KR20220022055A

KR20220022055A - 이산화탄소 광물화 및 전세계적-규모 탄소 관리를 제공하기 위한 알칼리성 양이온 농후화 및 물 전기분해

Info

Publication number: KR20220022055A
Application number: KR1020217038510A
Authority: KR
Inventors: 구라브 산트; 에리카 칼라곤 라 플란테; 징보 왕; 데이비드 자스비; 단테 시모네티; 압둘아지즈 알투르키
Original assignee: 더 리전트 오브 더 유니버시티 오브 캘리포니아
Priority date: 2019-06-14
Filing date: 2020-06-12
Publication date: 2022-02-23
Also published as: BR112021023624A2; CN113874099A; JP2022537100A; WO2021061213A2; AU2020356195A1; WO2021061213A3; WO2021061213A9; EP3983113A2; EP3983113A4; SG11202112173YA; CA3143204A1; US20220040639A1; US11413578B2; US20230019754A1

Abstract

존재하는 경우, 이산화탄소를 포함하는 기체성 스트림을 불용성 탄산염을 형성할 수 있는 이온을 포함하는 수용액과 접촉시키는 단계; 이산화탄소를 포함하는 수용액을 그 알칼리화를 유도하여 용액으로부터 탄산염 고체의 침전을 강제함으로써 전기분해에 의해 용해된 무기 탄소를 제거하는, 전기활성 메쉬와 접촉시키는 단계; 및 침전된 탄산염 고체를 용액으로부터, 또는 이들이 침적할 수 있는 메쉬의 표면으로부터 제거하는 단계에 의한, 수성 스트림 또는 기체성 스트림으로부터 이산화탄소를 제거하는 방법이 본 명세서에 제공된다. 전기활성 메쉬를 포함하는 회전 실린더와 유체 연결되는 흡입 장치, 및 메쉬 표면으로부터 고체를 분리하기 위한 스크래핑 장치 및/또는 액체-분무 기반 장치를 포함하는 관통형 전기분해 반응기가 또한 본 명세서에 제공된다.

Description

이산화탄소 광물화 및 전세계적-규모 탄소 관리를 제공하기 위한 알칼리성 양이온 농후화 및 물 전기분해

관련 출원에 대한 상호-참조

본 출원은 2019년 6월 14일자로 출원된 미국 가특허 출원 번호 62/861,848의 이익을 주장하며, 그 전체가 본 명세서에 참조로 포함된다.

연방 후원 연구 또는 개발에 관한 성명서

본 발명은 미국 에너지부에서 부여한 승인 번호 DE-FE0029825, DE-FE0031718, DE-FE0031705 하에서 정부 지원으로 이루어졌다. 정부는 본 발명에서 특정의 권리를 가진다.

전세계적 평균 온도의 상승을 완화하고 기후 변화의 영향을 줄이기 위해서는 기존 대기 중의 이산화탄소 및 지속적인 이산화탄소 배출의 관리가 바람직하다. 이를 현실적으로 달성하기 위해, 다음 세기 내에 연간 약 10-20기가톤(Gt)의 CO₂가 대기에서 제거되어야 하며, 이는 대규모로 시행될 수 있는 탄소 관리 전략을 필요로한다.

상당한 탄소 포집 및 저장은 유체 상태(예를 들어, 기체, 액체 또는 초임계)에서 CO₂를 처리하는 데 중점을 둔다. 이러한 유체-상태 처리는 비용이 많이 들고 에너지 집약적인 분리, 압축을 위한 대규모 에너지 요구, 및 누출 가능성이 있는 가압 격납에 대한 높은 비용을 포함하여, CO₂의 경로, 프로세스 및 처리 루트에 대해 제약과 복잡성을 부과한다.

(고갈된) 오일 및 가스 저장소, 채광불가능한 석탄층, 및 염수 대수층을 포함하는 지질학적 지층 안으로의 점오염원 또는 대기로부터 포획된 CO₂의 주입은 북미에서 최대 22,000Gt의 CO₂를 격리할 수 있다. 이론적인 용량은 엄청나지만, 실질적으로 암석 파쇄 또는 기존 단층의 재활성화를 방지하는 데 필요한 압력 제한 및/또는 잔류 탄화수소의 존재로 50년의 주입에 걸쳐 연간 대략 700Mt인 보다 적당한 저장 용량이 초래된다. 지질학적 격리 장소의 상상할 수 있는 용량은 현재 (및 미래) CO₂ 배출 수준을 수용하기에 보다 더 충분할 것으로 예상되지만, CO₂ 이동 및 누출의 위험, 주입 과정의 관리 및 검증을 위해서는 시간 경과에 따른 유정, 지하 및 지표면에 대한 상당한 모니터링이 필요하다. 부가하여, 탄소 포집, 격리 및 저장(CCSS)을 기반으로 하는 탄소 관리에 대한 전통적인 접근 방식은 (i) 공기 또는 연도 가스 흐름으로부터 CO₂를 탈혼합하는 엔트로피와 연관된 열역학적 패널티 및 고체- 또는 액체 기질로부터 CO₂를 탈착하는 엔탈피를 충족하기 위한 후속적인 필요 및 (ii) CO₂를 지질학적 격리 장소로 수송하기 위한 막대한 물류 및 운송 인프라구조(예를 들어, 파이프라인)에 대한 필요를 담보로 한다. 특히, 기존의 수착/탈착-기반 CO₂ 포집에서 에너지 소비는 시스템의 엔트로피 감소 및 파이프라인 수송 및 후속 지질학적 격리에 충분한 수준으로 CO₂ 농도를 허용하는 탈착 단계를 포함하는, 기체 혼합물로부터의 CO₂ 분리와 연관된다. 종합하면, 기술적인 도전이 남아 있고 점진적으로 해결되고 있지만 - CCSS의 실제적인 실현은 전 세계 CCSS 프로젝트의 위험을 제거하고, 제한적으로, 계류중인 모범-사례 및 시간-제한 모니터링인, 무해한 개발자에게 권한을 부여하는 지원 정책에 대해 강력하게 조절된다.

지질학적 격리 및 저장 외에도, 토지 사용에서의 변화, 농업 관행, 해양 지구공학 및 CO₂의 건축 자재로의 화학적 전환은 탄소 관리(예를 들어, 배출 감소, 및 대기 탄소 제거)를 보장하기 위한 접근방식의 포트폴리오를 구성하는 대안적인 대규모의 경로를 제공한다. 네거티브(CO₂/탄소) 배출 기술(NET)의 개발에서 일부 진전이 있었지만, 필요한 CO₂ 제거율 및 비용-효율적인/-실행가능한 방식으로 항구적인 탄소 저장을 달성하기 위해 훨씬 더 실질적인 "기하급수적" 발전이 필요하다.

이 배경에 대하여 본 개시내용에 기술된 실시형태를 개발할 필요가 생겼다.

개시내용의 일부 실시형태는, 존재하는 경우, 이산화탄소를 포함하는 기체성 스트림을 불용성 탄산염을 형성할 수 있는 이온을 포함하는 수용액과 접촉시키고; 이산화탄소를 포함하는 수용액을 그 알칼리화를 유도하여 용액으로부터 탄산염 고체(들)의 침전을 강제하는 전기활성 메쉬와 접촉시키고; 그리고 침전된 탄산염 고체를 용액으로부터, 또는 이들이 침적할 수 있는 메쉬의 표면으로부터 제거함으로써, 수성 스트림 또는 기체성 스트림으로부터 이산화탄소를 제거하는 방법을 포함한다. 일부 실시형태에서, 기체성 스트림이 존재한다. 일부 실시형태에서, 기체성 스트림은 0.04 내지 100 부피% CO₂를 포함한다. 일부 실시형태에서, 기체성 유체는 대기이다. 일부 실시형태에서, 기체성 유체는 천연 가스-화력 발전소, 석탄-화력 발전소, 제련소, 제철소, 시멘트 공장, 에탄올 공장, 및 화학 제조 공장에서 방출되는 연도 가스이다. 일부 실시형태에서, 수용액은 기체성 스트림과 평형상태인 일정량의 용해된 이산화탄소를 함유한다. 일부 실시형태에서, 수용액은 기체성 스트림과 열 평형상태에 있다. 일부 실시형태에서, 수용액은 기체성 스트림과 열 평형상태에 있지 않다. 일부 실시형태에서, 기체성 스트림은 존재하지 않는다. 일부 실시형태에서, 불용성 탄산염을 형성할 수 있는 이온은 다음 Ca, Mg, Ba, Sr, Fe, Zn, Pb, Cd, Mn, Ni, Co, Cu 및 Al 중 하나 이상을 포함하는 이온을 포함한다. 일부 실시형태에서, 수용액은 약 1,000ppm 이상의 NaCl의 농도를 갖는다. 일부 실시형태에서, 수용액은 약 30,000ppm 이상의 NaCl의 농도를 갖는다. 일부 실시형태에서, 수용액은 해수를 포함한다. 일부 실시형태에서, 전기활성 메쉬는 금속성 또는 비-금속성 조성물을 포함하는 메쉬 음극을 포함한다. 일부 실시형태에서, 방법은 광물화된 이산화탄소의 톤당 약 2.5MWh 이하의 종단 간 에너지 강도를 이용한다. 일부 실시형태에서, 수용액은 대기의 존재비로 완충되는 양의 용해된 이산화탄소를 함유한다. 일부 실시형태에서, 전기활성 메쉬는 전기활성 메쉬의 약 2 내지 20000μm 이내의 수용액내 제자리에서 증가된 알칼리성 조건을 생성한다. 일부 실시형태에서, 알칼리화된 조건은 9 이상의 pH이다. 일부 실시형태에서, 전기활성 메쉬는 금속성 또는 탄소계 메쉬로 구성된다. 일부 실시형태에서, 전기활성 메쉬는 스테인리스강, 산화티탄, 탄소 나노튜브, 중합체, 및/또는 흑연, 또는 이들 재료의 다른 하이브리드 조성물을 함유한다. 일부 실시형태에서, 전기활성 메쉬는 약 0.1μm 내지 약 10000μm 범위의 직경을 갖는 기공을 포함한다. 일부 실시형태에서, 탄산염 고체의 침전을 유도하는 것은 용액 내 전기활성 메쉬로 구성된 실린더를 회전시키는 동시에, 용액을 메쉬의 외부 표면 상으로 끌어당기기 위해 흡인을 적용하는 것을 포함한다. 일부 실시형태에서, 용액은 염수 용액이다. 일부 실시형태에서, 용액은 알칼리 금속-함유 용액이다. 일부 실시형태에서, 탄산염 고체의 침전을 유도하는 것은 Ca, Mg, Ba, Sr, Fe, Zn, Pb, Cd, Mn, Ni, Co, Cu, 또는 Al을 갖는 적어도 하나의 탄산염의 침전을 유도하는 것을 포함한다.

개시내용의 일부 실시형태는 전기활성 메쉬를 포함하는 회전 실린더와 유체 연결되는 흡입 장치, 및 표면 또는 용액으로부터 고체를 분리하기 위한 스크래핑 장치 및/또는 액체-분무 기반 장치를 포함하는 관통형 전기분해 반응기를 포함한다. 일부 실시형태에서, 반응기는 이산화탄소, Ca 이온, 및 Mg 이온을 포함하는 수용액을 추가로 포함한다. 일부 실시형태에서, 전기활성 메쉬는 이산화탄소 및 불용성 탄산염을 형성할 수 있는 이온을 포함하는 수용액으로부터 탄산염 고체의 침전에 의해 용해된 무기 탄소의 제거를 유도할 수 있다. 일부 실시형태에서, 전기활성 메쉬는 금속성 또는 탄소계 메쉬를 함유한다. 일부 실시형태에서, 전기활성 메쉬는 스테인리스강, 산화티타늄, 탄소 나노튜브, 중합체, 및/또는 흑연, 또는 이들 재료의 하이브리드 조성물을 함유한다. 일부 실시형태에서, 반응기는 복수의 전기활성 메쉬를 포함한다. 일부 실시형태에서, 복수의 전기활성 메쉬는 일련의 평행한 평면 셀 또는 평행한 원통형 셀에 배열된다. 일부 실시형태에서, 반응기는 담수화 장치와 유체 연통한다.

