KR20170023392A - 실내 이산화탄소 처리 장치 및 방법 - Google Patents

실내 이산화탄소 처리 장치 및 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR20170023392A
KR20170023392A KR1020160105456A KR20160105456A KR20170023392A KR 20170023392 A KR20170023392 A KR 20170023392A KR 1020160105456 A KR1020160105456 A KR 1020160105456A KR 20160105456 A KR20160105456 A KR 20160105456A KR 20170023392 A KR20170023392 A KR 20170023392A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
carbon dioxide
gas
supplied
liquid absorption
diffusion layer
Prior art date
Application number
KR1020160105456A
Other languages
English (en)
Other versions
KR101900752B1 (ko
Inventor
박기태
정순관
강성필
김학주
윤민혜
Original Assignee
한국에너지기술연구원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국에너지기술연구원 filed Critical 한국에너지기술연구원
Publication of KR20170023392A publication Critical patent/KR20170023392A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101900752B1 publication Critical patent/KR101900752B1/ko

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/32—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by electrical effects other than those provided for in group B01D61/00
    • B01D53/326—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by electrical effects other than those provided for in group B01D61/00 in electrochemical cells
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/14—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by absorption
    • B01D53/1456—Removing acid components
    • B01D53/1475—Removing carbon dioxide
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
    • C25B1/01—Products
    • C25B1/02—Hydrogen or oxygen
    • C25B1/04—Hydrogen or oxygen by electrolysis of water
    • C25B9/10—
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/17—Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof
    • C25B9/19—Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof with diaphragms
    • C25B9/23—Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof with diaphragms comprising ion-exchange membranes in or on which electrode material is embedded
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2256/00—Main component in the product gas stream after treatment
    • B01D2256/12—Oxygen
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2257/00—Components to be removed
    • B01D2257/50—Carbon oxides
    • B01D2257/504—Carbon dioxide
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2259/00—Type of treatment
    • B01D2259/45—Gas separation or purification devices adapted for specific applications
    • B01D2259/4508—Gas separation or purification devices adapted for specific applications for cleaning air in buildings
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2259/00—Type of treatment
    • B01D2259/80—Employing electric, magnetic, electromagnetic or wave energy, or particle radiation
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02C—CAPTURE, STORAGE, SEQUESTRATION OR DISPOSAL OF GREENHOUSE GASES [GHG]
    • Y02C20/00—Capture or disposal of greenhouse gases
    • Y02C20/40—Capture or disposal of greenhouse gases of CO2
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/36—Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P20/00—Technologies relating to chemical industry
    • Y02P20/151—Reduction of greenhouse gas [GHG] emissions, e.g. CO2

Abstract

본 발명은 실내 이산화탄소 처리 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 캐소드 영역에서는, 실내 이산화탄소 농도가 일정 수치 이상으로 높아지면 전원이 공급되어 전기화학 반응에 의해 기액 흡수 반응부에 알칼리 흡수제가 생성되며, 기체 확산층을 통해 공급된 실내 공기 중의 이산화탄소를 흡수하고 이산화탄소가 제거된 공기가 배출되고, 애노드 영역에서는 물의 전기분해에 의해 산소가 발생하여 실내 공기 중의 산소 농도를 증가시킴으로써 쾌적한 실내 공기를 유지시킬 수 있는 장치 및 방법을 제공할 수 있다.

