KR20230161689A - 식물 유래 셀룰로오스 섬유 필터를 이용한 이산화탄소 전환 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 이산화탄소를 카보네이트 화합물로 전환시키는 시스템 및 방법에 관한 것이다. 이산화탄소의 카보네이트 화합물 전환시키는 시스템 및 방법의 본 명세서에서는 셀룰로오스 기반 섬유를 주성분으로 하는(바람직하게는 천연 수세미 섬유 또는 lyocell 섬유) 이산화탄소 흡착 필터를 이용하여 고순도의 카보네이트 화합물을 생산하는 이산화탄소 전환 시스템 및 방법을 제공한다.
Description
본 출원에 개시된 발명은 이산화탄소 전환 시스템에 관한 것으로서, 특히 높은 효율로 카보네이트 화합물을 생성시키기 위한 이산화탄소 전환 시스템 및 방법에 관한 것이다.
지구 온난화의 가속으로, 이산화탄소를 효율적으로 전환하기 위한 시스템에 관한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 그 중, 이산화탄소를 카보네이트 화합물 등의 유용한 물질로 전환하는 기술은 이산화탄소의 포집과 생성물 수득의 두 가지 효과를 동시에 달성할 수 있기 때문에 특히 각광받고 있는 연구 분야이다. 다만, 종래의 기술은 이산화탄소의 전환에 있어서 가압, 가열 공정 또는 촉매의 부가가 수반되거나, 혹은 생성물의 순도가 낮았기 때문에 더 효율성이 큰 기술의 개발이 요구된다.
본 발명의 일 목적은 이산화탄소(CO2)를 카보네이트 화합물(carbonate compound)로 전환하기 위한 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 이산화탄소를 카보네이트 화합물로 전환시키기 위한 방법을 제공하는 것이다.
본 발명은 이산화탄소(CO2)를 카보네이트 화합물(carbonate compound)로 전환하기 위한 시스템을 제공한다.
일 예로, 상기 시스템은 CO2 함유 가스의 유입을 위한 제1 유입구(101), 용매의 유입을 위한 제2 유입구(102) 및 1차 생성물배출구(103)를 포함하는, 1차 반응기(100); 식물 유래 셀룰로오스 섬유를 포함하는 CO2 흡착 필터(300), 이 때, 상기 필터는 상기 1차 반응기 내부에 장착됨; 상기 1차 반응기에 장착된 pH 미터(110); 용매 공급 탱크(400); 상기 용매 공급 탱크와 상기 1차 반응기의 제2 유입구를 연결하는 연결부(P1); 1차 생성물 유입구(201), CO2 함유 가스의 유입을 위한 제3 입구(202) 및 2차 생성물 배출구(203)를 포함하는, 2차 반응기(200); 및 상기 1차 반응기의 상기 1차 생성물 배출구와 상기 2차 반응기의 1차 생성물 유입구를 연결하는 연결부(P2)를 포함하는 이산화탄소 전환 시스템으로서, 이 때, 상기 연결부(P2)는 상기 1차 반응기와 2차 반응기 사이의 1차 생성물의 흐름을 제어하기 위해 개폐가 조절될 수 있는 시스템이다.
일 예로, 상기 식물 유래 셀룰로오스 섬유는 천연 수세미 섬유 및 lyocell 섬유에서 선택된 하나 이상이다.
일 예로, 상기 용매는 금속 이온 수용액이고, 이 때, 상기 금속 이온 수용액은 금속 화합물이 H2O에 용해된 용액이며, 이 때, 상기 금속 화합물은 Ma(OH)2 또는 MaCO3이고, 이 때, 상기 M은 금속이고, 이 때, 상기 a는 1 또는 2이다.
일 예로, 상기 금속 이온은 Na(Sodium)이다.
일 예로, 상기 카보네이트 화합물은 Na2HCO3, MgCO3, 및 CaCO3 중 선택된 어느 하나의 화합물이다.
일 예로, 상기 1차 반응기는 교반기(Stirrer)(120)를 더 포함한다.
일 예로,
상기 시스템은 원심분리기(500), 건조기(600), 제분기(milling machine)(700) 및 시빙기(sieving machine)(800) 중 하나 이상의 장치를 더 포함한다.
또한, 본 발명은 이산화탄소를 카보네이트 화합물로 전환시키기 위한 방법을 제공한다.
일 예로, 상기 방법은 별도의 가압 과정이 필요하지 않으며, 상기 방법은 다음을 포함한다:
1차 반응기에 금속 이온 수용액을 공급하는 것, 이 때, 상기 금속 이온 수용액은 금속 화합물이 H2O에 용해된 용액이며, 이 때, 상기 금속 화합물은 Ma(OH)2 또는 MaCO3이고, 이 때, 상기 M은 금속이고, 이 때, 상기 a는 1 또는 2임; CO2 함유 가스를 공급하여, 상기 CO2 함유 가스가 상기 1차 반응기 내부에 장착된 식물 유래 셀룰로오스 섬유를 포함하는 CO2 흡착 필터와 접촉하도록 하는 것, 1차 생성물을 1차 반응기에서 2차 반응기로 이송하는 것, 이 때, 상기 1차 생성물을 1차 반응기에서 2차 반응기로 이송하는 것은 상기 1차 반응기의 내용물의 pH 값이 특정 값 이하로 감소할 때 수행됨; 및 카보네이트 화합물의 침전을 위해 상기 2차 반응기에 CO2 함유 가스를 공급하는 것.
일 예로, 상기 방법에서, 상기 금속 이온은 Na(Sodium)이다.
일 예로, 상기 방법에서, 상기 카보네이트 화합물은 Na2HCO3, MgCO3, 및 CaCO3 중 선택된 어느 하나의 화합물이다.
일 예로, 상기 방법에서, 상기 카보네이트 화합물은 Na2HCO3이다.
일 예로, 상기 방법은 다음 중 어느 하나 이상의 과정을 더 포함한다:
2차 생성물을 원심분리하는 것, 2차 생성물을 건조하는 것, 2차 생성물을 밀링하는 것, 및 2차 생성물을 시빙(sieving) 하는 것.
일 예로, 상기 방법은 회분 공정 또는 연속 공정으로 이루어지는 것이다.
본 명세서에 의해 개시되는 이산화탄소를 카보네이트 화합물로 전환시키기 위한 시스템 및 방법을 이용하는 경우, 상온 및 상압에서, 그리고 촉매의 부가 없이도 향상된 순도의 카보네이트 화합물의 생성이 가능하며, 석출물이 필터의 포어(Pores)를 막는 현상이 거의 발생하지 않게 된다. 본 발명의 더 상세한 효과에 대해서는 이하의 '3. 본 출원이 제공하는 이산화탄소 전환 시스템 및 방법의 효과' 섹션에 기재하였다.
도 1은 본 발명의 이산화탄소 전환 시스템의 각 구성요소의 연결관계 및 개략도를 일 예시로 나타내는 공정도이다.
도 2는 본 발명의 이산화탄소 전환 시스템의 각 구성요소의 전체적인 연결관계 및 공정 흐름을 일 예시로 나타내는 공정도이다.
도 2는 본 발명의 이산화탄소 전환 시스템의 각 구성요소의 전체적인 연결관계 및 공정 흐름을 일 예시로 나타내는 공정도이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여, 발명의 내용을 구체적인 실시예를 들어 좀 더 상세하게 설명한다. 다만, 상기 첨부된 도면은 발명의 일부 실시예를 포함하지만, 모든 실시예를 개시하고 있지 않다. 본 명세서에 의해 개시된 발명은 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 본 명세서에서 예를 들어 설명한 실시예만으로 제한되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 명세서에 개시된 발명이 속한 기술분야에 있어 통상의 기술자라면, 본 명세서에 개시된 발명의 내용에 대한 많은 변형 및 다양한 실시예를 떠올릴 수 있을 것이다. 따라서, 본 명세서에 개시된 발명의 범위는 여기에 기재된 실시예만으로 제한되지 않으며 이들 실시예의 변형이나 통상의 기술자가 당연하게 떠올릴 수 있는 실시예들도 청구범위 내에 포함되는 것으로 이해되어야 한다.
용어의 정의
이산화탄소 함유 가스
본 명세서에서, '이산화탄소 함유 가스'라고 함은 순수한 이산화탄소 및 이산화탄소를 함유하고 있는 어떤 종류의 가스라도 지칭하는 것으로 해석될 수 있다. 예를 들어, 상기 이산화탄소 함유 가스는 순수한 이산화탄소, 석탄 발전소 배출가스, 가스 발전소 배출가스, 소각로 배출가스, 유리용해 배출가스, 열설비 배출가스, 석유화학공정 배출가스, 석유화학공정 공정가스, 연소전 배출가스 및 가스화기 배출가스로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상일 수 있다. 본 명세서에서 이산화탄소 함유 가스는 동일 의미의 표기인 CO2 함유 가스와 혼용되어 기재된다.
카보네이트 화합물 (Carbonate Compound)
카보네이트(carbonate) 또는 탄산염은 탄산의 수소가 금속으로 치환된 염을 의미한다. 일반적으로 금속산화물이나 수산화물의 고체 또는 수용액에 이산화탄소를 흡수시키면 생성된다. 카보네이트 화합물이란 탄산염 이온인 CO3 2-를 포함하는 염 또는 기타 화합물을 의미한다.
이산화탄소 전환(Conversion of CO
2
)
본 명세서에서 이산화탄소의 전환이라 함은, 화학 반응을 통해 이산화탄소를 다른 유용한 물질로 변환시키는 것을 의미한다. 구체적으로, 본 명세서에서 '이산화탄소 전환'은 이산화탄소 함유가스에 포함된 이산화탄소를 용매와 반응시켜 카보네이트 화합물을 생성하는 것을 의미할 수 있다.
'천연' 및 '천연 수세미'
본 명세서에서 사용되는 '천연' 이라는 용어는 인공적인 조작을 가하지 아니한 자연 그대로의 물질을 의미한다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 '천연 수세미'란 수세미에 인공적인 가공, 예를 들어 물리적 또는 화학적 변형을 가하지 않은 자연 그대로의 수세미를 의미한다. 또한, 본 명세서에서 나타내는 천연 수세미는 건조된 상태의 수세미일 수 있다. 이 때, 수세미는 Luffa aegyptiaca Miller의 학명을 가지는 식물로, 루파, 러파, 스무드루파, 러파 스펀지, Cucumis aegyptica Miller, Momordica luffa L., M. cylindrica Linnaeus, Luffa cylindrica (L.) M. Roemer 등의 명칭으로도 불릴 수 있다.
