KR20100092466A - 공기로부터 이산화탄소의 제거 - Google Patents

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KR20100092466A
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클라우스 에스. 라크너
알렌 비. 라이트
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글로벌 리서치 테크놀로지스, 엘엘씨
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Abstract

본 발명은 주위 공기와 같은 가스 스트림으로부터 이산화탄소와 같은 오염 물질을 제거하기 위한 방법 및 장치를 제공한다. 오염 물질은 습윤 스윙, 열 스윙 또는 이들의 조합을 사용하여, 재생 가능한 흡수제에 의해 가스 스트림으로부터 제거될 수 있다. 흡수제는 양이온이 임베딩되고 개별적으로 이동가능한 음이온을 갖는 기판을 포함하는데, 상기 양이온은 음이온들 사이의 상호 작용을 방지할 수 있도록 충분히 공간화된다. 열 스윙이 사용되는 경우에는, 열을 재생된 흡수제로부터 재생 전에 오염물질이 로딩된 상당량의 흡수제로 이동시키는 열 교환기를 사용하여 열이 보존될 수 있다.

Description

공기로부터 이산화탄소의 제거{REMOVAL OF CARBON DIOXIDE FROM AIR}
본 발명은 공기로부터 특정 가스의 제거에 관한 것이다. 본 발명은 공기로부터 이산화탄소(CO2)의 추출에 특히 유용성을 가지며, 다른 유용성도 있지만, 상기 유용성과 관련되어 기술될 것이다.
대기 중 이산화탄소의 급격한 증가와 지구 표면 온도 상승 사이에 강한 상관 관계가 있다고 추정된다. 이러한 현상은 지구 온난화라고 일반적으로 알려져 있다. 이산화탄소 방출의 다양한 방출원 중에서, 방출원에서 완화시키기 어려운 소규모의 폭넓은 분포된 방출자(emitters)들이 많이 있다. 또한, 대규모의 방출자, 예컨대 탄화수소-연료를 사용하는 발전소(hydrocarbon-fueled power plants)은 배출된 이산화탄소를 대기 중에 방출하는 데 충분히 제어하고 있지 않다. 상기 주요 방출원들과, 기타의 결합은 대기 중 이산화탄소 농도의 비율을 급격히 증가시키게 된다. 모든 방출자들이 방출 당시부터 이를 제어하기까지는, 비록 상대적으로 적을지라도, 대기 중 이산화탄소의 배경 수준(background levels)의 증가를 포획할 수 있는 다른 기술이 필요하다. 감소 기술뿐만 아니라, 대기 중 이산화탄소를 직접적으로 포획할 수 있는 신규한 기술 개발에 대한 노력이 이루어지고 있다. 이러한 노력에는, 대기 중으로 재도입되는 것을 방지하는 등의 방법으로, 생성된 농축된 이산화탄소의 폐기 스트림(resulting concentrated waste streams of CO2)을 조절하는 방법론이 필요하다.
탄소를 사용하는 전기적 발전소(electricity power plants)와 같은 다양한 산업적 시설, 및 엔진과 같은 연소 장치에서 연소된 연료의 전형적인 메인 컴포넌트(main components)인 탄화수소의 사용으로부터 이산화탄소가 생성된다. 상기 연소 장치로부터 배출된 배기 가스(Exhaust gas)에는 이산화탄소 가스를 포함하는데, 이는 현재 대기 중으로 배출되고 있다. 온실 효과를 고려한다면, 모든 방출원으로부터 이산화탄소의 방출은 감소되어야 할 것이다. 운송 수단 배출원에 있어서는, 차 또는 비행기에 있어서 운송 수단 연소 장치로 부터 이산화탄소를 제거하는 것보다는 공기 중에서 직접 이산화탄소를 수집하는 것이 바람직하다. 대기 중에서 이산화탄소를 제거하는 경우의 장점은, 운송 장치에 이산화탄소를 저장할 필요가 없다는 점이다.
대기로부터 추출된 이산화탄소를 탄소-기반 연료의 사용을 가능하게 하고, 관련된 온실 가스 방출을 취급할 수 있게 한다. 이산화탄소는 ppm(parts per million) 정도의 양으로는 독성이 있거나 유해하다고 볼 수는 없으나, 대기 중에 축적됨으로써 환경적 문제를 유발할 수 있고, 상이한 장소 및 상이한 때에 동일하게 규모화된 방출을 보상하기 위하여 공기로부터 이산화탄소를 제거하는 것이 가능하게 된다.
가스 또는 공기를 이산화탄소 흡수제(CO2 adsorbent)를 사용하여 압력 스윙(pressure swing) 또는 열 스윙(thermal swing)하여 연소 배기 가스 또는 공기 중으로부터 직접 이산화탄소를 제거하기 위한 다양한 방법이 제안되어 왔다. 이러한 공정들은 흡수제 물질의 상태를 각각 변화시키고 반면 이산화탄소를 방출하기 위하여 압력 또는 온도를 사용한다. 상이한 흡수제 물질이 개시되어 있는데, 제올라이트(zeolites), 아민(amines) 및 활성 알루미나(activated alumina)를 포함한다. 예컨대 하기 미국 특허[U.S. Pat. No. 4,711,645; U.S. Pat. No. 5,318,758; U.S. Pat. No. 5,914,455; U.S. Pat. No. 5,980,611; U.S. Pat. No. 6,117,404]; 및 코-펜딩 미국특허출원(co-pending US Application Serial) [No. 11/683,824]을 참조하며, 상기 문헌의 내용은 본 발명에 참조로 포함된다.
그러나, 어떤 문헌에도, 이산화탄소 회수(CO2 recovery) 및 흡수제 재생(sorbent regeneration)에 까지 확장된 에너지양으로 인해 이산화탄소를 제거하는 특히 효과적인 공정을 제공하고 있지는 않다.
본 발명은 상기 언급된 공지 기술보다 향상된 기술을 제공한다. 더욱 구체적으로는, 본 발명은 충분히 건조된 상태에서 이산화탄소와 같은 오염 물질을 포획하고, 흡수제가 물 또는 습기에 노출되었을 때 가두어 둔 대기(contained atmosphere)로 오염 물질을 방출하는, 흡수제를 사용하여 가스 스트림으로부터 오염 물질을 제거하는 방법 및 장치를 제공한다. 일 실시예로, 상기 흡수제는 가스 스트림의 온도 보다 높은 온도로 유지된 재생 단위(regeneration unit)에 둠으로써 재생될 수 있고, 재생 후에 흡수제에 보유된 열은 열 교환기(heat exchanger)를 통하여 흡수제를 통과함으로써 보존된다. 마지막으로, 습기(humidity)와 열 스윙(thermal swings)의 결합으로 흡수제 재생을 최적화한다.
