래로 흘려보낸다(flowed down). 본 발명의 실시예에서, 타워(100)는 타워로부터 유출된 액체에서 이산화탄소를 제거하고 제거된 이산화탄소를 농축시키는 지하로 연결된다. 하지만 다른 변경들도 가능하다.
본 발명의 다른 관점에서, 수집기(collector) 안에서 관능기화된 고체 구조는 가스 교환(gas exchange), 스팀 교환(steam exchange), 액체 교환(liquid exchange) 및 기계적 수행(mechanical performance)에 최적화될 수 있다. 가스 교환에 있어서, 다공-공간/터널(pore-spaces/tunnels)은 압력을 낮게 떨어뜨리고 난류(turbulence)를 최소화하며, 관능기(functional groups)에 이산화탄소 공급을 방해하는 주위의 막(boundary layer) 두께가 증가되는 것을 방지할 수 있을 정도로 충분히 커야 한다. 가스 스트림이 주위 공기(ambient air)인 경우에, 예컨대, 관능기화된 고체(functionalized solid) 1 리터에 교환 사이트(exchange sites) 1 몰이 있는 경우에, 순수한 이산화탄소 약 22.4 리터가 바이카보네이트로 상기 사이트들을 포화할 것이다. 공기 부피 당 이산화탄소의 100 ppm(parts per million) 부피가 평균적으로 포집된다고 하면, 공기 224,000 리터를 1 리타의 고체로 이동시켜 관능기를 포화시켜야 한다. 포화에 따라 이산화탄소 포집이 감소되기 때문에, 고체가 포화될수록 공기 플루오는 감소되어야 한다.
스팀 및 액체 교환에 있어서는, 고체 공극비(solid to void ratio)가 전형적으로 크다. 예컨대, 상업적으로 사용 가능한 물 처리 시스템에 있어서, 전형적인 이온교환수지 베드는 공극(void space)이 대략 30 내지 40% 이다. 비즈(beads)는 약 0.5 밀리미터의 크기이고, 공극 간격(interstitial pore spaces)은 더 작다. 따라서, 많은 출원에 있어서, 수집기는 제1 및 제2 공극(porosity)의 크기가 달라 변형 가능한 구조(convertible structure)이어야 한다.
디자인에는 가스, 스팀, 및 액체 교환이 동일한 공극 사이즈로 사용되거나 기계적 고려사항이 고정 파워-스페이스 시스템(fixed power-space system)인 고정 파워 사이즈 시스템(fixed power size system)을 포함한다.
다른 관점에서는, 본 발명은 수집기의 형상 개선을 제공하는데, 이는 관능기화된 고체 수집기 매질을 유용화하여 가스 스트림으로부터 이산화탄소를 제거한다. 포집 매질은 예컨대 고체 상에 고정화된 아민 기를 포함할 수 있다.
도 9A 및 9B를 참조하면, 본 발명은 회전-형태(roll-geometry)의 적합한 공극 사이즈의 수집기(adjustable-pore-size collector)를 제공하는데, 메커니즘을 고정하는 비자동성 센터 샤프트(205)(inert center shaft); 시트 형태의 비자동성 메쉬 또는 다른 다공성 매질(206)(inert mesh or other porous medium); 및 시트 형태의 관능기화 수집기 매질(207)을 포함한다. 다공성 시트 및 수집기 매질 시트는 샤프트 주위를 고정하여 감고 있는데, 롤의 맨 안쪽(innermost) 및 맨 바깥쪽(outermost) 막은 다공성 시트로 구성된다. 이로부터 수집기 매질이 수집기 매질 시트의 양쪽 면에서 가스, 스팀, 또는 액체와 접촉하기 위해서 다공성 시트 사이에 항상 끼어 있음을 알 수 있다. 롤의 직경에 따라, 하나 이상의 막 및 다공성 막을 사용하여, 공극 간격(pore space)의 폭은 센터 샤프트(center shaft)에 의해 덜 회 전된다. 예컨대 3 개의 막은 하나의 막의 1/3 회전될 것을 요한다.