약
본 명세서에서 사용되는 “약”이라는 용어는 참조 양, 수준, 값, 수, 빈도, 퍼센트, 치수, 크기, 양, 중량 또는 길이에 대해 30, 25, 20, 25, 10, 9, 8, 7, 6, 5, 4, 3, 2 또는 1% 정도로 변하는 양, 수준, 값, 수, 빈도, 퍼센트, 치수, 크기, 양, 중량 또는 길이를 의미하는 것으로 해석된다.
종래의 이산화탄소 포집 및 전환 시스템
지구 온난화 문제를 해결을 위한 온실가스 저감 기술은 환경 및 공업 측면에서의 주요 관심사가 되어왔다. 특히, 이산화탄소(CO2)는 다양한 산업분야의 공정에서 발생하기 때문에 이러한 이산화탄소의 포집 또는 전환을 위한 노력이 이어져왔다. 최근에는 온실가스 저감을 위해 이산화탄소(CO2)를 포집하고, 이를 활용 또는 저장하여 이산화탄소의 배출을 줄이는 친환경 기술에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다.
이산화탄소의 활용에 있어서, 이산화탄소를 포집하여 카보네이트 화합물 등 유용한 물질들을 생산하는 기술은 활발히 연구 분야 중 하나이다. 이산화탄소를 카보네이트 화합물로 생성하기 위한 탄산화 반응은 대부분 고온 또는 고압을 필요로 한다. 예를 들어, 한국 특허등록번호 1304943 B1호에서는 가압형 필터를 이용하여 이산화탄소를 탄산염으로 전환시키는 장치를 개시하고 있다. 다른 예로, 광물 탄산화 기술 관련 한 논문에서는 수산화 마그네슘 현탁액에 CO2를 가압하여 탄산마그네슘을 생산하는 기술을 개시하고 있다(손민아, et al. "제철 슬래그를 이용한 광물 탄산화 기술의 개발 현황과 연구 방향." Korean Chemical Engineering Research 55.2 (2017): 141-155.). 이처럼 이산화탄소를 산업적 규모의 카보네이트 화합물로 전환하는 대부분의 종래 기술에 있어서, 높은 온도 또는 높은 압력의 공정의 필요함으로 인해 에너지 소모가 높고 경제성이 떨어지는 문제점이 있다. 또는 그렇지 않은 경우 촉매의 이용이 필수불가결해지면서 이 또한 경제성을 낮추게 된다. 이러한 문제점으로 인해 상온 및 상압에서 효소 없이도 고순도의 카보네이트 화합물을 생산할 수 있는 실효성 있는 이산화탄소 전환 기술의 필요성이 존재한다.
본 명세서에서 제공하는 발명의 기술적 특징
본 발명자들은 상온 및 상압에서, 그리고 효소의 이용 없이도 이산화탄소의 효율적인 탄산화가 가능한 셀룰로오스 다함유 섬유, 바람직하게는 천연 수세미(Luffa aegyptiaca Miller)또는 lyocell 섬유를 이산화탄소 흡착 필터로 사용한 이산화탄소 전환 시스템을 제공하고자 한다.
이산화탄소 전환 시스템에서 흡착제의 선택은 핵심 요소 중 하나이다. 고효율의 적절한 흡착제를 개발하여 적용시킨다면, 이산화탄소 전환 시스템에 있어서 흡수 효율 및 전환 효율을 향상시키고 비용과 에너지를 절감할 수 있으며 전술한 바와 같은 종래의 기술적 한계를 해결할 수 있을 것이다.
본 명세서에서는 상기와 같은 특징을 가지는 이산화탄소 전환 시스템 및 방법을 제공하며 각각의 구성 및 특징에 대해 이하에서 상세히 설명한다.
1. 이산화탄소 전환 시스템
(1) 개괄
상기의 기술적 요구에 발 맞추어, 본 명세서에서는 상온, 상압에서 높은 생산 효율로, CO2 함유 가스로 카보네이트 화합물을 생성할 수 있는 '이산화탄소를 카보네이트 화합물로 전환하기 위한 시스템'(이하 이산화탄소 전환 시스템)을 제공한다. 이를 위해 본 명세서에서 제공하는 이산화탄소 전환 시스템은 셀룰로오스 기반 섬유(바람직하게는, 천연 수세미(Luffa aegyptiaca Miller) 또는 lyocell 섬유를 포함하는 CO2 흡착 필터를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 명세서에서 제공하는 이산화탄소 전환 시스템은 천연 수세미(Luffa) 또는 lyocell 섬유를 포함하는 CO2 흡착 필터 및 반응기를 포함할 수 있다. 구체적으로, 본 명세서에서 제공하는 이산화탄소 전환 시스템은 1차 반응기(100), 천연 수세미(Luffa) 또는 lyocell 섬유를 포함하는 CO2 흡착 필터(300), PH 미터, 용매 공급 탱크(400), 2차 반응기(200) 및 연결부(P1, P2)를 포함할 수 있다. 상기 각 구성요소의 전체적인 연결관계 및 개략도는 비제한적인 예시로 도 1과 같이 나타낼 수 있는 바, 이를 참조한다.
이하 상기 이산화탄소 전환 시스템의 각 구성요소 및 연결관계에 대해 더 자세히 설명한다.
(2)1차 반응기 및 관련 장치
1) 1차 반응기 (100)
본 명세서에서 제공되는 이산화탄소 전환 시스템은 1차 반응기(100)를 포함한다. 이 때, 상기 1차 반응기는 용매 공급 탱크로부터 용매 용액을 공급받고, 이산화탄소 함유 가스를 공급받아 이들을 혼합하는 반응기로서의 역할을 수행하는 것일 수 있다. 이 때 1차 반응기에서 반응이 진행된 뒤에 존재하는 반응 결과물을 1차 생성물이라고 지칭한다. 결국, 상기 1차 반응기는 1차 생성물을 생성하기 위한 역할을 수행할 수 있다.
상기 1차 반응기는 전술한 기능을 달성하기 위해 당업자가 적절히 채택할 수 있는 형상일 수 있다. 구체적으로, 상기 1차 반응기는 원통형의 형상, 직육면체 형의 형상, 및 정육면체 형의 형상일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 상기 1차 반응기는 당업자가 적절히 채택할 수 있는 크기일 수 있다. 일 실시예에서, 상기 1차 반응기는 100L 내지 1000L 크기일 수 있고, 구체적인 일 실시예에서, 상기 1차 반응기는 400L 내지 600L 크기일 수 있지만, 이에 제한되지 않는다.
상기 1차 반응기는 한 개 이상의 유입구(Inlet) 및 한 개 이상의 배출구(Outlet)를 포함할 수 있다. 상기 1차 반응기의 내부에는 이산화탄소 흡착 필터가 장착될 수 있다. 또한, 상기 1차 반응기에는 pH 미터기가 장착될 수 있다.
유입구(Inlet) 및 배출구(Outlet)
상기 1차 반응기는 필요에 따라 하나 이상의 유입구 및 하나 이상의 배출구를 포함할 수 있다.
상기 1차 반응기는 이산화탄소 함유 가스가 1차 반응기 내부로 유입될 수 있도록 하는 구조인 제1 유입구(101)를 포함할 수 있다. 상기 제1 유입구는 이산화탄소 함유 가스가 1차 반응기의 하부에서 유입되어 이산화탄소 흡착 필터를 거치며 위로 이동할 수 있도록, 1차 반응기의 하단에 형성되는 것이 바람직하나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 1차 반응기는 반응 용매가 1차 반응기 내부로 유입될 수 있도록 하는 구조인 제2 유입구(102)를 포함할 수 있다. 상기 제2 유입구는 용매 공급 탱크로부터 반응에 필요한 용매를 1차 반응기의 내부로 유입할 수 있도록 하는 구조일 수 있다.
상기 1차 반응기는 1차 반응기 내에서 반응이 진행된 뒤 1차 반응기의 반응 결과물, 즉 1차 생성물을 2차 반응기로 이송하기 위한 1차 생성물 배출구(103)를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 1차 반응기는 1차 반응기의 미반응 CO2 함유 가스를 2차 반응기로 이송하기 위한 미반응 CO2 가스 배출구(104)를 포함할 수 있다.
전술한 유입구 및 배출구는 각각의 기능을 달성할 수 있도록 당업자가 형상 및 치수를 적절히 선택한 것일 수 있다. 일 실시예로, 상기 전술한 유입구 및 배출구는 관 형태의 구조일 수 있다. 또한, 상기 전술한 유입구 및 배출구는 각각 선택적으로, 개폐부 또는 밸프를 포함할 수 있다. 또한, 상기 전술한 유입구 및 배출구는 각각 선택적으로, 자동 개폐부 또는 자동 조절 밸브가 구비된 것일 수 있다.
상기 1차 반응기는 전술한 유입구 및 배출구 외에 이하의 생성물 수득 및 처리 장치와 연결됨에 따라, 혹은 필요에 따라 추가적으로 별도의 유입구 및 배출구를 더 포함할 수 있으며, 전술한 예로 제한되지 않는다.
2) 이산화탄소 흡착 필터
본 명세서에서 제공하는 발명은 이산화탄소 흡착 필터(CO2 adsorption filter)(300)를 포함한다. 구체적으로, 상기 이산화탄소 흡착 필터는 상기 1차 반응기 내부에 장착될 수 있다. 이 때, 상기 1차 반응기는 이산화탄소 흡착 필터를 내부에 고정하기 위한 필터 장착부(105)를 포함할 수 있다. 상기 필터 장착부는 1차 반응기 용기의 중앙부에 위치할 수 있으며, 내부에 필터를 장착 및 고정하기에 용이한 형태를 가질 수 있다. 상기 이산화탄소 흡착 필터는 일 실시예로, 필터 하우징 시스템으로 장착될 수 있다.
상기 이산화탄소 흡착 필터와 관련하여 이하의 (3) 이산화탄소 흡착 필터 섹션에서 더욱 상세하게 서술한다.