에너지 보존을 위해, 본 발명은 물을 냉매(refrigerant)로 사용하는 열 교환기(heat exchanger)를 사용할 수 있으며, 상기 물은 배출된 공간(evacuated space)에서 증발되어 재생된 흡수제(regenerated sorbent)로부터 열을 끌어내고, 이어서 오염 물질이 담겨져 있는 흡수제에서 축합된다. 냉매로 다른 액체를 사용하는 것도 고려할 수 있다. 또한, 냉매는 흡수제의 열적 기능(thermal function)을 방해하지 않도록 하기 위하여 흡수제로부터 분리될 수도 있다.
일 측면에서, 본 발명은 가스 스트림을 캐티온(cations)이 임베딩(embedded)되어 있는 표면을 갖는 기판(substrate)과 접촉되도록 두고, 습윤 스윙(humidity swing)에 의해 상기 기판으로부터 이산화탄소를 방출(releasing)함으로써 가스 스트림으로부터 이산화탄소를 제거하는 방법을 제공한다. 개별적으로 이동성이 있는 아니온(anions)이 처음부터 포함되어 있는데, 상기 가스 스트림의 이산화탄소는 상기 아니온과 반응하여 상기 기판에 부착된다. 더욱 구체적으로는, 상기 이산화탄소는 상기 아니온과 반응하여 바이카보네이트를 형성함으로써 포획된다.
또 다른 측면에서, 본 발명은 습윤 공기로부터 이산화탄소를 제거하는 방법을 제공하는데, 상기 방법은 습윤 공기(humid air)를 하이드록사이드 이온이 형성된 표면을 갖는 물질과 접촉시키도록 두고, 상기 습윤 공기로부터의 이산화탄소가 하이드록사이드 이온과 반응하여 물질의 표면에 부착되며, 상기 물질에 바이어스 전압(bias voltage)을 가하여, 상기 물질이 하이드록사이드와 이산화탄소를 방출하는 단계를 포함한다.
또 다른 측면에서, 본 발명은 하기 단계를 포함하는, 가스 스트림으로부터 오염 물질(contaminant)을 추출하는 방법을 제공한다:
a) 가스 스트림을 흡착제(sorbent)와 접촉시키는 단계로, 상기 흡착제는 적어도 부분적으로 오염 물질로 포화됨으로써(saturate) 가스 스트림으로부터 오염물질을 포획(captures)하는 단계;
b) 상기 오염 물질을 운반하는 흡착제를 재생 단위(regeneration unit)에 두어, 상기 흡착제로부터 상기 오염 물질을 방출시키고 상기 흡착제는 재생되는 단계로, 상기 재생 단위는 가스 스트림의 온도보다 높은 온도에서 유지되는 단계;
c) 상기 재생 단위로부터 상기 재생된 흡착제를 제거하는 단계;
d) 상기 흡착제가 상기 재생 단위로부터 제거되면서 상기 재생된 흡착제로부터 열을 포획하는 단계.
마지막으로, 본 발명은 또 다른 측면에서, 오염 물질을 포획하기 위한 흡착제;
포획 단위(capture unit)로, 상기 흡착제가 가스 스트림에 노출되고 적어도 부분적으로 상기 오염 물질로 포화되는 포획단위; 재생 단위(regeneration unit)로, 상기 흡착제가 상승된 온도에 노출되어, 열 스윙(thermal swing)에 따라 흡착제가 오염 물질을 방출하는 재생 단위; 및 재생 단위에서 흡착제로부터 유지된 열을 추출하기 위한 열 교환기(heat exchanger)를 포함하는, 열 스윙(thermal swing)을 채용한 흡착제를 사용하여 가스 스트림으로부터 오염 물질을 추출하는 장치를 제공한다.
본 발명의 추가적인 특징과 장점들은 하기 상세한 설명과 첨부된 도면을 통하여 더욱 상세히 설명된다.
도 1은 본 발명의 일 측면에 따른 가스 스트림으로부터 오염 물질을 제거하는 방법을 도시한 플로우 차트이다.
도 2는 본 발명의 두 번째 측면에 따른 가스 스트림으로부터 오염 물질을 제거하는 방법을 도시한 플로우 차트이다.
도 3은 본 발명의 세 번째 측면에 따른 가스 스트림으로부터 오염 물질을 제거하는 방법을 도시한 플로우 차트이다.
도 4는 상기 도 3의 방법에 따른 가스 스트림으로부터 오염 물질을 제거하는 장치를 도시한 도면이다.
도 5는 상기 도 3의 방법의 또 다른 일실시예에 따른 가스 스트림으로부터 오염 물질을 제거하는 장치를 도시한 도면이다.
본 발명은 가스 스트림으로부터 오염 물질을 추출하는 방법 및 장치를 제공한다. 본 발명은 주위 공기로부터 이산화탄소를 포집하는 방법 및 장치에 관한 것이지만, 본 기술은 배기 가스 또는 다른 가스 스트림에도 적용될 수 있는 것이며, 상기 가스 스트림으로부터 수소 설파이드(hydrogen sulfide), 암모니아(ammonia), 또는 다른 통상적인 오염 물질을 포획하는 데 사용될 수 있다.
본 명세서에 참조로 포함되는, 코-펜딩된 특허출원 제PCT/US07/84880호(co-pending Patent Appln. Serial No. PCT/US07/84880)에서, 이산화탄소 및 수증기의 혼합물을 방출하는, 흡수제를 재생하는 습윤 스윙(humidity swing)을 사용하는 이산화탄소 포집 과정을 논의하였다. 수증기는 압축(compression) 또는 냉각(cooling)에 의해 혼합물로부터 제거될 수 있으며, 상기 압축과 냉각은 수증기를 혼합물로부터 축합 및 침전시킨다.
본 발명의 일 측면은 기판의 표면에 캐티온이 임베딩되어 있어, 습윤 스윙을 사용하여 이산화탄소의 포획 및 방출이 가능하게 되는 향상된 기판을 제공한다. 도 1을 참고한다. 이산화탄소를 효율적으로 흡수하는 고체 기판에 있어서, 가스 스트림에 노출되는 면적이 넓어야 하고, 일정한 메카니즘으로 이산화탄소 분자를 일시적으로 보유할 수 있어야 한다. 본 발명에서 사용되는 메카니즘은 양이온(positive ions)과 음이온(negative ions) 사이의 결합 에너지에 기초한 것이고, 카보네이트 이온(carbonate ions)과 바이카보네이트 이온(bicarbonate ions) 사이의 상호작용(interplay)에 기초한 것이다. 부착된 양이온(attached positive ions)에 담겨진 매트릭스(matrix)는, 음이온이 개별적으로 이동성(mobile)이라고 하더라도 음이온에 보유될 수 있다. 양이온과는 달리, 음이온은 물에서 이동성이 있다. 이러한 이온들은 물에서 "용해"되기 때문에, 이들의 운동성(dynamics)은 용해된 염에서 동일한 이온들과 유사하다. 그러나, 기판 상의 양성 전하(positive charge)는 음이온에 의해 중성화(neutralized)되어야 한다.
