KR20130015355A - 이산화탄소 제거 장치 및 방법 - Google Patents

이산화탄소 제거 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 외부의 전극수를 전기분해하여 음이온을 발생시키는 음극을 포함하는 음전해부; 외부의 전극수를 전기분해하여 양이온을 발생시키는 양극을 포함하는 양전해부; 상기 양극 및 음극 사이에 설치되고, 음극에서 전기분해된 음이온이 부착되며, 배가스 중의 이산화탄소와 음이온의 반응이 수행되는 음이온 교환수지부; 및
상기 음이온 교환수지부와 양극 및 음극 사이에 각각 설치되고, 음극에서 발생한 음이온 및 음이온 교환수지부에서 생성된 중탄산이온 또는 탄산이온을 이동시키는 음이온 교환막부를 포함하는 이산화탄소 제거 장치에 관한 것으로, 본 발명에 따른 이산화탄소 제거 장치는 별도의 재생공정이나 최종 처분공정 없이 단일 반응기에서 이산화탄소의 분리, 포집, 제거 및 처분이 가능하고, 설비 구성이 간단하며, 운전과 유지 보수가 간단하다.

Description

이산화탄소 제거 장치 및 방법{Apparatus and method for removing carbon dioxide}
본 발명은 외부의 전극수를 전기분해하여 음이온을 발생시키는 음극을 포함하는 음전해부; 외부의 전극수를 전기분해하여 양이온을 발생시키는 양극을 포함하는 양전해부; 상기 양극 및 음극 사이에 설치되고, 음극에서 전기분해된 음이온이 부착되며, 배가스 중의 이산화탄소와 음이온의 반응이 수행되는 음이온 교환수지부; 및
상기 음이온 교환수지부와 양극 및 음극 사이에 각각 설치되고, 음극에서 발생한 음이온 및 음이온 교환수지부 생성된 중탄산이온 또는 탄산이온을 이동시키는 음이온 교환막부를 포함하는 이산화탄소 제거 장치에 관한 것이다.
지구온실가스의 원인인 발전소에서 배출되는 배가스 중 이산화탄소를 제거하기 위한 공정으로는 대표적으로 습식 공정 및 건식 공정이 있다.
습식 공정은 가성소다 및 에탄올아민 등의 알카리 수용액에 이산화탄소를 흡수 제거시키는 방법이다. 상기 습식 공정에서는 이산화탄소와 흡수액의 접촉을 위한 흡수탑 및 흡수액의 재사용을 위한 가열 재생설비를 필요로 한다. 상기 공정에서는 흡수액의 대기 누출로 인하여 환경오염이 발생될 문제점이 있고, 또한, 재생 설비 운영 시 고가의 에너지 비용이 소요된다는 문제점이 있다.
또한, 건식 공정은 유동층 반응기에서 발전소 배가스와 탄산칼륨 및 탄산나트륨 등의 입자들을 반응시켜, 이산화탄소를 중탄산칼륨 및 중탄산나트륨 등의 형태로 제거시키는 방법이다. 상기 공정에서 사용한 흡착제는 열을 가해 재생된 후 재사용할 수 있으며, 재생 시 흡착제를 가열하여 흡수제에 회수된 이산화탄소를 방출시킬 수 있다. 따라서, 상기 공정에서는 분리회수 한 이산화탄소의 처분을 위한 별도의 최종 처분공정을 필요로 한다. 또한, 습식 공정에 비하여 흡착제의 재생과 이송이 복잡하다는 문제점이 있다.
상기 전술한 습식 공정 및 건식 공정은 산업체에 적용하기에는 아직 다음과 같은 제약 사항들이 있다.
1) 이산화탄소 제거 비용이 너무 높다.
현실적으로 습식 공정 또는 건식 공정을 적용하기 위해서는 이산화탄소 처리 비용이 CO2 톤 당 20,000원 미만이어야 하나, 현재 기술수준으로는 30,000원 이상이므로, 현장 적용이 어려운 실정이다.
2) 별도의 이산화탄소 최종 처분공정이 필요하다.
건식 또는 습식 공정에서 배가스 중의 이산화탄소를 분리, 회수할 수 있으나, 상기 이산화탄소의 최종 처분을 위하여 별도의 처리공정을 필요로 한다. 이러한 처리공정으로는 지중 저장 또는 해양 저장 등이 있다. 현재 지중 저장 또는 해양 저장 기술 연구가 진행되고 있다.
3) 흡착제의 재생을 위한 재생공정과 열에너지 공급이 필요하다.
건식 또는 습식 공정에서는 고가의 흡수제를 재이용을 위하여 상기 흡수제를 재생하여 사용 한다. 따라서, 흡수제를 재생하기 위한 별도의 재생설비와 열에너지의 공급이 필요하다.
4) 흡수제의 외부 누출대비 환경오염 대책 강구 필요
이산화탄소 처리공정에서 흡수제의 대기 누출 또는 배출 될 경우, 상기 흡수제는 환경 오염물질로 작용하기 때문에 이의 방지를 위한 대비책이 강구되어야 한다.
상기와 같은 이유로 인해 기존의 건식 또는 습식 공정은 현장 적용이 어려운 실정이다.
본 발명에서는 종래의 이산화탄소 제거공정에서 필요로 하는 흡착제의 재생 공정이 불필요하고, 장치 설치비와 운영비를 최소화 할 수 있는 전기화학 반응에 의한 이산화탄소 제거 장치 및 제거 방법을 제공한다.