3) pH 미터(pH meter)(110)
본 명세서에서 제공하는 발명은 상기 1차 반응기 내부의 pH를 측정하기 위한, 한 개 이상의 pH 미터(pH meter)(110)를 포함할 수 있다. 이 때, pH 미터(pH meter)란 전위차를 이용하여 관심 용액의 pH를 측정하는 장치이다. 상기 pH 미터는 디지털 또는 아날로그 방식이 적용될 수 있으며, 측정하고자 하는 내용물의 pH를 측정할 수 있는 방식이면 이에 한정되지 않는다.
바람직한 실시예에서, 상기 1차 반응기에 pH 미터가 장착될 수 있으며, 이 때 상기 pH 미터는 1차 반응기 내부 내용물의 pH를 측정하기 위한 것일 수 있다. 이 때, pH의 측정은 1차 반응기의 반응을 중지시키고 2차 반응기로 1차 생성물을 이송할 시점을 알기 위함 일 수 있다. 상기 pH 미터는 1차 반응기 내부 용액의 pH를 측정하기에 적절한 위치에 장착될 수 있다.
이 때, 상기 pH 미터에서 측정된 pH가 특정 값 이상일 때 상기 유입구 또는 배출구와 연동되어 개폐를 수동 또는 자동으로 조절할 수 있다. 일 예로, 상기 1차 반응기에 장착된 pH 미터는 상기 1차 반응기의 1차 유입구와 연동되어, 상기 1차 유입구의 개폐를 조절하는 것일 수 있다. 일 예로, 상기 1차 반응기에 장착된 pH 미터는 상기 1차 반응기의 1차 생성물 배출구와 연동되어, 상기 1차 생성물 배출구의 개폐를 조절하는 것일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 pH 미터는 측정된 pH가 특정 값 이상이면 알람을 표시하도록, 알람 기능이 구비된 것일 수 있다.
4) 교반기(120)
상기 1차 반응기는 교반기(Stirrer)(120)를 더 포함할 수 있다. 이 때, 상기 교반기는 1차 반응기 내의 내용물의 믹싱(Mixing)을 위한 것이며, 이러한 기능을 수행하기 위해 당업자가 적절히 선택한 것일 수 있다. 일 예로, 상기 교반기는 문형, 닻형 등의 노형 교반기, 덮는 날개 터빈 등의 터빈형 교반기, 또는 평날개터빈, 둥근날개 터빈 등의 프로펠러형 교반기일 수 있으나 이에 제한되지 않는다.
(3) 이산화탄소 흡착 필터(CO
2
adsorption filter)(300)
본 명세서에서 제공하는 이산화탄소 전환 시스템은 한 개 이상의 이산화탄소 흡착 필터(300)를 포함할 수 있다.
1) 성분
본 명세서에서 제공하는 발명의 이산화탄소 흡착 필터의 주재료는 셀룰로오스 섬유일 수 있다. 일 예로, 본 명세서에서 제공하는 발명의 이산화탄소 흡착 필터의 주요성분은 식물 유래의 셀룰로오스 섬유일 수 있다. 구체적인 일 예로, 상기 이산화탄소 흡착 필터의 주재료는 다공성의 박과 식물에서 추출된 수세미(Luffa aegyptiaca Miller) 섬유 또는 lyocell 섬유 일 수 있다. 이때, 구체적인 일 예로, 상기 수세미는 건조된 상태의 수세미일 수 있다. 또한, 일 예로, 상기 수세미 섬유 혹은 lyocell 섬유는 화학적으로 또는 물리적으로 가공된 수세미 섬유 혹은 lyocell 섬유 일 수 있다.
상기 식물 유래의 셀룰로스 섬유는 일 예로, 알파셀룰로스(α-cellulose)의 함량이 높은 섬유일 수 있다. 구체적인 일 예로, 상기 이산화탄소 흡착 필터의 주재료인 상기 식물 유래의 셀룰로스 섬유는 알파셀룰로스 함량이 약 50% 내지 100%일 수 있다. 보다 더 구체적인 일 예로, 상기 식물 유래의 셀룰로스 섬유는 알파셀룰로스 함량이 약 80% 내지 100%일 수 있다.
2) 물리적 구조 및 특성
상기 이산화탄소 흡착 필터는 다공성 구조(porous structure)의 셀룰로오스 기반 섬유로 이루어질 수 있다. 이 때, 이러한 다공성 구조로 인해 섬유는 넓은 표면적을 가질 수 있다. 또한, 이 때 이러한 넓은 표면적으로 인해 상기 셀룰로오스 기반 섬유의 수산기(-OH기)들이 더 바깥쪽으로, 외부와의 접촉과 유리하게 위치할 수 있으며 이로 인해 높은 이산화탄소 결합능을 보유할 수 있다.
일 예로, 본 명세서에서 제공하는 발명의 이산화탄소 흡착 필터는 다공성의 천연 수세미 섬유 또는 lyocell 섬유일 수 있다.
더 나아가, 상기 이산화탄소 흡착 필터는 낮은 두께 팽창률(Thickness swelling)을 가지며, 그에 따라 우수한 내구성을 가질 수 있다.
3) 형태(두께, 모양)
본 명세서에서 제공하는 발명의 이산화탄소 흡착 필터의 형태, 크기, 치수 및 두께는 당업자에 의해 적절히 선택될 수 있다. 일 실시예에서, 상기 1차 반응기의 형태 및 치수에 따라 상기 이산화탄소 흡착 필터의 형태 및 치수가 적절히 선택될 수 있다. 일 예로, 상기 이산화탄소 흡착 필터는 상기 1차 반응기 내부의 수평 지름과 유사한 치수로 제작될 수 있다. 일 예로, 상기 이산화탄소 흡착 필터는 원통형, 납작한 직육면체형, 정육면체형 등의 형태로 제작될 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 일 예로 상기 이산화탄소 흡착 필터의 두께는 1차 반응기 높이의 1/2 내지 1/5일 수 있으며, 구체적인 일 예로, 상기 이산화탄소 흡착 필터의 두께는 1차 반응기 높이의 약 1/3일 수 있지만, 이에 제한되지 않는다.
4) 장착되는 위치
상기 이산화탄소 흡착 필터는 상기 1차 반응기 내부에 장착될 수 있다. 일 실시예에서 상기 이산화탄소 흡착 필터는 상기 1차 반응기 내 하단부, 상단부, 또는 중앙부에 장착되는 것일 수 있다. 바람직한 일 실시예에서, 상기 이산화탄소 흡착 필터는 상기 1차 반응기 내 중앙부에 장착되며, 이 경우 반응 시간이 감소하는 효과를 가질 수 있다.
(4) 용매 공급 탱크(400)
본 명세서에서 제공되는 이산화탄소 전환 시스템은 원료를 1차 반응기로 공급하기 위한 용매 공급 탱크(400)를 포함할 수 있다. 상기 용매 공급 탱크는 용매를 저장하는 기능을 하는 장치 및 용매를 1차 반응기로 공급하기 위한 기능을 수행하며, 이러한 기능을 달성하기 위해 당업자가 채택할 수 있는 적절한 장치를 모두 포함할 수 있다. 일 예로, 상기 용매 공급 탱크는 용매 유체 공급 펌프를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 용매 공급 탱크는 1차 반응기로 용매를 공급하기 위한 용매 배출구 및 미반응 용매를 다시 회수하여 재활용하기 위한 유입구 등을 필요에 따라 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 용매 공급 탱크는 금속 이온 수용액 공급 탱크일 수 있다. 일 예로, 상기 용매 공급 탱크는 Ma(OH)2 공급 탱크 또는 MaCO3 공급탱크일 수 있다. 이 때, 상기 M은 금속이고, 상기 a는 1 또는 2이다. 바람직한 구체예로, 상기 용매 공급 탱크는 탄산나트륨(Na2CO3) 수용액 공급 탱크일 수 있다. 다른 구체예로, 상기 용매 공급 탱크는 수산화칼슘(Ca(OH)2) 수용액 공급 탱크일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. 또 다른 구체예로, 상기 용매 공급 탱크는 수산화마그네슘(Mg(OH)2) 수용액 공급 탱크일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
(5) 2차 반응기 및 관련 장치
1) 2차 반응기(200)
본 명세서에서 제공되는 이산화탄소 전환 시스템은 2차 반응기(200)를 포함할 수 있다. 상기 2차 반응기는 아직 석출이 거의 일어나지 않은 1차 생성물을 이송받고, 이산화탄소 함유 가스를 공급받아 최종적으로 카보네이트 화합물(carbonate compound)을 생성 및 석출하는 반응기로서의 역할을 수행하는 것일 수 있다. 이 때, 2차 반응기에서 반응이 진행된 뒤의 반응 결과물, 즉 상기 석출된 카보네이트 화합물을 포함하고 있는 혼합물을 2차 생성물이라고 지칭한다.
상기 2차 반응기는 전술한 기능을 달성하기 위해 당업자가 적절히 채택할 수 있는 형상일 수 있다. 구체적으로, 상기 2차 반응기는 원통형의 형상, 직육면체형의 형상, 및 정육면체형의 형상일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 상기 2차 반응기는 당업자가 적절히 채택할 수 있는 크기일 수 있다. 일 예로, 상기 2차 반응기는 공급받은 1차 생성물에 CO2 함유 가스를 혼합시킨 내용물을 수용할 수 있도록 1차 반응기보다 더 큰 부피의 용기로 형성될 수 있다. 일 예로, 상기 2차 반응기는 1차 반응기 부피의 2배 내지 10배의 부피를 가지는 용기로 형성될 수 있고, 구체적인 일 예로, 상기 2차 반응기는 1차 반응기 부피의 2배 내지 6배의 부피를 가지는 용기로 형성될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 2차 반응기는 한 개 이상의 유입구(Inlet) 및 한 개 이상의 배출구(Outlet)를 포함할 수 있다.
유입구 및 배출구
상기 2차 반응기는 필요에 따라 하나 이상의 유입구 및 하나 이상의 배출구를 포함할 수 있다.
상기 2차 반응기는 1차 반응기 내에서 반응이 진행된 뒤에 1차 생성물을 공급받기 위한 1차 생성물 유입구(201)를 포함할 수 있다.