다공성 막은 가스, 스팀(steam), 및/또는 액체 스트림(liquid stream)의 통로(pathway)를 제공한다. 상기 유속은 직선(straight), 회전(spiraling), 꼬임(tortuous), 층류(laminar) 또는 난류(turbulent) 디자인일 수 있다. 다공성 시트는 또한 공극 간격(pore space)의 최소 폭으로 될 수 있는데, 롤을 샤프트 주변에 꼭 맞게 하면 가능하다. 공극 간격(pore space)은 샤프트를 코일의 반대 방향으로 회전시켜 넓히거나 또는 샤프트를 코일 방향으로 회전시킴으로써 좁힐 수 있다. 샤프트 및 다공성 시트는 가스, 스팀 및 액체 스트림에 노출되어도 이들에 대해 비반응성인(inert) 물질로부터 만들 수 있다.
다른 구체예에서, 도 10A 및 10B를 참조하면, 본 발명은 플랫-시트 형상인 적용 가능한 공극 사이즈 수집기(adjustable-pore-size collector)를 제공하는데, 이는 시트형태(211)의 불활성 메쉬(inert mesh) 또는 다른 다공성 매질 또는 압축가능한 층(212)(compressible layer) 및 시트 형태(213)의 관능기화 수집기(213)을 포함한다. 플랫-시트 형상 수집기(flat-sheet geometry collector)는 메쉬의 다른 막(alternating layers of mesh) 또는 다른 다공성 매질(other porous medium) 및 수집기 매질(collector medium)을 갖는다. 플루이드 플로우/교환(fluid flow/exchange)이 이루어지는 동안 막을 함께 압축하여 수집기 매질 시트 사이에 가장 작은 플로우 채널 두께로 한다. 플로우 채널의 최소 두께 및 상기 채널 사이의 공극 스페이스는 사용된 다공성 매질에 따라서 결정된다. 가스 플로우/교환(gas flow/exchange)이 이루어지는 동안 태널은 시트 각각을 당김으로써 최적의 두께로 맞출 수 있다. 최적의 스페이스는 소집기 매질 및 액체 또는 가스 스트림의 교환 속도에 따라, 또한 액체 또는 가스 스트림의 유속에 따라 결정된다.
도 11A 및 11B에 도시된 다른 실시예에 의하면, 본 발명은 붕괴 가능한 수집기(collapsible collector)를 제공하는데, 제1 및 제2 공극(porosity)을 갖는다. 제1 공극은 가스 플로우에 최적화된다. 가스 플로우에 사용된 채널의 벽은 수집기 매질로 구성된다. 수집기 매질 그 자체는 제2 공극을 갖는데, 이는 플루이드 플로우(fluid flow)에 최적화된 것이다. 가스 교환이 완료되고 수집기 매질이 이산화탄소로 포화되면, 제1 공극은 붕괴되고, 스팀 또는 플루이드 교환을 위한 제2 공극만이 남는다.
상기 수집기의 가장 단순한 형태는 오픈-셀 공극(open-cell pores)을 갖는 일련의 매질 수집기이다. 가스 교환을 위해서는 시트를 수집기 매질에서 이산화탄소 포집 속도(uptake rate)에 가장 최적화된 거리 및 시트의 길이에 따라 위치시킨다. 스팀 및 플루이드 교환을 위해서는 시트를 함께 밀어서 플루이드가 수집기 매질의 공극(porosity)을 통과하도록 한다. 다른 형태는 도 12A 내지 12F에 도시하였고, 이는 붕괴 가능한 정사각형 또는 직사각형 채널 등을 포함한다.
고정 수집기는 하나 또는 수개의 고정된 공극 크기로 사용된다. 공극 형상은 다양하다. 공극 형상의 예로는, 원형, 정사각형, 직사각형, 삼각형, 육각형, 또는 다른 모양의 채널일 수 있다. 상기 디자인으로는 또한, 오픈 셀 폼 형상(open cell foam geometry), 또는 수집기 매질의 형상에 따라 결정된 다른 불규칙하게 연결된 모양을 포함한다.
도 13에 따른 본 발명의 다른 관점에 의하면, 전기투석(electrodialysis (ED)) 셀을 이용하여 이온 교환 과정이 완료될 수 있다. 바람직하게는 pH 11 내지 12인 염기성 용액, 예컨대 소듐 카보네이트(Na2CO3)를 사용하여 이온 교환 수지를 세척할 수 있다. 생성된 유출액의 pH는 9 내지 10으로, 예컨대 소듐 카보네이트인 경우 소듐 바이카보네이트(NaHCO3)로 1차적으로 세정한다.