Description

실내 이산화탄소 처리 장치 및 방법{Device and method for treating indoor carbon dioxide}
본 발명은 실내 이산화탄소 처리 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전기화학적 반응을 통해 실내 이산화탄소를 처리하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
현대인들은 하루 일과의 90% 이상을 실내에서 생활한다. 따라서 실내 환경이 건강에 미치는 영향은 매우 크다고 말할 수 있다. 게다가 각종 산업 분야에서 에너지 절감 및 효율을 높이기 위하여 실내공간은 더욱 밀폐화되고, 복합화학물질로 구성된 건축자재의 사용이 증가함에 따라 새집증후군, 주택의 실내환경오염, 건물증후군과 같은 각종 실내환경 문제가 제기되고 있다.
특히, 이산화탄소는 실내 공간에 거주하는 생명체의 호흡을 통해 계속하여 생성되어지고 실내 공기 중으로 배출된다. 실내 이산화탄소 농도별 인체에 미치는 영향으로는 1000ppm 수준에서 건강 피해는 없지만 불쾌감을 느낄 수 있으며, 2000ppm 수준에서는 졸림을 느끼는 등 컨디션의 변화가 나타나며, 3000ppm 수준에서는 어깨 결림이나 두통을 느끼는 사람이 있는 등 건강 피해가 생기기 시작한다. 미국의 경우 실내환기조건을 CO2를 기준으로 2000 ppm을 권장하고 있으나 우리나라와 일본의 경우는 1000ppm을 기준으로 하고 있다. 우리나라 다중 이용시설 실내 공기질 관리법에서 실내는 1000ppm 이하로 유지토록 권장하고 있다.
본 발명의 목적은 전기화학 반응에 의해 실내 이산화탄소 농도를 낮추고 산소를 발생시키는 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 제1양태는 애노드를 수용 또는 접촉하는 알칼리수용액 저장조; 애노드, 양이온교환 전해질막 및 캐소드를 구비한 막전극 어셈블리; 캐소드를 수용 또는 접촉하는 기액흡수 반응부; 기체확산층; 기액흡수 반응부의 pH를 측정하는 pH 센서; 및 pH 센서로부터 제공되는 신호에 따라 상기 막전극 어셈블리에 전원을 공급하는 전원 공급부를 구비하는 이산화탄소 처리 장치로서,
물이 공급되는 기액흡수 반응부에, 이산화탄소 함유 공기가 기체 확산층을 통해 공급되어, 이산화탄소 농도에 따라 기액흡수 반응부의 pH가 변화되고, 일정 수치 범위에 pH가 도달하면 pH 센서를 통해 상기 전원 공급부를 작동시켜 막전극 어셈블리에 전원을 공급하고;
전원 공급시
NaOH 함유 알칼리 수용액 저장조의 애노드에서 하기 반응식 1이 일어나고; 반응식 1에서 발생된 산소는 배출되고;
반응식 1에서 발생된 Na+ 양이온은 양이온교환 전해질막을 통과하여 기액흡수 반응부에 공급되고, 기액흡수 반응부에 공급되는 물 및 이산화탄소가 기액흡수 반응부의 캐소드에서 하기 반응식 2가 일어나, CO2를 제거하고 NaHCO3를 형성시키는 것이 특징인 이산화탄소 처리 장치를 제공한다.
[반응식 1]
2NaOH → 2Na+ + O2 + 4e- + 2H+
[반응식 2]
2Na+ + H2O + 4e- + CO2 → 2NaHCO3
본 발명의 제2양태는 애노드를 수용 또는 접촉하는 알칼리수용액 저장조; 애노드, 양이온교환 전해질막 및 캐소드를 구비한 막전극 어셈블리; 캐소드를 수용 또는 접촉하는 기액흡수 반응부; 기체확산층; 기액흡수 반응부의 pH를 측정하는 pH 센서; 및 pH 센서로부터 제공되는 신호에 따라 상기 막전극 어셈블리에 전원을 공급하는 전원 공급부를 구비하는 이산화탄소 처리 장치 내에서 이산화탄소(CO2)를 제거하는 방법에 있어서,
물이 공급되는 기액흡수 반응부에, 이산화탄소 함유 공기가 기체 확산층을 통해 공급되어, 이산화탄소 농도에 따라 기액흡수 반응부의 pH가 변화되고, 일정 수치 범위에 pH가 도달하면 pH 센서를 통해 상기 전원 공급부를 작동시켜 막전극 어셈블리에 전원을 공급하는 제1단계;
전원 공급시
