KR20210064761A - 저전력 통합공정 기반 이산화탄소 광물화 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 이산화탄소 광물화 장치는 염수를 전기분해하여 염소 가스와 알칼리금속수산화물 수용액을 생성 배출하는 전기분해부; 상기 전기분해부에서 배출되는 알칼리금속수산화물 수용액이 분기된 제1분기 액상과 제2분기 액상 중, 제1분기 액상과 이산화탄소를 포함하는 처리 대상 가스를 공급받아 결정상의 알칼리금속중탄산염을 생성하는 광물화부;를 포함하며, 상기 제2분기 액상이 상기 전기분해부의 환원전극의 전극액으로 공급된다.

Description

저전력 통합공정 기반 이산화탄소 광물화 장치 및 방법{Apparatus and Method for Mineralizing Carbon Dioxide Using Integrated Process With Low Power Consumption}

본 발명은 저전력 통합공정 기반 이산화탄소 광물화 장치 및 방법에 관한 것으로, 상세하게, 염수 전기분해 공정 및 이산화탄소 광물화 공정이 유기적으로 통합된 통합 공정 기반 저전력 이산화탄소 광물화 장치 및 방법에 관한 것이다.

화석연료의 사용에 따라 대기 중에 이산화탄소, 메탄, 황산화물, 질산화물 등의 산성가스 농도가 증가하여, 이로 인한 지구 온난화 및 대기 오염이 문제되고 있다. 특히 대기 중 이산화탄소는 1992년 리우 환경회의 이후 그 저감을 위한 여러 방안이 세계적으로 활발히 논의되고 있다.

이산화탄소 포집 및 저장(Carbon Dioxide Capture& Storage, CCS) 기술은 화석연료를 사용하여 이산화탄소를 대량 배출하는 발전소, 철강, 시멘트 공장 등에서 배출되는 이산화탄소를 대기로부터 격리시키는 기술이다. 이산화탄소 포집 및 저장 기술 중 이산화탄소 포집기술은 전체 비용의 70% 내지 80%를 차지하는 핵심 기술로 크게 연소 후 포집기술(Post-combustion technology), 연소 전 포집기술(Pre-combustion technology) 및 순산소 연소기술(Oxy-fuel combustion technology)로 구분된다.

연소 후 포집기술(Post-combustion technology)은 화석연료 연소에서 나온 이산화탄소를 여러 용매에 흡수시키거나 반응시켜 제거하는 기술이며, 연소 전 포집기술(Pre-combustion technology)은 연소 전에 이산화탄소를 분리해 내는 것으로 석탄과 같은 화석연료를 가스화시키는 과정을 통해 사전 처리하여 이산화탄소와 수소로 전환시킨 후에 이산화탄소/수소 혼합가스 중에서 이산화탄소를 분리하거나 또는 혼합가스를 연소시켜서 배기가스 중의 이산화탄소를 포집하는 기술이다. 또한 순 산소 연소기술(Oxy-fuel combustion technology)은 화석연료를 연소시킬 때 공기 대신 산소만을 이용하여 연소시켜 이산화탄소 포집을 용이하게 하는 기술이다. 위 기술 중 연소 후 포집기술이 현재 가장 폭넓게 사용되고 있다.

기존 이산화탄소 발생원에 적용하기 가장 용이한 기술은 연소 후 포집기술이다. 흡수제를 이용하여 이산화탄소를 흡수/재생하여 이산화탄소를 분리하는 방법으로 흡수제 성능향상과 이에 따른 공정 개선 등에 초점이 맞추어져 있다. 이 기술은 요소비료 생산, 자동용접, 탄산음료 등에 필요한 이산화탄소를 공급하기 위하여 습식 흡수기술과 건식 흡착기술이 상용화되어 가동되고 있으며, 습식 흡수기술의 효율이 높은 편이다.

대한민국등록특허 제10-1800779호에는 산성가스 흡수제를 생산하는 전기분해 시스템에 이산화탄소를 비롯한 산성가스를 직접 주입하고, 기/액 접촉 효율을 높일 수 있는 구조를 제공함으로써 수산화나트륨 등의 생산과 더불어 이산화탄소를 효율적으로 제거하고자 하였다. 그러나 이러한 구조의 기술은 수소와 이산화탄소가 혼합되므로 발생되는 수소를 활용할 수 없는 한계를 가진다.

또한 이산화탄소를 고정화하기 위한 수단으로, 이산화탄소를 중탄산나트륨(NaHCO₃) 또는 탄산나트륨(Na₂CO₃) 등으로 전환하는 종래의 솔베이(Solvay) 공정을 이용한 사례가 있었다. 종래의 솔베이 공정을 이용한 기술은 석회암(limestone)을 고온에서 이산화탄소를 내보내는 하소(calcination) 공정을 포함하므로, 이산화탄소를 직접 배출함에 따라 온실가스 배출량이 많고, 1 톤의 탄산나트륨을 생산할 경우 약 10 m³의 폐수가 발생하는 한계가 있어, 비용적인 측면은 물론 환경적인 측면에서도 문제가 된다.

따라서 온실 가스인 이산화탄소를 포함하는 산성가스를 제거하는 장치 및 방법에 있어서, 보다 높은 에너지 효율로 산성가스를 제거할 수 있는 것은 물론 폐수 발생을 방지하거나 최소화할 수 있으며, 반응 산물이나 부산물로 고부가가치의 물질을 얻을 수 있는 산성 가스의 제거 장치 및 방법에 대한 연구가 필요하다.

대한민국등록특허 제10-1800779호

본 발명의 목적은 에너지를 절감할 수 있는 온실가스/산성가스 제거 장치 및 온실가스/산성가스 제거 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 우수한 온실가스/산성가스 제거 효율을 가지며, 폐액의 발생을 방지하거나 최소화할 수 있는 환경 친화적인 온실가스/산성가스 제거 장치 및 온실가스/산성가스 제거 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 우수한 공정 안정성을 갖는 온실가스/산성가스 제거 장치 및 온실가스/산성가스 제거 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 온실가스/산성가스의 제거와 함께, 고부가가치의 생성물(부산물)을 얻을 수 있어, 경제성이 우수한 온실가스/산성가스 제거 장치 및 온실가스/산성가스 제거 방법을 제공하는 것이다.

본 발명에 따른 이산화탄소 광물화 장치(I)는 염수를 전기분해하여 염소 가스와 알칼리금속수산화물 수용액을 생성 배출하는 전기분해부; 상기 전기분해부에서 배출되는 알칼리금속수산화물 수용액이 분기된 제1분기 액상과 제2분기 액상 중, 제1분기 액상과 이산화탄소를 포함하는 처리 대상 가스를 공급받아 결정상의 알칼리금속중탄산염을 생성하는 광물화부;를 포함하며, 상기 제2분기 액상이 상기 전기분해부의 환원전극의 전극액으로 공급된다.

본 발명에 따른 이산화탄소 광물화 장치(II)는 염수를 전기분해하여 염소 가스와 알칼리금속수산화물 수용액을 생성 배출하는 전기분해부; 상기 전기분해부에서 배출되는 알칼리금속수산화물 수용액과 이산화탄소를 포함하는 제1처리대상가스를 공급받아 알칼리금속탄산염 수용액을 배출하는 이산화탄소 흡수부; 및 상기 이산화탄소 흡수부에서 배출되는 알칼리금속탄산염 수용액이 분기되어 생성된 제1분기 액상과 제2분기 액상 중 제1분기 액상과 이산화탄소를 포함하는 제2처리대상가스를 공급받아 결정상의 알칼리금속중탄산염을 생성하는 광물화부;를 포함하며, 상기 제2분기 액상이 상기 전기분해부의 환원전극의 전극액으로 공급된다.

본 발명이 일 실시예에 따른 광물화 장치(II)에 있어, 상기 이산화탄소 광물화 장치는 혼합부를 더 포함할 수 있으며, 상기 전기분해부에서 배출되는 상기 알칼리금속수산화물 수용액은 상기 혼합부에서 상기 광물화부에 잔류하는 알칼리금속중탄산염 수용액과 혼합되어 상기 이산화탄소 흡수부로 공급될 수 있다.

본 발명이 일 실시예에 따른 광물화 장치(II)에 있어, 상기 이산화탄소 흡수부에서 배출되는 알칼리금속탄산염 수용액의 pH는 11.0 내지 12.5일 수 있다.

본 발명이 일 실시예에 따른 광물화 장치(I, II)에 있어, 상기 전기분해부는 산화전극측으로 염수를 공급받고 환원전극측으로 물을 포함하는 전극액을 공급받아 산화전극측에서 염소 가스를 배출하고, 환원전극측에서 알칼리금속수산화물 수용액과 수소 가스를 포함하는 혼합물을 배출하며, 상기 혼합물을 기상과 액상으로 분리 배출하는 기액분리부에 의해 배출된 액상이 분기되고, 상기 제2분기 액상은 상기 물과 혼합되어 상기 환원전극측으로 공급될 수 있다.