유출액을 전기투석 셀의 산 쪽에 공급하는데, 반응은 양극성(bipolar) 및 음이온성 막(cationic membranes)을 통하여 조절된다. 초회 작동 후에, 셀의 산성 쪽은 중성 pH로 안정화되어, 이산화탄소 포인트가 변화하여 포집된다. 삼투압으로 인해 물이 셀의 염기 쪽으로 이동한다. 염기성 용액은 pH 가 12 근방으로 유지되어 세정액(wash fluid)을 보충하는데 사용될 수 있다.
pH 차이 및 세정액(wash fluid)과 유출액(effluent) 조성의 차이로 인하여, 분리된 액체(basins)를 각각 사용할 수 있다.
또한, 도 14를 참조하면, 전기투석 셀에 사용되는 염기성 용액(basic solution) 및 세정액(wash fluid)을 동일한 용기(basin)에 포함시킬 수 있다. 상기 용기(basin)는 두 개의 구별되는 pH 레벨을 갖는 두 개의 염기성 용액을 분리하기 위한 분리기(separator)를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 세정액(wash fluid)의 pH는 12 이고, 전기투석 셀에 공급되는 염기성 용액의 pH는 11이다. 유출액은 전기투석 셀의 산성 쪽에 도입되기에 앞서 분리된 용기(basin) 중에 포함될 수 있다. 또한, pH가 바람직하게는 9 내지 10인 유출액(effluent)은, pH 11로 세정하는데 사 용하기 위한 염기성 용액 부분을 희석하는데 사용할 수 있다.
본 발명에서, 특히 "바람직한" 구체예는 가능한 실시예일뿐이며, 본 발명의 이해를 돕기 위한 것이다. 본 명세서에 기재된 구체예는 본 발명의 범주 내에서 다양화될 수 있고, 변형될 수 있다. 상기 및 다른 변형들은 본 발명의 범주에 포함된다. 따라서, 본 발명의 범위는 청구항에 기재된 발명에 한정되는 것은 아니다.

Claims (40)

  1. 챔버에서 가스와 수지가 접촉하도록 가스를 이동시키는 단계, 챔버로부터 가스를 탈기하는(evacuating) 단계, 상기 수지를 습윤시키는(wetting) 단계, 상기 수지로부터 수증기와 이산화탄소를 수집하는(collecting) 단계, 및 상기 수증기와 상기 이산화탄소를 분리하는(separating) 단계를 포함하는 가스로부터 이산화탄소의 제거 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 수지를 물에 침지(immersion)함으로써 습윤시키는 이산화탄소의 제거 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 수지를 습윤 공기(humid air)에 노출시킴으로써 습윤시키는 이산화탄소의 제거 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 수지를 스팀에 짧게 간헐적으로(short pulses of steam) 노출시킴으로써 습윤시키는 이산화탄소의 제거 방법.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 물에 탄산 탈수효소(carbonic anhydrase)를 더 포함하는 이산화탄소의 제거 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    온도를 감소시킴으로써 상기 수증기로부터 상기 이산화탄소를 분리하는 이산화탄소의 제거 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 수증기 및 상기 이산화탄소의 혼합물의 압력을 증가시킴으로써 상기 수증기로부터 상기 이산화탄소를 분리하는 이산화탄소의 제거 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    제2 흡수체(secondary sorbent)를 사용하여 상기 수증기로부터 상기 이산화탄소를 분리하는 이산화탄소의 제거 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제2 흡수체(secondary sorbent)는 액상의 약염기성 아민(weak liquid amine)인 이산화탄소의 제거 방법.
  10. 제8항에 있어서,
    온도를 증가시켜 상기 제2 흡수체(secondary sorbent)로부터 이산화탄소를 방출하는 이산화탄소의 제거 방법.