NaOH 함유 알칼리 수용액 저장조의 애노드에서 하기 반응식 1이 일어나고; 반응식 1에서 발생된 산소는 배출되고;
반응식 1에서 발생된 Na+ 양이온은 양이온교환 전해질막을 통과하여 기액흡수 반응부에 공급되고, 기액흡수 반응부에 공급되는 물 및 이산화탄소가 기액흡수 반응부의 캐소드에서 하기 반응식 2가 일어나, CO2를 제거하고 NaHCO3를 형성시키는 제2단계를 포함하는 것이 특징인 방법을 제공한다.
[반응식 1]
2NaOH → 2Na+ + O2 + 4e- + 2H+
[반응식 2]
2Na+ + H2O + 4e- + CO2 → 2NaHCO3
이하 본 발명을 자세히 설명한다.
본 발명은 전기화학 반응에 의해 실내 이산화탄소 농도를 낮추고 산소를 발생시키는 장치 및 방법을 제공하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 도 1에 도시된 바와 같이 캐소드 영역에서는, 실내 이산화탄소 농도가 일정 수치 이상으로 높아지면 전원이 공급되어 전기화학 반응에 의해 기액 흡수 반응부에 알칼리 흡수제가 생성되며, 기체 확산층을 통해 공급된 실내 공기 중의 이산화탄소를 흡수하고 이산화탄소가 제거된 공기가 배출되고, 애노드 영역에서는 물의 전기분해에 의해 산소가 발생하여 실내 공기 중의 산소 농도를 증가시킴으로써 쾌적한 실내 공기를 유지시킬 수 있는 장치 및 방법을 제공할 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 이산화탄소 처리 장치는 애노드를 수용 또는 접촉하는 알칼리수용액 저장조; 애노드, 양이온교환 전해질막 및 캐소드를 구비한 막전극 어셈블리; 캐소드를 수용 또는 접촉하는 기액흡수 반응부; 기체확산층; 기액흡수 반응부의 pH를 측정하는 pH 센서; 및 pH 센서로부터 제공되는 신호에 따라 상기 막전극 어셈블리에 전원을 공급하는 전원 공급부를 구비하는 이산화탄소 처리 장치로서,
물이 공급되는 기액흡수 반응부에, 이산화탄소 함유 공기가 기체 확산층을 통해 공급되어, 이산화탄소 농도에 따라 기액흡수 반응부의 pH가 변화되고, 일정 수치 범위에 pH가 도달하면 pH 센서를 통해 상기 전원 공급부를 작동시켜 막전극 어셈블리에 전원을 공급하고;
전원 공급시
NaOH 함유 알칼리 수용액 저장조의 애노드에서 하기 반응식 1이 일어나고; 반응식 1에서 발생된 산소는 배출되고;
반응식 1에서 발생된 Na+ 양이온은 양이온교환 전해질막을 통과하여 기액흡수 반응부에 공급되고, 기액흡수 반응부에 공급되는 물 및 이산화탄소가 기액흡수 반응부의 캐소드에서 하기 반응식 2이 일어나, CO2를 제거하고 NaHCO3를 형성시킬 수 있다.
[반응식 1]
2NaOH → 2Na+ + O2 + 4e- + 2H+
[반응식 2]
2Na+ + H2O + 4e- + CO2 → 2NaHCO3
또한, 전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 이산화탄소(CO2)를 제거하는 방법은 애노드를 수용 또는 접촉하는 알칼리수용액 저장조; 애노드, 양이온교환 전해질막 및 캐소드를 구비한 막전극 어셈블리; 캐소드를 수용 또는 접촉하는 기액흡수 반응부; 기체확산층; 기액흡수 반응부의 pH를 측정하는 pH 센서; 및 pH 센서로부터 제공되는 신호에 따라 상기 막전극 어셈블리에 전원을 공급하는 전원 공급부를 구비하는 이산화탄소 처리 장치 내에서 이산화탄소(CO2)를 제거하는 방법에 있어서,
물이 공급되는 기액흡수 반응부에, 이산화탄소 함유 공기가 기체 확산층을 통해 공급되어, 이산화탄소 농도에 따라 기액흡수 반응부의 pH가 변화되고, 일정 수치 범위에 pH가 도달하면 pH 센서를 통해 상기 전원 공급부를 작동시켜 막전극 어셈블리에 전원을 공급하는 제1단계;
전원 공급시
NaOH 함유 알칼리 수용액 저장조의 애노드에서 하기 반응식 1이 일어나고; 반응식 1에서 발생된 산소는 배출되고;
반응식 1에서 발생된 Na+ 양이온은 양이온교환 전해질막을 통과하여 기액흡수 반응부에 공급되고, 기액흡수 반응부에 공급되는 물 및 이산화탄소가 기액흡수 반응부의 캐소드에서 하기 반응식 2이 일어나, CO2를 제거하고 NaHCO3를 형성시키는 제2단계를 포함한다.