상기 2차 반응기는 이산화탄소 함유 가스가 2차 반응기 내부로 유입될 수 있도록 하는 구조인 제3 유입구(202)를 포함할 수 있다. 상기 제3 유입구는 이산화탄소 함유 가스가 2차 반응기의 하부에서 유입되어 이산화탄소 흡착 필터를 거치며 위로 이동할 수 있도록, 2차 반응기의 하단에 형성되는 것이 바람직하나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 2차 반응기는 2차 반응기 내에서 충분한 카보네이트 화합물 생성 및 석출이 진행된 뒤 2차 생성물을 이송하기 위한 2차 생성물 배출구(203)를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 2차 반응기는 1차 반응기의 미반응 CO2 함유 가스를 공급받기 위한 미반응 CO2 유입구(204)를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 2차 반응기는 원심분리기에서 회수된 용매를 공급받기 위한 용매 유입구(205)를 포함할 수 있다.
상기 2차 반응기는 전술한 유입구 및 배출구 외에 필요에 따라 추가적으로 별도의 유입구 및 배출구를 더 포함할 수 있으며, 전술한 예에 제한되지 않는다.
이 때, 상기 유입구 및 배출구는 각각의 기능을 달성할 수 있도록 당업자가 형상 및 치수를 적절히 선택한 것일 수 있다. 일 실시예로, 상기 유입구 및 배출구는 각각 선택적으로 개폐부 또는 밸프를 포함할 수 있다. 일 예로, 상기 유입구 및 배출구는 각각 선택적으로 자동 개폐부 또는 자동 조절 밸브가 구비된 것일 수 있다.
2) pH 미터(pH meter)(210)
본 명세서에서 제공하는 발명은 상기 2차 반응기 내부의 pH를 측정하기 위한, 한 개 이상의 pH 미터(pH meter)(210)를 선택적으로 포함할 수 있다. 상기 pH 미터는 디지털 또는 아날로그 방식이 적용될 수 있으며, 측정하고자 하는 내용물의 pH를 측정할 수 있는 방식이면 이에 한정되지 않는다. 일 실시예로, 상기 2차 반응기에 pH 미터가 장착되어 상기 2차 반응기의 유입구 또는 배출구의 개폐를 조절할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 pH 미터는 측정된 pH가 특정 값 이상이면 알람을 표시하도록, 알람 기능이 구비된 것일 수 있다.
3) 교반기(220)
상기 2차 반응기는 교반기(Stirrer)(220)를 더 포함할 수 있다. 이 때, 상기 교반기는 2차 반응기 내의 내용물의 믹싱(Mixing)을 위한 것이며, 이러한 기능을 수행하기 위해 당업자가 적절히 선택한 것일 수 있다. 일 예로, 상기 교반기는 문형, 닻형 등의 노형 교반기, 덮는 날개 터빈 등의 터빈형 교반기, 또는 평날개터빈, 둥근날개 터빈 등의 프로펠러형 교반기일 수 있으나 이에 제한되지 않는다.
(6) 주요연결부
상기 1차 반응기, 2차 반응기 및 용매 공급 탱크는 상호 간 유체가 흐를 수 있도록 하나 이상의 연결부를 통해 연결될 수 있다. 이하에서 1차 반응기 및 2차 반응기와 관련된 연결 장치들을 설명한다.
1) P1
본 명세서에서 제공하는 이산화탄소 전환 시스템은 1차 반응기와 용매 공급 탱크사이에 유체가 흐를 수 있도록 연결하는 연결부인, P1을 포함할 수 있다. 이 때, 상기 P1은 1차 반응기의 제2 유입구(102)와 용매 공급 탱크의 용매 배출구 사이를 연결한다.
상기 P1은 용매 공급 탱크에서 1차 반응기로의 용매의 이송이 가능하도록 설계된 것일 수 있다. 일 실시예에서, 상기 P1은 유체의 이송을 돕기 위한 공급 펌프나 조절 밸브 등을 포함할 수 있다. 상기 P1은 유체의 이송을 위해 당업자가 그 형상을 적절히 선택한 것일 수 있으며, 일 예로 배관(pipe)의 형태일 수 있으나 이에 제한되지 않는다.
2) P2
본 명세서에서 제공하는 이산화탄소 전환 시스템은 1차 반응기와 2차 반응기 사이에 유체가 흐를 수 있도록 연결하는 연결부인, P2를 포함할 수 있다. 이 때, 상기 P2는 1차 반응기의 1차 생성물 배출구(103)와 2차 반응기의 1차 생성물 유입구(201) 사이를 연결하는 것일 수 있다.
상기 P2은 1차 반응기에서 2차 반응기로의 유체의 이송이 가능하도록 설계된 구조일 수 있다. 일 실시예에서, 상기 P2은 유체의 이송을 돕기 위한 공급 펌프를 포함할 수 있다. 상기 P2은 유체의 이송을 위해 당업자가 그 형상을 적절히 선택한 것일 수 있으며, 일 예로 배관(pipe)의 형태일 수 있으나 이에 제한되지 않는다.
이 때, 상기 P2는 1차 반응기와 2차반응기 사이 유체, 즉 1차 생성물의 흐름이 조절될 수 있도록, 개폐 장치를 가질 수 있다. 일 실시예에서, 상기 개폐 장치는 자동 개폐 장치일 수 있다. 다른 실시예에서, 상기 개폐 장치는 자동 조절 밸브일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. 일 예로, 상기 개폐 장치는 1차 반응기에 구비된 상기 pH 미터와 연동될 수 있다. 이 때, pH 미터의 측정값이 특정 pH 이상으로 상승 시 개폐장치가 열려 1차 반응기로부터 2차 반응기로 1차 생성물을 이송시키고, 그렇지 않은 경우 닫힌 상태로 유지되어 유체의 흐름을 제한하는 것일 수 있다.
3) P3
본 명세서에서 제공하는 이산화탄소 전환 시스템은 1차 반응기에서 이산화탄소 함유 가스를 공급받기 위한 연결부인, P3를 포함할 수 있다. 이 때, 상기 P3는 1차 반응기의 제1 유입구와 이산화탄소 함유 가스가 배출되는 특정 이산화탄소 공급원의 배출구 사이를 연결하는 것일 수 있다.
상기 P3은 1차 반응기로의 기체의 이송이 가능하도록 설계된 구조일 수 있다. 상기 P3은 기체의 이송을 위해 당업자가 그 형상을 적절히 선택한 것일 수 있으며, 일 예로 배관(pipe)의 형태일 수 있으나 이에 제한되지 않는다.
4) P4
본 명세서에서 제공하는 이산화탄소 전환 시스템은 2차 반응기에서 이산화탄소 함유 가스를 공급받기 위한 연결부인, P4를 포함할 수 있다. 이 때, 상기 P4는 2차 반응기의 제3 유입구와 이산화탄소 함유 가스가 배출되는 특정 이산화탄소 공급원의 배출구 사이를 연결하는 것일 수 있다.
상기 P4는 1차 반응기로의 기체의 이송이 가능하도록 설계된 구조일 수 있다. 상기 P4은 기체의 이송을 위해 당업자가 그 형상을 적절히 선택한 것일 수 있으며, 일 예로 배관(pipe)의 형태일 수 있으나 이에 제한되지 않는다.
이 때, 상기 P3 및 P4는 동일한 이산화탄소 함유가스 배출구에 연결되는 것일 수 있다.
5) P5
일 실시예에서, 1차 반응기의 미반응 CO2 함유 가스를 2차 반응기로 이송하기 위해, 1차 반응기와 2차 반응기는 추가적인 별도의 연결부로 연결될 수 있다. 이 때, 본 명세서에서 제공하는 이산화탄소 전환 시스템은 상기 1차 반응기 및 2차 반응기 사이 CO2의 이송을 위한 연결부 P5를 추가로 포함할 수 있다. 상기 P5는 1차 반응기의 미반응 CO2 가스 배출구(104) 및 2차 반응기의 미반응 CO2 가스 유입구(204)를 연결할 수 있다. 이 때, 상기 P5는 P2와는 별개의 연결부일 수 있다.
상기 P5 1차 반응기에서 2차 반응기로의 기체의 이송이 가능하도록 설계된 구조일 수 있다. 상기 P5은 기체의 이송을 위해 당업자가 그 형상을 적절히 선택한 것일 수 있으며, 일 예로 배관(pipe)의 형태일 수 있으나 이에 제한되지 않는다.
6) 기타 연결부
본 명세서에서 제공하는 이산화탄소 전환 시스템은 상기의 P1 내지 P5 외에 각 구성요소 간 유체가 흐를 수 있도록 기타 연결부를 더 포함할 수 있으며, 상기의 기재에 한정되지 않는다.
(7) 생성물 수득 및 처리 장치
본 명세서에서 제공하는 이산화탄소 전환 시스템은 2차 반응기에서 생성된 2차 생성물에서 원하는 최종 생성물인 카보네이트 화합물을 수득하기 위한 추가적 처리 장치를 선택적으로 더 포함할 수 있다. 이들의 개략도 및 유기적 연결관계는 비제한적인 일 예시로서 도 2에서 나타내고 있으며, 이를 참조한다.
1) 원심분리기(Centrifuger)(500)
본 명세서에서 제공하는 이산화탄소 전환 시스템은 원심력을 이용하여 유체 상태인 2차 생성물에서 고체 상태인 카보네이트 화합물을 분리하기 위한 원심분리기를 추가로 포함할 수 있다. 상기 원심분리기의 형태 및 종류는 전술한 기능의 달성을 위해 당업자가 적절히 선택하는 것일 수 있다. 상기 원심분리기는 일 실시예로, 데칸타 원심분리기 또는 고속 원심분리기 일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 이 때, 상기 이산화탄소 전환 시스템은 2차 반응기와 원심분리기를 연결하기 위한 연결부인 P6을 추가로 포함할 수 있다.
2) 건조기(Dryer)(600)
본 명세서에서 제공하는 이산화탄소 전환 시스템은 2차 생성물에서 H2O를 증발시키기 위한 건조기를 추가로 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 건조기는 원심 분리된 카보네이트 화합물의 건조를 위해 원심분리기와 연결될 수 있다. 상기 건조기의 형태 및 종류는 전술한 기능의 달성을 위해 당업자가 적절히 선택하는 것일 수 있다.
3) 제분기(milling machine)(700)
본 명세서에서 제공하는 이산화탄소 전환 시스템은 2차 생성물을 가루화하기 위한 제분기를 추가로 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 제분기는 상기 건조된 카보네이트 화합물의 밀링(milling)을 위해 건조기와 연결될 수 있다. 상기 제분기의 형태 및 종류는 전술한 기능의 달성을 위해 당업자가 적절히 선택하는 것일 수 있다.