기판의 최초 제조는, 전하 균형(charge balance)을 만족시키는 음이온들을 사용함으로써 이루어질 수 있으나, 본 발명에 따르면, 이러한 음이온들을 하이드록사이드 이온들(hydroxide ions)로 대체하는 것이 유용하다. 이는 두 가지 이유에서 어렵다. 하나는, 기판 자체가 하이드록사이드 용액(hydroxide solutions)에 ㅂ분해(destroyed)될 수 있다는 점으로; 예컨대 용해될 수 있거나, 하이드록사이드와 화학적으로 반응할 수 있다는 점이다. 두 번째 이유는, 하이드록사이드 이온은, 일단 부탁되면 건조 환경에서 불안정하다는 점이다. 이러한 경우, 두 개의 하이드록사이드 이온들이 반응하여 물과 옥사이드 이온을 형성하게 된다. 이러한 결과는 양이온이 가깝게 공간화되기 때문인 것으로 보인다. 만약 이들이 충분히 떨어져 있다면 이러한 현상은 적게 일어난다.
표면에 부착된 하이드록사이드 이온들은 이산화탄소와 반응하여 바이카보네이트 이온들을 형성한다. 두 개의 바이카보네이트 이온들은 반응하여 물, 이산화탄소, 및 카보네이트 이온을 형성할 수 있다. 이러한 경우, 에너지론(energetics)에 따라 바이카보네이트보다 카보네이트가 형성되게 된다. 따라서, 카보네이트로 달성될 수 있는 이산화탄소 로딩(CO2 loading)이 제한될 것이다. 이러한 공정을 최적화하기 위해서, 건조된 표면에서 바이카보네이트는 카보네이트로 되도록 에너지론되어야 한다. 더욱이, 캐티온(cations)은 물의 존재에서 침출되지 않아야 한다. 이러한 점에서 카보네이트와 바이카보네이트 사이의 에너지 차이(energetic difference)은 두 개의 옵션 사이의 균형을 조절하도록 설계될 수 있다. 에너지 차이(energy difference)를 최적화함에 따라, 카보네이트 로딩(carbonate loading) (최대 50%)과 바이카보네이트 로딩(bicarbonate loading)(최대 100%) 사이의 기판에 로딩되는 최대 변화는 주위 공기에 가까운 이산화 탄소의 부분압에서 이루어진다.
물에 노출되면, 상기 물질은 물 속에서 바이카보네이트 이온을 카보네이트 이온, 물 그리고 이산화탄소로 전환시킬 것이다. 따라서, 습윤되면, 물질은 다량의 이산화탄소를 방출할 것이다.
2HCO3 → H2O + CO2 + CO3 -2
기판에 있어서 물을 운반할 수 있는 가용량은 최소화되어야 하고 물의 양을 제한하여야 하는데, 기판이 일단 이산화탄소를 다시 흡수(pick up)할 수 있기 전에 제거될 필요가 있다. 그러나 기판 물질은 표면적을 최대화하기 위하여 매우 다공성이어야 한다. 뿐만 아니라, 표면은 이온들로 덮여야 하는데, 이들 이온들이 물 분자와 같은 극성 분자들을 끌어당긴다. 이들 마지막 두 개의 특성들은 물 운반 가용량을 제한할 필요와 상충될 수 있기 때문에 최적화가 필요하다.
물 스윙(water swing)은 상기 특성을 갖는 기판과 함께 작용할 것이다. 물의 존재 하에서, 물에 용해되는 이온들은 평형 상태(equilibrium state)에 도달하게 되는데, 이는 이산화탄소의 특정 부분압을 갖는 대기와 평형인 수용액 중에서 기대할 수 있는 것과 유사하다. 물이 없는 경우는, 카보네이트 이온의 에너지 상태가 낮아져(disfavored), 바이카보네이트 형태인 이산화탄소의 로딩(loading)이 증가할 수 있다. 이는 통상적인 강 염기 4급 아민 수지(conventional strong base quaternary amine resins)의 경우이며, 표면에 결합하는 이온들을 포함하는 모든 구조에 대해서 동일하다. 근본적인 메커니즘을 이해함으로써, 공기 중으로부터 이산화탄소를 수집하고 습윤 스윙을 통해 이를 방출할 수 있는 전체 기판을 정의할 수 있다.
바이카보네이트 이온에의 경향이 있는(in favor of) 카보네이트 이온의 형성의 방지는, 임베딩된 양이온들 사이의 간격을 기판에서 충분히 멀리함으로써 달성될 수 있고, CO3 -2 와 같은 단일 2가 이온(single doubly charged ion)은 두 개의 양이온에 대응(cover)될 수 없다. 다른 배열 역시 가능할 수 있다. 건조 상태에서, 캐티온은 하이드록사이드 이온에 의해 중성화될 수 있다. 이러한 형태에서 시스템이 안정화되지 않는다면, 그러나 하이드록사이드는 옥사이드로 전환될 것이며, 물이 방출될 것이다. 상기와 같은 시스템에서, 물은 표면에서의 업테이트(uptake)에서 이산화탄소와 경쟁될 것이다.
마라톤 에이(Marathon A)와 같은 강 염기 4급 수지(Strong base quaternary resins)는 상기 범주를 만족한다. 그러나, 캐티온들을 지지할 수 있고 본 발명의 목적에 더욱 효과적인 성질을 갖는 다른 기판들이 있다. 예컨대, 상기와 같은 요건을 만족하는 이온성 기판의 하나의 분류는 물질 표면으로 이온 주입(ion implantations)됨으로써 생성된 물질로, 이들 이온은 스퍼터링되어야 한다. 이는 표면을 작용기화 하기 어려울 수 있는 물질들의 폭 넓은 분류들을 제시한다.
다른 방법들은 미네랄, 또는 다른 무기 물질의 작용기화(functionalization)를 포함할 수 있고, 이의 결함(defects)은 표면에서 적응되고(accommodated) 물의 존재 하에서 안정화될 수 있다. 중요한 것은, 형성된 물질이 카보네이트 및 옥사이드의 형성에 대해서 안정화된다는 점이다. 즉, 동일한 공간적 상충(same spacing argument)으로 두 개의 전하를 무효화시킬 수 있는(negate) 산화물의 형성을 방지할 수 있다.
금지되어야 하는 두 개의 반응은 다음과 같다:
2OH- → H2O + O-2
및
2HCO3 - → H2O + CO2 + CO3 -2
양 쪽 모두의 경우에 있어서, 2개의 단일 양성 전하(two single positive charges)의 존재 하에 2가의 음이온(bivalent negative ions)이 불안정하도록 충분히 멀리 떨어뜨려 이온들을 위치시킴으로써 반응이 이루어질 수 있다.
제올라이트(Zeolites)는 상기 범주를 만족하는 물질의 또 다른 분류이다. 물질을 복잡화할 수 있는, 표면에 이산화탄소와 물의 결합이 이미 존재하는 반면, 제올라이트는 표면적을 많이 제공하므로, 이는 또 다른 중요한 인자가 된다.