  11. 연속적으로 연결된 다수의 챔버에 포함된 수지와 가스를 접촉시키기 위하여 가스를 이동시키는 단계;
    물을 제1 챔버(first chamber)에 도입하고 마지막 챔버(last chamber)에서 배출시킴으로써 상기 수지를 물로 습윤시키는(wetting) 단계;
    상기 수지로부터 수증기와 이산화탄소를 수집하는(collecting) 단계; 및
    상기 수증기로부터 상기 이산화탄소를 분리하는(separating) 단계를 포함하는 가스로부터 이산화탄소의 제거 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 다수의 챔버가 다수의 밸브로 연결되어 있고, 상기 밸브에 따라 제1 챔버에서 마지막 챔버로의 배열을 결정할 수 있는 이산화탄소의 제거 방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 제1 챔버에 수지를 포함하고, 상기 제1 챔버에 포함된 수지는 가스로부터 분리된 이산화탄소로 가장 먼저 또는 부분적으로 포화되며, 마지막 챔버까지 후속적으로 연결된 각각의 챔버에 수지 및 이산화탄소를 포함하는데, 상기 각 챔버에 포함된 수지는 습윤되었으며, 상기 각 챔버에 포함된 이산화탄소는 직전에 연결된 챔버보다 더 긴 시간 동안 이산화탄소가 수집된 것인 이산화탄소의 제거 방법.
  14. 수지 및 활성 탄소(activated carbon)을 포함하는 챔버에 가스를 도입하는 단계(introducing), 수지 및 활성 탄소를 습윤시키는 단계(wetting), 챔버로부터 가스를 탈기하는 단계(evacuating), 및 활성 탄소로부터 이산화탄소를 수집하는 단계(collecting)를 포함하는 가스로부터 이산화탄소의 제거 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 활성 탄소 대신 또는 추가로 제올라이트(zeolite material)를 사용하는 이산화탄소의 제거 방법.
  16. 업라이트 타워(upright towers), 챔버(chamber), 및 물 공급부(source of water)를 포함하고, 상기 업라이트 타워는 하부에 적어도 하나의 공기 투입부(air inlet)를 포함하고 타워의 상부에 적어도 하나의 공기 배출부(air outlet)를 포함하고, 상기 챔버는 적어도 하나의 공기 투입구(air inlet)와 적어도 하나의 공기 배출구(air outlet) 사이에 위치하고 이산화탄소를 포집하기 위한 이온교환수지를 포함하며, 상기 물 공급부에서 수지를 습윤하여 이산화탄소를 방출시키는, 공기로부터 이산화탄소의 포집 장치.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 물은 수증기 형태인 이산화탄소의 포집 장치.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 공기 투입부(air inlet) 및/또는 공기 배출부(air outlet)를 선택적으로 닫을 수 있는 다수의 셔터(shutters)를 포함하는 이산화탄소의 포집 장치.
  19. 제16항에 있어서,
    상기 타워의 공기 흐름을 조절하기 위한 팬(fans)을 포함하는 이산화탄소의 포집 장치.
  20. 시트 형상(sheet form)의 수집기 매질(collector medium) 및 다공성 물질(porous material)을 포함하고, 상기 수집기 매질은 가스 교환 및 액체 교환이 연속적으로 이루어지기에 적합한 형상(geometry)인, 가스 흐름(gas stream)으로부터 이산화탄소 포집용 수집기(collector).
  21. 제20항에 있어서,
    상기 수집기의 형상은 교환 속도를 최대화하기에 적합한 이산화탄소 포집용 수집기.
  22. 제20항에 있어서,
    상기 다공성 물질은 다수의 시트인 수집기 매질의 사이에 위치하고, 상기 다공성 물질이 수집기의 형상에 맞추어 압축되어 있는 이산화탄소 포집용 수집기.
  23. 제20항에 있어서,
    상기 다공성 물질은 다수의 시트인 수집기 매질의 사이에 번갈아 위치하는 압축될 수 있는 시트 형태(compressible sheet form)이고, 상기 다공성 물질의 압축될 수 있는 시트는 수집기의 형상에 맞추어 압축되어 있는 이산화탄소 포집용 수집기.
  24. 제20항에 있어서,
    상기 다공성 물질은 시트 형태이고, 다공성 물질 시트의 적어도 하나 이상 및 수집기 매질 시트의 적어도 하나 이상이 중앙 샤프트(central shaft)에 부착되어 있는 이산화탄소 포집용 수집기.
  25. 제24항에 있어서,
    상기 수집기의 형상을 중앙 샤프트를 회전시킴으로써 조절하는 이산화탄소 포집용 수집기.
