KR20130043694A - 단독 원재료로서 공기 중의 이산화탄소와 물(수분)로부터 메탄올, 디메틸 에테르, 유도된 합성 탄화수소 및 이들 생성물을 제조하는 방법 - Google Patents

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Abstract

물질의 단독 공급원으로서 공기를 사용하여 메탄올 및 디메틸 에테르를 제조하는 방법. 당해 방법은 후속작으로 메탄올 및 디메틸 에테르를 제조하는 데 사용하기 위하여 물과 이산화탄소를 대기중 공기로부터 분리한다. 이들 화합물은 연료 또는 연료 첨가제로서 사용될 수 있거나 추가로 합성 탄화수소 및 이의 생성물로 변환될 수 있다. 이산화탄소는 적합한 흡착제, 주로 나노 구조의 실리카에 지지된 폴리에틸렌이민에 포획된다. 방법은 공기로부터 수득된 물의 전기분해에 의해 제조된 수소를 사용한 수소화를 또한 포함할 수 있다.

Description

단독 원재료로서 공기 중의 이산화탄소와 물(수분)로부터 메탄올, 디메틸 에테르, 유도된 합성 탄화수소 및 이들 생성물을 제조하는 방법{METHOD FOR PRODUCING METHANOL, DIMETHYL ETHER, DERIVED SYNTHETIC HYDROCARBONS AND THEIR PRODUCTS FROM CARBON DIOXIDE AND WATER(MOISTURE) OF THE AIR AS SOLE SOURCE MATERIAL}
본 발명은, 원재료로서의 공기 중의 이산화탄소 및 물(수분)의 메탄올, 디메틸 에테르, 유도된 합성 탄화수소 및 이로부터의 생성물로의 변환에 관한 것이다.
화석 연료가 오늘날 에너지의 주요 공급원이다. 이들은 열 및 전기를 발생시키는 데 사용되고 수송 연료용 원재료이다. 화석 연료는 또한 우리의 일상 생활에 필수적인 각종 탄화수소 및 이들의 유도 생성물에 대한 원료로서 작용한다. 그러나, 화석 연료의 연소는 환경에 악영향을 미치는 지구 온난화의 원인이 되는 이산화탄소를 생성시킨다. 또한, 화석 연료 매장량은 감소하고 있다.
감소하는 매장량의 화석 연료에 대한 대체물로서, 합성 탄화수소 및 연료를 생성하기 위한 원료로서의 메탄올의 사용이 제안되었다. 이산화탄소가 또한 원료의 대체 공급원으로서 제안되었다[참조: 미국 특허 제 5,928,806호]. 이산화탄소를 대기로부터 경제적으로 포획하고 재활용할 수 있다면, 이의 실질적으로 무한한 공급을 고려해볼 때, 이산화탄소를 이용하는 것은 매우 유리하다.
이산화탄소는 화석 연료 화력 발전소의 연도 가스 및 기타 다양한 개별 배기 가스에 고농도로 존재한다. 이는 또한 흔히 천연 가스에 동반된다. 다수의 천연 가스 공급원은 상당량(50% 이상)의 이산화탄소를 함유한다. 이산화탄소 방출 및 이의 지구 기후에 대한 악영향을 완화시키기 위해서, 개별 배기 가스로부터 이산화탄소를 포획하고, 포획된 이산화탄소를 지하 공동 또는 해저에 격리시키는 것이 고려되었다. 그러나, 격리는 이의 고비용 및 이산화탄소 누출 가능성으로 인해 영구적인 해결책을 제공하지 못한다. 이산화탄소는 휘발성이고 결국에는 공기 중으로 누출될 수 있다. 의도하지 않은 이산화탄소의 누출은 지진 또는 기타 자연 현상에 의해 상당히 촉진될 수 있고, 비극적인 영향을 가질 것이다.
