KR20140111034A

KR20140111034A - 2개-염-기반 열분해 공정을 포함하는 이산화탄소 격리

Info

Publication number: KR20140111034A
Application number: KR1020147022332A
Authority: KR
Inventors: 조 데이빗 존스; 알 야브론스키
Original assignee: 스카이오닉 코퍼레이션
Priority date: 2012-01-11
Filing date: 2013-01-11
Publication date: 2014-09-17
Also published as: EP2809427A4; WO2013106730A1; AP2014007853A0; EP2809427A1; CL2014001842A1; SG11201404005SA; HK1205976A1; HK1205039A1; NZ628133A; BR112014017019A8; MX2014008491A; AU2013203886B2; EA201491342A1; CO7020904A2; BR112014017019A2; CN104284707A; PH12014501606A1; IN2014DN05949A; IL233577A0; CA2863326A1

Abstract

본 발명은 에너지 효율적인 이산화탄소 격리 공정에 관한 것으로서, 이에 의해, 하나의 단계로부터 또 다른 단계로 열 및 화학물질들이 순환되도록 하는 2개 염 열분해 공정을 사용하여, 칼슘 실리케이트 광물 및 CO₂가 석회석 및 모래로 전환된다. 하나의 양태에서, MgCl₂는 조건들하에 물과 반응하여 Mg(OH)₂를 형성하고, Mg(OH)₂ 생성물은 CaCl₂ 및 물과 추가로 반응하여 MgCl₂, CaCO₃, 및 물을 형성한다.

Description

2개-염-기반 열분해 공정을 포함하는 이산화탄소 격리 {CARBON DIOXIDE SEQUESTRATION INVOLVING TWO-SALT-BASED THERMOLYTIC PROCESSES}

본원은 2012년 1월 11일자로 출원된 미국 가특허원 제61/585,597호에 대해 우선권의 이익을 주장하며, 상기 가특허원의 전문은 인용에 의해 본원에 포함된다.

I. 발명의 분야

본 발명은 일반적으로, 발전소의 폐기물 스트림(예를 들면, 연도 가스)과 같은 공급원으로부터 이산화탄소를 제거하는 분야에 관한 것으로, 본 발명에 의해 2족 실리케이트 광물이 2족 클로라이드 염 및 SiO₂로 전환되고, 2족 클로라이드 염이 2족 하이드록사이드 및/또는 2족 하이드록시클로라이드 염으로 전환된다. 이들은 다시, 임의로 촉매의 존재하에, 이산화탄소와 반응하여 2족 카보네이트 염을 형성할 수 있다. 이러한 단계들은, 이산화탄소가 카보네이트 염의 형태로 격리되며, 하나 이상의 단계들로부터의 부산물들, 예를 들면 열 및 화학물질들이 또 다른 하나 이상의 단계들에 재사용되거나 또 다른 하나 이상의 단계들로 재순환되는 사이클을 형성하도록, 조합될 수 있다.

II. 관련 기술의 설명

공기 중의 CO₂ 방출에 대해 상당한 국내 및 국제적 관심이 점점 더 많이 집중되고 있다. 특히, 이러한 기체가 대기 중에 태양열을 보유하여 "온실 효과"를 발생시키는 효과가 주목받아 왔다. 상기 효과의 정도에 대한 몇몇 논쟁에도 불구하고, 지점 배출원(point-emission source)으로부터의 CO₂(및 기타 화학물질들)의 제거는, 특히 이의 수행 비용이 충분히 적다면, 이점이 존재한다는 것에 모두 동의할 것이다.

온실 가스는 주로 이산화탄소로 구성되며, 지역 발전소 및 대규모 산업 현장 발전소에 의해 생성되지만, 이들은 또한 (자동차, 우림 개간, 단순 소각 등과 같은) 임의의 정상적인 탄소 연소에서도 생성된다. 그럼에도, 온실 가스의 가장 집중적인 지점 배출(point-emission)은 전 세계적으로 발전소에서 발생하기 때문에, 이러한 고정된 장소로부터의 감소 또는 제거는 제거-기술을 수행하기 위한 매력적인 지점에 해당한다. 에너지 생산은 온실 가스 배출의 주요 원인이기 때문에, 각종 수단에 의한 탄소 농도 감소, 효율 개선, 및 발전소 연도 가스로부터의 탄소 격리와 같은 방법들이 지난 30년간 집중적으로 조사 및 연구되어 왔다.

탄소를 (기체 CO₂의 초기 형태로) 격리하고자 하는 시도들은 여러 각종 기술들을 개발하였으며, 이들은 일반적으로 지질 시스템, 육상 시스템 또는 해양 시스템으로 분류될 수 있다. 이러한 기술들의 개요가 문헌[참조: Proceedings of First National Conference on Carbon Sequestration, (2001)]에 제공되어 있다. 최근까지, 이러한 기술들은, 모두 그런 건 아니지만 다수의 경우, 너무 많은 에너지를 소비하여 경제적으로 실행하는 것이 불가능하며, 많은 경우에, 이산화탄소를 발생시킴으로써 얻어진 에너지보다 더 많은 에너지를 소비한다. 이러한 단점들 중의 하나 이상을 해결하는 또 다른 공정들이 유리할 것이다.

상기 언급된 단점들은 포괄적으로 의도되기 보다는, 폐기물 스트림으로부터 이산화탄소를 제거하기 위한 사전에 공지된 선행 기술들의 유효성을 손상시키는 경향이 있는 다수의 단점들 중에 속하는 것이지만; 본 명세서에 언급된 단점들은, 당해 기술분야에서 나타난 방법론들이 전체적으로 만족스럽지 못하다는 것과, 본원 명세서에 기재되고 특허청구된 기술들에 대한 상당한 요구가 존재한다는 것을 입증하기에 충분하다.

발명의 요약

본 명세서에서는, 폐기물 스트림으로부터 이산화탄소를 제거함을 포함하는, 이산화탄소 격리를 위한 방법 및 장치가 교시된다.

하나의 측면에서, 공급원에 의해 생성된 이산화탄소를 격리시키는 방법이 제공되며, 상기 방법은,

(a) MgCl₂ 또는 이의 수화물과 물을, Mg(OH)Cl을 포함하는 제1의 단계(a) 생성물 및 HCl을 포함하는 제2의 단계(a) 생성물을 포함하는 제1 생성물 혼합물을 형성하기에 적합한 조건하에, 제1 혼합물로서 반응시키는 단계;

(b) 단계(a)로부터의 상기 Mg(OH)Cl의 일부 또는 전부와 소정량의 물 및 소정량의 MgCl₂를, Mg(OH)₂를 포함하는 제1의 단계(b) 생성물 및 MgCl₂를 포함하는 제2의 단계(b) 생성물을 포함하는 제2 생성물 혼합물을 형성하기에 적합한 조건하에, 제2 혼합물로서 반응시키는 단계(여기서, 상기 소정량의 물은, 상기 제2 생성물 혼합물 중의 물 대 MgCl₂의 몰비가 6 대 1 이상이 되도록 하기에 충분하다);

(c) 상기 제1의 단계(b) 생성물로부터의 상기 Mg(OH)₂의 일부 또는 전부와 CaCl₂ 또는 이의 수화물 및 상기 공급원에 의해 생성된 이산화탄소를, MgCl₂ 또는 이의 수화물을 포함하는 제1의 단계(c) 생성물, CaCO₃을 포함하는 제2의 단계(c) 생성물, 및 물을 포함하는 제3의 단계(c) 생성물을 포함하는 제3 생성물 혼합물을 형성하기에 적합한 조건하에, 제3 혼합물로서 혼합하는 단계; 및

(d) 상기 제3 생성물 혼합물로부터 상기 CaCO₃의 일부 또는 전부를 분리하는 단계

를 포함하고,

이에 의해 상기 이산화탄소의 일부 또는 전부가 CaCO₃로서 격리된다.

특정 양태에서, 단계(a)의 상기 MgCl₂는 MgCl₂ 수화물(예를 들면, MgCl₂ㆍ6(H₂O))이다. 몇몇 양태에서, 단계(a)의 상기 MgCl₂는 90중량% 초과의 MgCl₂ㆍ6(H₂O)이다. 추가의 양태에서, 단계(b) 및/또는 단계(c)에서 형성된 상기 MgCl₂의 일부 또는 전부는 단계(a)에서 사용되는 MgCl₂이다. 따라서, 특정 양태에서, 단계(a)에서의 상기 물의 일부 또는 전부는 MgCl₂의 수화물 형태로 존재하거나, 단계(c) 또는 단계(b)의 물로부터 얻어진다. 특정 양태에서, 단계(a)에서의 상기 물의 일부 또는 전부는 스팀 또는 초임계수의 형태로 존재한다. 몇몇 양태에서, 단계(a)의 상기 염화수소의 일부 또는 전부는 물과 혼합되어 염산을 형성한다. 추가의 양태에서, 상기 제1의 단계(a) 생성물은 90중량% 초과의 Mg(OH)Cl을 포함한다. 특정 양태에서, 단계(a)는 1개, 2개 또는 3개의 반응기에서 수행된다.

몇몇 양태에서, 단계(b)의 상기 제2 생성물 혼합물 중에 한정된 양의 물이 유지된다. 예를 들면, 몇몇 양태에서, 상기 제2 생성물 혼합물 중의 MgCl₂에 대한 물의 몰비는 약 6 내지 약 10, 약 6 내지 9, 약 6 내지 8, 약 6 내지 7, 또는 약 6이다. 특정 양태에서, 상기 방법은 상기 제2 생성물 혼합물 중의 MgCl₂의 농도, 상기 제2 생성물 혼합물 중의 물의 양, 또는 이들 둘 다를 모니터링함을 포함한다. 추가의 양태에서, 이러한 모니터링에 기초하여 단계(b)에서 MgCl₂ 및/또는 물의 양(또는 상기 제2 혼합물에 대한 MgCl₂ 및/또는 물의 유동 속도)이 조절된다.

추가의 양태에서, 상기 방법은 단계(b)의 생성물들을 분리함을 포함한다. 예를 들면, 단계(b)의 상기 Mg(OH)₂ 생성물은 고체일 수 있으며, 상기 단계(b)의 생성물들의 분리는 물 및 MgCl₂ 용액으로부터 고체 Mg(OH)₂의 일부 또는 전부를 분리함을 포함할 수 있다. 따라서, 몇몇 양태에서, 단계(b)의 상기 MgCl₂ 생성물은 수성 MgCl₂이다.

또 하나의 추가의 양태에서, 단계(b)는, 단계(a)로부터의 상기 Mg(OH)Cl의 일부 또는 전부와 MgCl₂ 및 소정량의 물을, Mg(OH)₂를 포함하는 제1의 단계(b) 생성물 및 MgCl₂를 포함하는 제2의 단계(b) 생성물을 포함하는 제2 생성물 혼합물을 형성하기에 적합한 조건하에, 제2 혼합물로서 반응시킴을 포함하며, 여기서, 상기 소정량의 물은, 상기 제2 혼합물 중의 물 대 Mg의 몰비가 6 대 1 이상이 되도록 하기에 충분하다. 몇몇 양태에서, 단계(b)의 반응을 위한 MgCl₂의 일부 또는 전부는 단계(c)의 MgCl₂ 생성물이다.

추가의 양태에서, 단계(c)는 상기 제3 혼합물 중에 수산화나트륨 염을 혼합함을 추가로 포함한다.

또 하나의 추가의 양태에서, 상기 방법은,

(e) 칼슘 실리케이트 광물과 HCl을, CaCl₂, 물 및 이산화규소를 포함하는 제3 생성물 혼합물을 형성하기에 적합한 조건하에 혼합하는 단계를 포함한다.

예를 들면, 몇몇 경우, 단계(e)에서의 상기 HCl의 일부 또는 전부는 단계(a)로부터 얻어진다. 특정 양태에서, 단계(e)는 칼슘 실리케이트 광물을 HCl과 함께 진탕함을 추가로 포함한다. 몇몇 양태에서, 단계(e)에서 발생한 열의 일부 또는 전부는 회수된다. 특정 양태에서, 단계(c)의 상기 CaCl₂의 일부 또는 전부는 단계(e)의 CaCl₂이다. 추가의 양태에서, 상기 방법은, 단계(e)에서 형성된 CaCl₂로부터 이산화규소를 제거하는 분리 단계를 포함한다. 또 하나의 추가의 양태에서, 단계(a) 및/또는 단계(b)의 물의 일부 또는 전부는 단계(e)의 물로부터 얻어진다.

상기 양태들의 특정 측면들은 칼슘 이노실리케이트(calcium inosilicate)와 같은 칼슘 실리케이트 광물의 사용을 포함한다. 몇몇 양태에서, 상기 칼슘 실리케이트 광물은 투휘석(CaMg[Si₂O₆]), 투각섬석 Ca₂Mg₅{[OH]Si₄O₁₁}₂ 또는 CaSiO₃을 포함한다. 몇몇 양태에서, 상기 칼슘 실리케이트는 규산철(예를 들면, 철감람석(Fe₂[SiO₄])) 및/또는 규산망간을 추가로 포함한다.

몇몇 양태에서, 상기 이산화탄소는 연도 가스 형태이며, 여기서, 상기 연도 가스는 N₂ 및 H₂O를 추가로 포함한다.

몇몇 양태에서, 단계(a)의 적합한 반응 조건은 약 200℃ 내지 약 500℃의 온도를 포함한다. 몇몇 양태에서, 상기 온도는 약 230℃ 내지 약 260℃이다. 몇몇 양태에서, 상기 온도는 약 250℃이다. 몇몇 양태에서, 상기 온도는 약 200℃ 내지 약 250℃이다. 몇몇 양태에서, 상기 온도는 약 240℃이다.

몇몇 양태에서, 단계(b)의 적합한 반응 조건은 약 140℃ 내지 약 240℃의 온도를 포함한다.

몇몇 양태에서, 단계(c)의 적합한 반응 조건은 약 20℃ 내지 약 100℃의 온도를 포함한다. 몇몇 양태에서, 상기 온도는 약 25℃ 내지 약 95℃이다.

몇몇 양태에서, 단계(e)의 적합한 반응 조건은 약 50℃ 내지 약 200℃의 온도를 포함한다. 몇몇 양태에서, 상기 온도는 약 90℃ 내지 약 150℃이다.

추가의 측면에서, 공급원에 의해 생성된 이산화탄소를 격리시키는 방법이 제공되며, 상기 방법은,

(a) 제1 양이온계 할라이드, 설페이트 또는 니트레이트 염 또는 이의 수화물과 물을, 제1 양이온계 하이드록사이드 염, 제1 양이온계 옥사이드 염 및/또는 제1 양이온계 하이드록시클로라이드 염을 포함하는 제1의 단계(a) 생성물 및 HCl, H₂SO₄ 또는 HNO₃을 포함하는 제2의 단계(a) 생성물을 포함하는 제1 생성물 혼합물을 형성하기에 적합한 조건하에, 제1 혼합물로서 반응시키는 단계;

(b) 상기 제1의 단계(a) 생성물의 일부 또는 전부와 제2 양이온계 할라이드, 설페이트 또는 니트레이트 염 또는 이의 수화물 및 상기 공급원에 의해 생성된 이산화탄소를, 제1 양이온계 할라이드, 설페이트 및/또는 니트레이트 염 또는 이의 수화물을 포함하는 제1의 단계(b) 생성물, 제2 양이온계 카보네이트 염을 포함하는 제2의 단계(b) 생성물, 및 물을 포함하는 제3의 단계(b) 생성물을 포함하는 제2 생성물 혼합물을 형성하기에 적합한 조건하에, 제2 혼합물로서 혼합하는 단계; 및

(c) 상기 제2 생성물 혼합물로부터 상기 제2 양이온계 카보네이트 염의 일부 또는 전부를 분리하는 단계

를 포함하고,

이에 의해 상기 이산화탄소가 광물 생성물 형태로 격리된다.

몇몇 양태에서, 단계(a)의 상기 제1 양이온계 할라이드 설페이트 또는 니트레이트 염 또는 이의 수화물은 제1 양이온계 클로라이드 염 또는 이의 수화물이고, 상기 제2의 단계(a) 생성물은 HCl이다. 몇몇 양태에서, 단계(b)의 상기 제1 양이온계 할라이드, 설페이트, 또는 니트레이트 염 또는 이의 수화물은 제1 양이온계 클로라이드 염 또는 이의 수화물이다.

몇몇 양태에서, 단계(a)의 상기 제1 양이온계 클로라이드 염 또는 이의 수화물은 MgCl₂이다. 몇몇 양태에서, 단계(a)의 상기 제1 양이온계 클로라이드 염 또는 이의 수화물은 MgCl₂의 수화된 형태이다. 몇몇 양태에서, 단계(a)의 상기 제1 양이온계 클로라이드 염 또는 이의 수화물은 MgCl₂ㆍ6H₂O이다. 몇몇 양태에서, 단계(a)의 상기 제1 양이온계 하이드록사이드 염은 Mg(OH)₂이다. 몇몇 양태에서, 단계(a)의 상기 제1 양이온계 하이드록시클로라이드 염은 Mg(OH)Cl이다. 몇몇 양태에서, 상기 제1의 단계(a) 생성물은 주로 Mg(OH)Cl을 포함한다. 몇몇 양태에서, 상기 제1의 단계(a) 생성물은 90중량% 초과의 Mg(OH)Cl을 포함한다. 몇몇 양태에서, 상기 제1의 단계(a) 생성물은 Mg(OH)Cl이다. 몇몇 양태에서, 단계(a)의 상기 제1 양이온계 옥사이드 염은 MgO이다.

몇몇 양태에서, 단계(b)의 상기 제2 양이온계 할라이드, 설페이트 또는 니트레이트 염 또는 이의 수화물은 제2 양이온계 클로라이드 염 또는 이의 수화물, 예를 들면, CaCl₂이다. 몇몇 양태에서, 단계(b)의 상기 제1 양이온계 클로라이드 염은 MgCl₂이다. 몇몇 양태에서, 단계(b)의 상기 제1 양이온계 클로라이드 염은 MgCl₂의 수화된 형태이다. 몇몇 양태에서, 단계(b)의 상기 제1 양이온계 클로라이드 염은 MgCl₂ㆍ6H₂O이다.

몇몇 양태에서, 단계(a)에서의 상기 물의 일부 또는 전부는 스팀 또는 초임계수의 형태로 존재한다. 몇몇 양태에서, 단계(a)의 상기 물의 일부 또는 전부는 단계(b)의 물로부터 얻어진다. 몇몇 양태에서, 단계(b)는 상기 제2 혼합물 중에 수산화나트륨 염을 혼합함을 추가로 포함한다.

몇몇 양태에서, 상기 방법들은,

(d) 2족 실리케이트 광물과 HCl을, 2족 클로라이드 염, 물 및 이산화규소를 포함하는 제3 생성물 혼합물을 형성하기에 적합한 조건하에 혼합하는 단계

를 추가로 포함한다.

몇몇 양태에서, 단계(d)에서의 상기 HCl의 일부 또는 전부는 단계(a)로부터 얻어진다. 몇몇 양태에서, 단계(d)의 방법들은 상기 2족 실리케이트 광물을 HCl과 함께 진탕함을 추가로 포함한다. 몇몇 양태에서, 단계(d)에서 발생한 열의 일부 또는 전부는 회수된다. 몇몇 양태에서, 단계(b)의 상기 제2 양이온계 클로라이드 염의 일부 또는 전부는 단계(d)의 2족 클로라이드 염이다. 몇몇 양태에서, 상기 방법들은, 단계(d)에서 형성된 2족 클로라이드 염으로부터 이산화규소를 제거하는 분리 단계를 추가로 포함한다. 몇몇 양태에서, 단계(a)의 상기 물의 일부 또는 전부는 단계(d)의 물로부터 얻어진다.

몇몇 양태에서, 단계(d)의 상기 2족 실리케이트 광물은 2족 이노실리케이트를 포함한다. 몇몇 양태에서, 단계(d)의 상기 2족 실리케이트 광물은 CaSiO₃을 포함한다. 몇몇 양태에서, 단계(d)의 상기 2족 실리케이트 광물은 MgSiO₃을 포함한다. 몇몇 양태에서, 단계(d)의 상기 2족 실리케이트 광물은 감람석(Mg₂[SiO₄])을 포함한다. 몇몇 양태에서, 단계(d)의 상기 2족 실리케이트 광물은 사문석(Mg₆[OH]₈[Si₄O₁₀])을 포함한다. 몇몇 양태에서, 단계(d)의 상기 2족 실리케이트 광물은 해포석(Mg₄[(OH)₂Si₆O₁₅]ㆍ6H₂O), 완화휘석(Mg₂[Si₂O₆]), 투휘석(CaMg[Si₂O₆]), 및/또는 투각섬석 Ca₂Mg₅{[OH]Si₄O₁₁}₂를 포함한다. 몇몇 양태에서, 상기 2족 실리케이트는 규산철 및/또는 규산망간을 추가로 포함한다. 몇몇 양태에서, 상기 규산철은 철감람석(Fe₂[SiO₄])이다.

몇몇 양태에서, 단계(b)에서 형성된 상기 제1 양이온계 클로라이드 염의 일부 또는 전부는 단계(a)에서 사용되는 제1 양이온계 클로라이드 염이다.

몇몇 양태에서, 상기 이산화탄소는 연도 가스의 형태이며, 여기서, 상기 연도 가스는 N₂ 및 H₂O를 추가로 포함한다.

몇몇 양태에서, 단계(a)의 적합한 반응 조건은 약 50℃ 내지 약 200℃의 온도를 포함한다. 몇몇 양태에서, 상기 온도는 약 90℃ 내지 약 260℃이다. 몇몇 양태에서, 상기 온도는 약 90℃ 내지 약 230℃이다. 몇몇 양태에서, 상기 온도는 약 130℃이다.

몇몇 양태에서, 단계(a)의 적합한 반응 조건은 약 400℃ 내지 약 550℃의 온도를 포함한다. 몇몇 양태에서, 상기 온도는 약 450℃ 내지 약 500℃이다.

몇몇 양태에서, 단계(a)의 적합한 반응 조건은 약 20℃ 내지 약 100℃의 온도를 포함한다. 몇몇 양태에서, 상기 온도는 약 25℃ 내지 약 95℃이다.

몇몇 양태에서, 단계(a)의 적합한 반응 조건은 약 50℃ 내지 약 200℃의 온도를 포함한다. 몇몇 양태에서, 상기 온도는 약 90℃ 내지 약 150℃이다.

또 다른 측면에서, 본 발명은 공급원에 의해 생성된 이산화탄소를 격리시키는 방법을 제공하며, 상기 방법은,

(a) 염화마그네슘 염과 물을, (i) 수산화마그네슘, 산화마그네슘 및/또는 Mg(OH)Cl 및 (ii) 염화수소를 형성하기에 적합한 조건하에, 제1 혼합물로서 혼합하는 단계;

(b) (i) 수산화마그네슘, 산화마그네슘 및/또는 Mg(OH)Cl, (ii) CaCl₂ 및 (iii) 상기 공급원에 의해 생성된 이산화탄소를, (iv) 탄산칼슘, (v) 염화마그네슘 염, 및 (vi) 물을 형성하기에 적합한 조건하에, 제2 혼합물로서 혼합하는 단계; 및

(c) 상기 제2 혼합물로부터 상기 탄산칼슘을 분리하는 단계

를 포함하고,

이에 의해 상기 이산화탄소는 광물 생성물 형태로 격리된다.