[반응식 1]
2NaOH → 2Na+ + O2 + 4e- + 2H+
[반응식 2]
2Na+ + H2O + 4e- + CO2 → 2NaHCO3
본 발명에서, 이산화탄소 처리 장치에 공급된 이산화탄소 함유 공기는 기액흡수 반응부의 캐소드에서 일어나는 반응식 2을 통해 CO2가 제거되어, CO2가 감소 또는 제거된 공기가 배출될 수 있다.
본 발명에서, 알칼리수용액 저장조는 카트리지 형태로 탈부착가능한 것일 수 있다.
본 발명에 따른 장치는 실내 이산화탄소의 농도를 감지하여, 실내 이산화탄소를 감소시키고 산소를 발생시켜 공급할 수 있다. 이를 위해 본 발명에 따른 이산화탄소 처리 장치는 실내 이산화탄소 함유 공기가 기체 확산층을 통해 기-액 흡수 반응부에 공급되어, 이산화탄소 농도에 따라 물을 수용하고 있는 기액흡수 반응부에서의 pH가 변화되고, 원하는 일정 수치 범위에 pH가 도달하면 pH 센서를 통해 상기 전원 공급부를 작동시켜 막전극 어셈블리에 전원이 공급된다.
본 발명에서, 기체 확산층은 미세 기공 구조를 가지고 있어서 이산화탄소 함유 공기를 미세한 기포 형태로 캐소드의 기액흡수 반응부로 공급함으로써 기/액 접촉 효율을 극대화시킬 수 있다.
본 발명에서, 기체 확산층은 기액 흡수 반응부의 액상을 통과시키지 못하는 것일 수 있다. 이를 위해 기체 확산층은 발수성을 발휘하는 미세기공을 가질 수 있다. 또한, 기체 확산층은 물을 통과시키지 아니하고, 기체만 통과시킬 수 있도록 발수처리된 것일 수 있다. 발수처리는 물방울의 접촉각을 이용하여 확인할 수 있다.
본 발명에서, 기체 확산층은 이산화탄소 함유 공기 공급에 대한 차압 손실이 0.01 내지 0.1 atm 범위인 기체 투과도를 갖는 것일 수 있다.
본 발명에서, 기체 확산층은 전기전도성이 있는 것일 수 있다. 전기 전도성이 있는 경우 캐소드에서 전자의 이동을 원활하게 하여 NaOH 생성 효율을 높일 수 있다.
본 발명에서, 기체 확산층은 발수성을 발휘하는 미세기공을 갖는 것일 수 있다. 또한, 본 발명에서, 기체 확산층은 발수처리된 것일 수 있다.
본 발명은 캐소드 영역에서는, 실내 이산화탄소 농도가 일정 수치 이상으로 높아지면 전원이 공급되어 전기화학 반응에 의해 기액 흡수 반응부에 알칼리 흡수제가 생성되며, 기체 확산층을 통해 공급된 실내 공기 중의 이산화탄소를 흡수하고 이산화탄소가 제거된 공기가 배출되고, 애노드 영역에서는 물의 전기분해에 의해 산소가 발생하여 실내 공기 중의 산소 농도를 증가시킴으로써 쾌적한 실내 공기를 유지시킬 수 있는 장치 및 방법을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 처리 장치의 개략적인 개념도이다.
도 2는 실시예 1에서 제작한 이산화탄소 처리 장치에서 반응을 수행한 결과 인가전압에 따른 이산화탄소 배출 농도를 도시한 그래프이다.
도 3은 실시예 1에서 제작한 이산화탄소 처리 장치에서 반응을 수행한 결과 인가전압에 따른 산소 발생량을 도시한 그래프이다.
본 발명이 속하는 기술분야에 있어서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있을 정도로 본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 이산화탄소 처리 장치의 구성을 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 처리 장치의 개략적인 개념도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 처리 장치는 애노드를 수용 또는 접촉하는 알칼리수용액 저장조; 애노드, 양이온교환 전해질막 및 캐소드를 구비한 막전극 어셈블리; 캐소드를 수용 또는 접촉하는 기액흡수 반응부; 기체확산층; 기액흡수 반응부의 pH를 측정하는 pH 센서; 및 pH 센서로부터 제공되는 신호에 따라 상기 막전극 어셈블리에 전원을 공급하는 전원 공급부를 구비할 수 있다.