본 발명은 외부의 전극수를 전기분해하여 음이온을 발생시키는 음극을 포함하는 음전해부; 외부의 전극수를 전기분해하여 양이온을 발생시키는 양극을 포함하는 양전해부; 상기 양극 및 음극 사이에 설치되고, 음극에서 전기분해된 음이온이 부착되며, 배가스 중의 이산화탄소와 음이온의 반응이 수행되는 음이온 교환수지부; 및
상기 음이온 교환수지부와 양극 및 음극 사이에 각각 설치되고, 음극에서 발생한 음이온 및 음이온 교환수지부 생성된 중탄산이온 또는 탄산이온을 이동시키는 음이온 교환막부를 포함하는 이산화탄소 제거 장치에 관한 것이다.
이하, 본 발명에 따른 이산화탄소 제거 장치를 보다 상세하게 설명한다.
본 발명에 따른 제거 장치에서 음전해부는 음극을 포함하며, 상기 음극에서는 외부의 전극수를 전기분해하여 음이온을 발생시킨다.
이 때, 사용되는 전극수의 종류는 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어, 물, 상수(city water), 지하수, 강물, 호소수, 염수, 해수 및 알카리수로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 물을 사용할 수 있다.
본 발명에서 상기 전극수로 물을 사용할 경우, 음극에서의 반응은 하기 반응식 1로 표시할 수 있다.
<반응식 1>
2H2O → H2 + 2OH-
상기 반응식 1에 나타난 바와 같이, 전극수로 물을 사용할 경우, 물의 전기분해에 의해 수산화이온(음이온)이 생성된다.
본 발명에서 음극의 종류는 특별히 제한되지 않으며, 이 분야에서 일반적으로 사용되는 것을 사용할 수 있다. 본 발명에서는 음극으로, 예를 들어, 스테인레스강 또는 탄소강 전극을 사용할 수 있다.
본 발명에서 음전해부는 외부의 전극수를 도입시키는 전극수 도입부 및 음전해부의 전극수 일부를 양전해부로 이동시키는 전극수 유출부를 추가로 포함할 수 있다.
상기 전극수 도입부를 통해 외부의 전극수를 음전해부 상으로 유입시킬 수 있으며, 또한, 전극수 유출부를 통해 음극에서 전기분해된 전극수 일부를 배출할 수 있다. 상기 전극수 유출부는 하기에서 설명할 양전해부의 전극수 유입부와 전극수 순환배관을 통해 연결되어 있으므로, 전극수 유출부에서 배출된 전극수는 양전해부로 유입되게 된다.
본 발명에 따른 제거 장치에서 양전해부는 양극을 포함하며, 상기 양극에서는 전극수를 전기분해하여 양이온을 발생시킨다. 상기 양전해부에는 외부의 전극수가 도입되거나, 음전해부에서 배출된 전극수가 유입될 수 있다.
본 발명의 양전해부에서, 전극수로 물을 사용할 경우, 양극에서의 반응은 하기 반응식 2로 표시할 수 있다.
<반응식 2>
H2O → 2H+ + 1/2O2
상기 반응식 2에 나타난 바와 같이, 양극의 전극수는 수소 이온에 의하여 산성을 띄게 된다. 본 발명에서 양극은 정전기적 인력에 의하여 음전해부에서 생성된 음이온 및 하기에서 설명할 중탄산이온 또는 탄산이온을 끌어당기는 역할을 수행한다.
본 발명에서 양극의 종류는 특별히 제한되지 않으며, 이 분야에서 일반적으로 사용되는 양극을 사용할 수 있다. 본 발명에서는 양극으로, 예를 들어, 티타늄에 귀금속을 도포한 전극을 사용할 수 있고, 바람직하게는 백금/티타늄, 루테늄/티타늄, 이리듐/티타늄 및 팔라듐/티타늄 전극을 사용할 수 있으며, 보다 바람직하게는 백금/티타늄 및 이리듐/티타늄 전극을 사용할 수 있다.
본 발명에서 양전해부는 음전해부의 전극수를 유입시키는 전극수 유입부 및 양전해부의 전극수를 외부로 배출시키는 전극수 배출부를 추가로 포함할 수 있다.
상기 전극수 유입부는 음전해부의 전극수 유출부와 전극수 순환배관을 통해 연결되어 있어서, 음전해부의 전극수를 양전해부로 유입시킬 수 있다. 또한, 양전해부는 전극수 배출부를 통해 전극수를 외부로 배출시킬 수 있다.
본 발명에 따른 제거 장치에서 음이온 교환수지부는 양극 및 음극 사이에 설치될 수 있다. 본 발명에서 음이온 교환수지부는 음이온 교환수지를 포함하며, 상기 음이온 교환수지에서는 음전해부의 음극에서 전기분해된 음이온이 부착되며, 상기 음이온 및 배가스 중의 이산화탄소의 반응이 수행될 수 있다.