몇몇 양태에서, 단계(a)의 상기 염화수소의 일부 또는 전부는 물과 혼합되어 염산을 형성한다. 몇몇 양태에서, 단계(b)(i)의 상기 수산화마그네슘, 산화마그네슘 및/또는 Mg(OH)Cl의 일부 또는 전부는 단계(a)(i)로부터 얻어진다. 몇몇 양태에서, 단계(a)에서의 물의 일부 또는 전부는 염화마그네슘 염의 수화물 형태로 존재한다. 몇몇 양태에서, 단계(a)는 1개, 2개 또는 3개의 반응기에서 수행된다. 몇몇 양태에서, 단계(a)는 1개의 반응기에서 수행된다. 몇몇 양태에서, 단계(a)(i)의 상기 수산화마그네슘, 산화마그네슘 및/또는 Mg(OH)Cl은 90중량% 초과의 Mg(OH)Cl이다. 몇몇 양태에서, 상기 염화마그네슘 염은 90중량% 초과의 MgCl₂ㆍ6(H₂O)이다.

몇몇 양태에서, 상기 방법들은,

(d) 2족 실리케이트 광물과 염화수소를, 2족 클로라이드 염, 물 및 이산화규소를 형성하기에 적합한 조건하에 혼합하는 단계

를 추가로 포함한다.

몇몇 양태에서, 단계(d)에서의 상기 염화수소의 일부 또는 전부는 단계(a)로부터 얻어진다. 몇몇 양태에서, 단계(d)는 상기 2족 실리케이트 광물을 염산과 함께 진탕함을 추가로 포함한다. 몇몇 양태에서, 단계(a)에서의 상기 염화마그네슘 염의 일부 또는 전부는 단계(d)로부터 얻어진다. 몇몇 양태에서, 상기 방법들은, 단계(d)에서 형성된 2족 클로라이드 염으로부터 이산화규소를 제거하는 분리 단계를 추가로 포함한다. 몇몇 양태에서, 단계(a)의 상기 물의 일부 또는 전부는 단계(d)의 물로부터 얻어진다. 몇몇 양태에서, 단계(d)의 상기 2족 실리케이트 광물은 2족 이노실리케이트를 포함한다.

몇몇 양태에서, 단계(d)의 상기 2족 실리케이트 광물은 CaSiO₃을 포함한다. 몇몇 양태에서, 단계(d)의 상기 2족 실리케이트 광물은 MgSiO₃을 포함한다. 몇몇 양태에서, 단계(d)의 상기 2족 실리케이트 광물은 감람석을 포함한다. 몇몇 양태에서, 단계(d)의 상기 2족 실리케이트 광물은 사문석을 포함한다. 몇몇 양태에서, 단계(d)의 상기 2족 실리케이트 광물은 해포석, 완화휘석, 투위석, 및/또는 투각섬석을 포함한다. 몇몇 양태에서, 상기 2족 실리케이트는 광물화된 철 및/또는 망간을 추가로 포함한다.

몇몇 양태에서, 단계(b)는 CaCl₂ 및 물을 상기 제2 혼합물에 혼합함을 추가로 포함한다.

본 발명의 기재내용의 기타 목적, 특징 및 이점은 아래의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다. 그러나, 이러한 상세한 설명 및 특정 실시예는 본 발명의 구체적인 양태를 나타내기는 하지만 단지 예시 목적으로만 제시되며, 이러한 상세한 설명으로부터 본 발명의 취지 및 범위 내에서 각종 변화 및 변형이 당업자에게 명백해질 것임을 이해해야 한다.

다음의 도면은 본 명세서의 일부를 형성하며, 본 발명의 기재내용의 특정 측면들을 추가로 입증하기 위해 포함된다. 본 발명은 본 명세서에 제시된 특정 양태의 상세한 설명과 함께 이들 도면들 중의 하나를 참조할 때 더 잘 이해될 수 있다.
도 1은 본 발명의 몇몇 양태에 따라 CO₂를 2족 카보네이트로서 격리시키는 2족 하이드록사이드계 공정을 위한 시스템의 블럭 다이어그램이다.
도 2는, Mg² ⁺가 본 발명의 몇몇 양태에 따라 CO₂를 탄산칼슘으로서 격리시키기 위한 촉매로서 기능하는 시스템의 블럭 다이어그램이다.
도 3은 본 명세서에 제공된 공정들의 몇몇 양태에 따른 단순화된 공정 순서도이다. CO₂를 (주로 광물 방해석 CaCO₃로 구성된) 석회석으로서 격리시키는 II족 하이드록사이드계 공정이 도시되어 있다. 이 도면에서 용어 "도로 염(road salt)"은 CaCl₂ 및/또는 MgCl₂와 같은 II족 클로라이드를 의미하며, 이들 중 하나 또는 둘 다는 임의로 수화된다. MgCl₂를 포함하는 양태에서는, 열을 사용하여 도로 염과 물(수화수를 포함함) 사이의 반응을 구동시켜 HCl 및 수산화마그네슘 Mg(OH)₂ 및/또는 마그네슘 하이드록시클로라이드 Mg(OH)Cl을 형성할 수 있다. CaCl₂를 포함하는 양태에서는, 열을 사용하여 도로 염과 물 사이의 반응을 구동시켜 수산화칼슘 및 HCl을 형성할 수 있다. 상기 HCl을, 예를 들면, (임의로 분쇄된) 칼슘 이노실리케이트 암석과 반응시켜, 추가의 도로 염, 예를 들면, CaCl₂, 및 모래(SiO₂)를 형성한다.
도 4는 본 발명의 몇몇 양태에 상응하는 단순화된 공정 순서도이다. 본 발명의 몇몇 양태에서는 실리케이트 암석을 사용하여 CO₂를 CaCO₃로서 격리시킬 수 있다. 이 도면에서 용어 "도로 염"은 CaCl₂ 및/또는 MgCl₂와 같은 II족 클로라이드를 의미하며, 이들 중 하나 또는 둘 다는 임의로 수화된다. 도로 염 비등기(boiler)에서, 열을 사용하여 도로 염, 예를 들면, MgCl₂ㆍ6H₂O와 물(수화수를 포함함) 사이의 반응을 구동시켜, HCl 및, 예를 들면, 수산화마그네슘 Mg(OH)₂ 및/또는 마그네슘 하이드록시클로라이드 Mg(OH)Cl를 포함하는 II족 하이드록사이드, 옥사이드 및/또는 혼합된 하이드록사이드-클로라이드를 형성할 수 있다. CaCl₂를 포함하는 양태에서는, 열을 사용하여 도로 염과 물 사이의 반응을 구동시켜 수산화칼슘 및 HCl을 형성할 수 있다. 상기 HCl은 판매되거나, 실리케이트 암석, 예를 들면, 이노실리케이트와 반응하여 추가의 도로 염, 예를 들면, CaCl₂, 및 모래(SiO₂)를 형성할 수 있다. 이러한 양태들 중 몇몇에서는, Mg² ⁺ 및 Ca² ⁺ 사이의 이온 교환 반응을 사용하여, 예를 들면, Mg² ⁺ 이온들의 순환(cycling)을 허용할 수 있다.
도 5는 아스펜 플러스 공정 소프트웨어(Aspen Plus process software)를 사용하는 공정 모의실험으로부터의 파라미터들 및 결과들을 나타낸 공정 순서도이다. 이 양태에서, 35% MgCl₂, 65% H₂O 용액은 536℉(280℃)로 가열된 다음, 상기 스트림은 MgCl₂ 용액 및 고체 Mg(OH)₂를 포함하는 "H₂O-MgOH"로 표시된 스트림으로 빠져나온다. 통상적으로, Mg(OH)Cl은 물에 용해될 때 Mg(OH)₂(고체) 및 MgCl₂(용해됨)를 형성한다. 여기서, 상기 MgCl₂는 CO₂를 직접 흡수하는 데 사용되지 않고, 오히려 이는 재순환된다. 상기 알짜 반응(net reaction)은 저렴한 원료들인 CaCl₂와 물을 사용하여 연도 가스로부터 CO₂를 포획하여 CaCO₃을 형성하는 것이다. 상기 모의실험의 결과들은, MgCl₂ 스트림을 재순환시킨 다음 이를 H₂O 및 열과 반응시켜 Mg(OH)₂를 형성하는 것이 효율적임을 시사한다. 이어서, 상기한 화합물들 중의 하나 이상을 CaCl₂/H₂O 용액 및 상기 연도 가스로부터의 CO₂와 반응시켜 최종적으로 CaCO₃을 형성하고, 이를 상기 스트림으로부터 여과시킨다. 형성된 최종 MgCl₂를 제1 반응기로 재순환시켜 상기 공정을 반복한다.
도 6은 아스펜 플러스 공정 소프트웨어를 사용하는 공정 모의실험으로부터의 파라미터들 및 결과들을 나타낸 공정 순서도이다. 상기 알짜 반응은 저렴한 원료들인 CaCl₂와 물을 사용하여 연도 가스로부터 CO₂를 포획하여 CaCO₃을 형성하는 것이다. 이 양태에서, 상기 육수화물은 3개의 개별 챔버들에서 탈수되고 제4 챔버에서 분해되며, 상기 제4 챔버에서는 상기 분해로부터 형성된 HCl이 제3 챔버로 다시 재순환되어 임의의 부반응들을 방지한다. 이들 챔버들에서 발생하는 반응들은 다음을 포함한다:
제1 챔버: MgCl₂ㆍ6H₂O → MgCl₂ㆍ4H₂O + 2H₂O 100℃
제2 챔버: MgCl₂ㆍ4H₂O → MgCl₂ㆍ2H₂O + 2H₂O 125℃
제3 챔버: MgCl₂ㆍ2H₂O → MgCl₂ㆍH₂O + H₂O 160℃
(HCl 증기가 존재함)
제4 챔버: MgCl₂ㆍH₂O → Mg(OH)Cl + HCl 130℃
HCl은 제3 챔버로 재순환됨.

상기 처음 3개의 반응은 탈수를 특징으로 할 수 있고, 한편 네 번째 반응은 분해를 특징으로 할 수 있다. 실시예 2에서 더욱 상세히 설명되는 이러한 모의실험의 결과들은, 저온(130 내지 250℃)에서 MgCl₂ㆍ6H₂O가 분해되면 MgO 대신에 Mg(OH)Cl이 형성된다는 것을 나타낸다. 상기 Mg(OH)Cl을 이후에 H₂O와 반응시켜 MgCl₂ 및 Mg(OH)₂를 형성한 다음, 이를 CaCl₂/H₂O 포화 용액 및 상기 연도 가스로부터의 CO₂와 반응시켜 CaCO₃을 형성하고, 이를 상기 스트림으로부터 여과시킨다. 형성된 최종 MgCl₂를 상기 제1 반응기로 재순환시켜 상기 공정을 다시 시작한다.
도 7은 아스펜 플러스 공정 소프트웨어를 사용하는 공정 모의실험으로부터의 파라미터들 및 결과들을 나타낸 공정 순서도이다. 상기 알짜 반응은 저렴한 원료들인 CaCl₂와 물을 사용하여 연도 가스로부터 CO₂를 포획하여 CaCO₃을 형성하는 것이다. 이 양태에서, 상기 마그네슘 육수화물은 2개의 개별 챔버들에서 탈수되고 제3 챔버에서 분해된다. 탈수 반응과 분해 반응은 둘 다 제3 챔버에서 발생한다. 재순환 HCl은 존재하지 않는다. 이들 챔버들에서 발생하는 반응들은 다음을 포함한다:
제1 챔버: MgCl₂ㆍ6H₂O → MgCl₂ㆍ4H₂O + 2H₂O 100℃
제2 챔버: MgCl₂ㆍ4H₂O → MgCl₂ㆍ2H₂O + 2H₂O 125℃
제3 챔버: MgCl₂ㆍ2H₂O → Mg(OH)Cl + HCl + H₂O 130℃
제3 챔버: MgCl₂ㆍ2H₂O → MgCl₂ㆍH₂O + H₂O 130℃

상기 제1, 제2 및 제4 반응은 탈수를 특징으로 할 수 있고, 한편 제3 반응은 분해를 특징으로 할 수 있다. 도 6의 양태에서와 같이, 이 양태에서 사용된 온도는 MgCl₂ㆍ6H₂O로부터 MgO보다는 Mg(OH)Cl의 형성을 유도한다. 상기 Mg(OH)Cl을 이후에 H₂O와 반응시켜 MgCl₂ 및 Mg(OH)₂를 형성하고, 이를 CaCl₂/H₂O 포화 용액 및 상기 연도 가스로부터의 CO₂와 반응시켜 CaCO₃을 형성하고, 이를 상기 스트림으로부터 여과시킨다. 형성된 최종 MgCl₂를 상기 제1 반응기로 재순환시켜 상기 공정을 다시 시작한다. 이 모의실험에 관한 추가의 상세설명은 아래의 실시예 3에 제공된다.
도 8은 아스펜 플러스 공정 소프트웨어를 사용하는 공정 모의실험으로부터의 파라미터들 및 결과들을 나타낸 공정 순서도이다. 상기 알짜 반응은 저렴한 원료들인 CaCl₂와 물을 사용하여 연도 가스로부터 CO₂를 포획하여 CaCO₃을 형성하는 것이다. 이 모의실험의 결과들은, MgCl₂ㆍ6H₂O를 가열하여 MgO를 형성하는 것이 효과적임을 나타낸다. 상기 MgO를 이후에 H₂O와 반응시켜 Mg(OH)₂를 형성한 다음, 이를 CaCl₂/H₂O 포화 용액 및 상기 연도 가스로부터의 CO₂와 반응시켜 CaCO₃을 형성하고, 이를 상기 스트림으로부터 여과시킨다. 형성된 최종 MgCl₂를 상기 제1 반응기로 재순환시켜 상기 공정을 다시 시작한다. 이 양태에서, 상기 마그네슘 육수화물은 1개의 챔버에서 450℃에서 동시에 탈수되고 분해된다. 이는 모델 온도 범위이다. 몇몇 양태에서 바람직한 범위는 450℃ 내지 500℃이다. 따라서, 상기 분해는 완전히 MgO로 진행한다. 이 챔버에서 발생하는 주요 반응은 다음과 같이 나타낼 수 있다:
MgCl₂ㆍ6H₂O → MgO + 5H₂O + 2HCl 450℃
이 모의실험에 관한 추가의 상세설명은 아래의 실시예 4에서 제공된다.
도 9는, MgCl₂ㆍ6H₂O가 1개의 챔버에서 250℃의 더 낮은 온도에서 중간체 화합물 Mg(OH)Cl로 분해되는 것을 제외하고는 도 8의 양태와 유사한, 아스펜 플러스 공정 소프트웨어를 사용하는 공정 모의실험으로부터의 파라미터들 및 결과들을 나타낸 공정 순서도이다. 상기 Mg(OH)Cl을 이후에 물에 용해시켜 MgCl₂ 및 Mg(OH)₂를 형성하고, 이를 CaCl₂ 및 CO₂와의 동일한 반응을 통해 CaCO₃ 및 MgCl₂를 형성한다. 이 챔버에서 발생하는 주요 반응은 다음과 같이 나타낼 수 있다:
MgCl₂ㆍ6H₂O → Mg(OH)Cl + HCl + 5H₂O 250℃
상기 반응은 250℃에서 모델링되었다. 몇몇 양태에서, 바람직한 범위는 230 내지 260℃이다. 이 모의실험에 관한 추가의 상세설명은 아래의 실시예 5에서 제공된다.
도 10은 MgCl₂ㆍ6H₂O의 가열된 샘플의 질량 퍼센티지의 그래프를 도시한 것이다. 상기 샘플의 초기 질량은 대략 70㎎이었고, 100%로 설정되었다. 실험 과정에서, 상기 샘플의 질량은 열분해되는 동안에 측정되었다. 온도를 150℃까지 신속하게 상승시킨 다음, 1분당 0.5℃로 서서히 증가시켰다. 대략 220℃에서, 중량이 일정해져, Mg(OH)Cl의 형성과 일치하였다.
도 11은 실시예 7의 생성물에 상응하는 X-선 회절 데이터를 도시한 것이다.
도 12는 실시예 8의 Mg(OH)₂를 사용하는 반응으로부터의 생성물에 상응하는 X-선 회절 데이터를 도시한 것이다.
도 13은 실시예 8의 Mg(OH)Cl를 사용하는 반응으로부터의 생성물에 상응하는 X-선 회절 데이터를 도시한 것이다.
도 14는 MgCl₂ㆍ(H₂O)의 분해에 대한 온도 및 압력의 효과를 도시한 것이다.
도 15는 본 명세서에서 기술된 Ca/Mg 공정의 양태의 공정 순서도이다.
도 16은 마그네슘 화합물만을 사용하는 공정의 변형태의 공정 순서도이다. 이 양태에서, Ca² ⁺-Mg² ⁺ 전환 반응은 발생하지 않는다.
도 17은 선행하는 2개의 양태들 사이에 존재하는 공정의 상이한 변형태의 공정 순서도이다. Mg²⁺의 절반이 Ca²⁺에 의해 대체되어, 최종의 광물화된 카보네이트 MgCa(CO₃)₂ 또는 백운석이 제조된다.
도 18 - CaSiO₃-Mg(OH)Cl 공정, 사례 10 및 11. 이 도면은 아스펜 플러스 공정 소프트웨어를 사용하는 공정 모의실험으로부터의 파라미터들 및 결과들을 제공하는 공정 순서도를 도시한 것이다. 상기 알짜 반응은 저렴한 원료들인 CaSiO₃, CO₂ 및 물을 사용하여 연도 가스로부터 CO₂를 포획하여 SiO₂ 및 CaCO₃을 형성하는 것이다. 이 모의실험의 결과들은, CaSiO₃과 반응하는 HCl로부터의 열과, 천연 가스 또는 석탄 화력 발전소에 의해 방출되는 연도 가스로부터의 열을 사용하여, MgCl₂ㆍ6H₂O의 분해를 수행하여 Mg(OH)Cl을 형성하는 것이 효율적임을 시사한다. 상기 Mg(OH)Cl을 이후에 H₂O와 반응시켜 MgCl₂ 및 Mg(OH)₂를 형성한 다음, 이를 CaCl₂/H₂O 포화 용액 및 상기 연도 가스로부터의 CO₂와 반응시켜 CaCO₃을 형성하고, 이를 상기 스트림으로부터 여과시킨다. 형성된 최종 MgCl₂를 상기 제1 반응기로 재순환시켜 상기 공정을 다시 시작한다. 이 양태에서, 상기 염화마그네슘 육수화물은 제1 챔버에서 HCl과 CaSiO₃ 반응으로부터의 열을 사용하여 염화마그네슘 이수화물 MgCl₂ㆍ2H₂O로 탈수되고, 제2 챔버에서 상기 연도 가스로부터의 열을 사용하여 250℃에서 분해된다. 따라서, 상기 분해는 부분적으로 Mg(OH)Cl로 진행한다. 이 챔버에서 발생하는 주요 반응은 다음과 같이 나타낼 수 있다:

도 19 - CaSiO₃-MgO 공정, 사례 12 및 13. 이 도면은 아스펜 플러스 공정 소프트웨어를 사용하는 공정 모의실험으로부터의 파라미터들 및 결과들을 나타낸 공정 순서도이다. 상기 알짜 반응은 저렴한 원료들인 CaSiO₃, CO₂ 및 물을 사용하여 연도 가스로부터 CO₂를 포획하여 SiO₂ 및 CaCO₃을 형성하는 것이다. 이 모의실험의 결과들은, CaSiO₃과 반응하는 HCl로부터의 열과, 천연 가스 또는 석탄 화력 발전소에 의해 방출되는 연도 가스로부터의 열을 사용하여, MgCl₂ㆍ6H₂O의 분해를 수행하여 MgO를 형성하는 것이 효율적임을 시사한다. 상기 MgO를 이후에 H₂O와 반응시켜 Mg(OH)₂를 형성한 다음, 이를 CaCl₂/H₂O 포화 용액 및 상기 연도 가스로부터의 CO₂와 반응시켜 CaCO₃을 형성하고, 이를 상기 스트림으로부터 여과시킨다. 형성된 최종 MgCl₂를 상기 제1 반응기로 재순환시켜 상기 공정을 다시 시작한다. 이 양태에서, 상기 염화마그네슘 육수화물은 제1 챔버에서 HCl과 CaSiO₃ 반응으로부터의 열을 사용하여 염화마그네슘 이수화물 MgCl₂ㆍ2H₂O로 탈수되고, 제2 챔버에서 상기 연도 가스로부터의 열을 사용하여 450℃에서 분해된다. 따라서, 상기 분해는 부분적으로 MgO로 진행한다. 이 챔버에서 발생하는 주요 반응은 다음과 같이 나타낼 수 있다:

도 20 - MgSiO₃-Mg(OH)Cl 공정, 사례 14 및 15. 이 도면은 아스펜 플러스 공정 소프트웨어를 사용하는 공정 모의실험으로부터의 파라미터들 및 결과들을 나타낸 공정 순서도이다. 상기 알짜 반응은 저렴한 원료들인 MgSiO₃, CO₂ 및 물을 사용하여 연도 가스로부터 CO₂를 포획하여 SiO₂ 및 MgCO₃을 형성하는 것이다. 이 모의실험의 결과들은, MgSiO₃과 반응하는 HCl로부터의 열과, 천연 가스 또는 석탄 화력 발전소에 의해 방출되는 연도 가스로부터의 열을 사용하여, MgCl₂ㆍ2H₂O의 분해를 수행하여 Mg(OH)Cl을 형성하는 것이 효율적임을 시사한다. 상기 Mg(OH)Cl을 이후에 H₂O와 반응시켜 MgCl₂ 및 Mg(OH)₂를 형성한 다음, 이를 상기 연도 가스로부터의 CO₂와 반응시켜 MgCO₃을 형성하고, 이를 상기 스트림으로부터 여과시킨다. 형성된 최종 MgCl₂를 상기 제1 반응기로 재순환시켜 상기 공정을 다시 시작한다. 이 양태에서, 상기 염화마그네슘은 HCl과 MgSiO₃로부터의 열로 인해 이수화물 형태 MgCl₂ㆍ2H₂O로 잔존한 후에, 상기 연도 가스로부터의 열을 사용하여 250℃에서 분해된다. 따라서, 상기 분해는 부분적으로 Mg(OH)Cl로 진행한다. 이 챔버에서 발생하는 주요 반응은 다음과 같이 나타낼 수 있다:

도 21 - MgSiO₃-MgO 공정, 사례 16 및 17. 이 도면은 아스펜 플러스 공정 소프트웨어를 사용하는 공정 모의실험으로부터의 파라미터들 및 결과들을 나타낸 공정 순서도이다. 상기 알짜 반응은 저렴한 원료들인 MgSiO₃, CO₂ 및 물을 사용하여 연도 가스로부터 CO₂를 포획하여 SiO₂ 및 MgCO₃을 형성하는 것이다. 이 모의실험의 결과들은, MgSiO₃과 반응하는 HCl로부터의 열과, 천연 가스 또는 석탄 화력 발전소에 의해 방출되는 연도 가스로부터의 열을 사용하여, MgCl₂ㆍ2H₂O의 분해를 수행하여 MgO를 형성하는 것이 효율적임을 시사한다. 상기 MgO를 이후에 H₂O와 반응시켜 Mg(OH)₂를 형성한 다음, 이를 상기 연도 가스로부터의 CO₂와 반응시켜 MgCO₃을 형성하고, 이를 상기 스트림으로부터 여과시킨다. 이 양태에서, 상기 염화마그네슘은 HCl과 MgSiO₃로부터의 열로 인해 이수화물 형태 MgCl₂ㆍ2H₂O로 잔존한 후에, 상기 연도 가스로부터의 열을 사용하여 450℃에서 분해된다. 따라서, 상기 분해는 완전히 MgO로 진행한다. 이 챔버에서 발생하는 주요 반응은 다음과 같이 나타낼 수 있다:

도 22 - 투휘석-Mg(OH)Cl 공정, 사례 18 및 19. 이 도면은 아스펜 플러스 공정 소프트웨어를 사용하는 공정 모의실험으로부터의 파라미터들 및 결과들을 나타낸 공정 순서도이다. 상기 알짜 반응은 저렴한 원료들인 투휘석 MgCa(SiO₃)₂, CO₂ 및 물을 사용하여 연도 가스로부터 CO₂를 포획하여 SiO₂ 및 백운석 MgCa(CO₃)₂를 형성하는 것이다. 이 모의실험의 결과들은, MgCa(SiO₃)₂와 반응하는 HCl로부터의 열과, 천연 가스 또는 석탄 화력 발전소에 의해 방출되는 연도 가스로부터의 열을 사용하여, MgCl₂ㆍ6H₂O의 분해를 수행하여 Mg(OH)Cl을 형성하는 것이 효율적임을 시사한다. 상기 Mg(OH)Cl을 이후에 H₂O와 반응시켜 MgCl₂와 Mg(OH)₂를 형성한 다음, 이를 CaCl₂/H₂O 포화 용액 및 상기 연도 가스로부터의 CO₂와 반응시켜 MgCa(CO₃)₂를 형성하고, 이를 상기 스트림으로부터 여과시킨다. 형성된 최종 MgCl₂를 상기 제1 반응기로 재순환시켜 상기 공정을 다시 시작한다. 이 양태에서, 상기 염화마그네슘 육수화물은 제1 챔버에서 HCl과 CaSiO₃ 반응으로부터의 열을 사용하여 염화마그네슘 이수화물 MgCl₂ㆍ2H₂O로 탈수되고, 제2 챔버에서 상기 연도 가스로부터의 열을 사용하여 250℃에서 Mg(OH)Cl로 분해된다. 이 챔버에서 발생하는 주요 반응은 다음과 같이 나타낼 수 있다:

도 23 - 투휘석-MgO 공정, 사례 20 및 21. 이 도면은 아스펜 플러스 공정 소프트웨어를 사용하는 공정 모의실험으로부터의 파라미터들 및 결과들을 나타낸 공정 순서도이다. 상기 알짜 반응은 저렴한 원료들인 투휘석 MgCa(SiO₃)₂, CO₂ 및 물을 사용하여 연도 가스로부터 CO₂를 포획하여 SiO₂ 및 백운석 MgCa(CO₃)₂를 형성하는 것이다. 이 모의실험의 결과들은, MgCa(SiO₃)₂와 반응하는 HCl로부터의 열과, 천연 가스 또는 석탄 화력 발전소에 의해 방출되는 연도 가스로부터의 열을 사용하여, MgCl₂ㆍ6H₂O의 분해를 수행하여 MgO를 형성하는 것이 효율적임을 시사한다. 상기 MgO를 이후에 H₂O와 반응시켜 Mg(OH)₂를 형성한 다음, 이를 CaCl₂/H₂O 포화 용액 및 상기 연도 가스로부터의 CO₂와 반응시켜 MgCa(CO₃)₂를 형성하고, 이를 상기 스트림으로부터 여과시킨다. 형성된 최종 MgCl₂를 상기 제1 반응기로 재순환시켜 상기 공정을 다시 시작한다. 이 양태에서, 상기 염화마그네슘 육수화물은 제1 챔버에서 HCl과 CaSiO₃ 반응으로부터의 열을 사용하여 염화마그네슘 이수화물 MgCl₂ㆍ2H₂O로 탈수되고, 제2 챔버에서 상기 연도 가스로부터의 열을 사용하여 450℃에서 MgO로 분해된다. 이 챔버에서 발생하는 주요 반응은 다음과 같이 나타낼 수 있다:

도 24는 각종 CO₂ 연도 가스 농도, 각종 온도, 연도 가스가 석탄 또는 천연 가스로부터 유래하는지, 그리고 공정이 완전 분해 또는 부분 분해에 의존하는지에 대한, 포획된 CO₂ 퍼센트를 도시한 것이다. CaSiO₃-Mg(OH)Cl 및 CaSiO₃-MgO 공정의 실시예 10 내지 13을 참조하기 바란다.
도 25는 각종 CO₂ 연도 가스 농도, 각종 온도, 연도 가스가 석탄 또는 천연 가스로부터 유래하는지, 그리고 공정이 완전 분해 또는 부분 분해에 의존하는지에 대한, 포획된 CO₂ 퍼센트를 도시한 것이다. MgSiO₃-Mg(OH)Cl 및 MgSiO₃-MgO 공정의 실시예 14 내지 17을 참조하기 바란다.
도 26은 각종 CO₂ 연도 가스 농도, 각종 온도, 연도 가스가 석탄 또는 천연 가스로부터 유래하는지, 그리고 공정이 완전 분해 또는 부분 분해에 의존하는지에 대한, 포획된 CO₂ 퍼센트를 도시한 것이다. 투휘석- Mg(OH)Cl 및 투휘석- MgO 공정의 실시예 18 내지 21을 참조하기 바란다.
도 27은 2개의 상이한 염, 예를 들면, Ca²⁺ 및 Mg²⁺가 분해 및 탄산화에 사용되는 본 발명의 몇몇 양태에 상응하는 단순화된 공정 순서도이다.
도 28 및 29는 MgCl₂ㆍ6H₂O의 가열된 샘플의 질량 퍼센티지 그래프를 도시한 것이다. 상기 샘플들의 초기 질량은 각각 대략 70㎎이었고, 각각 100%로 설정되었다. 실험 과정에서, 상기 샘플들의 질량은 이들이 열분해되는 동안에 측정되었다. 온도를 200℃까지 상승시킨 다음, 12시간의 실행 과정에 걸쳐 추가로 증가시켰다. 분해된 물질들의 정체성은 제공된 이론적인 플래토(plateau)들을 비교함으로써 확인할 수 있다. 도 28은 2개의 플롯들의 중첩이며, 제1 플롯은 시간(분) 대 온도(℃)의 플롯인 실선이다. 상기 선은 시간 경과에 따른 온도의 상승을 나타내며; 제2 플롯은 중량%(100% = 샘플의 원래 중량) 대 시간의 플롯인 점선으로서, 이는, 탈수 또는 분해에 의해 샘플 중량이 시간 경과에 따라 감소함을 나타낸다. 또한 도 29는 2개의 플롯들의 중첩이며, 제1 플롯(실선)은 중량% 대 온도(℃)의 플롯으로서, 이는, 온도가 증가함에 따라 샘플 중량이 감소함을 나타내고; 제2 플롯(점선)은 온도에 대한 중량%의 변화율(중량%/℃) 대 온도(℃)의 플롯이다. 상기 값이 큰 경우, 이는 1℃당 각각의 변화에 대한 중량 손실 속도가 더 높다는 것을 나타낸다. 상기 값이 0인 경우, 샘플 중량은 온도가 증가하더라도 동일하게 유지되며, 이는 탈수 또는 분해의 부재를 시사한다. 도 28 및 29는 동일한 샘플의 도면이라는 것에 주목해야 한다.
도 30 - 500℃에서 1시간 후의 MgCl₂ㆍ6H₂O 분해. 이 그래프는 500℃에서 1시간 동안 가열한 후의 MgCl₂ㆍ6H₂O의 4회 시험 실행의 정규화된(normalized) 최종 및 초기 중량을 도시한 것이다. 일관된 최종 중량은, 해당 온도에서의 분해에 의해 MgO가 제조됨을 확인시켜 준다.
도 31 - 3개 챔버 분해. 이 도면은 아스펜 플러스 공정 소프트웨어를 사용하는 공정 모의실험으로부터의 파라미터들 및 결과들을 제공하는 공정 순서도를 도시한 것이다. 이 양태에서는, 냉각된 연도 가스로부터의 열(챔버 1), 광물 용해 반응기로부터의 열(챔버 2), 및 외부 천연 가스(챔버 3)를 열원으로서 사용한다. 상기 공정 순서도는 Mg(OH)Cl로 분해시키기 위한 3개의 챔버 공정을 예시한다. 제1 챔버는 200℃ 연도 가스에 의해 가열되어, 필요한 전체 열의 약 8.2%의 일부 초기 열을 제공하고, 광물 용해 반응기로부터 회수된 열에 의존하는 제2 챔버는 분해에 필요한 열의 83%를 제공하며, 이 중 28%는 염산/광물 실리케이트 반응으로부터의 열이고, 55%는 염산의 축합 및 형성으로부터의 열이며, 마지막으로 제3 챔버는 전체 열의 8.5%인 나머지 열의 외부 공급원으로서 천연 가스를 사용한다. CO₂는 결합된 사이클 천연 가스 발전소로부터의 것이므로, 분해 반응을 가동시키기 위해 발전소로부터 열을 거의 이용할 수 없다.
도 32 - 4개 챔버 분해 반응. 이 도면은 아스펜 플러스 공정 소프트웨어를 사용하는 공정 모의실험으로부터의 파라미터들 및 결과들을 제공하는 공정 순서도를 도시한 것이다. 이 양태에서는, 냉각된 연도 가스로부터의 열(챔버 1), 추가의 스팀으로부터의 열(챔버 2), 광물 용해 반응기로부터의 열(챔버 3), 및 외부 천연 가스(챔버 4)를 열원으로 사용한다. 상기 공정 순서도는 Mg(OH)Cl로 분해시키기 위한 4개 챔버 공정을 예시하며, 제1 챔버는 200℃ 연도 가스를 제공하여 필요한 전체 열의 약 8.2%의 일부 초기 열을 제공하고, 제2 챔버는 필요한 전체 열의 0.8%인 열을 여분의 스팀 형태로 제공하며, 광물 용해 반응기로부터 회수되는 열에 의존하는 제3 챔버는 분해에 필요한 열의 83%를 제공하고, 이 중 28%는 염산/광물 실리케이트 반응으로부터의 열이고, 55%는 염산의 축합 및 형성으로부터의 열이며, 마지막으로 제4 챔버는 전체 열의 8.0%인 나머지 열의 외부 공급원으로서 천연 가스를 사용한다. CO₂는 결합된 사이클 천연 가스 발전소로부터의 것이므로, 분해 반응을 가동시키기 위해 발전소로부터 열을 거의 이용할 수 없다.
도 33 - 2개 챔버 분해. 이 도면은 아스펜 플러스 공정 소프트웨어를 사용하는 공정 모의실험으로부터의 파라미터들 및 결과들을 제공하는 공정 순서도를 도시한 것이다. 이 양태에서는, 광물 용해 반응기로부터의 열(챔버 1), 및 외부 천연 가스(챔버 2)를 열원으로서 사용한다. 상기 공정 순서도는 Mg(OH)Cl로 분해시키기 위한 2개 챔버 공정을 예시하며, 광물 용해 반응기로부터 회수되는 열에 의존하는 제1 챔버는 분해에 필요한 열의 87%를 제공하고, 이 중 28%는 염산/광물 실리케이트 반응으로부터의 열이며, 59%는 염산의 축합 및 형성으로부터의 열이고, 제2 챔버는 전체 열의 13%인 나머지 열의 외부 공급원으로서 천연 가스를 사용한다. CO₂는 결합된 사이클 천연 가스 발전소로부터의 것이므로, 분해 반응을 가동시키기 위해 발전소로부터 열을 거의 이용할 수 없다.
도 34 - 2개 챔버 분해. 이 도면은 아스펜 플러스 공정 소프트웨어를 사용하는 공정 모의실험으로부터의 파라미터들 및 결과들을 제공하는 공정 순서도를 도시한 것이다. 이 양태에서는, 광물 용해 반응기로부터의 열(챔버 1), 및 개방 사이클 천연 가스 발전소로부터의 고온 연도 가스(챔버 2)를 열원으로서 사용한다. 상기 공정 순서도는 Mg(OH)Cl로 분해시키기 위한 2개 챔버 공정을 예시하며, 광물 용해 반응기로부터 회수되는 열에 의존하는 제1 챔버는 분해에 필요한 열의 87%를 제공하고, 이 중 28%는 염산/광물 실리케이트 반응으로부터의 열이며, 59%는 염산의 축합 및 형성으로부터의 열이고, 제2 챔버는 전체 열의 13%인 나머지 열의 외부 공급원으로서 고온 연도 가스를 사용한다. CO₂는 개방된 사이클 천연 가스 발전소로부터의 것이므로, 분해 반응을 가동시키기 위해 600℃ 연도 가스 형태로 발전소로부터 상당한 열을 이용할 수 있다.
도 35는 MgCl₂ㆍ6H₂O의 M(OH)Cl 또는 MgO로의 분해를 포함하는 염 분해 반응에 사용될 수 있는 오거 반응기(Auger reactor)의 개략도를 도시한 것이다. 이러한 반응기들은 효율적인 열 사용을 위한 내부 가열, 효율적인 열 사용을 위한 외부 절연, (고체가 존재하는 경우) 적절한 고체 수송을 위한 스크류 메커니즘, HCl 제거를 위한 적절한 배출구를 포함할 수 있다. 이러한 반응기들을 사용하여 약 1.8㎏의 약 90% Mg(OH)Cl을 제조한다.
도 36은 오거 반응기를 사용하여 Mg(OH)Cl을 제조하는 2개의 개별 실행들에 대한 최적화 지수를 나타낸 것이다. 최적화 지수 = 전환률(%) x 효율(%).
도 37은 CaSiO₃-Mg(OH)Cl 공정을 모의실험하는 아스펜 모델의 공정 순서도를 도시한 것이다.
도 38a 내지 38i는 아스펜 플러스 공정 소프트웨어를 사용하는 공정 모의실험으로부터의 파라미터들 및 결과들을 제공하는 공정 순서도를 도시한 것이다. 상기 알짜 반응은 저렴한 원료들인 CaSiO₃, CO₂ 및 물을 사용하여 연도 가스로부터 CO₂를 포획하여 SiO₂ 및 CaCO₃을 형성하는 것이다. 열을 사용하여 MgCl₂ㆍ6H₂O의 분해를 수행하여 Mg(OH)Cl을 형성한다. 상기 Mg(OH)Cl은 이후에 H₂O와 반응하여 MgCl₂ 및 Mg(OH)₂를 형성한다. H₂O의 양은 고체 Mg(OH)₂ 및 수성 MgCl₂(상기 수성 MgCl₂는 상기 제1 반응기로 재순환되어 공정을 다시 시작한다)의 형성에 유리하도록 조절된다_. 상기 Mg(OH)₂를 이후에 CaCl₂/H₂O 포화 용액 및 상기 연도 가스로부터의 CO₂와 반응시켜 CaCO₃을 형성하고, 이를 상기 스트림으로부터 여과시킨다. 형성된 최종 MgCl₂를 상기 제1 반응기로 재순환시켜 상기 공정을 다시 시작한다. 도 38a는 상기 공정의 개략도이다. 도 38b 내지 38i는 도 38a에 도시된 개략도의 중첩되는 확대도들이다.
도 39a 내지 39i는 아스펜 플러스 공정 소프트웨어를 사용하는 공정 모의실험으로부터의 파라미터들 및 결과들을 제공하는 공정 순서도를 도시한 것이다. 상기 알짜 반응은 저렴한 원료들인 CaSiO₃, CO₂ 및 물을 사용하여 연도 가스로부터 CO₂를 포획하여 SiO₂ 및 CaCO₃을 형성하는 것이다. 열을 사용하여 MgCl₂ㆍ6H₂O의 분해를 수행하여 Mg(OH)Cl을 형성한다. 상기 Mg(OH)Cl은 이후에 H₂O와 반응하여 MgCl₂ 및 Mg(OH)₂를 형성한다. H₂O의 양은 고체 Mg(OH)₂ 및 수성 MgCl₂(상기 수성 MgCl₂는 제1 반응기로 재순환되어 상기 공정을 다시 시작한다)의 형성에 유리하도록 조절된다_. 상기 Mg(OH)₂를 이후에 CaCl₂/H₂O 포화 용액 및 상기 연도 가스로부터의 CO₂와 반응시켜 CaCO₃을 형성하고, 이를 상기 스트림으로부터 여과시킨다. 형성된 최종 MgCl₂는 제1 반응기로 재순환되어 상기 공정을 다시 시작한다. 도 39a는 상기 공정의 개략도이다. 도 39b 내지 39i는 도 39a에 도시된 개략도의 중첩되는 확대도들이다.

예시적 양태의 설명

본 발명은, 2족 클로라이드를 2족 하이드록사이드 및 염화수소로 전환시킨 다음 이들을 사용하여 폐기물 스트림으로부터 이산화탄소를 제거하는 에너지-효율적인 공정들을 포함하는, 이산화탄소 격리에 관한 것이다. 몇몇 양태에서, 염화수소를 2족 실리케이트와 추가로 반응시켜 추가의 2족 클로라이드 출발 물질들 및 실리카를 생성할 수 있다.

몇몇 양태에서, 본 발명의 방법 및 장치는 다음의 일반적 구성요소들 중의 하나 이상을 포함한다: (1) 염화수소에 의한 2족 실리케이트 광물의 2족 클로라이드 및 이산화규소로의 전환, (2) 2족 클로라이드의, 2족 하이드록사이드 및 염화수소로의 전환, (3) 기체상 CO₂를, 2족 하이드록사이드를 포함하는 수성의 가성 혼합물에 흡수시켜, 2족 카보네이트 및/또는 바이카보네이트 생성물과 물을 형성하는 수성 탈탄산화, (4) 상기 카보네이트 및/또는 바이카보네이트 생성물을 상기 액체 혼합물로부터 분리시키는 분리 공정, (5) 상기 하나 이상의 단계들 또는 공정 스트림들로부터의 에너지를 포함한 부산물들을 또 다른 하나 이상의 단계들 또는 공정 스트림들에 재사용하거나 순환시킴. 이러한 일반적 구성요소들 각각은 아래에서 추가로 상세히 설명한다.

본 발명의 다수의 양태들은 연도 가스 스트림들로부터 CO₂ 및 기타 화학물질들의 흡수를 달성하고 본 명세서에 기술된 본 발명의 양태들의 기타 목적을 달성하기 위해 약간의 에너지를 소비하지만, 본 발명의 특정 양태들의 하나의 이점은, 이들이, 제공된 공급원, 예를 들면, 발전소로부터 방출된 CO₂의 대부분 또는 전부를 흡수하면서도 선행 기술의 것들에 비해 우수한 생태학적 효율을 제공한다는 것이다.

본 발명을 기타 CO₂-제거 공정들과 차별화하는 본 발명의 특정 양태들의 또 다른 추가의 이점은, 몇몇 시장 조건에서, 상기 제품들은 요구되는 반응물들 또는 순-전력(net-power) 또는 발전소-감가 상각비(plant-depreciation cost)에 비해 훨씬 더 가치가 있다는 것이다. 환언하면, 특정 양태들은 CO₂ 및 부수적인 오염물질의 상당한 제거를 달성하면서도 유익하게는 클로로-하이드로-카보네이트 생성물을 생성하는 산업적 방법들이다.

I. 정의

본 명세서에 사용된 용어 "카보네이트" 또는 "카보네이트 생성물"은 일반적으로는 카보네이트 그룹 [CO₃]^2-를 함유하는 광물 성분으로서 정의된다. 따라서, 상기 용어는 카보네이트/바이카보네이트 혼합물 및 카보네이트 이온만을 함유하는 화학종을 둘 다 포함한다. 용어 "바이카보네이트" 및 "바이카보네이트 생성물"은 일반적으로는 바이카보네이트 그룹 [HCO₃]^1-를 함유하는 광물 성분으로서 정의된다. 따라서, 상기 용어는 카보네이트/바이카보네이트 혼합물 및 바이카보네이트 이온만을 함유하는 화학종을 둘 다 포함한다.

본 명세서에 사용된 "Ca/Mg"는 Ca 단독, Mg 단독 또는 Ca와 Mg 둘 다의 혼합물을 의미한다. Ca 대 Mg의 비는 0:100 내지 100:0의 범위일 수 있으며, 예를 들면, 1:99, 5:95, 10:90, 20:80, 30:70, 40:60, 50:50, 60:40, 70:30, 80:20, 90:10, 95:5 및 99:1을 포함한다. 기호 "Ca/Mg", "MgxCa(1-x)" 및 CaxMg(1-x)"는 동의어들이다. 이에 반해, "CaMg" 또는 "MgCa"는 이들 2개의 이온들의 1:1 비를 의미한다.

본 명세서에 사용된 용어 "생태학적 효율"은 용어 "열역학적 효율"과 동의어로서 사용되며, 소비된 에너지당, 본 발명의 특정 양태에 의해 격리된 CO₂의 양(수학식 "∂CO₂/∂E"로서 나타냄)으로 정의되고, 상기 값의 적절한 단위는 kWh/ton CO₂이다. CO₂ 격리는 전체 발전소 CO₂의 퍼센트 단위로 표시되며; 에너지 소비량은 마찬가지로 전체 발전소 전력 소비량 단위로 표시된다.

용어 "II족" 및 "2족"은 상호교환적으로 사용된다.

"육수화물"은 MgCl₂ㆍ6H₂O를 의미한다.

본 발명의 몇몇 양태를 사용하는 바이카보네이트 및 카보네이트의 형성에서, 용어 "이온 비(ion ratio)"는 해당 생성물에 존재하는 양이온들을 상기 생성물에 존재하는 탄소의 갯수로 나눈 비를 의미한다. 따라서, 중탄산칼슘(Ca(HCO₃)₂)의 형성된 생성물 스트림은 0.5의 "이온 비"(Ca/C)를 갖는 것으로 언급될 수 있는 반면, 순수한 탄산칼슘(CaCO₃)의 형성된 생성물 스트림은 1.0의 "이온 비"(Ca/C)를 갖는 것으로 언급될 수 있다. 확장하여, 1가, 2가 및 3가 양이온들의 카보네이트와 바이카보네이트와의 연속적 혼합물들의 무한 수는 0.5 내지 3.0의 가변적인 이온 비를 갖는 것으로 언급될 수 있다.

상기 맥락에 기초하여, 약어 "MW"는 분자량 또는 메가와트를 의미한다.

약어 "PFD"는 공정 순서도이다.

약어 "Q"는 열(또는 히트 듀티(heat duty))이고, 열은 에너지의 타입이다. 이는 임의의 기타 타입의 에너지를 포함하지 않는다.

본 명세서에 사용된 용어 "격리(sequestration)"는 일반적으로는 지점 배출원으로부터 CO₂를 제거하고 상기 CO₂가 대기로 반환되지 않도록 CO₂를 몇몇 형태로 저장하는 것이 부분 또는 전체적 실행인 기술 또는 실시를 의미하는 데 사용된다. 상기 용어의 사용은 기재된 양태들의 임의의 형태가 "격리" 기술로 간주되는 것을 배제하지 않는다.

화학식의 맥락에서, 약어 "W"는 H₂O를 의미한다.

휘석은 다수의 화성암 및 변성암에서 발견되는 실리케이트 광물들의 그룹이다. 이들은 실리카 사면체의 단일 쇄들로 이루어진 공통의 구조를 공유하며, 이들은 단사정계 및 사방정계로 결정화한다. 휘석은 화학식 XY(Si,Al)₂0₆을 갖고, 여기서 X는 칼슘, 나트륨, 철(II) 및 망간, 및 더 드물게는, 아연, 망간 및 리튬을 나타내고, Y는 더 작은 크기의 이온들, 예를 들면, 크롬, 알루미늄, 철(III), 마그네슘, 망간, 스칸듐, 티타늄, 바나듐 및 심지어 철(II)을 나타낸다.

또한, 본 발명의 화합물들을 구성하는 원자들은 이러한 원자들의 모든 동위원소 형태들을 포함하는 것으로 의도된다. 본 명세서에서 사용된 동위원소들은 동일 원자번호를 갖지만 상이한 질량수를 갖는 원자들을 포함한다. 일반적인 비제한적 예로서, 수소의 동위원소들에는 삼중수소 및 이중수소가 포함되고, 탄소의 동위원소들에는 ¹³C 및 ¹⁴C가 포함된다.