4) 시빙기(sieving machine)(800)
본 명세서에서 제공하는 이산화탄소 전환 시스템은 2차 생성물을 사분(sieving)하기 위한 시빙기를 추가로 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 시빙기는 상기 제분기를 통과한 카보네이트 화합물의 시빙을 위해 상기 제분기와 연결될 수 있다. 상기 시빙기의 형태 및 종류는 전술한 기능의 달성을 위해 당업자가 적절히 선택하는 것일 수 있다.
5) 저장기(Storage tank)(900)
본 명세서에서 제공하는 이산화탄소 전환 시스템은 최종 생성물인 카보네이트 화합물을 저장하기 위한 저장기를 추가로 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 저장기는 상기 시빙기를 통과한 카보네이트 화합물의 저장을 위해 상기 시빙기와 연결될 수 있다. 상기 저장기의 형태 및 종류는 저장 기능의 달성을 위해 당업자가 적절히 선택할 수 있다.
(8) 추가적 연결부 (도 2 참조)
일 실시예에서, 상기 이산화탄소 생산 시스템은 원심분리기, 건조기, 제분기, 시빙기 및 저장기를 더 포함할 수 있으며, 그에 따라 추가적인 연결부를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 본 명세서에서 제공하는 이산화탄소 전환 시스템은 2차 반응기 및 원심분리기를 연결하기 위한 연결부 P6를 추가로 포함할 수 있다. 이 때, 상기 P6은 2차 반응기에서 카보네이트 화합물이 석출되면 이를 포함한 유체를 원심분리기로 이송하기 위한 것이며, 상기 기능의 달성을 위해 적절한 형태로 설계된다.
일 실시예에서, 본 명세서에서 제공하는 이산화탄소 전환 시스템은 원심분리기 및 건조기를 연결하기 위한 연결부 P7를 추가로 포함할 수 있다. 이 때, 상기 P7은 원심분리기를 거친 카보네이트 화합물을 건조기에 이송하기 위한 것이며, 상기 기능의 달성을 위해 적절한 형태로 설계된다.
일 실시예에서, 본 명세서에서 제공하는 이산화탄소 전환 시스템은 건조기 및 제분기를 연결하기 위한 연결부 P8을 추가로 포함할 수 있다. 이 때, 상기 P8은 건조기에서 건조된 카보네이트 화합물을 제분기로 이송하기 위한 것이며, 상기 기능의 달성을 위해 적절한 형태로 설계된다.
일 실시예에서, 본 명세서에서 제공하는 이산화탄소 전환 시스템은 제분기 및 시빙기를 연결하기 위한 연결부 P9를 추가로 포함할 수 있다. 이 때, 상기 P9는 제분기에서 가루화된 카보네이트 화합물을 시빙기로 이송하기 위한 것이며, 상기 기능의 달성을 위해 적절한 형태로 설계된다.
일 실시예에서, 본 명세서에서 제공하는 이산화탄소 전환 시스템은 시빙기 및 저장기를 연결하기 위한 연결부 P10을 추가로 포함할 수 있다. 이 때, 상기 P10은 시빙기에서 처리된 카보네이트 화합물을 저장기로 이송하기 위한 것이며, 상기 기능의 달성을 위해 적절한 형태로 설계된다.
일 실시예에서, 본 명세서에서 제공하는 이산화탄소 전환 시스템은 원심분리기와 2차 반응기를 연결하기 위한 추가적인 별도의 연결부 P11을 포함할 수 있다. P11은 원심분리기와 2차 반응기의 용매 유입구(205)를 연결할 수 있다. 이 때, 상기 P11은 원심분리기에서 회수한 용매를 2차반응기로 이송하기 위한 것이며, 상기 기능의 달성을 위해 적절한 형태로 설계된다.
일 실시예에서, 본 명세서에서 제공하는 이산화탄소 전환 시스템은 원심분리기와 용매공급탱크를 연결하기 위한 추가적인 연결부 P12를 포함할 수 있다. 이 때, 상기 P12는 원심분리기에서 회수한 용매를 용매공급탱크로 이송하기 위한 것이며, 상기 기능의 달성을 위해 적절한 형태로 설계된다.
이 외에, 본 명세서에서 제공하는 이산화탄소 전환 시스템은 필요에 따라, 추가적 연결부를 포함할 수 있으며, 전술한 상기 실시예에 한정되지 않는다.
(9) 시스템 각 구성의 전체적 연결 관계
본 명세서에서 제공되는 이산화탄소 전환 시스템은 각각의 구성요소 간 유기적 연결 관계를 포함하며, 이러한 유기적 연결은 전술한 바와 같은 연결부를 통해 이루어질 수 있다. 본 명세서에서 제공되는 이산화탄소 전환 시스템의 각 구성요소 간 연결 관계는 도2를 예시적으로 참조하여 이해될 수 있다. 이하에서 도2를 참조하여, 각 구성요소 간의 유기적 연결관계에 대해 전반적으로 설명한다.
상기 1차 반응기(100)는 용매공급탱크(400)와 P1을 통해 유체가 흐를 수 있도록 연결될 수 있다.
상기 1차 반응기(100)는 상기 2차 반응기(200)와 P2를 통해 유체가 흐를 수 있도록 연결될 수 있다. 또한, 일 실시예에서 상기 1차 반응기는 상기 2차 반응기와 P5를 통해 기체의 이송이 가능하도록 연결될 수 있다.
또한, 상기 1차 반응기와 2차 반응기 각각은 독립적으로 P3 및 P4를 통해, 이산화탄소 함유 가스 공급원의 이산화탄소 함유가스 배출구와 연결될 수 있다. 이 때 상기 1차 반응기와 2차 반응기가 연결된 이산화탄소 함유가스 공급원은 동일한 것일 수 있다.
상기 2차 반응기는 원심분리기와 P6을 통해 유체가 흐를 수 있도록 연결될 수 있다. 또한 일 실시예에서, 상기 2차 반응기는 P6과 별도의 추가적 연결부인 P11을 통해 원심분리기와 유체가 흐를수 있도록 연결될 수 있다.
그 외에, 생성물 수득 및 처리 장치들도 각각의 구성요소가 유기적으로 연결될 수 있다. 상기 원심분리기(500)는 카보네이트 화합물을 포함한 혼합물의 이송이 가능하도록 건조기(600)와 P7을 통해 연결될 수 있다. 상기 건조기(600)는 건조된 카보네이트 화합물의 이송이 가능하도록 제분기(700)와 P8을 통해 연결될 수 있다. 상기 제분기(700)는 가루화된 카보네이트 화합물의 이송이 가능하도록 시빙기(800)와 P9를 통해 연결될 수 있다. 상기 시빙기(800)는 최종 수득물의 저장을 위해 저장기(900)와 P10을 통해 연결될 수 있다. 더 나아가, 원심분리기(500)는 2차 반응기(200) 및 용매공급탱크(400)와 유체의 흐름이 가능하도록 각각 P11 및 P12로 연결될 수 있다. 이 때, 상기 P11 및 P12는 원심분리기에 연결된 하나의 배관이 이음부에서 두개의 배관, 즉 P11 및 P12 각각으로 갈라져서 이들이 독립적으로 2차 반응기 및 용매공급탱크로 이어지는 구조일 수 있다.
2. 이산화탄소 전환 방법
(1) 개괄
본 명세서에서 제공되는 발명의 또 다른 일 태양으로 별도의 가압 과정을 필요로 하지 않는, 이산화탄소를 카보네이트 화합물로 전환시키기 위한 방법(이하, 이산화탄소 전환 방법)을 개시한다.
이하, 본 명세서에서 제공하는 상기 이산화탄소 전환 방법에 대하여 상기 설명한 시스템/장치를 이용하여 설명한다.
본 명세서에서 제공하는 상기 이산화탄소 전환 방법은 다음을 포함할 수 있다:
1차 반응기에 용매를 공급함,
CO2 함유 가스를 공급하여, 상기 CO2 함유 가스가 상기 1차 반응기 내부에 장착된 CO2 흡착 필터와 접촉함,
상기 1차 생성물을 1차 반응기에서 2차 반응기로 이송함, 및
카보네이트 화합물의 침전을 위해 상기 2차 반응기에 CO2 함유 가스를 공급함 것. 이 때, 상기 CO2 함유 가스를 공급하는 것은 상기 1차 반응기의 내용물의 pH 값이 특정 값 이상 도달할 때까지 지속될 수 있다.
이하에서, 각 과정에 대해 상세히 설명한다.
(2) 1차 반응기에 용매를 공급함
본 명세서에서 제공하는 이산화탄소 전환 방법은 1차 반응기에 용매를 공급하는 것을 포함한다. 이 때, 상기 용매는 금속 이온 수용액일 수 있다.
1) 용매 - 금속 이온 수용액을 제1 유입구를 통해 1차 반응기로 공급함
본 명세서에서 제공하는 이산화탄소 전환 방법은 1차 반응기에 금속 이온 수용액 용매를 공급하는 것을 포함할 수 있다. 이 때, 상기 금속 이온 수용액은 금속 화합물이 H2O에 용해된 용액을 의미한다.
일 실시예에서, 상기 금속 화합물은 Ma(OH)2 또는 MaCO3 일 수 있다. 이 때, M은 금속을 의미한다. 또한 이 때, a는 1 또는 2인 정수이다. 일 실시예에서, 상기 M은 Na, Mg, Ca, K, Li, Mn 및 Fe로 구성된 군에서 선택되는 것일 수 있지만 이에 제한되지 않는다. 일 예로, 상기 금속 화합물은 Na2CO3, Ca(OH)2 또는 Mg(OH)2 일 수 있다.
바람직한 일 예로, 상기 M은 Na일 수 있다. 이 때 상기 금속 화합물은 Na2CO3이고, 이 때 상기 용매는 Na2CO3 수용액일 수 있다.
이 때, 일 실시예로, 상기 용매가 Na2CO3 수용액인 경우, 금속 이온 화합물의 몰농도는 약 0.1 - 5 mol/L일 수 있으나 이에 제한되지 않는다. 구체적인 일 실시예에서, 상기 몰농도는 0.4 - 3 mol/L일 수 있다. 다만, 이에 제한되지 않는다.
또한, 금속 이온 화합물의 몰농도는 상기 예시에 제한되지 않으며 금속 이온 화합물의 종류에 따라 변경될 수 있다.