구체적으로, 상기 음이온 교환수지에는 음전해부의 음극에서 발생된 음이온이 부착된다. 상기 음이온이 부착된 음이온 교환수지에 이산화탄소를 함유하는 배가스가 유입되면, 상기 배가스 중의 이산화탄소는 음이온 교환수지에 부착된 음이온과 반응하여 중탄산이온 또는 탄산이온을 생성하여, 상기 중탄산이온 또는 탄산이온은 음이온 교환수지와 부착된 형태로 존재하게 된다. 상기 중탄산이온 또는 탄산이온이 부착된 음이온 교환수지는 음극에서 발생된 음이온과 반응하고, 그 결과 음이온 교환수지부에서 중탄산이온 또는 탄산이온이 탈락되어, 음이온이 교환수지에 부착됨으로써, 이산화탄소의 제거가 지속적으로 이루어질 수 있다.
본 발명에서 상기 음이온 교환수지는 이 분야에서 사용되는 음이온 교환수지를 제한 없이 사용할 수 있다. 본 발명에서는 상기 음이온 교환수지로, 예를 들어, Amberfet 90000 OH(Rohm & Haas) 등을 사용할 수 있다.
본 발명에 따른 제거 장치에서 음이온 교환막부는 음이온 교환수지부와 양극 및 음극사이에 각각 설치될 수 있다. 본 발명에서 음이온 교환막부는 음이온 교환막을 포함하며, 음전해부의 음극에서 발생한 음이온 및 음이온 교환수지부에서 생성된 중탄산이온 또는 탄산이온을 이동시키는 역할을 수행할 수 있다.
본 발명에서 상기 음이온 교환막으로는 이 분야에서 일반적으로 사용되는 음이온 교환막을 제한 없이 사용할 수 있다.
본 발명에 따른 제거 장치는 음이온 교환수지부를 둘 이상 포함할 수 있다. 상기 음이온 교환수지부가 둘 이상 설치될 경우, 음이온 교환수지부 사이에는 바이폴라 전극이 설치될 수 있다. 또한, 음이온 교환수지부와 양극, 음극 및 바이폴라 전극 사이에는 음이온 교환막부가 각각 설치될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 제거 장치는 양극 및 음극에 전원을 공급하는 직류전원 공급장치를 추가로 포함할 수 있다. 상기 직류전원 공급장치를 통하여 양극 및 음극에 전원이 공급됨으로써, 양극 및 음극에서의 전기분해 반응이 수행될 수 있으며, 양극의 정전기적 인력에 의하여 음전해부의 음이온 및 음이온 교환수지부에서 생성된 중탄산이온 또는 탄산이온이 음이온 교환막부를 통과하여 이동할 수 있다.
또한, 본 발명은 외부의 전극수를 전기분해하여 음이온을 발생시키는 음극을 포함하는 음전해부; 외부의 전극수를 전기분해하여 양이온을 발생시키는 양극을 포함하는 양전해부; 상기 양극 및 음극 사이에 설치되고, 음극에서 전기분해된 음이온이 부착되며, 배가스 중의 이산화탄소와 음이온의 반응이 수행되는 음이온 교환수지부; 상기 음이온 교환수지부와 양극 및 음극 사이에 각각 설치되고, 음극에서 발생한 음이온 및 음이온 교환수지부 생성된 중탄산이온 또는 탄산이온을 이동시키는 음이온 교환막부; 상기 음전해부, 양전해부, 음이온 교환수지부 및 음이온 교환막부가 내부에 설치되며, 흡수액으로 채워진 반응기; 상기 반응기 내부에 설치되며, 배가스를 분사시키는 분기관; 및
상기 반응기 하부의 흡수액을 반응기 상부로 이동시키는 순환펌프를 포함하는 이산화탄소 제거 시스템에 관한 것이다.
본 발명에 따른 제거 시스템에서 양전해부, 음전해부, 음이온 교환수지부 및 음이온 교환막부는 앞에서 전술한 바와 같다.
상기 음전해부는 외부의 전극수를 도입시키는 전극수 도입부 및 음전해부의 전극수를 양전해부로 이동시키는 전극수 유출부를 추가로 포함할 수 있으며, 양전해부는 음전해부의 전극수를 유입시키는 전극수 유입부 및 양전해부의 전극수를 외부로 배출시키는 전극수 배출부를 추가로 포함할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 제거 시스템에서 음이온 교환수지부는 둘 이상 설치될 수 있으며, 교환수지부 사이에는 바이폴라 전극이 설치될 수 있다. 또한, 양극과 음극에 전원을 공급하는 직류전원 공급장치가 추가로 설치될 수 있다.
본 발명에 따른 제거 시스템에서 양전해부, 음전해부, 음이온 교환수지부 및 음이온 교환막부는 반응기 내부에 설치될 수 있다.
상기 반응기 내부는 흡수액으로 채워지며, 상기 흡수액 상에 양전해부, 음전해부, 음이온 교환수지부 및 음이온 교환막부가 위치한다.
본 발명에서 반응기의 종류는 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어, 수직형 반응기를 사용할 수 있다.
본 발명에서 상기 흡수액에서는 배가스 중의 이산화탄소 일부가 흡수됨으로써, 이산화탄소 제거 효율을 보다 향상시킬 수 있다. 이 때, 흡수액으로는 순수 또는 알카리 수용액을 사용할 수 있다.
본 발명에 따른 제거 시스템에서는 배가스를 분사시키는 분기관을 포함할 수 있으며, 상기 분기관은 반응기 내부, 바람직하게는 반응기 내부의 바닥측 부분에 설치될 수 있다.