특허청구범위 및/또는 명세서에서 "포함하는"이란 용어와 함께 사용되는 경우, 단어 "a" 또는 "an"의 사용은 "하나"를 의미할 수 있지만, 이는 또한 "하나 이상", "적어도 하나" 및 "하나 또는 하나 이상"의 의미와 일치한다.

본 명세서 전반에 걸쳐, 용어 "약"은, 값이 상기 값을 측정하는데 사용되는 장치와 방법, 또는 연구 주제들 간에 존재하는 변동에 대한 오차의 고유 변동을 포함한다는 것을 나타내는 데 사용된다.

용어 "포함한다", "갖는다" 및 "함유한다"는 확장 가능한 연결 동사들이다. 또한 이러한 동사들 중의 하나 이상의 임의의 형태 또는 시제, 예를 들면, "포함한다", "포함하는", "갖는다" 및 "갖는", "함유한다" 및 "함유하는"도 확장 가능하다. 예를 들면, 하나 이상의 단계들을 "포함하는", "갖는" 또는 "함유하는" 임의의 방법은 이들 하나 이상의 단계들만을 보유하는 방법에 한정되지 않으며, 다른 열거되지 않은 단계들도 커버한다.

용어 "효과적인"은, 명세서 및/또는 특허청구범위에 사용될 때, 목적하거나 예상하거나 의도한 결과를 달성하기에 적당함을 의미한다.

상기한 정의들은 인용에 의해 본 명세서에 포함된 임의의 참조문헌에서 임의의 모순되는 정의를 대체한다. 그러나, 특정 용어들이 정의되어 있다는 사실이, 정의되지 않은 임의의 용어는 불명확하다는 것을 나타내는 것으로 간주되어서는 안된다. 오히려, 사용된 모든 용어들은 당업자가 본 발명의 범위를 이해하고 실시할 수 있도록 본 발명을 기술하는 것으로 사료된다.

II. II족 금속의 염을 사용하는 이산화탄소의 격리

도 1은 본 발명의 장치 및 방법의 일반적인 예시적 양태를 설명하는 단순화된 공정 순서도를 나타낸다. 상기 순서도는 단지 예시 목적으로 제공되며, 따라서 이는 단순히 본 발명의 특정 양태를 나타내고, 어떤 식으로든 특허청구범위를 한정하는 것으로 의도되지 않는다.

도 1에 나타낸 양태에서, 반응기(10)(예를 들면, 도로 염 비등기)는 외부 전력 및/또는 재포획된 전력(recaptured power)과 같은 전력(예를 들면, 고온 연도 가스, 또는 태양광 집속기 또는 연소기와 같은 외부 열원으로부터의 열)을 사용하여, 반응식 1에 나타낸 반응을 가동시킨다.

반응식 1

(Ca/Mg)Cl₂ + 2H₂O → (Ca/Mg)(OH)₂ + 2HCl

상기 반응에 사용된 물은 액체, 스팀, 결정질 수화물, 예를 들면, MgCl₂ㆍ6H₂O, CaCl₂ㆍ2H₂O 형태일 수 있거나, 이는 초임계적일 수 있다. 몇몇 양태에서, 상기 반응은 MgCl₂를 사용하여 Mg(OH)₂ 및/또는 Mg(OH)Cl를 형성한다(예를 들면, 도 2 참조). 몇몇 양태에서, 상기 반응은 CaCl₂를 사용하여 Ca(OH)₂를 형성한다. 반응식 1로부터의 2족 하이드록사이드 또는 하이드록시클로라이드(나타내지 않음)의 일부 또는 전부는 반응기(20)에 전달될 수 있다. 몇몇 양태에서, 상기 2족 하이드록사이드 및/또는 2족 하이드록시클로라이드의 일부 또는 전부는 수용액으로서 반응기(20)에 전달된다. 몇몇 양태에서, 상기 2족 하이드록사이의 일부 또는 전부는 수성 현탁액으로 반응기(20)에 전달된다. 몇몇 양태에서, 상기 2족 하이드록사이드의 일부 또는 전부는 고체로서 반응기(20)에 전달된다. 몇몇 양태에서, 상기 염화수소(예를 들면, 증기 형태 또는 염산 형태)의 일부 또는 전부는 반응기(30)(예를 들면, 암석 융해기(melter))에 전달될 수 있다. 몇몇 양태에서, 생성되는 2족 하이드록사이드를 추가로 가열하여 물을 제거하고, 상응하는 2족 옥사이드를 형성한다. 몇몇 변형태에서, 이들 2족 옥사이드의 일부 또는 전부는 반응기(20)에 전달될 수 있다.

공급원, 예를 들면, 연도 가스로부터의 이산화탄소는, 잠재적으로는 초기에 폐열(waste heat)을 폐열/DC 발생 시스템으로 교환한 후, 반응기(20)(예를 들면, 유동층 반응기, 분무-탑 탈탄산화기(decarbonator) 또는 탈탄산화 버블러)에서 공정에 도입된다. 몇몇 양태에서, 상기 연도 가스의 온도는 적어도 125℃이다. 반응기(10)으로부터 일부 또는 전부가 얻어질 수 있는 상기 2족 하이드록사이드는 반응식 2로 나타내는 반응에 따라 반응기(20)에서 이산화탄소와 반응한다.

반응식 2

(Ca/Mg)(OH)₂ + CO₂ → (Ca/Mg)CO₃ + H₂O

상기 반응으로부터 생성된 물은 반응기(10)로 다시 전달될 수 있다. 상기 2족 카보네이트는 통상적으로 상기 반응 혼합물로부터 분리된다. 2족 카보네이트는 매우 낮은 K_sp(용해도곱 상수)를 갖는다. 따라서, 이들은 용액으로 유지될 수 있는 가용성이 더 큰 다른 화합물들로부터 고체로서 분리된다. 몇몇 양태에서, 상기 반응은 2족 바이카보네이트 염을 통해 진행된다. 몇몇 양태에서, 2족 바이카보네이트 염을 생성한 다음, 이를 임의로 반응 혼합물로부터 분리한다. 몇몇 양태에서, 2족 옥사이드를, 임의로 상기 2족 하이드록사이드와 함께 또는 이들과 별도로, 이산화탄소와 반응시켜 또한 2족 카보네이트 염을 형성한다. 몇몇 양태에서, CO₂ 및/또는 기타 오염물질들이 제거된 연도 가스가 공기로 방출된다.

2족 실리케이트(예를 들면, CaSiO₃, MgSiO₃, MgOㆍFeOㆍSiO₂ 등)는 반응기(30)(예를 들면, 암석 융해기 또는 광물 용해 반응기)에서 상기 공정에 도입된다. 몇몇 양태에서, 이러한 2족 실리케이트는 선행 단계에서 분쇄된다. 몇몇 양태에서, 상기 2족 실리케이트는 이노실리케이트이다. 이러한 광물들은 기체로서의 또는 염산 형태의 염산(상기 염산 중의 일부 또는 전부는 반응기(10)로부터 얻어질 수 있다)과 반응하여, 상응하는 2족 금속 클로라이드(CaCl₂ 및/또는 MgCl₂), 물 및 모래(SiO₂)를 형성할 수 있다. 상기 반응은 반응식 3으로 나타낼 수 있다.

반응식 3

2HCl + (Ca/Mg)SiO₃ → (Ca/Mg)Cl₂ + H₂O + SiO₂

상기 반응으로부터 생성된 물의 일부 또는 전부는 반응기(10)에 전달될 수 있다. 반응식 3으로부터의 2족 클로라이드의 일부 또는 전부는 반응기(20)에 전달될 수 있다. 몇몇 양태에서, 상기 2족 클로라이드의 일부 또는 전부는 수용액으로서 반응기(20)에 전달된다. 몇몇 양태에서, 상기 2족 클로라이드의 일부 또는 전부는 수성 현탁액으로서 반응기(20)에 전달된다. 몇몇 양태에서, 상기 2족 클로라이드의 일부 또는 전부는 고체로서 반응기(20)에 전달된다.

반응식 1 내지 3 전체를 집약한 알짜 반응은 본 명세서에서 반응식 4로서 나타낸다:

반응식 4

CO₂ + (Ca/Mg)SiO₃ → (Ca/Mg)CO₃ + SiO₂

또 다른 양태에서, 생성된 Mg_xCa_(1-x)CO₃ 봉쇄제(sequestrant)는 CO₂를 재생시키고 농축시키는 방식으로 HCl과 반응한다. 이렇게 하여 형성된 Ca/MgCl₂는 분해 반응기로 반송되어 CO₂ 흡수 하이드록사이드 또는 하이드록시할라이드를 생성한다.

도 1에 나타내고 본 명세서에 기술된 공정을 통해, 2족 카보네이트는 포획된 CO₂로부터 종점-봉쇄제 물질(end-sequestrant material)로서 생성된다. 상기 물, 염화수소 및/또는 반응 에너지의 일부 또는 전부는 순환될 수 있다. 몇몇 양태에서는, 이들 중 일부만 순환되거나, 전혀 순환되지 않는다. 몇몇 양태에서, 상기 물, 염화수소 및 반응 에너지는 다른 목적을 위해 사용된다.

몇몇 양태에서, 그리고 제공된 발전소의 연도 가스 스트림 중의 CO₂의 농도에 따라, 본 명세서에 기술된 방법들을 사용하여 구동기(driver)로서 열만을 사용하여 상기 발전소의 CO₂의 33 내지 66%를 포획할 수 있다(전기 손실(electrical penalty)이 없음). 몇몇 양태에서, 본 명세서에 기술된 방법들의 효율은 CO₂-농도가 낮을수록 개선되며, (스크러빙(scrubbing)되지 않은) 연도 가스 온도가 높을수록 증가한다. 예를 들면, 320℃ 및 7% CO₂ 농도에서, 연도 가스 CO₂의 33%는 폐열 단독으로부터 광물화될 수 있다. 다른 양태에서, 예를 들면, 천연 가스 터빈의 출구 온도에서 대략 100% 광물화가 달성될 수 있다.

이러한 방법 및 장치는, 당업자에 의해 적용되는 바와 같은 화학, 화학 공학 및/또는 재료 과학의 원리 및 기술을 사용하여, 예를 들면, 모듈식 구성요소(modular component)로 추가로 변형되고 최적화되고 확대될 수 있다. 이러한 원리 및 기술은, 예를 들면, 미국 특허 제7,727,374호, 미국 특허원 공보 제2006/0185985호 및 제2009/0127127호, 2005년 9월 22일자로 출원된 미국 특허원 제11/233,509호, 2005년 9월 20일자로 출원된 미국 가특허원 제60/718,906호; 2005년 1월 10일자로 출원된 미국 가특허원 제60/642,698호; 2004년 9월 23일자로 출원된 미국 가특허원 제60/612,355호, 2008년 9월 22일자로 출원된 미국 특허원 제12/235,482호, 2007년 9월 20일자로 출원된 미국 가출원 제60/973,948호, 2008년 2월 29일자로 출원된 미국 가출원 제61/032,802호, 2008년 3월 3일자로 출원된 미국 가출원 제61/033,298호, 2010년 1월 20일자로 출원된 미국 가출원 제61/288,242호, 2010년 7월 8일자로 출원된 미국 가출원 제61/362,607호, 및 2008년 9월 19일자로 출원된 국제 출원 제PCT/US08/77122호에 교시되어 있다. 상기 참조 문헌들 각각의 전문(임의의 부록을 포함함)은 명확하게 인용에 의해 본 명세서에 포함된다.

상기 예들은 본 발명의 특정 양태들을 입증하기 위해 포함되었다. 그러나, 당업자들은 본 명세서에 비추어 기술된 특정 양태들에서 다수의 변화가 수행될 수 있으며, 본 발명의 취지 및 범위로부터 벗어나지 않으면서 동일하거나 유사한 결과를 얻을 수 있다는 것을 이해할 것이다.

III. 촉매로서 Mg ²⁺ 를 사용하는 이산화탄소의 격리

도 2는 본 발명의 장치 및 방법의 일반적인 예시적 양태들을 설명하는 단순화된 공정 순서도를 나타낸다. 상기 순서도는 단지 예시 목적으로 제공되며, 따라서 이는 단지 본 발명의 특정 양태들을 나타내고, 어떤 식으로든 특허청구범위를 한정하는 것으로 의도되지 않는다.

도 2에 나타낸 양태에서, 반응기(100)는 외부 전력 및/또는 재포획된 전력과 같은 전력(예를 들면, 고온 연도 가스로부터의 열)을 사용하여, 반응식 5에 나타낸 분해-타입 반응을 가동시킨다.

반응식 5

MgCl₂ㆍx(H₂O) + yH₂O →

z'[Mg(OH)₂] + z"[MgO] + z"'[MgCl(OH)] + (2z' + 2z" + z"')[HCl]

상기 반응에 사용된 물은 염화마그네슘의 수화물, 액체, 스팀 형태로 존재할 수 있고/있거나 이는 초임계적일 수 있다. 몇몇 양태에서, 상기 반응은 1개, 2개, 3개 또는 그 이상의 반응기에서 수행될 수 있다. 몇몇 양태에서, 상기 반응은 연속 공정의 배치식, 반배치식으로 수행될 수 있다. 몇몇 양태에서, 상기 마그네슘 염 생성물의 일부 또는 전부는 반응기(200)에 전달될 수 있다. 몇몇 양태에서, 상기 마그네슘 염 생성물의 일부 또는 전부는 수용액으로서 반응기(200)에 전달된다. 몇몇 양태에서, 상기 마그네슘 염 생성물의 일부 또는 전부는 수성 현탁액으로서 반응기(200)에 전달된다. 몇몇 양태에서, 상기 마그네슘 염 생성물의 일부 또는 전부는 고체로서 반응기(200)에 전달된다. 몇몇 양태에서, 염화수소(예를 들면, 증기 형태 또는 염산 형태)의 일부 또는 전부는 반응기(300)(예를 들면, 암석 융해기)에 전달될 수 있다. 몇몇 양태에서, 상기 Mg(OH)₂를 추가로 가열하여 물을 제거하고 MgO를 형성한다. 몇몇 양태에서, 상기 MgCl(OH)를 추가로 가열하여 HCl을 제거하고 MgO를 형성한다. 몇몇 변형태에서, Mg(OH)₂, MgCl(OH) 및 MgO 중의 하나 이상은 이후에 반응기(200)에 전달될 수 있다.

공급원, 예를 들면, 연도 가스로부터의 이산화탄소는, 잠재적으로는 초기에 폐열을 폐열/DC 생성 시스템으로 교환한 후, 반응기(200)(예를 들면, 유동층 반응기, 분무-탑 탈탄산화기 또는 탈탄산화 버블러)에서 상기 공정에 도입된다. 몇몇 양태에서, 상기 연도 가스의 온도는 적어도 125℃이다. 반응기(100)로부터의 마그네슘 염 생성물 및 CaCl₂(예를 들면, 암석 염)가 이산화탄소와 혼합된다. 상기 이산화탄소는 반응기(200)에서 반응식 6에 나타낸 반응에 따라 상기 마그네슘 염 생성물 및 CaCl₂와 반응한다.

반응식 6

CO₂ + CaCl₂ + z'[Mg(OH)₂] + z"[MgO] + z"'[MgCl(OH)] →

(z' + z" + z"')MgCl₂ + (z' + ½z"')H₂O + CaCO₃

몇몇 양태에서, 상기 반응에서 생성된 물은 반응기(100)로 다시 전달될 수 있다. 상기 탄산칼슘 생성물(예를 들면, 석회석, 방해석)은 통상적으로 (예를 들면, 침전을 통해) 상기 반응 혼합물로부터 분리된다. 몇몇 양태에서, 상기 반응은 탄산마그네슘 및 중탄산마그네슘 염을 통해 진행한다. 몇몇 양태에서, 상기 반응은 중탄산칼슘 염을 통해 진행한다. 몇몇 양태에서, 각종 2족 바이카보네이트 염이 생성되며, 이들은 이후에 임의로 상기 반응 혼합물로부터 분리된다. 몇몇 양태에서, CO₂ 및/또는 기타 오염물질들이 제거된 연도 가스가, 임의로 하나 이상의 추가의 정제 및/또는 처리 단계들 후에, 공기로 방출된다. 몇몇 양태에서, 임의로 수화된, 상기 MgCl₂ 생성물은 반응기(100)로 반송된다. 몇몇 양태에서, 상기 MgCl₂ 생성물은 반응기(100)로 반송되기 전에 하나 이상의 단리, 정제 및/또는 수화 단계들에 적용된다.

규산칼슘(예를 들면, 3CaOㆍSiO₂, Ca₃SiO₅; 2CaOㆍSiO₂, Ca₂SiO₄; 3CaOㆍ2SiO₂, Ca₃Si₂O₇ 및 CaOㆍSiO₂, CaSiO₃)은 반응기(300)(예를 들면, 암석 융해기)에서 상기 공정에 도입된다. 몇몇 양태에서, 이들 2족 실리케이트는 선행 단계에서 분쇄된다. 몇몇 양태에서, 상기 2족 실리케이트는 이노실리케이트이다. 도 2의 양태에서, 상기 이노실리케이트는 CaSiO₃이다(예를 들면, 몇몇 양태에서, 이는 그 자체로 소량의 철, 마그네슘 및/또는 망간을 함유하여 철을 대체할 수 있는 규회석이다). 상기 CaSiO₃은 기체 또는 염산 형태의 염화수소(상기 염화수소의 일부 또는 전부는 반응기(100)로부터 얻어질 수 있다)과 반응하여, CaCl₂, 물 및 모래(SiO₂)를 형성할 수 있다. 상기 반응은 반응식 7로 나타낼 수 있다.

반응식 7

2HCl + (Ca/Mg)SiO₃ → (Ca/Mg)Cl₂ + H₂O + SiO₂

상기 반응으로부터 생성된 물의 일부 또는 전부는 반응기(100)에 전달될 수 있다. 반응식 7로부터의 CaCl₂의 일부 또는 전부는 반응기(200)에 전달될 수 있다. 몇몇 양태에서, 상기 CaCl₂의 일부 또는 전부는 수용액으로서 반응기(200)에 전달된다. 몇몇 양태에서, 상기 CaCl₂의 일부 또는 전부는 수성 현탁액으로서 반응기(200)에 전달된다. 몇몇 양태에서, 상기 CaCl₂의 일부 또는 전부는 고체로서 반응기(200)에 전달된다.

반응식 5 내지 7의 전체를 집약한 알짜 반응은 본 명세서에서 반응식 8로 나타난다:

반응식 8

CO₂ + CaSiO₃ → CaCO₃ + SiO₂

도 2에 나타내고 본 명세서에 기술된 공정을 통해, 탄산칼슘은 CO₂ 및 칼슘 이노실리케이트로부터 종점-봉쇄제 물질로서 생성된다. 상기 각종 마그네슘 염, 물, 염화수소 및 반응 에너지의 일부 또는 전부가 순환될 수 있다. 몇몇 양태에서는, 이들 중 일부만 순환되거나, 전혀 순환되지 않는다. 몇몇 양태에서, 상기 물, 염화수소 및 반응 에너지는 다른 목적을 위해 사용된다.

이러한 방법 및 장치는, 당업자에 의해 적용되는 바와 같은 화학, 화학 공학 및/또는 재료 과학의 원리 및 기술을 사용하여 추가로 변형되고 최적화되고 확대될 수 있다. 이러한 원리 및 기술은, 예를 들면, 미국 특허 제7,727,374호, 미국 특허원 공보 제2006/0185985호 및 제2009/0127127호, 2005년 9월 22일자로 출원된 미국 특허원 제11/233,509호, 2005년 9월 20일자로 출원된 미국 가특허원 제60/718,906호; 2005년 1월 10일자로 출원된 미국 가특허원 제60/642,698호; 2004년 9월 23일자로 출원된 미국 가특허원 제60/612,355호, 2008년 9월 22일자로 출원된 미국 특허원 제12/235,482호, 2007년 9월 20일자로 출원된 미국 가출원 제60/973,948호, 2008년 2월 29일자로 출원된 미국 가출원 제61/032,802호, 2008년 3월 3일자로 출원된 미국 가출원 제61/033,298호, 2010년 1월 20일자로 출원된 미국 가출원 제61/288,242호, 2010년 7월 8일자로 출원된 미국 가출원 제61/362,607호, 및 2008년 9월 19일자로 출원된 국제 출원 제PCT/US08/77122호에 교시되어 있다. 상기 참조 문헌들 각각의 전문(임의의 부록을 포함함)은 명확하게 인용에 의해 본 명세서에 포함된다.

상기 예들은 본 발명의 특정 양태들을 입증하기 위해 포함되었다. 그러나, 당업자들은, 본 명세서에 비추어, 기술된 특정 양태들에서 다수의 변화가 수행될 수 있으며, 본 발명의 취지 및 범위로부터 벗어나지 않으면서 동일하거나 유사한 결과를 얻을 수 있다는 것을 이해할 것이다.

IV . 2족 클로라이드의, 2족 하이드록사이드 또는 II 족 하이드록시 클로라이 드로의 전환

본 명세서에서는, 2족 클로라이드, 예를 들면, CaCl₂ 또는 MgCl₂를 물과 반응시켜 2족 하이드록사이드, 2족 옥사이드 및/또는 2족 하이드록사이드 클로라이드와 같은 혼합 염을 형성하는 공정이 기술된다. 이러한 반응들은 통상적으로 분해라 지칭된다. 몇몇 양태에서, 상기 물은 액체, 스팀, 상기 2족 클로라이드의 수화물 형태일 수 있고/있거나 이는 초임계적일 수 있다. 상기 스팀은 열 교환기로부터 발생할 수 있으며, 이에 의해 거대한 연소 반응으로부터의 열, 즉 천연 가스 및 산소 또는 수소 및 염소가 물의 스트림을 가열한다. 몇몇 양태에서, 스팀은 발전소 또는 공장 폐열의 사용을 통해 생성될 수도 있다. 몇몇 양태에서, 무수의 또는 수화된 클로라이드 염이 또한 가열된다.

Mg²⁺ 및 Ca²⁺의 경우에, 상기 반응들은 각각 반응식 9 및 10으로 나타낼 수 있다:

반응식 9

MgCl₂ + 2H₂O → Mg(OH)₂ + 2HCl(g) △H = 263 kJ/mole^**

반응식 10

CaCl₂ + 2H₂O → Ca(OH)₂ + 2HCl(g) △H = 284 kJ/mole^**

^** 100℃에서 측정됨.