양이온이 부가될 수 있는 비-전자활성 물질(Non-electroactive materials)은 본 발명의 상기 범주를 만족한다. 양이온(Positive ions)은 음성 결함(negative defects)을 도입함으로써 치환될 수 있다; 즉, 소실된 음이온(missing negative ion)은, 사실상 총 양이온(net positive ion)과 같이 행동한다. 전기활성 물질(Electroactive materials)은 고정된 전하(fixed charges)를 차단(screen out)할 수 있다. 양성의 총 전하(positive net charge)는 기판에 고정되고, 물의 존재 하에 용해되어 없어져서는 안된다.
바람직한 구체예로, 본 발명은 하이드록사이드 이온이 무기 탄소 이온으로 점차적으로 교체되는 강-염기 수지를 제공한다. 화학량론(stoichiometry)은, 하나의 이산화탄소 분자(CO2 molecule) 당 하나의 양 전하(positive charge)가 필수적으로 흡수되므로, 최종 상태는 카보네이트보다 바이카보네이트로 되는 경향이 있다. 수지는 흡습성(hygroscopic)이 있으나, 더욱 중요한 것은 수지에 대한 이산화탄소 부분압(CO2 partial pressure)이 수지의 이산화탄소 로딩 기능(function of the CO2 loading of the resin)뿐만 아니라, 가스에서 수증기 작용을 한다는 점이다. 가스 중 습기(humidity)의 변화에 대한 반응은 매우 빠르다. 관련된 인자는 공기 중 이산화탄소 증기 농도(CO2 vapor concentration)로 나타난다. 시스템에 대한 이산화탄소의 평형 부분압(equilibrium partial pressure of CO2)을 세팅함에 있어서, 그러나, 수지의 물 로딩(water loading)이 또 하나의 인자이다. 수증기에 대한 의존성은 상대 습도(relative humidity)보다는 절대 습도(absolute humidity)에 더욱 영향을 받는다. 따라서, 상기 시스템은 덥고 건조한 기후(hot dry climates) 및 차갑고 습한 기후(cool humid climates)에서 동일하게 작동하며, 양쪽 모두 유사한 이슬점 온도(dew point temperature)를 갖게 된다.
공지 기술의 통상적인 금속 산화물에 대한 본 발명의 수지의 장점은, 투폴드(twofold)라는 점이다: 첫째, 이는 전형적인 금속 산화물 또는 하이드록사이드보다 이산화탄소에 더 약하게 결합한다; 둘째, 이산화탄소의 흡수에 있어서 표면의 비정상적인 다량을 나타낸다. 로딩(loading)은 리터 당 이산화탄소 2 몰에 가까운 농도에 이를 수 있다.
소듐 하이드록사이드 중 수지를 세척하는 것 보다, 수지에서 이산화탄소를 씻어내는 데에 소듐 카보네이트를 사용한다. 두 개의 양 전하(per two positive charges) 당, 하나의 탄소 이온의 이산화탄소로 수지 포화(resin saturation)된다. 따라서, 이러한 상태에서 수지는 바이카보네이트보다 카보네이트에 유사하다. 그러나, 완전히 포화된 흡수제는, 생성된 카보네이트/바이카보네이트 혼합물을 거의 완전히 바이카보네이트로 구성되도록 한다. 이는 가능한 표면적의 양으로 인해 가능하다.
수지의 또다른 장점은, 양 전하들 사이의 공간이 바이카보네이트 이온에 대한 경향으로 수지 상에 카보네이트 이온의 침착이 이루어지지 않도록 최적화한다는 점이다. 상기 수지는, 수지 상에 개개의 양 전하(every positive charge)에 대해 하나의 탄소 이온과 결합하는 상태에 이를 수 있도록 하고, 이러한 상태가 주위 조건(ambient conditions)에 도달되는 것으로 나타난다. 더욱이, 수지가 2 개의 양 전하 당 하나의 탄소 이온보다 작은 조성물로부터, 2 개의 양 전하 당 하나의 탄소 이온 보다 큰 조성물로 이동함에 따라 반응 역학(reaction kinetics)에 있어서 브레이크(break)가 발생되지 않는다. 이는, 두 개의 양 전하 사이의 거리가 하나의 2가 전하 카보네이트 이온(one doubly charged carbonate ion)으로 커버하기에는 너무 크기 때문에 가능하다. 그 대신, 카보네이트가 하나의 물 분자를 쪼개고 바이카보네이트 이온과 하이드록사이드 이온으로 변형되는 것으로 나타난다. 두 개의 이온은 독립적으로 각 전하를 중화시킨다. 물이 존재하면, 카보네이트 이온의 큰 하이드레이션 클라우드(hydration cloud)가 상기 반응을 방해(discourages)한다. 따라서, 표면의 물이 제거됨에 따라, 공기로부터 추가적인 바이카보네이트를 흡수하는 시스템을 남기고, 따라서 하이드록사이드 이온을 더욱 노출시킨다.
수지의 평형 상태(equilibrium state of the resin)는 공기 중 수증기의 함량에 따라 크게 영향을 받는다. 건조 공기의 경우에 습윤 공기보다 로딩이 더 많이 된다. 이는 본 발명의 수증기 스윙(water vapor swing)에 대한 기본을 형성한다.
상기 기재된 바와 같이 수행하는 흡수제에 있어서, 흡수제는, 매트릭스가 OH-, Cl-, CO3 =, 및 HCO3 -와 같이 음이온을 끌어당기는 방법으로 흡수체 매트릭스 중에 임베딩된 양이온을 포함하여야 한다. 양 전하는 실질적으로 부동성(immobile)인 것이 중요하다. 또한, 양이온들 사이의 공간은 바이카보네이트 형상이 카보네이트 형상으로 향하도록 되어야 한다. 습기 잔류(moisture residue)가 거의 없는 표면에 있어서, 카보네이트 이온은 하이드레이션 클라우드(hydration cloud)의 대부분이 결핍될 것이며, 따라서 희석된 브린(dilute brine) 중에서보다 덜 안정하다. 상기 기재된 바와 같이, 물 분자는CO3 = 에 의해 쪼개져서 HCO3 - 와 OH-을 형성하는 것으로 생각된다. 이러한 두 개의 이온은 양의 사이트(positive sites)에 결합될 것이다. 상기와 같은 시스템에서 이산화탄소 흡수 능력(CO2 uptake capacity)은, 화학양론적으로 매 두 개의 양이온에 대해 하나의 카보네이트가 있더라도, 유지된다. 하이드록사이드는 미리 형성되어, 제2 이산화탄소에 흡수되어 제2 바이카보네이트를 형성한다. 다른 메커니즘이 작용하는 것도 가능하다. 그럼에도 불구하고, 바이카보네이트가 카보네이트의 경향으로 안정화되는 필수적인 특성은 확인되었다. 사이트 간의 거리가 너무 크면 바이카보네이트가 선호되는 것 역시 명확하다.