또한, 대기중으로의 이산화탄소의 방출을 줄이는 것이 상당히 중요하지만, 최근 연구는 이것만으로는 이미 발생한 손해를 유지하는 데 충분하지 않을 것임을 암시한다. 따라서, 대기로 방출되지 않도록 이산화탄소를 안전하게 처리하는 방법을 갖는 것 이외에 대기중에 이산화탄소 축적 문제를 보다 신속히 해결하기 위해서 대기로부터 이산화탄소를 제거할 수 있는 것이 또한 매우 유리할 것이다. 또한, 대기중의 이산화탄소를 화학적으로 재활용하는 것은 대기중의 이산화탄소의 증가에 의해 야기되거나 영향을 받는 지구 기후 변화를 완화시키는 동시에 이는 연료 및 합성 탄화수소를 생성하기 위한 무한한 탄소 공급원을 제공할 것이므로, 유리할 것이다.
본 발명은 대기로부터 이산화탄소를 제거하고 또한 그 제거된 이산화탄소를 재활용할 수 있는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 대기로부터 제습에 의해 대기중 공기로부터 물을 제거하고, 촉매 작용 또는 기타 분해 수단에 의해 제거된 물로부터 수소를 수득하고, 제습된 대기로부터 흡수 또는 흡착에 의해 이산화탄소를 수득하고, 이렇게 수득된 이산화탄소를 메탄올을 생성시키는데 충분한 조건하에 적합한 환원 및 수소화 방법에 의해 변환시킴을 포함하는, 대기로부터 메탄올을 제조하는 방법에 관한 것이다. 당해 방법에서, 이산화탄소, 물 및 유도된 수소는 임의의 필요한 에너지 형태를 사용하여 단독 원재료로서 대기로부터 수득된다.
물(즉, 공기 중 수분) 및 대기의 이산화탄소 함유물을 생성물로서 메탄올, 디메틸 에테르 및 유도된 합성 탄화수소의 후속 생성에 사용하기 위해 분리한다. 원재료로서 공기를 사용함으로써 이러한 생성물을 만드는 데 필요한 출발 물질을 무한히 공급할 수 있다. 당해 방법은 메탄올 및/또는 디메틸 에테르를 생성시키는데 충분한 조건하에 이산화탄소와 물의 변환을 포함한다. 메탄올 및/또는 디메틸 에테르는 연료 또는 연료 첨가제로서 사용될 수 있거나 합성 탄화수소 및 이의 생성물로 추가로 변환될 수 있다.
이산화탄소는, 적합한 흡착제에 대기중 이산화탄소를 흡착시킨 후 흡착된 이산화탄소를 방출시킴으로써 수득할 수 있는 한편, 물은 공기로부터 수분을 제거함으로써 수득할 수 있다. 이산화탄소는 이의 수분(즉, 물 함유물)을 제거한 후에 공기로부터 수득할 수 있다.
한 실시예에서, 메탄올을 이산화탄소의 촉매 수소화에 의해 생성시키고, 여기서, 수소화에 사용되는 수소는 공기로부터 수득한 순수의 전기분해에 의해 수득된다. 또 다른 실시예에서, 메탄올은 일산화탄소를 수득하는데 충분한 조건하에 이산화탄소를 환원시키고, 메틸 포르메이트를 수득하는데 충분한 조건하에 일산화탄소를 메탄올과 반응시키고, 사용된 메탄올량의 두 배를 생성시키는데 충분한 조건하에 메틸 포르메이트를 촉매 수소화함으로써 제조한다.
본 발명에 따라서 제조된 메탄올은 임의의 목적하는 유도체 또는 유도된 화합물로 추가로 가공될 수 있다. 예를 들면, 메탄올은 탈수되어 디메틸 에테르를 생성시킬 수 있고, 이들 둘 다 유용한 수송 연료이다. 메탄올 또는 디메틸 에테르 둘 모두 또한 에틸렌 및 프로필렌과 같은 화합물을 형성시키는데 충분한 조건 하에 추가로 처리될 수 있다. 에틸렌 및 프로필렌은 보다 고급 올레핀, 합성 탄화수소, 방향족류 또는 관련 생성물로 변환될 수 있고, 따라서 화학약품 또는 수송 연료용 공급 원료로서 유용하다.