상기 반응들은 흡열적 의미의 에너지이며, 예를 들면, 이러한 반응들이 발생하도록 하기 위해서는 열이 적용되어야 한다. 이러한 에너지는 본 명세서에 기술된 하나 이상의 발열 공정 단계들로부터 발생한 폐열로부터 얻어질 수 있다. 상기 반응들은 다음의 단계들 중의 하나 이상에 따라 발생할 수 있다:

반응식 11

CaCl₂ + (x + y + z) H₂O → Ca²⁺ㆍxH₂O + Cl^-ㆍyH₂O + Cl^-ㆍzH₂O

반응식 12

Ca⁺²ㆍxH₂O + Cl^-ㆍyH₂O + Cl^-ㆍzH₂O →

[Ca²⁺ㆍ(x-1)(H₂O)OH^-]⁺ + Cl^-ㆍ(yH₂O) + Cl^-ㆍ(z-1)H₂O + H₃O⁺

반응식 13

[Ca²⁺ㆍ(x-1)(H₂O)OH^-]⁺ + Cl^-ㆍ(yH₂O) + Cl^-ㆍ(z-1)H₂O + H₃O⁺ →

[Ca²⁺ㆍ(x-1)(H₂O)OH^-]⁺ + Cl^-ㆍ(yH₂O)^- + zH₂O + HCl(g)↑

반응식 14

[Ca²⁺ㆍ(x-1)(H₂O)OH^-]⁺ + Cl^-ㆍ(yH₂O) →

[Ca²⁺ㆍ(x-2)(H₂O)(OH^-)₂] + Cl^-ㆍ(y-1)H₂O + H₃O⁺

반응식 15

[Ca²⁺ㆍ(x-2)(H₂O)(OH^-)₂] + Cl^-ㆍ(y-1)H₂O + H₃O⁺ →

Ca(OH)₂↓ + (x-2)H₂O + yH₂O + HCl↑

CaCl₂ + 2H₂O → Ca(OH)₂ + 2HCl(g)에 대한 반응 엔탈피(△H)는 100℃에서 284kJ/mole이다. 몇몇 변형태에서, 염 MgCl₂ㆍ6H₂O 마그네슘 육수화물이 사용된다. 상기 염의 분자 구조에 물이 도입되어 있기 때문에, 임의의 추가의 스팀 또는 물 없이 직접 가열을 사용하여 분해를 개시할 수 있다. 다음의 반응들을 위한 통상적인 반응 온도가 제시된다:

95 내지 110℃:

반응식 16

MgCl₂ㆍ6H₂O → MgCl₂ㆍ4H₂O + 2H₂O

반응식 17

MgCl₂ㆍ4H₂O → MgCl₂ㆍ2H₂O + 2H₂O

135 내지 180℃:

반응식 18

MgCl₂ㆍ4H₂O → Mg(OH)Cl + HCl + 3H₂O

반응식 19

MgCl₂ㆍ2H₂O → MgCl₂ㆍH₂O + H₂O

185 내지 230℃:

반응식 20

MgCl₂ㆍ2H₂O → Mg(OH)Cl + HCl + H₂O

> 230℃:

반응식 21

MgCl₂ㆍH₂O → MgCl₂ + H₂O

반응식 22

MgCl₂ㆍH₂O → Mg(OH)Cl + HCl

반응식 23

Mg(OH)Cl → MgO + HCl

화학 문헌[참조: Kirk Othmer 4^th ed. Vol. 15 p. 343 1998 John Wiley and Sons]을 참조하기 바라며, 상기 문헌은 인용에 의해 본 명세서에 포함된다. 아래의 실시예 1을 참조하기 바라며, 상기 실시예는 저렴한 원료 CaCl₂를 사용하여 연도 가스로부터 CO₂를 포획하여 CaCO₃을 형성하는 능력을 입증하는 모의실험의 결과들을 제공한다. 또한, 문헌[참조: Energy Requirements and Equilibrium in the dehydration, hydrolysis and decomposition of Magnesium Chloride - K.K. Kelley, Bureau of Mines 1941 and Kinetic Analysis of Thermal Dehydration and Hydrolysis of MgCl₂ㆍ6H₂O by DTA and TG - Y. Kirsh, S. Yariv and S. Shoval - Journal of Thermal Analysis, Vol. 32 (1987)]을 참조하기 바라며, 상기 문헌들은 둘 다 이들의 전문이 인용에 의해 본 명세서에 포함된다.

특정 측면에서, Mg(OH)Cl의 존재하에 MgCl₂와 물의 비율을 조절함으로써 MgCl₂로부터 (Mg(OH)Cl을 통해) Mg(OH)₂를 더욱 효율적으로 발생시킬 수 있다. Mg(OH)₂의 생성을 최적화하기 위해, MgCl₂ㆍ6(H₂O) 수화물의 형성을 방지하면서, Mg(OH)₂ 침전에 유리하도록 상기 챔버 내의 물의 양을 조절한다. 구체적으로는, Mg(OH)Cl 용액 중의 물의 양은 MgCl₂에 대한 물의 몰비가 6 이상, 예를 들면, 약 6 내지 7의 비가 되도록 유지시킨다. 이러한 조건하에 Mg(OH)₂는 사실상 불용성인 반면, 상기 염화마그네슘은 수용액 중에 잔존한다. 예를 들면, 문헌[참조: de Bakker 2011, page 52]을 참조하기 바라며, 상기 문헌의 전체 기재내용은 인용에 의해 본 명세서에 포함된다.

따라서, MgCl₂ㆍ6H₂O 및 Mg(OH)₂의 생성물 혼합물에 도달하기 위해, Mg(OH)Cl을 버블 컬럼으로부터의 것과 같은 수성 MgCl₂ 용액과 반응시킨다. 이러한 반응은 다음과 같을 것이다:

CaCl₂(aq) + CO₂ + Mg(OH)₂ => MgCl₂(aq) + CaCO₃↓ + H₂O

MgCl₂(aq) ~ MgCl₂ㆍ13-16H₂O(액체)

상기 혼합물의 비등 MgCl₂ㆍ13-16H₂O(액체) + △H => MgCl₂ㆍ6H₂O(고체) + 7-9H₂O(기체)↑는 상당한 에너지 사용을 요구할 것이다. 따라서, MgCl₂ㆍ6H₂O보다 더 묽은 용액은 Mg(OH)Cl의 불균등화를 야기할 것이며, MgCl₂.xH₂O(액체)(여기서, x ≥ 12)의 용액도 또한 Mg(OH)Cl의 불균등화를 야기할 수 있을 것이다. 상기 반응식은 다음과 같이 기재된다:

Mg(OH)Cl + ½MgCl₂ㆍ13-16H₂O(액체) => ½Mg(OH)₂ + MgCl₂ㆍ6.5-8H₂O

예를 들면: Mg(OH)Cl + ½MgCl₂ㆍ12H₂O(액체) => ½Mg(OH)₂ + MgCl₂ㆍ6H₂O

상기 MgCl₂(aq)는 물의 제거에 의해 초기 MgCl₂ㆍ6H₂O의 절반으로 재구성되고, 상기 MgCl₂ㆍ6H₂O의 나머지 절반은 물의 첨가에 의해 Mg(OH)Cl의 불균등화로부터 형성된다.

상기 설명된 바와 같이 발생한 Mg(OH)₂를 사용하는 시스템의 일례가 도 38a 내지 38i에 도시되어 있다. 상기 아스펜 다이어그램은 아래이며, 한정된 "물 불균등화기(water disproportionator)" 주위에 적색 사각형을 갖는다. 상기 적색 사각형의 상부에서, Mg(OH)Cl, 스트림 SOLIDS-1이 "DECOMP"로 표시된 분해 반응기를 빠져나온다. 그런 다음 MGOH2로 표시된 모듈에서, Mg(OH)Cl이 흡수 컬럼, 스트림 RECYCLE2로부터의 수성 MgCl₂와 혼합된다. 이들은 슬러리로서 상기 유닛으로부터 스트림 "4"로서 빠져나와 열 교환기를 통과하여 분해 챔버에 열을 전달한다. 상기 스트림은 이후에 "13"으로 명명되며, 이는, 상기 스트림을 스트림 MGCLSLRY(대부분 MgCl₂ㆍ6H₂O)와, 흡수 컬럼으로 가는 Mg(OH)₂인 스트림 SOLIDS-2로 분리시키는 분리 유닛을 통과한다.

V. 2족 카보네이트를 형성하기 위한 2족 하이드록사이드와 CO ₂ 의 반응

본 발명의 또 다른 측면에서, 2족 하이드록사이드, 2족 옥사이드 및/또는 2족 하이드록사이드 클로라이드를 CO₂ 흡수제로서 사용하는, 이산화탄소 공급원의 탈탄산화 장치 및 방법이 제공된다. 몇몇 양태에서, CO₂는 수성의 가성 혼합물 및/또는 용액에 흡수되고, 여기서 이는 하이드록사이드 및/또는 옥사이드 염과 반응하여 카보네이트 및 바이카보네이트 생성물을 형성한다. 수산화나트륨, 수산화칼슘 및 수산화마그네슘은 각종 농도에서 CO₂를 용이하게 흡수하는 것으로 공지되어 있다. 따라서, 본 발명의 양태에서, 2족 하이드록사이드, 2족 옥사이드(예를 들면, CaO 및/또는 MgO) 및/또는 기타 하이드록사이드 및 옥사이드, 예를 들면, 수산화나트륨은 흡수성 시약으로서 사용될 수 있다.

예를 들면, 2족 클로라이드로부터 얻어진 2족 하이드록사이드는 흡착 탑에서 다음의 반응들 중의 하나 또는 둘 다에 기초하여 CO₂와 반응하여 CO₂를 포획하기 위해 사용될 수 있다:

반응식 24

Ca(OH)₂ + CO₂ → CaCO₃ + H₂O

△H = -117.92 kJ/mol^**

△G = -79.91 kJ/mol^**

반응식 25

Mg(OH)₂ + CO₂ → MgCO₃ + H₂O

△H = -58.85 kJ/mol^**

△G = -16.57 kJ/mol^**

^** STP에서 산출됨.

본 발명의 몇몇 양태에서, 대부분 또는 거의 모든 이산화탄소는 이러한 방식으로 반응한다. 몇몇 양태에서, 상기 반응은, 예를 들면, 물의 제거를 통해, 연속 공정 또는 불연속 공정을 통해, 및/또는 바이카보네이트, 카보네이트 또는 이들 타입의 염 둘 다의 혼합물의 침전에 의해, 완료시까지 가동될 수 있다. 아래의 실시예 1을 참조하기 바라며, 상기 실시예는 CaCl₂로부터 유도된 저렴한 원료 Ca(CO)₂를 사용하여 연도 가스로부터 CO₂를 포획하여 CaCO₃을 형성하는 능력을 입증하는 모의실험을 제공한다.

몇몇 양태에서, 초기에 형성된 2족은 카보네이트 음이온을 이동시키기 위해 제2의 2족 하이드록사이드와 염 교환 반응할 수 있다. 예를 들면, 다음과 같다:

반응식 25a

CaCl₂ + MgCO₃ → MgCl₂ + CaCO₃

이러한 방법 및 장치는, 당업자에 의해 적용되는 바와 같은 화학, 화학 공학 및/또는 재료 과학의 원리 및 기술을 사용하여 추가로 변형되고 최적화되고 확대될 수 있다. 이러한 원리 및 기술은, 예를 들면, 미국 특허 제7,727,374호, 2005년 9월 22일자로 출원된 미국 특허원 제11/233,509호, 2005년 9월 20일자로 출원된 미국 가특허원 제60/718,906호; 2005년 1월 10일자로 출원된 미국 가특허원 제60/642,698호; 2004년 9월 23일자로 출원된 미국 가특허원 제60/612,355호, 2008년 9월 22일자로 출원된 미국 특허원 제12/235,482호, 2007년 9월 20일자로 출원된 미국 가출원 제60/973,948호, 2008년 2월 29일자로 출원된 미국 가출원 제61/032,802호, 2008년 3월 3일자로 출원된 미국 가출원 제61/033,298호, 2010년 1월 20일자로 출원된 미국 가출원 제61/288,242호, 2010년 7월 8일자로 출원된 미국 가출원 제61/362,607호, 및 2008년 9월 19일자로 출원된 국제 출원 제PCT/US08/77122호에 교시되어 있다. 상기 참조 문헌들 각각의 전문(임의의 부록을 포함함)은 명확하게 인용에 의해 본 명세서에 포함된다.

VI. 이산화탄소의 격리를 위한 실리케이트 광물

본 발명의 측면에서, 실리케이트 광물을 사용하는 이산화탄소의 격리 방법이 제공된다. 상기 실리케이트 광물은, 지구 외피의 약 90%를 구성하는 암석-형성 광물의 가장 크고 가장 중요한 부류들 중의 하나를 구성한다. 실리케이트 광물은 이들의 실리케이트 그룹의 구조를 기준으로 하여 분류된다. 실리케이트 광물은 모두 규소 및 산소를 함유한다. 본 발명의 몇몇 측면에서, 2족 실리케이트는 이산화탄소의 에너지 효율적인 격리를 달성하는 데 사용될 수 있다.

몇몇 양태에서, 2족 이노실리케이트를 포함하는 조성물이 사용될 수 있다. 이노실리케이트, 또는 쇄 실리케이트는 단일 쇄의 경우 SiO₃을 1:3 비로 또는 이중 쇄의 경우 Si₄O₁₁을 4:11의 비로 갖는 실리케이트 사면체들의 교합 쇄(interlocking chain)를 갖는다.

몇몇 양태에서, 본 명세서에 기술된 방법은 휘석 그룹으로부터의 2족 이노실리케이트를 포함하는 조성물을 사용한다. 예를 들면, 완화휘석(MgSiO₃)이 사용될 수 있다.

몇몇 양태에서, 준휘석(pyroxenoid) 그룹으로부터의 2족 이노실리케이트를 포함하는 조성물이 사용된다. 예를 들면, 규회석(CaSiO₃)이 사용될 수 있다. 몇몇 양태에서, 2족 이노실리케이트의 혼합물을 포함하는 조성물은, 예를 들면, 완화휘석과 규회석과의 혼합물을 사용할 수 있다. 몇몇 양태에서, 혼합된-금속 2족 이노실리케이트를 포함하는 조성물은, 예를 들면, 투휘석(CaMgSi₂0₆)를 사용할 수 있다.

규회석은 일반적으로는 열에 의해 변성된(thermally metamorphosed) 불순한 석회석의 공통 성분으로서 발생한다. 통상적으로, 규회석은 이산화탄소의 손실과 함께 방해석과 실리카와의 다음의 반응(반응식 26)으로부터 생성된다:

반응식 26

CaCO₃ + SiO₂ → CaSiO₃ + CO₂

몇몇 양태에서, 본 발명은 이러한 자연적 공정을 효율적으로 역전시키는 결과를 갖는다. 또한 규회석은 스카른(skarn) 중에서 확산 반응으로 생성될 수 있다. 이는 사암 내의 석회석이 암맥에 의해 변성되는 때에 진행되며, 이는, 칼슘 이온들의 외부 이동 결과로서 사암 내의 규회석의 형성을 초래한다.

몇몇 양태에서, 상기 2족 이소실리케이트 조성물들의 순도는 가변적일 수 있다. 예를 들면, 기술된 공정에 사용된 2족 이노실리케이트 조성물들은 비(non)-2족 금속 이온들을 포함하는 기타 화합물들 또는 광물들을 가변적인 양으로 함유할 수 있다. 예를 들면, 규회석은 그 자체로 소량의 철, 마그네슘 및 망간을 함유하여 칼슘을 대체할 수 있다.

몇몇 양태에서, 감람석 및/또는 사문석을 포함하는 조성물들이 사용될 수 있다. 이러한 광물을 사용하는 CO₂ 광물 격리 방법이 시도되었다. 문헌[참조: Goldberg et al. (2001)]의 기술들은 인용에 의해 본 명세서에 포함된다.

광물 감람석은 화학식 (Mg,Fe)₂SiO₄를 갖는 마그네슘 철 실리케이트이다. 보석 품질에 있어서, 이는 페리도트(peridot)라고 불린다. 감람석은 고철질 및 초염기성 화성암 둘 다에서, 그리고 특정 변성암에서 1차 광물로서 발생한다. Mg-풍부 감람석은 마그네슘이 풍부하고 실리카가 적은 마그마로부터 결정화되는 것으로 공지되어 있다. 결정화될 때, 상기 마그마는 반려암 및 현무암과 같은 고철질 암석을 형성한다. 감람암 및 듀나이트와 같은 초염기성 암석은 마그마의 추출 후에 남는 잔사일 수 있으며, 통상적으로는 부분 용융물의 추출 후에 감람석에서 더 풍부하다. 감람석 및 고압 구조 변형체는 지구 상부 맨틀의 50% 이상을 구성하고, 감람석은 용적으로 지구의 가장 흔한 광물 중의 하나이다. 또한 불순한 백운석, 또는 높은 마그네슘 함량 및 낮은 실리카 함량을 갖는 기타 퇴적암의 변성은 Mg-풍부 감람석 또는 포오스테라이트를 생성한다.

VII. 2족 실리케이트로부터의 2족 클로라이드의 생성

2족 실리케이트, 예를 들면, CaSiO₃, MgSiO₃ 및/또는 본 명세서에 기술된 기타 실리케이트는 기체로서 또는 수성 염산 형태로 염산과 반응하여, 상응하는 2족 금속 클로라이드(CaCl₂ 및/또는 MgCl₂), 물 및 모래를 형성할 수 있다. 몇몇 양태에서, 반응식 1에서 생성된 HCl을 사용하여 반응식 3에서의 MgCl₂ 및/또는 CaCl₂를 재생시킨다. 공정 루프가 이에 의해 생성된다. 아래의 표 1은 단독으로 또는 배합하여 사용될 수 있는 통상의 칼슘/마그네슘 함유 실리케이트 광물의 일부를 나타낸다. 감람석 및 사문석을 HCl과 반응시키는 초기 시험들은 성공적이었다. SiO₂는 침전되는 것으로 관찰되었으며, MgCl₂ 및 CaCl₂를 수집하였다.

VIII. 추가의 양태

몇몇 양태에서, 이산화탄소가 광물 카보네이트로 전환되는 것은 2개의 염에 의해 규정될 수 있다. 제1 염은, 염기(하이드록사이드 및/또는 옥사이드)로 전환될 때까지 가열되어 분해되고 산을, 예를 들면, 기체로서 방출할 수 있는 염이다. 이와 동일한 염기가 이산화탄소와 반응하여 카보네이트, 바이카보네이트 또는 염기성 카보네이트 염을 형성한다.

예를 들면, 몇몇 양태에서, 본 발명은 아래의 표 A 내지 C로부터의 하나 이상의 염을 물과 반응시켜 하이드록사이드, 옥사이드 및/또는 혼합된 하이드록사이드 할라이드를 형성하는 공정을 제공한다. 이러한 반응들은 통상적으로 분해로서 지칭된다. 몇몇 양태에서, 상기 물은 액체, 스팀 및/또는 선택된 염의 수화물 형태로 존재할 수 있다. 상기 스팀은 열 교환기로부터 발생할 수 있고, 이에 의해 거대한 연소 반응으로부터의 열, 즉 천연 가스 및 산소 또는 수소 및 염소가 물의 스트림을 가열한다. 몇몇 양태에서, 스팀은 발전소 또는 공장 폐열의 사용을 통해 생성될 수도 있다. 몇몇 양태에서, 무수의 또는 수화된 할라이드 염이 또한 가열된다.

상기 제1 염의 동일한 카보네이트, 바이카보네이트 또는 염기성 카보네이트를 제2 염과 반응시켜 카보네이트/바이카보네이트 교환을 수행하여, 상기 제2 염의 음이온을 상기 제1 염의 양이온과 합하고, 상기 제2 염의 양이온을 상기 제1 염의 카보네이트/바이카보네이트 이온과 합하여, 최종 카보네이트/바이카보네이트를 형성한다.

몇몇 경우에, 상기 제1 염으로부터 유도된 하이드록사이드를 이산화탄소 및 상기 제2 염과 직접 반응시켜, 상기 제2 염으로부터 유도된(상기 제2 염의 양이온과 합한) 카보네이트/바이카보네이트를 형성한다. 또 다른 경우에, 상기 제1 염으로부터 유도된(상기 제1 염의 양이온과 합한) 카보네이트/바이카보네이트/염기성 카보네이트를 반응기 챔버로부터 제거하고 제2 챔버에 위치시켜 상기 제2 염과 반응시킨다. 도 27은 이러한 2개 염 공정의 양태를 나타낸다.

상기 반응은, 카보네이트/바이카보네이트 제조시 상기 제2 금속의 염이 요망되는 경우, 그리고 이러한 제2 금속이 CO₂ 흡수성 하이드록사이드를 형성하도록 분해될 수 없고, 상기 제2 염의 카보네이트/바이카보네이트 화합물이 불용성인 경우, 즉 이것이 용액으로부터 침전되는 경우, 유리할 수 있다. 이하는, 단독으로 또는 본 명세서에서 논의된 하나 이상의 반응들과의 조합을 포함하여, 조합되어 사용될 수 있는 이러한 반응들의 비제한적인 예들의 목록이다.

염-1의 분해에 대한 예:

2NaI + H₂O → Na₂O + 2HI 및/또는 Na₂O + H₂O → 2NaOH

MgCl₂ㆍ6H₂O → MgO + 5H₂O + 2HCl 및/또는 MgO + H₂O → Mg(OH)₂

탈탄산화의 예:

2NaOH + CO₂ → Na₂CO₃ + H₂O 및/또는 Na₂CO₃ + CO₂ + H₂O → 2NaHCO₃

Mg(OH)₂ + CO₂ → MgCO₃ + H₂O 및/또는 Mg(OH)₂ + 2CO₂ → Mg(HCO₃)₂

염-2와의 카보네이트 교환의 예:

Na₂CO₃ + CaCl₂ → CaCO₃↓ + 2NaCl

Na₂CO₃ + 2AgNO₃ → Ag₂CO₃↓+ 2NaNO₃

Ca(OH)₂ + Na₂CO₃ → CaCO₃↓+ 2NaOH^*

^* 상기 예에서, 카보네이트 Na₂CO₃은 염-2이고, 상기 염은 분해되어 Ca(OH)₂를 형성하며, 즉 CaCl₂는 염-1이다. 이는, 카보네이트 이온이 염-1과 함께 잔류하는 몇몇 선행하는 예들과는 반대이다.

공지된 카보네이트 화합물들에는 H₂CO₃, Li₂CO₃, Na₂CO₃, K₂CO₃, Rb₂CO₃, Cs₂CO₃, BeCO₃, MgCO₃, CaCO₃, MgCO₃, SrCO₃, BaCO₃, MnCO₃, FeCO₃, CoCO₃, CuCO₃, ZnCO₃, Ag₂CO₃, CdCO₃, Al₂(CO₃)₃, Tl₂CO₃, PbCO₃ 및 La₂(CO₃)₃이 포함된다. IA족 원소들은 안정한 바이카보네이트, 예를 들면, LiHCO₃, NaHCO₃, RbHCO₃ 및 CsHCO₃인 것으로 공지되어 있다. IIA족 및 몇몇 기타 원소도 또한 바이카보네이트를 형성할 수 있지만, 몇몇 경우에, 이들은 단지 용액 중에서 안정할 수 있다. 통상적으로, 암석-형성 원소들은 H, C, O, F, Na, Mg, Al, Si, P, S, Cl, K, Ca, Ti, Mg 및 Fe이다. 따라서, CO₂ 흡수성 하이드록사이드 1mol당 최소량의 에너지에 의해 상응하는 하이드록사이드로 열분해될 수 있는 이러한 염들은 잠재적인 염-1 후보물질들로서 간주될 수 있다.

표 A 내지 D에서 산출된 에너지에 기초하여, 여러 염들은 MgCl₂ㆍ6H₂O보다 더 낮은 에너지를 갖는다. 아래의 표 E는 이러한 염들 및 이들의 사용을 통한 MgCl₂ㆍ6H₂O에 대한 손실 감소율을 요약한 것이다.

아래의 염들은 이들 각각의 이용 가능한 MSDS 정보를 통해 분해 반응이 명시된다.

IX . 석회석 생성 및 용도

본 발명의 측면에서, 이산화탄소를 석회석 형태로 격리시키는 방법이 제공된다. 석회석은 주로 광물 방해석(탄산칼슘: CaCO₃)으로 구성된 퇴적암이다. 상기 광물은 다수의 용도를 가지며, 이 중 일부가 아래에서 확인된다.

본 발명의 몇몇 양태에서 형성된 바와 같이, 분말 또는 미분된 형태의 석회석은 산성 토양 상태를 중화시키기 위한 토양 조절제(soil conditioner)(농업용 석회)로서 사용될 수 있으며, 이에 의해, 예를 들면, 생태계에서의 산성비 효과를 상쇄시킬 수 있다. 업스트림 적용에는 탈황 시약으로서의 석회석의 사용을 포함한다.

석회석은 석조 건축에 중요한 석재이다. 이의 이점 중의 하나는 벽돌 또는 이보다 더 정교한 조각물로 절단하는 것이 비교적 용이하다는 것이다. 이는 또한 오래 지속되며 노출에 잘 견딘다. 석회석은 생석회, 모르타르, 시멘트 및 콘크리트의 핵심 성분이다.