상기 흡수제를 향상시키는 몇 가지 전략이 있다. 제1 카테고리는, 현재 수지에서 양이온들의 공간과 다른 임계적인 파라미터들을 최적화하는 것이다. 두 번째 카테고리는, 다른 물질을 탐색하는 것이다. 하나의 예로는, 매우 다공성이고(highly porous), 큰 표면적을 갖는(활성화된) 금속 산화물과, 수지로 동일한 처리가 가능하도록 하는 금속 산화물이 있다. 특히, 이미 부분적으로 카보네이트화된 산화물에 관심이 있으며, 결과적으로 이들은 바이카보네이트로 될 수 있다. Na2CO3, Al(OH)3, Mg(OH)2, Fe2O3 로 부터 만들어진 표면적이 높은 분말이 실시예로 된다. 더욱 구체적인 실시예로는 활성 알루미나(activated alumina), 활성 마그네시아(activated magnesia), 및 활성 철 산화물(activated iron oxides)을 포함한다.
다른 구체예로는, 습한 공기(humid air)의 존재 하에 하이드록사이드를 형성하는 금속을 포함한다. 도 2를 참조한다. 이와 같은 환경에서는, 공기와 비교하여 전압(voltage)하에 바이어스될 수 있는(biased) 전극으로서 금속 표면(metal surface)을 고려할 수 있다. 전기적 전압(electric voltage)의 존재 하에서의 하이드록실화 반응(hydroxylation reaction)은 가역적(reversible)이다. 말하자면, 하기 반응에 따라 표면 상의 금속 및 자유수(free water ) 및 산소(oxygen)가 감소될 수 있다:
2M++ (OH-)2 ⇔ 2M + 4e- + 2H2O + O2 ,
전압을 리버싱(reversing)함으로써, 반응을 역으로 하고, 다시 하이드록사이드 레이어(hydroxide layer)를 형성할 수 있다. 상기 반응은 적용되는 바이어스 전압(applied bias voltage)을 변화시킴으로써 정반응 및 역반응으로 만들 수 있다. 일단 형성된 하이드록사이드는, 이산화탄소의 존재 하에 카보네이트 또는 바이카보네이트로 전환될 수 있다. 바이어스 전압은 하이드록사이드를 분해할 수 있는 반면, 카보네이트는 전압 하에서 불안정하고, 따라서 제거될 수 있다(come off). 따라서, 전압 스위치(voltage switch)에 의해 이산화탄소를 구축(drive off)할 수 있다. 이와 같은 스위치는 4 하이드록사이드 이온으로부터 물과 산소를 생성할 수 있으나, 여기에서 확장된 에너지는 즉각적인 리버설(immediate reversal)에서 회수될 수 있고, 하이드록사이드 역시 회수될 수 있다.
이러한 시스템은 전하를 인가한 캐퍼시터(capacitor)와 유사한 것으로 보일 수 있다; 화학적 저장 캐퍼시턴스(a chemical storage capacitance). 전압의 리버설로 대부분의 에너지가 회수되는데, 이는 포워드 스윙(forward swing)에서 시스템에 도입된다. 따라서, 멤브레인에서 이산화 탄소를 구축하는 저주파 진동(low frequency oscillations)(회로의 RC 값을 고정시킴)를 탐색할 것이다. 싱글 스윙(single swing)에서 이산화탄소를 제거하는 것이 가능하지만, 하나 이상의 사이클이 필요할 것이다. 물과 산소가 시스템 중에 보유되는 동안, 가스 스트림으로부터 이산화탄소를 회수하는 것 역시 가능하다. 이는 습한 산소(humid oxygen), 시스템을 통하는 물 혼합물 플로우(water mixtures flow through the system), 표면으로부터 이탈할 때의 시스템으로부터 이산화탄소의 운반에 의해 달성될 수 있다. 인풋 스트림(input stream)에 물과 산소가 있기 때문에, 역반응(reverse reaction)이 방해받지 않도록(unimpede) 발생되며, 반면 이산화탄소는 가스 스트림에 의해 이동된다.
상기 표면에의 바이카보네이트 및 카보네이트의 친화력은 인가된 바이어스 전압(bias voltage applied)에 의존적이다. 따라서, 최적 조건에서 선택된 바이어스 전압으로 흡수제의 결합력(binding strength of the sorbent)을 조절할 수 있다. 산소가 형성되지 않는 레짐(regime)에서 바이어스 전압을 단순히 변화시킴으로써 이산화탄소의 평형 부분압(equilibrium partial pressure)을 변화시킬 수 있다. 이는 이산화탄소를 회수하는 다른 메커니즘을 제공할 수 있다. 상기 레짐에 있어서, 전압 스위치는 하이드록사이드를 구축하는데 불충분하나, 이산화탄소 부분압을 변화시키기에는 충분하다.
전압이 앞뒤로(back and forth) 매우 빠르게 전환되면, 산소를 생성하는데 확장되는 에너지는 하이드록사이드를 회수하도록 즉시 되돌아 올 것이다. 이산화탄소 업테이크 속도(CO2 uptake rate)는 느리지만, 일단 이산화탄소가 밀려나면(forced off), 이산화탄소는 매트릭스로 다시 되돌아 가기 전에 회수될 수 있다. 금속 스폰지(metal sponge)로 표면적을 넓히는 것이 가능하고, 바이어스 전압에 대한 화학적 성질(chemical behavior)을 조절할 수 있게 된다. 전극 물질(electrode material)의 모든 부분과 접촉하는 전기적 접촉(electric contact)이 유지될 수 있도록 바이어스 전압을 조절할 수 있다. 하이드록사이드 형성을 조절할 필요가 있으나, 하이드록사이드가 지나치게 과량으로 존재하게 되면 전도성(conductivity)이 방해될 수 있다.
확장된 에너지라는 측면에서 카보네이트와 하이드록사이드 사이 보다, 카보네이트와 바이카보네이트의 사이를 조절하는 것이 더욱 선호된다. 다른 한 편으로는, 하이드록사이드 레이어를 온전하게(intact) 유지하는 전압 바이어스 및 양 전하 사이의 공간으로 카보네이트의 형성이 에너지적으로 억제되는 물질을 사용함으로써, 중간체(intermediary)로 카보네이트를 생성하지 않고도 하이드록사이드와 바이카보네이트 사이를 조절하는 장치를 생성할 수 있다. 이는 양 전하들 사이에 보통 보다는 더 큰 공간을 갖는 물질을 필요로 할 수 있다. 이러한 공간은 보다 크고 단순한 하이드록사이드 결정(simple hydroxide crystals)으로 전형적으로 실현가능하다(feasible). 상기와 같은 물질들을 생성할 수 있는 몇 가지 방법이 있다. 하나는, 주석-구리(tin-copper), 알루미늄-구리(aluminum-copper), 마그네슘-알루미늄(magnesium-aluminum), 마그네슘-구리(magnesium-copper) 또는 철-구리 합금(iron-copper alloys)과 같은 노블(noble) 또는 세미-노블 금속(semi-noble metal)에 양이온을 임베딩시키는 것이다. 또한, 1의 산화상태(oxidation state of 1)로 이르는 경향이 있는 원소들과의 합금, 예컨대, 소듐, 포타슘, 리튬 합금 또는 은을 포함하는 더 노블한 원소를 사용하는 것도 유용하다. 또한, 고정된 양이온들(fixed positive ions)을 서로서로 분리하는데 사용되는 탄소 매트릭스(carbon matrix)일 수도 있다. 이러한 전략으로 이온-주입(ion-implantation)에 이를 수 있으며, 이는 활성화 탄소 표면(activated carbon surfaces) 또는 다른 금속성 표면(other metallic surfaces)으로의 파티클 빔(particle beams)으로 이루어진다.