본 발명이 일 실시예에 따른 광물화 장치(I, II)에 있어, 상기 전기분해부의 환원전극은 산소-소모 환원전극(ODC; oxygen depolarized cathode)이며, 상기 전기분해부는 산화전극측으로 염수를 공급받고 산소-소모 환원전극측으로 물을 포함하는 전극액 및 함산소 가스를 공급받아, 산화전극측에서 염소 가스를 배출하고, 산소-소모 환원전극측에서 알칼리금속수산화물 수용액을 배출하며, 상기 제2분기 액상은 상기 물과 혼합되어 상기 산소-소모 환원전극측으로 공급될 수 있다.

본 발명이 일 실시예에 따른 광물화 장치(I, II)에 있어, 상기 이산화탄소 광물화 장치는 상기 전기분해부의 산화전극측에서 배출되는 잔류 알칼리염화물 수용액과 염소 가스를 포함하는 혼합물을 공급받아 염소 가스의 기상과 잔류 알칼리염화물 수용액의 액상을 분리 배출하는 기액분리기를 더 포함하며, 상기 기액분리기에서 배출되는 잔류 알칼리염화물 수용액은 상기 전기분해부의 산화전극의 전극액으로 재공급될 수 있다.

본 발명이 일 실시예에 따른 광물화 장치(I, II)에 있어, 이산화탄소 광물화 장치는 차아염소산염 제조부를 더 포함할 수 있으며, 상기 차아염소산염 제조부는, 상기 전기분해부에서 생성 배출되는 알칼리금속수산화물 수용액의 일부나 장치 외부에서 공급되는 알칼리금속수산화물을 공급받아 알칼리금속의 차아염소산염을 생성할 수 있다.

본 발명이 일 실시예에 따른 광물화 장치(I, II)에 있어, 상기 이산화탄소 광물화 장치는 가열부를 더 포함할 수 있으며, 상기 가열부는, 고액 분리에 의해 상기 이산화탄소 광물화부에서 생성된 알칼리금속중탄산염을 공급받아 탈수 및 건조하거나, 또는 열처리하여, 알칼리금속중탄산염 분말, 알칼리금속탄산염 분말 또는 이들의 혼합 분말을 생성할 수 있다.

본 발명에 따른 광물화 방법(I)은 염수를 전기분해하여 염소 가스와 알칼리금속수산화물 수용액을 생성하는 전기분해 단계; 상기 알칼리금속수산화물 수용액이 분기된 제1분기 액상과 제2분기 액상 중 제1분기 액상과 이산화탄소를 포함하는 처리대상가스를 반응시켜 결정화된 알칼리금속중탄산염을 생성하는 광물화단계;를 포함하며, 상기 제2분기 액상은 상기 전기분해 단계의 환원전극의 전극액으로 공급된다.

본 발명에 따른 광물화 방법(II)은 염수를 전기분해하여 염소 가스와 알칼리금속수산화물 수용액을 생성하는 전기분해 단계; 전기분해 단계에서 생성된 알칼리금속수산화물 수용액과 이산화탄소를 포함하는 제1처리대상가스를 공급받아 알칼리금속탄산염 수용액을 생성하는 이산화탄소 흡수단계; 및 이산화탄소 흡수단계에서 생성된 알칼리금속탄산염 수용액이 분기된 제1분기 액상과 제2분기 액상 중 제1분기 액상 및 이산화탄소를 포함하는 제2처리대상가스를 공급받아 결정화된 알칼리금속중탄산염을 생성하는 광물화단계;를 포함하며, 상기 제2분기 액상은 상기 전기분해 단계의 환원전극의 전극액으로 공급된다.

본 발명의 일 실시예에 따른 광물화 방법(II)에 있어, 상기 이산화탄소 흡수단계에서 생성되는 알칼리금속탄산염 수용액의 pH는 11.0 내지 12.5일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 광물화 방법(I, II)에 있어, 상기 전기분해 단계는, 산화전극측으로 염수를 공급받고 환원전극측으로 물을 포함하는 전극액을 공급받아 염수를 전기분해하여, 산화전극측에서 염소 가스를 생성 배출하고, 환원전극측에서 알칼리금속수산화물 수용액과 수소 가스를 포함하는 혼합물을 생성 배출하며, 상기 혼합물의 기상 분리에 의해 분리된 액상이 제1분기 액상과 제2분기 액상으로 분기되어 제2분기 액상은 환원전극 측으로 공급될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 광물화 방법(I, II)에 있어, 상기 전기분해 단계에서, 염수의 전기분해는 산소-소모 환원전극을 이용한 것이며, 상기 전기분해 단계는, 산화전극측으로 염수를 공급받고 환원전극측으로 물을 포함하는 전극액 및 함산소 가스를 공급받아 염수를 전기분해하여, 산화전극측에서 염소 가스를 배출하고, 환원전극측에서 알칼리금속수산화물 수용액을 배출할 수 있다. 상기 제2분기 액상은 상기 물과 혼합되어 상기 산소-소모 환원전극측으로 공급될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 광물화 방법(I, II)에 있어, 상기 전기분해 단계에서 생성된 염소와 잔류 알칼리염화물 수용액의 혼합물은 기액 분리에 의해 분리되어, 분리된 잔류 알칼리염화물 수용액은 상기 전기분해 단계에 재공급될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 광물화 방법(I, II)은 상기 전기분해 단계에서 생성된 염소와, 상기 전기분해 단계에서 생성된 알칼리금속수산화물 수용액의 일부 또는 장치 외부에서 공급되는 알칼리금속수산화물 수용액을 반응시켜 알칼리금속의 차아염소산염을 생성하는 단계;를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 광물화 방법(I, II)은 상기 광물화단계에서 생성된 결정화된 알칼리금속중탄산염을 탈수 및 건조하거나, 또는 열처리하여 알칼리금속중탄산염 분말, 알칼리금속탄산염 분말 또는 이들의 혼합 분말을 생성하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 광물화 장치 및 방법은 처리대상가스에 함유된 이산화탄소를 제거함과 동시에 고부가가치의 물질인 알칼리금속중탄산염이나 알칼리금속탄산염의 결정화된 광물을 생산할 수 있으며, 이산화탄소 제거와 함께 염소나 차아염소산염, 수소 등과 같이 고부가가치의 물질을 제조할 수 있는 장점이 있다. 또한, 본 발명에 따른 광물화 장치 및 방법은 에너지 소모가 적고, 폐액의 발생을 최소화할 수 있는 친환경적이며 에너지 절감형 장치 및 방법인 장점이 있다. 또한, 본 발명에 따른 광물화 장치 및 방법은 다량의 알칼리금속중탄산염의 제조가 가능하며, 증가된 기대수명을 갖는 장점이 있다.

도 1은 제1양태의 일 예에 따른 광물화 장치의 공정도를 도시한 도면으로, 전기분해부가 수소-발생 클로르알칼리 공정에 의한 일 예이다.
도 2는 제1양태의 일 예에 따른 광물화 장치의 공정도를 도시한 도면으로, 전기분해부가 산소-소모 클로르알칼리 공정에 의한 일 예이다.
도 3은 제2양태의 일 예에 따른 광물화 장치의 공정도를 도시한 도면으로, 전기분해부가 수소-발생 클로르알칼리 공정에 의한 일 예이다.
도 4는 제2양태의 일 예에 따른 광물화 장치의 공정도를 도시한 도면으로, 전기분해부가 산소-소모 클로르알칼리 공정에 의한 일 예이다.
도 5는 제1양태의 일 예에 따른 광물화 장치의 다른 공정도를 도시한 도면으로, 차아염소산염 제조부가 더 구비된 일 예이다.
도 6은 제2양태의 일 예에 따른 광물화 장치의 다른 공정도를 도시한 도면으로, 차아염소산염 제조부가 더 구비된 일 예이다.

이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 이산화탄소 광물화 장치 및 방법을 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있으며, 이하 제시되는 도면들은 본 발명의 사상을 명확히 하기 위해 과장되어 도시될 수 있다. 이때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다. 또한 명세서 및 첨부된 특허청구범위에서 사용되는 단수 형태는 문맥에서 특별한 지시가 없는 한 복수 형태도 포함하는 것으로 의도할 수 있다. 또한 본 명세서에서, "포함한다"는 표현은 "구비한다", "함유한다", "가진다" 또는 "특징으로 한다" 등의 표현과 등가의 의미를 가지는 개방형 기재이며, 추가로 열거되어 있지 않은 요소, 재료 또는 공정을 배제하지 않는다. 본 명세서 및 첨부된 특허청구범위에서 특별한 언급 없이 사용된 단위는 중량을 기준으로 하며, 일 예로 % 또는 비의 단위는 중량% 또는 중량비를 의미한다.