도 1은 이산화탄소 광물화 및 처리 공정의 실시형태를 도시한다. 발열체 및 디퓨저는 선택적 요소이다.
도 2(a)는 조성물 용액: [Ca] = 10mM, [Cl] = 20mM, [CO₂] = 10mM(~30% CO₂; 300000ppm), pH = 4.16(점선 곡선)에 대해 Ca, CO₂ 또는 알칼리도에 의해 영향을 받는 방해석 침전에 대한 한계를 입증하는 대표적인 산출결과를 도시한다. 최대 CaCO₃ 수율은 물 kg당 10mmol이다. [Ca]가 3mM 또는 5mM(진한 파란색 곡선)으로 감소하고([Cl]은 6mM 또는 10mM임), [CO₂] = 10mM, pH = 4.17이면, 최대 CaCO₃ 수율은 3mM 및 5mM로 감소한다. 유사하게, [CO₂]를 3mM(밝은 파란색 곡선)(~9% CO₂, pH = 4.42) 또는 5mM(~15% CO₂, pH = 4.31)으로 감소시키는 것([Ca] = 10mM, [Cl] = 20mM)은 최대 CaCO₃ 수율을 감소시킨다. 흥미롭게도, [Ca]를 감소시키면 동등한 CaCO₃ 수율에 대해 NaOH 소비 증가를 초래하는 반면, [CO₂]를 감소시키면 NaOH 소비가 감소한다. 도 2(b)는 2가지 시나리오를 비교한다: (i) 초기 pCO₂가 5%로, 1.73mM CO₂에 상응하며(굵은 곡선), 침전에 따라 감소하도록 허용되고, (ii) 용액의 pCO₂는 5%(가는 곡선)에서 일정하게 유지된다(예를 들어, 17300ppm의 가스성 CO₂ 스트림과의 지속적인 평형으로). (i)에서 CaCO₃ 침전은 NaOH 첨가에 의해 빠르게 유도되고 도 2(a)에서와 같이 총 용해된 CO₂에 의해 제한된다. (ii)에서 CO₂의 지속적인 공급은 약 7mM의 수율로 CaCO₃ 침전을 가능하게 한다 ([Ca]에 의해 제한됨). (c) Henry의 법칙에 의해 지시된 바와 같이 상이한 pCO₂ 수준(부피%)에서 CO₂와 평형상태인 용액에 대한 방해석 침전을 위한 NaOH 소비.
도 3은 기체-상 농도의 범위에 걸쳐 CO₂의 기체성 스트림과 평형상태인 용액에 대한 pH의 함수로서 총 용해된 탄소 함량을 도시한다. 총 용해된 CO₂는 [H₂CO₃ ^*] + [HCO₃ ^-] + [CO₃ ^2-]와 같다. 참고로 0.04%는 공기 중의 CO₂ 농도를 나타낸다. 비교를 위해 공기 중의 CO₂ 함량이 도시되어 있다.
도 4는 Millero et al.에 의해 제공된 기준 해수 조성에 대한 llnl.dat 데이터베이스와 함께 PHREEQC를 사용한 대표적인 평형 계산을 도시한다(Deep Sea Research Part I: Oceanographic Research Papers 2008 55(1), 50-72). 1:2의 몰비로 CO₂와 NaOH를 동시에 첨가함으로써, 물 kg당 최대 약 ~55mmol 마그네사이트와 ~10mmol 방해석으로, 방해석과 마그네사이트의 침전을 초래한다. 대기압에서 CO₂ 포화 농도는 ~34mM이다. 공학적 공정에서 CO₂ 평형은 탄산염 침전의 과정에 걸쳐서 단순히 공기를 버블링함에 의해 유지될 수 있다(도 2b, 2c 참고).
도 5는 Aspen Plus^®를 사용하여 시뮬레이션된 아민계 공정에 대한 농도의 함수로서 CO₂ 포집 및 압축을 위한 에너지 요구사항을 도시한다(실선 적색 곡선). 혼합물로부터 CO₂를 분리하고 1atm에서 15MPa로 압축하는 데 필요한 열역학적 최소 에너지(점선 적색 곡선)는 (탈)혼합 기체 상 CO₂의 엔트로피를 기반으로 계산된다. 또한 생산을 위한 열역학적 최소 에너지 요구량에서 염소알칼리-생성된 NaOH(파란색 점선)에 대한 CO₂ 광물화(파란색 실선)에 대한 에너지 비용이 도시된다. NaCl에서 NaOH 생산을 위한 이론적인 에너지 요구사항은 Thiel et al. (ACS Sustainable Chem. Eng. 2017, 5(12), 11147-11162)으로부터 얻는다. KOH/K₂CO₃ 공정과 통합된 가성-아민(녹색 원)을 사용한 직접 공기 포집 및 압축(DACC, 마젠타색 삼각형)을 위한 에너지 비용은 Keith et al. (Joule 2018, 2(8), 1573-1594, Climatic Change 2006, 74(1), 17-45)으로부터 각각 얻는다. 수직 회색 선은 공기, 천연 가스- 및 석탄-화력 발전소, 시멘트 공장 연도 가스에서 CO₂ 농도를 나타낸다. 음영 처리된 영역은 다음의 CO₂ 완화 전략에 대한 대표적인 에너지 비용의 범위를 나타낸다: (적색) 포집 및 압축(범위: CO₂ 톤당 열역학적 최소값에서 0.1MWh 부터 4.5MWh; 농도에 의존), (파란색) 전기분해로 합성된 NaOH의 화학양론적 부가(범위: CO₂ 톤당 열역학적 최소값에서 1.26MWh 부터 4.5MWh) 및 (노란색) 전기분해 침전 접근법(단일-단계 탄소 격리 및 저장)(범위: CO₂ 톤당 열역학적 최소값에서 0.07MWh 부터 2.3MWh; 농도와 무관).
도 6(a)는 탄산염 침전을 유도하기 위한 수단으로 도 6(b) 막 음극에서 국소적인 OH^- 생성의 개념 설명을 도시한다. 막 표면 위/근처에 침적된 덩어리는 회전 드럼 여과 용액을 사용하여 제거된다. 도 6(c)는 적응형 시간-스테핑, 삼각형 메쉬 요소(173.21μ㎡의 메쉬 개방) 및 주기적인 경계 조건을 사용한 COMSOL Multiphysics^®를 사용하여 시뮬레이션된 전기 분극화 1초 후에 다른 과전위에 대한 전해질의 pH를 도시한다. 물의 분해 전위는 0 V_RHE(RHE: 가역 수소 전극)로 가정된다(RSC Adv. 2019, 9(54), 31563-31571 참고). 이 시뮬레이션은 과잉 전해질(0.1M NaCl)에 침지된 304L 스테인리스강으로 구성된 평면 전극(100㎟)을 고려하며, 여기서 수소 진전 반응(HER)의 경우 Tafel 관계식 [η = 0.172 + log(i/i_o), 여기서 η는 과전위(V)이고, i는 전류 밀도(A/㎡)이고, i_o는 교환 전류 밀도(1.04 x 10^-7 A/㎡)임]은 pH(t) = 14 + log[{(10^{[(η-1.2)/0.172]})t}/9.6485+10^-7]을 나타내며, 여기서 pH는 1mm 두께인 영역 내에서 인접한 염수 전해질에서 생성된 평균 pH이고, η는 과전위(V)이고 t는 시간(초)이다. 예를 들어, 용액에서 모든 무기 탄소가 CO₃ ^2- 음이온의 형태로 지정되는 막 표면에서 pH 10을 생성하기 위해 약 0.5V의 과전위가 필요하다. 예상대로 전극의 표면적(예를 들어, 메쉬 사용) 또는 그 전기화학적 활성을 증가시키면 표면-근처의 알칼리화를 유도하는 데 필요한 과전위가 감소할 것이다.
도 7은 CO₂ 광물화 및 폐기를 달성하기 위한 단일-단계 탄소 격리 및 저장의 개념적 예시를 도시한다.
도 8(a)는 0.1M NaCl 용액에서 304L 스테인리스강의 음극 분극 곡선을 도시한다. 점선은 수소 진전 반응(HER): η = 0.172 + log(i/i_o)의 Tafel 적합을 나타내며, 여기서 η는 과전위(V)이고, i는 전류 밀도(A/㎡)이고, i_o는 교환 전류 밀도(1.04 x 10^-7 A/c㎡)로, 시간 t(초)에서 1mm 두께인 영역에서 전해질 내, pH(t) = 14 + log[{(10^{[(η-1.2)/0.172]})t}/9.6485+10^-7]임을 나타낸다. 도 8(b)는 환상 반응기(삽입)에 대한 과전위(예를 들어, 셀 전위와 물 분해 전위의 차이, 1.23V)의 함수로 시뮬레이션된 양극과 음극 사이의 평형 pH를 나타낸다. pH는 OH^- 및 H⁺ 이온의 생성과 물질-전달 및 산-염기 중화(OH^- + H⁺ → H₂O)에 의해 조절된다.
도 9(a)는 평면 형상을 갖는 전기분해 침전기의 단면도를 도시한다. 도 9(b)는 원통형 형상을 갖는 전기분해 침전기의 단면도를 도시한다. 두 구성 모두에서 산성화된(C,Ca,Mg)-고갈된 해수 배출 공급물은 유출물의 알칼리도와 pH를 향상시키기 위해 규산염 풍화에 사용될 수 있다.
도 10(a)는, 예를 들어 도 10(b)에서 음극의 단면인, COMSOL Multiphysicsⓒ를 사용하여 시뮬레이션된 원통형 기공(100μm, 반경)을 갖는 1mm-두께 메쉬의 형상을 도시한다. 도 10(a)는 1mm/s의 유속에 대한 상이한 전류 밀도에 대한 기공 용액의 pH를 나타내고, 도 10(c)는 1mA/㎠의 전류 밀도에 대한 상이한 평균 유속에 대한 기공 용액의 pH를 나타낸다.
도 11(a)는 표면 형태와 125nm 부근의 기공 크기를 보여주는 탄소 나노튜브-폴리비닐 알코올(CNT-PVA) 복합막을 도시한다. 도 11(b)는 CaCO₃로 열중량 분석에 의해 확인된 침전물을 보여주는, 유동-반응기에서 1V(셀) 전위의 적용 후 10mM CaCl₂ 용액에 노출된 양극-활성탄(흑연) 전극 표면(기공 크기 20μm)의 광학 이미지(FOV ~1mm x 1mm)를 도시한다. 용해된 Ca²⁺의 제거는 유입에 비해 배출에서 더 낮은 [Ca]에 의해 더욱 입증되었다.

본 개시내용의 특정 실시형태는 CO₂를 고정하는 방법에 대한 것이다.

일부 실시형태에 따른 일 양태에서, 방법은 이산화탄소를 용액 안으로 도입하는 것; 및 용액으로부터 탄산염 고체의 침전을 유도하는 것을 포함하며, 여기서 탄산염 고체의 침전을 유도하는 것은 용액에 대해 물 전기분해를 수행하는 것을 포함한다. 일부 실시형태에서, 용액 안으로 이산화탄소를 도입하는 것은 가스 디퓨저를 통해서 된다. 일부 실시형태에서, 용액은 대기와의 평형을 통해 (용해된) 이산화탄소를 함유한다. 일부 실시형태에서, 용액에 대해 물 전기분해를 수행하는 것은 공급 용액의 pH를 증가시키는 것을 포함한다. 일부 실시형태에서, 용액에 대해 물 전기분해를 수행하는 것은 수산화 이온을 생성하는 것을 포함한다. 일부 실시형태에서, 탄산염 고체의 침전을 유도하는 것은 용액 내 막 드럼을 회전시키는 한편, 용액을 막 드럼의 표면 상으로 끌어당기기 위해 흡인을 적용하는 것을 포함한다. 일부 실시형태에서, 용액은 염수 용액이다. 일부 실시형태에서, 용액은 알칼리 금속-함유 용액이다. 일부 실시형태에서, 탄산염 고체의 침전을 유도하는 것은 탄산칼슘 또는 탄산마그네슘, 또는 다른 탄산염(예를 들어, 탄산바륨) 또는 다른 관련 고체 중 적어도 하나의 침전을 유도하는 것을 포함한다. 일부 실시형태에서, 방법은 용액 내에 알칼리 금속 양이온을 농후하게 하는 것을 추가로 포함한다.

일부 실시형태에 따른 또 다른 양태에서, 방법은 이산화탄소를 용액 안으로 도입하는 것; 및 용액으로부터 탄산염 고체의 침전을 유도하는 것을 포함하며, 여기서 탄산염 고체의 침전을 유도하는 것은 용액 내에 막 드럼을 회전시키고, 용액을 막 드럼의 표면으로 끌어당기기 위해 흡인을 적용하는 것을 포함한다. 일부 실시형태에서, 용액 안으로 이산화탄소를 도입하는 것은 가스 디퓨저를 통해서 된다. 일부 실시형태에서, 탄산염 고체의 침전을 유도하는 것은 용액에 대해 물 전기분해를 수행하는 것을 포함한다. 일부 실시형태에서, 용액에 대해 물 전기분해를 수행하는 것은 공급 용액의 pH를 증가시키는 것을 포함한다. 일부 실시형태에서, 용액에 대해 물 전기분해를 수행하는 것은 수산화 이온을 생성하는 것을 포함한다. 일부 실시형태에서, 용액은 염수 용액이다. 일부 실시형태에서, 용액은 알칼리 금속-함유 용액이다. 일부 실시형태에서, 탄산염 고체의 침전을 유도하는 것은 탄산칼슘 또는 탄산마그네슘, 또는 다른 탄산염(예를 들어, 탄산바륨) 또는 다른 관련 고체 중 적어도 하나의 침전을 유도하는 것을 포함한다. 일부 실시형태에서, 방법은 용액 내에 알칼리 금속 양이온을 농후하게 하는 것을 추가로 포함한다.