다른 구체예로는, 인 도핑된 규소(phosphor doped Si)와 같은 반도체(semiconductor)를 사용하는 것이다. 인 원자(phosphor atoms)는 중성 매트릭스(neutral matrix)에 임베딩된 양전하로서 행동할 것이다. 인 원자는, 바이어스 전압이 충분히 포지티브인 경우에는 하이드록사이드를 끌어당기고, 따라서, 공간화된 하이드록사이드(spaced hydroxides)로 행동할 수 있다. 다시, 바이어스 전압을 변화시킴으로써, 부분적으로 로딩된 표면에 대해 이산화탄소의 평형 부분압을 조절할 수 있고, 하이드록사이드의 과도한 구축으로(in the extreme of driving off the hydroxide) 표면으로부터 모든 이산화탄소를 사실상 제거하는 것이 가능하다.
결과적으로 이들 하이드록사이드는 카보네이트 또는 바이카보네이트를 결합한다. 이들 물질들은 결합 에너지를 생성하도록 최적화될 수 있다. 이상적으로 카보네이트 결합을 제거하고, 그 결과 주요 결합(dominant binding)은 바이카보네이트 이온(bicarbonate ions)으로 된다. 나노다공성 물질(nanoporous material)을 생성함으로써, 다수의 결합 사이트(binding sites)를 생성할 수 있다. 전압을 스윙잉(swinging)함으로써, 이산화탄소의 결합에너지를 바이어스할 수 있고, 따라서 기판으로부터 이산화탄소를 제거할 수 있다. 또한 전압을 높게 인가함으로써 물을 제거할 수 있다. 이와 같이 하기 위해서는, 빠른 스윙(fast swing)이 요구되며, 그 결과 산소 형성 에너지(energy of the oxygen formation)가 하이드록사이드로의 스윙 백(swing back)에서 즉각적으로 회수된다.
추가적인 구체예가 상기 기재된 본 발명의 범주에서 가능하다. 예컨대, 향상된 기판이 하기로 이루어지거나, 하기를 포함할 수 있다: 소듐 실리케이트(sodium silicates), 임베딩된 이온이 있는 소수성 수지를 사용한다(wherein hydrophobic resins with embedded ions are used); 활성 알루미나(activated alumina); 에어로졸을 포함하는 폼 물질(foam materials including aerogels); 관능기화된 아쿠아폼 또는 다른 폼(functionalized aquafoams or other foams); 또는 구리 복합체와 같은 큰 복합체 캐티온(large complex cations such as copper complexes). 또한, 상이한 결합제(bonding agents)를 사용하거나 수지를 재성형(reshaping)함으로써 기판을 개질할 수 있다.
본 발명의 또 다른 관점에서, 열 교환기(heat exchanger)를 상기 구체예를 더욱 향상시키는 데 사용할 수 있다. 도 3을 참조한다. 습윤 스윙(humidity swing)을 수행하기 위해서, 흡수제를 낮은 압력의 수증기에 노출시키는 것이 유용하다. 필요한 최소한의 수증기압에 도달하기 위해서, 최대 수증기압이 온도에 강하게 영향을 받음에 따라 상기 주위 온도를 조절할 필요가 있다. 마지막으로, 상기 코-펜딩된 출원에는, 높은 온도에서 환경으로 도입될 필요가 있는 로딩된 흡수제로 열을 전달하는 방법이 개시되어 있다.
생성된 가스 혼합물로부터 물을 축합함에 있어서 컴프레션(compression)이 사용되는 경우에, 상기 공정에서 생성된 열은 필요한 만큼 온도를 증가시키기 위하여 흡수제로 이동될 수 있다. 또한, 흡수제를 필요한 온도(requisite temperature)로 만드는 데 필요한 열은 주위 조건(ambient condition)에서 증발된 물의 축합으로부터 유래된 것일 수 있다. 본 발명은 포획 공정(capture process)의 효율을 증가시키는 열 이동 방법(heat transfer methods)을 채용한다.
도 4를 참조하면, 공정은 포획 단위(capture unit)(10)와 재생 단위(regeneration unit)(20)를 포함하는 장치를 제공하고, 하나의 단위에서 다른 단위로 이동될 수 있는 흡수제 물질(sorbent material)(30)을 포함한다. 가스 스트림(15)이 포획 단위(10)로 도입되고, 오염 물질(예컨대, 이산화탄소)가 흡수제(30)에서 포획된다. 흡수제는 재생 단위(20)로 이동되는데, 오염 물질이 스트림(25)에서 방출된다. 상기 공정에는 재생된 흡수제(regenerated sorbent)로부터 로딩된 흡수제(loaded sorbent)로 열을 이동시키는 수단으로 물을 사용할 수 있다.
본 발명의 이러한 관점을 위해서, 흡수제 물질은 이산화탄소를 흡수할 수 있는 액체일 수 있고, 예컨대, 소듐 하이드록사이드 용액(a sodium hydroxide solution), 소듐 카보네이트 용액(a sodium carbonate solution), 또는 아민 용액(an amine solution)이 있으며, 상기 흡수제 물질은, 예컨대 고체 아민 수지(solid amine resins) 또는 다른 이온 교환 수지(other ion exchange resins)와 같은 고체일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 포획 단위는 주위 공기에 개방된다. 상기 재생 단위는 온도 T1 으로 가정되는데, 상기 T1 은 주위 공기 온도인 Ta 보다 높다. 예컨대, T1 은 Ta 보다 적어도 20℃ 높은 것이 바람직하다. 포획 단위에서 흡수제 물질은 이산화탄소를 방출하기 위하여 재생 단위로 이동되어야 한다. 재생 단위는 흡수제의 온도를 높여 이산화탄소를 방출한다. 이어서 흡수제 물질은 포획 단위로 되돌아 간다. 이와 같은 열 스윙(thermal swing)은, 예컨대, 주위 온도에서 약 100℃까지 상승시킬 수 있다. 온도 T1 에서 재생 단위를 유지하는 데 필요한 열은, 그라운드 또는 물 저장소(ground or a water reservoir)와 같은 열 저장소(heat reservoir)(40)에 의해 공급되거나, 태양 에너지(solar energy), 지열 에너지(geothermal energy), 또는 예컨대 발전소(power plants), 스틸 밀스(steel mills), 시멘트 공장(cement plants)과 같은 다른 공정으로부터 발생된 폐기물 열(waste heat)을 포함하는(그러나, 이에 한정되는 것은 아니다) 다른 공급원으로부터 제공될 수 있다.