상기 분기관에서는 이산화탄소를 함유하는 배가스가 반응기 내로 분사된다. 구체적으로, 분기관에는 분사 구멍이 하나 이상 형성되어 있어서, 이산화탄소를 함유하는 배가스가 반응기 내에 골고루 분사될 수 있으며, 상기 배가스는 미세한 기포 방울 형태로 주입될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 제거 시스템에서는 분기관과 연결되어, 반응기 내로 주입되는 이산화탄소의 함량을 조절하기 위한 배가스 유량제어 밸브를 추가로 포함할 수 있다. 상기 배가스 유량제어 밸브를 통하여, 반응기 내부의 사정에 따라, 배가스의 주입 속도를 용이하게 조절할 수 있다.
본 발명에 따른 이산화탄소 제거 시스템에서 순환펌프는 흡수액을 반응기 내에서 순환하도록 할 수 있다. 구체적으로, 상기 순환펌프를 통해, 반응기 하부의 흡수액이 흡수액 순화배관을 이동하여 반응기 상부에서 분사되며, 상기 반응기 상부에서 분사된 흡수액은 음이온 교환수지부를 통해 다시 반응기 하부로 이동함으로써, 흡수액의 순환이 이루어 질 수 있다. 이 때, 분사는 반응기 상부에 설치된 흡수액 노즐을 통해 수행될 수 있다.
상기 순환 펌프는 반응기 내에 설치되거나, 반응기 외부에 설치될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 제거 시스템에서 이산화탄소 측정기는 이산화탄소가 제거된 배가스 중의 이산화탄소 함량을 측정 할 수 있다. 상기 이산화탄소 측정기를 통하여 본 발명의 이산화탄소 제거 시스템에 의한 이산화탄소 제거율을 측정할 수 있다.
또한, 본 발명은 음전해부에서 전기분해되어 생성된 음이온이 음이온 교환수지부에 부착되는 단계; 음이온 교환수지부에 부착된 음이온이 이산화탄소와 반응하여 중탄산이온 또는 탄산이온을 생성하는 단계; 음이온 교환수지부에 부착된 중탄산이온 또는 탄산이온이 음전해부에서 생성된 음이온과 반응하여 탈락되는 단계; 및
탈락된 중탄산이온 또는 탄산이온이 양전해부로 이동하여 양전해부의 전극수와 함께 외부로 배출되는 단계;를 포함하는 이산화탄소 제거 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 이산화탄소의 제거 방법에서는, 전극(양극 및 음극)과 연결된 직류전원 공급장치에 직류 전원을 인가시킴으로써, 양극 및 음극에서의 전극수 분해가 수행될 수 있다. 이 때, 인가되는 전압은 1.0V 이상일 수 있으며, 바람직하게는 2.0V 이상일 수 있다. 상기 전압이 1.0V 미만이면, 이산화탄소 제거율이 저하될 우려가 있다
본 발명에 따른 음이온이 음이온 교환수지에 부착되는 단계에서, 음전해부에서는 전기분해에 의해 음이온이 생성된다. 구체적으로, 음전해부의 음극에 전극수가 공급되면 상기 음극에서는 전기분해에 의해 음이온을 생성한다. 특히, 전극수로 물을 사용할 경우, 음극에서는 하기 반응식 1과 같은 반응이 이루어진다.
<반응식 1>
2H2O → H2 + 2OH-
상기 반응에 의해 발생된 수산화이온은 음극 반대편에 형성되어 있는 양극의 전기적 인력에 의해 음이온 교환수지부로 이동할 수 있다. 본 발명에서는 음이온 교환수지부 양쪽에 음이온 교환막부가 형성되어 있으므로, 음이온(수산화이온)만이 용이하게 이동할 수 있다.
음이온 교환수지부로 이동한 음이온은 음이온 교환수지부에 부착되어 음이온-수지 구조를 이루게 된다.
본 발명에서 음이온 교환수지부에 부착된 음이온은 이산화탄소와 반응하여 중탄산이온 또는 탄산이온을 생성하게 된다.
상기, 이산화탄소는 배가스 중에 포함되어 음이온 교환수지부에 유입되고, 음이온 교환수지부 내에서 상기 음이온 교환수지부에 부착된 음이온은 이산화탄소와 반응하여 중탄산이온 또는 탄산이온을 형성하며, 특히, 음이온이 수산화이온일 경우, 상기 수산화이온은 중탄산이온을 형성한다. 이 때의 반응은 하기 반응식 3으로 표시할 수 있다.
<반응식 3>
CO2 + resin-OH- → resin-HCO3 -
상기 반응식 3에의해 생성된 중탄산이온은 음이온 교환수지부에 부착된 상태(중탄산이온-수지)로 존재하게 된다.
본 발명에 의해 형성된 중탄산이온-수지에서 중탄산이온은 음전해부에 생성된 음이온에 의해 탈락될 수 있다. 즉, 음극에서 전기분해되어 발생한 음이온이 음이온 교환막부를 통과하여 음이온 교환수지부에 도달하면, 상기 음이온은 중탄산 이온을 탈락시키고, 음이온 교환수지부에 부착되게 된다.
이에 따라, 음이온 교환수지부에서의 이산화탄소의 제거는 별도의 재생 처리 없이 반영구적으로 이용될 수 있다.
상기 음이온 교환수지부에서 탈락된 중탄산이온은 양극쪽의 음이온 교환막부을 통과하여, 양극을 포함하는 양전해부의 전극수에 용해된 형태로 반응기 외부로 배출될 수 있다.