본 발명에 따른 이산화탄소 광물화 장치 및 방법은, 염수의 전기분해 공정 및 전기분해 공정에서 생성되는 알칼리금속수산화물 수용액을 이용한 이산화탄소의 광물화가 통합된 통합 공정 기반이며, 온실가스인 이산화탄소를 포함하는 산성 가스의 제거와 함께 고부가가치의 물질을 생산할 수 있으며, 장치 구동을 위해 소모되어야 하는 에너지의 절감이 가능한 에너지 절감형 통합 공정 기반 이산화탄소 광물화 장치 및 방법이다.

본 발명에 따른 이산화탄소 광물화 장치 및 방법은, 전기분해시 환원전극에 공급되는 액(환원전극액)이 순환되며, 순환되는 환원전극액의 종류에 따라, 제1양태와 제2양태로 나뉘어질 수 있다. 이하, 본 발명을 상술함에 있어, 제1양태(제1양태에 따른 장치나 방법)나 제2양태(제2양태에 따른 장치나 방법)로 명시되어 한정되지 않는 구성은, 제1양태와 제2양태 모두에 속할 수 있다.

본 발명에서, 알칼리금속염화물, 알칼리금속수산화물, 알칼리금속탄산염, 알칼리금속중탄산염등의 알칼리금속(M)은 리튬, 나트륨, 칼륨, 루비듐, 세슘 및 프랑슘에서 하나 이상 선택되는 금속일 수 있으며, 실질적으로 수급 용이성, 자원의 풍부함에 의한 공정 비용 절감등을 고려하여, 알칼리금속은 나트륨을 포함할 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

본 발명에서, 처리대상가스는 산성 가스를 포함하며, 산성 가스는 온실가스인 이산화탄소를 포함한다. 산성 가스는 파이넥스 오프 가스(FOG, FINEX off gas), 파이넥스 테일 가스(FTG, FINEX tail gas), 고로 가스(BFG, Blast furnace gas), 전로 가스, 석탄 발전소 배가스, 가스 발전소 배가스, 소각로 배가스, 유리용해 배가스, 열설비 배가스, 석유화학공정 배가스, 석유화학공정 공정가스, 연소전 배가스, 가스화기 배가스등일 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 산성 가스는 온실가스인 이산화탄소 가스와 함께, 황산화물 가스(SOx), 질소산화물 가스(NOx) 또는 황산화물 가스와 질소산화물 가스등, 이산화탄소 이외의 산성을 띄는 가스를 더 포함할 수 있다. 그러나, 본 발명이 구체 처리대상가스의 종류에 한정될 수 없음은 물론이며, 이산화탄소를 함유하는 한 어떠한 가스라도 처리대상가스로 사용될 수 있다.

본 발명에서, 함산소 가스는 산소 가스를 함유하는 가스를 의미하며, 구체적으로 산소를 15부피% 이상, 보다 구체적으로 20부피% 이상 함유하는 가스를 의미할 수 있다. 함산소 가스의 구체예로, 100% 산소 가스, 산소와 불활성 가스의 혼합 가스 또는 공기(air)등을 들 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

본 발명에서, 특별히 용매의 종류가 한정되지 않는 한, 용액이나 액은 수용액을 의미한다. 또한, 장치의 일 요소에서 배출되는 물질이 다른 일 요소로 공급되는 경우, 물질 이송 라인(도면의 화살표에 상응) 별로, 물질의 이송을 위한 이송관, 펌프, 밸브등과 같은 물질 이송시 통상적으로 사용되는 이송 수단이 구비될 수 있음은 물론이며, 물질 이송 라인에 따라, 필요시, 물질 이송 속도나 유량을 제어하기 위한 통상의 제어 수단이 구비될 수 있음은 물론이다.

본 발명의 제1양태에 따른 이산화탄소 광물화 장치는 염수를 전기분해하여 염소 가스와 알칼리금속수산화물 수용액을 생성 배출하는 전기분해부; 상기 전기분해부에서 배출되는 알칼리금속수산화물 수용액이 분기된 제1분기 액상과 제2분기 액상 중, 제1분기 액상과 이산화탄소를 포함하는 처리 대상 가스를 공급받아 결정상의 알칼리금속중탄산염을 생성하는 광물화부;를 포함하며, 상기 제2분기 액상이 상기 전기분해부의 환원전극의 전극액(환원전극액)으로 공급된다.

제1양태에 따른 이산화탄소 광물화 장치는 클로르알칼리 공정인 염수 전기분해 공정으로부터 알칼리금속수산화물과 염소를 생산하고, 생산된 알칼리금속수산화물을 이용하여 이산화탄소를 포함하는 처리대상가스를 반응시켜, 이산화탄소를 알칼리금속중탄산염으로 광물화함과 동시에 온실가스인 이산화탄소를 포함하는 산성가스를 제거할 수 있다. 이때, 염수 전기분해 공정에서 생성된 알칼리금속수산화물 용액은 제1분기 용액과 제2분기 용액으로 분기되어, 일 분기 용액(제1분기 용액)은 이산화탄소의 광물화에 사용되며 다른 일 분기 용액(제2분기 용액)은 염수 전기분해 공정으로 유입되어, 장치 내에서 알칼리금속수산화물 용액의 순환 라인이 형성될 수 있다.

제1양태에 따른 이산화탄소 광물화 장치는 처리대상가스에 함유된 이산화탄소를 제거함과 동시에 고부가가치의 물질인 알칼리금속중탄산염이나 알칼리금속탄산염의 결정화된 광물과 염소가스나 염소가스를 이용한 염소화합물을 생산할 수 있으며, 이산화탄소 뿐만 아니라 SOx나 NOx등과 같은 다른 산성 가스 또한 제거될 수 있다. 또한, 클로르알칼리 공정이 수소-발생 클로르알칼리 공정인 경우, 이와 함께 수소와 같은 화학 에너지 또한 생산할 수 있으며, 이와 달리 클로르알칼리 공정이 산소-소모 클로르알칼리 공정인 경우 전기 에너지 소모를 크게 절감할 수 있는 장점이 있다.

본 발명의 제2양태에 따른 이산화탄소 광물화 장치는 염수를 전기분해하여 염소 가스와 알칼리금속수산화물 수용액을 생성 배출하는 전기분해부; 상기 전기분해부에서 배출되는 알칼리금속수산화물 수용액과 이산화탄소를 포함하는 제1처리대상가스를 공급받아 알칼리금속탄산염 수용액을 배출하는 이산화탄소 흡수부; 및 상기 이산화탄소 흡수부에서 배출되는 알칼리금속탄산염 수용액이 분기되어 생성된 제1분기 액상과 제2분기 액상 중 제1분기 액상과 이산화탄소를 포함하는 제2처리대상가스를 공급받아 결정상의 알칼리금속중탄산염을 생성하는 광물화부;를 포함하며, 상기 제2분기 액상이 상기 전기분해부의 환원전극의 전극액(환원전극액)으로 공급된다.

제2양태에 따른 이산화탄소 광물화 장치는 클로르알칼리 공정인 염수 전기분해 공정으로부터 알칼리금속수산화물과 염소를 생산하고, 생산된 알칼리금속수산화물을 이용하여 온실가스인 이산화탄소를 포함하는 처리대상가스를 반응시켜 알칼리금속탄산염 용액을 생성하고, 생성된 알칼리금속탄산염 용액을 분기하여 일부(제2분기 용액)는 환원전극액으로 공급하여 알칼리금속탄산염을 함유하는 환원전극액이 순환되도록 한다. 또한, 알칼리금속탄산염 용액이 분기된 다른 일부(제1분기 용액)와 이산화탄소를 포함하는 처리대상가스와 반응시켜 이산화탄소를 알칼리중금속탄산염으로 광물화 및 결정화시킴과 동시에 이산화탄소를 포함하는 산성가스를 제거할 수 있다.

