KR20110001188A - 플라즈마 아크를 이용한 이산화탄소 분해장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 플라즈마 아크를 이용한 이산화탄소 분해장치에 관한 것으로, 이산화탄소를 분해하기 위한 것이다.

이를 위하여 본 발명은, 챔버에 공급되는 이산화탄소를 압축함과 동시에 함께 녹아져 있는 수분을 건조하는 공기압축 및 가온기, 상기 공기 압축 및 가온기로부터 고온의 건조된 이산화탄소를 압력 조절용 팽창변을 통해 입력받아 이산화탄소의 화학결합을 탄소와 산소로 분리하기 위한 고온의 플라즈마를 발생시키는 고온 플라즈마 발생기, 고온 플라즈마 발생기로부터 유입된 고온의 분리가스를 냉각시키는 열교환기, 상기 열교환기로부터 입력된 냉각상태의 이산화탄소와 그 분리 가스가 혼합된 상태의 가스를 저온 플라즈마로 다시 2차 분리시키는 저온 플라즈마 발생기, 및 가스 분리를 위한 멀티 사이크론 분리기를 포함하는 플라즈마 아크를 이용한 이산화탄소 분해장치를 제공하여, 이산화탄소 합성반응의 역반응인 비가역반응을 가능하게 하여 이산화탄소의 화학결합으로부터 탄소와 산소로 분리해낼 수 있게 한다.

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Description

플라즈마 아크를 이용한 이산화탄소 분해장치 및 방법{Plasma decomposition apparatus and method for carbon dioxide}

본 발명은 플라즈마 아크를 이용한 이산화탄소 분해에 관한 것으로, 플라즈마 아크를 이용하여 이산화탄소를 분해함으로써, 환경문제의 시급한 당면과제를 해결함과 동시에 분해된 가스를 유효 적절하게 재활용 가능하도록 한 플라즈마 아크를 이용한 이산화탄소 분해장치 및 방법에 관한 것이다.

이산화탄소는 코를 약간 자극하는 냄새와 신맛이 나는 무색의 기체로 대기중에 소량(300ppm 정도) 존재하며 탄소를 포함하고 있는 물질이 타거나 발효할 때, 동물이 호흡할 때 생기며, 식물이 광합성하여 탄수화물을 만드는 데 사용된다.

대기 중의 이산화탄소는 지구복사 에너지의 일부를 차단하여 기후변화를 일으킨다. 공업적으로 응용분야가 매우 많으며, 암모니아 합성에 필요한 수소기체를 만들 때 부산물로 생기는 연도(煙道) 기체에서 얻을 수 있고, 석회가마와 그 밖의 다른 공급원에서도 얻을 수 있다.

7세기 초 벨기에의 화학자 얀 밥티스트 반 헬몬트는 발효와 연소과정중에 나오는 생성물이 이산화탄소임을 관찰하여 다른 기체와는 다르다는 사실을 밝힌 바 있다.

이산화탄소는 물에 약간 녹아(0℃, 대기압에서 물의 부피당 1.79 정도가 녹고, 압력을 높이면 더 많은 양이 물에 녹음) 약산성 용액이 되며, 이 용액은 이염기산인 탄산(H₂CO₃)을 함유한다. 이산화탄소는 냉매, 소화기(消火器), 구명 뗏목과과 구명조끼가 물에 띄우거나 숯을 말리거나 거품 고무와 거품 수지를 만들거나 온실에서 식물의 성장을 촉진시키거나 동물을 도살하기 전에 움직이지 못하도록 하거나 탄산음료를 만드는 데 주로 이용한다. 점화된 마그네슘은 이산화탄소에서 계속 타기는 하지만 그밖의 물질을 연소시키지는 못한다. 사람이 5％의 이산화탄소에 장기간 노출되면 의식을 잃거나 사망하기도 한다

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 플라즈마 아크를 이용한 물리화학적인 방법을 통해 이산화탄소 합성반응의 역반응인 비가역반응을 가능하게 하여 이산화탄소의 화학결합으로부터 탄소와 산소로 분리해낼 수 있는 플라즈마 아크를 이용한 이산화탄소 분해장치 및 그 방법을 제공하고자 하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 챔버에 공급되는 이산화탄소를 압축함과 동시에 함께 녹아져 있는 수분을 건조하는 공기압축 및 가온기, 상기 공기 압축 및 가온기로부터 고온의 건조된 이산화탄소를 압력 조절용 팽창변을 통해 입력 받아 이산화탄소의 화학결합을 탄소와 산소로 분리하기 위한 고온의 플라즈마를 발생시키는 고온 플라즈마 발생기, 고온 플라즈마 발생기로부터 유입된 고온의 분리가스를 냉각시키는 열교환기, 상기 열교환기로부터 입력된 냉각상태의 이산화탄소와 그 분리 가스가 혼합된 상태의 가스를 저온 플라즈마로 다시 2차 분리시키는 저온 플라즈마 발생기, 및 가스 분리를 위한 멀티 사이크론 분리기를 포함하는 플라즈마 아크를 이용한 이산화탄소 분해장치를 제공한다.