상기 이산화탄소 처리 장치에서, 물이 공급되는 기액흡수 반응부에, 이산화탄소 함유 공기가 기체 확산층을 통해 공급되어, 이산화탄소 농도에 따라 기액흡수 반응부의 pH가 변화되고, 일정 수치 범위에 pH가 도달하면 pH 센서를 통해 상기 전원 공급부를 작동시켜 막전극 어셈블리에 전원을 공급하고;
전원 공급시
NaOH 함유 알칼리 수용액 저장조의 애노드에서 하기 반응식 1이 일어나고; 반응식 1에서 발생된 산소는 배출되고;
반응식 1에서 발생된 Na+ 양이온은 양이온교환 전해질막을 통과하여 기액흡수 반응부에 공급되고, 기액흡수 반응부에 공급되는 물 및 이산화탄소가 기액흡수 반응부의 캐소드에서 하기 반응식 2가 일어나, CO2를 제거하고 NaHCO3를 형성시킬 수 있다.
[반응식 1]
2NaOH → 2Na+ + O2 + 4e- + 2H+
[반응식 2]
2Na+ + H2O + 4e- + CO2 → 2NaHCO3
상기 알칼리수용액 저장조는 알칼리수용액을 저장하고 있는 저장조로서, 예를 들어 NaOH 함유 알칼리수용액 저장조일 수 있다. 상기 알칼리수용액 저장조 내 알칼리수용액은 0.1 내지 0.5 중량%의 농도를 가질 수 있다. 상기 알칼리수용액 저장조는 예를 들어 카트리지 형태일 수 있으며 탈부착이 가능한 것일 수 있다.
본 발명에서 사용하는 막전극 어셈블리는 전술한 바와 같이 애노드, 양이온교환 전해질막 및 캐소드를 포함할 수 있다. 구체적인 구조 및 재료는 연료전지의 막전극어셈블리를 적용할 수 있다.
상기 애노드는 산화전극으로서 NaOH 수용액을 전기분해, 즉 산화시켜 산소(O2) 기체와 나트륨 양이온(Na+), 수소 이온(H+) 및 전자(e-)가 발생시키고 이때 발생한 산소 기체를 배출시켜 실내 공기 중의 산소 농도를 증가시킬 수 있다. 상기 애노드로는 Pt, Au, Pd, Ir, Ag, Rh, Ru, Ni, Al, Mo, Cr, Cu, Ti, W, 이들의 합금, 또는 혼합 금속 산화물, 예를 들어 Ta205, Ir02 등이 사용될 수 있다.
상기 애노드에서 발생한 나트륨 양이온(Na+)은 양이온교환 전해질막을 통해 기액흡수 반응부에 공급된다. 상기 양이온교환 전해질막은 애노드에서 생성된 나트륨 양이온(Na+)을 통과시켜 기액흡수 반응부에 공급한다. 상기 양이온교환 전해질막으로는 예를 들어, 나피온® N115 등을 사용할 수 있다.
상기 기액흡수 반응부에 공급되는 물, 및 실내공기로부터 유입되는 이산화탄소가 애노드로부터 이동한 전자 및 나트륨 양이온(Na+)과 기액흡수 반응부의 캐소드에서 반응하여 CO2가 제거되고 NaHCO3를 형성시킬 수 있다.
상기 캐소드로는 Al, Au, Ag, C, Cd, Co, Cr, Cu, Cu 합금, Ga, Hg, In, Mo, Nb, Ni, Ni 합금, Ni-Fe 합금 등이 사용될 수 있다.
캐소드 영역에서는, 실내 이산화탄소 농도가 일정 수치 이상으로 높아지면 전원이 공급되어 전기화학 반응에 의해 기액 흡수 반응부에서 알칼리 흡수제가 생성되며, 기체 확산층을 통해 공급된 실내 공기 중의 이산화탄소를 흡수하고 이산화탄소가 제거된 공기가 배출된다.
기액흡수 반응부에 대한 이산화탄소의 공급은 기체 확산층을 통해 이루어질 수 있다. 기체 확산층은 미세 기공 구조를 가지고 있어서 이산화탄소 함유 공기를 미세한 기포 형태로 캐소드의 기액흡수 반응부로 공급할 수 있다. 예를 들어, 상기 기체 확산층은 발수처리된 탄소 종이일 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 기액흡수 반응부의 pH는 실내 이산화탄소 농도에 따라 변화할 수 있다. 구체적으로, 기액흡수 반응부에 공급되는 실내공기 중에 이산화탄소의 농도가 높으면 기액흡수 반응부 내에 공급되는 물에 이산화탄소가 용해되면서 기액흡수 반응부 내 pH가 감소하게 된다. 상기 기액흡수 반응부의 pH를 측정하는 pH 센서에서 이러한 실내 이산화탄소 농도 증가에 따른 pH 감소를 감지하면 전원이 공급되도록 설계할 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 이산화탄소 처리 장치는 상기 pH 센서로부터 제공되는 신호에 따라 상기 막전극 어셈블리에 전원을 공급하기 위한 전원 공급부를 구비할 수 있다. 이때 전원이 공급되면 이산화탄소 처리 장치가 자동적으로 동작할 수 있다.
