KR20160035140A - 이산화탄소를 이용한 무기자원 제조 장치 - Google Patents

이산화탄소를 이용한 무기자원 제조 장치 Download PDF

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윤석원
김동화
김세진
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Abstract

본 발명은 이산화탄소를 이용한 무기자원 제조 장치에 관한 것이다.
일례로, 양극, 상기 양극에 부착된 기체확산전극, 상기 기체확산전극에 부착된 고분자 전해질 멤브레인이 구비된 수소이온 생성부, 음극이 구비된 물 전기분해부, 상기 물 전기분해부에서 생성된 수소 기체를 상기 수소이온 생성부로 주입하는 수소기체 주입부, 및 상기 수소이온 생성부와 상기 물 전기 분해부 사이에 배치된 염화나트륨 전기분해부를 포함하는 수산화나트륨 생성부; 탄산무수화효소를 이용하여 이산화탄소로부터 탄산이온을 생성하는 탄산이온 생성부; 및 상기 수산화나트륨 생성부를 통해 생성된 수산화나트륨에 상기 탄산이온 생성부를 통해 생성된 탄산이온을 주입하여 탄산나트륨과 중탄산나트륨을 생성하는 무기자원 생성부를 포함하는 이산화탄소를 이용한 무기자원 제조 장치를 개시한다.

Description

이산화탄소를 이용한 무기자원 제조 장치{DEVICE FOR MANUFACTUING INORGANIC SOURCE USING CARBON DIOXIDE}
본 발명은 이산화탄소를 이용한 무기자원 제조 장치에 관한 것이다.
종래의 기술에서는 알카리금속 수산화이온(일명 수산화나트륨)을 농축시키기 위해서 염화나트륨 전해질을 전기분해하여 음극에서 수산화나트륨을 얻고, 양극에서 염소가스를 얻는 클로르 알칼리(Chlor-Alkali, CA) 공정을 이용하였다.
그러나, 이러한 클로르 알칼리 공정은 수산화나트륨 1톤을 생성하는데 최소 1330kWh의 높은 에너지가 수반되기 때문에 경제적 성과를 얻기가 매우 어렵다. 즉, 낮은 전압에서 이온교환성능을 높이는 장치가 구성되어야 하지만, 클로르 알칼리 공정은 장치의 특성상 이온교환막의 성능에 따라 진행속도가 결정되기 때문에, 에너지 비용을 줄이는데 한계가 있다.
본 발명은, 소비 에너지가 최소화되고, 이산화탄소의 흡수속도를 증가시킴으로써 이산화탄소를 무기자원으로 쉽게 전환시킬 수 있는 무기자원 제조 장치를 제공한다.
본 발명의 실시예에 따른 이산화탄소를 이용한 무기자원 제조 장치는, 양극, 상기 양극에 부착된 기체확산전극, 상기 기체확산전극에 부착된 고분자 전해질 멤브레인이 구비된 수소이온 생성부, 음극이 구비된 물 전기분해부, 상기 물 전기분해부에서 생성된 수소 기체를 상기 수소이온 생성부로 주입하는 수소기체 주입부, 및 상기 수소이온 생성부와 상기 물 전기 분해부 사이에 배치된 염화나트륨 전기분해부를 포함하는 수산화나트륨 생성부; 탄산무수화효소를 이용하여 이산화탄소로부터 탄산이온을 생성하는 탄산이온 생성부; 및 상기 수산화나트륨 생성부를 통해 생성된 수산화나트륨에 상기 탄산이온 생성부를 통해 생성된 탄산이온을 주입하여 탄산나트륨과 중탄산나트륨을 생성하는 무기자원 생성부를 포함한다.