도 4를 다시 참조하면, 물은 재생된 흡수제로부터 열을 흡수하고, 증발되며, 상기 증발된 물은 통로(path)(35)를 따라 로딩된 흡수제로 이동되어, 축합된다. 축합된 물은, 통로(36)을 따라 재생 단위로 되돌아 간다. 이러한 불필요한 손실을 피하기 위하여, 흡수제로부터의 열을, 흡수제가 주위 공기에 다시 노출되기 전에, 재생 단위로 돌려보냄으로써 에너지를 보존할 수 있다.
이는, 예컨대, 물을 배출 공간(evacuated space)으로 증발시킴으로써 이루어질 수 있다. 수증기는 증발의 잠열(latent heat)을 포함하고, 물이 높은 온도에서 압축되면, 높은 온도에서 그 열 함량을 방출할 것이다. 이러한 이전(transition)을 유발하는 한 가지 방법은, 물을 축합하여 흡수제의 표면에 놓는 것이다. 이는 어떤 경우에는 역생산적(counter-productive)일 수 있으나, 물의 존재 하에서는 어던 흡수제의 이산화탄소 방출을 방해할 수 있다.
물과 접촉하는 흡수제가 허용되지 않기 때문에, 유사한 방법으로 분해(deployed)될 수 있는 다른 작동액(working fluids)이 있을 수 있다. 이러한 경우, 작동액 그 자체는 흡수제로부터 이산화탄소의 방출을 방해하지는 않으나, 방출된 이산화탄소로부터 잘 분리되는 것이 중요하다. 물은 압축에 의해 축합되어, 따라서 이산화탄소로부터 용이하게 분리되기 때문에 대부분의 흡수제에 있어서는 물이 좋은 선택이 된다. 작동액에 있어서 이산화탄소는 생성된 이산화탄소의 분리를 요하지 않을 것이나, 흡수제로부터 이산화탄소가 방출되는 과정에는 어느정도 방해가 될 수 있다. 그럼에도 불구하고, 높은 압력에서 압축된 이산화탄소(compressed CO2)를 제거하여, 후속적인 확장(subsequent expansion)이 챔버 또는 그 안의 흡수제 물질을 효과적으로 냉각시킬 수 있을 정도로 온도를 낮추기 위해 충분한 열 매스(heat mass)를 제공하지 않는 정도로, 잔류 이산화탄소의 부피를 낮출 수 있다.
도 5를 참조하면, 열 교환기(40)에서 흡수제(30)로부터 작동액을 분리하는 것이 가능한데, 이 경우에는 작동액이, 주위 조건(ambient conditions), 또는 재생 단위의 상승된 온도로부터, 통로(41)를 따라 재생 단위로 들어가는 이산화탄소-로딩된 흡수 물질로, 열을 이동시키는데 사용될 수 있다. 자연적인 온도 구배에 의해 따뜻한 재생 흡수제(warm regenerated sorbent)로부터 차가운, 이산화탄소-로딩된 흡수제로 열을 직접 이동시킴으로써 이동(transition)을 유발하는 것도 가능하다. 또한, 작동액이 흡수제(30)로부터 분리되는 경우에, 최적의 작동액의 선택은 물에 한정되지 않는다. 예컨대, 이산화탄소를 사용할 수 있으며, 이는 주위 조건에 가까운 경우(near ambient conditions)에 냉매(refrigerant)의 좋은 선택으로서 확인될 수 있다. R-12 또는 R-22와 같은 다른 냉매가 사용될 수 있다.
따라서, 본 발명은 제어된 온도 하에서 이산화탄소와 같은 가스를 흡수하는 흡수제를 제공하는데, 이는 완전히 또는 부분적으로 가스로 로딩될 수 있다. 로딩이 가능한 최대 수준에 도달하지 않더라도, 흡수제가 리사이클 루프(recycle loop)에 도입되면 이를 로딩된 흡수제(loaded sorbent)라고 한다. 흡수제는 상승된 온도에서 회수되며, 본 발명의 목적은 열을 더 높은 온도로 흡수제로 전달하는 것이다. 가스를 방출하기에 필요한 열이 제공되지만, 전형적인 경우에 있어서 흡수제를 따뜻하게 하는 데 필요한 열과 비교하면 적다. 열의 양이 적은 것으로 고려될 수 있으나, 흡수제를 가열함에 있어서, 상기 열이 또한 제공되는 것으로 이해된다.
상기 기재된 장치 및 공정의 실시예, 특히 "바람직한" 실시예는 본 발명의 원리를 명확하게 이해하기 위한 예시로 이해되어야 한다. 본 명세서에 기재된 다른 상이한 구체예들이 본 발명의 범주에서 벗어나지 않으면서 고안될 수 있다. 본 명세서에는 다른 변형들이 포함될 수 있으며, 본 발명은 하기 첨부된 청구항에 의해서 보호된다. 따라서 본 발명은 하기 청구항의 기재에 의해 한정되는 것은 아니다.

Claims (41)

  1. 가스 스트림을 캐티온(cations)이 임베딩(embedded)되어 있는 표면을 갖는 기판(substrate)과 접촉시키는 단계로, 개별적으로 이동성이 있는 아니온(anions)이 상기 표면에 포함되어 있고, 상기 가스 스트림의 이산화탄소가 상기 아니온과 반응하여 상기 기판에 부착되는 단계; 및
    습윤 스윙(humidity swing)에 의해 상기 기판으로부터 이산화탄소를 방출(releasing)하는 단계를 포함하는,
    가스 스트림으로부터 이산화탄소를 제거하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 캐티온은 상기 아니온이 서로 반응하는 것을 방지하기 위해 최소한의 간격(minimum spacing)으로 임베딩되어 있는 이산화탄소 제거 방법.
  3. 제1항에 잇어서,
    상기 아니온은 하이드록사이드 이온(hydroxide ions)인 이산화탄소 제거 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 기판은 강염기 4급 아민 수지(strong base quaternary amine resin)인 이산화탄소 제거 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 기판은 캐티온 물질(cation material)을 중성 기판 물질(neutral substrate material)에 스퍼터링(sputtering)함으로써 형성되는 이산화탄소 제거 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 기판은 제올라이트 물질(zeolite material)을 포함하는 이산화탄소 제거 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 기판은 양이온(positive ions)이 첨가된 비-전자활성 물질(non-electroactive material)으로 형성된 이산화탄소 제거 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 기판은 물질로서 활성 알루미나(activated alumina)를 포함하는 이산화탄소 제거 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 기판은 물질로서 활성 마그네시아(activated magnesia)를 포함하는 이산화탄소 제거 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 기판은 물질로서 활성 철 산화물(activated iron oxide)을 포함하는 이산화탄소 제거 방법.