추가의 실시예에서, 메탄올은 공기로부터 또한 분리되고 암모니아 또는 암모니아 염을 생성시키는 데 사용되는 질소와 함께 단백질의 미생물 생성에 사용된다.
본 발명에 따르면, 대기로부터 이산화탄소를 제거하여 대기에 이산화탄소가 축적되는 것을 방지할 수 있고, 또한 그 제거된 이산화탄소를 재활용할 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 에너지 저장 및 수송에 사용될 수 있는 메탄올 및 메탄올로부터 유도된 화합물, 예를 들면, 디메틸 에테르를 제조하기 위한 단독 공급원으로서 대기의 용도, 수송 연료의 제조 및 유도된 합성 탄화수소 생성물에 관한 것이다.
한 실시예에서, 본 발명은 소량이지만 상당량의 이산화탄소와 보다 상당량의 물(즉, 수증기)을 함유하는 공기의 메틸 알콜 및/또는 디메틸 에테르를 제조하기 위한 단독 원재료로서의 용도에 관한 것이다. 공기는 CO2 함량이 낮고(0.037%) 수분 함량이 비교적 높다(온도, 압력, 습도 등을 포함하는 조건에 따라 2 내지 6%). 공기로부터 이의 수분 함량을 제거하기 위해 제습 후, 흡착제, 막 분리 또는 임의의 기타 기술로 흡수 또는 흡착에 의해서든 공기로부터 CO2를 포획하고 분리하는 모든 방법이 본 발명에서 유리하게 사용될 수 있다.
물은 흔히 다수의 장소에서 입수 가능하지 않고/않거나 비용이 많이 드는 정제, 증류 등을 필요로 할 수 있으므로, 수소를 생성시키기 위해 물을 사용할 수 있기 전에, 대기로부터 수득한 순수가 수소 공급원으로서 사용하는데 바로 적합하다.
CO2는 막 분리를 포함하는 임의의 적합한 수단에 의해 또는 임의의 흡착제 장치 또는 물질을 사용하여 공기로부터 분리시킬 수 있다. 흄드 실리카(fumed silica)와 같은 나노 구조의 지지된 흡착제를 사용하여 가수 혼합물로부터 CO2를 포획하고 가역적으로 흡착하는데 효율적인 방법은 계류중인 미국 가 특허 출원 제 60/837,274호(출원일: 2006년 8월 10일, 전문이 본원에 참고로 인용된다)에 개시되어 있다. 이산화탄소를 포획한 후, 이를 본원에 설명된 반응에 사용하기 위해 가열 및/또는 감압을 통해 쉽게 방출시킬 수 있다.
물(즉, 공기의 수분 함유물)을 적합한 수단에 의해 공기로부터 분리할 수 있다. 공기로부터 분리된 물은 순도가 높고 수소 제조용 공급원으로서 촉매적으로 또는 전기화학적으로 임의의 목적하는 방식으로 바로 이용될 수 있다. 이렇게 수득된 수소는 CO2의 메탄올로의 수소화 변환(hydrogenative conversion)에 사용될 수 있다.