또한, 상기 수산화나트륨 생성부는, 상기 수소이온 생성부와 상기 염화나트륨 전기분해부 사이에 배치된 음이온 교환막; 및 상기 물 전기분해부와 상기 염화나트륨 전기분해부 사이에 배치된 양이온 교환막을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 수소이온 생성부는, 상기 수소이온 생성부에서 생성되는 수소이온과 상기 염화나트륨 전기분해부에서 분해되는 염소이온의 결합에 의해 생성되는 염산을 농축시키는 염산 농축부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 염화나트륨 전기분해부에 염화나트륨 전해질을 공급하는 염화나트륨 공급부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 물 전기분해부에서 생성되는 수산화나트륨을 농축하여 저장하고 상기 무기자원 생성부로 공급하는 수산화나트륨 농축부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 양극은 Ti, Ru, Pd, Ag, Mo, Cr, Pt, Ir, C 및 Mn 중 적어도 하나의 전이금속을 포함할 수 있다.
또한, 상기 음극은 Ni, Cu, Sn, Fe 및 C 중 적어도 하나의 전이금속을 포함할 수 있다.
또한, 상기 탄산이온 생성부는, 물과의 화학반응을 위해 이산화탄소를 주입하는 이산화탄소 주입부; 및 상기 이산화탄소 주입부와 연결되고, 탄산무수화효소가 충진되는 탄산무수화효소 보관부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 탄산이온 생성부는 상기 탄산무수화효소 보관부에 탄산무수화효소를 충진하기 위한 충진구와 배출하기 위한 배출구를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 탄산무수화효소 보관부에 충진되는 탄산무수화효소는 자성나노입자들과 고분자 형태로 결합되어 있을 수 있다.
본 발명에 따르면, 소비 에너지가 최소화되고, 이산화탄소의 흡수속도를 증가시킴으로써 이산화탄소를 무기자원으로 쉽게 전환시킬 수 있는 무기자원 제조 장치를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이산화탄소를 이용한 무기자원 제조 장치의 구성도이다.
도 2는 도 1의 탄산이온 생성부의 구성을 구체적으로 도시한 도면이다.
본 발명이 속하는 기술분야에 있어서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있을 정도로 본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이산화탄소를 이용한 무기자원 제조 장치의 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 무기자원 제조 장치(1000)는, 수산화나트륨 생성부(100), 탄산 이온 생성부(200) 및 무기자원 생성부(300)를 포함한다.
상기 수산화나트륨 생성부(100)은 수소이온 생성부(110), 물 전기분해부(120), 수소기체 주입부(130), 염화나트륨 전기분해부(140), 음이온 교환막(150), 양이온 교환막(160) 및 수산화나트륨 농축부(170)를 포함할 수 있다.
상기 수소이온 생성부(110)는 양극(111), 상기 양극에 부착된 기체확산전극(112) 및 상기 기체확산전극(112)에 부착된 고분자 전해질 멤브레인(113)을 포함할 수 있다. 여기서, 상기 수소이온 생성부(110)는 상기 수소이온 생성부(110)에서 생성되는 수소이온(2H+)과 상기 염화나트륨 전기분해부(140)에서 분해되는 염소이온(2Cl-)의 결합에 의해 생성되는 염산(HCl)을 농축시키는 염산 농축부(114)를 더 포함할 수 있다. 상기 양극(111)은 Ti, Ru, Pd, Ag, Mo, Cr, Pt, Ir, C 및 Mn 중 적어도 하나의 전이금속을 포함할 수 있다.
상기 물 전기분해부(120)는 음극(121)을 포함할 수 있다. 상기 음극(121)은 Ni, Cu, Sn, Fe 및 C 중 적어도 하나의 전이금속을 포함할 수 있다. 이와 같은 상기 양금(111)과 음극(121)은 각각을 구성하는 금속 간의 전위차가 갖도록 형성된 것이 적절하다.
상기 수소기체 주입부(130)는 상기 물 전기분해부(120)를 통해 생성된 수소 기채(H2)를 상기 수소이온 생성부(110)으로 주입하는 역할을 한다.
상기 염화나트륨 전기분해부(140)는 상기 수소이온 생성부(110)와 물 전기분해부(120) 사이에 배치되고, 염화나트륨 공급부(141)로부터 공급되는 염화나트륨 전해질(NaCl)을 나트륨 이온(Na+)과 염소 이온(Cl-)으로 전기 분해하는 역할을 한다.
상기 음이온 교환막(150)은 상기 수소이온 생성부(110)와 염화나트륨 전기분해부(140) 사이에 설치되어 상기 염화나트륨 전기분해부(140)를 통해 분해된 염소 이온(Cl-)을 상기 수소이온 생성부(110)로 통과시키는 역할을 한다.