일부 실시형태에 따른 또 다른 양태에서, 존재하는 경우, 이산화탄소를 포함하는 기체성 스트림을 불용성 탄산염을 형성할 수 있는 이온을 포함하는 수용액과 접촉시키는 것; 이산화탄소를 포함하는 수용액을 알칼리화를 유도하여 용액으로부터 탄산염 고체의 침전 및 전기분해에 의해 용해된 무기 탄소를 제거를 강제하는 전기활성 메쉬와 접촉시키는 것; 및 침전된 탄산염 고체를 용액으로부터, 또는 이들이 침적할 수 있는 메쉬의 표면으로부터 제거하는 것에 의한 수성 스트림 또는 기체성 스트림으로부터 이산화탄소를 제거하는 방법. 일부 실시형태에서, 기체성 스트림이 존재한다. 일부 실시형태에서, 기체성 스트림은 약 0.04 내지 100 부피% CO₂(예를 들어, 약 0.04, 0.1, 0.2, 0.5, 1, 2, 3, 4, 5, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 95, 98, 99, 99.9 부피% CO₂ 및 그 사이의 범위)를 포함한다. 일부 실시형태에서, 기체성 유체는 대기의 공기이다. 일부 실시형태에서, 기체성 유체는 특히 천연 가스- 및 석탄-화력 발전소, 제련 및 제철소, 제강 공장, 시멘트 공장, 에탄올 공장, 및 화학 제조 공장에서 방출된 연도 가스이다. 일부 실시형태에서, 수용액은 기체성 스트림과 평형상태인 일정량의 용해된 이산화탄소를 함유한다. 일부 실시형태에서, 수용액은 예를 들어 5℃ ≤ T ≤ 100℃ 온도에서 기체성 스트림과 열 평형상태에 있다. 일부 실시형태에서, 수용액은 예를 들어 5℃ ≤ T ≤ 100℃ 온도에서 기체성 스트림과 열 평형상태에 있지 않다. 일부 실시형태에서, 기체성 스트림은 존재하지 않는다. 일부 실시형태에서, 불용성 탄산염을 형성할 수 있는 이온은 다음 Ca, Mg, Ba, Sr, Fe, Zn, Pb, Cd, Mn, Ni, Co, Cu 및 Al 중 하나 이상을 포함하는 이온을 포함한다. 일부 실시형태에서, 수용액은 약 1,000ppm 이상의 NaCl의 농도를 갖는다. 일부 실시형태에서, 수용액은 약 30,000ppm 이상의 NaCl의 농도를 갖는다. 일부 실시형태에서, 수용액은 약 1000, 2000, 3000, 4000, 5000, 10000, 20000, 30000, 40000, 50000, 60000ppm 및 그 사이의 범위인 NaCl의 농도를 갖는다. 일부 실시형태에서, 수용액은 해수 또는 반염수 또는 염수를 포함한다. 일부 실시형태에서, 전기활성 메쉬는 금속성 또는 비-금속성 조성물을 포함하는 메쉬 음극을 포함한다. 일부 실시형태에서, 방법은 광물화된 이산화탄소의 톤당 약 2.5MWh 이하의 종단 간 에너지 강도를 이용한다. 일부 실시형태에서, 수용액은 대기 존재비로 완충되는 일정량의 용해된 이산화탄소를 함유한다. 일부 실시형태에서, 전기활성 메쉬는 전기활성 메쉬의 약 2 내지 20000μm 이내의 수용액내 제자리에서 증가된 알칼리성 조건을 생성한다. 일부 실시형태에서, 알칼리화된 조건은 9 이상의 pH(예를 들어, 약 9, 10, 11, 12, 13, 14의 pH 및 그 사이의 범위)이다. 일부 실시형태에서, 전기활성 메쉬는 금속성 또는 탄소계 메쉬를 포함한다. 일부 실시형태에서, 전기활성 메쉬는 스테인리스강, 산화티탄, 탄소 나노튜브, 중합체, 및/또는 흑연, 또는 이들 재료의 다른 하이브리드 조성물(예를 들어, 금속/중합체, 금속/비-금속, 금속/세라믹)을 함유한다. 일부 실시형태에서, 전기활성 메쉬는 약 0.1μm 내지 약 10000μm (예를 들어, 약 10, 50, 100, 200, 300, 400, 500, 1000, 1500, 2000, 3000, 4000, 5000, 6000, 7000, 8000, 9000 또는 10000μm) 범위의 직경을 갖는 기공을 포함한다. 일부 실시형태에서, 탄산염 고체의 침전을 유도하는 것은 용액 내의 전기활성 메쉬로 구성된 실린더를 회전시키는 동시에, 용액을 메쉬의 외부 표면 상으로 끌어당기기 위해 흡인을 적용하는 것을 포함한다. 일부 실시형태에서, 용액은 알칼리 금속-함유 용액이다. 일부 실시형태에서, 탄산염 고체의 침전을 유도하는 것은 Ca, Mg, Ba, Sr, Fe, Zn, Pb, Cd, Mn, Ni, Co, Cu 및 Al을 갖는 적어도 하나의 탄산염의 침전을 유도하는 것을 포함한다.

일부 실시형태에 따른 또 다른 양태에서, 전기활성 메쉬를 포함하는 회전 실린더와 유체 연결되는 흡입 장치, 및 메쉬의 표면/용액으로부터 고체를 분리하기 위한 스크래핑 장치 및/또는 액체-분무 기반 장치를 포함하는 관통형 전기분해 반응기. 일부 실시형태에서, 추가의 관통형 전기분해 반응기는 이산화탄소, Ca 이온, 및 Mg 이온을 포함하는 수용액을 포함한다. 일부 실시형태에서, 전기활성 메쉬는 이산화탄소 및 불용성 탄산염을 형성할 수 있는 이온을 포함하는 수용액으로부터 탄산염 고체의 침전에 의해 용해된 무기 탄소의 제거를 유도할 수 있다. 일부 실시형태에서, 전기활성 메쉬는 금속성 또는 탄소계 메쉬를 함유한다. 일부 실시형태에서, 전기활성 메쉬는 스테인리스강, 산화티타늄, 탄소 나노튜브, 중합체, 및/또는 흑연, 또는 다른 하이브리드 조성물을 함유한다. 일부 실시형태에서, 반응기는 복수의 전기활성 메쉬를 포함한다. 일부 실시형태에서, 복수의 전기활성 메쉬는 일련의 평행한 평면 셀 또는 평행한 원통형 셀에 배열된다. 일부 실시형태에서, 반응기는 담수화 장치와 유체 연통한다.

CO₂는 안정한 광물성 탄산염 내에서 고정될 수 있다. 이 전략의 기본은 수성 매질 내에서 액체 및 고체 스트림으로부터 공급된 Ca²⁺ 및/또는 Mg²⁺ 이온(또는 Ba, Sr, Fe, Zn 등과 같은 불용성 탄산염을 형성할 수 있는 기타 이온)과 기체성 CO₂의 조합에서 고체 탄산칼슘(CaCO₃), 탄산마그네슘(MgCO₃) 및 이들의 변형체의 침전이다. 광물화된 탄소는 그 다음 지표면에서 처리되거나 해양으로 방출될 수 있다. 큰 탄소 저장 용량, 최소한의 환경 영향, 및 늦은 CO₂ 방출의 낮은 위험은 장기 Gt-규모의 CO₂ 폐기물 관리의 주요 경로로서 계획의 실행가능성을 뒷받침한다.

기본적인 CO₂ 광물화 과정은 다음에 기술된 바와 같이, 해수와 유사한 주변중성 Ca- 및 Mg-함유 공급 용액(예를 들어, 약 10 밀리몰(mM) CaCl₂ 및 약 55mM MgCl₂을 함유하는 순수)에 NaOH와 같은 강염기를 첨가함에 의해 달성될 수 있다. 공급 용액은 또한 알칼리 금속-풍부 지하수, 산업 폐수, 담수화 염수 등과 같은 액체 스트림으로 구성될 수 있다. 알칼리성 양이온 농후화는 Ca, Mg 및 기타 알칼리성 양이온의 수성 농도를 증가시키는 선택적 전처리 단계를 구성한다. 농후화는 여과, 용량적 농축 또는 이의 조합에 의해 달성될 수 있다. 그런 다음 폐수 처리에서 활성화된 슬러지 공정에 사용되는 것과 같은 폭기조를 사용하여 효과적인 혼합 및 CO₂ 평형을 달성하여 CO₂-풍부한 물을 얻을 수 있다. 수처리를 위한 응집 및 엉김 과정에서 사용되는 것과 같이 염기(예를 들어, NaOH)를 CO₂-풍부한 물 안으로 혼합하여 CaCO₃ 및 MgCO₃의 침전을 초래할 수 있다. 침전물은 침강에 의해 분리될 수 있고 배출 고형물은 매립을 위해 추가 탈수되거나 담수화 플랜트에서 염수 처리와 유사하게 대양으로 배출될 수 있다.

탄산염 광물화의 열역학 및 동역학은 막 표면에서 유도된 국소적인 pH 및 온도 전이로 더욱 증강될 수 있다. 소모성 시약을 부가하는 대신 진보된 CO₂ 광물화 공정에는 (물 전해조를 통한) 물 전기분해에 의해 수산화 이온(OH^-)을 생성하고 (발열체를 통한) 현장에서 온도를 증가시키는 이산화탄소 광물화 및 처리 장치가 포함된다. 보다 염기성인 용액은 탄산염 침전을 위한 추진력을 증가시키고, 물 전기분해에 의한 OH^-의 생성은 액체의 pH를 증가시켜 탄산염 침전을 촉진시킨다. 유사하게, 온도가 높을수록 탄산염 침전을 위한 추진력이 증가하고 발열체를 사용하면 액체의 온도가 증가되어 탄산염 침전을 촉진한다. CO₂는 선택적으로 가스 디퓨저 및 압축기를 통해 액체 안으로 주입되거나 그렇지 않으면 도입되고; 또는 그 기체성 분위기와 평형상태인 수준으로 액체에 존재할 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 장치의 설계는 탱크 내에 배치된 CO₂-풍부 및 Ca-/Mg-함유 액체(예를 들어, 해수 또는 기타 염수 용액)에서 회전하는 회전식 진공 막 드럼의 형태로 되어 있다. 막 드럼은 흡인(또는 음압)이 적용되는 중앙 덕트를 둘러싸는 여과 매체로 막(예를 들어, 메쉬 또는 체의 형태인 금속성 막)을 포함한다. 막 드럼이 액체를 통해 회전할 때 막의 표면에 탄산염이 형성될 수 있다. 진공 펌프는 중앙 덕트에 연결되고 탄산염으로 CO₃ ^2-와 함께 Ca²⁺ 및 Mg²⁺가 침전되는 막 표면 상으로 그리고 막 표면을 통해 액체를 끌어당기기 위해 흡입을 적용한다. Ca-/Mg-부족 여액은 막 드럼의 내부로 흘러나와 펌핑된다. 탄산염 고체는 막 드럼의 외부에 부착된 다음 나이프를 통과하여 막으로부터 고형물을 제거하고 이에 의해 드럼이 다시 액체 안으로 회전할 때 후속 탄산화를 위해 막 표면을 재생한다. 이 진전된 공정은 또한 담수화 플랜트 내부/내 공정 통합에 대한 가능성을 제공하여, CO₂-주도 기후 변화 및 막 담수화 플랜트에서 (막 표면에 Ca²⁺ 및 Mg²⁺ 화합물의 축적에 의해 기인한) 스케일링 문제의 이슈를 동시에 해결한다.

실시예

탄산칼슘, 예를 들어, 방해석의 침전은 다음과 같이 주어진다:

CaCO₃ (방해석)

Ca²⁺+ CO₃ ^2-, 25℃에서 log K _sp= -8.48, [1]

여기서 K _sp는 용해도 곱(평형 상수로도 알려짐)이고 평형상태에서 Ca²⁺ 및 CO₃ ^2-의 수성 활성의 곱과 같다. 방해석의 침전 동안, 물에서 CO₂의 종분화를 통해 형성된 양자인, HCO₃ ^- 또는 CO₃ ^2-는 성장하는 표면 상에 흡착 및 통합될 수 있다. CaCO₃의 K _sp는 온도에 따라 감소하여 25℃에서 90℃로 방해석-포화 용액의 온도를 올리면 약 300μmol/물 kg의 수율로 방해석의 침전을 초래한다. CO₂-H₂O 시스템을 기술하는 종분화 반응 및 해리 상수는 다음과 같이 작성된다:

H₂CO₃*

HCO₃ ^- + H⁺, log K ₁ = -6.35, 및 [2]

HCO₃ ^-

CO₃ ^2- + H⁺, log K ₂ = -10.33 [3]

여기서 H₂CO₃*는 총 CO₂(aq) 및 H₂CO₃ ⁰을 나타낸다. 용해된 CO₂의 분할은 Bjerrum 다이어그램에 의해 설명된다. 일반적으로 CO₃ ^2- 음이온의 활성은 pH에 따라 달라지며(예를 들어, 물에서 CO₃ ^2-는 pH > 10.33에서 지배적인 탄소 종임) 방해석 침전의 정도도 마찬가지이다. 염도가 높을수록 K ₁ 및 K ₂가 더 큰 값으로 전이하고 따라서 HCO₃ ^- 및 CO₃ ^2- 이온이 우세한 pH가 더 낮은 값으로 전이한다. 광물 침전에 대한 열역학적 추진력은 포화 비율, Ω = IAP/K _sp로 주어지며, 여기서 IAP는 이온 활성 곱이고; 예를 들어, 방해석의 경우 이것은 용액에서 Ca²⁺ 및 CO₃ ^2-의 활성의 곱이다. 이것은 2가 금속 양이온을 함유하는 전형적인 자연수(예를 들어, 지하수, 해수, 생성수)와 관련이 있으며 이는 그 주변중성 pH가 탄산염 침전을 유도하기 위해 보충 알칼리도의 제공을 요하기 때문이다. Ca 및 Mg는 자연수 및 종종 공업용수(예를 들어, 생산수, 열증발 염수 등)에서 가장 풍부한 2가 양이온이기 때문에; 이들 물은 CaCl₂ 용액으로 표시된다 - 지배적으로, Cl^-은 이들 시스템에서 양이온에 전하-보상을 제공하기 때문이다.