이에 따라, 제2양태에 따른 이산화탄소 광물화 장치는, 알칼리금속탄산염 용액이 환원전극액으로써 장치 내에서 순환됨에 따라, 클로르알칼리 공정에서 순환되는 알칼리금속수산화물 수용액보다 pH가 낮기 때문에, 전기분해부의 이온교환막(멤브레인)의 안정성이 증가해 전기분해부의 기대수명을 늘릴 수 있으며, 전기분해에서 원치 않는 부산물(일 예로, 일산화탄소나 개미산염 등의 이산화탄소 전환생성물)의 생성을 방지할 수 있다. 또한, 제2양태에 따라 알칼리금속탄산염 용액이 순환되는 경우, 알칼리금속중탄산염의 용해도보다 알칼리금속탄산염의 용해도가 훨씬 크기 때문에 더 고농도의 용액이 순환될 수 있으며, 이에 의해 광물화부에서 보다 많은 양의 알칼리금속중탄산염이 수득될 수 있다. 또한, 알칼리금속중탄산염 용액이 순환되는 경우, 전기분해부의 고온 구동시 알칼리금속중탄산염의 분해에 의해 CO₂가 생성될 위험이 있으나, 이산화탄소 흡수부에서 배출되는 수용액의 pH를 11.0 이상, 좋게는 12.0이상이 되도록 함으로써 알칼리금속중탄산염의 생성을 억제할 수 있어, 알칼리금속중탄산염의 분해에 의한 CO₂ 생성을 방지할 수 있다. 또한, 환원전극액으로 알칼리금속탄산염 용액이 사용되는 경우 환원전극액의 pH가 낮아져 포베 다이어그램(Pourbaix diagram)상 보다 작은 과전압이 요구됨에 따라, 소비전력을 낮출 수 있어 광물화 장치의 에너지 효율을 증가시킬 수 있다. 또한, 환원전극액으로 알칼리금속탄산염 용액이 사용되는 경우에도 이산화탄소 뿐만 아니라 SOx나 NOx등과 같은 다른 산성 가스 또한 제거될 수 있다. 또한, 또한, 제1양태와 유사하게, 처리대상가스에 함유된 이산화탄소를 제거함과 동시에 고부가가치의 물질인 알칼리금속중탄산염이나 알칼리금속탄산염의 결정화된 광물과 염소가스나 염소 가스를 이용한 염소화합물을 생산할 수 있다. 클로르알칼리 공정이 수소-발생 클로르알칼리 공정인 경우, 이와 함께 수소와 같은 화학 에너지 또한 생산할 수 있으며, 이와 달리 클로르알칼리 공정이 산소-소모 클로르알칼리 공정인 경우 전기 에너지 소모를 크게 절감할 수 있는 장점이 있다.

전기분해부의 염수 전기분해 공정은 클로르알칼리 공정에 의한 것일 수 있다. 클로르알칼리 공정은 수소-발생 클로르알칼리 공정 또는 산소-소모 클로르알칼리 공정일 수 있다.

알려진 바와 같이, 수소-발생 클로르알칼리 공정은 물과 알칼리금속의 염화물을 공급받아 알칼리금속염화물을 전기분해하여, 염소;와 알칼리금속수산화물과 수소의 혼합물을 생성하는 공정으로, 본 발명에서 수소-발생 클로르알칼리 공정을 이용한 전기분해부는 수소-발생 클로르알칼리 공정의 전기화학 반응, 즉, 산화전극 :

, 환원전극 :

, 전체반응 :

(M=알칼리금속)의 전기화학반응에 사용되는 알려진 장치나 방법을 사용하면 족하다. 일 구체예에 있어, 수소-발생 클로르알칼리 공정에 의한 전기분해부는 산화전극이 구비되는 산화극실, 환원전극이 구비되는 환원극실, 산화극실과 환원극실을 구획하고 알칼리금속 이온을 투과하는 이온교환막을 포함하며, 산화전극측에는 염수, 구체적으로 알칼리금속 염화물 용액을 포함하는 산화전극액이 공급되며 환원전극측에는 물을 포함하는 환원전극액이 공급되어 알칼리금속 염화물을 전기분해함으로써 수행될 수 있다.

산소-소모 클로르알칼리 공정은 환원전극에 산소-소모 환원전극이 도입된 클로르알칼리 공정이다. 알려진 바와 같이, 산소-소모 환원전극이 도입된 클로르알칼리 공정은, 종래 물과 알칼리금속의 염화물을 공급받아 염소;와 알칼리금속수산화물과 수소;를 생성하는 수소-발생 클로르알칼리 공정과는 달리, 산소를 환원전극측에 공급해 수소 발생을 억제하는 공정이다.

산소-소모 환원전극이 도입된 클로르알칼리 공정(산소-소모 클로르알칼리 공정)은 수소 발생이 억제되며, 산화전극 :

, 환원전극 :

, 전체반응 :

(M=알칼리금속)의 전기화학반응이 발생한다. 반응식과 같이, 산소-소모 클로르알칼리 공정은, 일반적인 수소-발생 클로르알칼리 공정의 H₂를 발생시키는 H₂O의 전기화학반응을, H₂ 발생을 억제하는 O₂와 H₂O의 전기화학반응으로 대체함으로써, 환원전극전위가 상승(약 1.23V)하여 전체 시스템의 작동전압을 낮추어 소비전력을 절감(약 30%에 이르는 절감)할 수 있고, 절감된 소비전력만큼 온실가스 배출 저감에 기여할 수 있다.

산소-소모 클로르알칼리 공정은 산소-소모 환원전극이 도입된 클로르알칼리 공정을 이용하여 염수를 전기분해하는데 사용되는 알려진 장치나 방법을 사용하면 족하다. 일 구체예에 있어, 전기분해부는 산화전극이 구비되는 산화극실, 산소-소모 환원전극이 구비되는 환원극실, 산화극실과 환원극실을 구획하고 알칼리금속 이온을 투과하는 이온교환막을 포함하며, 산화전극측에는 염수, 구체적으로 알칼리금속 염화물 용액을 포함하는 산화전극액이 공급되며 산소-소모 환원전극측에는 물을 포함하는 환원전극액과 함산소 가스가 공급되어 염수의 알칼리금속 염화물을 전기분해함으로써 수행될 수 있다. 산소-소모(소비) 환원전극은 클로르알칼리 공정에서 산소-탈분극 전극으로도 통칭되며, 통상적으로 전기전도성 지지체 및 산소 환원을 위한 촉매 활성 성분(일 예로, 귀금속, 질소-개질된 CNT등)을 갖는 기체 확산층을 포함하는 전극 구조를 갖는다.

일 구체예에서, 분기되어 전기분해부의 환원 전극으로 투입되는 분기된 액상(제1양태의 경우 분기된 알칼리금속수산화물 수용액, 제2양태의 경우 분기된 알칼리금속탄산염 수용액)은 외부에서 공급되는 물과 혼합되어 전기분해부의 환원전극으로 공급될 수 있다. 이때, 물은 전기분해부의 환원전극에 공급되는 알칼리금속수산화물 수용액이나 알칼리금속탄산염 수용액의 농도가 일정하게 유지되도록 혼합될 수 있으며, 이에 의해 전기분해부의 환원전극에는 일정한 농도의 환원전극액이 지속적으로 유입될 수 있다.

일 구체예에 있어, 전기분해부의 산화 전극에서 배출되는 알칼리금속염화물(미반응 알칼리금속염화물 수용액)은 저농도 용액이며, 이러한 저농도 용액은 외부에서 공급되는 고농도의 알칼리금속염화물 수용액과 혼합되어, 일정한 농도의 알칼리금속 염화물 수용액이 전기분해부의 산화 전극으로 (재)공급될 수 있으며, 전기분해부의 산화전극에는 일정한 농도의 알칼리금속염화물 수용액이 지속적으로 유입될 수 있다.

이하, 제시되는 도면에서 장치 외부에서 장치로 공급되는 물질이나 장치에서 최종 생산되는 물질은 이탤릭체로 도시하였으며, 물질의 분자식에 괄호로 같이 도시된 내용은 해당 물질의 상(phase)이나 상태를 나타내는 것으로, (l)은 해당 물질이 액상이나 용액상임을 의미하며, (s)는 해당 물질이 고상임을 의미하며, (g)의 기체상을 의미하고, (w)는 물에 젖어 있는(wet) 상태를 의미한다. 또한, 이하 제시되는 도면에서 화살표는 병기된 물질이 공급(이송)되는 경로 및 방향을 나타낸다. 또한, 이하 도면에 도시된 일 예들을 상술함에 있어, 각 부에서 발생하는 반응에 관여하는 물질을 위주로 각 부에 공급되는 물질과 배출되는 물질을 상술하나, 순환되는 알칼리금속수산화물 용액이나 순환되는 알칼리금속탄산염 용액의 순환 경로에 있는 각 부들에 해당 순환 용액이 같이 공급 및/또는 배출됨은 물론이다. 또한, 이하 제시되는 각 도면에서 서로 동일한 구성요소는 동일 내지 유사한 작용을 함에 따라, 서로 상이한 구성요소에 대해서만 상술한다.

도 1은 제1양태의 일 예에 따른 광물화 장치의 공정도를 도시한 도면으로, 염수 전기분해가 수소-발생 클로르알칼리 공정에 의한 일 예이다.

도 1에 도시한 예와 같이, 광물화 장치는 수소-발생 클로르알칼리 공정에 의해 염수를 전기분해하는 전기분해부(10), 기액분리부(30) 및 광물화부(20)를 포함할 수 있다.