상기 양이온 교환막(160)은 상기 물 전기분해부(120)와 염화나트륨 전기분해부(140) 사이에 설치되어 상기 염화나트륨 전기분해부(140)를 통해 분해된 나트륨 이온(Na+)을 상기 물 전기분해부(120)로 통과시키는 역할을 한다.
상기 수산화나트륨 농축부(170)는 상기 물 전기분해부(120)를 통해 생성되는 수산화나트륨을 농축시켜 저장하고, 상기 무기자원 생성부(300)로 공급하는 역할을 한다.
한편, 상기 수소이온 생성부(110)의 양극(111)과 상기 물 전기분해부(120)의 음극(121) 사이에 정류기가(101) 연결될 수 있다.
이러한 수산화나트륨 생성부(110)에서 수산화나트륨을 생성하는 방법은 다음과 같다.
물(H2O)이 상기 물 전기분해부(120)의 음극(121)에 의해 수소 기체(H2+)와 수산화이온(2OH-)으로 전기 분해되며, 분해된 수소 기체(H2+)는 상기 수소기체 주입부(130)를 통해 상기 수소이온 생성부(110)로 주입된다. 상기 수소이온 생성부(110)로 주입된 수소 기체(H2+)는 양극(111)에 의해 산화되어 수소 이온(2H+)이 생성된다. 이때, 상기 기체확산전극(112)과 고분자 전해질 멤브레인(113)은 수소 기체(H2+)가 수소 이온(2H+)로 좀 더 쉽게 전환되도록 작용할 수 있다.
한편, 염화나트륨 전기분해부(140)로 주입된 염화나트륨 전해질(NaCl)은 나트륨 이온(2Na+)과 염소 이온(2Cl-)으로 분해되고, 분해된 나트륨 이온(2Na+)은 상기 양이온 교환막(160)을 통해 상기 물 전기분해부(120)로 이동하고, 염소 이온(2Cl-)은 상기 음이온 교환막(150)을 통해 상기 수소이온 생성부(110)로 이동할 수 있다.
상기 수소이온 생성부(110)로 투입된 염소 이온(2Cl-)은 수소 이온(2H+)과 결합하여 염산(HCl)이 생성하고, 생성된 염산(HCl)은 상기 염산 농축부(114)에서 농축되어 저장될 수 있다. 또한, 상기 물 전기분해부(120)로 투입된 나트륨 이온(2Na+)은 수산화이온(2OH-)과 결합하여 수산화나트륨(NaOH)로 생성될 수 있다. 이와 같이 생성된 수산화나트륨(NaOH)은 상기 수산화나트륨 농축조(170)를 통해 농축되어 저장될 수 있다.
상기 탄산이온 생성부(200)는 탄산무수화효소를 이용하여 이산화탄소(CO2)로부터 탄산이온(H2CO3)을 생성할 수 있다.
도 2는 도 1의 탄산이온 생성부(200)의 구성을 구체적으로 도시한 도면이다.
도 2에 도시된 탄산이온 생성부(200)는 물(H2O)과의 화학반응을 위해 이산화탄소 기체(CO2)를 주입하는 이산화탄소 주입부(210) 및 상기 이산화탄소 주입부(210)와 연결되고, 탄산무수화효소(Carbonic Anhydrase, CA)가 충진되는 탄산무수화효소 보관부(220)를 포함할 수 있다.
이러한 탄산무수화효소 보관부(220)에는 소혈청으로 추출된 탄산무수화효소(CA)가 PEG(Polyethylene glycol) 등에 결합되어 있으며, 염화제일철(Ferrous chloride), 염화제이철(Ferric chloride)에 수산화나트륨용액을 첨가한 자성나노입자(Magnetic Nanoparticles, MNPs)들과 함께 고분자 형태로 결합되어 있다.
상기 이산화탄소 주입부(210)를 통해 주입된 이산화탄소 기체(CO2)는 물(H2O)과 함께 상기와 같은 탄산무수화효소(CA)가 충진되어 있는 탄산무수화효소 보관부(220)를 통과함으로써 탄산수(H2CO3)로 전환될 수 있다.