NaOH의 첨가는 용액의 pH 및 Ω_방해석을 상승시켜 결국 방해석 침전을 초래한다. 고정된 초기 CO₂ 농도(pCO₂)의 용액의 경우, 방해석 침전은 풍부한 Ca, CO₂ 또는 알칼리도(pH)에 의해 제한된다. 이들 시나리오는 도 2(a)에 예시되어 있으며, 다양한 농도의 Ca, CO₂ 또는 알칼리도에서 CO₂가 추가된 CaCl₂ 용액을 고려한다. 덜 산성인 용액(예를 들어, 더 낮은 CO₂ 농도를 가짐)은 방해석 침전을 개시하기 위해 더 적은 양의 NaOH를 필요로 하지만, 이 시나리오에서 CO₂에 의해 제한되는 최대 CaCO₃ 수율은 따라서 더 낮을 수 있다(도 2a의 밝은 파란색 곡선). 다른 한편으로, 용액 내 과잉의 CO₂는 Ca를 제한 반응물로 만들 수 있다. NaOH:CaCO₃ 및 H₂O:CaCO₃ 몰비 둘 모두가 최소화된 경우는 Ca 및 CO₂ 몰 농도가 거의 동일하고 최대 CaCO₃ 수율이 달성될 때까지 NaOH(알칼리도의 대표)가 첨가되는 것이다(도 2a에서 점선). NaOH를 첨가하면 Na⁺와 CO₃ ^2-의 착물이 생성되고; 따라서, {CO₃ ^2-}와 {Ca²⁺} 사이의 등가에 도달하기 위한 CO₂와 Ca 사이의 몰비는 1보다 약간 높으며, 여기서 괄호 {}는 활성을 나타낸다. 소모된 NaOH와 CaCO₃로 격리된 CO₂ 간의 몰비는 (예를 들어, 반응 [2] 및 [3]의 각각에 대해 1몰의 OH^-를 제공하는) 최소로 2이다.

낮은 CO₂ 농도를 특징으로 하는 액체 스트림의 경우, CO₂ 소비의 비율과 관련하여 수성 공급을 통해 공기가 버블링될 수 있다. 이를 예시하기 위해 2가지 시나리오가 도 2(b)에서 비교된다: 하나는 초기 CO₂ 농도가 고정되고 용해된 탄소가 점진적으로 고갈되는 것이고 다른 하나는 용액의 CO₂ 농도가 고정된 pCO₂를 특징으로 하는 가스 스트림과 평형화에 의해 일정하게 유지되는 것이다. 첫 번째 경우에 CaCO₃ 침전은 NaOH 첨가에 의해 빠르게 유도되고 총 용해된 CO₂에 의해 제한되는 반면, 두 번째 경우에는 CO₂의 보충으로 Ca 고갈까지 방해석 침전을 가능하게 한다. 두 번째 시나리오에서 침전은 초기에 과도한 산성, 예를 들어, CO₂로 인해 억제된다. 완전성을 위해, 다양한 pCO₂ 수준에 대한 CO₂ 평형/보충의 상이한 시나리오가 도 2(c)에 도시되어 있다. 한계에서, 탄산염 생성은 공급의 [Ca] 풍부도에만 의존하고 CO₂ 농도와 불변한다. 물에 용해될 수 있는 CO₂의 양은 그 pH와 염도- 및 온도-의존 헨리의 법칙 상수에 의해 제어된다. 주어진 용액의 경우, 용액 pH를 증가시키는 것(pH > 6)은 총 용해된 탄소를 증가시킨다(도 3). 이것은 CO₂(aq)가 HCO₃ ^- 및 CO₃ ^2-로 pH-의존적인 종분화로 인해 CO₂(aq)의 농도를 감소시켜 헨리의 법칙에 따라 CO₂(g)의 추가 용해를 허용하기 때문이다. 이 이유 때문에 해수에서 양이온-탄산염 및 -중탄산염 착물의 형성은 pH > 6에서 담수에 비해 그 탄소 저장 용량을 증가시킨다.

탄산염 침전 반응은 시간-규모를 특징으로 한다. 25℃ 및 1 atm에서 잘-혼합된 조건(예를 들어, 질량 수송 제한 없음) 하에서 반응 [4]에 의해 기술된 평형은 t = 5.0 x 10^-11초 내에 발생한다.

CO₂(g)

CO₂(aq) [4]

반응 [5]-[7]에 의해 기술된 바와 같이, 수성 종 H₂CO₃, HCO₃ ^- 및 CO₃ ^2-는 10^-2초 이내에 평형에 도달한다.

CO₂(aq) + H₂O

H₂CO₃ [5]

H₂CO₃

H⁺ + HCO₃ ^-[6]

HCO₃ ^-

H⁺ + CO₃ ^2- [7]

그러나 Ca²⁺에 대한 평형(즉, 반응 [8] 및 [9])은 10³초에만 도달된다.

Ca²⁺ + CO₃ ^2-

CaCO₃ (aq) [8]

CaCO₃ (aq)

CaCO₃ (s) [9]

알칼리 용액(pH > 10)에서, OH^-와 반응에 의해 HCO₃ ^-를 형성하는 CO₂ 용매화의 대체 경로는 H₂O(k = 6.6 x 10^-4 M^-1 s^-1)보다 훨씬 더 빠르다(k = 8.5 x 10³ M^-1 s^-1). 해수(≥ 0.5M NaCl)와 유사한 농축된 용액에서 방해석 침전 속도는 도 2(c)와 일치하는 수율로; 3.2 x 10⁶ M s^-1 정도로 침전 속도 상수를 나타낸다. 이 속도 상수는 R = k(Ω-1) ⁿ 형식의 방정식을 사용하여 실험(방해석 침전) 데이터를 피팅하여 파생되며, 여기서 R은 Mㆍs^-1 단위의 침전 속도, k는 Mㆍs^-1 단위의 속도 상수이고, Ω은 방해석에 대한 포화비이고, n은 반응 차수이다. 따라서 낮은 질량 수송 저항을 갖는 잘-혼합된 시스템에서, Ca²⁺와의 반응, 예를 들어, CaCO₃ 침전은 속도 제한적이다. 이것은 이후 CO₂ 광물화를 위한 질량 및 에너지 균형의 분석을 허용한다.

기준선 설정. 일반적으로 상기 분석은 알칼리도가 탄산염 침전을 촉진한다는 것을 나타낸다. 따라서, 가장 먼저 주변중성 Ca- 및 Mg-함유 용액에 NaOH와 같은 강염기의 첨가의 전형적인 접근 방식을 조사했다(도 4). 참고로, 점원 배출로부터 CO₂ 농도는 천연 가스-화력 발전소의 경우 약 3%, 석탄-화력 발전소와 제련 및 제철소의 경우 15%, 시멘트 공장의 경우 20%, 및 암모니아, 에탄올 및 수소 플랜트에서 > 90%임을 인지해야 한다(부피 %). 한편, 대기의 CO₂ 농도는 약 0.04%인 반면, 아민 스크러빙에 의해 포집된 CO₂는 99% 초과 순수할 수 있다. 따라서, 0.04%, 5%, 20% 및 100%의 참고 농도가 이 분석에 포함된다. 기준선 사례에서 예상되는 CO₂ 광물화는 수처리 공정과 유사하게 모델링된다. 첫째, 공기 이외의 CO₂ 공급원을 사용하는 경우, 활성화된 슬러지 처리에 사용되는 것과 유사한 폭기조를 사용하여 간단히 식염수와의 효과적인 혼합 및 CO₂ 평형을 달성할 수 있다. 그 후 NaOH는 응고 및 응집 과정에서와 같이 CO₂-풍부한 물 안으로 혼합되어 CaCO₃와 MgCO₃의 침전을 초래할 수 있다. 그런 다음 침전물은 침강에 의해 용액에서 분리되고 배출 고형물은 벨트 프레스를 사용하여 탈수되거나 담수화의 염수 처리와 유사하게 해양으로 배출될 수 있다.

탄산염 광물화를 위한 칼슘 및 마그네슘 충분량 확인. Ca 및 Mg는 글로벌 규모의 탄소 관리 요구 사항을 충족하기에 충분한 양 이상으로 제공된다. 예를 들어, 연간 10Gt의 CO₂를 제거하려면 9.1Gt Ca 또는 5.5Gt Mg가 필요하며, 이는 전 세계 해양("해수")에 포함된 총 Ca의 0.0017% 및 총 Mg의 0.00032%에 해당한다. 대안적으로, 훨씬 더 적은 수준이지만 칼슘과 마그네슘은 다음으로부터 공급될 수 있다: (a) 2015년 그 취수율이 0.6Mt Ca 및 0.3Mt Mg(미국에서 반염수에서 전형적인 Ca 및 Mg 농도를 사용함)에 해당하는 연간 32억m³에 달하는, 총 용해된 고형물(TDS)의 L당 1,000mg 초과를 함유할 수 있는 식염수 지하수 (b) 연간 500억 m³의 비율로 전세계적으로 생산되는 담수화 염수는 추가로 0.04Gt Ca 및 0.1 Gt Mg를 연간 공급할 수 있음, 및 (c) 미국에서만 L당 평균 Ca 농도가 5,000mg이라고 가정하면 연간 추가 0.01Gt Ca를 제공할 수 있는 생산수의 연간 2.23Gt의 생성. 금속, 합금, 및 시멘트의 제조 및 석탄 연소로 인한 알칼리성 부산물에는 Ca 및 Mg가 풍부하지만, 이들의 풍화 역시 연간 0.3Gt CO₂ 이하로 고정되는 것으로 가정된다. 그렇긴 해도 해수는 광물화 과정을 위한 2가 금속 이온의 가장 실행가능하고 풍부한 공급원으로 남아있다.

화학량론에서 1mol CaCO₃으로 1mol CO₂의 전환은 2mol NaOH를 필요로 한다(도 2a 및 4 참고). 따라서, CO₂ 10Gt의 광물화에는 최소한 대략적으로 18Gt NaOH가 필요하다. 그러나, NaOH의 글로벌 생산은 비교적 미미하다; 2016년에 70Mt 정도에 이르렀지만 단순히 그 Na-함량을 기준으로 하더라도 해양 수를 사용하여 3.2 x 10⁷ Gt NaOH가 합성될 수 있다. 이 수요를 충족하기 위해서는 실현불가능한 제안인; 매년 3Mt NaOH를 각각 생산하는 6,000개의 대규모 염소-알칼리 공장이 필요하다. 해수에 대한 충분한 양으로 NaOH의 투여량([Mg]

55mM, [Ca]

10mM)은 2.86g CO₂를 물 kg당 MgCO₃ 및 CaCO₃로 전환할 가능성이 있다(도 4). 따라서, 연간 10Gt CO₂를 격리하려면 매년 약 3500Gt의 물을 처리해야 하며; 이는 우리의 전세계 연간 취수의 수준(대략적으로 4000Gt)에 유사한 양이다. 반면, 미국의 14,700개 초과의 처리장에서는 매년 47Gt의 폐수가 처리된다. 단일 CO₂ 저감 시설에서 연간 2,000Mt(예를 들어, 대형 폐수 처리장의 크기)의 해수를 처리한다고 가정하면, 1760개의 이러한 공장이 전세계적으로 건설되어야 하며 각 공장에는 연간 10Mt NaOH가 공급된다. 탄산염 수율은 공급물에서 2가 양이온의 함량에 의해 제한되기 때문에 공급물-스트림에서 Ca 및 Mg 농도를 농후하게 하면(예를 들어, 2가 양이온을 선택적으로 분리할 수 있는 막을 사용함) 더 적은 양의 물의 처리를 허용할 수 있다. 이러한 전-처리는; 결과적으로 탄산염 수율에서의 증가에도 불구하고, 실행불가능해 보이는 상당한 에너지 패널티가 발생하는 동안에만 분명히 충족될 수 있다.

에너지 강도 분석. 해수를 2가 양이온의 공급원으로 사용하고 NaOH를 화학량론적 첨가제로 사용하는 광물화 공정의 에너지 요구량은 지질학적 CCSS 전략과 비교하여 추정될 수 있다. 지질학적 CCSS와 달리 해수 광물화-기반 CO₂ 저감에는 CO₂ 포집 단계가 필요하지 않다. 따라서, (실제로는 실현불가능하지만) 기준 공정의 에너지 요구사항은: 물 조작 및 처리, NaOH 생성의 요구를 기반으로 한다. 물 조작 및 처리는 (a) 광물화된 CO₂의 t당 약 1.3kWh가 필요한 해수 흡입, (b) 광물화된 CO₂의 t당 2.8-7.7kWh가 필요한 화학적 분산, (c) 광물화된 CO₂의 t당 0.175 내지 0.35kWh가 필요한 침강을 포함한다. 따라서, 전체적으로 물 처리 및 조작은 해수 공급을 가정할 때 광물화된 CO₂의 t당 약 5kWh를 소비할 수 있다. 염소-알칼리 공정에 의한 NaOH 합성에는 NaOH t당 2.5MWh가 필요하다. 따라서, 해수를 2가 및 (가용화된) CO₂ 양자의 공급원으로 사용하는 - 직접적인 CO₂ 광물화를 위한 에너지 수요는 CO₂ t당 4.5MWh 정도인 것으로 추정된다(도 5). 따라서, MWh당 약 $70의 산업용 전기의 가격으로부터 추정되는 CO₂ 제거의 비용은 현재 동급 최고의 염소-알칼리 생산 NaOH의 경우 CO₂ t당 $315이다. NaOH에 대한 필요성은 알칼리성 고체를 탄산화함에 의해 다소 감소될 수 있으며, 예를 들어, 그의 용해는 용액에서 알칼리 금속(Ca²⁺, Mg²⁺) 및 OH^-를 생성한다. 이러한 직접적인 탄산화를 위한 에너지 투입은 분쇄 및 경우에 따라 열 활성화, (탄산염) 제품 폐기, 펌프 및 믹서 작동을 포함한 전처리 비용을 포함하고, 모두 포함하여 CO₂ t당 0.5MWh 정도이다. 불행히도, 산업용 알칼리성 고체의 이러한 직접적인 탄산화는 연간 0.3Gt 이하의 CO₂ 저감을 제공할 것으로 예상된다. NaOH 생산의 다소 덜 에너지 집약적인 경로는 양극성 막 전기투석에 의해 달성될 수 있다. NaOH t당 0.7MWh의 그 이론적인 최소 에너지 요구량으로 NaOH를 생산하는 것이 가능하더라도(증진된 규산염 용해에 사용될 수 있는 부산물인, HCl과 함께 45% NaOH) 광물화-기반 CO₂ 관리 비용은 최소한으로 CO₂ t당 1.26MWh의 에너지 강도와 관련이 있을 것이다(도 5에서 파란색 수평 점선); 예를 들어, 해수-유래된 2가 양이온을 사용하여 고체 탄산염으로 전환되는 CO₂의 t당 $90 이상의 비용에 해당한다.