2) 1차 반응기에 용매를 공급함
용매가 공급되는 상기 1차 반응기는 이산화탄소 흡착 필터를 포함하며, 목적에 따라 추가적인 장치를 더 포함할 수 있다. 이 때, 용매의 공급이 이루어지는 상기 1차 반응기는 전술한 '1차 반응기 및 관련 장치'에 기재한 1차 반응기와 동일한 구성 및 특징을 가지는 것일 수 있으며 이를 참조한다.
3) 공급원
상기 용매의 공급은 '용매-금속 이온 화합물'섹션의 용매를 공급하기 위한 저장조 혹은 탱크로부터 이루어질 수 있다. 상기 공급원은 통상의 기술자가 적절히 선택한 것일 수 있다. 일 실시예로, 상기 용매가 Na2CO3 수용액일 경우, 상기 용매의 공급은 Na2CO3 공급 탱크로부터 이루어질 수 있다.
4) 공급방법
상기 용매를 1차 반응기에 공급하는 과정은 통상의 기술자가 유체공학에 의해 상기 용매가 1차 반응기로 공급될 수 있도록 채택할 수 있는 적절한 공지의 방법 또는 이와 동일한 것으로 인정되는 방법을 사용하는 과정일 수 있다. 일 예로, 용매는 상기 공급원에 포함된 공급 펌프 등을 이용하여 1차 반응기로 공급될 수 있다.
(3) 1차 반응기에 CO
2
함유 가스를 공급하여 이산화탄소 흡착 필터를 통과하도록 함
본 명세서에서 제공하는 이산화탄소 전환 방법은 1차 반응기에 CO2 함유가스를 공급하여 이산화탄소 흡착 필터를 통과하는 것을 포함할 수 있다. 상기 CO2 함유가스는 일 실시예로, 약 10 내지 99% 농도의 CO2 함유가스일 수 있으며, 구체적인 일 실시예로, 99% 농도의 CO2 함유가스일 수 있으나, 특정한 농도의 CO2 함유가스로 제한되지 않는다.
1) 이산화탄소 함유 가스 공급
①공급원
공급되는 상기 이산화탄소 함유가스는 다양한 산업 활동에서 발생된, 이산화탄소를 포함하는 배기가스 또는 유해가스일 수 있다. 일 실시예로, 상기 이산화탄소 함유 가스의 공급은 공장의 배기가스 배출구로부터 이루어질 수 있다. 일 예로, 상기 이산화탄소 함유 가스의 공급은 석탄 발전소 배출구, 가스 발전소 배출구, 소각로 배출구, 유용해 배출구, 열설비 배출구, 석유화학공정 배출구, 석유화학공정 배출구, 연소전 배출구 및 가스화기 배출구 등과 연결되어 수행되는 것일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
② 공급속도
상기 이산화탄소 함유 가스의 공급속도는 일 실시예로, 약 40L/min 내지 60L/min일 수 있고, 구체적인 일 실시예로, 약 50L/min 일 수 있지만, 이에 제한되지 않는다.
③ 공급방식
본 명세서에서 상기 이산화탄소 함유가스를 1차 반응기에 공급하는 것은 별도의 가압장치 없이 이루어질 수 있다.
2) 이산화탄소 흡착 필터 통과
상기 이산화탄소 흡착 필터는 전술한 (3) 이산화탄소 흡착 필터(CO2 adsorption filter) 섹션에 기재된 이산화탄소 흡착 필터와 동일한 특징 및 구성을 갖는 것일 수 있다. 일 구현예에서, 상기 CO2 함유가스의 공급은 1차 반응기의 하단에서 상단을 향한 방향으로 이루어질 수 있고, 그에 따라 상기 CO2 함유가스가 반응기 내에서 이동하며 이산화탄소 흡착 필터를 통과하게 될 수 있다. 이 때, 1차 반응기에 포함된 교반기에 의해, CO2 함유가스와 이산화탄소 흡착 필터 간의 접촉이 더 활발해질 수 있다.
이 때, 상기 이산화탄소 함유가스가 이산화탄소 흡착 필터를 통과 혹은 이산화탄소 흡착 필터와 접촉하면서, 이산화탄소 흡착 필터에 흡착될 수 있다. 이는 구체적으로, 이산화탄소 흡착 필터의 수산기(-OH) 등의 작용기에 이산화탄소가 결합되어 흡착되는 것일 수 있다. 이러한 이산화탄소의 흡착을 통해 이산화탄소가 중탄산염이온(HCO3 -) 또는 탄산염이온(CO3 -)으로 변환되는 반응을 더욱 촉진할 수 있다. 따라서 상기 이산화탄소 함유가스를 이산화탄소 흡착 필터에 통과시키는 과정을 통해 이산화탄소 전환 효율을 높일 수 있다.
3) 1차 반응기에서의 반응 및 1차 생성물
상기 1차 반응기 내부에서 일어날 수 있는 반응(이하 1차 반응)은 이산화탄소의 탄산화 반응일 수 있다. 구체적으로, 상기 1차 반응은 CO2 함유가스에 포함된 이산화탄소가 용해되어 중탄산염이온 및 탄산염이온을 생성하고, 이들이 상기 용매에 포함된 금속이온과 반응하여 카보네이트 화합물을 생성하는 반응일 수 있다. 이 때, 상기 1차 반응은 상기 용매가 포화용액이 되기 전까지, 즉 카보네이트 화합물의 석출이 진행되기 전까지 지속되는 것일 수 있다. 이 때, 1차 생성물은 포화되기 직전의 불포화용액일 수 있다.
일 예로, 상기 금속 이온 수용액이 Ca(OH)2 수용액일 경우, 상기 1차 반응은 Ca(OH)2 + CO2 → CaCO3 + H2O 일 수 있다. 이 때, 상기 1차 반응은 CaCO3의 석출이 발생하기 전까지만 진행되는 것일 수 있다.
다른 일 예로, 상기 금속 이온 수용액이 Mg(OH)2 수용액일 경우, 상기 1차 반응은 Mg(OH)2 + 2CO2 → Mg(HCO3)2 → MgCO3 + CO2 + H2O 일 수 있다. 이 때, 상기 1차 반응은 MgCO3의 석출이 발생하기 전까지만 진행되는 것일 수 있다.
바람직한 일 예로, 상기 금속 이온 수용액이 Na2CO3 수용액일 경우, 상기 1차 반응은 Na2CO3 + CO2 + H2O → 2NaHCO3 일 수 있다. 이 때, 상기 1차 반응은 NaHCO3의 석출이 발생하기 전까지만 진행되는 것일 수 있다.
(4) 1차 생성물을 1차 반응기에서 2차 반응기로 이송함
1) 이송시점의 판단지표
일 실시예에서, 1차 반응기에 이산화탄소 함유 가스를 공급하는 것은 1차 반응기 내부 용액의 pH 가 특정 값에 도달할 때까지 지속할 수 있다. 이는 유입되는 이산화탄소 함유 가스, 즉 용질의 양이 용해도 이상보다 높아지게 되면, 포화현상의 발생으로 침전물이 생길 수 있기 때문이다. 상기 침전물이 이산화탄소 필터가 장착된 1차 반응기에서 생성될 경우 이산화탄소 흡착 필터에 엉겨 붙어 기능을 저해할 수 있기 때문에, 이를 방지하고자 1차 반응기에 침전물이 생성되기 전까지만 CO2 함유가스를 공급할 수 있다. 즉, 상기 1차 생성물의 이송은 이산화탄소의 양이 용해도에 도달하기 직전까지만 진행될 수 있다. 1차 반응기 내부 용액의 CO2의 포함 비율이 높아질수록, 수소 이온이 증가하여 pH는 감소할 것이기 때문에 이러한 1차 생성물을 2차 반응기로 이송하는 시점은 pH 값을 지표로 하여 판단할 수 있다.
일 실시예에서, 온도, 압력 등의 조건에 따라 1차 반응기 내용물의 용해도가 계산될 수 있다. 이 때, 용해도에 도달할 때의 pH를 측정하여 그보다 약간 높은 값의 특정 pH를 지정하여 상기 이산화탄소 함유가스의 공급중단 지표로 이용될 수 있다. 일 실시예에서, 1차 반응기 내용물의 pH가 9.0 - 10.0에서 선택된 하나의 값이 될 때까지 이산화탄소 함유 가스의 공급을 지속할 수 있다. 바람직한 일 예로, pH가 약 9.8 이 될 때까지 1차 반응기에 이산화탄소 함유 가스의 공급을 지속할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 pH의 측정은 pH 미터를 이용하는 것일 수 있다. 일 실시예에서, 상기 pH 미터와 1차 생성물의 이송(2차 반응기로의)은 연동되는 것일 수 있다. 일 예로, 상기 pH미터에서 측정된 pH 값이 특정 값 이하로 도달하면 상기 1차 생성물은 1차 반응기에서 2차 반응기로 자동으로 이송될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 상기 pH 미터와 CO2 함유 가스의 공급은 연동되는 것일 수 있다. 일 예로, 상기 pH 미터에서 측정된 pH 값이 특정 값 이하로 도달하면 상기 CO2 함유 가스의 공급이 자동으로 중단될 수 있다.
2) 2차 반응기로 이송
본 명세서에서 제공하는 이산화탄소 전환 방법은 상기 1차 생성물을 1차 반응기에서 2차 반응기로 이송하는 것을 포함할 수 있다. 이 때, 1차 생성물을 공급받는 대상인 상기 2차 반응기는 전술한 '(5) 2차 반응기 및 관련 장치 섹션'에 기재된 2차 반응기와 동일한 구조 및 특징을 가지는 것일 수 있다.
3) 이송 방법
상기 1차 생성물을 2차 반응기에 이송하는 과정은 통상의 기술자가 유체공학에 의해 채택할 수 있는 적절한 공지의 방법 또는 이와 동일한 것으로 인정되는 방법을 사용하는 과정일 수 있다. 일 예로, 상기 1차 생성물은 공급 펌프 등을 이용하여 2차 반응기로 공급될 수 있다. 또한, 상기 공급은 낙차의 방법으로도 이뤄질 수 있다. 다만, 이에 제한되지 않는다.