본 발명에서 양전해부의 전극수는 예를 들어, 전극수로 물을 사용할 경우, 하기 반응식 2와 같은 반응에 의하여, 산성을 띄게 된다.
<반응식 2>
H2O → 2H+ + 1/2O2
본 발명에서는 양전해부에 전극수 유입부를 음전해부의 전극수 유출부와 전극수 순환배관을 통해 연결되게 설치함으로, 음전해부의 알리 전극수를 양전해부로 보냄으로써, 상기 양전해부의 산성의 전극수를 중화시킬 수 있다. 이 때, 양전해부의 전극수의 pH는 4.5 이상일 수 있으며, 바람직하게는 5.0 이상일 수 있다. 상기 pH가 4.5 이하이면, 산성 전극수에 의한 2차 오염이 발생할 우려가 있다. 이에 따라, 본 발명에서는 양전해부의 전극수의 pH를 상승(중화)시키기 위하여, 외부에서 추가의 물을 공급할 수 있다.
상기 중탄산이온 또는 탄산이온을 함유하는 전극수는 해양저장 등의 방법으로 처분될 수 있다.
또한, 본 발명은 음전해부에서 생성된 음이온이 음이온 교환수지부에 부착되는 단계; 분기관을 통해 분사된 이산화탄소를 함유하는 배가스가 음이온 교환수지부에 유입되는 단계; 상기 음이온 교환수지에 부착된 음이온이 이산화탄소와 반응하여 중탄산이온 또는 탄산이온을 생성하는 단계; 상기 음이온 교환수지부에 부착된 중탄산이온 또는 탄산이온이 음전해부에서 생성된 음이온과 반응하여 탈락되는 단계; 상기 탈락된 중탄산이온 또는 탄산이온이 양전해부로 이동하여 양전해부의 전극수와 함께 외부로 배출되는 단계; 및
상기 음이온 교환수지부를 통과한 배가스를 외부로 배출하는 단계;를 포함하는 이산화탄소의 제거 방법에 관한 것이다.
본 발명의 제거 방법은 통상적으로 사용되는 반응기에서 수행될 수 있다. 상기 반응기의 구성은 앞에서 전술한 반응기와 같다.
본 발명에 따른 음이온이 음이온 교환수지에 부착되는 단계는 앞에서 전술한 바와 같이 수행될 수 있다.
즉, 음전해부의 음극에서는 전기분해에 의해 음이온을 생성하고, 상기 생성된 음이온은 양극의 정전기적 인력에 의해 음이온 교환수지부로 이동하여, 음이온 교환수지부에 부착된다.
본 발명에 따른 배가스가 음이온 교환수지부에 유입되는 단계에서 배가스는 이산화탄소 등을 함유하며, 분기관을 통해 음이온 교환수지부에 유입될 수 있다. 특히, 상기 분기관은 분사 구멍이 하나 이상 형성되어 있어서, 이산화탄소의 분사 효율을 높일 수 있다. 분사된 이산화탄소는 음이온 교환수지부로 이동한다. 본 발명에서는 분기관과 연결된 배가스 유량제어 밸브를 통하여 분기관에서 배출되는 배가스의 유량을 조절할 수 있다.
본 발명에서는 상기 음이온 교환수지부에 부착된 음이온은 유입된 배가스 중의 이산화탄소와 반응하여 중탄산이온 또는 탄산이온을 생성하게 된다. 특히, 음이온이 수산화이온일 경우, 상기 수산화이온은 중탄산이온을 형성한다.
본 발명에 의해 형성된 음이온 교환수지부에 부착된 중탄산이온 또는 탄산이온은 음극에서 발생한 음이온에 의해 탈락될 수 있다. 즉, 음전해부에서 발생한 음이온이 음이온 교환막부을 통과하여 음이온 교환수지부에 도달하면, 상기 음이온은 중탄산이온 또는 탄산이온을 탈락시키고, 음이온 교환수지부에 부착되게 된다.
이에 따라, 음이온 교환수지부에서의 이산화탄소의 제거는 별도의 재생 처리 없이 반영구적으로 이용될 수 있다.
상기 음이온 교환수지부에서 탈락된 중탄산이온 또는 탄산이온은 양극쪽의 음이온 교환막부를 통과하여, 양극을 포함하는 양전해부의 전극수에 용해된 형태로 반응기 외부로 배출될 수 있다.
상기 중탄산이온 또는 탄산이온을 함유하는 전극수는 해양저장 등의 방법으로 처분될 수 있다.
또한, 음이온 교환수지부를 통과한 배가스는 이산화탄소가 제거된 형태로 존재하며, 상기 배가스는 외부로 배출될 수 있다.
본 발명에 따른 이산화탄소 제거 방법에서는 흡수액을 순환시키는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 일반적으로, 이산화탄소 제거 시 사용되는 반응기는 음이온 교환막부, 음이온 교환수지부, 양전해부 및 음전해부를 덮는 정도의 흡수액으로 채워져 있다. 상기 흡수액은 반응기에 유입되는 배가스 중의 이산화탄소 일부를 탄산 이온 형태로 흡수할 수 있다. 본 발명에 의한 제거 방법에서는 흡수액이 반응기 외부 또는 내부의 순환 펌프에 의해 반응기 상부 노즐에서 흡수탑 상부 공간에 분사됨으로써 음이온 교환수지부를 통과하고, 순환 될 수 있다. 본 발명에서 흡수액 중의 중탄산이온 또는 탄산이온은 흡수액의 순환과정에서 음이온 교환수지부를 지날 때, 양극의 정전기적 인력에 의하여 음이온 교환막을 통과하고, 양전해부로 이동하여 양극 전극수에 함유되어 외부로 배출될 수 있다.