  26. 관능기화된 물질(funtionalized material)을 붕괴될 수 있는 형상(collapsible geometry)으로 포함하고, 가스 교환용 제1 공극(primary porosity) 및 액체 교환용 제2 공극(secondary porosity)을 포함하는 이산화탄소 포집용 수집기.
  27. 제1 흡수체 물질(primary sorbent material)에 이산화탄소를 포집하는 단계(capturing), 제1 흡수체 물질을 세정액(wash fluid)으로 세정하여 유출액(effluent)을 생성하는 단계, 상기 유출액을 전기투석 셀(electrodialysis cell)의 산성 부분에 투입하는 단계, 및 전기투석 셀의 pH를 산성에서 중성으로 높여 이산화탄소를 방출시키는 단계를 포함하는, 가스로부터 이산화탄소의 제거 방법.
  28. 제27항에 있어서,
    상기 세정액(wash fluid)의 pH는 11 내지 12이고, 상기 유출액(effluent)의 pH는 9 내지 10인 이산화탄소의 제거 방법.
  29. 제27항에 있어서,
    전기투석 셀(electrodialysis cell)의 염기성 부분으로부터 얻은 용액(fluid)을 세정액(wash fluid)로 사용하는 이산화탄소의 제거 방법.
  30. 제27항에 있어서,
    삼투압으로 물이 전기투석 셀(electrodialysis cell)의 산성 부분으로부터 염기성 부분으로 이동되는 이산화탄소의 제거 방법.
  31. 제1 챔버에서 가스를 수지와 접촉시키면서 흘려 보내는 단계(streaming), 상기 제1 챔버에서 상기 가스를 탈기하는 단계(evacuating), 상기 수지를 물로 습윤시키는 단계(wetting), 상기 수지로부터 수증기(water vapor)와 이산화탄소를 수집하는 단계(collecting), 및 상기 수증기로부터 상기 이산화탄소를 분리하는 단계(separating)를 포함하는, 가스로부터 이산화탄소의 제거 방법.
  32. 제31항에 있어서,
    상기 제1 챔버에서 상기 가스를 탈기하는 단계에 앞서 상기 제1 챔버에 수지를 배치하는 단계를 더 포함하는 이산화탄소의 제거 방법.
  33. 제31항에 있어서,
    상기 가스 스트림(gas stream)을 탈기함에 있어서 상기 제1 챔버 가까이에 진공 압력기(vacuum pressure)를 위치시키는 이산화탄소의 제거 방법.
  34. 제31항에 있어서,
    상기 수지를 수증기 형태(water in the form of steam)로 습윤시키는 이산화탄소의 제거 방법.
  35. 제31항에 있어서,
    상기 수지를 물에 침지시켜(immersion in water) 습윤시키는 이산화탄소의 제거 방법.
  36. 제31항에 있어서,
    압력을 높여 수증기를 응축시킴으로써(condense) 상기 이산화탄소를 상기 수증기로부터 분리시키는 이산화탄소의 제거 방법.
  37. 제31항에 있어서,
    약염기 아민을 사용하여 상기 수증기로부터 상기 이산화탄소를 분리시키는 이산화탄소의 제거 방법.
  38. 제32항에 있어서,
    다수의 챔버가 연속적으로 연결되어 있고, 물이 제1 챔버에 도입되어 마지막 챔버를 통해 배출되며, 상기 마지막 챔버에서 이산화탄소와 물이 수집되는 이산화탄소의 제거 방법.
  39. 제38항에 있어서,
    다수의 챔버가 다수의 밸브로 연결되어 있고, 상기 밸브에 의해 제1 챔버에 서 마지막 챔버로의 배열을 결정할 수 있는 이산화탄소의 제거 방법.
  40. 제38항에 있어서,
    상기 제1 챔버에 수지를 포함하고, 상기 제1 챔버에 포함된 수지는 가스로부터 분리된 이산화탄소로 가장 먼저 포화되며, 마지막 챔버까지 후속적으로 연결된 각각의 챔버에 수지 및 이산화탄소를 포함하는데, 상기 각 챔버에 포함된 수지는 습윤되었으며, 상기 각 챔버에 포함된 이산화탄소는 직전에 연결된 챔버보다 더 긴 시간 동안 이산화탄소가 수집된 것인 이산화탄소의 제거 방법.
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