  11. 가스 스트림을 캐티온(cations)이 임베딩(embedded)되어 있는 표면을 갖는 기판(substrate)과 접촉시키는 단계로, 개별적으로 이동성이 있는 아니온(anions)이 상기 표면에 포함되어 있고, 상기 가스 스트림의 이산화탄소가 상기 아니온과 반응하여 상기 기판에 부착되어 바이카보네이트(bicarbonate)를 형성하는 단계를 포함하는, 가스 스트림으로부터 이산화탄소를 제거하는 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 바이카보네이트는 상기 기판을 소듐 카보네이트로 세척함으로써 상기 기판으로부터 방출되는 이산화탄소 제거 방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 바이카보네이트는 습윤 스윙(humidity swing)의 사용으로 상기 기판으로부터 방출되는 이산화탄소 제거 방법.
  14. 습윤 공기(humid air)를 하이드록사이드 이온이 형성된 표면을 갖는 물질과 접촉시키는 단계로, 상기 습윤 공기로부터의 이산화탄소가 하이드록사이드 이온과 반응하여 물질의 표면에 부착되는 단계; 및
    상기 물질에 바이어스 전압(bias voltage)을 가하는 단계로, 상기 물질이 하이드록사이드와 이산화탄소를 방출하는 단계를 포함하는,
    습윤 공기로부터 이산화탄소를 제거하는 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 하이드록사이드 이온 및 이산화탄소는 반응하여 카보네이트를 형성하는 이산화탄소 제거 방법.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 하이드록사이드 이온 및 이산화탄소는 반응하여 바이카보네이트를 형성하는 이산화탄소 제거 방법.
  17. 제14항에 있어서,
    상기 물질은 세비-노블 금속(semi-noble metal)에 임베딩된 양이온(positive ions)을 포함하는 이산화탄소 제거 방법.
  18. 제14항에 있어서,
    상기 물질은 인 도핑된 실리콘(phosphor doped silicon)을 포함하는 이산화탄소 제거 방법.
  19. 하기 단계를 포함하는, 가스 스트림으로부터 오염 물질(contaminant)을 추출하는 방법:
    a) 가스 스트림을 흡착제(sorbent)와 접촉시키는 단계로, 상기 흡착제는 적어도 부분적으로 오염 물질로 포화됨으로써(saturate) 가스 스트림으로부터 오염물질을 포획(captures)하는 단계;
    b) 상기 오염 물질을 운반하는 흡착제를 재생 단위(regeneration unit)에 두어, 상기 흡착제로부터 상기 오염 물질을 방출시키고 상기 흡착제는 재생되는 단계로, 상기 재생 단위는 가스 스트림의 온도보다 높은 온도에서 유지되는 단계;
    c) 상기 재생 단위로부터 상기 재생된 흡착제를 제거하는 단계;
    d) 상기 흡착제가 상기 재생 단위로부터 제거되면서 상기 재생된 흡착제로부터 열을 포획하는 단계.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 흡착제 재생으로부터 포획된 열을 상기 재생 단계에서 흡착체를 두는 단계 (b) 전에 상기 오염 물질을 운반하는 흡착제의 온도를 상승시키는 데 사용하는, 오염 물질 추출 방법.
  21. 제19항에 있어서,
    상기 오염 물질은 이산화탄소인, 오염 물질 추출 방법.
  22. 제19항에 있어서,
    상기 가스 스트림은 배기 스트림(exhaust stream)인, 오염 물질 추출 방법.
  23. 제19항에 있어서,
    상기 가스 스트림은 주위 공기(ambient air)인, 오염 물질 추출 방법.
  24. 제19항에 있어서,
    상기 흡착제는 액체인, 오염 물질 추출 방법.
  25. 제19항에 있어서,
    상기 흡착제는 고체인, 오염 물질 추출 방법.
  26. 제19항에 있어서,
    냉장 사이클(refrigeration cycle)에 있어서 열 교환기(heat exchanger)를 사용하여 재생된 흡착제로부터 열을 포획하는, 오염 물질 추출 방법.
  27. 제26항에 있어서,
    냉장 사이클에서 물을 냉매(refrigerant)로 사용하는, 오염 물질 추출 방법.
  28. 제27항에 있어서,
    상기 냉매인 물을 재생 흡착제로부터 교환된 열을 사용하여 증발시키는, 오염 물질 추출 방법.
  29. 제28항에 있어서,
    상기 증발된 물을 오염 물질을 운반하는 흡착제에서 축합하는, 오염 물질 추출 방법.
  30. 제26항에 있어서,
    상기 열 교환기는 냉매로 이산화탄소를 사용하는, 오염 물질 추출 방법.
  31. 제26항에 있어서,
    상기 열 교환기가 흡착제와의 접촉으로 분리되는 냉매를 활용하는, 오염 물질 추출 방법.
  32. 제19항에 있어서,
    상기 재생 단위가 태양 에너지(solar energy), 지열 에너지(geothermal energy), 및 산업 공정으로부터의 폐기물 열(waste heat from an industrial process)로 이루어진 군으로부터 하나를 열원으로 한 열을 사용하여 상승된 온도(elevated temperature)로 유지되는, 오염 물질 추출 방법.
  33. 오염 물질을 포획하기 위한 흡착제;
    포획 단위(capture unit)로, 상기 흡착제가 가스 스트림에 노출되고 적어도 부분적으로 상기 오염 물질로 포화되는 포획단위;
    재생 단위(regeneration unit)로, 상기 흡착제가 상승된 온도에 노출되어, 열 스윙(thermal swing)에 따라 흡착제가 오염 물질을 방출하는 재생 단위; 및
    재생 단위에서 흡착제로부터 유지된 열을 추출하기 위한 열 교환기(heat exchanger)
    를 포함하는, 열 스윙(thermal swing)을 채용한 흡착제를 사용하여 가스 스트림으로부터 오염 물질을 추출하는 장치.
  34. 제33항에 있어서,
    상기 열 교환기로부터 추출된 열을, 재생 단위에서 적어도 부분적으로 포화된 흡수제에 두기 전에 적어도 부분적으로 포화된 흡수제의 온도를 상승시키는 데 사용하는, 오염 물질 추출 장치.
  35. 제33항에 있어서,
    상기 오염 물질은 이산화탄소인, 오염 물질 추출 장치.
  36. 제33항에 있어서,
    상기 가스 스트림은 주위 공기인, 오염 물질 추출 장치.
  37. 제33항에 있어서,
    상기 흡수제는 액체인, 오염 물질 추출 장치.
  38. 제33항에 있어서,
    상기 흡수제는 고체인, 오염 물질 추출 장치.
  39. 제33항에 있어서,
    상기 열 교환기는 냉매로 물을 사용하는, 오염 물질 추출 장치.
  40. 제33항에 있어서,
    상기 열 교환기는 냉매로 이산화탄소를 사용하는, 오염 물질 추출 장치.
  41. 제33항에 있어서,
    상기 열 교환기가 흡착제와의 접촉으로 분리되는 냉매를 활용하는, 오염 물질 추출 방법.
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