본 발명에 따른 이산화탄소 제거 방법에서는 음이온 교환수지부를 통과한 배가스 중의 액적 성분을 분리하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 상기 배가스 중의 액적 성분의 분리는 액적 분리기를 통해 수행될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 이산화탄소 제거 방법에서는 음이온 교환수지부를 통과한 배가스 중의 이산화탄소 농도를 측정하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 상기 이산화탄소의 농도는 별도의 이산화탄소 농도 측정기를 통해 수행될 수 있다.
또한, 본 발명에서는 상기 이산화탄소 농도를 측정하는 단계에서, 측정된 이산화탄소의 농도가 처리기준 미달 시, 배가스 중의 일부를 이산화탄소 제거 시스템의 배가스 유입구로 재순환시키는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
본 발명에서 음이온 교환수지부를 통과한 배가스 중의 이산화탄소의 농도는 15%, 바람직하게는 10% 이하인 것이 좋으며, 상기 이산화탄소의 농도가 15%를 초과하면, 상기 배가스의 일부 또는 전부를 배가스 유입구로 이동시켜 이산화탄소의 제거를 다시 수행할 수 있다.
본 발명에 따른 기술을 이용하면 배가스 중 이산화탄소의 선택적인 제거가 가능하고 해양저장 등 처분이 가능한 형태로 변환되기 때문에 이산화탄소 처리 비용을 크게 낮출 수 있다.
또한, 기존 이산화탄소 제거공정에서 필요로 하는 흡착제의 재생 공정이 불필요하고 열에너지가 불필요하기 때문에 장치 설치비와 운영비를 최소화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일례에 따른 이산화탄소 제거 장치를 나타낸다.
도 2는 본 발명에 따른 이산화탄소 제거 전기화학 반응 개념도를 나타낸다.
본 발명에서 도 1은 본 발명의 일례에 따른 이산화탄소 제거 장치를 나타낸다.
상기 도 1에 나타난 바와 같이, 반응기(1)는 음이온 교환막부(3), 음이온 교환수지부(4), 양극, 음극을 포함하며, 구체적으로, 반응기(1)는 수직형 반응기이고, 상기 반응기(1) 내부에 음이온 교환수지부(4)가 하나 이상 설치되어 있으며, 상기 음이온 교환수지부(4) 양쪽에는 음이온 교환막부(3)이 설치되어 있고, 그 양끝에는 각각 양극 및 음극이 설치되어 있다. 또한, 상기 음이온 교환수지부들은 바이폴라 전극(10)에 의해 격리되어 있다. 반응기(1) 하부에 설치된 분기관(6)에서 이산화탄소를 함유하는 배가스가 공급되면, 상기 배가스는 이산화탄소가 제거된 형태로 음이온 교환수지부(4) 통과하여 액적 분리기(12)를 거쳐 반응기(1) 외부로 배출된다. 상기 반응기(1)에서 배출된 배가스 중의 이산화탄소 함량은 이산화탄소 측정기(13)를 통해 확인할 수 있다.
음이온 교환수지부에서의 반응은 도 2를 통해 확인할 수 있다. 상기 도 2는 이산화탄소 제거 전기화학 반응 개념도를 나타낸 것으로, 외부에서 공급된 전극수(ex. 물)는 음극에서 전기분해되어 수산화이온을 발생 시킨다. 상기 수산화이온은 음이온 교환막부(3)을 통해 음이온 교환수지부(4)로 이동, 음이온 교환수지부(4)에 부착된 후, 배가스 중의 이산화탄소와 반응하여 중탄산이온을 생성한다. 상기 중탄산이온은 음이온 교환수지부(4)에 부착된 상태로 존재하며, 여기에 음극에서 생성된 음이온(수산화이온)이 도달하면, 상기 중탄산이온을 수지에서 탈락되어 음이온 교환막부를 통과 양극으로 이동하여 양극 전극수와 함께 반응기(1) 외부로 배출된다.
본 발명의 반응기(1) 내부는 흡수액(2)으로 채워져 있다. 상기 흡수액(2) 에서는 배가스 중의 이산화탄소가 일부가 탄산 이온 형태로 흡수될 수 있다. 상기 흡수제는 순환 공정(배가스 순환 펌프(7)에 의하여, 반응기 하부의 흡수액이 흡수액 순환 배관(8)을 따라 반응기(1) 상부로 이동된 후, 흡수액 노즐(11)에서 배출됨) 시, 음이온 교환수지부(4)를 통과할 때, 흡수제 중의 탄산 이온이 양극의 정전기적 인력에 의해 양극으로 이동, 양극 전극수와 함께 반응기(1) 외부로 배출될 수 있다.
이하 본 발명에 따르는 실시예 및 본 발명에 따르지 않는 비교예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하나, 본 발명의 범위가 하기 제시된 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.
실시예 1
도 1과 같은 이산화탄소 제거 장치에서, 반응기의 전극 간 접압을 변화시키면서 평가를 수행하였다. 이 때, 양극으로는 백금 (3㎛)/티타늄 전극을 사용하였으며, 시험조건은 하기와 같다.