전기분해부(10)는 장치 외부에서 염수, 구체적으로 알칼리금속염화물 수용액을 산화전극의 전극액(산화전극액)으로 공급받고, 환원전극측에는 물을 포함하는 환원전극액을 공급받는다. 제1양태에서, 물을 포함하는 환원전극액은 순환되는 알칼리금속수산화물 수용액을 의미할 수 있다. 수소-발생 클로르알칼리 공정에 의해 전기분해부(10)의 산화전극에서는 염소가스가 생성되며, 환원전극에서는 알칼리금속수산화물 용액과 수소 가스를 포함하는 혼합물이 생성된다.

전기분해부(10)에서 생성된 혼합물은 기액분리부(30)로 공급되어, 수소 가스를 포함하는 가스상과 알칼리금속수산화물 용액을 포함하는 액상으로 분리 배출된다.

기액분리부(30)에서 배출되는 액상은 제1분기 액상과 제2분기 액상으로 분기되어, 제1분기 액상은 이산화탄소의 광물화가 발생하는 광물화부(20)로 유입되고, 제2분기 액상은 물과 혼합되어 전기분해부(10), 구체적으로 전기분해부(10)의 환원전극측으로 공급된다. 즉, 기액분리부(30)에서 분리 배출되는 알칼리금속수산화물 용액을 포함하는 액상은 분기되어, 일부는 이산화탄소의 광물화에 사용되고, 일부는 물과 혼합되어 환원전극액으로써 전기분해부(10)의 환원 전극측으로 공급되어, 장치 내에서 순환된다. 이때, 분기된 액상(제2분기 액상)물과 혼합되어, 환원전극액으로써 전기분해부(10)의 환원 전극측으로 공급되며, 전기분해부(10)의 환원전극측에는 일정한 농도의 전극액이 지속적으로 유입될 수 있다.

광물화부(20)는 제1분기 액상과 이산화탄소를 함유하는 처리대상가스(gas)를 공급받아 이산화탄소와 제1분기 액상에 함유된 알칼리금속수산화물간을 반응시켜 결정상의 알칼리금속중탄산염을 생성한다. 이때, 광물화부(20)에서는

(M=알칼리금속)의 광물화 반응이 발생할 수 있다. 이때, 이산화탄소가 제거된 처리대상가스는 광물화부(20) 밖으로 벤트(vent)될 수 있음은 물론이다.

또한, 도 1에 도시한 일 예와 같이, 전기분해부(10)의 산화전극측에서는 염소 가스가 생성될 수 있으며, 염소 가스와 함께 미반응(미분해) 알칼리금속염화물에 의한 저농도 알칼리금속염화물 용액에 배출될 수 있다. 이러한 배출물은 기액분리기(5)에 의해 저농도 알칼리금속염화물 용액(MCl(l)^LC)과 염소 가스로 분리될 수 있으며, 분리된 저농도 알칼리금속염화물 용액(MCl(l)^LC)은 다시 전기분해부(10)로 공급될 수 있다. 이때, 분리된 저농도 알칼리금속염화물 용액(MCl(l)^LC)은 외부에서 공급되는 고농도의 알칼리금속염화물 용액(MCl(l)^HC)과 합류되어 일정한 농도의 알칼리금속염화물 용액이 전기분해부의 산화전극측에 지속적으로 공급될 수 있다.

또한, 도 1에 도시한 일 예와 같이, 광물화 장치는 가열부(40)를 더 포함할 수 있다. 광물화부(20) 후단에 위치하는 가열부(40)는, 고액 분리에 의해 광물화부(20)에서 분리 배출되는 알칼리금속중탄산염(w)을 공급받아 건조, 구체적으로 탈수 및 건조하여 수분이 제거된 상태인 알칼리금속중탄산염 분말을 제조하거나, 또는 광물화부에서 생성된 알칼리금속중탄산염을 공급받아 이를 열처리하여 알칼리금속중탄산염을 알칼리금속탄산염으로 전환시켜 알칼리금속탄산염 분말을 생성할 수 있다. 이때, 가열부에서 건조가 이루어지는 경우 건조온도는 알칼리금속중탄산염이 알칼리금속탄산염으로 전환되지 않도록 50℃ 미만의 온도, 구체적으로 30 내지 45℃의 온도일 수 있다. 이와 달리 가열부에서 열처리가 이루어지는 경우 열처리온도는 알칼리금속중탄산염이 알칼리금속탄산염으로 전환되도록 50℃ 이상의 온도, 구체적으로 55 내지 300℃, 보다 구체적으로 60 내지 90℃의 온도일 수 있으나, 빠른 전환을 위해 160 내지 230℃와 같이 고온에서 전환이 이루어질 수 있음은 물론이다. 이때, 고액분리에 의해 액상으로 분리되는 알칼리금속중탄산염 용액은 SOx나 HCl등과 같은 별도의 산성 가스 제거 공정에 투입될 수 있다. 또한, 가열부에서 알칼리금속중탄산염이 알칼리금속탄산염으로 전환되는 경우, 가열부에서 발생되는 이산화탄소는 광물화부로 공급될 수 있다.

기액분리기(5)에서 분리된 염소 가스, 기액분리부(30)에서 분리된 수소 가스는 그 자체로 고부가가치의 생성물이며 화학 에너지임에 따라, 기상 상태로 압축 저장되거나, 염소의 경우, 다른 고부가가치의 물질, 일 예로, 알칼리금속의 차아염소산염으로 전환될 수 있다.

도 2는 제1양태의 일 예에 따른 광물화 장치의 공정도를 도시한 도면으로, 염수 전기분해가 산소-소모 클로르알칼리 공정에 의한 일 예이다.

도 2에 도시한 예와 같이, 광물화 장치는 산소-소모 클로르알칼리 공정에 의해 염수를 전기분해하는 전기분해부(15) 및 광물화부(20)를 포함할 수 있으며, 도 1을 기반으로 상술한 바와 유사하게, 가열부(40)를 더 포함할 수 있다.

상술한 바와 같이, 산소-소모 클로르알칼리 공정을 이용하여 염수를 전기분해하는 전기분해부(15)의 환원전극은 산소-소모 환원전극(ODC; oxygen depolarized cathode)이다. 전기분해부(15)는 산화전극측으로 염수를 공급받고 산소-소모 환원전극측으로 물을 포함하는 환원전극액 및 함산소 가스를 공급받아, 산화전극측에서 염소 가스를 배출하고, 산소-소모 환원전극측에서 알칼리금속수산화물 수용액을 배출할 수 있다.

전기분해부(15)에서 배출되는 알칼리금속수산화물 수용액은 제1분기 액상과 제2분기 액상으로 분기되어, 제1분기 액상은 광물화부(20)로, 제2분기 액상은 장치 외부에서 공급되는 물과 혼합되어, 환원전극액으로써, 산소-소모 환원전극측으로 공급된다.

전기분해부(15)가 산소-소모 클로르알칼리 공정인 경우, 화학에너지인 수소는 생산되지 않으나, 도 1의 수소-발생 클로르알칼리 공정을 이용하는 광물화 장치 대비 전력 소모를 30%에 이르도록 크게 절감할 수 있어, 에너지 절감 이산화탄소 광물화 장치의 구현이 가능하다.

또한, 도 2에 도시한 일 예와 같이, 전기분해부(15)가 산소-소모 클로르알칼리 공정에 의해 염수를 전기분해하는 경우, 산소-소모 환원전극 측에서 수소가 발생하지 않고 알칼리금속수산화물 용액(만)이 생성 및 배출됨에 따라, 도 1과는 달리 기액분리부(30)를 배제할 수 있다. 이때, 도 2에 도시한 일 예와 같이, 알칼리금속수산화물 용액이 분기된 제1분기 액상과 제2분기 액상의 유속이나 유량이 보다 안정적으로 제어될 수 있도록, 광물화 장치는, 필요시, 전기분해부(15)에서 배출되는 알칼리금속수산화물 용액을 저장하는 알칼리금속수산화물 탱크(80)를 더 포함할 수 있으며, 알칼리금속수산화물 탱크(80) 또는 알칼리금속수산화물 탱크(80)의 후단에서 액상의 분기가 이루어질 수 있다.

도 3은 제2양태의 일 예에 따른 광물화 장치의 공정도를 도시한 도면으로, 염수 전기분해가 수소-발생 클로르알칼리 공정에 의한 일 예이다.

도 3의 일 예와 같이, 제2양태에 따른 광물화 장치는 수소-발생 클로르알칼리 공정에 의해 염수를 전기분해하는 전기분해부(10), 기액분리부(30), 이산화탄소 흡수부(50) 및 이산화탄소 광물화부(25)를 포함할 수 있으며, 혼합부(60) 및/또는 가열부(40)를 더 포함할 수 있다.

제2양태의 일 예에 따른 광물화 장치는 기액분리부(30)에서 분리된 알칼리금속수산화물 용액이 광물화부로 공급되지 않고, 이산화탄소 흡수부(50)로 공급된다.