본 발명에 의하면, 지구 온난화와 온실가스로 인한 기후변화의 가장 큰 원인으로 지목되어지는 이산화탄소를 분해 및 재활용 처리함으로써 환경문제의 시급한 당면과제를 해결할 수 있게 되는 이점이 있으며, 이와 아울러 분해된 탄소와 산소를 필요한 곳에 유효 적절하게 재활용할 수 있게 하는 이점이 있다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 구체적으로 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 플라즈마 아크를 이용한 이산화탄소 분해장치의 전체 구성을 예시한 블록도 및 플라즈마 발생기 내부의 전극 확대도로서, 챔버에 공급되는 이산화탄소를 압축함과 동시에 함께 녹아져 있는 수분을 건조하는 공기압축 및 가온기(10), 상기 공기 압축 및 가온기로부터 고온의 건조된 이산화탄소를 압력 조절용 팽창변을 통해 입력받아 이산화탄소의 화학결합을 탄소와 산소로 분리하기 위한 고온의 플라즈마를 발생시키는 고온 플라즈마 발생기(20), 고온 플라즈마 발생기로부터 유입된 고온의 분리가스를 냉각시키는 열교환기(30), 상기 열교환기로부터 입력된 냉각상태의 이산화탄소와 그 분리 가스가 혼합된 상태의 가스를 저온 플라즈마로 다시 2차 분리시키는 저온 플라즈마 발생기(40), 및 가스 분리를 위한 멀티 사이크론 분리기(50)를 포함하여 구성된다.

이러한 구성의 본 발명 장치를 이용한 이산화탄소 분해 방법은 크게 나누어 5단계로 구성된다.

제1단계는 공기 중 압축기(콤프레셔)를 통하여 공기를 압축함과 동시에 함께 녹아져 있는 수분을 건조시킨 후 압력 조절이 가능한 팽창변을 통과하게 되면 일정한 공기가 유입되며 본 발명의 1단계가 준비과정으로 마쳐지는 것이다.

그러나 공기 중에는 실제 이산화탄소의 양은 실제 순수한 이산화탄소를 얻기란 많은 설비가 투자되어 있어야 하는 것이고 또 이는 기존의 액화탄산가스를 생산하는 방식이나 혹은 고체 드라이아이스, 혹은 이산화탄소 봄베를 통하여 공급이 되고 있어 본 발명에서는 1단계의 개념은 시중의 이산화탄소를 액화하는데 또는 순도를 높이는데 그 목적을 두지 않았다.

단지 현재 공급이 가능한 상태에서 공급되는 방식을 사용하여 가급적 순도가 높은 이산화탄소를 그 대상으로 하였다. 다만 순도가 높은 이산화탄소가 1단계를 지나야 이산화탄소의 농도가 처리전과 처리후의 확실한 변화를 보기위한 척도인 것은 자명한 사실인 것이다.

하지만 대기중의 공기를 대상으로 진행되어도 이산화탄소의 분리 분해는 이루어지므로 꼭 고순도의 이산화탄소이어야 한다는 것은 아니다. 단지 고효율의 이 산화탄소를 분리 분해하기 위하여 본 발명에서는 고순도의 이산화탄소를 사용하는 것으로 한다.

제2단계는 팽창변을 통과한 대기압 상태의 압력으로 상온 상태에서 공급되는 이산화탄소는 원형 또는 다각형의 구조로 된 형태로 챔버 상부에는 플라즈마 발생장치(+)가 있고 주변의 챔버 탱크는 전기적으로 접지(GND)가되며 플라즈마를 마주한 위치(-) 혹은 중앙부에 설치되며 의해서 발생(3000도~6000도)로 된 기체반응실에서 고순도의 이산화탄소가 고온(1700도 이상부터 6000도)의에 의해 기체압력이 활성화 상태가 되어 피뢰침 모양의 수많은 내열성의 금속(텅스텐 및 몰리브데늄,지로코늄,코발트,코발트등)의 단일 혹은 합금금속 재질로된 가지침에 발생되어지는 프라즈마 아크(레이저 빔등의 열원이 발생하는 불꽃)에 고온 상태에서 방전되면서 공급되어지는 고순도 이산화탄소가 프라즈마 아크 연소에 대한 소화의 개념으로 플라즈마 아크에 안개상으로 둘러서게 되고 이때에 (C +O + O)라디칼로 탄소와 산소가 분리되는 것에 착상하여 본 발명의 가장 중요한 목적이 달성되는 것이다.

본 발명이 앞서 제시된 기술과의 뚜렷한 다른 점은 무엇보다도 온도의 개념과 내열성 금속을 전극으로 사용하는 점이다.

