KR20230090821A - 초임계 이산화탄소를 이용한 탄산염 생성 방법 및 장치 - Google Patents
초임계 이산화탄소를 이용한 탄산염 생성 방법 및 장치 Download PDFInfo
- Publication number
- KR20230090821A KR20230090821A KR1020210179909A KR20210179909A KR20230090821A KR 20230090821 A KR20230090821 A KR 20230090821A KR 1020210179909 A KR1020210179909 A KR 1020210179909A KR 20210179909 A KR20210179909 A KR 20210179909A KR 20230090821 A KR20230090821 A KR 20230090821A
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- reactor
- carbon dioxide
- carbonate
- supercritical carbon
- reactant
- Prior art date
Links
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 173
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 85
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 title claims abstract description 84
- BVKZGUZCCUSVTD-UHFFFAOYSA-L Carbonate Chemical compound [O-]C([O-])=O BVKZGUZCCUSVTD-UHFFFAOYSA-L 0.000 title claims abstract description 17
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 15
- VTYYLEPIZMXCLO-UHFFFAOYSA-L Calcium carbonate Chemical compound [Ca+2].[O-]C([O-])=O VTYYLEPIZMXCLO-UHFFFAOYSA-L 0.000 claims abstract description 53
- 239000000376 reactant Substances 0.000 claims abstract description 33
- 229910000019 calcium carbonate Inorganic materials 0.000 claims abstract description 23
- ZLNQQNXFFQJAID-UHFFFAOYSA-L magnesium carbonate Chemical compound [Mg+2].[O-]C([O-])=O ZLNQQNXFFQJAID-UHFFFAOYSA-L 0.000 claims abstract description 23
- 239000001095 magnesium carbonate Substances 0.000 claims abstract description 23
- 229910000021 magnesium carbonate Inorganic materials 0.000 claims abstract description 23
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 22
- 238000010612 desalination reaction Methods 0.000 claims abstract description 20
- 239000013535 sea water Substances 0.000 claims abstract description 20
- 238000007667 floating Methods 0.000 claims abstract description 8
- 229910001748 carbonate mineral Inorganic materials 0.000 claims description 30
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 12
- 238000002347 injection Methods 0.000 claims description 7
- 239000007924 injection Substances 0.000 claims description 7
- 238000005188 flotation Methods 0.000 claims description 3
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 15
- 239000011777 magnesium Substances 0.000 description 10
- HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M Sodium hydroxide Chemical compound [OH-].[Na+] HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 6
- FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N Magnesium Chemical compound [Mg] FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 5
- 229910052749 magnesium Inorganic materials 0.000 description 5
- 229910052500 inorganic mineral Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000011707 mineral Substances 0.000 description 4
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 4
- 239000000047 product Substances 0.000 description 4
- 229910021532 Calcite Inorganic materials 0.000 description 3
- OYPRJOBELJOOCE-UHFFFAOYSA-N Calcium Chemical compound [Ca] OYPRJOBELJOOCE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 3
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 3
- 230000008569 process Effects 0.000 description 3
- 238000002441 X-ray diffraction Methods 0.000 description 2
- 230000033558 biomineral tissue development Effects 0.000 description 2
- 239000011575 calcium Substances 0.000 description 2
- 229910052791 calcium Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 230000014509 gene expression Effects 0.000 description 2
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 2
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 description 2
- 238000001878 scanning electron micrograph Methods 0.000 description 2
- 238000000550 scanning electron microscopy energy dispersive X-ray spectroscopy Methods 0.000 description 2
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 2
- 230000004913 activation Effects 0.000 description 1
- 230000002411 adverse Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 239000012267 brine Substances 0.000 description 1
- 150000004649 carbonic acid derivatives Chemical class 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 239000007795 chemical reaction product Substances 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 238000002425 crystallisation Methods 0.000 description 1