이산화탄소 흡수부(50)는 기액분리부(30)에서 분리된 액상과, 이산화탄소를 함유하는 산성가스를 포함하는 제1처리대상가스(gas1)를 공급받아, 알칼리금속탄산염 용액을 생성한다. 즉, 이산화탄소 흡수부(50)에서는

(M=알칼리금속)의 이산화탄소 흡수 반응에 의해, 이산화탄소가 알칼리금속탄산염의 형태로 제거된다. 이산화탄소 흡수 반응과 도 1을 기반으로 상술한 광물화 반응의 반응식에 의해 알 수 있듯이, 제1처리대상가스 내 이산화탄소의 농도를 고려하고, 기액분리부(30)에서 배출되는 액상 내 알칼리금속수산화물의 농도를 고려하여 각각의 공급 비율을 조절함으로써 이산화탄소 흡수 반응을 발생시킬 수 있다. 이때, 이산화탄소 흡수부(50)에서 생성되는 알칼리금속탄산염 수용액의 pH는 11.0 내지 12.5일 수 있으며, 생성되는 알칼리금속탄산염 수용액의 pH가 11.0 내지 12.5로 유지되도록 제1처리대상가스와 액상(알칼리금속수산화물 용액)의 공급 비율, 공급량, 공급속도 등이 제어될 수 있다.

이산화탄소 흡수부(50)에서 생성된 알칼리금속탄산염 수용액은 제1분기 액상과 제2분기 액상으로 분기되어 일 분기 액상은 전기분해부(10)의 환원전극 측에 공급되며, 다른 일부는 광물화부(25)로 공급된다.

제1양태에서 광물화부(20)가 알칼리금속수산화물 용액을 공급받은 것과 달리, 광물화부(25)는 분기된 알칼리금속탄산염 용액(제1분기 액상)을 공급받고, 이산화탄소를 함유하는 산성가스를 포함하는 제2처리대상가스(gas2)를 공급받아, 이산화탄소를 결정화된 알칼리금속중탄산염으로 광물화한다. 이에, 제2양태에서, 광물화부(25)에서는

의 결정화 반응이 발생한다.

상술한 바와 같이, 제2양태에 따라, 전기분해부(10)와 이산화탄소 흡수부(50)사이를 순환하는 환원전극액이 알칼리금속탄산염 용액인 경우, 클로르알칼리 공정에서 순환되는 알칼리금속수산화물 수용액보다 pH가 낮기 때문에, 전기분해부의 이온교환막(멤브레인)의 안정성이 증가해 전기분해부(10)의 기대수명을 늘릴 수 있으며, 전기분해시 보다 낮은 과전압에서 분해 반응이 발생할 수 있다. 또한, 상술한 바와 같이, 이산화탄소 흡수부에서 pH가 11.0 내지 12.5인 알칼리금속탄산염 수용액을 생성함으로써, 결정화된 알칼리금속중탄산염의 생성을 방지할 수 있으며, 전기분해에 소요되는 에너지를 줄일 수 있다.

또한, 장치 내를 순환하는 환원전극액이 알칼리금속탄산염 용액인 경우, 장치는 혼합부(60)를 더 포함할 수 있으며, 광물화부(25)에 잔류하는 알칼리금속중탄산염 용액은 혼합부(60)에서 기액분리부(30)에서 배출되는 액상과 혼합되어, 이산화탄소 흡수부(50)로 공급될 수 있다. 혼합부(60)에서는 알칼리금속중탄산염이 알칼리금속수산화물과 반응하여 알칼리금속탄산염으로 전환되는 탄산화반응

(M=알칼리금속)이 발생한다. 이에, 혼합부(60)는 광물화부(25)에 잔류하는 알칼리금속중탄산염 용액과 알칼리금속수산화물 용액이 유입 및 혼합되어, 알칼리금속탄산염과 알칼리금속수산화물의 혼합 용액이 배출되고 이러한 혼합 용액이 이산화탄소 흡수부(50)로 공급될 수 있다. 광물화부(25)에서 알칼리금속중탄산염의 결정들이 생성되며 잔류하게 되는 알칼리금속중탄산염 용액이 혼합부(70)로 공급되어 알칼리금속탄산염으로 전환된다.

제2양태 또한, 이산화탄소가 제거되며 고부가가치 생성물로, 알칼리금속중탄산염과 염소, 수소가 생산될 수 있으며, 차아염소산염 제조부가 더 구비되는 경우 염소가 아닌 알칼리금속의 차아염소산염이 생산될 수 있다. 또한, 광물화부(25) 후단에 가열부(40)가 더 구비되는 경우 알칼리금속중탄산염 분말이나 알칼리금속탄산염 분말이 선택적으로 생산될 수 있다.

도 4는 제2양태의 일 예에 따른 광물화 장치의 공정도를 도시한 도면으로, 염수 전기분해가 산소-소모 클로르알칼리 공정에 의한 일 예이다. 도 4에 도시한 예와 같이, 광물화 장치는 산소-소모 클로르알칼리 공정에 의해 염수를 전기분해하는 전기분해부(15), 이산화탄소 흡수부(50) 및 광물화부(25)를 포함할 수 있으며, 혼합부(60) 및/또는 가열부(40)를 더 포함할 수 있다.

전기분해부가 산소-소모 클로르알칼리 공정에 의해 전기분해함에 따라, 전기분해부(15)는 산화전극측으로 염수를 공급받고 산소-소모 환원전극측으로 물을 포함하는 전극액 및 함산소 가스를 공급받아, 산화전극측에서 염소 가스를 배출하고, 산소-소모 환원전극측에서 알칼리금속수산화물 수용액(만)이 생성된다. 이에, 도 3의 일 예와 달리, 기액분리부(30)를 배제할 수 있으며, 산소-소모 환원전극측에서 배출되는 알칼리금속수산화물 수용액이 직접적으로 이산화탄소 흡수부(50)로 공급되거나, 혼합부(60)에서 광물화부(25)의 잔류 액상과 혼합된 후 이산화탄소 흡수부(50)로 공급될 수 있다. 이때, 제2양태는 장치 내 순환되는 환원전극액이 알칼리금속탄산염 용액을 포함함에 따라, 산소-소모 환원전극측으로 공급되는 물을 포함하는 전극액은 알칼리금속탄산염 용액을 포함할 수 있으며, 산소-소모 환원전극측에서 배출되는 액은 알칼리금속탄산염과 전기분해시 생성된 알칼리금속수산화물을 함유하는 용액을 포함은 물론이다.

이산화탄소 흡수부(50)에서 배출되는 알칼리금속탄산염 수용액은 제1분기 액상과 제2분기 액상으로 분기되어, 제1분기 액상은 광물화부(25)로, 제2분기 액상은 장치 외부에서 공급되는 물과 혼합되어, 환원전극액으로써, 산소-소모 환원전극측으로 공급된다. 이에, 전기분해부(15)와 이산화탄소 흡수부(50) 사이에서 알칼리금속탄산염 수용액의 순환 라인이 형성되어, 산소-소모 클로르알칼리 공정에 의한 전력 절감과 함께 알칼리금속탄산염 수용액을 함유하는 환원전극액에 의한 전력 절감 또한 이루어진다.

도 5는 제1양태의 일 예에 따른 광물화 장치의 공정도를 도시한 도면으로, 염수 전기분해가 산소-소모 클로르알칼리 공정에 의해 이루어지고, 차아염소산염 제조부(70)가 더 구비된 예를 도시한 것이다.

도 5는, 전기분해부(15)의 환원전극 측에서 생성 및 배출되는 알칼리금속 수산화물 용액이 제1분개 용액, 제2분기 용액 및 제3분기 용액으로 분기되어, 제1분기 용액은 광물화부(20)로 공급되어 이산화탄소의 광물화에 사용되고, 제2분기 용액은 전기분해부의 환원전극 측으로 순환되고, 제3분기 용액은 차아염소산염 제조부(70)로 공급되는 예이다.

차아염소산염 제조부(70)는 전기분해부(15)의 산화전극 측에서 생성 및 배출되고 기액분리기(5)에 의해 잔류 알칼리금속염화물 수용액과 분리된 염소 가스를 공급받고, 분기된 알칼리금속수산화물 수용액을 공급받아, 알칼리금속 차아염소산염 수용액을 제조할 수 있다. 그러나, 도 5의 일 예와 달리 알칼리금속 수산화물이 장치 외부에서 차아염소산염 제조부로 공급될 수도 있음은 물론이다.

도 6은 제2양태의 일 예에 따른 광물화 장치의 공정도를 도시한 도면으로, 염수 전기분해가 산소-소모 클로르알칼리 공정에 의해 이루어지고, 차아염소산염 제조부(70)가 더 구비된 예를 도시한 것이다. 도 6에 도시된 예와 같이, 알칼리금속탄산염 용액이 순환되는 경우, 차아염소산염 제조부(70)는 전기분해부(15)의 산화전극 측에서 생성 및 배출되고 기액분리기(5)에 의해 잔류 알칼리금속염화물 수용액과 분리된 염소 가스를 공급받고, 장치 외부에서 공급되는 알칼리금속수산화물을 공급받아 알칼리금속 차아염소산염을 제조할 수 있다.