따라서, CO2와 H2O는 흔한 원재료로서 대기로부터 수득될 수 있고 미국 특허 제 5,928,806호 및 계류중인 미국 특허 출원 제 11/402,050호(이들은 본원에 참고로 인용된다)에 기재된 방법에 따라서 메탄올 또는 디메틸 에테르를 제조하는 데 사용될 수 있다. 미국 특허 제 5,928,806호에는, 예를 들면, 이산화탄소와 물이 반응하여 산소 및 산소화된 탄화수소 또는 산소화된 탄화수소들의 혼합물을 형성하도록 이산화탄소, 물 및 전기 에너지를 환원 영역에 제공함으로써, 이산화탄소와 물을 환원시켜 메틸 알콜, 메틸 포르메이트, 포름알데히드 또는 포름산과 같은 산소화된 탄화수소를 형성하는 방법이 기재되어 있다. 미국 특허 출원 제 11/402,050호는 촉매 수소화반응에 의해 CO2를 메탄올로 변환시키는 방법을 제공하고, 촉매적 수소화 반응에 사용되는 수소는 물의 전기분해를 포함하여 임의의 적합한 공급원으로부터 수득될 수 있음을 개시하고 있다. 당해 특허 출원에는 이산화탄소를 환원시켜 포름산을 제조하는 동시에 포름알데히드와 보다 소량의 메탄올을 형성시키는 것으로 기재되어 있다. 이어서, 포름알데히드와 포름산을 메탄올로 변환시키는 처리를 수행한다. 포름알데히드를 메탄올로 변환시키기 위해 카니짜로-티셴코(Canizzaro-Tischenko)형 화학을 사용하는 것 외에, 포름알데히드와 포름산(수소 공급원으로서)을 반응시켜 메탄올을 합성함으로써 생성된 메탄올의 양을 증가시킬 수 있다. 또는, 포름산을 메탄올과 반응시켜 메틸 포르메이트를 형성시킬 수 있고, 이 때 촉매 수소화반응이 메탄올의 양을 2배로 제공할 것이다. 또 다른 경로를 통해서, 이산화탄소를 탄소와의 고온 반응을 통해 일산화탄소 제조에 사용할 수 있고, 이어서 이렇게 제조된 일산화탄소를 메탄올과 반응시켜 메틸 포르메이트를 형성시킨 후, 메탄올로 촉매 수소화한다. 공기로부터 CO2와 물을 분리한 후, CO2와 수소를 메탄올 또는 디메틸 에테르로 변환시키는 공정에 필요한 에너지는 원자력, 지열 에너지, 태양 에너지 및 풍력 에너지를 포함하여 임의의 통상적인 또는 대체 공급원에 의해 제공될 수 있다.
본 발명에 따라서 대기중 CO2와 H2O로부터 생성된 메탄올과 디메틸 에테르는 저장하고 수송하는데 편리하다. 메탄올은 우수한 수송 연료이고 쉽게 처리되어 합성 탄화수소 및 유도 물질을 제조할 수 있다. 이는 또한 디메틸 에테르(이는 메탄올의 탈수에 의해 제조된다) 또는 디메틸 카보네이트로 변환될 수 있다. 디메틸 카보네이트는 메탄올의 산화적 카보닐화에 의해 제조될 수 있다. 본원에 기재된 발명에 따르면, 이들 유용한 연료 모두는 오로지 공기로부터 제조될 수 있다.
메탄올, 디메틸 에테르 및 이들로부터 유도된 합성 탄화수소 생성물 및 화합물은 편리하고 안전하게 저장 가능한 에너지 공급원 및 연료로서 유용할 뿐만 아니라 각종 화학약품, 합성 탄화수소 및 관련 생성물용으로 유용한 출발물질이다. 메탄올 및/또는 디메틸 에테르는 산-염기 또는 제올라이트 촉매의 존재하에 변환되어 에틸렌 및/또는 프로필렌을 생성시키고, 이들은 중합체 제조, 다른 합성 탄화수소, 유도 물질, 및 수송 연료를 포함하는 화학약품용 공급 원료로서 유용하다. 예를 들면, 에틸렌 및 프로필렌은 수화되어 에탄올 및 프로판올을 각각 형성할 수 있고, 이들은 고급 올레핀, 폴리올레핀, 다양한 합성 탄화수소, 또는 방향족 화합물뿐만 아니라 이들 화합물로부터 생성된 생성물로 변환될 수 있다.
이들 반응 모두가 일반적으로 당업자에게 알려져 있으므로, 본원에서 상세한 반응 조건을 언급할 필요는 없다. 당업자는 본원에 개시된 유일한 원재료로서의 대기로부터 유도된 출발물질을 사용하여 목적하는 생성물을 달성하거나 제조하는 데 충분한 조건을 잘 알고 있다.