- 230000008025 crystallization Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 239000000945 filler Substances 0.000 description 1
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 1
- 230000005484 gravity Effects 0.000 description 1
- 239000008235 industrial water Substances 0.000 description 1
- 230000002452 interceptive effect Effects 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 238000010899 nucleation Methods 0.000 description 1
- 230000006911 nucleation Effects 0.000 description 1
- 239000003973 paint Substances 0.000 description 1
- 239000004033 plastic Substances 0.000 description 1
- 230000001737 promoting effect Effects 0.000 description 1
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 239000005060 rubber Substances 0.000 description 1
- HPALAKNZSZLMCH-UHFFFAOYSA-M sodium;chloride;hydrate Chemical compound O.[Na+].[Cl-] HPALAKNZSZLMCH-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 239000002351 wastewater Substances 0.000 description 1
- 238000005303 weighing Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01F—COMPOUNDS OF THE METALS BERYLLIUM, MAGNESIUM, ALUMINIUM, CALCIUM, STRONTIUM, BARIUM, RADIUM, THORIUM, OR OF THE RARE-EARTH METALS
- C01F5/00—Compounds of magnesium
- C01F5/24—Magnesium carbonates
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01D—SEPARATION
- B01D21/00—Separation of suspended solid particles from liquids by sedimentation
- B01D21/24—Feed or discharge mechanisms for settling tanks
- B01D21/245—Discharge mechanisms for the sediments
- B01D21/2472—Means for fluidising the sediments, e.g. by jets or mechanical agitators
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
- B01J19/0006—Controlling or regulating processes
- B01J19/0013—Controlling the temperature of the process
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
- B01J19/0086—Processes carried out with a view to control or to change the pH-value; Applications of buffer salts; Neutralisation reactions
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J3/00—Processes of utilising sub-atmospheric or super-atmospheric pressure to effect chemical or physical change of matter; Apparatus therefor
- B01J3/008—Processes carried out under supercritical conditions
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01F—COMPOUNDS OF THE METALS BERYLLIUM, MAGNESIUM, ALUMINIUM, CALCIUM, STRONTIUM, BARIUM, RADIUM, THORIUM, OR OF THE RARE-EARTH METALS
- C01F11/00—Compounds of calcium, strontium, or barium
- C01F11/18—Carbonates
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
- B01J2219/00049—Controlling or regulating processes
- B01J2219/00051—Controlling the temperature
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
- B01J2219/00049—Controlling or regulating processes
- B01J2219/00162—Controlling or regulating processes controlling the pressure
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
- B01J2219/00049—Controlling or regulating processes
- B01J2219/00177—Controlling or regulating processes controlling the pH
-
- 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
- Y02P20/50—Improvements relating to the production of bulk chemicals
- Y02P20/54—Improvements relating to the production of bulk chemicals using solvents, e.g. supercritical solvents or ionic liquids
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Geology (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Compounds Of Alkaline-Earth Elements, Aluminum Or Rare-Earth Metals (AREA)
Abstract
본 발명은 초임계 이산화탄소를 이용한 탄산염 생성 방법 및 장치을 개시한다. 본 발명은 제1 반응기에서 해수담수화 농축수를 초임계 이산화탄소와 반응시켜, 탄산칼슘 또는 탄산마그네슘을 포함하는 반응물을 제조하는 제1 단계, 상기 제1 반응기와 연결된 제2 반응기로 상기 반응물을 이동시킨 후 pH를 조절하는 제2 단계 및 상기 제2 단계 이후, 상기 제2 반응기 내부의 압력을 제어하여 마이크로 버블을 형성하고, 상기 마이크로 버블을 이용하여 상기 탄산칼슘 또는 탄산마그네슘을 부유시켜 회수하는 제3 단계를 포함한다.
Description
본 발명은 해수담수화 공정에서 배출되는 농축수로부터 초임계 이산화탄소(Supercritical Carbon Dioxide)를 이용하여 탄산칼슘 또는 탄산마그네슘등의 탄산염을 생성하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
해수담수화는 바닷물로부터 염분을 포함한 용해물질을 제거하여 생활용수, 공업용수 등으로 사용할 수 있도록 수처리하는 과정을 의미한다. 해수담수화 시설은 에너지 소모가 적고 생산성이 높아 물에 대한 수요가 증가하고 있는 최근 해수담수화 시설에 대한 도입이 늘고 있다. 그러나 해수담수화 과정에서 발생하는 농축수(농축폐수)는 높은 염분과 수온을 포함하고 있어 해양환경에 악영향을 미치는 문제점이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 최근 농축수에 이산화탄소를 반응시켜 유가자원인 마그네슘을 회수하고 이산화탄소 발생을 최소화하는 기술이 개발되었다. 농축수에 존재하는 칼슘, 마그네슘 등은 이산화탄소와 반응함으로써 탄산칼슘, 탄산마그네슘과 같은 탄산염 광물을 형성한다. 이러한 과정에서 농축수는 염분 농도가 낮아져 환경 피해를 최소화할 수 있다.