<시험 조건>
단위셀 전기화학 반응기의 전극간 인가 전압 1.5 내지 3 V(DC)
음이온 교환 수지 충전량 100mL(Rohm & Haas, Amberjet 90000 OH)
이산화탄소 함유 배가스 유량 50 mL/min(25℃)
유입가스 중 이산화탄소 농도 15%
전극수 유량 10 mL/min
상기 시험조건에 따른 이산화탄소 제거율을 하기 표 1에 나타냈다. 본 발명에서 이산화탄소의 농도는 ND-IR 방법에 의해 측정하였다.
전압(V DC) 유입 CO2(%) 처리후 CO2(%) 제거율(%)
1.5 15.0 5.55 63
2.0 15.0 2.70 82
2.5 15.0 0.75 95
3.0 15.0 0.45 97
상기 표 1에 나타난 바와 같이, 전압이 높아질수록, 이산화탄소의 제거율이 향상되는 것을 알 수 있다.
실시예 2
도 1과 같은 이산화탄소 제거 장치에서, 배가스 유량을 변화시키면서 평가 실험을 수행하였다. 이 때, 양극으로는 백금 (3㎛)/티타늄 전극을 사용하였으며, 시험조건은 하기와 같다.
<시험 조건>
단위셀 전기화학 반응기의 전극간 인가 전압 2.0 V(DC)
음이온 교환 수지 충전량 100mL(Rohm & Haas, Amberjet 90000 OH)
유입가스 중 이산화탄소 농도 15%
전극수 유량 10 mL/min
반응 온도 25℃
상기 시험조건에 따른 이산화탄소 제거율을 하기 표 2에 나타냈다. 본 발명에서 이산화탄소의 농도는 ND-IR 방법에 의해 측정하였다.
배가스 유량(mL/min) 유입 CO2(%) 처리후 CO2(%) 제거율(%)
30 15.0 1.05 93
50 15.0 2.70 82
70 15.0 4.35 71
상기 표 2에 나타난 바와 같이, 배가스 유량은 낮을수록 이산화탄소 제거율이 우수하다.
실시예 3
도 1과 같은 이산화탄소 제거 장치에서, 전극 재질을 변화시켜 평가를 수행하였다. 이 때, 시험조건은 하기와 같다.
<시험 조건>
단위셀 전기화학 반응기의 전극간 인가 전압 2.0 V(DC)
음이온 교환 수지 충전량 100mL(Rohm & Haas, Amberjet 90000 OH)
이산화탄소 함유 배가스 유량 50 mL/min(25℃)
유입가스 중 이산화탄소 농도 15%
전극수 유량 10 mL/min,
상기 시험조건에 따른 이산화탄소 제거율을 하기 표 3에 나타냈다. 본 발명에서 이산화탄소의 농도는 ND-IR 방법에 의해 측정하였다.
양극 재질 유입 CO2(%) 처리후 CO2(%) 제거율(%)
백금(3㎛)/티타늄 15.0 2.70 82
루테늄(3㎛)/티타늄 15.0 3.30 78
이리듐(3㎛)/티타늄 15.0 2.85 81
팔라듐(3㎛)/티타늄 15.0 5.25 65
상기 표 3에 나타난 바와 같이, 양극으로 백금/티타늄 또는 이리듐/티타늄을 사용할 경우 이산화탄소 제거율이 우수함을 알 수 있다.
실시예 4
도 1과 같은 이산화탄소 제거 장치에서, 양극 전극수의 pH 변화에 따른 배출수의 중탄산이온 농도 측정 실험을 수행하였다. 이 때, 양극으로는 백금 (3㎛)/티타늄 전극을 사용하였으며, 시험조건은 하기와 같다.
<시험 조건>
단위셀 전기화학 반응기의 전극간 인가 전압 2.0 V(DC)
음이온 교환 수지 충전량 100mL(Rohm & Haas, Amberjet 90000 OH)
이산화탄소 함유 배가스 유량 50 mL/min(25℃)
유입가스 중 이산화탄소 농도 15%
전극수 유량 10 mL/min
상기 시험조건에 따른 이산화탄소 제거율을 하기 표 4에 나타냈다. 본 발명에서 이산화탄소의 농도는 ND-IR 방법에 의해 측정하였다.
(+)전극수 pH 전극 보충수 유량(mL/min) HCO3- 농도(ppm as CaCO3)
4.0 0 1.2
5.0 100 37.4
6.5 200 45.0
상기 표 4에 나타난 바와 같이, 양극 전극수의 pH가 4.5 이상일 경우 배출되는 중탄산이온의 함량이 높은 것을 알 수 있다.