탄산칼슘은 또한, 백색 안료 및 저렴한 충전제 둘 다로서, 종이, 플라스틱, 페인트, 타일 및 기타 물질들을 위한 첨가제로서 사용된다. 정제된 형태의 탄산칼슘은 치약에 사용될 수 있으며, 빵 및 곡류에 칼슘 공급원으로서 첨가될 수 있다. 또한 CaCO₃은 제산제로서 의약품에 통상적으로 사용된다.

현재, 산업에 사용되는 탄산칼슘의 대부분은 채굴 또는 채석에 의해 추출된다. 상기 광물을 몇몇 양태에서 이산화탄소 격리의 부분으로서 공동-생성함으로써, 본 발명은 이러한 중요한 생성물의 비-추출 공급원을 제공한다.

X. 탄산마그네슘 생성 및 용도

본 발명의 측면에서, 이산화탄소를 탄산마그네슘 형태로 격리시키는 방법이 제공된다. 탄산마그네슘 MgCO₃은 자연에서 광물로서 존재하는 백색 고체이다. 가장 흔한 탄산마그네슘 형태는 마그네사이트(MgCO₃)라 불리는 무수염 및 각각 베링토나이트(MgCO₃ㆍ2H₂O), 네스퀴호나이트(MgCO₃ㆍ3H₂O) 및 란스포르다이트(MgCO₃ㆍ5H₂O)로서 공지된 이수화물, 삼수화물 및 오수화물이다. 탄산마그네슘은 각종 용도를 가지며, 이 중 일부가 아래에서 간략히 논의된다.

탄산마그네슘은 마그네슘 금속 및 염기성 내화 벽돌을 생산하는 데 사용될 수 있다. MgCO₃은 또한 바닥재, 방화재, 소화성 조성물, 화장품, 산포성 분말 및 치약에 사용된다. 기타 분야는 충전제, 플라스틱의 매연 억제제, 네오프렌 고무의 보강제, 건조제, 완하제 및 식품 색도 유지를 위한 것이다. 또한, 고순도 탄산마그네슘은 제산제로서, 그리고 자유 유동을 유지시키기 위한 식탁용 소금의 첨가제로서 사용된다.

현재, 탄산마그네슘은 통상적으로는 광물 마그네사이트를 채굴함으로써 얻어진다. 상기 광물을 몇몇 양태에서 이산화탄소 격리의 부분으로서 공동-생성함으로써, 본 발명은 이러한 중요한 생성물의 비-추출 공급원을 제공한다.

XI. 이산화규소 생성 및 용도

본 발명의 측면에서, 이산화규소를 부산물로서 생성하는 이산화탄소 격리 방법이 제공된다. 실리카로도 공지된 이산화규소는 화학식 SiO₂를 갖는 규소 산화물이며, 이의 경도가 공지되어 있다. 실리카는 가장 흔하게는 자연에서 모래 또는 석영으로서 발견될 뿐만 아니라 규조류의 세포벽에서도 발견된다. 실리카는 지각에서 가장 풍부한 광물이다. 상기 화합물은 다수의 용도를 가지며, 이 중 일부가 아래에서 간략히 논의된다.

실리카는 창 유리, 유리컵 및 병 음료의 생산에서 주로 사용된다. 또한 통신용 광학 섬유의 대부분이 실리카로부터 제조된다. 이는 토기, 석기 및 자기와 같은 다수의 백자 세라믹 뿐만 아니라 산업용 포틀랜드 시멘트의 주원료이다.

실리카는 식품 생산에서의 통상적인 첨가제이며, 여기서 이는 주로 분말화된 식품에서의 유동제로서, 또는 흡습 용도에서 물을 흡수하기 위해 사용된다. 수화된 형태에서, 실리카는 치석 제거용 경질 연마제로서 치약에 사용된다. 실리카는 여과로부터 방충에 걸쳐 다수의 용도를 갖는 규조토의 주요 성분이다. 이는 또한, 예를 들면, 여과 및 시멘트 제조에 사용되는 쌀겨 재(rice husk ash)의 주요 성분이다.

열 산화법을 통해 실리콘 웨이퍼 위에 성장된 실리카 박막은 마이크로전자공학에서 매우 유리할 수 있으며, 여기서 이들은 높은 화학적 안정성을 갖는 전기 절연제로서 작용한다. 전기 분야에서, 이는 규소를 보호할 수 있고, 전하를 저장할 수 있으며, 전류를 차단할 수 있고, 심지어 전류 유동을 제한하기 위한 제어된 경로로서 작용할 수 있다.

실리카는 통상적으로는 유리, 결정, 겔, 에어로겔, 흄드 실리카 및 콜로이드성 실리카를 포함하는 다수의 형태로 제조된다. 상기 광물을 몇몇 양태에서 이산화탄소 격리의 부분으로서 공동-생성함으로써, 본 발명은 이러한 중요한 생성물의 또 다른 공급원을 제공한다.

XII. 생성물들의 분리

분리 공정은 액체 용액 및/또는 반응 혼합물로부터 카보네이트 및 바이카보네이트 생성물을 분리하는 데 사용될 수 있다. 염기성 농도, 온도, 압력, 반응기 크기, 유체 농도 및 탄산화도를 조작함으로써, 하나 이상의 카보네이트 및/또는 바이카보네이트 염의 침전물을 발생시킬 수 있다. 또는, 유입되는 연도 가스로 열 에너지를 교환함으로써 용액으로부터 카보네이트/바이카보네이트 생성물을 분리할 수 있다.

배출 액체 스트림은, 반응기 설계에 따라, 물, CaCO₃, MgCO₃, Ca(HCO₃)₂, Mg(HCO₃)₂, Ca(OH)₂, Ca(OH)₂, NaOH, NaHCO₃, Na₂CO₃ 및 기타 용해된 가스를 각종 평형상태로 포함할 수 있다. 또한 H₂S0₄, HN0₃ 및 Hg와 같은 용해된 미량의 방출 성분들도 발견될 수 있다. 하나의 양태에서, 카보네이트 생성물로부터 물을 제거/분리하는 단계는, 예를 들면, 재비등기(reboiler)를 사용하여, 열 에너지를 가하여 상기 혼합물로부터 물을 증발시킴을 포함한다. 또는, 부분 염기성 용액을 유지시킨 후에 상기 용액을 분리 챔버에서 가열하는 단계를 사용하여, 비교적 순수한 카보네이트 염을 보유 탱크 내에서 침전시키고, 나머지 하이드록사이드 염을 반응기로 다시 재순환시킬 수 있다. 몇몇 양태에서, 이후에 순수한 카보네이트, 순수한 바이카보네이트 및 이들 둘의 혼합물을 평형 농도에서 및/또는 슬러리 또는 농축된 형태에서 트럭/탱크-차로 주기적으로 수송할 수 있다. 몇몇 양태에서, 상기 액체 스트림들을 증발 탱크/증발 지역으로 이동시켜, 여기서 물과 같은 액체를 증발에 의해 배출시킬 수 있다.

기체상 생성물의 방출은 하이드록사이드 또는 옥사이드 염이 안전하게 방출되는지, 즉 "염기성 비"를 방출하는지에 대한 관심을 포함한다. 이러한 에어로졸화된 가성 염의 방출은 몇몇 양태에서 간단하고 저렴한 응축기/환류 유닛을 사용함으로써 방지될 수 있다.

몇몇 양태에서, 카보네이트 염은 물 제거 공정과 별도로 또는 물 제거 공정과 함께 사용되는 방법들을 사용하여 침전될 수 있다. 각종 카보네이트 염 평형들은 특징적인 범위들을 가지며, 여기서, 온도가 상승할 때, 주어진 카보네이트 염, 예를 들면, CaCO₃은 자연적으로 침전되어 수집될 것이며, 이로 인해 슬러리로서 회수되는 것이 가능해지고, 상기 슬러리 중에서 약간의 NaOH 분획이 빠져나온다.

XIII. 폐열의 회수

본 발명의 특정 양태들은, 발전소에서 발생하는 것들과 같은, 연소 공정들로부터의 연도 가스 또는 기타 고온 가스 형태의 CO₂의 다량 방출과 관련하여 사용되기 때문에, 이러한 '폐'열을, 예를 들면, 2족 클로라이드 염을 2족 하이드록사이드로 전환시키는 데 사용하기 위한 충분한 기회가 존재한다. 예를 들면, (예를 들면, 정전기적 침전 처리 후의) 통상의 유입 연도 가스 온도는 대략 300℃이다. 열 교환기는, 이러한 전환을 촉진시키기 위해 물 및/또는 2족 클로라이드 염을 가온시키면서 상기 연도 가스를 300℃ 미만의 지점으로 강하시킬 수 있다.

일반적으로, 발전소에서 입수가능한 연도 가스는 100℃(통상적으로 스크러빙됨), 300℃(침전 가공 후) 및 900℃(침전 개시) 사이의 온도 또는 기타 이러한 온도들에서 배출되기 때문에, 전력 회수 사이클, 예를 들면, 암모니아-물 사이클(예를 들면, "칼리나(Kalina)" 사이클), 스팀 사이클, 또는 동일한 열역학적 수단을 달성하는 임의의 이러한 사이클을 사용하는 열 교환을 통해 유입 연도 가스를 냉각시킴으로써, 상당한 폐열 가공을 얻어낼 수 있다. 본 발명의 몇몇 양태들은 DC 전력에 의존하여 시약/흡수제의 제조를 달성하기 때문에, 상기 공정은, 기타 용도를 위해 DC 전력을 AC 전력으로 전환시킴과 관련되는 통상의 변압기 손실 없이 달성되는 폐열 회수에 의해, 부분적으로 또는 전체적으로 직접 동력화될 수 있다. 추가로, 폐열로 작동하는 엔진의 사용을 통해, 전기 생성 단계를 전혀 사용하지 않고서 상당한 효율을 달성할 수 있다. 몇몇 조건에서, 이러한 폐열 회수 에너지 양은 본 발명의 양태들을 전적으로 동력화하는 것으로 밝혀질 수 있다.

XIV. 또 다른 공정

상기 언급된 바와 같이, 본 발명의 장치 및 방법의 몇몇 양태들은 각종 반응 단계들로부터 염화수소, 2족 카보네이트 염, 2족 하이드록사이드 염 등을 포함하는 다수의 유용한 중간체들, 부산물들 및 최종 생성물들을 생성한다. 몇몇 양태에서, 이들 중의 일부 또는 전부는 아래에 기술된 방법들 중의 하나 이상에 사용될 수 있다. 몇몇 양태에서, 상기한 단계들 중의 하나 이상에 사용되는 출발 물질들 또는 중간체들 중 하나의 일부 또는 전부는 아래에 개요된 방법들 중의 하나 이상을 사용하여 얻어진다.

A. 2족 실리케이트의 염소화를 위한 염소의 사용

몇몇 양태에서, 상기 염소 기체는 염산으로 액화될 수 있으며, 이는 이후에 2족 실리케이트 광물을 염소화하는 데 사용된다. 염소의 액화 및 후속의 염산 사용은 특히 염소 시장이 포화된 상황에서 특히 매력적이다. 염소의 액화는 반응식 27에 따라 달성될 수 있다:

반응식 27

Cl₂(g) + 2H₂O(l) + hv(363㎚) → 2HCl(l) + ½O₂(g)

몇몇 양태에서, 이렇게 하여 생성된 산소는 발전소 자체의 공기-유입구로 반송될 수 있으며, 여기서, 풍부한 산소-유입 발전소는 산소-증진되지 않은 발전소에 비해 (a) 더 높은 카르노트(Carnot) 효율, (b) 더 농축된 CO₂ 출구 스트림, (c) 유입구 공기를 가온시키기 위한 더 낮은 열-교환 및 (d) 기타 이점들을 갖는 것으로 전력-산업 조사 전반에서 입증되었다. 몇몇 양태에서, 상기 산소는 수소/산소 연료 전지에 사용될 수 있다. 몇몇 양태에서, 상기 산소는, 예를 들면, 수소와 천연 가스의 혼합물을 사용하여, 천연 가스 전력 생성용으로 고안된 터빈에서 산화제의 일부로서 작용할 수 있다.

B. 2족 하이드록사이드의 염소화를 위한 염소의 사용

몇몇 양태에서, 상기 염소 기체를 2족 하이드록사이드 염과 반응시켜 클로라이드 및 하이드로클로라이트 염의 혼합물을 얻을 수 있다(반응식 28). 예를 들면, HCl은 제품으로서 판매될 수 있고, 상기 2족 하이드록사이드 염은 과량의 염소를 제거하는 데 사용될 수 있다.

반응식 28

Ca/Mg(OH)₂ + Cl₂ → ½Ca/Mg(OCl)₂ + ½Ca/MgCl₂ + H₂O

상기 2족 하이드로클로라이트를 이후에 코발트 또는 니켈 촉매를 사용하여 분해시켜 산소 및 상응하는 클로라이드를 형성할 수 있다(반응식 29).

반응식 29

Ca/Mg(OCl)₂ → Ca/MgCl₂ + O₂

상기 염화칼슘 및/또는 염화마그네슘을 이후에 회수할 수 있다.

XV . 공급원으로부터 기타 오염물질의 제거

공급원으로부터 CO₂를 제거하는 것 이외에도, 본 발명의 몇몇 양태에서, 탈탄산화 조건은 또한 SO_x 및 NO_x, 그리고 이보다는 더 적은 정도로, 수은을 제거할 것이다. 본 발명의 몇몇 양태에서, NO_x, SO_x 및 수은 화합물의 부수적인 스크러빙은 더 큰 경제적 중요성을 추정할 수 있으며; 즉, 본 발명의 양태들을 사용함으로써, 이러한 화합물들을 다량으로 함유하는 석탄은, 몇몇 양태에서, CO₂ 흡수 공정의 이점 없이 가공된 더 높은 등급의 석탄들에 비해 오염물질들을 더 적게 생성하면서 발전소에서 연소될 수 있다. 이러한 원리 및 기술은, 예를 들면, 미국 특허 제7,727,374호, 2005년 9월 22일자로 출원된 미국 특허원 제11/233,509호, 2005년 9월 20일자로 출원된 미국 가특허원 제60/718,906호; 2005년 1월 10일자로 출원된 미국 가특허원 제60/642,698호; 2004년 9월 23일자로 출원된 미국 가특허원 제60/612,355호, 2008년 9월 22일자로 출원된 미국 특허원 제12/235,482호, 2007년 9월 20일자로 출원된 미국 가출원 제60/973,948호, 2008년 2월 29일자로 출원된 미국 가출원 제61/032,802호, 2008년 3월 3일자로 출원된 미국 가출원 제61/033,298호, 2010년 1월 20일자로 출원된 미국 가출원 제61/288,242호, 2010년 7월 8일자로 출원된 미국 가출원 제61/362,607호, 및 2008년 9월 19일자로 출원된 국제 출원 제PCT/US08/77122호에 교시되어 있다. 상기 참조 문헌들 각각의 전문(임의의 부록을 포함함)은 명확하게 인용에 의해 본 명세서에 포함된다.

XVI . 실시예

하기 실시예는 본 발명의 몇몇 양태들을 입증하기 위해 포함된다. 하기 실시예에 기재된 기술들은 본 발명의 실행에서 충분히 기능하도록 본 발명자들에 의해 창안된 기술을 나타내며, 따라서 이는 본 발명의 실행을 위한 바람직한 방식을 구성하는 것으로 간주될 수 있다는 것을 당업자들은 이해해야 한다. 그러나, 당업자들은, 본 명세서에 비추어 기술된 특정 양태들에서 다수의 변화가 수행될 수 있으며, 본 발명의 취지 및 범위로부터 벗어나지 않으면서 동일하거나 유사한 결과를 얻을 수 있다는 것을 이해해야 한다.

실시예 1 - CaCl ₂ 를 사용하여 연도 가스로부터 CO ₂ 를 포획하여 CaCO ₃ 을 형성하는 공정 모의실험

본 발명의 하나의 양태는, CaCl₂ 및 열을 사용하여 연도 가스 스트림으로부터 CO₂를 포획하여 CaCO₃ 생성물을 형성하기 위해, 공지된 반응 엔탈피 및 반응 자유 에너지를 사용하며 질량과 에너지 균형 및 적합한 조건들을 결정하기 위한 규정된 파라미터들을 사용하는 아스펜 플러스 v. 7.1 소프트웨어를 사용하여 모의실험하였다. 이들 결과들은, 저렴한 원료들인 CaCl₂ 및 물을 사용하여 연도 가스로부터 CO₂를 포획하여 CaCO₃을 형성할 수 있음을 나타낸다.

상기 규정된 파라미터들의 일부는 도 5에 도시된 공정 순서도를 포함한다. 상기 모의실험의 결과들은, MgCl₂ 스트림을 재순환시켜 H₂O 및 열과 반응시켜 Mg(OH)₂를 형성하는 것이 효율적임을 시사한다. 상기 Mg(OH)₂를 이후에 CaCl₂/H₂O 포화 용액 및 상기 연도 가스로부터의 CO₂와 반응시켜 CaCO₃을 형성하고, 이를 상기 스트림으로부터 여과시킨다. 형성된 최종 MgCl₂를 제1 반응기로 재순환시켜 상기 공정을 다시 시작한다. 이러한 공정은 CaCl₂를 위한 임의의 특정 공급원에 한정되지 않는다. 예를 들면, 이는 규산칼슘을 HCl과 반응시켜 CaCl₂를 수득하여 얻을 수 있다.

상기 모의실험을 위해 명시된 제약사항들 및 파라미터들은 다음을 포함한다:

ㆍ 상기 반응들은 손실 없이 100% 효율로 실행되었다. 상기 모의실험들은, 파일럿 실행이 반응 효율을 결정하는 경우에 변경될 수 있다.

ㆍ 모의실험들은 CaCl₂ 공급 원료에서의 불순물 또는 상기 시스템으로부터의 손실로 인해 요구되는 임의의 보충 MgCl₂에서의 불순물을 고려하지 않았다.

상기 모의실험의 결과들은 대략 130MM Btu/hr의 예비 순 에너지(preliminary net energy) 소비를 나타낸다. 표 2a 및 표 2b는 상기 모의실험 공정의 각종 스트림(표의 세로열)을 설명하는 질량 및 에너지를 제공한다. 각각의 스트림은 도 5의 스트림에 상응한다.

상기 공정은 2개의 주요 반응 섹션들 및 1개의 고체 여과 섹션으로 이루어진다. 제1 반응기는 MgCl₂/물 용액을 가열하여 이를 HCl/H₂O 증기 스트림 및 Mg(OH)₂의 액체 스트림으로 분해시킨다. 상기 HCl/H₂O 증기 스트림은 HCl 흡수제 컬럼으로 운반된다. 상기 Mg(OH)₂ 용액은 추가 가공을 위해 반응기 2로 운반된다. 상기 반응기에 대한 화학 반응은 다음의 반응식 30으로 나타낼 수 있다:

반응식 30

MgCl₂ + 2H₂O → Mg(OH)₂ + 2HCl

CaCl₂ 용액 및 연도 가스 스트림은 반응기 2에서 상기 MgCl₂에 첨가된다. 이러한 반응은 CaCO₃, MgCl₂ 및 물을 형성한다. 상기 CaCO₃은 침전되어, 필터 또는 디캔터에서 제거된다. 나머지 MgCl₂ 및 물은 제1 반응기로 재순환된다. 추가의 물을 첨가하여, 제1 반응기에 의해 요구되는 물 균형을 완결시킨다. 상기 반응기에 대한 화학 반응은 다음의 반응식 31로 나타낼 수 있다:

반응식 31

Mg(OH)₂ + CaCl₂ + CO₂ → CaCO₃(s) + MgCl₂ + H₂O

상기 공정에 대한 주요 공급물들은 CaCl₂, 연도 가스(CO₂) 및 물이다. 상기 시스템에서 MgCl₂는 사용되고 재형성되고 재순환된다. 요구되는 유일한 MgCl₂ 보충은, CaCO₃ 생성물과 함께 시스템을 빠져나오는 소량을, 그리고 HCl/물 생성물과 함께 빠져나오는 소량을 대체하기 위한 것이다.

상기 공정은 순 에너지 사용자(net energy user)이다. 고온 스트림 중의 열을 회수하여 공급물 스트림을 예열하는 교차 열 교환이 존재한다. 이렇게 하여 형성된 농축된 HCl을 실리케이트 광물과 반응시킴으로써 상당한 열 회수가 얻어질 수 있다.

실시예 2 (사례 1) - CaCl ₂ 를 사용하여 연도 가스로부터 CO ₂ 의 마그네슘 이온 촉매된 포획에 의해 CaCO ₃ 을 형성하는 공정 모의실험

상기 모의실험의 결과들은, MgCl₂ㆍ6H₂O 스트림을 각각 자체 챔버에서의 3개의 개별 탈수 반응들에 이어, 또한 자체 챔버에서의 분해 반응에서, 즉 총 4개의 챔버에서 가열하여 Mg(OH)Cl 및 HCl을 형성하는 것이 효율적임을 시사한다. 상기 Mg(OH)Cl을 H₂O와 반응시켜 MgCl₂ 및 Mg(OH)₂를 형성한 다음, 이를 CaCl₂/H₂O 포화 용액 및 상기 연도 가스로부터의 CO₂와 반응시켜 CaCO₃을 형성하고, 이를 상기 스트림으로부터 여과시킨다. 형성된 최종 MgCl₂ㆍ6H₂O는 초기 생성물과 함께 제1 반응기로 재순환되어 상기 공정을 다시 시작한다.

상기 공정은 CaCl₂를 위한 임의의 특정 공급원에 한정되지 않는다. 예를 들면, 이는 규산칼슘을 HCl과 반응시켜 CaCl₂를 수득하여 얻을 수 있다.

ㆍ 모의실험들은 CaCl₂ 공급 원료에서의 불순물, 또는 상기 시스템으로부터의 손실로 인해 요구되는 임의의 보충 MgCl₂에서의 불순물을 고려하지 않았다.

ㆍ 규정된 파라미터들 중 일부는 도 6에 도시된 공정 순서도를 포함한다.

상기 모의실험의 결과들은 5946 kwh/tonne CO₂의 예비 순 에너지 소비를 나타낸다. 표 3은 상기 모의실험 공정의 각종 스트림을 설명하는 질량 및 에너지를 제공한다. 각각의 스트림은 도 6의 스트림에 상응한다.

상기 공정은 2개의 주요 반응기들 및 1개의 고체 여과 섹션으로 이루어진다. 제1 반응기는 MgCl₂ㆍ6H₂O를 가열하여 이를 HCl/H₂O 증기 스트림과 Mg(OH)Cl의 고체 스트림으로 분해시킨다. 상기 HCl/H₂O 증기 스트림은 열 교환기로 운반되어 여분의 열을 회수한다. 상기 Mg(OH)Cl로부터 형성된 Mg(OH)₂는 추가 가공을 위해 반응기 2로 운반된다. 상기 반응기에서 발생하는 화학 반응(들)은 다음을 포함한다:

반응식 32

MgCl₂ㆍ6H₂O + △ → Mg(OH)Cl + 5H₂O↑ + HCl↑

반응식 33

2Mg(OH)Cl(aq) → Mg(OH)₂ + MgCl₂

CaCl₂ 용액 및 연도 가스 스트림은 반응기 2에서 상기 Mg(OH)₂에 첨가된다. 이러한 반응은 CaCO₃, MgCl₂ 및 물을 형성한다. 상기 CaCO₃은 침전되어, 필터 또는 디캔터에서 제거된다. 나머지 MgCl₂ 및 물은 제1 반응기로 재순환된다. 추가의 물을 첨가하여, 제1 반응기에 의해 요구되는 물 균형을 완결시킨다. 상기 반응기에서 발생하는 화학 반응(들)은 다음을 포함한다:

반응식 34

Mg(OH)₂ + CaCl₂ + CO₂ → CaCO₃↓(s) + MgCl₂ + H₂O

상기 공정은 순 에너지 사용자이다. 에너지의 양은 조사 및 최적화 중이다. 고온 스트림 중의 열을 회수하여 공급물 스트림을 예열하는 교차 열 교환이 존재한다.