(5) 2차 반응기에 이산화탄소 함유 가스 공급
1) 이산화탄소 함유 가스 공급
① 공급 시점
2차 반응기에 상기 이산화탄소 함유 가스를 공급하는 것은 상기 1차 생성물을 2차 반응기에 이송한 다음에 이루어질 수 있다. 또는, 상기 이산화탄소 함유 가스를 공급하는 것은 상기 1차 생성물을 2차 반응기에 공급하는 것과 동시에 혹은 직후에 이루어질 수 있다.
② 공급원
이 때, 이산화탄소 함유 가스의 공급원은 상기 1차 반응기에 이산화탄소 함유가스를 공급하는 것과 동일한 공급원일 수 있다. 또한, 일 구현예에서, 상기 2차 반응기로 공급되는 이산화탄소 함유 가스는 1차 반응기에서 미반응한 이산화탄소 함유가스를 포함할 수 있다.
③공급속도 및 공급량
상기 이산화탄소 함유 가스의 공급속도는 일 실시예로, 약 40L/min 내지 60L/min일 수 있고, 구체적인 일 실시예로, 약 50L/min 일 수 있지만, 이에 제한되지 않는다.
④공급방식
본 명세서에서 상기 이산화탄소 함유가스를 2차 반응기에 공급하는 것은 별도의 가압장치 없이 이루어질 수 있다.
2) 2차 반응기의 반응 및 2차 생성물 - 카보네이트 화합물을 포함하는 혼합물
상기 2차 반응기에 이송된 1차 생성물에 이산화탄소 함유 기체를 공급함에 따라, 용액의 용해도가 점차 증가하여 카보네이트 화합물의 석출 반응이 발생할 수 있다. 일 실시예에서 2차 생성물인 카보네이트 화합물은 Na2HCO3, MgCO3, CaCO3, K2CO3, Li2CO3, MnCO3 및 FeCO3 중 선택된 카보네이트 화합물을 포함하는 혼합물일 수 있다. 바람직한 일 예로, 상기 카보네이트 화합물은 Na2HCO3일 수 있다.
전술한 과정들에 따라 카보네이트 화합물을 석출함으로써, 본 명세서에서 제공하는 발명이 달성하고자 하는 목적인 이산화탄소의 효율적인 전환 및 제거의 효과를 달성할 수 있을 것이다. 더 나아가, 본 명세서에서 제공하는 발명은 상기 카보네이트 화합물을 포함하는 혼합물에서 카보네이트 화합물을 수득하기 위한 추가적 공정을 포함할 수 있으며 이하에서 이에 대해 설명한다.
(6) 생성물 수득 및 처리를 위한 선택적인 추가 공정
본 명세서에서 제공하는 이산화탄소 전환 방법은 생성물 수득 및 처리를 위해 원심분리 단계, 건조 단계, 밀링 단계, 시빙 단계, 및 저장 단계 중 선택된 하나 이상의 추가적 공정을 선택적으로 더 포함할 수 있다.
1)
원심분리 단계
일 실시예에서, 본 명세서에서 제공하는 이산화탄소 전환 방법은 원심력을 이용하여 유체 상태인 2차 생성물에서 고체 상태인 카보네이트 화합물을 분리하는 과정인 원심분리 단계를 추가로 포함할 수 있다. 이때, 일 실시예로, 상기 원심분리 단계는 데칸타 원심분리기 또는 고속 원심분리기를 이용하여 수행될 수 있다. 또한, 일 실시예로, 상기 원심분리 단계는 약4000 내지 8000rpm의 조건으로 수행될 수 있다. 다만, 상기 예시에 제한되지 않는다.
2) 건조 단계
일 실시예에서 본 명세서에서 제공하는 이산화탄소 전환 방법은 2차 생성물에서 H2O를 증발시키는 과정인 건조 단계를 추가로 포함할 수 있다. 일 예로, 상기 건조 단계는 원심분리 단계 직후에 수행될 수 있다. 이때, 상기 건조 단계는 일 예로, 건조 온도 50℃ 이하, 수분율 0.25%이하의 조건으로 건조하는 것을 포함하는 것이 바람직할 수 있다. 상기 건조 단계는 구체적인 일 예로, 상온에서 약 1일간 건조, 진공오븐 50℃에서 약 8시간 건조, 및 상온/상압 상태에서 오븐 내에서 약 16시간 건조되는 과정 중 하나 이상을 포함할 수 있으나, 상기 예시에 제한되지 않는다.
3) 밀링(Milling) 단계
본 명세서에서 제공하는 이산화탄소 전환 방법은 2차 생성물을 가루화하는 과정인 밀링 단계를 추가로 포함할 수 있다. 일 예로, 상기 밀링 단계는 상기 건조 단계 직후 수행될 수 있다.
4) 시빙(Sieving) 단계
본 명세서에서 제공하는 이산화탄소 전환 방법은 2차 생성물을 사분(sieving)하는 과정인 시빙 단계를 추가로 포함할 수 있다. 일 예로, 상기 시빙 단계는 상기 밀링 단계 직후 수행될 수 있다. 이때, 상기 시빙 단계는 일 실시예로, 약 20 내지 200 μm의 체(mesh)를 이용하여 수행될 수 있으며, 구체적인 일 실시예로, 약 50 내지 150μm의 체를 이용하여 수행될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
5) 저장 단계
본 명세서에서 제공하는 이산화탄소 전환 방법은 최종 생성물인 카보네이트 화합물을 저장하기 위한 저장 단계를 추가로 포함할 수 있다. 일 예로, 상기 저장 단계는 상기 밀링 단계 직후 수행될 수 있다.
본 명세서에서 제공하는 이산화탄소 전환 방법은 상기 기재된 단계 외에, 카보네이트 화합물의 수득 및 처리를 위해 수행될 수 있는 적절한 추가 공정을 포함할 수 있으며 상기 기재된 단계들에 제한되지 않는다.
(7) 공정방식
1) 온도 및 압력
본 명세서에서 제공되는 이산화탄소 전환 방법은 상온에서 진행되는 공정일 수 있다. 또한, 본 명세서에서 제공되는 이산화탄소 전환 방법은 상압에서 진행되는 공정일 수 있다. 일 구현예로, 상기 이산화탄소 전환 방법은 이산화탄소의 가압 없이 진행될 수 있다.
본 명세서에서 제공되는 이산화탄소 전환 방법은 상온 및 상압에서 진행되는 공정일 수 있다.
일 예로, 상기 이산화탄소 전환 방법은 20±5℃에서 진행되는 공정일 수 있다. 일 예로, 상기 이산화탄소 전환 방법은 약 1 기압에서 진행되는 공정일 수 있다.
2) 연속공정 (Continuous process)
일 구현예로, 본 명세서에서 제공되는 이산화탄소 전환 방법은 연속 공정 방식으로 이루어질 수 있다. 이 때, 1차 반응기에 연속적으로 용매를 송입하고, 2차 반응기에서 연속적으로 카보네이트 화합물을 생성해내는 방식으로 공정이 수행될 수 있다. 이 때, 이산화탄소 전환 시스템 내 농도, 온도, 압력 등은 일정하게 유지될 수 있다.
3) 회분공정 (batch process)
일 구현예로, 본 명세서에서 제공되는 이산화탄소 전환 방법은 회분 공정 방식으로 이루어질 수 있다. 이 때, 1차 반응기에 일정량의 용매를 투입한 뒤 2차 반응기를 거쳐 일정량의 카보네이트 화합물을 제조하고, 이것을 회수해서 1회의 조작을 끝낸 다음, 상기의 과정을 반복하는 방식으로 공정이 수행될 수 있다.
4) 성분의 재사용(Recycling)
본 명세서에서 제공되는 이산화탄소 전환 방법에서, 각 단계에서 미반응된 성분들을 다른 단계에서 적절히 재사용할 수 있는 것으로 이해되어야 한다. 상기 이산화탄소 전환 방법에서의 유체의 흐름에 대해서는 비제한적인 예시로서 도 2를 참조한다.
바람직한 일 예로, 1차 반응기에서 미 반응된 잔류 이산화탄소 함유 가스는 2차 반응기에서 이용될 수 있다. 다른 바람직한 일 예로, 원심분리기에서 회수한 금속 이온 수용액은 용매공급탱크 및 2차 반응기로 이송되어 재사용될 수 있다.
3. 본 출원이 제공하는 이산화탄소 전환 시스템 및 방법의 효과
(1) 상온 및 상압에서의 효율적인 탄산화
본 명세서에서 제공하는 발명은 가압 및 가열 없이, 상온 및 상압에서도 높은 효율로 카보네이트 화합물을 생성할 수 있는 이산화탄소 전환 시스템 및 방법을 제공한다. 이처럼 가열 및 가압의 과정이 수반되지 않기 때문에, 본 명세서에서 제공하는 이산화탄소 전환 시스템 및 방법은 에너지 소모율이 적으며 경제적인 이산화탄소 전환이 가능하다는 이점이 있다.
(2) 고순도의 카보네이트 화합물 생산
본 명세서에서 제공하는 이산화탄소 전환 시스템 및 방법은 종래의 기술에 비해 고순도의 카보네이트 화합물을 생산을 가능하게 한다. 이는 상기 이산화탄소 흡착 필터의 높은 이산화탄소 흡착능에 기인한 것일 수 있다. 예를 들어, 본 명세서에서 제공하는 이산화탄소 전환 시스템 및 방법에서 천연 수세미(Luffa aegyptiaca Miller) 또는 lyocell 섬유를 필터의 주성분으로 사용하는 경우, 종래의 시스템보다 10% 이상 향상된 순도의 카보네이트 화합물의 생성이 가능하다.
(3) 필터의 포어(Pores)가 석출물로 인해 막히지 않음
뿐만 아니라, 본 명세서에서 제공하는 이산화탄소 전환 시스템 및 방법은 필터가 장착된 반응기와 석출이 일어나는 반응기를 분리하여, 이산화탄소 흡착 필터의 포어(Pores)가 석출물로 인해 막히게 되는 현상을 방지한다. 이러한 특징으로 인해 상기 이산화탄소 흡착 필터의 이용 주기가 증가되고, 이산화탄소 흡착 필터의 흡착능 및 이산화탄소 전환 효율을 일정하게 유지할 수 있다. 일 실시예로, 상기 이산화탄소 흡착 필터의 교체 주기는 12, 13, 14, 또는 15일 이상일 수 있다.