1: 반응기 2: 흡수액
3: 음이온 교환막부 4: 음이온 교환수지부
5: 배가스 유량제어밸브 6: 산기관
7: 순환 펌프 8: 흡수액 순환배관
9: 전극수 순환배관 10: 바이폴라 전극
11: 흡수액 노즐 12: 액적 분리기
13: 이산화탄소 측정기 14: 직류전원 공급장치

Claims (17)

  1. 외부의 전극수를 전기분해하여 음이온을 발생시키는 음극을 포함하는 음전해부;
    외부의 전극수를 전기분해하여 양이온을 발생시키는 양극을 포함하는 양전해부;
    상기 양극 및 음극 사이에 설치되고, 음극에서 전기분해된 음이온이 부착되며, 배가스 중의 이산화탄소와 음이온의 반응이 수행되는 음이온 교환수지부; 및
    상기 음이온 교환수지부와 양극 및 음극 사이에 각각 설치되고, 음극에서 발생한 음이온 및 음이온 교환수지부에서 생성된 중탄산이온 또는 탄산이온을 이동시키는 음이온 교환막부를 포함하는 이산화탄소 제거 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    전극수는 물, 상수(city water), 지하수, 강물, 호소수, 염수, 해수 및 알카리수로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상인 이산화탄소 제거 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    음전해부는 외부의 전극수를 도입시키는 전극수 도입부 및 음전해부의 전극수 일부를 양전해부로 이동시키는 전극수 유출부를 추가로 포함하는 이산화탄소 제거 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    양전해부는 음전해부의 전극수를 유입시키는 전극수 유입부 및 양전해부의 전극수를 외부로 배출시키는 전극수 배출부를 추가로 포함하는 이산화탄소 제거 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    양극과 음극에 전원을 공급하는 직류전원 공급장치를 추가로 포함하는 이산화탄소 제거 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    음이온 교환수지부를 둘 이상 포함하며, 상기 음이온 교환수지부 사이에 바이폴라 전극이 설치되는 이산화탄소 제거 장치.
  7. 외부의 전극수를 전기분해하여 음이온을 발생시키는 음극을 포함하는 음전해부;
    외부의 전극수를 전기분해하여 양이온을 발생시키는 양극을 포함하는 양전해부;
    상기 양극 및 음극 사이에 설치되고, 음극에서 전기분해된 음이온이 부착되며, 배가스 중의 이산화탄소와 음이온의 반응이 수행되는 음이온 교환수지부;
    상기 음이온 교환수지부와 양극 및 음극 사이에 각각 설치되고, 음극에서 발생한 음이온 및 음이온 교환수지부에서 생성된 중탄산이온 또는 탄산이온을 이동시키는 음이온 교환막부;
    상기 음전해부, 양전해부, 음이온 교환수지부 및 음이온 교환막부가 내부에 설치되며, 흡수액으로 채워진 반응기;
    상기 반응기 내부에 설치되며, 배가스를 분사시키는 분기관;
    상기 반응기 하부의 흡수액을 반응기 상부로 이동시키는 순환펌프를 포함하는 이산화탄소 제거 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    분기관에서 분사되는 배가스의 양을 조절시키는 배가스 유량제어 밸브를 추가로 포함하는 이산화탄소 제거 시스템.
  9. 제 7 항에 있어서,
    음이온 교환수지부 및 흡수액을 통과한 배가스 중의 액적을 분리시키는 액적 분리기를 추가로 포함하는 이산화탄소 제거 시스템.
  10. 제 7 항에 있어서,
    음이온 교환수지부 및 흡수액을 통과한 배가스 중의 이산화탄소 함량을 측정하는 이산화탄소 측정기를 추가로 포함하는 이산화탄소 제거 시스템.
  11. 제 7 항에 있어서,
    흡수액은 순수 또는 알카리 수용액인 이산화탄소 제거 시스템.
  12. 음전해부에서 생성된 음이온이 음이온 교환수지부에 부착되는 단계;
    상기 음이온 교환수지부에 부착된 음이온이 이산화탄소와 반응하여 중탄산이온 또는 탄산이온을 생성하는 단계;
    상기 음이온 교환수지부에 부착된 중탄산이온 또는 탄산이온이 음전해부에서 생성된 음이온과 반응하여 탈락되는 단계; 및
    상기 탈락된 중탄산이온 또는 탄산이온이 양전해부로 이동하여 양전해부의 전극수와 함께 외부로 배출되는 단계;를 포함하는 이산화탄소 제거 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    양극 및 음극에 전원을 인가하는 단계를 추가로 포함하는 이산화탄소 제거 방법.
  14. 음전해부에서 생성된 음이온이 음이온 교환수지부에 부착되는 단계;
    분기관을 통해 분사된 이산화탄소를 함유하는 배가스가 음이온 교환수지부에 유입되는 단계;
    상기 음이온 교환수지에 부착된 음이온이 상기 음이온 교환수지에 유입된 이산화탄소와 반응하여 중탄산이온 또는 탄산이온을 생성하는 단계;
    상기 음이온 교환수지부에 부착된 중탄산이온 또는 탄산이온이 음전해부에서 생성된 음이온과 반응하여 탈락되는 단계; 및
    상기 탈락된 중탄산이온 또는 탄산이온이 양전해부로 이동하여 양전해부의 전극수와 함께 외부로 배출되는 단계; 및
    상기 음이온 교환수지부를 통과한 배가스를 외부로 배출하는 단계;를 포함하는 이산화탄소의 제거 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    음이온 교환수지부를 통과한 배가스 중의 액적 성분을 분리하는 단계를 추가로 포함하는 이산화탄소의 제거 방법.
  16. 제 14 항에 있어서,
    음이온 교환수지부를 통과한 배가스의 이산화탄소 농도를 측정하는 단계를 추가로 포함하는 이산화탄소의 제거 방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    측정된 이산화탄소 농도가 처리기준 미달 시, 배가스의 중의 일부를 이산화탄소 제거장치의 배가스 유입구로 재순환시키는 단계를 추가로 포함하는 이산화탄소의 제거 방법.
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