본 발명의 일 목적은 초임계 이산화탄소를 이용하여 농축수로부터 탄산칼슘 또는 탄산마그네슘등의 탄산염을 생성하는 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 농축수로부터 생성된 탄산칼슘 또는 탄산마그네슘등의 탄산염을 마이크로 버블을 이용하여 표면으로 부유시켜 회수하는 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 목적을 위한 초임계 이산화탄소를 이용한 탄산염을 생성하는 방법은 제1 반응기에서 해수담수화 농축수를 초임계 이산화탄소와 반응시켜, 탄산칼슘 또는 탄산마그네슘을 포함하는 반응물을 제조하는 제1 단계, 상기 제1 반응기와 연결된 제2 반응기로 상기 반응물을 이동시킨 후 pH를 조절하는 제2 단계 및 상기 제2 단계 이후, 상기 제2 반응기 내부의 압력을 제어하여 마이크로 버블을 형성하고, 상기 마이크로 버블을 이용하여 상기 탄산칼슘 또는 탄산마그네슘을 부유시켜 회수하는 제3 단계를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 제1 단계에서 상기 제1 반응기의 압력은 75 내지 100 bar, 상기 제1 반응기의 온도는 35 내지 180℃일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제2 단계에서 상기 반응물의 pH는 10 내지 13으로 조절될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제3 단계에서, 상기 제2 반응기의 압력은 7 내지 10 bar으로 조절될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 마이크로 버블의 크기는 1 내지 7㎛일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제3 단계 동안, 상기 제2 반응기 내부에 존재하는 잔여 이산화탄소를 펌프로 흡입하는 것을 추가적으로 수행하여, 상기 반응기 내부를 대기압 이하로 유지하여 마이크로 버블을 추가적으로 더 형성시킬 수 있다.
본 발명의 다른 목적을 위한 초임계 이산화탄소를 이용한 탄산염 광물의 생성 장치는 제1 반응기, 상기 제1 반응기와 벨브로 연결되고, 상기 제1 반응기에서 생성된 반응물을 수용하는 공간을 내부에 갖는 제2 반응기, 상기 제1 반응기와 연결되고, 상기 제1 반응기에 초임계 이산화탄소를 주입하는 이산화탄소 주입부, 상기 제1 반응기와 연결되고, 상기 제1 반응기에 해수담수화 농축수를 주입하는 농축수 주입부, 상기 제2 반응기의 압력을 제어하는 압력 제어부 및 상기 제2 반응기 내부의 반응물의 pH를 제어하는 pH 제어부를 포함하고, 상기 제2 반응기의 내부에서 상기 반응물로부터 생성된 탄산칼슘 또는 탄산마그네슘은 마이크로 버블에 의해 상기 반응물 표면으로 부유되어 회수되는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 제2 반응기는, 상기 반응물에 존재하는 잔여 이산화탄소를 흡수하는 이산화탄소 펌프부를 추가적으로 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 장치는 가압부상농축 방법을 이용하는 것일 수 있다.
본 발명에 따르면, 초임계 이산화탄소를 반응시킴으로써 탄산 광물화의 전환율을 높여 생산 수율을 증가시키고, 또한 고부가가치 마그네슘 결정체인 아라고나이트(gragonite) 등과 같은 결정을 용이하게 확보할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 초임계 이산화탄소를 이용한 탄산염 생성 방법 및 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 (a) 본 발명의 일 실시예에 따라 초임계 이산화탄소를 이용하여 생성된 탄산염 광물 및 (b) 이를 비교하기 위해 이산화탄소 가스를 이용하여 생성된 탄산염 광물의 SEM 이미지를 각각 나타낸 도면이다.
도 3은 (a) 본 발명의 일 실시예에 따라 초임계 이산화탄소를 이용하여 생성된 탄산염 광물 및 (b) 이를 비교하기 위해 이산화탄소 가스를 이용하여 생성된 탄산염 광물의 SEM-EDX 이미지를 각각 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 초임계 이산화탄소를 이용하여 생성된 탄산염 광물 및 이를 비교하기 위해 이산화탄소 가스를 이용하여 생성된 탄산염 광물의 XRD 분석을 나타낸 도면이다.
도 2는 (a) 본 발명의 일 실시예에 따라 초임계 이산화탄소를 이용하여 생성된 탄산염 광물 및 (b) 이를 비교하기 위해 이산화탄소 가스를 이용하여 생성된 탄산염 광물의 SEM 이미지를 각각 나타낸 도면이다.