이산화탄소 처리를 위한 전기 에너지는 통상 핵 에너지 공급원 및 태양 전지 또는 다른 비-화석 연료 전기 공급원으로부터의 대체 에너지 공급원(예를 들어, 수력, 풍력, 태양열 발전, 지열 등)을 비롯한 통상적인 에너지 공급원으로부터 올 수 있다. 사용되는 전지의 내부 저항에 따라 다른 전압 값을 조정할 수 있다.
또한, 상기 이산화탄소 처리 장치는 상기 알칼리수용액 저장조로부터 생성된 산소를 배출하기 위한 산소 배출구, 상기 기액흡수 반응부에 물을 공급하기 위한 물 공급 주입구, 상기 물 공급 주입구와 연결되어 기액흡수 반응부에 물을 공급하기 위한 물 공급원, 상기 기액흡수 반응부에 이산화탄소 함유 실내 공기를 유입시키기 위한 실내 공기 유입구, 및 상기 기액흡수 반응부로부터 이산화탄소가 감소 또는 제거된 공기를 배출시키기 위한 공기 배출구를 추가로 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 이산화탄소 처리 장치는 전술한 바와 같이 실내 공기를 받아들여 실내 공기 중에 함유되어 있는 이산화탄소를 감소 또는 제거한 후 다시 배출하여 실내 이산화탄소의 농도를 감소시킬 수 있으며, 이러한 일련의 과정은 재순환될 수 있다.
이하, 본 발명을 실시예를 통하여 보다 상세하게 설명한다. 그러나 이들 실시예는 본 발명을 예시적으로 설명하기 위한 것으로 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.
실시예 1: 이산화탄소 처리 장치 제작 및 운전효율 조사
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예 따른 이산화탄소 처리 장치를 제작하였다.
구체적으로, 애노드와 캐소드에 사용된 촉매는 백금(Pt)으로서 입자상의 백금 촉매 분말을 전해질막(Nafion 115)의 양쪽 면에 각각 스프레이 코팅하여 애노드 및 캐소드 전극을 제조하였다. 제조된 애노드 쪽에는 0.1mm 두께의 가스켓과 집전판을 결합하고, 캐노드 쪽에는 0.1mm 두께의 가스켓, 0.2mm 두께의 발수처리된 탄소종이 및 가스켓, 그리고 0.1mm 두께의 가스켓을 순서대로 결합함으로서 각각 기액 접촉 반응부, 기체 확산층, 기체 공급부를 제작하고 마지막으로 집전판을 결합하였다. 집전판은 전기분해 반응기에 전압을 인가했을 때 두 전극 사이에 전위차를 형성할 수 있도록 전기전도도가 우수한 흑연판 또는 황동판을 사용하였고, 애노드와 캐소드에 반응물을 공급하고 생성물을 배출할 수 있도록 유로를 형성하였다.
실험예 1: 이산화탄소 처리 장치의 운전효율 조사
상기 실시예 1에서 제작한 이산화탄소 처리 장치를 사용하여 실내 이산화탄소 가스 제거를 수행한 후 운전효율을 조사하였다.
제작된 반응 시스템을 이용하여 CO2 가스를 5000 ppm (v/v)농도로 공급하면서 반응기 온도 25℃ 에서 2.0~2.6 V 전압을 인가하고 인가전압에 따른 이산화탄소 배출 농도(도 2) 및 인가전압에 따른 산소 발생량(도 3)을 측정하였다.
구체적인, 실험조건은 하기와 같았다.
인가전압 : 2.0~2.6V
반응온도 : 25 ℃
전해질 막 : Nafion 115
애노드 전극촉매 : spray coated Pt powder
캐소드 전극촉매 : spray coated Pt powder
공급된 CO2 가스의 농도 : 5000 ppm (v/v) (N2-balanced)
애노드 전해액 : 0.5% NaOH 수용액
캐소드 전해액 : H2O
도 2 및 도 3에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따른 이산화탄소 처리 장치가 우수한 효율로 이산화탄소를 제거할 수 있음을 확인하였다.