이와 같은 탄산무수화효소(CA)는 이산화탄소 기체(CO2)가 물(H2O)에 흡수되는 속도를 탄산무수화효소(CA)가 없는 경우보다 대략 10배 이상 향상시킬 수 있다.
한편, 상기 탄산무수화효소 보관부(220)는 탄산무수화효소(CA)를 충진하기 위한 충진구(221)와 배출하기 위한 배출구(222)를 구비함으로써, 상기 보관부(220)에 보관되어 있는 탄산무수화효소(CA)를 새롭게 교체거나, 일부를 충진할 수 있도록 구성될 수 있다.
상기 무기자원 생성부(300)는 상기 수산화나트륨 생성부(100)를 통해 생성된 수산화나트륨(NaOH)에 상기 탄산이온 생성부(200)를 통해 생성된 탄산이온(H2CO3)을 주입하여 탄산나트륨(Na2CO3)과 중탄산나트륨(NaHCO3)을 생성할 수 있다. 여기서, 상기 무기자원 생성부(300)는 탄산이온(H2CO3)의 주입량을 이용하여 탄산나트륨(Na2CO3)과 중탄산나트륨(NaHCO3)의 pH를 조절할 수 있다.
본 발명의 실험예에 대하여 설명하면 다음과 같다.
염화나트륨 전해질(NaCl)은 5M정도로 과포화상태로 만들고, 염산(HCl) 및 수산화나트륨 전해질(NaOH)은 1M정도로 만든 후에 기체확산전극에 백금을 코팅하여 양극으로 사용하고, 음극은 니켈(Ni) 합금을 사용한다. 정류기에서 전압은 0.4V에서 2.2V까지 실험을 수행하며 각 전압별 전류값을 측정하여 에너지 값을 측정한다.
이산화탄소 가스(CO2)는 100%의 순도를 가진 기체를 사용한다. 전극의 온도는 백금촉매가 활성화되는 80℃까지 올릴 수 있도록 서모커플(thermocouple)과 히팅 맨틀(Heating Mantle)을 연결하여 양극의 온도가 35℃부터 80℃까지 가변될 수 있도록 한다. 수소기체(H2)가 MFC(Mass Flow Controller)를 통하여 항상 일정한 양이 흐를 수 있도록 수소실린더를 구비하며, 이때 수소기체(H2)는 분당 120㎖가 기체확산전극에 들어가도록 한다. 탄산무수화 효소 보관조에는 탄산무수화효소와 나노자성물질은 1: 8배정도의 비율로 증류수에 분산시킨 후 고체입자가 전체용액의 부피로 10%를 유지시킨다. 일정한 전압을 투여한 후 음극에서 생산된 수소를 수소기체포집기를 사용하여 시간별 수소생산량을 측정한다.
이와 같이 준비된 장치에 전력을 투입하면 음극에서는 물(H2O)이 분해되어 수소기체(H2)와 수산화이온(OH-)이 생성되며, 양극에서는 음극에서 발생되어 공급된 수소기체(H2)가 촉매상에서 산화되어 H+와 e-을 생성시키는 산화-환원 반응이 일어나게 된다. 이와 같은 방식으로 진행하면서 측정된 전류와 전압 값, 그리고 수소 기체의 생산량은 아래의 표와 같다.
전압(V) 전류(A) 수소 생성량(ml/min)
0.8 0.41 0.4
1.2 0.52 1.3
1.6 0.58 4
2.0 0.96 12.5
2.2 1.14 15.3
2.4 1.33 17.1
2.6 1.54 19.8
종래의 클로르-알칼리(Chlor-alkali) 공정에서 1톤의 수산화나트륨 제조하는데 1330kWh 정도의 에너지가 필요하였으나, 기체확산전극과 고분자 전해질 멤브레인을 통해 수소이온으로의 전환속도를 높여줌으로써 500kWh 정도의 에너지가 소모됨으로써, 전기분해장치에 필요한 소비 에너지를 절감할 수 있다.