도 3은 (a) 본 발명의 일 실시예에 따라 초임계 이산화탄소를 이용하여 생성된 탄산염 광물 및 (b) 이를 비교하기 위해 이산화탄소 가스를 이용하여 생성된 탄산염 광물의 SEM-EDX 이미지를 각각 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 초임계 이산화탄소를 이용하여 생성된 탄산염 광물 및 이를 비교하기 위해 이산화탄소 가스를 이용하여 생성된 탄산염 광물의 XRD 분석을 나타낸 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로서 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1은 본 발명의 본 발명의 초임계 이산화탄소를 이용한 탄산염 생성 방법 및 초임계 이산화탄소를 이용한 탄산염 광물의 생성 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 초임계 이산화탄소를 이용한 탄산염 생성 방법은, 제1 반응기에서 해수담수화 농축수를 초임계 이산화탄소와 반응시켜 반응물을 제조하는 제1 단계, 상기 제1 반응기와 연결된 제2 반응기로 상기 반응물을 이동시킨 후 pH를 조절하는 제2 단계 및 상기 제2 단계 이후, 상기 제2 반응기 내부의 압력을 제어하여 마이크로 버블을 형성하고, 상기 마이크로 버블을 이용하여 상기 탄산칼슘 또는 탄산마그네슘을 부유시켜 회수하는 제3 단계를 포함한다.
상기 초임계 이산화탄소는 임계온도와 임계압력을 초과한 상태의 이산화탄소로, 기체와 액체의 성질을 동시에 가진 유체를 의미한다. 본 발명에서는 이산화탄소 기체(CO2 gas)를 사용하여 농축수와 반응시키는 종래기술과 비교하여, 초임계 이산화탄소를 농축수와 반응시키는 것을 특징으로 한다.
상기 제1 단계에서, 상기 제1 반응기의 압력은 약 75 내지 100 bar 및 상기 제1 반응기의 온도는 35 내지 180℃ 으로 조절되는 것일 수 있다. 상기 제1 반응기 내의 압력과 온도를 범위내로 유지함으로써 상기 해수담수화 농축수와 상기 초임계 이산화탄소의 반응 효율을 향상시켜 광물 전환율을 높일 수 있다. 상기 해수담수화 농축수와 상기 초임계 이산화탄소는 반응하여 탄산칼슘 또는 탄산마그네슘을 포함하는 반응물을 형성할 수 있다. 구체적으로, 상기 해수담수화 농축수에 있는 칼슘 및 마그네슘 등의 물질이 초임계 이산화탄소와 반응하여 각각 탄산칼슘 또는 탄산마그네슘을 형성할 수 있다.
상기 제2 단계에서, 상기 반응물의 pH는 약 10 내지 13으로 조절될 수 있다. 본 발명에서 상기 반응물의 pH를 조절은 마그네슘의 급속한 결정화로 미세구조의 탄산마그네슘을 획득하는 효과가 있다. 상기 반응물의 pH는 수산화나트륨(NaOH)을 이용하여 조절할 수 있다. 그러나 본 발명에서는 이에 한정하는 것은 아니며, 반응물의 pH를 조절할 수 있는 방법이라면 모두 사용가능하다.
상기 제3 단계에서, 상기 제2 반응기의 압력은 약 7 내지 10 bar으로 조절되는 것일 수 있다. 상기 제2 반응기를 상기 범위의 압력으로 제어함으로써 마이크로 버블을 형성할 수 있다. 약 7 bar 이상의 가압조건에서 버블생성은 기포의 크기 변화 없이 일정한 크기의 마이크로버블이 생성되어 고액분리의 효율을 높이는 특징을 가진다.
상기 마이크로 버블의 크기는 약 1 내지 7㎛일 수 있다. 바람직하게는, 상기 마이크로 버블의 크기는 약 2 내지 7 ㎛ 일 수 있다. 상기 마이크로 버블의 크기가 약 10 ㎛ 초과하는 경우에는 V4 토출 압력을 상승하여 제어할 수 있다.
상기 제3 단계 동안, 상기 제2 반응기 내부에 존재하는 잔여 이산화탄소를 펌프로 흡입하는 것을 추가적으로 수행하여, 상기 반응기 내부를 대기압 이하로 유지하여 탄산칼슘 또는 탄산마그네슘을 표면으로 부유시킬 수 있는 마이크로 버블을 추가적으로 더 형성시킬 수 있다. 상기 이산화탄소 흡입에 의해 상기 제2 반응기 내부가 대기압 이하로 유지됨에 따라 미세한 크기의 버블을 형성할 수 있어, 상기 탄산칼슘 및 탄산마그네슘의 회수를 용이하게 할 수 있다.
본 발명의 초임계 이산화탄소를 이용한 탄산염 광물의 생성 장치는 제1 반응기, 상기 제1 반응기와 벨브로 연결되고, 상기 제1 반응기에서 생성된 반응물을 수용하는 공간을 내부에 갖는 제2 반응기, 상기 제1 반응기와 연결되고, 상기 제1 반응기에 초임계 이산화탄소를 주입하는 이산화탄소 주입부, 상기 제1 반응기와 연결되고, 상기 제1 반응기에 해수담수화 농축수를 주입하는 농축수 주입부, 상기 제2 반응기의 압력을 제어하는 압력 제어부(도 1에서 'P2'으로 표시 됨) 및 상기 제2 반응기 내부의 반응물의 pH를 제어하는 pH 제어부를 포함하고, 상기 제2 반응기의 내부에서 상기 반응물로부터 생성된 탄산칼슘 또는 탄산마그네슘은 마이크로 버블에 의해 상기 반응물 표면으로 부유되어 회수되는 것을 특징으로 한다.