즉 이산화탄소는 1700도 이상부터 분리가 CO 와 O로 분리가 되는 것에 주목하여야 한다. 그러므로 프라즈마가 3000도에서 6000도 발생되고 있는 상황에서 TiO2 등을 전극으로 사용하면 TiO2는 1650도 정도에서 용해되기 때문에 본 발명에서는 TiO2는 제외하였다. 그리고 내열성 금속인 (텅스텐 및 몰리브데늄,지로코늄,코발트등)을 단일 또는 합금으로 채택하였다. 또한 원형의 전극 상태로 있는 것이 아니라 효율을 높이기 위하여 전극은 원형 또는 다각형 구조의 전극이 서로 역방향으로 회전하는 것을 그 특징으로 한다.

그리하여 고온의 이산화탄소와 분리된 탄소와 산소는 다음의 제3단계 냉각공정으로 통과하게 된다.

<실시 예1>

챔버크기가 정사각형 구조의 400*400*400 의 경우 플라즈마의 전원은 입력전원이 AC 220V, 60Hz, single phase이며, 출력전원이 DC 0∼8kV, 1~ 5kW 이었는데 계기 상에서는 1kW 정도 출력으로 나타났으며, CO₂ 농도계에서 입구농도 98% 출구농도 32% 이었다. 이 실시예에서 이산화탄소는 봄베를 사용하였다.

<실시 예2>

200*300(H) 의 챔버의 경우 플라즈마의 전원은 입력전원이 AC 220V, 60Hz, single phase이며, 출력전원이 DC 0∼8kV, 1~ 5kW 이었는데 계기 상에서는 0.8kW 정도 출력으로 나타났으며, CO₂ 농도계에서 입구농도 98% 출구농도 37% 이었다. 이 실시예에서도 이산화탄소는 봄베를 사용하였다.

다음으로 제3단계는 제2단계에서 분리된 탄소, 산소와 미처 분리되지 못한 이산화탄소가 공존하며 고온상태를 이루게 되는 것을 열교환기를 통하여 이동하는 동안에 고온의 가스가 냉각되어 저온의 가스로 변하는 것이며 이 과정에서 고온의 혼합 가스는 저온저압의 가스가 된다.

이때 발생된 열원은 열에너지가 필요한 곳에 활용할 수 있는 것이다.

제4단계는 이제 저온 저압의 가스는 다시 한번 상온의 플라즈마 발생공정을 거치게 되는데 이는 고온의 플라즈마 발생의 2단계 분리공정 보다는 효율이 떨어지지만 미처 탄소와 산소로 분리되지 못한 이산화탄소를 효율을 높이기 위하여 2차 처리함으로써 본 발명의 핵심이 이루어지는 것이다.

제5단계는 분리 분해된 탄소와 산소를 재활용하는 공정으로서, 탄소성분은 싸이크론 형태의 분리기를 통하여 분리하고 화이트 카본으로서 사용을 하게 되는데, 코팅제로 사용할 경우 초미립자 상이기 때문에 그 강도와 경도가 강하며 투명하게도 되어 그적용은 무한하다. 이 탄소성분의 파우더를 페인트에 적용함은 친환경 페인트가 되는 것이다.

또한 이 화이트 카본은 압축하여 세라믹이나 건축자재로 사용할 때 불연자재의 달성이 현실로 다가오며 건축자재로 적용시 보온성이 뛰어나 냉난방시의 열손실을 줄일 수 있다.

산소성분은 제철공정에서 산소 공급원으로 할 경우에 고순도의 산소로 연소를 도우므로 양질의 제철이 가능해진다. 그 외에도 잠수용 산소봄베, 의료용 등등 그 쓰임새는 다양하게 될 것이다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 플라즈마 아크를 이용한 이산화탄소 분해장치를 개략적으로 나타낸 블록도 및 전극 확대도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 공기압축 및 가온기 20 : 고온 플라즈마 발생기

30 : 열교환기 40 : 저온 플라즈마 발생기

50 : 멀티 사이크론 분리기

Claims (1)

1. 챔버에 공급되는 이산화탄소를 압축함과 동시에 함께 녹아져 있는 수분을 건조하는 공기압축 및 가온기;

   상기 공기 압축 및 가온기로부터 고온의 건조된 이산화탄소를 압력 조절용 팽창변을 통해 입력받아 이산화탄소의 화학결합을 탄소와 산소로 분리하기 위한 고온의 플라즈마를 발생시키는 고온 플라즈마 발생기;

   고온 플라즈마 발생기로부터 유입된 고온의 분리가스를 냉각시키는 열교환기;

   상기 열교환기로부터 입력된 냉각상태의 이산화탄소와 그 분리 가스가 혼합된 상태의 가스를 저온 플라즈마로 다시 2차 분리시키는 저온 플라즈마 발생기; 및

   가스 분리를 위한 멀티 사이크론 분리기;를 포함하는 플라즈마 아크를 이용한 이산화탄소 분해장치.

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