전통적인 CCSS 경로의 에너지 강도는 eRNTL 열역학적 특성 방법과 함께 Aspen Plus^®를 사용하는 흡수기, 스트리퍼, 냉각기 및 4-단계 압축기로 구성된 모노에탄올아민(MEA) 기반 공정을 고려함에 의해 추정된다(도 5 참고). 여기서, CO₂-고갈된 가스는 흡수기의 상부에서 추출되는 것으로 가정되는 반면 CO₂-풍부한 용매 스트림은 하부에서 추출된다. CO₂를 방출하기 위해 CO₂-풍부한 아민은 탈착의 엔탈피를 충족시키기 위해 가열된다. 오버헤드 응축기는 컬럼에 환류 액체 스트림을 제공하고 CO₂-풍부한 가스를 거의 100% CO₂로 정제한다. 스트리퍼에서 방출된 거의 순수한 CO₂ 스트림은 압축되어 지질학적 저장을 위해 이송된다. 3% CO₂(예를 들어, 천연 가스 화력 발전소에서 배출되는 연도 가스에 해당)를 갖는 유입 스트림을 고려하면, 아민-계 CO₂ 포집(톤당 1.3MWh의 아민 재생에 대한 열 부하)에 대해 그리고 대기압에서 14MPa의 파이프라인 사양으로 회수된 CO₂ 스트림(톤당 0.2MWh)의 가압에 대해 CO₂의 t당 ~1.5MWh의 에너지 강도가 추정된다(도 5 참고; 적색 실선). 이 에너지 강도는 유입 스트림에서 CO₂의 농도가 ~12%로 증가함에 따라 CO₂ 톤당 0.8MWh로 감소하고(석탄-화력 발전소의 경우; 탄소 포집의 경우 0.6MWh, CO₂의 톤당 압축의 경우 0.2MWh); 이후 일정하게 유지된다. 그러나, 유입구에서 CO₂ 농도는 3% CO₂ 미만이고, 아민-계 공정의 에너지 강도는 급격히 증가한다. 공기와 접촉하는 아민의 낮은 용량(몰당 ~0.25몰)은 작업 용량의 몰당 0.05몰 미만을 달성하기 위해 CO₂ 톤당 5.0MWh 초과의 리보일러 듀티를 요할 것이다. 이것은 대기; 또는 대기-평형 물에서 CO₂의 제거에서와 같이 CO₂ 공급-스트림이 예외적으로 희석된 경우에 운영상으로 애기하면 대체 광물화 공정이 덜 에너지 집약적으로 되는 특별한 이점을 나타낸다.

단일-단계 탄소 격리 및 저장(sCS ² ): 상기 논의는 광물화-기반 CO₂ 관리의 에너지 소비가 주로 공정에 알칼리도를 제공할 필요성과 연관되어 있음을 입증한다. 이상적인 탄소 격리 공정은 제조, 운송, 조작 및 저장 비용이 발생하는 소모성 화학물질 투입을 필요로하지 않는다. 이상적으로, 예를 들어 광전지로부터 탄소-제로 전자를 사용하여 공정에 전력을 공급할 수 있다. 화학물질 투입이 없는 단일-단계 탄소 격리 및 저장(sCS²) 공정은 도 6과 7에 예시되어 있다. 여기에서 공기와 평형상태인 - 용해된 CO₂를 포함하는 물(예를 들어, 해수)이 다공성 금속 막/음극을 통해 흐른다. 음극 전위의 적용은 물 전기분해 및 막/물 계면에서 국소적으로 상승된 OH^- 농도로 이어지며, 이는 수송 제약을 최소화하고 이종의 핵형성을 위한 기질을 제공함으로써 탄산염 음이온과 금속 양이온의 신속한 결합을 촉진한다. 구체적으로, 막의 기공을 통해 흐르는 전해질은 금속 탄산염의 핵생성 & 성장을 위한 표면 부위를 제공하면서 모든 이온 종(OH^-, CO₃ ^2- 및 Me²⁺)에 대한 (기공 반경까지) 확산 길이 스케일을 최소화한다. 유한 요소 분석(FEA)은 합리적인 과전위(

0.5V, 도 6c 참고)에서 전기활성 막("전극") 표면에 근접하여 고알칼리성 조건이 실제로 생성될 수 있음을 나타낸다. 실제로, 전극/막 표면의 200μm 이내의 전해질 부피(예를 들어, 그러한 적용을 위해 구상된 전기활성 막의 기공-크기보다 훨씬 큼)는 1초 이내에 전기 분극에 도 5에 도시된 한계까지 탄산염 침전을 유도하기에 충분한 고알칼리성 조건을 경험한다. 참고로 여기에서, 약 20μm 정도의 개구를 갖는 거친-메쉬가 실제 적용에서 구상되지만; 304L 스테인리스강 전극은 평면 시트로 표시된다. 이 분석은 약한 전위의 적용이 탄산염 침전에 필요한 알칼리도를 빠르게 생성한다는 것을 확인한다. 이 분석은 대류 혼합을 초래하는 전자이동 및 가스 발생을 무시하지만, 그것은 빠른 알칼리화 및 차례로 탄산염 침전을 유도하는 데 필요한 과전위의 하한 추정치를 제공한다.

전기화학적 OH^- 생성을 기반으로 하는 전기분해 광물화 공정에 대한 현실적인 에너지 요구조건은 79% 효율(예를 들어, 화학량론적 수소 발생 반응을 위해 39.4kWh/kg의 열역학적 수요를 가정하여 1kg의 H₂를 생성하기 위한 50kWh의 전기)로 작동하는 현재의 최첨단 전해조를 기반으로 추정될 수 있다. 물 전기분해를 통해 생성된 1kg의 H₂는 1000몰의 OH^- 이온을 생성하여 화학량론적 기준으로 CO₂ 톤당 2.3MWh의 에너지 강도에 대해 22kg의 CO₂를 격리할 수 있다. 예를 들어, 천연 가스 연소와 유사한, (예를 들어, 수소 연소 및 전기 생산을 위한) 60% 정도의 변환 효율을 가정하여, 공동-생성된 수소의 발열값을 고려하면 공정은 광물화된 CO₂의 톤당 1.2MWh의 에너지 강도를 산출한다. 이 분석은 2mol의 OH^-가 1mol의 CO₂를 탄산칼슘(CaCO₃)으로 광물화하는 화학량론을 고려한다. 이 기준에 따라 광물화된 CO₂의 매 톤당 45kg의 저압 H₂(g)가 생성된다. 이러한 수소는 $3/kg 정도의 상업적 가치를 제공할 것으로 예상되어 광물화된 CO₂의 톤당 $135 정도의 비용-상쇄가 실현될 수 있다. 다른 한편으로, 생성된 저압 수소는 수소 연료 전지(HFC)를 사용하여 전기로 변환되어지면, 80% 정도의 변환 효율을 실현할 수 있어 광물화된 CO₂의 톤당 0.84MWh의 에너지 강도를 얻을 수 있다. 에너지 강도는 90% 효율로 작동하는 전해조에 대해 CO₂의 톤당 1.9MWh (H₂ 회수 없음; CO₂의 톤당 $133) 및 CO₂의 톤당 0.38MWh(HFC를 사용하여 90% 효율에서 H₂ 회수 및 전환 있음; CO₂의 톤당 $27)로 더 감소한다. 이들 값은 sCS²에 대한 실제 에너지 강도를 제한했다(도 5의 노란색 영역 참고). 종합하면, 이 분석은 다음을 나타낸다: (i) 직접적인 전기분해 광물화는 CO₂의 주변 농도에서 전형적인 염소알칼리-기반 NaOH 생산 및 아민 용매-기반 공정보다 거의 두 배나 효과적으로 탄소 제거를 달성할 수 있고 (예를 들어, 보수적으로, 톤당 2.3MWh 미만 대 톤당 4MWh 초과), 그리고 (ii) 수소 부산물의 에너지 이점이 고려되고/거나 탄소-제로 에너지 투입이 사용되는 경우; 각각의 경우에 sCS² 접근방식은 선구적인 진정한 네거티브 배출 기술(NET)의 기반을 제공한다.

알칼리도의 국소화된 생성을 위해 전기활성 막을 사용하는 광물화의 유의한 이점은 그것이 상승된 pH, 과포화(Ω; 도 4 및 6c 참고) 및 줄 가열(용액에서 최대 60℃)에 의해 유도된 막 표면에서 생성된 온도 상승으로 인해 침전(핵생성 및 성장 둘 모두)의 동역학을 향상시킨다는 것이다. 공정의 전기분해 특성은 음극 조건 하에서 기계적 및 화학적으로 안정적인 전도성(예를 들어, 금속 또는 복합) 막을 필요로한다. 이러한 막 표면은 금속 탄산염의 형성으로 인해 작동 동안 오염될 것으로 예상된다. 예상대로, sCS² 공정의 엔지니어링 설계는 전기분해 침전 반응기 내에서 Reynolds, Peclet 및 Damkohler 수와 일치할 것이어서; (반응물) 물질 이송 및 화학적 침전 역학이 서로 상응하여 발생한다. 이것이 본 명세서에서 고려된 바와 같이 거친-메쉬 구조물에서 실질적인 유입 감쇠를 초래할 가능성은 없지만, 탄산염 광물의 절연 특성은 실제로 전류 밀도(예를 들어, 이에 의해 필요한 과전압을 증가시킴)와 에너지 효율을 손상시킬 수 있다. 따라서, 막 표면 근처에서 O₂와 H⁺를 양극 방식으로 생성하기 위해 주기적으로 인가된 전위를 역전시켜 침적물을 제거하는 것이 필요할 수 있다. 그러나, 양극 조건은 특히 철-계 막을 사용하는 경우 빠른 부식을 유발할 수 있다. 또 다른 방법은 회전 드럼 필터를 연속적으로 청소하는 데 사용되는 것과 유사한 방식으로 침적된 탄산염의 물리적 연마를 포함한다(예를 들어, 도 6b, 7 참고). 이들 시스템에서 막의 표면은 축적된 고체를 제거하고 막 표면을 다시 노출시키는 블레이드로 지속적으로 긁어낸다. 의심할 여지 없이 sCS² 개념은 탄소 저감을 위한 높은 에너지 강도를 특징으로 하지만; 그것은: (a) 대부분의 다른 직접적인 공기 포집(DAC) 접근방식보다 더 효율적이고, (b) 탄소-유리 전기의 직접 사용을; 예를 들어, 특히 초과 시에 허용하고, 그리고 (c) 종단 간 CO₂ 저감을 보장한다. 부가하여, 새로운 염소알칼리 플랜트의 건설을 요구하기보다 본 명세서에서 구상된 전기분해 반응기는 기존 및 미래의 담수화 플랜트와 모듈식으로 간단하게 통합될 수 있으며, 이로써 CO₂-제거 및 격리를 허용하면서 음용수 및 연료로 사용될 수 있는 수소를 생성한다. sCS² 공정의 추가 이점은 담수화 플랜트에 대해 우수한 공급물인 연수의 생성이다. 현재 해수 담수화의 에너지 비용은 해수 역삼투압(SWRO)이 ㎥당 2-2.5kWh를 필요로 하고, 예를 들어 물 연화를 실질적으로 포함하는 전처리 단계에서 해수의 ㎥당 0.3-1.0kWh를 소비한다는 점을 고려할 때 물의 t당 3.5kWh로 추정될 수 있다. CO₂ 광물화-기반 전처리와 SWRO 담수화를 결합하면 별도로 운영되는 이들 두 공정의 총 에너지 소비보다 9% 낮은 에너지 사용을 초래할 수 있다.

그러나 유의하게도, 양이온 보충/pH 조정이 필요하더라도 - 그것은 양극에서 발생하는 산도 생성을 이용함에 의해 전기화학 시스템에서 용이하게 달성될 수 있다. 구체적으로, 공학적 시스템에서 거부된 해수 스트림의 전기분해 (재)알칼리화는 sCS² 공정에서 공동-생성된 산성도를 사용하여 강화된 풍화의 스타일로 고철질 및 초고철질 암석, 및 석탄 연소와 금속 가공 잔류물을 포함한 산업용 고형물의 용해에 의해 수행될 수 있다. 특히, 이 분석은 알칼리도 단위가 고체보다 수성 형태로 더 많은 양의 CO₂를 저장한다는 것을 보여준다. 탄산염 고체로 저장된 C의 각 몰에 대해 2몰의 OH^-가 필요한 반면, 용해된 이온으로 저장된 C의 몰당 단지 1.2몰의 OH^-만 필요하다. 결과적으로 pH를 8에서 9로 증가시키면(예를 들어, 1μM OH^-에서 10μM OH^-) 물 kg당 추가로 33mmol CO₂가 용해된다(도 3). 따라서, 배출수는; 더욱 향상된 탄소 저감 혜택을 제공하기 위해, 추출된 해수보다 더 높은 pH(예를 들어, 더 높은 [Ca] 및/또는 [Mg])를 갖도록 설계될 수 있다. 따라서, 대기의 CO₂를 제거하기 위한 전략은 해양-대기 평형에 의해 유도되는 그 CO₂ 용량을 향상시키기 위해 해수 (재)알칼리화와 신중하게 조합되어야 한다.

탄산염 고체의 운명. 광물 탄산염 내에 CO₂의 포획은 빠르게 발생할 수 있고, 격리-후 방출의 임의의 위험을 제거하면서 안정적이고 내구성있는 저장을 제공한다. 화학량론과 방해석의 침전을 가정할 때, 대기로부터 10Gt의 CO₂의 제거(해수에 용해됨)는 매년 약 20Gt의 고형물의 생성을 초래할 수 있다. 이들 고형물 중 일부는 건축 자재(골재) 및 특수 응용분야에 걸친 전세계 석회석 시장을 대체할 수 있다. 미국에서는 생산된 쇄석의 68%가 탄산염 암석; 건설 및 시멘트 생산의 원료로 사용되는 약 1Gt의 생산량으로 구성되어 있다. 이용될 수 없는 고형물은 기존 고형 폐기물 관리 전략을 통해 처리될 수 있다. 2016년에 전세계 도시 고형 폐기물 발생 및 산업, 농업, 건설 및 철거 폐기물은 그 양이 약 25Gt에 달했다. 미국에서 고형 폐기물 매립 비용은 t당 약 $45이고 10Gt의 탄산염 고형물을 매립하는 데 연간 약 6.8km³(68억 m³)의 공간이 필요할 수 있다. 새로운 매립지를 짓는 대신 고형물을 폐광에 저장할 수 있다. 2017년에는 전세계적으로 53Gt의 금속 및 비-금속 광석, 15Gt의 화석 연료, 24Gt의 바이오매스가 추출되었다. 그러나, 오프사이트 저장은 고체의 운송을 필요로 하며, 비용은 km당 m³당 약 $0.03이다. 보다 현실적으로, 특히 해수를 알칼리 공급원으로 사용하는 경우 침전물은 해양에 재침적될 수 있거나(예를 들어, 담수화 염수의 스타일; 여기서 해양은 방해석 및 마그네사이트에 대해 과포화되어 있기 때문에 이들 고형물은 안정적으로 유지될 수 있고, 미반응일 수 있음), 또는 토지 개간 및 침식 방지 목적으로 사용될 수 있다.

2006년에 개정 및 시행된 런던 의정서 하에서, 해양 투기는 부록 1의 "역 목록"에 요약된 바와 같은 가능하기로는 허용가능한 폐기물을 제외하고 금지된다. 탄산칼슘 및 탄산마그네슘은 표면-근처 해수는 두 단계 모두에 대해 과포화되어 있기 때문에 안정적으로 유지될 수 있는 해양에서의 처분이 허용가능한 "비활성, 지질 재료"로 적격일 수 있다. 용해된 Ca 및 Mg가 해수 이외의 출처(예를 들어, 식염 지하수)에서 추출되는 경우 침전된 Ca 및 Mg 탄산염은 석회석의 추가 및 용해에 의해 대기 CO₂ 흡수 또는 직접적인 CO₂ 주입으로 인한 해양 pH 감소를 완충하는 데 사용될 수 있다. 매립지로 돌아가서 캘리포니아 남부의 해안선 이동에 대한 간단한 모델은 해수면 상승 1m에 대해 약 30m의 후퇴에 가깝다. 대륙붕은 50m의 평균 깊이를 갖는 것을 가정하면, 20Gt의 고형물의 생성은; 플로리다 걸프 해안 길이의 약 절반인, 4500km에 이르는 해안선에 걸쳐서 이 효과를 역전시킬 수 있다. CO₂ 광물화 유래 고형물에 의한 새로운 토지의 생성은 미래의 CO₂ 배출을 해결할 뿐만 아니라 기후 변화의 가장 두드러진 영향 중 하나를 잠재적으로 역전시킬 수 있다. 해수면 상승으로 육지와 서식지가 사라지는 위기가 해결될 수 있으며, 영구적이고 지속적인 모니터링이 필요하지 않은 CO₂ 저장 해법을 제공할 수 있다. sCS² 접근방식을 통한 CO₂ 관리를 보조하기 위한 메커니즘의 심층 분석, 특히 관련 자본 비용은 이 작업의 범위를 벗어난다. 그럼에도 불구하고, 미국과 캘리포니아의 저-탄소 연료 표준(LCFS)의 최근 45Q 세금-공제는 t당 $35-$180 사이의 CO₂ 가격을 암묵적으로 책정함에 의해 탄소 완화를 장려한다. 이러한 인센티브는 전세계적-규모 CO₂ 완화 및 감소를 가능하게 하고 권한을 부여하기 위한 중요하고 잠재적으로 전제조건 경로를 제공한다.

CO₂ 문제에 대한 이 sCS² 경로는 전통적인 탄소 포집 및 지질 격리 전략과 구별된다. 상당한 에너지 소비가: (1) 기체성 혼합물로부터 종종 묽은 농도(15 부피% 미만)에서 CO₂를 탈혼합하고, (2) CO₂ 탈착을 위해 필요한 것과 연관된 기존의 흡착제-기반 CO₂ 포집 공정과 달리, sCS₂ 접근방식은 재생가능한 에너지를 사용하여 완전하게 운영될 수 있는 공정 내에서 전기분해로 촉진된 탄산염 광물 침전에 의존한다. 그러나, 이에 대해 실질적인 실행가능성을 달성하기 위해 탄소-유리 전기의 공급에서 큰 격차는 줄여질 필요가 있다. 결국, 이 접근방식은 고체 탄산염을 안정화함에 의해 CO₂ 격리 및 저장에 대한 모니터링 및 검증의 필요성을 제거하면서 CO₂ 저장의 영구성을 강화하고 보장한다. 탄소 저장이 수천 년 동안 지속되어야 한다는 점을 감안할 때, 가속화된 규산염/탄산염 풍화와 조합될 때만 전기분해 해수 CO₂ 광물화의 조합은 전통적인 지질 격리보다 전세계적 탄소 위기를 해결하는 것에 대해; 특히 NET가 단기-내지-중기 기간(5년-내지-10년)에 전개되기 때문에, 우리에게 실행가능하고 환경 친화적이고 잠재적으로 더 수용가능한 접근방식을 제공한다.

일부 실시형태에서, sCS² 접근방식은 전기활성 메쉬 조성물, 및 "선반으로 가능하고 적층가능한" 유동-반응기로의 이들의 통합을 포함하여, 직접적인 공기 포집(DAC)을 위해 특별히 맞춤화된 전략에서, 임의의 화학량론적 시약 또는 첨가제에 대한 필요 없이 확장가능한 CO₂ 완화를 달성한다(도 7 참고). 본 명세서에서, 용해된 알칼리 양이온 및 용해된 CO₂(예를 들어, 생산수, 지하수 또는 해수)를 함유하는 물은 - 공기와 평형상태에서 - 다공성 전도성 메쉬/음극을 통해 흐른다. 음극 전위의 적용은 물 전기분해 및 메쉬/물 계면에서 국소적으로 상승된 OH^- 농도로 이어지며, 이는 수송 제약을 최소화하고 이종의 핵형성을 위한 기질을 제공함으로써 탄산염 음이온과 금속 양이온(예를 들어, Ca²⁺, Mg²⁺)의 신속한 결합을 촉진한다(도 7). 2가지 근거가 이 가설의 기초가 된다: (1) 음극 표면에서 OH^-의 전기화학적 생성과 금속 탄산염의 N&G는 빠른 반응이다. 따라서 결정 성장의 속도는 성장하는 핵을 향한 이온의 수송에 의해 제한된다. 다공성 메쉬/전극을 따라 전기화학적으로 OH^-를 생성하는 동시에 메쉬의 기공을 통해 전해질을 흐르게 하여 금속 탄산염의 N&G에 대해 표면 사이트를 제공하여 이에 의해 반응 속도를 향상시키면서 모든 이온 종(OH^-, CO₃ ^2-, Ca²⁺ 및 Mg²⁺)에 대해 (기공 반경까지) 확산 길이 스케일을 최소화한다. (2) 이종의 핵형성은 결정 성장에 대한 낮은 에너지 장벽 때문에(예를 들어, CaCO₃의 경우 5kJ/mol 대 12.5kJ/mol) 동종의 핵형성에 비해 선호된다. 따라서, pH가 가장 높은 표면(예를 들어, 메쉬/전극)을 제공하면 대기-유래된 CO₂를 격리하면서 탄산염의 침전이 촉진된다.

이 접근방식을 뒷받침하기 위해, 실험 데이터 및 유한 요소 분석(FEA)은 고알칼리성 조건(pH > 10)이 합리적인 과전위(

0.5V)에서 전기활성 메쉬/음극 표면의 근접(예를 들어, 200μm 이내)에서 쉽게 생성된다는 것을 나타낸다. 메쉬 표면 상의 탄산염 형성은 전자 전달 반응을 제한할 수 있지만, sCS ² 공정은 상업용 회전 드럼 필터에 사용되는 것에 유사한 방식으로, 침전물을 제거하고 메쉬/음극 표면을 신선하게 하기 위해, 물리적 방법, 예를 들어, (스크래핑 및/또는 물 연마)을 포함할 수 있다. 침전물은 담수화 염수와 유사한 방식으로 부유된 고형물로 수집 및/또는 폐기될 수 있다(도 7). 알칼리성 암석 및 산업용 고형물(석탄 연소 잔류물)의 용해를 통한 거부된 해수 스트림의 전기분해적 (재)알칼리화는 강화된 풍화의 스타일로 대기로부터 CO₂를 훨씬 더 많이 흡수할 수 있다. 더욱이, 본 명세서에서 개발할 수 있는 전기활성 메쉬 아키텍처는 DAC용 기존 흡착제 및 막과 비교하여 우수한 성능(예를 들어, 포집, 광물화 또는 저감된 단위 CO₂당 에너지를 기준으로 함)을 특징으로 한다.

이 접근방식은 대기-해수 평형에 의해 조절되는 공기에 비하여 물에서 훨씬 더 높은 CO₂ 농도를 활용한다. 현재 평균 pH가 8.1인 해수는 동등한 부피의 공기보다 150배 더 많은 CO₂를 함유하고(도 3), 따라서 처리할 유체의 부피를 유의하게 감소시킨다. 해수와 공기의 상대 밀도가 이 농도 계수보다 크지만 물을 펌핑하는 것이 공기보다 효율적이고 동일한 양의 CO₂를 제거하기 위해 공기보다 더 적은 양의 물을 처리되어야 한다. 부가하여, sCS ² 접근방식은 알칼리 용액에서 탄산염 침전의 유리한 열역학을 이용한다. 침전에 대한 열역학적 추진력은 포화 상태, Ω = IAP/K _sp에 의해 주어지며, 여기서 IAP는 이온 활성 곱이고 K _sp는 용해도 곱이다. 방해석의 경우 이것은 용액 및 평형상태에서 Ca²⁺ 및 CO₃ ^2-의 활성의 곱이다. 깁스 자유 에너지 차이는 ΔG = RT ln Ω에 따른 용액 조성물의 함수이며, 여기서 R은 기체 상수이고 T는 온도이다. CO₂(g)(-394.3kJ/mol), CO₃ ^2-(-527.8kJ/mol) 및 CaCO₃ 방해석(-1129.1kJ/mol)의 형성의 표준 깁스 자유 에너지, ΔG _f ⁰의 비교는 탄산염 침전("CO₂ 광물화")은 열역학적으로 내리막이다는 것을 나타낸다. 전기화학적 알칼리화는 용액의 pH와 Ω_방해석을 상승시켜 방해석 (및/또는 마그네사이트 또는 기타 탄산염) 침전을 보장한다(도 4 및 6). 알칼리성 용액에서 탄산염 침전과 연관된 반응은 빠르다. 25℃ 및 1 atm(1 bar)에서 잘-혼합된 조건 하에서 CO₂(g)

CO₂(aq)로 기술되는 평형은 t = 5.0 x 10^-11초 내에 발생한다. CO₂(aq) + H₂O

H₂CO₃, H₂CO₃

H⁺ + HCO₃ ^- 및 HCO₃ ^-

H⁺ + CO₃ ^2-로 기술된 수성 종 H₂CO₃, HCO₃ ^- 및 CO₃ ^2-는 10^-2초 이내에 평형에 도달한다. 알칼리 용액(pH > 10)에서 OH^-와 반응하여 HCO₃ ^-를 형성하는 CO₂ 용매화의 대체 경로는 H₂O로의 것(k = 6.6 x 10^-4 M^-1 s^-1)보다 훨씬 더 빠르다(k = 8.5 x 10³ M^-1 s^-1). 고도의 식염수(≥ 0.5M NaCl)에서 방해석 침전 속도의 데이터는 R _p = k(Ω-l)^η에 대해 실험적 침전 데이터를 피팅함에 의해 유도된 도 4와 일치하는 수율로 3.2 x 10⁶M s^-1의 침전 속도 상수를 나타내며, 여기서 R _p 는 침전 속도이고, k는 속도 상수이고, Ω은 포화 지수이고, η은 반응 차수이다. 따라서, 낮은 질량 수송 저항으로 잘-혼합된 시스템에서, CaCO₃ 침전은 속도 제한이다. 순 반응은: Ca²⁺ + CO₂ + 2OH^- → CaCO₃ + H₂O 및 Mg²⁺ + CO₂ + 2OH^- → MgCO₃ + H₂O이다. 이들 화학량론에 따라, 1mol의 CO₂는 1mol의 수성 Ca²⁺ 또는 Mg²⁺에 의해 포획되고 2mol의 OH^-가 1 mol CaCO_o 또는 MgCO₃를 생성하는 데 필요하다. 전형적인 해수의 경우, 양이온-제한된 상황 - 관련성의 경계 조건 -에서 2.86g의 CO₂가 처리된 물 1000g당 광물화된다(도 4).

규격화된-반응기에서 pH 분포는 명확성을 위해 시뮬레이션되었다. 시뮬레이션은 다음과 같은 전극 반응을 고려한다: (1) 양극에서: 산소 발생 반응(OER): 2H₂O → O₂ + 4H⁺ + 4e^-; (2) 음극에서, (2a) 산소 환원 반응(ORR): O₂ + H₂O + 4e^- → 4OH^-, 및 (2b) 수소 발생 반응(HER): 2H₂O + 2e- → H₂ + 2OH^-.

304L 스테인리스강의 전기화학적 거동은 도 8(a)에 도시되어 있다. 용액 내 용해된 산소는 음의 과전위에서 ORR을 촉진하고(vs. HER), 4 × 10^-7A/㎠의 확산 제한 전류는 0 내지 0.4V의 과전위에서 달성된다. 이러한 제한 전류는 HER (예를 들어, 물 분해)에 의해 극복될 수 있으며, 그 전류는 적용된 과전위와 Tafel 관계를 따른다. ORR은 최대 pH 10까지 음극에서 국소적인 알칼리도를 생성할 수 있는 반면, HER은; 더 높은 셀 전위에서도, 더 높은 pH 생성을 촉진한다.

sCS ² 공정은 도 9에 도시된 바와 같이 하나의 주요 단위 작동으로 구성된다. 여기에서 대기 조건(~23℃, 1 bar 총 압력 및 ~400ppm CO₂)에서 공기로부터의 CO₂로 포화된 Ca- 및 Mg-풍부 물(예를 들어, 해수, 생산수, 지하수)이 전기분해 유동 반응기 안으로 유입된다.

(A) 평면 전극(도 9(a)) 또는 (b) 관형 전극(도 9(b)) 중 어느 하나를 사용하는, 2가지 구성이 비-제한적 예로서 개시된다. (a)에서, 메쉬 음극은 비-전도성 물질로 구성된 직사각형 쉘의 중앙에 배치되고, 이에 의해 2개의 챔버를 생성한다(도 9(a)). 양극은 챔버 중 하나의 벽 근처에 삽입된다. (B)에서 양극과 음극은 도 4에 도시된 구성과 유사하게 비-전도성 튜브 내에서 방사상으로 배치된다(도 9(b)). 해수(L당 105mg의 CO₂ 당량 C, 도 3 참고)는 아래에 기술된 메쉬/음극-양극 시스템으로 구성된 침전 반응기를 통해 흐른다. 해수의 전기분해로 인한 양극에서 Cl_2(g)의 발생은 OER 효율이 95-100%인 산소-선택성 물질(예를 들어, MnO₂)을 사용하여, 단일 전해질(해수)의 사용을 허용하는 양극 상에 코팅으로 억제될 수 있다. 반응기 내에서 음극 전위를 적용하면 음극/물 계면에서 [OH^-]가 상승하여 침전을 초래한다. 이것은 전기활성 메쉬의 기공 내 pH 분포의 시뮬레이션에 도시된다(도 10). 중성에 가까운 해수는 기공으로 들어가 전류 밀도(도 10(b))와 유속(도 10(c))에 따라 달라지는 정도까지 최대 pH 12(도 10(a))까지 점점 더 알칼리성으로 변한다.

열역학적으로 선호되는 광물화를 이용하면서 주변 조건에서 공기에서보다 해수에서 실질적으로 더 많은 양의 CO₂와 막-기반 수처리 시스템의 기술 이점 둘 모두를 활용하여, 해수-매개된 DAC를 가능하게 하는 전기활성 메쉬 조성물 및 유동 반응기. 막 오염은 sCS ² 공정을 손상시키지 않고 실제로 그 목적이기 때문에, 고형물의 간단한 기계적 제거 및/또는 막 재생을 위한 수단으로 순환 극성 반전이 가능하다.

sCS ² 공정은 기존의 직접적인 공기 포집(DAC) 방법보다 훨씬 더 에너지 효율적이다. 먼저 전통적인 탄소 포집 및 저장(CCS)의 에너지 강도는 Aspen Plus^®를 사용하는 흡수기, 스트리퍼, 냉각기 및 4-단계 압축기로 구성된 모노에탄올아민(MEA) 기반 공정을 고려함에 의해 추정된다. 유입구 CO₂ 농도 < 3 부피% CO₂에서, 에너지 요구사항은 주로 낮은 부하에서 용매로부터 CO₂를 탈착하는데 필요한 열 에너지에서의 증가로 인해 0.04%에서 >3MWh/t CO₂로 급격히 상승한다. sCS ²에 대한 에너지 요구사항은 주로 물 전기분해와 연관되어 있다. 79% 효율(예를 들어, HER에 대한 39.4kWh/kg의 열역학적 요구를 가정하여 1kg의 H₂를 생성하기 위한 50kWh의 전기)에서 작동하는 최첨단 전해조는, 화학량론적 기준으로 CO₂ 톤당 2.3MWh의 에너지 강도에 대해 22kg의 CO₂를 광물화할 수 있는 1000몰의 OH^- 이온을 생성한다. 에너지 강도는 90% 효율로 작동하는 전해조의 경우 CO₂의 톤당 1.9MWh로 감소한다. 따라서, 도 4에서의 공정(1일당 2kg CO₂)에 대한 예상된 전력 요구사항은 ~0.2kW(1일당 ~4.6kWh)이다. 에너지는 또한: (i) 메쉬를 가로질러(40μm 메쉬 개구부의 경우

10psi; CO₂ t당 1.2kWh) 그리고 (ii) 중력에 대해(예를 들어, 총 동적 헤드의 1미터; CO₂ t당 1.3kWh) 물을 펌핑하기 위해 필요하다.

[표 1]. 전기활성 메쉬 기반 CO ₂ 제거 시스템에 대한 상태-점 데이터

본 명세서의 일부 실시형태에 개시된 공정은 막-기반 DAC 접근방식과 기능적으로 유사하다. 그러나, 제거는 크기 또는 전하 배제보다는 전기적으로-유도된 화학 반응을 기반으로 한다. (1) 처리 능력, (2) 에너지 강도, 및 (3) 탄산염의 단일 통과 수율과 같은 측정기준은 전통적인 막-기반 공정에서 추구하는 것과 유사한 관련 정보를 제공할 수 있다. 데이터는 전기분해 침전 반응이 빠르다는 것을 나타낸다; k

3.2 x 10⁶M s^-1. 따라서 수율은 존재하는 양이온의 양에 의해 제한된다. Ca-, Mg-제한 반응의 경우, 60% 및 100% 전환은 "측정된" 및 "계획된" 측정기준을 생성한다.

일부 실시형태에서, 생성된 저압 수소는 수소 연료 전지(HFC)를 사용하여 전기로 변환되며, 80% 정도의 변환 효율이 실현될 수 있어 광물화된 CO₂의 t당 0.84MWh의 순 에너지 강도가 얻어질 수 있다.

물의 알칼리화를 허용하고 초고속 침전을 촉진하기 위한 (a) 전기활성 메쉬 재료, 및 (b) 메쉬가 통합되는 유동 반응기의 가능성이 크롬-함유 물의 처리에 대해 입증되었으며, 여기서 메쉬 표면/음극을 따른 pH 스윙은 막/물 계면에서 Cr(OH)₃의 빠른 축적을 가능하게 했다(도 11). 메쉬는 (a) 316L 스테인리스강(SS) 메쉬 또는 천공된 시트를 기반으로 하는 기준선 메쉬, (b) 비-금속성 탄소계 메쉬(탄소 나노튜브(CNT)/중합체/박리된 흑연 복합재) 및 (c) 국소 소결-티타늄 필름이 있는 SS 메쉬(마그넬리-상 소결된 Ti₄O₇ 재료)를 포함한다. 후자의 2가지 메쉬 조성은 높은 전도성 및 해수에서, 특히 Fe-계 재료를 부식시킬 수 있는 (메쉬를 청소하는 데 주기적으로 필요할 수 있는) 양극 조건 하에서 안정성을 제공하도록 선택된다. 선택된 재료는 저비용, 용이한 가공성을 특징으로 하며, 이는 다공성(예를 들어, μm에서 mm까지 범위의 개구를 갖는 거친 메쉬) 구조를 포함한 많은 폼 팩터의 용이한 제작을 가능하게 한다. 예를 들어, 다공성 Ti₄O₇ 재료는 TiO₂ 분말의 소결 및 열 환원을 통해 쉽게 제조된다. 또한 (i) in²의 100s에 걸쳐 있는 탄소-전극 메쉬 재료를 신속하게 생산하기 위해 닥터-블레이드 처리를 적용하고, (ii) 다공성 중합체 지지체 상으로 CNT의 침투 네트워크를 에어-브러싱한 다음 중합체, 예를 들어 폴리비닐 알코올(PVA)과 가교결합함에 의해 대규모 CNT-기반 막을 제작하는 것이 가능하다(도 11 참고). 이들 복합체는 nm에서 mm까지 다양한 기공 크기를 갖는 안정적이고 전기적으로 전도성이다.

염수 용액에서 pH 스윙을 유도하는 데 적합한 다양한 금속성 및 탄소계 메쉬/전극이 사용될 수 있다. 구체적으로, 다음으로 구성된 다공성 기하학적 배열(예를 들어, 메쉬 또는 부직포 매트)의 사용: 스테인리스강(SS)(소결된 메쉬의 경우 ㎡당 ~$12 또는 g당 ~$0.05), 마그넬리-상 소결된 Ti₄O₇ 재료(TiO₂에서 합성, g당 ~$0.10-0.20 US 센트) 및 탄소 나노튜브(CNT)/중합체/박리된 흑연(eG) 복합체(예를 들어, CNT는 g당 ~$3-$3O 비용, 흑연에서 합성된 eG, g당 ~$0.10). 다양한 다공성(15-40%) 및 기공 크기(0.1μm-100μm, 압력 강하 < 15 psi에 해당)를 갖는 메쉬 재료(< 5cm x 5cm)가 사용될 수 있다(더 작은 기공은 더 낮은 과전위에서 더 높은 pH를 허용하지만 물을 통과시키기 위해서 더 큰 추진력을 요한다). SS의 경우 상업적으로 이용가능한 메쉬 재료가 사용될 수 있고(예를 들어, 304 및 316L SS로 제작됨) 37μm(400 메쉬) 및 1μm(소결된 SS 플레이트의 경우) 사이의 기공 크기를 갖는 소결된 금속 시트를 사용할 수 있다. Ti₄O₇ 코팅-메쉬를 제작하기 위해, TiO₂ 분말을 구입하여 겔로 주조하고 1050℃에서 유동하는 공기 하에서 소결한 다음 1050℃에서 유동하는 H₂ 가스 하에서 환원할 수 있다; 화학량론적-이하의 Ti₄O₇을 생성하는 조건. 합성을 위한 대안적인 접근방식은 졸-겔 및 진공-탄화열 공정의 조합을 통하는 것이다. 탄소계 메쉬는 다공성 폴리테트라플루오로에틸렌 및 스테인리스강 지지체 상에 CNT/eG 현탁액을 스프레이-코팅하고 PVA를 사용하여 가교결합하여 제작될 수 있다. 메쉬 표면 형태 및 기공 크기는 주사 전자 현미경(SEM)을 사용하고; 원자간력 현미경(AFM)을 사용한, 메쉬 거칠기; 및 SEM을 사용한, 기공 크기가 평가될 수 있다. 메쉬의 구성은 에너지-분산 X-선 분광법(EDS), 푸리에-변환 적외선 분광법(FTIR) 및 Rietveld 분석을 사용한 정량적 X-선 회절을 사용하여 결정될 수 있다. 벌크 전기화학적 특성은 4-점 전도도 프로브, 순환 전압전류법, 전기화학 임피던스 분광법 및 전기화학 현미경을 사용하여 특성화될 수 있다. 메쉬의 장기 안정성은 음극으로 사용할 수 있는 메쉬를 통해 유동하도록 가압된 공급 스트림(해수)으로, 막다른 여과 셀에서 1-내지-200mA/㎠의 전류 밀도에서 >168시간의 연속 작동에 대해 평가될 수 있다. MnO₂-코팅된 Ti 막대는 양극으로 작용할 수 있다.

제자리에서 원자력 현미경(AFM)은 해수 전기분해를 통한 탄산염의 침전을 위한 전류 밀도 및 (물) 플럭스를 최적화하기 위해 상이한 메쉬 재료에 대해 수행될 수 있다. 이것은; 고체 침전물 형성을 최대화하면서, 알칼리화 역학을 열역학적 예측과 일치시키는 최고 수행성 메쉬 구성을 식별할 수 있다. 유체 셀 및 온도 제어, 전위차조절기 및 고속 이미징을 허용하는 광열 프로브 여기 모듈이 장착된 전기화학 AFM이 스크리닝 분석에 사용될 수 있다.

시뮬레이션된 해수를 함유하는 유체 셀에 장착된 1cm x 1cm x ≤0.25cm 메쉬 샘플에 다양한 과전위(0.0V 내지 2.0V)를 적용하면서 메쉬 표면에서 전류 밀도 및 탄산염 과성장 층의 지형이 모니터링될 수 있다. 유체 셀은 별도의 액체 및 기체 교환 포트를 특징으로 한다. 메쉬가 노출되는 수성 환경은 프로그래밍 가능한 주사기 펌프를 사용하여 유체 셀 내에서 용액 또는 가스를 교환함에 의해 실시간으로(예를 들어, 전위 및 데이터 수집의 적용 동안) 제어될 수 있다. 예를 들어, 용해된 Ca²⁺ 및 Mg²⁺(예를 들어, CaCO₃ 침전에 의해 용액에서 추출됨)를 보충하기 위해 시뮬레이션된 해수는 용액에서 그 고갈 속도와 일치하는 유속으로 밀봉된 셀을 통해 교환된다. 반면에 양이온을 보충하지 않고 용해된 대기 CO₂를 보충하기 위해 공기가 셀을 통해 유동될 수 있다. 탄산염 성장의 동역학(예를 들어, 속도, 형태)은 몇 초에서 몇 시간에 걸쳐 시-계열 이미지를 수집함에 의해 평가될 수 있다. 침전물의 형태는 종횡비, 두께 및 표면 피복률을 측정함에 의해 추적될 수 있으며, 이는 메쉬 표면에서 저항 손실/줄 가열을 유도함에 의해 전기분해적 침전의 진행에 영향을 미칠 수 있다. 시간 경과에 따른 - 고정 용액 조성 및 pCO₂에 대한 - 침전물 성장 속도에서의 변화가 또한 평가될 수 있다. 용액 Ω은 표면에서의 pH 변화와 기체/액체 교환 비율을 모델링하여 추정될 수 있다. 따라서, 성장률을 최대화하는 전기분해 조건(예를 들어, 인가된 전위, 유속, Ω)이 식별될 수 있다. 가장 낮은 과전위에서 탄산염 침전의 가장 높은 수율과 속도를 가능하게 하고, 예를 들어, 저항 손실로 인해 시간이 지남에 따라 탄산염 성장률이 감소하는 메쉬가 선택될 수 있다. 선택된 메쉬의 순환 성능은 표면 지형/전류 밀도가 모니터링되는 동안 10초 동안 편광 반전을 통해 시험될 수 있다.

정의

본 명세서에 사용된 바와 같이, 단수 용어 "a", "an" 및 "the"는 문맥이 명백하게 달리 지시하지 않는 한 복수의 지시대상을 포함할 수 있다. 따라서, 예를 들어, 객체에 대한 참고는 문맥이 명백하게 달리 지시하지 않는 한 다수의 객체를 포함할 수 있다.

본 명세서에 사용된 바와 같이, 용어 "세트"는 하나 이상의 객체의 모음을 지칭한다. 따라서, 예를 들어 일 세트의 객체는 단일 객체 또는 다수의 객체를 포함할 수 있다. 객체의 세트는 또한 세트의 구성원으로 지칭될 수 있다. 세트의 객체는 같거나 다를 수 있다. 일부 경우에, 세트의 객체가 하나 이상의 공통 특성을 공유할 수 있다.

본 명세서에 사용된 바와 같이, 용어 "연결하다", "연결된" 및 "연결"은 작동적 결합 또는 연결을 지칭한다. 연결된 객체는 서로 직접 결합될 수 있거나 하나 이상의 다른 객체를 통해 서로 간접적으로 결합될 수 있다.

본 명세서에 사용된 바와 같이, 용어 "실질적으로" 및 "약"은 작은 변화를 기술하고 설명하기 위해 사용된다. 사건이나 상황과 조합하여 사용될 때, 용어는 사건이나 상황이 정확하게 발생하는 경우뿐만 아니라 사건이나 상황이 거의 근사적으로 발생하는 경우를 지칭할 수 있다. 수치 값과 조합하여 사용될 때, 용어는 ±5% 이하, ±4% 이하, ±3% 이하, ±2% 이하, ±1% 이하, ±0.5% 이하, ±0.1% 이하, 또는 ±0.05% 이하와 같이 해당 수치 값의 ±10% 이하의 변동 범위를 지칭할 수 있다.

추가로, 양, 비율, 및 기타 수치 값은 때때로 범위 형식으로 본 명세서에 제시된다. 이러한 범위 형식은 편의와 간결함을 위해 사용되고 범위의 한계로 명시적으로 지정된 수치 값을 포함하지만, 또한 각 수치 값과 하위-범위는 명시적으로 지정된 것처럼 해당 범위 내에 포괄된 모든 개별 수치 값 또는 하위-범위를 포함하도록 유연하게 이해되어야함이 이해된다. 예를 들어, 약 1 내지 약 200의 범위인 비율은 약 1 및 약 200의 명시적으로 인용된 한계를 포함하지만, 또한 약 2, 약 3, 및 약 4와 같은 개별 비율 및 약 10 내지 약 50, 약 20 내지 약 100 등과 같은 하위-범위를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

추가 실시형태

E1. 이산화탄소를 용액 안으로 도입하는 단계; 및

용액으로부터 탄산염 고체의 침전을 유도하는 단계로서, 여기서 탄산염 고체의 침전을 유도하는 단계는 용액에 대해 물 전기분해를 수행하는 것을 포함하는, 단계를 포함하는 방법.

E2. E1의 방법에 있어서, 용액 안으로 이산화탄소를 도입하는 것은 가스 디퓨저를 통하여 되거나 용액은 그 환경과 평형상태인 수준으로 이산화탄소를 함유할 수 있는, 방법.

E3. E1-2 중 어느 하나에 있어서, 용액에 대해 물 전기분해를 수행하는 것은 공급 용액의 pH를 증가시키는 것을 포함하는, 방법.

E4. E1-3 중 어느 하나에 있어서, 용액에 대해 물 전기분해를 수행하는 것은 수산화 이온을 생성하는 것을 포함하는, 방법.

E5. El-4 중 어느 하나에 있어서, 탄산염 고체의 침전을 유도하는 단계는, 용액을 막 드럼의 표면 상으로 끌어당기기 위해 흡인을 적용하면서, 용액 내에서 막 드럼을 회전시키는 것을 포함하는, 방법.

E1-5 중 어느 하나에 있어서, 용액은 염수 용액인, 방법.

E7. E1-6 중 어느 하나에 있어서, 용액은 알칼리 금속-함유 용액인, 방법.

E8. E1-7 중 어느 하나에 있어서, 탄산염 고체의 침전을 유도하는 단계는 탄산칼슘 또는 탄산마그네슘 중 적어도 하나의 침전을 유도하는 것을 포함하는, 방법.

E9. 이산화탄소를 용액 안으로 도입하는 단계; 및

용액으로부터 탄산염 고체의 침전을 유도하는 단계로서, 여기서 탄산염 고체의 침전을 유도하는 단계는 용액을 막 드럼의 표면 상으로 끌어당기기 위해 흡인을 적용하면서 용액 내에서 막 드럼을 회전시키는 것을 포함하는, 단계를 포함하는 방법.

E10. E9에 있어서, 용액 안으로 이산화탄소를 도입하는 단계는 가스 디퓨저를 통하여 되는, 방법.

E11. E9-10 중 어느 하나에 있어서, 탄산염 고체의 침전을 유도하는 단계는 용액에 대해 물 전기분해를 수행하는 것을 포함하는, 방법.

E12. E9-11 중 어느 하나에 있어서, 용액은 염수 용액인, 방법.

E13. E9-12 중 어느 하나에 있어서, 용액은 알칼리 금속-함유 용액인, 방법.

E14. E9-13 중 어느 하나에 있어서, 탄산염 고체의 침전을 유도하는 단계는 탄산칼슘 또는 탄산마그네슘 중 적어도 하나의 침전을 유도하는 것을 포함하는, 방법.

본 개시내용이 그의 특정 실시형태를 참고하여 기술되었지만, 첨부된 청구항(들)에 의해 정의된 바와 같이 개시내용의 진정한 사상 및 범주를 벗어나지 않고 다양한 변경이 이루어질 수 있고 균등물이 대체될 수 있다는 것이 당업자에 의해 이해되어야 한다. 부가하여, 특정 상황, 재료, 물질의 조성, 방법, 작동 또는 작동들을 개시내용의 목적, 사상 및 범주에 적응시키기 위해 많은 변형이 이루어질 수 있다. 그러한 모든 변형은 본 명세서에 첨부된 청구항(들)의 범주 내에 있는 것으로 의도된다. 특히, 특정 방법이 특정 순서로 수행되는 특정 작동과 관련하여 기술되었을 수 있지만, 이들 작동은 개시내용의 교시에서 벗어나지 않고 동등한 방법을 형성하기 위해 조합, 세분화 또는 재정렬될 수 있음이 이해될 수 있다. 따라서, 본 명세서에 구체적으로 나타내지 않는 한, 작동의 순서 및 그룹화는 개시내용의 제한이 아니다.

Claims

존재하는 경우, 이산화탄소를 포함하는 기체성 스트림을 불용성 탄산염을 형성할 수 있는 이온을 포함하는 수용액과 접촉시키는 단계;
이산화탄소를 포함하는 수용액을 그 알칼리화를 유도하여 용액으로부터 탄산염 고체(들)의 침전을 강제하는 전기활성 메쉬와 접촉시키는 단계; 및
침전된 탄산염 고체를 용액으로부터, 또는 이들이 침적할 수 있는 메쉬의 표면으로부터 제거하는 단계에 의한, 수성 스트림 또는 기체성 스트림으로부터 이산화탄소를 제거하는 방법.
제1항에 있어서, 기체성 스트림이 존재하는, 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 기체성 스트림은 0.04 내지 100 부피% CO₂를 포함하는, 방법.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 기체성 유체는 대기의 공기인, 방법.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 기체성 유체는 천연 가스-화력 발전소, 석탄-화력 발전소, 제련소, 제철소, 시멘트 공장, 에탄올 공장, 및 화학 제조 공장으로부터 방출되는 연도 가스인, 방법.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 수용액은 기체성 스트림과 평형상태인 양의 용해된 이산화탄소를 함유하는, 방법.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 수용액은 기체성 스트림과 열 평형상태에 있는, 방법.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 수용액은 기체성 스트림과 열 평형상태에 있지 않는, 방법.
제1항에 있어서, 기체성 스트림이 존재하지 않는, 방법.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 불용성 탄산염을 형성할 수 있는 이온은 다음 Ca, Mg, Ba, Sr, Fe, Zn, Pb, Cd, Mn, Ni, Co, Cu 및 Al 중 하나 이상을 포함하는 이온을 포함하는, 방법.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 수용액은 약 1,000ppm 이상의 NaCl의 농도를 갖는, 방법.
제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 수용액은 약 30,000ppm 이상의 NaCl의 농도를 갖는, 방법.
제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 수용액은 해수를 포함하는, 방법.
제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 전기활성 메쉬는 금속성 또는 비-금속성 조성물을 포함하는 메쉬 음극를 포함하는, 방법.
제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 방법은 광물화된 이산화탄소의 톤당 약 2.5MWh 이하의 종단 간 에너지 강도를 이용하는, 방법.
제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 수용액은 대기의 존재비로 완충되는 양의 용해된 이산화탄소를 함유하는, 방법.
제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 전기활성 메쉬는 전기활성 메쉬의 약 2 내지 20000μm 이내의 수용액내 제자리에서 증가된 알칼리성 조건을 생성하는, 방법.
제17항에 있어서, 알칼리화된 조건은 pH 9 이상인, 방법.
제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 전기활성 메쉬는 금속성 또는 탄소계 메쉬로 구성되는, 방법.
제19항에 있어서, 전기활성 메쉬는 스테인리스강, 산화티탄, 탄소 나노튜브, 중합체, 및/또는 흑연, 또는 이들 재료의 다른 하이브리드 조성물을 함유하는, 방법.
제1항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서, 전기활성 메쉬는 약 0.1μm 내지 약 10000μm 범위의 직경을 갖는 기공을 포함하는, 방법.
제1항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서, 탄산염 고체의 침전을 유도하는 것은 용액을 메쉬의 외부 표면 상으로 끌어당기기 위해 흡인을 적용하면서 용액 내 전기활성 메쉬로 구성된 실린더를 회전시키는 것을 포함하는, 방법.
제1항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서, 용액은 염수 용액인, 방법.
제1항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서, 용액은 알칼리 금속-함유 용액인, 방법.
제1항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서, 탄산염 고체의 침전을 유도하는 것은 Ca, Mg, Ba, Sr, Fe, Zn, Pb, Cd, Mn, Ni, Co, Cu, 또는 Al을 갖는 적어도 하나의 탄산염의 침전을 유도하는 것을 포함하는 방법.
전기활성 메쉬를 포함하는 회전 실린더와 유체 연결되는 흡입 장치, 및 표면 또는 용액으로부터 고체를 분리하기 위한 스크래핑 장치 및/또는 액체-분무 기반 장치를 포함하는 관통형 전기분해 반응기.
제26항에 있어서, 이산화탄소, Ca 이온 및 Mg 이온을 포함하는 수용액을 추가로 포함하는, 관통형 전기분해 반응기.
제16항 또는 제17항에 있어서, 전기활성 메쉬는 이산화탄소 및 불용성 탄산염을 형성할 수 있는 이온을 포함하는 수용액으로부터 탄산염 고체의 침전에 의해 용해된 무기 탄소의 제거를 유도할 수 있는, 관통형 전기분해 반응기.
제26항 내지 제28항 중 어느 한 항에 있어서, 전기활성 메쉬는 금속성 또는 탄소계 메쉬를 함유하는, 관통형 전기분해 반응기.
제29항에 있어서, 전기활성 메쉬는 스테인리스강, 산화티탄, 탄소 나노튜브, 중합체, 및/또는 흑연, 또는 이들 재료의 하이브리드 조성물을 함유하는, 관통형 전기분해 반응기.
제26항 내지 제30항 중 어느 한 항에 있어서, 반응기는 복수의 전기활성 메쉬를 포함하는, 관통형 전기분해 반응기.
제31항에 있어서, 복수의 전기활성 메쉬는 일련의 평행한 평면 셀 또는 평행한 원통형 셀에 배열되는, 관통형 전기분해 반응기.
제16항 내지 제32항 중 어느 한 항에 있어서, 반응기는 담수화 장치와 유체 연통하는, 관통형 전기분해 반응기.