상기 제1 반응기는 상기 초임계 이산화탄소와 상기 해수담수화 농축수가 반응하는 반응기일 수 있다. 상기 제1 반응기는 상기 반응을 위해 내부의 온도 및 습도 등을 일정한 상태로 유지할 수 있는 항온 반응기일 수 있다. 또한, 상기 제1 반응기는 내부에 수용되는 물질의 중량을 측정할 수 있는 무게측정부 및 상기 제1 반응기의 내부의 압력을 제어하는 압력 제어부(도 1에서 'P1'으로 표시 됨)를 추가로 포함할 수 있다. 따라서 지정된 중량의 해수담수화 농축수를 내부에 수용할 수 있고, 압력의 제어를 통해 상기 해수담수화 농축수와 상기 초임계 이산화탄소의 반응을 용이하게 하여, 탄산칼슘 또는 탄산마그네슘을 포함하는 반응물을 형성할 수 있다.
상기 제2 반응기는 상기 압력 제어부(P2)와 상기 pH 제어부에 의해 내부에 마이크로 버블을 형성시키고, 상기 마이크로버블을 통해 상기 반응물 내의 탄산칼슘 또는 탄산마그네슘과 같은 탄산 광물염을 상기 반응물의 표면으로 부유시켜 용이하게 회수가능하게 하는 역할을 한다. 본 발명에서 상기 제2 반응기는 가압부상농축조일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제2 반응기는, 상기 반응물에 존재하는 잔여 이산화탄소를 흡수하는 이산화탄소 펌프부를 추가적으로 포함할 수 있다. 상기 이산화탄소 펌프부는 밀폐된 상기 제2 반응기에 존재하는 잔여 이산화탄소를 흡입하여 상기 제2 반응기를 대기압 이하로 유지시킴으로써 마이크로 버블을 추가적으로 더 형성시킬 수 있는 장점이 있다. 또한, 상기 이산화탄소 펌프부로부토 흡입된 이산화탄소를 상기 이산화탄소 주입부와 연결시켜, 이산화탄소를 재순환시킬 수 있어, 이산화탄소의 저감 등의 경제적 효과를 제공할 수 있다.
본 발명에 따르면, 해수담수화 농축수로부터 고부가가치 탄삼염 광물을 용이하게 획득할 수 있고, 이산화탄소를 초임계 상태로 반응시킴으로써 탄산염 광물의 높은 전환율을 제공할 수 있다. 또한, 마이크로 버블에 의해 탄산염 광물을 표면으로 부유시켜 용이하게 획득할 수 있는 장점이 있다.
이하에서, 구체적인 실시예들 및 비교예를 통해서 본 발명의 초임계 이산화탄소를 이용한 탄산염 생성 방법 및 장치에 대해서 보다 상세히 설명하기로 한다. 다만, 본 발명의 실시예들은 본 발명의 일부 실시 형태에 불과한 것으로서, 본 발명의 범위가 하기 실시예들에 한정되는 것은 아니다.
실시예
도 1에 도시된 장치를 이용하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 방법을 통해 탄산칼슘 및 탄산마그네슘을 생성하였다. 초임계 CO2 반응부에서 반응압력 80 bar, 반응온도 35℃의 조건에서 수행되었고, CO2 주입량과 농축수 비율은 약 1: 8 ~ 20 의 비율로 주입하였다. 버블을 생성하여 광물을 수득하는 고액 분리부에서는 pH를 10.2 이상 12 이하로 유지하였고, 이러한 조건은 pH 계측기와 연동된 V4번 개도율에 의해 조절하였다.
비교예
초임계 이산화탄소를 대신 이산화탄소 가스를 사용한 것을 제외하고는, 본 발명의 실시예와 동일한 공정을 수행하여, 해수담수화 농축수로부터 탄산칼슘 및 탄산마그네슘을 얻었다.
실험예
도 2는 (a) 본 발명의 일 실시예에 따라 초임계 이산화탄소를 이용하여 생성된 탄산염 광물 및 (b) 이를 비교하기 위해 이산화탄소 가스를 이용하여 생성된 탄산염 광물의 SEM 이미지를 각각 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따라 생성된 탄산염 광물이 이산화탄소 가스를 이용하여 생성된 탄산염 광물의 크기보다 작고 균일한 결정구조를 갖는 것을 알 수 있다.