(4) 효소 없이도 높은 효율의 이산화탄소 전환
더 나아가, 본 명세서에서 제공하는 이산화탄소 전환 시스템 및 방법은 효소 등의 촉매를 이용하지 않고도 높은 효율로 이산화탄소를 전환시킬 수 있다. 이산화탄소의 탄산화를 위한 대부분의 촉매(ex. 탄산무수화효소)를 이용하는 것은 대부분 고비용이 수반된다. 이러한 측면에서, 셀룰로오스 섬유 기반의 이산화탄소 흡착 필터(바람직하게는 천연 수세미 섬유 기반)을 이용함으로써 효소 없이도 높은 효율로 이산화탄소를 전환시킬 수 있으며, 이로 인해 매우 경제적인 이산화탄소 재활용 방식을 개시한다.
[실시예]
필터의 제조
천연 수세미(Luffa)를 이용한 필터는 천연 수세미((Luffa) 브랜드명:페스트세븐)를 온라인 쇼핑몰에서 구매하여 0.5M NaOH 용액에 70℃에서 1시간 가열하는 전처리 과정을 거친 후, 정제수로 세척 및 건조하여 제조하였다.
Lyocell을 이용한 필터는 lyocell(30/2S), polyester(300 denier filament) 원사를 비율(wt%)에 맞춰 사용하였고, 평직(plain weave)로 직물을 제작하였다.
필터의 효과 비교
증류수에 2M 농도의 탄산나트륨 2리터를 도 1과 같이 pH meter 와 필터케이지가 장착된 5리터의 반응기에 주입하고, 99% 농도의 이산화탄소 기체를 분당 50리터 속도로 반응기 하단에서 주입하여 1차 반응을 시작하였다. 이 때 반응온도는 상온(24℃), 교반 속도는 700rpm으로 하였다. 필터케이지는 반응액의 20% 부피(400cc)로 하였으며, 케이지 속에 소정량(12g)의 필터 재질을 채워 실험을 수행하였다. 반응이 진행됨에 따라 pH가 떨어지는데, pH 11.3에서 시작하여 9.8에 도달되면 1차 반응을 종료하였다. 1차 종료된 반응물은 다시 같은 크기의 2차 반응기(필터케이지가 장착되지 않음)로 이동하여 1차반응과 같은 방법으로 실시하였으면 반응 종료 시점은 침전물 생성에 의한 백탁 현탁액이 형성될 때이며, 이는 흡광도가 550nm 파장에서 OD 0.04 도달 시점을 기준으로 하였다.
실험은 각 조건 별로 3회 이상 반복하여 1차, 2차 반응 시간의 평균값을 산출하였다(표 1 참고). 탄산나트륨 수용액과 이산화탄소 기체만을 사용하는 standard 조건에서는 1차, 2차 반응 시간이 각각 평균 9분 24초, 10분 19초가 측정되었고, 천연수세미 필터 장착 시 반응 시간은 6분 39초, 7분 33초로 총 반응 시간은 28% 정도 단축되었다. 셀룰로오스 성분의 lyocell 직물 필터를 장착한 경우 총 반응 시간은 약 25% 단축되어 천연수세미와 비슷한 탄산수소나트륨 합성 시간 단축 효과를 확인할 수 있었다. 셀룰로오스 성분의 효과를 증명하기 위해 lyocell/PE(polyester) 혼방 직물 필터를 테스트한 결과, lyocell(70%)/PE(30%), lyocell(50%)/PE(50%) 직물 필터 사용 시 총 반응 시간 단축 효과가 각각 21%, 16%로 점차 줄어들었고 PE(100%) 직물 필터를 사용했을 때는 반응 시간 단축 효과를 거의 나타나지 않았다. 이러한 결과들을 종합하였을 때, 필터의 메쉬 구조 보다는 천연수세미 및 lyocell의 셀룰로오스 성분이 탄산수소나트륨 합성 효율을 증대시켜 주고 있음을 알 수 있다.
| Standard | Luffa |
Lyocell
(100%) |
Lyocell(70%)
/PE(30%) |
Lyocell(50%)
/PE(50%) |
PE
(100%) |
|
|
1차 반응 시간
(평균값) |
9분24초 | 6분39초 | 7분38초 | 8분15초 | 8분29초 | 10분06초 |
|
2차 반응 시간
(평균값) |
10분19초 | 7분33초 | 7분11초 | 7분14초 | 8분7초 | 10분25초 |
| 총 반응 시간 | 19분43초 | 14분12초 | 14분49초 | 15분29초 | 16분36초 | 20분31초 |
Claims (13)
- 이산화탄소(CO2)를 카보네이트 화합물(carbonate compound)로 전환하기 위한 시스템으로,
상기 시스템은 CO2 함유 가스의 유입을 위한 제1 유입구(101), 용매의 유입을 위한 제2 유입구(102) 및 1차 생성물배출구(103)를 포함하는, 1차 반응기(100);
식물 유래 셀룰로오스 섬유를 포함하는 CO2 흡착 필터(300);
이 때, 상기 필터는 상기 1차 반응기 내부에 장착됨;
상기 1차 반응기에 장착된 PH 미터(110);
용매 공급 탱크(400);
상기 용매 공급 탱크와 상기 1차 반응기의 제2 유입구를 연결하는 연결부(P1);
1차 생성물 유입구(201), CO2 함유 가스의 유입을 위한 제3 입구(202) 및 2차 생성물 배출구(203)를 포함하는, 2차 반응기(200); 및
상기 1차 반응기의 상기 1차 생성물 배출구와 상기 2차 반응기의 1차 생성물 유입구를 연결하는 연결부(P2);를 포함하고,
이 때, 상기 연결부(P2)는 상기 1차 반응기와 2차 반응기 사이의 1차 생성물의 흐름을 제어하기 위해 개폐가 조절될 수 있는,
이산화탄소(CO2)를 카보네이트 화합물(carbonate compound)로 전환하기 위한 시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 식물 유래 셀룰로오스 섬유는 천연 수세미 섬유 및 lyocell 섬유에서 선택된 하나 이상인,
이산화탄소(CO2)를 카보네이트 화합물(carbonate compound)로 전환하기 위한 시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 용매는 금속 이온 수용액이고,
이 때, 상기 금속 이온 수용액은 금속 화합물이 H2O에 용해된 용액이며,
이 때, 상기 금속 화합물은 Ma(OH)2 또는 MaCO3이고,
이 때, 상기 M은 금속이고,
이 때, 상기 a는 1 또는 2인,
이산화탄소(CO2)를 카보네이트 화합물(carbonate compound)로 전환하기 위한 시스템.
- 제3항에 있어서,
상기 금속 이온은 Na(Sodium)인,
이산화탄소(CO2)를 카보네이트 화합물(carbonate compound)로 전환하기 위한 시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 카보네이트 화합물은 Na2HCO3, MgCO3, 및 CaCO3 중 선택된 어느 하나의 화합물인,
이산화탄소(CO2)를 카보네이트 화합물(carbonate compound)로 전환하기 위한 시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 1차 반응기는 교반기(Stirrer)(120)를 더 포함하는,
이산화탄소(CO2)를 카보네이트 화합물(carbonate compound)로 전환하기 위한 시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 시스템은 원심분리기(500), 건조기(600), 제분기(milling machine)(700) 및 시빙기(sieving machine)(800) 중 하나 이상의 장치를 더 포함하는,
이산화탄소(CO2)를 카보네이트 화합물(carbonate compound)로 전환하기 위한 시스템.
- 이산화탄소를 카보네이트 화합물로 전환시키기 위한 방법으로,
이 때, 상기 방법은 별도의 가압 과정이 필요하지 않으며,
상기 방법은 다음을 포함함:
1차 반응기에 금속 이온 수용액을 공급하는 것;
이 때, 상기 금속 이온 수용액은 금속 화합물이 H2O에 용해된 용액이며,
이 때, 상기 금속 화합물은 Ma(OH)2 또는 MaCO3이고,
이 때, 상기 M은 금속이고,
이 때, 상기 a는 1 또는 2임,
CO2 함유 가스를 공급하여, 상기 CO2 함유 가스가 상기 1차 반응기 내부에 장착된 천연 수세미를 포함하는 CO2 흡착 필터와 접촉하도록 하는 것;
1차 생성물을 1차 반응기에서 2차 반응기로 이송하는 것;
이 때, 상기 1차 생성물을 1차 반응기에서 2차 반응기로 이송하는 것은 상기 1차 반응기의 내용물의 pH 값이 특정 값 이하로 감소할 때 수행됨, 및
카보네이트 화합물의 침전을 위해 상기 2차 반응기에 CO2 함유 가스를 공급하는 것.
- 제8항에 있어서,
상기 금속 이온은 Na(Sodium)인,
이산화탄소를 카보네이트 화합물로 전환시키기 위한 방법.
- 제8항에 있어서,
상기 카보네이트 화합물은 Na2HCO3, MgCO3, 및 CaCO3 중 선택된 어느 하나의 화합물인,
이산화탄소를 카보네이트 화합물로 전환시키기 위한 방법.
- 제8항에 있어서,
상기 카보네이트 화합물은 Na2HCO3인,
이산화탄소를 카보네이트 화합물로 전환시키기 위한 방법.
- 제8항에 있어서,
상기 방법은 다음 중 어느 하나 이상의 과정을 더 포함함:
2차 생성물을 원심분리하는 것;
2차 생성물을 건조하는 것;
2차 생성물을 밀링(milling)하는 것; 및
2차 생성물을 시빙(sieving) 하는 것.
- 제8항에 있어서,
상기 방법은 회분 공정 또는 연속 공정으로 이루어지는 것인,
이산화탄소를 카보네이트 화합물로 전환시키기 위한 방법.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020220061351A KR20230161689A (ko) | 2022-05-19 | 2022-05-19 | 식물 유래 셀룰로오스 섬유 필터를 이용한 이산화탄소 전환 시스템 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020220061351A KR20230161689A (ko) | 2022-05-19 | 2022-05-19 | 식물 유래 셀룰로오스 섬유 필터를 이용한 이산화탄소 전환 시스템 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20230161689A true KR20230161689A (ko) | 2023-11-28 |
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ID=88957651
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| KR (1) | KR20230161689A (ko) |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101304943B1 (ko) | 2011-08-30 | 2013-09-06 | 현대자동차주식회사 | 이산화탄소 탄산염 고정 및 전환 장치 |
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2022
- 2022-05-19 KR KR1020220061351A patent/KR20230161689A/ko unknown
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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