상기 공정(사례 1)을 위한 단계들이 아래에 요약된다:

실시예 3 - CaCl ₂ 를 사용하여 연도 가스로부터 CO ₂ 의 마그네슘 이온 촉매된 포획에 의해 CaCO ₃ 을 형성하는 공정 모의실험

규정된 파라미터들의 일부는 도 7에 도시된 공정 순서도를 포함한다. 상기 모의실험의 결과들은, MgCl₂ㆍ6H₂O 스트림을 각각 자체 챔버에서의 2개의 개별 탈수 반응들서 가열하여 Mg(OH)Cl을 형성하고, 이어서, 또한 자체 챔버에서의 분해 반응에서, 즉 총 3개의 챔버들에서 가열하여 Mg(OH)Cl 및 HCl을 형성하는 것이 효율적임을 시사한다. 상기 Mg(OH)Cl을 H₂O와 반응시켜 MgCl₂ 및 Mg(OH)₂를 형성한 다음, 이를 CaCl₂/H₂O 포화 용액 및 상기 연도 가스로부터의 CO₂와 반응시켜 CaCO₃을 형성하고, 이를 상기 스트림으로부터 여과시킨다. 형성된 최종 MgCl₂ㆍ6H₂O는 제1 반응기로 재순환되어 상기 공정을 다시 시작한다. 이러한 공정은 CaCl₂를 위한 임의의 특정 공급원에 한정되지 않는다. 예를 들면, 이는 규산칼슘을 HCl과 반응시켜 CaCl₂를 수득하여 얻을 수 있다.

상기 모의실험의 결과들은 4862 kwh/tonne CO₂의 예비 순 에너지 소비를 나타낸다. 표 4는 상기 모의실험 공정의 각종 스트림을 설명하는 질량 및 에너지를 제공한다. 각각의 스트림은 도 7의 스트림에 상응한다.

반응식 35

MgCl₂ㆍ6H₂O + △ → Mg(OH)Cl + 5H₂O↑ + HCl↑

반응식 36

2Mg(OH)Cl(aq) → Mg(OH)₂ + MgCl₂

반응식 37

Mg(OH)₂ + CaCl₂ + CO₂ → CaCO₃↓(s) + MgCl₂ + H₂O

상기 공정(사례 2)을 위한 단계들이 아래에 요약된다:

실시예 4 - CaCl ₂ 를 사용하여 연도 가스로부터 CO ₂ 의 마그네슘 이온 촉매된 포획에 의해 CaCO ₃ 을 형성하는 공정 모의실험

규정된 파라미터들의 일부는 도 8에 도시된 공정 순서도를 포함한다. 상기 모의실험의 결과들은, 단일 챔버에서 MgCl₂ㆍ6H₂O 스트림을 가열하여 MgO를 형성하는 것이 효율적임을 시사한다. 상기 MgO를 H₂O와 반응시켜 Mg(OH)₂를 형성한 다음, 이를 CaCl₂/H₂O 포화 용액 및 상기 연도 가스로부터의 CO₂와 반응시켜 CaCO₃을 형성하고, 이를 상기 스트림으로부터 여과시킨다. 형성된 최종 MgCl₂ㆍ6H₂O는 제1 반응기로 재순환되어 상기 공정을 다시 시작한다. 이러한 공정은 CaCl₂를 위한 임의의 특정 공급원에 한정되지 않는다. 예를 들면, 이는 규산칼슘을 HCl과 반응시켜 CaCl₂를 수득하여 얻을 수 있다.

상기 모의실험의 결과들은 3285 kwh/tonne CO₂의 예비 순 에너지 소비를 나타낸다. 표 5는 상기 모의실험 공정의 각종 스트림을 설명하는 질량 및 에너지를 제공한다. 각각의 스트림은 도 8의 스트림에 상응한다.

상기 공정은 2개의 주요 반응기들 및 1개의 고체 여과 섹션으로 이루어진다. 제1 반응기는 MgCl₂ㆍ6H₂O를 가열하여 이를 HCl/H₂O 증기 스트림과 MgO의 고체 스트림으로 분해시킨다. 상기 HCl/H₂O 증기 스트림은 열 교환기로 운반되어 여분의 열을 회수한다. 상기 MgO로부터 형성된 Mg(OH)₂는 추가 가공을 위해 반응기 2로 운반된다. 상기 반응기에서 발생하는 화학 반응(들)은 다음을 포함한다:

반응식 38

MgCl₂ㆍ6H₂O + △ → MgO + 5H₂O↑ + 2HCl↑

반응식 39

MgO + H₂O → Mg(OH)₂

반응식 40

Mg(OH)₂ + CaCl₂ + CO₂ → CaCO₃↓(s) + MgCl₂ + H₂O

상기 공정(사례 3)을 위한 단계들이 아래에 요약된다:

실시예 5 - CaCl ₂ 를 사용하여 연도 가스로부터 CO ₂ 의 마그네슘 이온 촉매된 포획에 의해 CaCO ₃ 을 형성하는 공정 모의실험

규정된 파라미터들의 일부는 도 9에 도시된 공정 순서도를 포함한다. 상기 모의실험의 결과들은, 단일 챔버에서 MgCl₂ㆍ6H₂O 스트림을 가열하여 Mg(OH)Cl을 형성하는 것이 효율적임을 시사한다. 상기 Mg(OH)Cl을 H₂O와 반응시켜 MgCl₂ 및 Mg(OH)₂를 형성한 다음, 이들을 CaCl₂/H₂O 포화 용액 및 상기 연도 가스로부터의 CO₂와 반응시켜 CaCO₃을 형성하고, 이를 상기 스트림으로부터 여과시킨다. 형성된 최종 MgCl₂ㆍ6H₂O는 제1 반응기로 재순환되어 상기 공정을 다시 시작한다. 이러한 공정은 CaCl₂를 위한 임의의 특정 공급원에 한정되지 않는다. 예를 들면, 이는 규산칼슘을 HCl과 반응시켜 CaCl₂를 수득하여 얻을 수 있다.

상기 모의실험의 결과들은 4681 kwh/tonne CO₂의 예비 순 에너지 소비를 나타낸다. 표 6은 상기 모의실험 공정의 각종 스트림을 설명하는 질량 및 에너지를 제공한다. 각각의 스트림은 도 9의 스트림에 상응한다.

반응식 41

MgCl₂ㆍ6H₂O + △ → Mg(OH)Cl + 5H₂O↑ + HCl↑

반응식 42

2Mg(OH)Cl(aq) → Mg(OH)₂ + MgCl₂

반응식 43

Mg(OH)₂ + CaCl₂ + CO₂ → CaCO₃↓(s) + MgCl₂ + H₂O

상기 공정(사례 4)을 위한 단계들이 아래에 요약된다:

실시예 6 - 도로 염 비등기: Mg0 ₂ ㆍ6 H ₂ O 의 분해

도 10은 MgCl₂ㆍ6H₂O의 가열된 샘플의 질량 퍼센티지의 그래프를 도시한 것이다. 상기 샘플의 초기 질량은 대략 70㎎이었고, 100%로 설정되었다. 실험 과정에서, 상기 샘플의 질량은 열분해되는 동안에 측정되었다. 온도를 150℃까지 신속하게 상승시킨 다음, 1분당 0.5℃로 서서히 증가시켰다. 대략 220℃에서, 중량이 일정해져, Mg(OH)Cl의 형성과 일치하였다. 추가의 중량 감소의 부재는, 거의 모든 물이 제거되었음을 나타낸다. 2가지의 상이한 상세한 분해 질량 분석이 도 28 및 29에 도시되며, 상이한 최종 물질들의 이론적인 플래토(plateau)들이 도시되어 있다. 도 30은, MgO는 Mg(OH)Cl를 생성하는 온도보다 더 높은 온도(여기서, 500℃)에 의해 제조될 수 있음을 확증한다.

실시예 7 - H ₂ O 중의 Mg(OH)Cl의 용해

MgCl₂ㆍ6H₂O의 가열된 분해에 의해 생성된 Mg(OH)Cl의 샘플을 물에 용해시키고 일정 시간 동안 교반시켰다. 이후, 잔류하는 침전을 건조시키고 수집하고 분석하였다. 분해식에 의해, Mg(OH)₂의 양을 예상량에 비교하여 분석할 수 있었다. 상기 화학 반응은 다음과 같이 나타낼 수 있다:

반응식 44

2Mg(OH)Cl(aq) → Mg(OH)₂ + MgCl₂

Mg(OH)₂ 및 MgCl₂에 대한 용해도 데이터는 다음과 같다:

H₂O 100g 중 MgCl₂ 52.8g(매우 높은 가용성임)

H₂O 100g 중 Mg(OH)₂ 0.0009g(사실상 불용성임)

회수된 Mg(OH)₂의 이론적 중량:

주어진 샘플 중량: 3.0136g

MW Mg(OH)Cl 76.764

MW Mg(OH)₂ 58.32

Mg(OH)Cl 1mol당 형성된 Mg(OH)₂ 몰 = ½

Mg(OH)₂의 예상량

2Mg(OH)Cl(aq) → Mg(OH)₂ + MgCl₂

3.016g * (MW Mg(OH)₂ ÷ (MW Mg(OH)Cl * ½ = 1.1447g

수집된 침전물 = 1.1245g

이론적 수집량(%) = (1.1447 ÷ 1.1245) * 100 = 98.24%

분석 데이터:

이어서, 분석, XRD(X-선 회절) 및 EDS를 위해 Mg(OH)₂의 샘플을 전달하였다. 결과들이 도 11에 도시된다. 피크의 상부 열(row)은 샘플의 것이고, 중간 열의 스파이크는 Mg(OH)₂의 신호이며, 하부의 스파이크는 MgO의 신호이다. 따라서, Mg(OH)Cl의 용해로부터의 회수된 침전물은 Mg(OH)₂의 침전물과 유사한 신호를 갖는다는 것이 입증된다.

EDS 분석은 매우 적은 염소[Cl]가 상기 침전물에 도입되었음을 나타낸다. 상기 분석은 산소 또는 수소를 검출할 수 없음을 주지해야 한다.

실시예 8 - 탈탄산화 버블러 실험: CO ₂ 를 Mg ( OH ) ₂ {또는 Mg( OH ) Cl } 및 CaCl ₂ 와 반응시켜 CaCO ₃ 을 생성함.

Mg(OH)₂ 약 20g을 물 2ℓ와 함께 버블 컬럼에 넣고, 이를 통해 CO₂를 x분 동안 버블링시켰다. 이후, 상기 액체의 일부를 수집하고, 여기에 CaCl₂ 용액을 첨가하였다. 침전물이 즉시 형성되었고, XRD 및 EDS에 전달하였다. 상기 화학 반응은 다음과 같이 나타낼 수 있다:

반응식 45

Mg(OH)₂ + CO₂ + CaCl₂ → CaCO₃↓ + H₂O

XRD 분석(도 12)은 CaCO₃ 신호와 일치한다.

EDS

EDS 분석은, 단지 1.55중량%의 마그네슘 불순물을 갖고 CaCl₂로부터의 염소가 거의 없는 거의 순수한 CaCO₃을 나타낸다.

MgCl₂ㆍ6H₂O의 분해로부터의 Mg(OH)Cl이 Mg(OH)₂ 대신에 사용된 것을 제외하고는 동일한 시험을 수행하였다. Mg(OH)Cl이 하이드록사이드[OH^-]의 절반을 Mg(OH)₂로서 갖지만, CO₂를 흡수하여 침전된 CaCO₃(PCC)를 형성할 것으로 예상된다.

XRD 분석(도 13)은 CaCO₃ 신호와 일치한다.

EDS

다시, 상기 결과들은 Mg 또는 Cl 화합물들이 거의 없는 거의 순수한 CaCO₃을 나타낸다.

실시예 9A - 암석 융해기 실험: 감람석 및 사문석과 HCl의 반응

감람석 (Mg,Fe)₂SiO₄ 및 사문석 Mg₃Si₂0₅(OH)₄의 샘플들을 파쇄시키고, 대략 72시간에 걸쳐 6.1M HCl과 반응시켰다. 2세트의 시험을 수행하였으며, 첫 번째는 실온에서, 그리고 두 번째는 70℃에서 수행하였다. 이들 광물들은 가변적인 화학식을 가지며, 종종 철을 함유한다. 상기 샘플들을 여과한 후, 얻어진 여과물질(filtrand) 및 여액을 오븐에서 밤새 건조시켰다. 이어서, 상기 샘플들을 XRD 및 EDS 분석에 적용하였다. 상기 여액은 존재하는 MgCl₂를 가질 것이며, 상기 여과물질은 주로 SiO₂일 것이다.

실온에서 HCl 과 반응된 감람석 여액

70℃에서 HCl 과 반응된 감람석 여액

실온에서 HCl 과 반응된 사문석 여액

70℃에서 HCl 과 반응된 사문석 여액

주위 온도 및 70℃에서 상기 광물들 사문석 및 감람석 둘 다에 대한 여액은 모두 MgCl₂, 및 감람석의 경우 소량의 FeCl₂의 존재를 명백하게 나타낸다.

실온에서 HCl 과 반응된 감람석 여과물질

70℃에서 HCl 과 반응된 감람석 여과물질

감람석에 대한 화학식이 (Mg,Fe)₂SiO₄인 것을 고려하면, 이는 마그네슘이 풍부한 감람석이다. 상기 원료 화합물은 Mg:Si 비가 2:1이다. 그러나, 필터를 통과하지 않은 여과물질은 (Mg+Fe:Si) 비가 (37+5.5:52) 또는 0.817:1이다. (챠트 상의 원자%), 명백히 50% 이상의 마그네슘이 필터를 통과하였다.

실온에서 HCl 과 반응된 사문석 여과물질

70℃에서 HCl 과 반응된 사문석 여과물질

사문석의 화학식이 (Mg,Fe)₃Si₂0₅(OH)₄인 것을 고려하면, (Mg+Fe) 대 Si의 초기 1.5:1 비가 (37+9.3:56.5)= 0.898:1로 감소되었다.

실시예 9B - MgCl ₂ ㆍ6( H ₂ O )의 분해를 위한 온도/압력 모의실험

압력 및 온도를 아래(표 7) 및 도 14에 나타낸 바와 같이 변화시켜, 이것이 MgCl₂ㆍ6(H₂O)의 분해 평형에 대해 갖는 효과를 측정하였다. 유입물은 다음과 같다:

1) MgCl₂ㆍ6H₂O

2) CaCl₂

3) Mg(OH)Cl로 표시된 열 교환기(HX)를 빠져나온 고온 스트림의 온도(도 7 및 도 8 참조)

4) 디캔터에서 분리된 고체의 비율

5) H₂O로 표시된 필요한 물

6) 연도 가스

실시예 10 내지 실시예 21

아래의 나머지 실시예들은 석탄 또는 천연 가스 발전소로부터의 폐열 방출을 사용하여 분해 반응을 수행하기 위한 필요한 열을 얻는 것과 관련된다. 석탄 연도 가스 방출로부터 필요한 열을 얻기 위해, 열원은 공기 예열기 대신에 온도 범위가 320 내지 480℃인 백하우스(baghouse) 앞에 위치시킬 수 있다. 문헌[참조: "The structural design of air and gas ducts for power stations and industrial Boiler Applications," Publisher: American Society of Civil Engineers (August 1995), pages 11-15]을 참조하기 바라며, 상기 문헌은 전문이 인용에 의해 본 명세서에 포함된다. 개방 사이클 천연 가스 발전소는 600℃의 훨씬 더 높은 배기 온도를 갖는다. 문헌[참조: "The structural design of air and gas ducts for power stations and industrial Boiler Applications," Publisher: American Society of Civil Engineers (August 1995), pages 11-15]을 참조하기 바라며, 상기 문헌은 전문이 인용에 의해 본 명세서에 포함된다. 추가로, MgCl₂ㆍ6H₂O의 분해 반응은 또한 2가지 상이한 방식, MgO로의 완전 분해 또는 Mg(OH)Cl로의 부분 분해로 실행될 수 있다. Mg(OH)Cl로의 부분 분해는 몇몇 양태에서 180℃ 초과의 온도를 필요로 하는 반면, MgO로의 전체 분해는 몇몇 양태에서 440℃ 이상의 온도를 필요로 한다.

추가로, 상기 공정에 유입되는 공급물은 100% 규산칼슘(CaSiO₃) 내지 100% 규산마그네슘(MgSiO₃)의 연속체로서 나타낼 수 있으며, 투휘석(MgCa(SiO₃)₂)(또는 CaSiO₃과 MgSiO₃의 1:1 몰비의 혼합물)은 중간의 50% 사례를 나타낸다. 이러한 경우들 각각에 대해, 얻어지는 생산물은 몇몇 양태에서 탄산칼슘(CaCO₃) 내지 탄산마그네슘(MgCO₃)의 범위일 것이며, 백운석 CaMg(CO₃)₂는 중간의 사례를 나타낸다. 100% 규산칼슘을 사용하는 공정은 종래에 모델링된 양태들 모두에 사용된 Ca-Mg 공정이다. 100% 규산마그네슘 공정은 칼슘 화합물들을 전혀 사용하지 않는 반면; 100% 규산칼슘 유입 공급물 공정은 마그네슘 화합물들을 사용하지만, 재순환 루프에서, 단지 보충 마그네슘 화합물들만이 요구된다는 것에 주목하는 것도 중요하다.

예를 들면, 수화된 MgCl₂의 완전 분해 및 부분 분해를 사용하여 각각 MgO 및 Mg(OH)Cl로 되도록 하는, Ca-Mg 공정, Mg 단독 공정, 투휘석 공정에 관한 추가의 상세설명이 아래에 기재된다.

I) Ca-Mg 공정

전체 반응 CaSiO₃ + CO₂ → CaCO₃ + SiO₂

a) 완전 분해 ("CaSiO₃-MgO 공정"):

1) MgCl₂ㆍ6H₂O + △ → MgO + 5H₂O↑ + 2HCl↑

열분해 반응.

2) 2HCl(aq) + CaSiO₃ → CaCl₂(aq) + SiO₂↓ + H₂O

암석 융해 반응.

상기 반응 동안에 HCl 2mol당 5H₂O가 존재할 것임에 주목한다.

3) MgO + CaCl₂(aq) + CO₂ → CaCO₃↓ + MgCl₂(aq)

상기 반응식의 몇몇 버전들은 MgO 및 H₂O로부터 형성된 Mg(OH)₂를 사용한다.

4) MgCl₂(aq) + 6H₂O → MgCl₂ㆍ6H₂O

MgCl₂ㆍ6H₂O의 재생, #1로 반송됨.

b) 부분 분해 ("CaSiO₃-Mg(OH)Cl 공정"):

1) 2×[MgCl₂ㆍ6H₂O + △ → Mg(OH)Cl + 5H₂O↑ + HCl↑]

열분해.

동량의 CO₂를 트랩하기 위해 2배의 MgCl₂ㆍ6H₂O가 필요하다.

2) 2HCl(aq) + CaSiO₃ → CaCl₂(aq) + SiO₂↓ + H₂O

암석 융해 반응.

3) 2Mg(OH)Cl + CaCl₂(aq) + CO₂ → CaCO₃↓ + 2MgCl₂(aq) + H₂O

CO₂ 포획 반응

4) 2MgCl₂ + 12H₂O → 2MgCl₂ㆍ6H₂O

MgCl₂ㆍ6H₂O의 재생, #1로 반송됨.

II) Mg 단독 공정

전체 반응 MgSiO₃ + CO₂ → MgCO₃ + SiO₂

c) 완전 분해 ("MgSiO₃-MgO 공정")

1) 2HCl(aq) + MgSiO₃ + (x-1)H₂O → MgCl₂ + SiO₂↓ + xH₂O

암석 융해 반응.

2) MgCl₂ㆍxH₂O + △ → MgO + (x-1)H₂O↑ + 2HCl↑

열분해 반응.

HCl 2mol당 "x-1"mol의 H₂O가 생성될 것임에 주목한다.

3) MgO + CO₂ → MgCO₃

CO₂ 포획 반응.

상기 양태에서는 MgCl₂의 재순환이 전혀 요구되지 않다는 것에 주목한다. 수화수의 갯수인 x값은 6보다 훨씬 작은데, 그 이유는, 상기 암석 융해 반응으로부터의 MgCl₂가 상기 물의 대부분을 증기 상으로 구동시키기에 충분히 고온이기 때문이다. 따라서, 암석 융해로부터의 경로는 대략 2의 값으로 모델링된 "x"로 정상 상태에서 실행된다.

d) 부분 분해 ("MgSiO₃-Mg(OH)Cl 공정")

1) 2HCl(aq) + MgSiO₃ → MgCl₂ + SiO₂↓ + H₂O

암석 융해 반응.

상기 반응 동안에 HCl 1mol당 "x-1"H₂O가 존재할 것임에 주목.

2) 2×[MgCl₂ㆍxH₂O + △ → Mg(OH)Cl + (x-1) H₂O↑ + HCl↑]

분해.

동량의 CO₂를 트랩하기 위해 2배의 MgCl₂ㆍ(x-1)H₂O가 필요하다.

3) 2Mg(OH)Cl + CO₂ → MgCO₃↓ + MgCl₂ + H₂O

CO₂ 포획 반응.

4) MgCl₂(aq) + 6H₂O → MgCl₂ㆍ6H₂O

MgCl₂ㆍ6H₂O의 재생, #1로 반송됨.

상기 양태에서는 MgCl₂의 절반이 재순환된다는 것에 주목한다. 수화수의 갯수인 x값은 6보다 다소 작은데, 그 이유는, MgCl₂의 절반은 상기 물의 대부분을 증기 상으로 구동시키기에 충분히 고온인 암석 융해 반응으로부터의 것이고, 나머지 절반은 흡수 컬럼으로부터 재순환되기 때문이다. 따라서, 정상 상태에서 MgCl₂의 총량에 대한 수화 갯수는 MgCl₂ㆍ6H₂O와 MgCl₂ㆍ2H₂O 사이의 평균인 대략 4의 값을 가질 것이다.

III) 투휘석 또는 혼합 공정:

투휘석은 혼합된 규산칼슘 및 규산마그네슘이고, 백운석은 혼합된 탄산칼슘 및 탄산마그네슘이라는 것에 주목한다.

전체 반응: ½CaMg(SiO₃)₂ + CO₂ → ½CaMg(CO₃)₂ + SiO₂

e) 완전 분해 ("투휘석-MgO 공정"):

1) MgCl₂ㆍ6H₂O + △ → MgO + 5H₂O↑ + 2HCl↑

열분해.

2) HCl + ½CaMg(SiO₃)₂ → ½CaCl₂ + ½MgSiO₃↓ + ½SiO₂↓ + ½H₂O

제1 암석 융해 반응.

3) HCl + ½MgSiO₃ → ½MgCl₂ + ½SiO₂↓ + ½H₂O

제2 암석 융해 반응. 상기 MgCl₂는 #1로 반송됨.

4) MgO + ½CaCl₂ + CO₂ → ½CaMg(CO₃)₂↓ + ½MgCl₂

5) ½MgCl₂ + 3H₂O → ½MgCl₂ㆍ6H₂O

MgCl₂ㆍ6H₂O의 재생, #1로 반송됨.

f) 부분 분해 ("투휘석-Mg(OH)Cl 공정"):

1) 2×[MgCl₂ㆍ6H₂O + △ → Mg(OH)Cl + 5H₂O↑ + HCl↑]

열분해.

제1 암석 융해 반응.