메탄올은 또한 수성 매질 속에서 질소 함유 영양소 염의 존재하에 공기로부터의 질소를 이용함으로써 단백질, 예를 들면, 단세포 단백질을 제조하기 위한 단세포 유기체 또는 미생물용 식품 공급원으로서 사용될 수 있다. 따라서, 본 발명은 또한, 오로지 공기로부터 수득된 CO2, H2O 및 N2를 사용하여 단백질과 같은 질소 함유 영양제의 제조방법을 제공한다. 당해 실시예에서, 대기중 공기는 회복 가능한 탄소 공급원(즉, 이산화탄소) 및 수소의 공급원(공기의 수분 함유물로부터 유도)으로서 뿐만 아니라 질소 함유 단백질 제조용 질소 공급원으로서도 사용된다. 이렇게 제조된 단세포 단백질은 사람 또는 동물 영양을 포함하여 임의의 바람직한 목적에 사용될 수 있다.
본 발명에 따라서 CO2 및 H2O의 메탄올 또는 디메틸 에테르의 변환에 단독 원재료로서 공기의 사용은 이의 지상에서의 보편적인 입수 용이성으로 인해 필수적인 연료 및 탄화수소 생성물을 제조하기 위해 누구에게나 이용 가능한 공기를 보편적으로 직접 이용하게 함으로써 독특하고 상당한 이점을 제공한다. 지상에 물이 풍부하지만, 청정수는 많은 영역에서 수득 가능하지 않다. 비용이 많이 들긴 하지만, 해수의 담수화가 청정수의 가능한 수득 방식이다. 불모지에서 물은 외부로부터 때때로 원거리로부터 가져와야 한다. 따라서, 공기 중의 수분으로부터 수득된 청정수는 대기중 CO2 분리의 유용하고, 심지어 경제적인 부산물이다. 메탄올 및 유도 생성물을 제조하기 위해 유일한 원재료로서 공기를 사용함으로써, 본 발명은 지구상 어디에서나 CO2 및 H2O의 무한하고 보편적으로 이용 가능한 공급원을 제공한다. 따라서, 점차적으로 매장량이 감소하는 화석 연료를 대체하기 위해 필요한 연료 및 물질을 위한 기초를 제공한다. 당해 방법은 또한 필수 연료 및 생성물을 제조하기 위해서 CO2 및 물을 효과적으로 이용하면서 대기중에서 증가된 CO2 농도로 인한 지구 기후 변화를 완화시킨다는 점에서 유리하다.
<실시예>
다음 예는 단지 예시를 위한 것이며 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다.
예 1
공기 중의 수분 함유물을 적합한 냉각 및 흡수 기술을 사용하여 임의의 편리하고 적용 가능한 제습 방법에 의해 제거한다. 대량의 대기중 수분을 제거한 후, 처리된 공기를, 이산화탄소를 효율적으로 흡수하는 것으로 알려진 적합한 화학 흡착제로 이루어진 흡착 시스템으로 통과시킨다.
예 2
공기의 제습에 의해 제거되고 수소의 전기분해 생성에 사용되는 청정수.
예 3
예 1에 따라서 흡수 또는 흡착된 이산화탄소를 이어서 가열 및/또는 감압 적용에 의해 탈착시킨 후, 화학적으로 메탄올로 변환시킨다.
예 4
주로 폴리에틸렌이민 중합체 또는 기타 폴리아미노 그룹 함유 중합체로 이루어진, 제습 공기로부터 이산화탄소 제거용 흡착제 시스템.
예 5
예 4에서 사용된 흡착제는 흄드 실리카, 알루미나 또는 높은 표면 활성을 갖는 나노 구조 특성의 기타 적합한 지지체에 지지시킴으로써 상당히 증가된 활성을 나타낸다.
상술한 바와 같이, 본 발명은, 에너지 저장 및 수송에 사용될 수 있는 메탄올 및 메탄올로부터 유도된 화합물, 예를 들면, 디메틸 에테르를 제조하기 위한 단독 공급원으로서 대기의 용도, 수송 연료의 제조 및 유도된 합성 탄화수소 생성물을 제공하는데 사용된다.

Claims (1)

  1. 대기로부터 메탄올을 제조하는 방법.
KR1020137008828A 2006-08-10 2007-07-27 단독 원재료로서 공기 중의 이산화탄소와 물(수분)로부터 메탄올, 디메틸 에테르, 유도된 합성 탄화수소 및 이들 생성물을 제조하는 방법 KR20130043694A (ko)

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