Claims (10)

  1. 애노드를 수용 또는 접촉하는 알칼리수용액 저장조; 애노드, 양이온교환 전해질막 및 캐소드를 구비한 막전극 어셈블리; 캐소드를 수용 또는 접촉하는 기액흡수 반응부; 기체확산층; 기액흡수 반응부의 pH를 측정하는 pH 센서; 및 pH 센서로부터 제공되는 신호에 따라 상기 막전극 어셈블리에 전원을 공급하는 전원 공급부를 구비하는 이산화탄소 처리 장치로서,
    물이 공급되는 기액흡수 반응부에, 이산화탄소 함유 공기가 기체 확산층을 통해 공급되어, 이산화탄소 농도에 따라 기액흡수 반응부의 pH가 변화되고, 일정 수치 범위에 pH가 도달하면 pH 센서를 통해 상기 전원 공급부를 작동시켜 막전극 어셈블리에 전원을 공급하고;
    전원 공급시
    NaOH 함유 알칼리 수용액 저장조의 애노드에서 하기 반응식 1이 일어나고; 반응식 1에서 발생된 산소는 배출되고;
    반응식 1에서 발생된 Na+ 양이온은 양이온교환 전해질막을 통과하여 기액흡수 반응부에 공급되고, 기액흡수 반응부에 공급되는 물 및 이산화탄소가 기액흡수 반응부의 캐소드에서 하기 반응식 2가 일어나, CO2를 제거하고 NaHCO3를 형성시키는 것이 특징인 이산화탄소 처리 장치.
    [반응식 1]
    2NaOH → 2Na+ + O2 + 4e- + 2H+
    [반응식 2]
    2Na+ + H2O + 4e- + CO2 → 2NaHCO3
  2. 제1항에 있어서, 이산화탄소 처리 장치에 공급된 이산화탄소 함유 공기는 기액흡수 반응부의 캐소드에서 일어나는 반응식 2을 통해 CO2가 제거되어, CO2가 감소 또는 제거된 공기를 배출하는 것이 특징인 이산화탄소 처리 장치.
  3. 제1항에 있어서, 알칼리수용액 저장조는 카트리지 형태로 탈부착가능한 것이 특징인 이산화탄소 처리 장치.
  4. 제1항에 있어서, 실내 이산화탄소의 농도를 감지하여, 실내 이산화탄소를 감소시키고 산소를 발생시켜 공급하는 것이 특징인 이산화탄소 처리 장치.
  5. 제1항에 있어서, 기체 확산층은 미세 기공 구조를 가지고 있어서 이산화탄소 함유 공기를 미세한 기포 형태로 캐소드의 기액흡수 반응부로 공급하는 것이 특징인 이산화탄소 처리 장치.
  6. 제5항에 있어서, 기체 확산층은 이산화탄소 함유 공기 공급에 대한 차압 손실이 0.01 내지 0.1 atm 범위인 기체 투과도를 갖는 것이 특징인 이산화탄소 처리 장치.
  7. 제1항에 있어서, 기체 확산층은 전기전도성이 있는 것이 특징인 이산화탄소 처리 장치.
  8. 제1항에 있어서, 기체 확산층은 발수성을 발휘하는 미세기공을 갖는 것이 특징인 이산화탄소 처리 장치.
  9. 제1항에 있어서, 기체 확산층은 물을 통과시키지 아니하고, 기체만 통과시킬 수 있도록 발수처리된 것이 특징인 이산화탄소 처리 장치.
  10. 애노드를 수용 또는 접촉하는 알칼리수용액 저장조; 애노드, 양이온교환 전해질막 및 캐소드를 구비한 막전극 어셈블리; 캐소드를 수용 또는 접촉하는 기액흡수 반응부; 기체확산층; 기액흡수 반응부의 pH를 측정하는 pH 센서; 및 pH 센서로부터 제공되는 신호에 따라 상기 막전극 어셈블리에 전원을 공급하는 전원 공급부를 구비하는 이산화탄소 처리 장치 내에서 이산화탄소(CO2)를 제거하는 방법에 있어서,
    물이 공급되는 기액흡수 반응부에, 이산화탄소 함유 공기가 기체 확산층을 통해 공급되어, 이산화탄소 농도에 따라 기액흡수 반응부의 pH가 변화되고, 일정 수치 범위에 pH가 도달하면 pH 센서를 통해 상기 전원 공급부를 작동시켜 막전극 어셈블리에 전원을 공급하는 제1단계;
    전원 공급시
    NaOH 함유 알칼리 수용액 저장조의 애노드에서 하기 반응식 1이 일어나고; 반응식 1에서 발생된 산소는 배출되고;
    반응식 1에서 발생된 Na+ 양이온은 양이온교환 전해질막을 통과하여 기액흡수 반응부에 공급되고, 기액흡수 반응부에 공급되는 물 및 이산화탄소가 기액흡수 반응부의 캐소드에서 하기 반응식 2가 일어나, CO2를 제거하고 NaHCO3를 형성시키는 제2단계를 포함하는 것이 특징인 방법.
    [반응식 1]
    2NaOH → 2Na+ + O2 + 4e- + 2H+
    [반응식 2]
    2Na+ + H2O + 4e- + CO2 → 2NaHCO3
KR1020160105456A 2015-08-20 2016-08-19 실내 이산화탄소 처리 장치 및 방법 KR101900752B1 (ko)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020150117365 2015-08-20
KR20150117365 2015-08-20