3) HCl + ½MgSiO₃ → ½MgCl₂ + ½SiO₂↓ + ½H₂O

제2 암석 융해 반응. 여기서, 상기 MgCl₂는 #1로 반송됨.

4) 2Mg(OH)Cl + ½CaCl₂ + CO₂ → ½CaMg(CO₃)₂↓ + 3/2 MgCl₂ + H₂O

5) 3/2 MgCl₂ + 9H₂O → 3/2 MgCl₂ㆍ6H₂O

MgCl₂ㆍ6H₂O의 재생, #1로 반송됨.

규산칼슘 공정:

CaSiO₃-MgO 및 CaSiO₃-Mg(OH)Cl 분해 공정은 2개의 스테이지로 추가로 나누어지며, 제1 단계는 MgCl₂ㆍ6H₂O가 MgCl₂ㆍ2H₂O + 4H₂O로 전환되는 탈수 반응으로 이루어지고, 제2 단계는, 상기 MgCl₂ㆍ2H₂O가, 부분 분해가 요망되고 요구되는 경우에는 Mg(OH)Cl + HCl + H₂O로 전환되고, 전체 분해가 요망되고 요구되는 경우에는 MgO + 2HCl + H₂O로 전환되는 것이다. 도 15는 이러한 공정의 레이아웃을 기술한다.

규산마그네슘 공정:

MgSiO₃-MgO 및 MgSiO₃-Mg(OH)Cl 공정은 1개의 챔버 분해 단계로 이루어지며, 여기서, 상기 분해 챔버로부터의 HCl은 암석 융해 반응기에서 MgSiO₃과 반응하고, 잇따라 발생하는 반응열은 상기 분해 반응기에 근접한 암석 융해 챔버를 빠져나올 때 MgCl₂를 이수화물 형태 MgCl₂ㆍ2H₂O로 남기며, 여기서 이는 위에 기술된 바와 같이 MgO 또는 Mg(OH)Cl로 전환된다. 이러한 공정은 규산칼슘이 입수가능하지 않은 경우 바람직할 수 있다. 분해로부터 방출된 HCl은 MgSiO₃과 반응하여 추가의 MgCl₂를 형성한다. 규산마그네슘 공정은 칼슘과는 상이한 경로를 따른다. 상기 공정은 "암석 융해 반응 HCl + 실리케이트"로부터 출발한 후, "분해 반응(MgCl₂ + 열)"으로 이동하고, 최종적으로 흡수 컬럼으로 이동한다. 규산칼슘 공정에서, 모든 마그네슘 화합물들은 분해 반응과 흡수 반응 사이를 회전한다. 도 16은 이러한 공정의 레이아웃을 기술한다.

혼합된 규산마그네슘 및 규산칼슘 "투휘석" 공정:

중간 공정 투휘석-MgO 및 투휘석-Mg(OH)Cl은 또한 탈수 반응 MgCl₂ㆍ6H₂O + △ → MgCl₂ㆍ2H₂O + 4H₂O에 이어 분해 반응 MgCl₂ㆍ2H₂O + △ → MgO + 2HCl + H₂O(완전 분해) 또는 MgCl₂ㆍ2H₂O + △ → Mg(OH)Cl + HCl + H₂O(부분 분해)로 이루어지는 2개 스테이지 분해를 포함한다. 도 17은 이러한 공정의 레이아웃을 기술한다.

상기 분해로부터 잇따라 발생하는 HCl은 이후에 2단계 "암석 융해 반응"에서 투휘석 CaMg(SiO₃)₂와 반응한다. 제1 반응은 반응 2HCl + CaMg(SiO₃)₂ → CaCl₂(aq) + MgSiO₃↓ + SiO₂↓ + H₂O를 통해 CaCl₂를 생성한다. 선행 반응으로부터의 고체는 이후에 다시 HCl과 반응하여 반응 MgSiO₃ + 2HCl → MgCl₂ + SiO₂↓ + H₂O를 통해 MgCl₂를 생성한다. 제1 암석 융해기로부터의 CaCl₂는 흡수 컬럼으로 수송되고, 제2 암석 융해기로부터의 MgCl₂는 분해 반응기로 수송되어 Mg(OH)Cl 또는 MgO를 제조한다.

반응의 기초:

이들 실시예들 모두는 관심의 대상이 되는 공지된 석탄 화력 발전소로부터의 참조 연도 가스의 50% CO₂ 흡수를 가정한다. 이는 각각의 실시예 사이의 비교를 가능하도록 하기 위해 수행되었다. 이러한 발전소로부터의 연도 가스의 방출 유속은 136,903,680ton/yr이며, 상기 가스의 CO₂ 함량은 10중량%이다. 이러한 CO₂의 양은 실시예 10 내지 실시예 21의 기초이다:

연도 가스에 존재하는 연간 CO₂의 양:

136,903,680ton/yr * 10% = 13,690,368ton/yr

흡수된 연간 CO₂의 양.

13,690,368ton/yr * 50% = 6,845,184ton/yr의 CO₂.

흡수된 CO₂의 양이 일정하기 때문에, 반응물의 소비량 및 생성물의 생산량도 또한 각각의 화합물에 대한 반응 화학량론 및 분자량에 따라 일정하다.

CaSiO₃-MgO 공정과 CaSiO₃-Mg(OH)Cl 공정 둘 다의 실시예들(실시예 10 내지 실시예 13) 모두의 경우, 전체 반응은 다음과 같다:

CaSiO₃ + CO₂ → CaCO₃ + SiO₂

MgSiO₃-MgO 공정과 MgSiO₃-Mg(OH)Cl 공정 둘 다의 실시예들(실시예 14 내지 실시예 17) 모두의 경우, 전체 반응은 다음과 같다:

MgSiO₃ + CO₂ → MgCO₃ + SiO₂

투휘석-MgO 공정과 투휘석-Mg(OH)Cl 공정 둘 다의 실시예들(실시예 18 내지 실시예 21) 모두의 경우, 전체 반응은 다음과 같다:

½CaMg(SiO₃)₂+ CO₂ → ½CaMg(CO₃)₂+ SiO₂

아스펜 모델은 공정에 필요한 유입물을 도입하고, 이산화탄소 흡수 화합물들 MgO, Mg(OH)₂ 또는 Mg(OH)Cl을 생성하기 위한 분해 반응에 필요한 열을 제공하기 위해 요구되는 연도 가스를 산출한다. 이러한 연도 가스는 천연 가스 또는 석탄 발전소로부터의 것일 수 있으며, 석탄의 경우 320℃ 내지 550℃의 온도 범위에서 시험되었다. 이러한 연도 가스는 각각의 실시예에 대해 특정량의 CO₂ 제거를 제공하기 위한 표준을 사용하는 참조 연도 가스와 혼동되지 않아야 한다. 더 높은 온도의 연도 가스를 사용하는 공정은 통상적으로는 기준으로부터 동량의 이산화탄소를 포획하는 데 더 적은 양의 연도 가스를 요구할 것이다. 또한, 더 높은 이산화탄소 농도를 갖는 연도 가스는, 포획될 필요가 있는 이산화탄소가 더 많은 양으로 존재하기 때문에, 통상적으로는 이산화탄소를 포획하기 위해 필요한 연도 가스의 양이 더 많아질 것이다.

반응물의 소비량 및 생성물의 생산량은 포획된 CO₂ 및 각각의 실시예에 대한 각각의 유입물 및 각각의 유출물의 분자량의 기준으로부터 결정될 수 있다.

실시예 10 내지 실시예 13의 경우:

CaSiO₃ 소비량은 다음과 같다:

6,845,184ton/yr * (116.16 / 44.01) = 18,066,577ton/yr

CaCO₃ 생산량은 다음과 같다:

6,845,184ton/yr * (100.09 / 44.01) = 15,559,282ton/yr

SiO₂ 생산량은 다음과 같다:

6,845,184ton/yr * (60.08 / 44.01) = 9,344,884ton/yr

동일한 유형의 산출을 나머지 실시예에 대해 수행할 수 있다. 아래의 표는 실시예 10 내지 실시예 21에 대한 유입물 및 유출물을 함유한다. 기준: 연간 6,845,184ton의 흡수된 CO₂.

아스펜 모델을 실행시켰을 때, 분해 반응, 탈수 및 분해의 각각의 단계에 대한 히트 듀티에 대해 다음의 결과들이 발생하였다. 각각의 실시예에 대한 결과들이 아래의 표에 요약되어 있다.

100% 초과의 값은 추가의 Mg(OH)Cl 또는 MgO를 생성하기 위해 과량의 열이 이용 가능하다는 것을 의미한다. 도 24는, 각종 CO₂ 연도 가스 농도, 각종 온도, 상기 연도 가스가 석탄 또는 천연 가스로부터 기원하는지의 여부, 및 상기 공정이 CaSiO₃-Mg(OH)Cl 및 CaSiO₃-MgO 공정의 실시예 10 내지 실시예 13에 대해 완전 분해 또는 부분 분해에 의존하는지의 여부에 따른, 포획된 CO₂의 퍼센트를 예시한다.

도 25는, 각종 CO₂ 연도 가스 농도, 각종 온도, 상기 연도 가스가 석탄 또는 천연 가스로부터 기원하는지의 여부, 및 상기 공정이 MgSiO₃-Mg(OH)Cl 및 MgSiO₃-MgO 공정의 실시예 14 내지 실시예 17에 대해 완전 분해 또는 부분 분해에 의존하는지의 여부에 따른, 포획된 CO₂의 퍼센트를 예시한다.

도 26은, 각종 CO₂ 연도 가스 농도, 각종 온도, 상기 연도 가스가 석탄 또는 천연 가스로부터 기원하는지의 여부, 및 상기 공정이 투휘석-Mg(OH)Cl 및 투휘석-MgO 공정의 실시예 18 내지 실시예 21에 대해 완전 분해 또는 부분 분해에 의존하는지의 여부에 따른, 포획된 CO₂의 퍼센트를 예시한다.

실시예 22: 기타 염의 분해

기타 염의 열분해를 실험실에서 측정하였다. 몇몇 시험 결과들의 요약이 아래의 표에 기재된다.

실시예 22: 2개, 3개 및 4개 챔버 분해 모델

표 23(아래 참조)은 도 31 내지 도 34에 상응하는 4가지 구성의 비교이다. 챔버의 갯수 및 설명, 소비된 열(MW; 메가와트), 특정 공급원으로부터의 열의 퍼센티지, 및 공정에서 다른 반응들(즉, 광물 실리케이트와 염산의 반응 및 염산의 농축)로부터의 이용 가능한 열로 인한 CO₂의 요구되는 외부 열(kW-H/tonne)의 감소가 기재된다. 도 34의 예에서, 개방 사이클 천연 가스 발전소로부터의 고온 연도 가스가 또한 적격이다.

실시예 23: 유입 광물과 유출 광물의 비교 - 석탄

석탄계 발전소로부터의 연도 가스에 관한 이러한 사례 연구에서, 표 24는, 광물 유출물(석회암 및 모래)의 용적이 유입 광물(석탄 및 이노실리케이트) 용적의 83%라는 것을 예시한다. 표 24에 요약된 결과들은 600MWe 석탄 발전소를 기준으로 하며, 총 4.66 E6 tonne CO₂가 공정에 요구되는 열을 위한 CO₂를 포함한다.

실시예 24: 유입 광물과 유출 광물의 비교 - 천연 가스

천연 가스계 발전소로부터의 연도 가스에 관한 표 25(아래)에 요약된 이러한 사례 연구에서, 광물의 "레일-후면 용적(rail-back volume)"은 광물의 "레일-내부 용적(rail-in volume)"의 92%이다. 표 25에 요약된 결과들은 600MWe CC 천연 가스 발전소를 기준으로 하며; 총 2.41 E6 tonne CO₂가 공정에 요구되는 열을 위한 CO₂를 포함한다.

실시예 25: 물 및 염화마그네슘의 불균등화에 의한 수산화마그네슘의 선택적 생성

Mg(OH)₂는 하기 반응에 따라 CO₂ 기체로부터 석회석을 생성하는 데 사용될 수 있다.

CaCl₂(aq) + CO₂ + Mg(OH)₂ => MgCl₂(aq) + CaCO₃↓+ H₂O

Mg(OH)₂의 생성을 최적화하기 위해, MgCl₂가 Mg(OH)Cl로 전환될 때, Mg(OH)₂ 침전에 유리하도록 반응 챔버 내의 물의 양을 조절할 것이다. 구체적으로는, Mg(OH)Cl 및 MgCl₂가 충분히 큰 용적의 물에 제공되는 경우, 수산화마그네슘은 사실상 불용성이기 때문에 침전되는 반면에, 염화마그네슘은 수용액을 형성한다. 따라서, 이들 2개의 화합물들이 효율적으로 분리될 수 있다. 아래의 반응에서 물(H₂O)은 생성물들의 일부로 되지 않으며, 단지 Mg²⁺ 및 Cl^-을 용매화시켜 이들이 이온성 용액이 되도록 한다.

Mg(OH)Cl(H₂O) => ½Mg(OH)₂↓ + ½MgCl₂(aq)

물의 양이 마그네슘에 대해 약 6 대 1의 비까지 감소하는 경우, MgCl₂(aq) 대신에 MgCl₂ㆍ6H₂O를 형성하는 것이 가능해질 것이다. 상기 반응식은 다음과 같을 것이다:

Mg(OH)Cl + 3H₂O => ½Mg(OH)₂↓+ ½MgCl₂ㆍ6H₂O

따라서, MgCl₂ 대 물의 비를 6 대 1 이상으로 유지시킴으로써, 수성 MgCl₂ 및 고체 Mg(OH)₂의 생성이 촉진된다. 따라서, 하나의 세트의 예시적 CO₂ 포획 반응들은 다음과 같이 나타낼 수 있다:

i) MgCl₂ㆍH₂O => Mg(OH)CL + H₂O + HCl

ii) HCl + CaSiO₃ => CaCl₂ + H₂O + SiO₂

iii) Mg(OH)Cl + MgCl₂ + H₂O => Mg(OH)₂ + MgCl₂ + H₂O

iv) H₂O + Mg(OH)₂ + CO₂ + CaCl₂ => MgCl₂ + CaCO₃ + H₂O

전체 반응: CaSiO₃ CO₂ => CaCO₃+ SiO₂

이러한 시스템은 도 38a 내지 38i 및 도 39a 내지 39i의 아스펜 다이어그램에 도시되어 있다. 상기 다이어그램 중앙의 개략화된 사각형은 한정된 "물 불균등화기" 주위를 둘러싸고 있다. 상기 사각형의 상부에서, Mg(OH)Cl, 스트림 SOLIDS-1이 "DECOMP"로 표시된 분해 반응기를 빠져나온다. 그런 다음 MGOH2로 표시된 모듈에서, Mg(OH)Cl이 흡수 컬럼, 스트림 RECYCLE2로부터의 수성 MgCl₂와 혼합된다. 이들은 슬러리로서 상기 유닛으로부터 스트림 "4"로서 빠져나와 열 교환기를 통과하여 분해 챔버에 열을 전달한다. 상기 스트림은 이후에 "13"으로 명명되며, 상기 스트림을 스트림 MGCLSLRY(대부분 MgCl₂ㆍ6H₂O)와, 흡수 컬럼으로 가는 Mg(OH)₂인 스트림 SOLIDS-2로 분리시키는 분리 유닛을 통과한다.

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본 명세서에 기재되고 특허청구된 모든 방법들은 본 발명의 기재내용에 비추어 필요 이상의 실험 없이 달성되고 실행될 수 있다. 본 발명의 조성물 및 방법이 특정 양태에 관하여 기술되었지만, 본 발명의 개념, 취지 및 범위로부터 벗어나지 않으면서, 본 명세서에 기술된 방법 및 단계 또는 단계 순서에 대해 변화가 적용될 수 있다는 것이 당업자들에게 자명할 것이다. 당업자들에게 자명한 모든 이러한 유사한 대체 및 변형은 첨부된 특허청구범위에 의해 규정된 본 발명의 취지, 범위 및 개념에 속하는 것으로 간주된다.

참조문헌

아래의 참조문헌들은, 본 명세서에 기술된 것들을 보충하는 예시적 절차 또는 기타 상세사항들을 제공하는 정도까지, 명확하게 인용에 의해 본 명세서에 포함된다.

Claims

공급원에 의해 생성된 이산화탄소의 격리(sequestering) 방법으로서,
(a) MgCl₂ 또는 이의 수화물과 물을, Mg(OH)Cl을 포함하는 제1의 단계(a) 생성물 및 HCl을 포함하는 제2의 단계(a) 생성물을 포함하는 제1 생성물 혼합물을 형성하기에 적합한 조건하에, 제1 혼합물로서 반응시키는 단계;
(b) 단계(a)로부터의 상기 Mg(OH)Cl의 일부 또는 전부와 소정량의 물 및 소정량의 MgCl₂를, Mg(OH)₂를 포함하는 제1의 단계(b) 생성물 및 MgCl₂를 포함하는 제2의 단계(b) 생성물을 포함하는 제2 생성물 혼합물을 형성하기에 적합한 조건하에, 제2 혼합물로서 반응시키는 단계(여기서, 상기 소정량의 물은, 상기 제2 생성물 혼합물 중의 물 대 MgCl₂의 몰비가 6 대 1 이상이 되도록 하기에 충분하다);
(c) 상기 제1의 단계(b) 생성물로부터의 상기 Mg(OH)₂의 일부 또는 전부와 CaCl₂ 또는 이의 수화물 및 상기 공급원에 의해 생성된 이산화탄소를, MgCl₂ 또는 이의 수화물을 포함하는 제1의 단계(c) 생성물, CaCO₃을 포함하는 제2의 단계(c) 생성물, 및 물을 포함하는 제3의 단계(c) 생성물을 포함하는 제3 생성물 혼합물을 형성하기에 적합한 조건하에, 제3 혼합물로서 혼합하는 단계; 및
(d) 상기 제3 생성물 혼합물로부터 상기 CaCO₃의 일부 또는 전부를 분리하는 단계
를 포함하고,
이에 의해 상기 이산화탄소의 일부 또는 전부가 CaCO₃로서 격리되는, 방법.
제1항에 있어서, 단계(a)에서의 상기 물의 일부 또는 전부가 상기 MgCl₂의 수화물 형태로 존재하는, 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제2 생성물 혼합물 중의 MgCl₂에 대한 물의 몰비가 6 내지 10인, 방법.
제3항에 있어서, 상기 제2 생성물 혼합물 중의 MgCl₂에 대한 물의 몰비가 약 6 내지 약 7인, 방법.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 혼합물 중의 Mg의 농도를 모니터링함을 추가로 포함하는, 방법.
제5항에 있어서, 상기 제2 혼합물 중의 Mg(OH)Cl의 양 또는 물의 양이, 상기 모니터링에 기초하여 조절되는, 방법.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 단계(a)의 상기 MgCl₂가 MgCl₂ 수화물인, 방법.
제7항에 있어서, 단계(a)의 상기 MgCl₂ 수화물이 MgCl₂ㆍ6H₂O인, 방법.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 단계(a)의 상기 MgCl₂가 90중량% 초과의 MgCl₂ㆍ6(H₂O)인, 방법.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1의 단계(a) 생성물이 90중량% 초과의 Mg(OH)Cl을 포함하는, 방법.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 단계(b) 생성물들을 분리함을 추가로 포함하는, 방법.
제11항에 있어서, 단계(b)의 상기 Mg(OH)₂ 생성물이 고체이고, 상기 단계(b) 생성물들을 분리하는 것은, 상기 물과 상기 MgCl₂로부터 상기 고체 Mg(OH)₂의 일부 또는 전부를 분리하는 것을 포함하는, 방법.
제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 단계(b)의 상기 MgCl₂ 생성물이 수성 MgCl₂인, 방법.
제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 단계(b) 또는 단계(c)에서 형성되는 상기 MgCl₂의 일부 또는 전부가 단계(a)에서 사용되는 상기 MgCl₂인, 방법.
제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 단계(a)에서의 상기 물의 일부 또는 전부가 스팀 또는 초임계수 형태로 존재하는, 방법.
제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 단계(a)의 상기 물의 일부 또는 전부가 단계(c)의 상기 물로부터 얻어지는, 방법.
제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
(e) 칼슘 실리케이트 광물과 HCl을, CaCl₂, 물 및 이산화규소를 포함하는 제3 생성물 혼합물을 형성하기에 적합한 조건하에 혼합하는 단계
를 추가로 포함하는, 방법.
제17항에 있어서, 단계(e)에서의 상기 HCl의 일부 또는 전부가 단계(a)로부터 얻어지는, 방법.
제17항에 있어서, 단계(e)가, 상기 칼슘 실리케이트 광물을 HCl과 함께 진탕시킴을 추가로 포함하는, 방법.
제17항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 단계(e)에서 발생한 열의 일부 또는 전부가 회수되는, 방법.
제17항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서, 단계(c)의 상기 CaCl₂의 일부 또는 전부가 단계(e)의 상기 CaCl₂인, 방법.
제17항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서, 단계(e)에서 형성된 상기 CaCl₂로부터 상기 이산화규소를 제거하는 분리 단계를 추가로 포함하는, 방법.
제17항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서, 단계(a)의 상기 물의 일부 또는 전부가 단계(e)의 상기 물로부터 얻어지는, 방법.
제17항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서, 단계(e)의 상기 칼슘 실리케이트 광물이 칼슘 이노실리케이트(calcium inosilicate)를 포함하는, 방법.
제17항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서, 단계(e)의 상기 칼슘 실리케이트 광물이 CaSiO₃을 포함하는, 방법.
제17항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서, 단계(e)의 상기 칼슘 실리케이트 광물이 투휘석(CaMg[Si₂O₆]) 또는 투각섬석 Ca₂Mg₅{[OH]Si₄O₁₁}₂를 포함하는, 방법.
제17항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 칼슘 실리케이트가 규산철 및/또는 규산망간을 추가로 포함하는, 방법.
제27항에 있어서, 상기 규산철이 철감람석(Fe₂[SiO₄])인, 방법.
제1항 내지 제28항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 이산화탄소가 연도 가스(flue gas)의 형태이고, 상기 연도 가스가 N₂ 및 H₂O를 추가로 포함하는, 방법.
제1항 내지 제29항 중 어느 한 항에 있어서, 단계(a)의 상기 적합한 반응 조건이 약 200℃ 내지 약 500℃의 온도를 포함하는, 방법.
제30항에 있어서, 상기 온도가 약 230℃ 내지 약 260℃인, 방법.
제30항에 있어서, 상기 온도가 약 250℃인, 방법.
제30항에 있어서, 상기 온도가 약 200℃ 내지 약 250℃인, 방법.
제30항에 있어서, 상기 온도가 약 240℃인, 방법.
제1항 내지 제34항 중 어느 한 항에 있어서, 단계(b)의 상기 적합한 반응 조건이 약 140℃ 내지 약 240℃의 온도를 포함하는, 방법.
제1항 내지 제35항 중 어느 한 항에 있어서, 단계(c)의 상기 적합한 반응 조건이 약 20℃ 내지 약 100℃의 온도를 포함하는, 방법.
제36항에 있어서, 상기 온도가 약 25℃ 내지 약 95℃인, 방법.
제17항 내지 제37항 중 어느 한 항에 있어서, 단계(e)의 상기 적합한 반응 조건이 약 50℃ 내지 약 200℃의 온도를 포함하는, 방법.
제38항에 있어서, 상기 온도가 약 90℃ 내지 약 150℃인, 방법.
제1항 내지 제39항 중 어느 한 항에 있어서, 단계(a)의 상기 염화수소의 일부 또는 전부가 물과 혼합되어 염산을 형성하는, 방법.
제1항에 있어서, 단계(a)가 1개, 2개 또는 3개의 반응기에서 수행되는, 방법.
제1항에 있어서, 단계(a)가 1개의 반응기에서 수행되는, 방법.