초임계 조건의 이산화탄소와 농축수가 반응후 배출되는 반응물의 경우 과포화된 이산화탄소를 이용한 탄산광물 반응보다 탄산염광물의 형성을 위한 초기 메커니즘은 과포화 용액에서의 갑작스런 핵 형성 버스토와 핵 성장에 의해 동일 입자를 형성하는 것으로 규정하고 있으며, 또한 초임계 상태(고압) 조건에서 CO2 용해도가 높아져서 탄산광물화 전환율이 높아진다. 온도 조건의 경우 온도를 높일수록 활성화 에너지 이상의 에너지를 가지는 입자수가 증가하기 때문에 반응할 수 있는 입자수가 많아지므로 반응 속도가 빨라지고 전환율이 증가하며, 본 발명도 초임계 조건에서 농축수 반응 후 고압조건에서 토출되는 CO2가 pH 높은 염수와 접촉하여 동일한 입자의 핵 성장을 한 것으로 판단된다.
도 3은 (a) 본 발명의 일 실시예에 따라 초임계 이산화탄소를 이용하여 생성된 탄산염 광물 및 (b) 이를 비교하기 위해 이산화탄소 가스를 이용하여 생성된 탄산염 광물의 SEM-EDX 이미지를 각각 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따라 초임계 이산화탄소를 이용하여 생성된 생성물의 Mg 비율(36.72 wt%, 36.12 At%)이 이산화탄소 가스를 이용하여 생성된 생성물의 Mg 비율(13.49 wt%, 12.06 At%) 보다 높은 함량을 갖는 것으로 확인되었다. Mg 농도는 탄산칼슘의 칼사이트 생성 수율을 감소시키고, 아라고나이트 생성수율을 증가시켜 경제성 높은 탄산염광물을 획득이 가능하며, 본 기술은 이산화탄소 가스를 이용하는 것 보다 초임계 이산화탄소를 이용하는 것이 탄산염 광물 생성에 유리한 것으로 판단된다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 초임계 이산화탄소를 이용하여 생성된 탄산염 광물(SFCF cleaned water) 및 이를 비교하기 위해 이산화탄소 가스(CO2 gas)를 이용하여 생성된 탄산염 광물의 XRD 분석을 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면, 초임계 이산화탄소를 이용하여 생성된 생성물(SFCF cleaned water 으로 표시됨)에서는 아라고나이트(aragonite) 광물의 패턴이 나타난 것을 확인할 수 있다. 한편, 이산화탄소 가스의 생성물(CO2 gas으로 표시됨)에서는 칼사이트(Calcite), 바테라이트(Vaterite) 및 아라고나이트(aragonite) 광물의 패턴이 나타난 것을 확인할 수 있다.
Mg2+ 이온은 칼사이트(calcite)의 핵 성장을 방해하여 결정성장을 억제함으로써, 상대적으로 아라고나이트(Aragnoite) 생성을 촉진시킬 수 있다. 따라서, 본 발명에 따라 초임계 이산화탄소를 이용하여 생성된 탄산 광물은 높은 Mg2+ 이온의 함량으로 인해 탄산염으로 전환율이 높고, 생성된 결정이 상대적으로 작아 아라고나이트(Aragonite)의 생성이 유리함을 알 수 있다. 아라고나이트는 백색이며 순도가 높고 잘 녹지 않고 적당한 비중을 가지기 때문에 고무, 플라스틱, 도료의 증량??충진제나 제지용 도공제 등 중요한 공업원료로 이용되고 있어 탄산광물화시 아라고나이트의 생성의 전환율은 경제성과 밀접한 관련을 가지고 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
Claims (9)
- 제1 반응기에서 해수담수화 농축수를 초임계 이산화탄소와 반응시켜, 탄산칼슘 또는 탄산마그네슘을 포함하는 반응물을 제조하는 제1 단계;
상기 제1 반응기와 연결된 제2 반응기로 상기 반응물을 이동시킨 후 pH를 조절하는 제2 단계; 및
상기 제2 단계 이후, 상기 제2 반응기 내부의 압력을 제어하여 마이크로 버블을 형성하고, 상기 마이크로 버블을 이용하여 상기 탄산칼슘 또는 탄산마그네슘을 부유시켜 회수하는 제3 단계를 포함하는,
초임계 이산화탄소를 이용한 탄산염을 생성하는 방법. - 제1항에 있어서,
상기 제1 단계에서,
상기 제1 반응기의 압력은 75 내지 100 bar,
상기 제1 반응기의 온도는 35 내지 180℃ 인,
초임계 이산화탄소를 이용한 탄산염을 생성하는 방법. - 제1항에 있어서,
상기 제2 단계에서 상기 반응물의 pH는 10 내지 13으로 조절되는 것인,
초임계 이산화탄소를 이용한 탄산염을 생성하는 방법. - 제1항에 있어서,
상기 제3 단계에서, 상기 제2 반응기의 압력은 7 내지 10 bar으로 조절되는 것인,
초임계 이산화탄소를 이용한 탄산염을 생성하는 방법. - 제1항에 있어서,
상기 마이크로 버블의 크기는 1 내지 7㎛인 것인,
초임계 이산화탄소를 이용한 탄산염을 생성하는 방법. - 제1항에 있어서,
상기 제3 단계 동안,
상기 제2 반응기 내부에 존재하는 잔여 이산화탄소를 펌프로 흡입하는 것을 추가적으로 수행하여, 상기 반응기 내부를 대기압 이하로 유지하여 마이크로 버블을 추가적으로 더 형성시키는 것을 특징으로 하는,
초임계 이산화탄소를 이용한 탄산염을 생성하는 방법. - 제1 반응기;