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20170023392A true KR20170023392A (ko) 2017-03-03
KR101900752B1 KR101900752B1 (ko) 2018-09-21

Family

ID=58410745

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020160105456A KR101900752B1 (ko) 2015-08-20 2016-08-19 실내 이산화탄소 처리 장치 및 방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101900752B1 (ko)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20200095963A (ko) * 2019-02-01 2020-08-11 한국화학연구원 질소산화물 제거용 전기분해장치, 및 질소산화물 제거방법
KR20210040490A (ko) * 2019-10-04 2021-04-14 한국조선해양 주식회사 가스확산전극을 이용한 이산화탄소 처리장치
KR102292325B1 (ko) * 2021-01-25 2021-08-24 숙명여자대학교산학협력단 기체확산반응기

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004174369A (ja) 2002-11-27 2004-06-24 Meidensha Corp ガス処理方法とそのシステム
KR101137635B1 (ko) 2007-10-30 2012-04-19 주식회사 엘지화학 소 구간 분할 전극-막 접합체
KR101207408B1 (ko) 2010-06-24 2012-12-04 서울대학교산학협력단 개미산을 전기에너지로 전환시키는 개미산 개질 연료전지

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20200095963A (ko) * 2019-02-01 2020-08-11 한국화학연구원 질소산화물 제거용 전기분해장치, 및 질소산화물 제거방법
KR20210040490A (ko) * 2019-10-04 2021-04-14 한국조선해양 주식회사 가스확산전극을 이용한 이산화탄소 처리장치
KR102292325B1 (ko) * 2021-01-25 2021-08-24 숙명여자대학교산학협력단 기체확산반응기
KR102371898B1 (ko) * 2021-01-25 2022-03-07 숙명여자대학교산학협력단 기체확산반응기

Also Published As

Publication number Publication date
KR101900752B1 (ko) 2018-09-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN101634035B (zh) 臭氧和过氧化氢在中性介质中协同电化学产生方法和装置
JP3689541B2 (ja) 海水電解装置
AU2010201005A1 (en) Low-voltage alkaline production using hydrogen and electrocatlytic electrodes
KR101800779B1 (ko) 기액 접촉 효율이 높은 산성가스 제거를 위한 전기분해 반응기 및 방법
JP6764994B2 (ja) 陽極、水電解用陽極、電解セル、及び水素の製造方法
KR101220199B1 (ko) 물로부터 직접 과산화수소의 전기분해 합성 및 이의 응용
EP3388553B1 (en) Negative electrode, method for producing same, electrolytic cell using same, and hydrogen production method
KR20100039240A (ko) 오존 발생 장치의 운전 방법 및 오존 발생 장치
KR101900752B1 (ko) 실내 이산화탄소 처리 장치 및 방법
JP2021193386A (ja) 電気化学素子
JP2005144240A (ja) 電解槽及び電解水生成装置
JP6667873B2 (ja) 生体用水素ガス供給装置
JPH07126880A (ja) 塩水電解方法及び電解槽
JP5341547B2 (ja) 水電解システム
Zhang et al. A new design of activated carbon membrane air-cathode for wastewater treatment and energy recovery
CN109898095B (zh) 一种电极与隔膜零间距的电化学制备过氧化氢装置及其使用方法
KR101211614B1 (ko) 수소투과 전극을 이용한 중성 환원수 제조 장치
CN111411369A (zh) 一种可降低成本的电化学法制备酸碱水的装置及工艺
JP6258444B2 (ja) 電気化学セル、及びこのセルを用いた減酸素装置、並びにこの減酸素装置を用いた冷蔵庫と電気化学装置
JP2007119817A (ja) 食塩電解用酸素還元ガス拡散陰極及び食塩電解方法
JP2001020089A (ja) 塩化アルカリ電解槽の保護方法及び保護装置
JP2021025116A (ja) 水電解装置及び水電解装置の制御方法
CN111206265B (zh) 气水循环系统及其多功能水电解装置
CN115094462A (zh) 基于泡沫钛单原子整体电极的二氧化氯气体发生装置
JP2024017826A (ja) 二酸化炭素の電解セル

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E701 Decision to grant or registration of patent right