본 발명은 상술한 장치를 이용한 이산화탄소 광물화 방법을 포함한다. 이에, 이산화탄소 광물화 방법은 광물화 장치를 기반으로 상술한 모든 내용을 포함한다.

본 발명의 제1양태에 따른 이산화탄소 광물화 방법은 염수를 전기분해하여 염소 가스와 알칼리금속수산화물 수용액을 생성하는 전기분해 단계; 상기 알칼리금속수산화물 수용액이 분기된 제1분기 액상과 제2분기 액상 중 제1분기 액상과 이산화탄소를 포함하는 처리대상가스를 반응시켜 결정화된 알칼리금속중탄산염을 생성하는 광물화 단계;를 포함하며, 상기 제2분기 액상은 상기 전기분해 단계의 환원전극의 전극액으로 공급된다. 이때, 전기분해 단계는 상술한 제1양태에 따른 장치의 전기분해부에서, 광물화 단계는 상술한 제1양태에 따른 장치의 광물화부에서 수행될 수 있다.

본 발명의 제2양태에 따른 이산화탄소 광물화 방법은 염수를 전기분해하여 염소 가스와 알칼리금속수산화물 수용액을 생성하는 전기분해 단계; 전기분해 단계에서 생성된 알칼리금속수산화물 수용액과 이산화탄소를 포함하는 제1처리대상가스를 반응시켜 알칼리금속탄산염 수용액을 생성하는 이산화탄소 흡수단계; 및 이산화탄소 흡수단계에서 생성된 알칼리금속탄산염 수용액이 분기된 제1분기 액상과 제2분기 액상 중 제1분기 액상 및 이산화탄소를 포함하는 제2처리대상가스를 반응시켜 결정화된 알칼리금속중탄산염을 생성하는 광물화 단계;를 포함하며, 상기 제2분기 액상은 상기 전기분해 단계의 환원전극의 전극액으로 공급된다. 이때, 전기분해 단계는 상술한 제2양태에 따른 장치의 전기분해부에서, 이산화탄소 흡수 단계는 상술한 제2양태에 따른 장치의 이산화탄소 흡수부에서, 광물화 단계는 상술한 제2양태에 따른 장치의 광물화부에서 수행될 수 있다.

본 발명의 제2양태에 따른 일 구체예에 있어, 광물화 단계에서 액상으로 잔류하는 알칼리금속중탄산염 수용액은 전기분해 단계에서 생성된 알칼리금속수산화물 수용액과 혼합되어 상기 이산화탄소 흡수단계로 공급될 수 있다. 이때, 혼합은 상술한 제2양태에 따른 장치의 혼합부에서 수행될 수 있다.

본 발명의 제2양태에 따른 일 구체예에 있어, 이산화탄소 흡수단계에서 생성되는 알칼리금속탄산염 수용액의 pH는 11.0 내지 12.5, 구체적으로 pH 12-12.5일 수 있다.

본 발명(제1양태 또는 제2양태)의 일 구체예에 따라, 전기분해 단계가 수소-발생 클로르알칼리 공정에 의해 수행되는 경우, 전기분해시 산화전극측으로 염수를 공급받고 환원전극측으로 물을 포함하는 환원전극액을 공급받아 염수를 전기분해하여, 산화전극측에서 염소 가스가 생성되며, 환원전극측에서 알칼리금속수산화물 수용액과 수소 가스를 포함하는 혼합물이 생성될 수 있다. 이때, 제1양태에서 환원전극측에 공급되는 환원전극액은 알칼리금속수산화물 용액을 포함할 수 있고, 제2양태에서 환원전극측에 공급되는 환원전극액은 알칼리금속탄산염 용액을 포함할 수 있다.

이에, 전기분해 단계가 수소-발생 클로르알칼리 공정에 의해 수행되는 경우, 전기분해 단계 직후, 환원전극측에서 생성된 혼합물을 수소 가스를 포함하는 기상과 알칼리금속수산화물 수용액을 포함하는 액상으로 기액분리하는 단계가 더 수행될 수 있다.

본 발명(제1양태 또는 제2양태)의 일 구체예에 따라, 전기분해 단계가 산소-소모 클로르알칼리 공정에 의해 수행되는 경우, 전기분해시 산화전극측으로 염수를 공급받고 환원전극측으로 물을 포함하는 환원전극액 및 함산소 가스를 공급받아 염수를 전기분해하여, 산화전극측에서 염소 가스가 생성되고, 환원전극측에서 알칼리금속수산화물 수용액이 생성될 수 있다.

본 발명(제1양태 또는 제2양태)의 일 구체예에 있어, 전기분해 단계의 산소-소모 클로르알칼리 공정 또는 수소-발생 클로르알칼리 공정에서, 산화전극 측에서 생성되는 염소가스와 잔류 알칼리금속염화물 용액은 기액분리되어, 염소 가스는 압축 저장되거나 차아염소산염 제조에 사용될 수 있으며, 잔류 알칼리금속염화물 용액은 전기분해 단계에 재사용될 수 있다. 즉, 잔류 알칼리금속염화물 용액은 외부에서 공급되는 알칼리금속염화물 용액과 혼합되어 일정한 농도의 알칼리금속염화물 용액이 클로르알칼리 공정의 산화전극측에 지속적으로 공급될 수 있다.

본 발명(제1양태 또는 제2양태)의 일 구체예에 있어, 분기되어 전기분해 단계의 환원 전극으로 투입되는 분기된 액상(제1양태의 경우 분기된 알칼리금속수산화물 수용액, 제2양태의 경우 분기된 알칼리금속탄산염 수용액)은 외부에서 공급되는 물과 혼합되어 전기분해 단계의 환원전극의 전극액으로 공급될 수 있다. 이때, 물은 전기분해 단계의 환원전극에 공급되는 알칼리금속수산화물 수용액이나 알칼리금속탄산염 수용액의 농도가 일정하게 유지되도록 혼합될 수 있으며, 이에 의해 전기분해 단계(환원전극)에는 일정한 농도의 환원전극액이 지속적으로 공급될 수 있다.

본 발명(제1양태 또는 제2양태)의 일 구체예에 있어, 전기분해 단계에서 생성된 염소와, 전기분해 단계에서 생성된 알칼리금속수산화물 수용액의 일부 또는 외부에서 공급되는 알칼리금속수산화물 수용액을 반응시켜 알칼리금속 차아염소산염을 생성하는 차아염소산염 제조단계;를 더 포함할 수 있다. 이때, 차아염소산염 제조단계는 상술한 장치에서 차아염소산염 제조부에서 수행될 수 있다.

본 발명(제1양태 또는 제2양태)의 일 구체예에 있어, 광물화 단계에서 생성된 결정화된 알칼리금속중탄산염을 건조 또는 열처리하여 알칼리금속중탄산염 분말, 알칼리금속탄산염 분말 또는 이들의 혼합 분말을 생성하는 가열 단계를 더 포함할 수 있다. 이때, 건조 또는 열처리는 상술한 가열부에서 수행될 수 있다. 이때, 광물화 단계에서 알칼리금속중탄산염을 열처리하여 알칼리금속탄산염 분말을 제조하는 경우, 발생하는 이산화탄소 가스는, 처리대상가스로, 이산화탄소 흡수단계나 결정화단계에 사용될 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 광물화 장치 및 방법은 온실가스인 이산화탄소를 포함하는 산성가스를 제거함과 동시에, 알칼리금속중탄산염이나 알칼리금속탄산염의 유용 물질과 함께, 염소나 차아염소산염, 수소 등의 고부가가치 물질이 생성되는 장점이 있다. 또한, 산소-소모 클로르알칼리 공정에 의한 염수의 전기분해 및 알칼리금속탄산염을 함유하는 환원전극액에 의해, 장치 구동에 소요되는 전력을 크게 절감시킬 수 있으며, 폐액의 발생을 최소화할 수 있는 장점이 있다. 또한, 환원전극액이 알칼리금속탄산염 용액을 함유하는 경우, 고농도화가 가능하고 상대적으로 낮은 pH를 가질 수 있어, 보다 대량의 광물(알칼리금속탄산염, 알칼리금속중탄산염)을 수득할 수 있으며 장치의 에너지 효율을 보다 향상시킬 수 있고, 이산화탄소 뿐만 아니라 황산화물이나 질소산화물등과 같은 다른 산성 가스 또한 제거될 수 있으며, 이온교환막의 안정성이 높아져 장기간 장치의 구동이 가능한 장점이 있다.