상기 제1 반응기와 벨브로 연결되고, 상기 제1 반응기에서 생성된 반응물을 수용하는 공간을 내부에 갖는 제2 반응기;
상기 제1 반응기와 연결되고, 상기 제1 반응기에 초임계 이산화탄소를 주입하는 이산화탄소 주입부;
상기 제1 반응기와 연결되고, 상기 제1 반응기에 해수담수화 농축수를 주입하는 농축수 주입부;
상기 제2 반응기의 압력을 제어하는 압력 제어부; 및
상기 제2 반응기 내부의 반응물의 pH를 제어하는 pH 제어부;를 포함하고,
상기 제2 반응기의 내부에서 상기 반응물로부터 생성된 탄산칼슘 또는 탄산마그네슘은 마이크로 버블에 의해 상기 반응물 표면으로 부유되어 회수되는 것을 특징으로 하는,
초임계 이산화탄소를 이용한 탄산염 광물의 생성 장치. - 제7항에 있어서,
상기 제2 반응기는, 상기 반응물에 존재하는 잔여 이산화탄소를 흡수하는 이산화탄소 펌프부를 추가적으로 포함하는,
초임계 이산화탄소를 이용한 탄산염 광물의 생성 장치. - 제7항에 있어서,
상기 장치는 가압부상농축 방법을 이용하는 것을 특징으로 하는,
초임계 이산화탄소를 이용한 탄산염 광물의 생성 장치.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020210179909A KR102628028B1 (ko) | 2021-12-15 | 2021-12-15 | 초임계 이산화탄소를 이용한 탄산염 생성 방법 및 장치 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020210179909A KR102628028B1 (ko) | 2021-12-15 | 2021-12-15 | 초임계 이산화탄소를 이용한 탄산염 생성 방법 및 장치 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20230090821A true KR20230090821A (ko) | 2023-06-22 |
| KR102628028B1 KR102628028B1 (ko) | 2024-01-19 |
Family
ID=86989339
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020210179909A KR102628028B1 (ko) | 2021-12-15 | 2021-12-15 | 초임계 이산화탄소를 이용한 탄산염 생성 방법 및 장치 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR102628028B1 (ko) |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5432809B1 (ko) * | 1968-12-31 | 1979-10-17 | ||
| KR100319491B1 (ko) * | 1998-12-08 | 2002-04-22 | 김충섭 | 재활용되는제지공정수의칼슘경도조절방법 |
| KR101725557B1 (ko) * | 2008-08-28 | 2017-04-10 | 오리카 익스플로시브스 테크놀로지 피티와이 리미티드 | 개선된 통합 화학공정 |
| JP2021513460A (ja) * | 2018-02-08 | 2021-05-27 | ミネラル カーボネーション インターナショナル プロプライエタリー リミテッドＭｉｎｅｒａｌ Ｃａｒｂｏｎａｔｉｏｎ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｐｔｙ Ｌｔｄ | 鉱物炭酸塩化のための一体化処理 |
| KR20210065534A (ko) * | 2019-11-27 | 2021-06-04 | 한국과학기술연구원 | 저전력 기반 나노 탄산칼슘 제조장치 및 이를 이용한 나노 탄산칼슘 제조방법 |
| JP2021524805A (ja) * | 2018-05-08 | 2021-09-16 | ミネラル カーボネーション インターナショナル ピーティーワイ リミテッド | 炭酸塩鉱物化 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP5432809B2 (ja) | 2009-06-08 | 2014-03-05 | 株式会社神戸製鋼所 | 鉄鋼スラグ粉末の炭酸化処理方法およびその装置 |
-
2021
- 2021-12-15 KR KR1020210179909A patent/KR102628028B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5432809B1 (ko) * | 1968-12-31 | 1979-10-17 | ||
| KR100319491B1 (ko) * | 1998-12-08 | 2002-04-22 | 김충섭 | 재활용되는제지공정수의칼슘경도조절방법 |
| KR101725557B1 (ko) * | 2008-08-28 | 2017-04-10 | 오리카 익스플로시브스 테크놀로지 피티와이 리미티드 | 개선된 통합 화학공정 |
| JP2021513460A (ja) * | 2018-02-08 | 2021-05-27 | ミネラル カーボネーション インターナショナル プロプライエタリー リミテッドＭｉｎｅｒａｌ Ｃａｒｂｏｎａｔｉｏｎ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｐｔｙ Ｌｔｄ | 鉱物炭酸塩化のための一体化処理 |