또한 탄산무수화효소(CA)를 이용하여 이산화탄소의 흡수속도를 최소 10배이상 증가시킴으로써 이산화탄소를 탄산나트륨 및 중탄산나트륨 같은 무기자원으로 쉽게 전환시킬 수 있다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 이산화탄소를 이용한 무기자원 제조 장치를 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 요지를 벗어나지 아니하는 범위 내에서 다양하게 수정 및 변형되어 실시될 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명한 것이다.
1000: 무기자원 제조 장치 100: 수산화나트륨 생성부
110: 수소이온 생성부 111: 양극
112: 기체확산전극 113: 고분자 전해질 멤브레인
114: 염산 농축부 120: 물 전기분해부
121: 음극 130: 수소기체 주입부
140: 염화나트륨 전기분해부 141: 염화나트륨 공급부
150: 음이온 교환막 160: 양이온 교환막
170: 수산화나트륨 농축부 200: 탄산이온 생성부
210: 이산화탄소 주입부 220: 탄산무수화효소 보관부
221: 탄산무수화효소 충진구 222: 탄산무수화효소 배출구
300: 무기자원 생성부

Claims (10)

  1. 양극, 상기 양극에 부착된 기체확산전극, 상기 기체확산전극에 부착된 고분자 전해질 멤브레인이 구비된 수소이온 생성부, 음극이 구비된 물 전기분해부, 상기 물 전기분해부에서 생성된 수소 기체를 상기 수소이온 생성부로 주입하는 수소기체 주입부, 및 상기 수소이온 생성부와 상기 물 전기 분해부 사이에 배치된 염화나트륨 전기분해부를 포함하는 수산화나트륨 생성부;
    탄산무수화효소를 이용하여 이산화탄소로부터 탄산이온을 생성하는 탄산이온 생성부; 및
    상기 수산화나트륨 생성부를 통해 생성된 수산화나트륨에 상기 탄산이온 생성부를 통해 생성된 탄산이온을 주입하여 탄산나트륨과 중탄산나트륨을 생성하는 무기자원 생성부를 포함하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소를 이용한 무기자원 제조 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 수산화나트륨 생성부는,
    상기 수소이온 생성부와 상기 염화나트륨 전기분해부 사이에 배치된 음이온 교환막; 및
    상기 물 전기분해부와 상기 염화나트륨 전기분해부 사이에 배치된 양이온 교환막을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소를 이용한 무기자원 제조 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 수소이온 생성부는, 상기 수소이온 생성부에서 생성되는 수소이온과 상기 염화나트륨 전기분해부에서 분해되는 염소이온의 결합에 의해 생성되는 염산을 농축시키는 염산 농축부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소를 이용한 무기자원 제조 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 염화나트륨 전기분해부에 염화나트륨 전해질을 공급하는 염화나트륨 공급부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소를 이용한 무기자원 제조 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 물 전기분해부에서 생성되는 수산화나트륨을 농축하여 저장하고 상기 무기자원 생성부로 공급하는 수산화나트륨 농축부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소를 이용한 무기자원 제조 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 양극은 Ti, Ru, Pd, Ag, Mo, Cr, Pt, Ir, C 및 Mn 중 적어도 하나의 전이금속을 포함하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소를 이용한 무기자원 제조 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 음극은 Ni, Cu, Sn, Fe 및 C 중 적어도 하나의 전이금속을 포함하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소를 이용한 무기자원 제조 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 탄산이온 생성부는,
    물과의 화학반응을 위해 이산화탄소를 주입하는 이산화탄소 주입부; 및
    상기 이산화탄소 주입부와 연결되고, 탄산무수화효소가 충진되는 탄산무수화효소 보관부를 포함하는 것을 특징으로 이산화탄소를 이용한 무기자원 제조 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 탄산이온 생성부는 상기 탄산무수화효소 보관부에 탄산무수화효소를 충진하기 위한 충진구와 배출하기 위한 배출구를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소를 이용한 무기자원 제조 장치.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 탄산무수화효소 보관부에 충진되는 탄산무수화효소는 자성나노입자들과 고분자 형태로 결합되어 있는 것을 특징을 하는 이산화탄소를 이용한 무기자원 제조 장치.
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