이상과 같이 본 발명에서는 특정된 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.

따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

Claims (18)

1. 염수를 전기분해하여 염소 가스와 알칼리금속수산화물 수용액을 생성 배출하는 전기분해부;
   상기 전기분해부에서 배출되는 알칼리금속수산화물 수용액이 분기된 제1분기 액상과 제2분기 액상 중, 제1분기 액상과 이산화탄소를 포함하는 처리 대상 가스를 공급받아 결정상의 알칼리금속중탄산염을 생성하는 광물화부;를 포함하며,
   상기 제2분기 액상이 상기 전기분해부의 환원전극의 전극액으로 공급되는 이산화탄소 광물화 장치.
2. 염수를 전기분해하여 염소 가스와 알칼리금속수산화물 수용액을 생성 배출하는 전기분해부;
   상기 전기분해부에서 배출되는 알칼리금속수산화물 수용액과 이산화탄소를 포함하는 제1처리대상가스를 공급받아 알칼리금속탄산염 수용액을 배출하는 이산화탄소 흡수부; 및
   상기 이산화탄소 흡수부에서 배출되는 알칼리금속탄산염 수용액이 분기되어 생성된 제1분기 액상과 제2분기 액상 중 제1분기 액상과 이산화탄소를 포함하는 제2처리대상가스를 공급받아 결정상의 알칼리금속중탄산염을 생성하는 광물화부;를 포함하며,
   상기 제2분기 액상이 상기 전기분해부의 환원전극의 전극액으로 공급되는 이산화탄소 광물화 장치.
3. 제 2항에 있어서,
   상기 이산화탄소 광물화 장치는 혼합부를 더 포함하며, 상기 전기분해부에서 배출되는 상기 알칼리금속수산화물 수용액은 상기 혼합부에서 상기 광물화부에 잔류하는 알칼리금속중탄산염 수용액과 혼합되어 상기 이산화탄소 흡수부로 공급되는 이산화탄소 광물화 장치.
4. 제 2항에 있어서,
   상기 이산화탄소 흡수부에서 배출되는 알칼리금속탄산염 수용액의 pH는 11.0 내지 12.5인 이산화탄소 광물화 장치.
5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 전기분해부는 산화전극측으로 염수를 공급받고 환원전극측으로 물을 포함하는 전극액을 공급받아 산화전극측에서 염소 가스를 배출하고, 환원전극측에서 알칼리금속수산화물 수용액과 수소 가스를 포함하는 혼합물을 배출하며, 상기 혼합물을 기상과 액상으로 분리 배출하는 기액분리부에 의해 배출된 액상이 분기되고, 상기 제2분기 액상은 상기 물과 혼합되어 상기 환원전극측으로 공급되는 이산화탄소 광물화 장치.
6. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 전기분해부의 환원전극은 산소-소모 환원전극(ODC; oxygen depolarized cathode)이며, 상기 전기분해부는 산화전극측으로 염수를 공급받고 산소-소모 환원전극측으로 물을 포함하는 전극액 및 함산소 가스를 공급받아, 산화전극측에서 염소 가스를 배출하고, 산소-소모 환원전극측에서 알칼리금속수산화물 수용액을 배출하며, 상기 제2분기 액상은 상기 물과 혼합되어 상기 산소-소모 환원전극측으로 공급되는 이산화탄소 광물화 장치.
7. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 이산화탄소 광물화 장치는 상기 전기분해부의 산화전극측에서 배출되는 잔류 알칼리염화물 수용액과 염소 가스를 포함하는 혼합물을 공급받아 염소 가스의 기상과 잔류 알칼리염화물 수용액의 액상을 분리 배출하는 기액분리기를 더 포함하며, 상기 기액분리기에서 배출되는 잔류 알칼리염화물 수용액은 상기 전기분해부의 산화전극의 전극액으로 재공급되는 이산화탄소 광물화 장치.
8. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
   이산화탄소 광물화 장치는 차아염소산염 제조부를 더 포함하며,
   상기 차아염소산염 제조부는, 상기 전기분해부에서 생성 배출되는 염소와 알칼리금속수산화물 수용액의 일부나 장치 외부에서 공급되는 알칼리금속수산화물을 공급받아 알칼리금속의 차아염소산염을 생성하는 이산화탄소 광물화 장치.
9. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 이산화탄소 광물화 장치는 가열부를 더 포함하며,
   상기 가열부는, 고액 분리에 의해 상기 이산화탄소 광물화부에서 생성된 알칼리금속중탄산염을 공급받아 탈수 및 건조하거나, 또는 열처리하여, 알칼리금속중탄산염 분말, 알칼리금속탄산염 분말 또는 이들의 혼합 분말을 생성하는 이산화탄소 광물화 장치.
10. 염수를 전기분해하여 염소 가스와 알칼리금속수산화물 수용액을 생성하는 전기분해 단계;
    상기 알칼리금속수산화물 수용액이 분기된 제1분기 액상과 제2분기 액상 중 제1분기 액상과 이산화탄소를 포함하는 처리대상가스를 반응시켜 결정화된 알칼리금속중탄산염을 생성하는 광물화단계;를 포함하며,
    상기 제2분기 액상은 상기 전기분해 단계의 환원전극의 전극액으로 공급되는 이산화탄소 광물화 방법.
11. 염수를 전기분해하여 염소 가스와 알칼리금속수산화물 수용액을 생성하는 전기분해 단계;
    전기분해 단계에서 생성된 알칼리금속수산화물 수용액과 이산화탄소를 포함하는 제1처리대상가스를 공급받아 알칼리금속탄산염 수용액을 생성하는 이산화탄소 흡수단계; 및
    이산화탄소 흡수단계에서 생성된 알칼리금속탄산염 수용액이 분기된 제1분기 액상과 제2분기 액상 중 제1분기 액상 및 이산화탄소를 포함하는 제2처리대상가스를 공급받아 결정화된 알칼리금속중탄산염을 생성하는 광물화단계;를 포함하며,
    상기 제2분기 액상은 상기 전기분해 단계의 환원전극의 전극액으로 공급되는 이산화탄소 광물화 방법.
12. 제 11항에 있어서,
    상기 광물화단계에서 잔류하는 알칼리금속중탄산염 수용액이 상기 전기분해 단계에서 생성된 알칼리금속수산화물 수용액과 혼합되어 상기 이산화탄소 흡수단계로 공급되는 이산화탄소 광물화 방법.
13. 제 11항에 있어서,
    상기 이산화탄소 흡수단계에서 생성되는 알칼리금속탄산염 수용액의 pH는 11.0 내지 12.5인 이산화탄소 광물화 방법.
14. 제 10항 내지 제 13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전기분해 단계는, 산화전극측으로 염수를 공급받고 환원전극측으로 물을 포함하는 전극액을 공급받아 염수를 전기분해하여, 산화전극측에서 염소 가스를 생성 배출하고, 환원전극측에서 알칼리금속수산화물 수용액과 수소 가스를 포함하는 혼합물을 생성 배출하며, 상기 혼합물의 기상 분리에 의해 분리된 액상이 제1분기 액상과 제2분기 액상으로 분기되고, 상기 제2분기 액상이 물과 혼합되어 환원전극측으로 공급되는 이산화탄소 광물화 방법.
15. 제 10항 내지 제 13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전기분해 단계에서, 염수의 전기분해는 산소-소모 환원전극을 이용한 것이며, 상기 전기분해 단계는, 산화전극측으로 염수를 공급받고 환원전극측으로 물을 포함하는 전극액 및 함산소 가스를 공급받아 염수를 전기분해하여, 산화전극측에서 염소 가스를 배출하고, 환원전극측에서 알칼리금속수산화물 수용액을 배출하며, 상기 제2분기 액상이 물과 혼합되어 산소-소모 환원전극측으로 공급되는 이산화탄소 광물화 방법.
16. 제 10항 내지 제 13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전기분해 단계에서 생성된 염소와 잔류 알칼리염화물 수용액의 혼합물은 기액 분리에 의해 분리되어, 분리된 잔류 알칼리염화물 수용액은 상기 전기분해 단계에 재공급되는 이산화탄소 광물화 방법.
17. 제 10항 내지 제 13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전기분해 단계에서 생성된 염소와, 상기 전기분해 단계에서 생성된 알칼리금속수산화물 수용액의 일부 또는 장치 외부에서 공급되는 알칼리금속수산화물 수용액을 반응시켜 알칼리금속 차아염소산염을 생성하는 단계;를 더 포함하는 이산화탄소 광물화 방법.
18. 제 10항 내지 제 13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광물화단계에서 생성된 결정화된 알칼리금속중탄산염을 탈수 및 건조하거나, 또는 열처리하여 알칼리금속중탄산염 분말, 알칼리금속탄산염 분말 또는 이들의 혼합 분말을 생성하는 이산화탄소 광물화 방법.

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