| JP2021524805A (ja) * | 2018-05-08 | 2021-09-16 | ミネラル カーボネーション インターナショナル ピーティーワイ リミテッド | 炭酸塩鉱物化 |
| KR20210065534A (ko) * | 2019-11-27 | 2021-06-04 | 한국과학기술연구원 | 저전력 기반 나노 탄산칼슘 제조장치 및 이를 이용한 나노 탄산칼슘 제조방법 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR102628028B1 (ko) | 2024-01-19 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR101036553B1 (ko) | 이산화탄소 마이크로 버블을 이용한 탄산염의 제조방법 및 그로부터 제조된 탄산염 | |
| AU2008270034B2 (en) | Desalination methods and systems that include carbonate compound precipitation | |
| CN100567159C (zh) | 一种制备超细轻质碳酸钙的方法 | |
| JP5648871B2 (ja) | 炭酸ガスの処理方法 | |
| US20090028774A1 (en) | Carbonator and method for making calcium carbonate | |
| KR101139398B1 (ko) | 고수율로 신속하게 탄산칼슘의 침전을 유도하는 이산화탄소 마이크로버블 이용 탄산칼슘의 제조공정 | |
| Van Langerak et al. | Influent calcium removal by crystallization reusing anaerobic effluent alkalinity | |
| Zhang et al. | Acceleration of CO2 mineralisation of alkaline brines with nickel nanoparticles catalysts in continuous tubular reactor | |
| Altiner | Influences of CO (2) Bubbling Types on Preparation of Calcite Nanoparticles by Carbonation Process | |
| KR102628028B1 (ko) | 초임계 이산화탄소를 이용한 탄산염 생성 방법 및 장치 | |
| KR101221033B1 (ko) | 플라이애시 및 이산화탄소 마이크로 버블을 이용한 탄산칼슘의 제조방법 | |
| KR20090122811A (ko) | 가스 하이드레이트를 이용한 해수의 담수화 방법 및 장치 | |
| JP6198798B2 (ja) | 炭酸リチウム製造方法 | |
| JPS62161973A (ja) | 高純度炭酸リチウムの製造方法 | |
| KR101377556B1 (ko) | Ｃｏ２ 저감을 위한 탄산염광물화 반응으로부터 부산물로 생성되는 탄산염 광물의 입도 및 비표면적 제어방법 | |
| KR20220063429A (ko) | 아민계 흡수제의 구조적 특성을 활용한 탄산칼슘 성상제어 및 해수담수화 폐수 활용 co2 재이용 기술 | |
| US20180022623A1 (en) | Method of extending tailings pond life | |
| JP5689954B2 (ja) | プロセス水を生成するために未処理の塩水を処理する方法、それによって生成されるプロセス水、および前記方法を行うための装置 | |
| US3843768A (en) | Process for the preparation of sodium carbonate monohydrate from a sodium hydroxide solution produced according to the diaphragm process | |
| US20210340681A1 (en) | Electrochemical system, apparatus and method to generate metal hydroxide in the presence of metal silicates | |
| JP2010082526A (ja) | 炭酸ガスの処理方法 | |
| MATSUMOTO et al. | Controlling production regions of Ca and Mg carbonates obtained by CO2 fine bubble injection into concentrated brine | |
| CN115724536A (zh) | 一种不饱和碳酸锂废水回收碳酸锂的方法及系统 | |
| 松本真和 et al. | Reactive crystallization of CaCO3 using CO2/NH3 bubbles-Effects of bubble size and molar ratio of CO2/NH3 on polymorphism | |
| CN220098580U (zh) | 一种碱渣固废无害化处理装置 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant |