WO2014010776A1 - 해수 중 마그네슘 이온을 이용한 이산화탄소 농축반응장치 및 이를 이용한 이산화탄소 해양격리방법 - Google Patents

해수 중 마그네슘 이온을 이용한 이산화탄소 농축반응장치 및 이를 이용한 이산화탄소 해양격리방법 Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a carbon dioxide enrichment reaction apparatus using magnesium ions in seawater and a carbon dioxide ocean containment method using the same.
  • the present invention is easy to apply in the plant that generates a large amount of carbon dioxide and alkaline waste, such as coal ash, steel slag, cement manufacturing residues, such as thermal power plants, steel mills, cement manufacturing plants, etc.
  • carbon dioxide and alkaline waste such as coal ash, steel slag, cement manufacturing residues, such as thermal power plants, steel mills, cement manufacturing plants, etc.
  • the present invention relates to a carbon dioxide enrichment reactor using magnesium ions in seawater and a carbon dioxide ocean containment method using the same.
  • CCS carbon capture and storage technology
  • the capture technology consists of precombustion capture technology, oxy-fuel combustion technology, and post-combustion capture technology.
  • Pre-combustion capture technology converts fuel containing carbon into carbon dioxide and hydrogen fuel using appropriate reactions (such as reforming reactions and water gas shift reactions), and then captures and removes carbon dioxide to burn the carbon dioxide into the reaction product. It is a technique that does not occur.
  • the pure oxygen combustion technology reduces the absolute amount of exhaust gas by using only nitrogen removed oxygen without using air as an oxidizing agent of fuel, and it is easy to separate and remove carbon dioxide because the exhaust gas composition contains only carbon dioxide and water.
  • Post combustion capture technology is a technology that separates the carbon dioxide contained in the exhaust gas after combustion has the advantage that it is the easiest to apply to existing sources.
  • a suitable solvent typically an amine absorbent
  • a method using a separator there is a method using carbon dioxide adsorption and desorption of solid particles.
  • Carbon dioxide captured using this technique should be stored using appropriate methods.
  • land or seabed storage methods are mainly considered. This method injects carbon dioxide into a supercritical state into an underground space, such as an oil field, gas field, or brine layer, and sequesters and stores it through thermal, hydraulic, mechanical, and chemical behaviors.
  • an underground space such as an oil field, gas field, or brine layer
  • sequesters and stores it through thermal, hydraulic, mechanical, and chemical behaviors.
  • there is a limit of space available for underground storage and because it stores carbon dioxide in the supercritical state, there is a possibility of re-release to the atmosphere or sea water due to leakage due to high pressure. If carbon dioxide leaks into seawater, ocean acidification can adversely affect marine ecosystems.
  • Marine storage methods include direct injection of carbon dioxide at a depth of 1,000 m or more to dissolve it in seawater, and injection of high density liquid carbon dioxide obtained by liquefaction with a compression device in a seabed isolated space of 3,000 m or more.
  • carbon dioxide is injected and stored directly into the ocean, it is not a permanent sequestration and storage method because of the impact of marine ecosystems on ocean acidification and the potential for dissolved carbon dioxide to be re-emitted into the atmosphere by ultimately equilibrating with the atmosphere.
  • Liquid carbon dioxide sequestration methods have disadvantages such as the need for equipment and power for liquefaction as well as ocean acidification, equipment and power for transporting liquid carbon dioxide as it is.
  • the present invention has been made to solve the above-mentioned problems, the density difference after discharged at a relatively shallow depth by converting to a high concentration of bicarbonate ions using a method of neutralizing using calcium oxide commonly included in industrial alkaline wastes
  • the present invention provides a carbon dioxide enrichment reaction apparatus using magnesium ions in seawater that can be safely sequestered in the deep sea by using and a method for sequestering the carbon dioxide ocean using the same.
  • Bicarbonate ion (HCO 3 -) are generated through the reaction can minimize pH changes to act as a buffer solution in an aqueous solution, when injected into the relatively shallow water due to the high concentration of bicarbonate ion-containing water has a density higher than natural sea water It can be easily stored for a long time in the deep sea economically by using density difference without extra energy consumption.
  • an alkaline waste including calcium oxide (CaO) or calcium oxide is added to seawater, and the calcium oxide is mixed with magnesium ions present in the seawater.
  • the concentration reaction apparatus is a supply unit for supplying calcium oxide; A seawater inlet unit to which the seawater is supplied; A multistage reactor for supplying the calcium oxide and seawater to react the calcium oxide and seawater; A settling tank installed at the end of the multi-stage reaction tank, for precipitating magnesium hydroxide produced from the calcium oxide and seawater; A seawater discharge unit installed at an upper end of the settling tank and discharging the remaining seawater after reacting with the calcium oxide in the seawater; A gas inlet installed at a lower end of the settling tank and supplying carbon dioxide and air to the settling tank so that the carbon dioxide and magnesium hydroxide react to form bicarbonate ions; And a concentrated seawater discharge unit installed in the settling tank and discharging the concentrated seawater containing the bicarbonate ions.
  • a front wall of each reaction tank and a front wall of the settling tank are provided with partition walls so that the flow of seawater flows into the lower part and may be discharged to the upper part.
  • Each reactor in the multi-stage reaction tank is provided with a stirring device to promote the reaction of the calcium oxide and sea water, and to allow the fine particles of magnesium hydroxide to move to the precipitation tank without sinking.
  • the settling tank is a diffuser for dispersing and introducing the carbon dioxide; And, it may include a stirring device for promoting the reaction of the precipitated magnesium hydroxide with carbon dioxide.
  • a method for sequestering a carbon dioxide ocean using magnesium ions in seawater is performed by adding an alkaline waste including calcium oxide (CaO) or calcium oxide to the seawater, and the calcium oxide is separated from the magnesium ions present in the seawater.
  • an alkaline waste including calcium oxide (CaO) or calcium oxide is added to the seawater, and the calcium oxide is separated from the magnesium ions present in the seawater.
  • the ocean discharge step may be performed by directly discharging the concentrated seawater containing the bicarbonate ions to the ocean by a pipeline.
  • the carbon dioxide enrichment reaction apparatus using magnesium ions in seawater according to an embodiment of the present invention, and the carbon dioxide ocean sequestration method using the same, enable environmentally friendly long-term sequestration of carbon dioxide, which is a major greenhouse gas.
  • the present invention is an eco-friendly carbon dioxide storage method that can be stored while minimizing the disadvantages such as re-emission to the atmosphere, ocean acidification, etc.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a carbon dioxide concentration reaction apparatus using magnesium ions in seawater according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 2 is a graph showing the pH change during the reaction process and the aeration process after the reaction with calcium oxide, after the reaction of calcium oxide and seawater.
  • first, second, etc. are used herein to describe various members, parts, regions, layers, and / or parts, these members, parts, regions, layers, and / or parts are defined by these terms. It is obvious that not. These terms are only used to distinguish one member, part, region, layer or portion from another region, layer or portion. Accordingly, the first member, part, region, layer or portion, which will be described below, may refer to the second member, component, region, layer or portion without departing from the teachings of the present invention.
  • FIG. 1 is an example of a reaction system for concentrating carbon dioxide using precipitated magnesium hydroxide after passing a predetermined amount of alkaline waste containing calcium oxide according to an embodiment of the present invention.
  • the carbon dioxide concentration reaction apparatus includes a multistage reaction tank 100 and a precipitation tank 110.
  • the multi-stage reactor 100 injects seawater through the alkaline waste 120 containing calcium oxide and the seawater inflow line 130 and reacts to produce and precipitate magnesium hydroxide.
  • seawater is filled and flows at a constant flow rate, and calcium oxide present in the injected alkaline waste 120 and magnesium ions present at about 50 mM concentration in seawater react as follows. Create and precipitate. That is, due to the difference in solubility between calcium oxide and magnesium hydroxide, the result of precipitation of magnesium hydroxide is obtained.
  • calcium oxide can be obtained from alkaline waste as well as various other materials, and the present invention is not limited thereto. Calcium oxide may even be supplied directly to seawater.
  • Each reactor 100 may be further equipped with a physical stirring device 140 to facilitate the reaction of the calcium oxide and sea water, accordingly active reaction of calcium oxide and sea water in the reaction tank 100 of each step happenss.
  • the magnesium hydroxide produced as a solid is not precipitated in the reaction tank 100 in which the particles are very small in nano units, where stirring takes place, and the reaction proceeds to the next reaction tank 100.
  • each reactor size or shape, and the number of the multistage reactors 100 may be adjusted in consideration of the amount of alkaline waste 120 introduced or the precipitation state.
  • the total flow rate of the seawater 130 introduced according to the amount of the alkaline waste 120 can be adjusted, and the flow rate can also be adjusted according to the reaction state.
  • the introduced seawater 120 flows along the multi-stage reaction tank 100 and finally overflows through the seawater discharge unit 131 with a greater amount of calcium ions than when introduced. That is, the supernatant in seawater is drained.
  • the partition wall 101 is installed in the vertical direction so that the flow of the seawater flows in the lower direction and can be discharged in the upper direction. It is supposed to be. Accordingly, the seawater is moored in the multi-stage reaction tank 100 and the precipitation tank 110 for as much time as possible, thereby obtaining as much magnesium hydroxide as possible.
  • Precipitation tank 110 is installed at the end of the multi-stage reaction tank (100). Therefore, when the seawater passes through the multi-stage reaction tank 100, it eventually flows into the settling tank 110. In the precipitation tank 110, the produced magnesium hydroxide is present as precipitated magnesium hydroxide 121. At this time, while the precipitated magnesium hydroxide 121 is generated, the settling tank agitator 150 is not operated. That is, the stirring apparatus 150 is also installed in the precipitation tank 110, but the stirring apparatus 150 does not operate until a predetermined amount or more of the precipitated magnesium hydroxide 121 is obtained.
  • the diffuser 161 Thereafter, a high concentration of carbon dioxide or exhaust gas containing carbon dioxide is supplied to the diffuser 161 through the gas inlet line 160, and the droplet size of the exhaust gas is again reduced through the diffuser 161 to flow into the settling tank 110. Let's do it.
  • the gas inlet line 160 and the diffuser 161 is installed in the lower portion of the settling tank 110. That is, the diffuser 161 is located approximately in the bottom layer of seawater in the settling tank 110.
  • the pH at this time is less than 7.4 due to excessive dissolution of carbon dioxide than the pH of the amount of magnesium hydroxide, but after all the reaction with carbon dioxide and aeration through the gas inlet line 160 and diffuser 161 to the bicarbonate acid At the same time as the ions are in equilibrium, the pH is restored to 8.0 or more.
  • the bottom of the sedimentation tank 110 that is, the final sea water discharge unit 132 is installed between the sea water discharge unit 131 and the carbon dioxide / air inlet line 160, through which the bicarbonate ion Concentrated seawater is discharged to the ocean. That is, concentrated seawater containing bicarbonate ions is discharged directly to the ocean by a pipeline.
  • Figure 2 shows the change in pH during the reaction process and the aeration process after the reaction with calcium oxide contained in the alkaline waste 120 and seawater.
  • X axis is time and Y axis is pH.
  • the total inorganic carbon concentration in seawater changes to about 2 mM during the reaction of calcium oxide and seawater, about 200 mM during the carbon dioxide reaction, and about 120 mM after aeration.
  • the main factor affecting the concentration ratio of carbonate species is the pH of the final reaction seawater, which is in the range of about 8.0 to 8.2, and within this range HCO 3 - ions account for more than 95% of the total carbonate concentration. It can be said to be stable.
  • CO 2 re-emission can be minimized by contact with the air and sea water on the sea surface. At this time, it was confirmed that the content of bicarbonate ion is about 60 times higher than that of natural seawater.

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Abstract

개시된 본 발명의 이산화탄소 해양격리방법은, 산업 알칼리성 폐기물에 흔히 포함된 산화칼슘을 이용하여 중화하는 방법을 이용하여 고농도의 중탄산 이온 상태로 변환하여 통기(aeration)과정을 통하여 대기와의 접촉에도 안정적으로 중탄산 이온을 함유하는 용출수를 만들어 비교적 얕은 수심의 해양에 방류하여 격리하는 방법이다. 본 발명에 따르면, 이산화탄소 해양격리를 산업 알칼리성 폐기물을 이용함으로써 비교적 저비용으로 달성할 수 있으며, 해양산성화 등 환경 악영향을 최소화하면서 장기간 격리가 가능한 친환경 이산화탄소 저장법이다. 이를 통해 이산화탄소 배출 규제에 적극적으로 대응함과 동시에 향후 탄소배출권 확보에 따른 경제적 효과 또한 달성될 수 있다.

Description

해수 중 마그네슘 이온을 이용한 이산화탄소 농축반응장치 및 이를 이용한 이산화탄소 해양격리방법
본 발명은 해수 중 마그네슘 이온을 이용한 이산화탄소 농축반응장치 및 이를 이용한 이산화탄소 해양격리방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 화력발전소, 제철소, 시멘트 제조 공장 등과 같이 석탄회, 제철 슬래그, 시멘트 제조 잔여물 등의 알칼리성 폐기물 및 대량의 이산화탄소를 동시에 발생시키는 플랜트에서 적용이 용이한 것으로, 알칼리성 폐기물을 이용하여 이산화탄소를 해양에 처리 또는 격리하기 위한, 더욱 상세하게는 폐기물 중의 산화칼슘과 해수를 이용한 이산화탄소 중화반응을 통하여 일반 해수보다 수십 배 높은 농도의 중탄산 이온을 함유하는 해수로 변환하여 해양에 방류하여 장기간 이산화탄소 저감에 기여하는 해수 중 마그네슘 이온을 이용한 이산화탄소 농축반응장치 및 이를 이용한 이산화탄소 해양격리방법에 관한 것이다.
대표적 온실가스인 이산화탄소의 배출량을 감축하기 위하여 에너지 절감, 고효율 발전기술, 신재생 에너지 기술, 인공 조림 또는 생물학적 처리 기술 등 다양한 기술이 개발되고 있다. 그러나 산업 기반을 유지하고 지속적으로 발전시켜야 하는 현실에서 단기간 내에 많은 양의 이산화탄소 배출을 저감할 수 있는 기술은 이산화탄소 포집 및 저장 기술(CCS, Carbon Capture and Storage (Sequestration))이라고 할 수 있다. CCS 기술은 포집 기술과 저장 기술로 구분할 수 있다.
포집 기술은 연소 전 포집 기술, 순산소 연소기술, 연소 후 포집 기술로 이루어진다. 연소 전 포집 기술은 탄소가 포함된 연료를 적절한 반응(개질 반응 및 수성가스 전환반응 등)을 이용하여 이산화탄소와 수소 연료로 변환한 후, 이산화탄소를 포집 및 제거하여 연소시킴으로써 반응 생성물에 이산화탄소가 원천적으로 발생하지 않도록 하는 기술이다.
순산소 연소기술은 연료의 산화제로 공기를 사용하지 않고 질소가 제거된 산소만을 이용함으로써 절대적인 배기가스의 양이 감소되며 배기가스 조성이 이산화탄소와 물만 존재하므로 이산화탄소의 분리 및 제거가 용이하다.
연소 후 포집 기술은 연소 후 배기가스에 포함된 이산화탄소를 분리하는 기술로서 기존 발생원에 적용하기에 가장 용이하다는 장점이 있다.
분리 방법에 따라 적절한 용매(대표적으로 아민계 흡수제)를 이용하는 방법과 분리막을 이용하는 방법, 그리고 고체입자의 이산화탄소 흡착 및 탈착을 이용하는 방법이 있다.
이와 같은 기술을 이용하여 포집된 이산화탄소는 적절한 방법을 이용하여 저장해야 한다. 현재 육상 또는 해저 지중 저장 방법이 주로 검토되고 있다. 이 방법은 이산화탄소를 초임계 상태로 유전, 가스전 또는 염수층 등의 지중 공간에 주입한 후 열적, 수리학적, 역학적, 화학적 거동을 거쳐 격리 및 저장하게 된다. 그러나 지중 저장이 가능한 공간의 한계, 초임계 상태의 이산화탄소를 저장하기 때문에 높은 압력으로 인한 누출에 의해 대기 또는 해수로의 재방출 가능성이 있다. 해수 중으로 이산화탄소가 누출될 경우, 해양 산성화에 의해 해양 생태계에 악영향을 미칠 수 있다.
또 다른 다량의 이산화탄소 격리 및 저장 방법은 해양 저장이다. 해양 저장 방법은 1,000 m 이상의 깊이에 이산화탄소를 직접 주입하여 해수에 용해시키는 방법, 3,000 m 이상의 해저 고립된 공간에 압축장치로 액화시켜 얻어진 고밀도의 액체 이산화탄소를 주입하는 방법이 있다. 그러나 이산화탄소를 직접 해양에 주입 및 저장할 경우, 해양 산성화에 의한 해양 생태계 영향 문제와 용해된 이산화탄소가 궁극적으로 대기와 평형을 이룸으로써 대기 중으로 재방출될 가능성이 있기 때문에 영구적인 격리 및 저장 방법이 아니라는 문제가 제기되고 있으며, 액체 이산화탄소 격리 방법은 해양 산성화뿐만 아니라 액화시키기 위한 설비 및 동력, 액체 이산화탄소를 액체 그대로 운송하기 위한 설비 및 동력이 필요하다는 단점이 있다.
지구온난화에 대처하기 위한 이산화탄소(CO2)저감기술 중 기술적 타당성을 인정받고 있는 것의 하나는 대량 발생원으로부터 이산화탄소를 포집하여 육상의 유전, 가스전, 해저의 고갈 유전, 가스전, 대수층 등에 저장하거나 해양 분사법 및 저류법 등을 통하여 심해에 저장하는 기술이다. 지중 저장은 저장 공간의 한계 및 이산화탄소 누출 문제가, 해양분사 및 저류 방법은 대기 재방출 가능성, pH 변화에 의한 생태계 영향 및 높은 처리 비용과 같은 단점을 가진다.
본 발명은 상기한 종래 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 산업용 알칼리성 폐기물에 흔히 포함된 산화칼슘을 이용하여 중화하는 방법을 이용하여 고농도의 중탄산 이온 상태로 변환하여 비교적 얕은 수심에서 방류한 후 밀도차를 이용하여 심해에 안전하게 격리할 수 있는 해수 중 마그네슘 이온을 이용한 이산화탄소 농축반응장치 및 이를 이용한 이산화탄소 해양격리방법을 제공하는데 있다.
산화칼슘을 이용하여 고농도의 중탄산 이온을 함유한 해수로 만들기 위해서는 다음과 같은 과정의 반응을 거쳐야 한다.
CaO + H2O + Mg2+ → Mg(OH)2(↓) + Ca2+ (1)
Mg(OH)2 + CO2 → Mg2+ + HCO3 - (2)
산화칼슘이 해수에 투입되면 그 용해도가 수산화마그네슘보다 높아 해수 중 50 mM 정도 존재하는 마그네슘 이온이 반응하여 수산화마그네슘으로 침전하며, 이렇게 침전된 수산화마그네슘은 이산화탄소와 반응하는 순간 상당량 용해된다. 본 반응을 통해 생성되는 중탄산 이온(HCO3 -)은 수용액 상태에서 완충 용액으로 작용하여 pH 변화를 최소화할 수 있으며, 고농도의 중탄산 이온 함유 해수는 자연 해수보다 밀도가 높기 때문에 비교적 얕은 해수에 주입하면 별도의 에너지 소비 없이 밀도차를 이용하여 경제적으로 심해에 저장할 수 있어 장기간 격리가 용이하다.
그러나 방류된 위치가 표층과 같이 대기와 접촉하는 곳에서는 평형에 의해 이산화탄소가 대기 중으로 재방출 될 수 있으므로 해양으로 방류하기 전 대기 중 공기를 통기(aeration)시켜 해수 중 무기탄소 총량을 평형 상태로 만들어 방류하는 방법으로 이러한 문제점을 해결할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 해수 중 마그네슘 이온을 이용한 이산화탄소 농축반응장치는 해수에 산화칼슘(CaO) 또는 산화칼슘을 포함하는 알칼리성 폐기물을 투입하여, 상기 산화칼슘이 상기 해수 중 존재하는 마그네슘 이온과 반응하여 수산화마그네슘(Mg(OH)2)을 형성하고 침전되도록 하며, 상기 수산화마그네슘의 침전 후 상기 해수의 상층액은 제거하고 상기 수산화마그네슘을 포함하는 상기 해수의 하층액과 이산화탄소를 반응시켜 자연 상태보다 상대적으로 높은 농도의 중탄산 이온(HCO3 -)을 포함하는 농축해수로 변환한다.
상기 농축반응장치는 산화칼슘이 공급되는 공급부; 상기 해수가 공급되는 해수유입부; 상기 산화칼슘과 해수가 공급되어 상기 산화칼슘과 해수가 반응하도록 하는 다단계 반응조; 상기 다단계 반응조의 끝단에 설치되고, 상기 산화칼슘과 해수로부터 생성된 수산화마그네슘을 침전하는 침전조; 상기 침전조의 상단에 설치되고, 상기 해수 중 상기 산화칼슘과 반응하고 남은 해수를 배출하는 해수배출부; 상기 침전조의 하단에 설치되고, 상기 침전조에 이산화탄소 및 에어를 공급하여, 상기 이산화탄소와 수산화마그네슘이 반응하여 중탄산 이온을 형성하도록 하는 가스유입부; 및, 상기 침전조에 설치되고, 상기 중탄산 이온을 포함하는 농축해수를 배출하는 농축해수배출부를 포함한다.
상기 다단계 반응조 중 각 반응조의 전단과, 상기 침전조의 전단에는 격벽이 설치되어 상기 해수의 흐름이 하부로 유입되어 상부로 배출될 수 있다.
상기 다단계 반응조 중 각 반응조에는 교반장치가 설치되어 상기 산화칼슘과 해수의 반응을 촉진하며, 수산화마그네슘의 미립자가 가라앉지 않고 침전조까지 이동할 수 있도록 할 수 있다.
상기 침전조는 상기 이산화탄소를 분산하여 유입시키는 디퓨저; 및, 상기 이산화탄소와 침전된 수산화마그네슘의 반응을 촉진하는 교반장치를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 해수 중 마그네슘 이온을 이용한 이산화탄소 해양격리방법은 해수에 산화칼슘(CaO) 또는 산화칼슘을 포함하는 알칼리성 폐기물을 투입하여, 상기 산화칼슘이 상기 해수 중 존재하는 마그네슘 이온과 반응하여 수산화마그네슘(Mg(OH)2)을 형성하고 침전되도록 하는 단계; 상기 수산화마그네슘의 침전 후 상기 해수의 상층액은 제거하고 상기 해수의 하층액과 이산화탄소를 반응시켜 자연 상태보다 상대적으로 높은 농도의 중탄산 이온(HCO3 -)을 포함하는 농축해수를 형성하는 단계; 상기 농축해수에 에어를 공급하여 상기 해수 중 중탄산 이온이 대기와 접촉하여 변화하지 않고 안정적으로 존재하도록 하는 단계; 및 pH가 자연 해수와 같은 8.0~8.2 범위의 상기 농축해수를 해양에 방류하는 단계를 포함한다.
상기 해양 방류 단계는 상기 중탄산 이온을 포함하는 농축해수를 파이프 라인으로 직접 해양에 배출하여 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 해수 중 마그네슘 이온을 이용한 이산화탄소 농축반응장치 및 이를 이용한 이산화탄소 해양격리방법은 주요 온실가스인 이산화탄소를 친환경적으로 장기간 격리할 수 있도록 한다. 특히 본 발명은 이산화탄소 최대 저장 공간으로 인식되는 해양에 대기로의 재방출, 해양 산성화 등의 단점을 최소화하면서 저장이 가능한 친환경 이산화탄소 저장법이며, 산업용 산화칼슘을 포함하는 알칼리성 폐기물에 다량의 해수를 통과시켜 수산화마그네슘 침전물을 형성시키고, 이를 이산화탄소와 반응시킨 후 통기를 통하여 대기와 안정화시켜 자연해수보다 수십 배 높은 농도의 중탄산 이온 형태로 농축된 용출수를 구비하며, 이는 일반 해수에 비해 밀도가 높기 때문에 얕은 수심의 해양에 방류하여도 장기간 격리가 가능한 방법으로 기존의 해양격리방법에 비해 비교적 경제적이라 할 수 있다. 이를 통해 이산화탄소 배출 규제에 적극적으로 대응함과 동시에 향후 탄소 배출권 확보에 따른 경제적 효과 또한 달성될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 해수 중 마그네슘 이온을 이용한 이산화탄소 농축반응장치를 도시한 개략도이다.
도 2는 산화칼슘과 해수가 반응하고 난 이후, 이산화탄소와의 반응 과정 및 반응 후 통기(aeration) 과정 중 pH 변화를 도시한 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.
또한, 도면에서 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이며, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는" 는 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및 /또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.
본 명세서에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들을 설명하기 위하여 사용되지만, 이들 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들은 이들 용어에 의해 한정되어서는 안 됨은 자명하다. 이들 용어는 하나의 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 다른 영역, 층 또는 부분과 구별하기 위하여만 사용된다. 따라서, 이하 상술할 제1부재, 부품, 영역, 층 또는 부분은 본 발명의 가르침으로부터 벗어나지 않고서도 제2부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 지칭할 수 있다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 해수 중 마그네슘 이온을 이용한 이산화탄소 농축반응장치 및 이를 이용한 이산화탄소 해양격리방법이 도시되어 있다. 구체적으로, 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 산화칼슘을 포함하는 알칼리성 폐기물을 일정량 넣어 과량의 해수를 통과시킨 후 침전된 수산화마그네슘을 이용하여 이산화탄소를 농축시키는 반응시스템의 일례이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 이산화탄소 농축반응장치는 다단계 반응조(100)와 침전조(110)를 포함한다.
다단계 반응조(100)는 산화칼슘을 포함하는 알칼리성 폐기물(120)과 해수유입라인(130)을 통하여 해수를 유입시킨 후 반응시켜 수산화마그네슘을 생성 및 침전시킨다.
일례로 다단계 반응조(100)에서는 해수가 가득 채워져 일정한 유량으로 흐르며, 투입된 알칼리성 폐기물(120)에 존재하는 산화칼슘과 해수 중에 약 50 mM 농도로 존재하는 마그네슘 이온이 다음과 같이 반응하여, 수산화 마그네슘을 생성 및 침전시킨다. 즉, 산화칼슘과 수산화마그네슘의 용해도 차이로 인하여 수산화마그네슘의 침전 결과를 얻게 된다. 여기서, 산화칼슘은 알칼리성 폐기물뿐만 아니라 기타 다양한 재료로부터 얻을 수 있으며, 본 발명에서 이를 한정하지 않는다. 심지어, 산화칼슘이 직접 해수에 공급될 수도 있다.
CaO + H2O + Mg2+ → Mg(OH)2(↓) + Ca2+
각 반응조(100)에는 산화칼슘과 해수의 반응을 보다 용이하게 하기 위해서 물리적 교반장치(140)가 더 설치될 수 있고, 이에 따라 각 단계의 반응조(100)에서 산화칼슘과 해수의 반응이 활발하게 일어난다. 이때 고체로 생성되는 수산화마그네슘은 그 입자가 나노 단위로 매우 작아 교반이 일어나는 반응조(100)에서는 침전되지 않고 다음 단계의 반응조(100)로 넘어가게 된다.
그러나 산화칼슘 외에 알칼리성 폐기물(120)에 포함된 기타의 물질들은 다단계 반응조(100)를 지나며 바닥에 침전되어 일부 물질을 걸러주는 효과를 가진다.
도 1에서는 다단계 반응조를 3개로 도시하였으나 투입되는 알칼리성 폐기물(120)의 양이나 침전 상태 등을 고려하여 다단계 반응조(100)의 각 반응조 크기 또는 형태, 그리고 수를 조정할 수 있다. 알칼리성 폐기물(120)의 투입량에 따라서 유입되는 해수(130)의 총 유량을 조정할 수 있으며, 반응 상태에 따라 그 유속 또한 조정할 수 있다. 이렇게 유입된 해수(120)는 다단계 반응조(100)를 따라 흐르며 최종적으로는 유입될 당시보다 많은 양의 칼슘이온을 포함한 채 해수 배출부(131)를 통하여 배수(overflow)된다. 즉, 해수 중 상층액이 배수된다.
더불어, 상기 다단계 반응조(100) 중 각 반응조의 전단과, 하기할 침전조(110)의 전단에는 수직 방향으로 격벽(101)이 설치되어 상기 해수의 흐름이 하부 방향으로 유입되어 상부 방향으로 배출될 수 있도록 되어 있다. 이에 따라 해수는 다단계 반응조(100) 및 침전조(110)에 최대한 많은 시간동안 계류함으로써, 최대한 많은 수산화마그네슘이 얻어진다.
침전조(110)는 상기 다단계 반응조(100)의 끝단에 설치되어 있다. 따라서, 해수가 다단계 반응조(100)를 모두 거치면 결국 침전조(110)에 유입된다. 침전조(110)에서는 생성된 수산화마그네슘이 침전된 수산화마그네슘(121)으로 존재하도록 한다. 이때, 이러한 침전된 수산화마그네슘(121)이 생성되는 동안 침전조 교반장치(150)는 운행되지 않도록 한다. 즉, 침전조(110)에도 교반장치(150)가 설치되는데, 일정량 이상의 침전된 수산화마그네슘(121)이 얻어지기 전까지 교반장치(150)는 동작하지 않는다.
다시 설명하면, 투입된 알칼리성 폐기물(120)에 포함된 산화칼슘이 충분히 수산화마그네슘으로 변환되면 해수의 유입(130)을 중단하고, 침전조(110)에서 수산화마그네슘이 충분히 침전되도록 한다.
이후, 고농도의 이산화탄소 또는 이산화탄소가 포함된 배기가스를 가스유입라인(160)을 통하여 디퓨저(161)로 공급하고, 다시 디퓨저(161)를 통해 배기가스의 방울 크기를 작게 하여 침전조(110)로 유입시킨다. 여기서, 가스유입라인(160) 및 디퓨저(161)는 상기 침전조(110)의 하부에 설치된다. 즉, 상기 디퓨저(161)는 대략 침전조(110) 중 해수의 하층액에 위치된다.
이때 침전조의 교반장치(150)를 운행하여 반응을 용이하도록 한다. 즉, 침전조(110)에 침전된 수산화마그네슘(121)과 이산화탄소는 다음과 같은 반응이 일어나며 해수 중 중탄산 이온을 과량 존재하게 만든다.
Mg(OH)2 + CO2 → Mg2+ + HCO3 -
이때의 pH는 수산화마그네슘의 pH 조절량보다 이산화탄소가 과량 용해되어 7.4 이하로 떨어지지만, 이산화탄소와의 반응을 모두 끝낸 후 가스유입라인(160)과 디퓨저(161)를 통하여 대기와 통기(aeration)시키면 중탄산 이온을 평형상태로 함과 동시에 pH도 8.0 이상으로 회복된다.
한편, 침전조(110)의 하부, 즉, 해수 배출부(131)와 이산화탄소/공기 유입라인(160)의 사이에는 최종 해수 배출부(132)가 설치되어 있으며, 이를 통하여 상술한 중탄산 이온을 포함하는 농축해수가 해양으로 배출된다. 즉, 중탄산 이온을 포함하는 농축해수를 파이프 라인으로 직접 해양에 배출한다.
도 2는 알칼리성 폐기물(120)에 포함된 산화칼슘과 해수가 반응하고 난후, 이산화탄소와의 반응과정 및 반응 후 통기(aeration)과정 중 pH의 변화를 도시한 것이다. 여기서, X축은 시간이고, Y축은 pH이다.
해수 중 총 무기탄소의 농도는 산화칼슘과 해수가 반응하는 중에는 약 2 mM, 이산화탄소 반응 중에는 약 200 mM, 통기(aeration) 후에는 약 120 mM의 값으로 변화한다. 탄산염 종의 농도비에 영향을 미치는 주요 요소는 pH이나 최종 반응 해수의 pH는 약 8.0 ~ 8.2 범위에 존재하고 이 범위 내에서는 HCO3 - 이온이 총 탄산염 농도의 95 % 이상 차지하므로 해수 중에 방류하는 경우에도 안정하다 할 수 있다. 그리고 최종적으로 통기 과정을 통하여 해수 표면의 대기 및 해수 중의 접촉에 의해서 CO2 재방출을 최소화 할 수 있다. 이 때 중탄산 이온의 함유량이 자연해수보다 약 60배 이상 높음을 확인하였다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 해수 중 마그네슘 이온을 이용한 이산화탄소 농축반응장치 및 이를 이용한 이산화탄소 해양격리방법을 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.

Claims (7)

  1. 해수에 산화칼슘(CaO) 또는 산화칼슘을 포함하는 알칼리성 폐기물을 투입하여, 상기 산화칼슘이 상기 해수 중 존재하는 마그네슘 이온과 반응하여 수산화마그네슘(Mg(OH)2)을 형성하고 침전되도록 하며, 상기 수산화마그네슘의 침전 후 상기 해수의 상층액은 제거하고 상기 수산화마그네슘을 포함하는 상기 해수의 하층액과 이산화탄소를 반응시켜 자연 상태보다 상대적으로 높은 농도의 중탄산 이온(HCO3 -)을 포함하는 농축해수로 변환함을 특징으로 하는 해수 중 마그네슘 이온을 이용한 이산화탄소 농축반응장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 농축반응장치는
    산화칼슘 또는 산화칼슘이 포함된 알칼리성 폐기물이 공급되는 공급부;
    상기 해수가 공급되는 해수유입부;
    상기 산화칼슘과 해수가 공급되어 상기 산화칼슘과 해수가 반응하도록 하는 다단계 반응조;
    상기 다단계 반응조의 끝단에 설치되고, 상기 산화칼슘과 해수로부터 생성된 수산화마그네슘을 침전하는 침전조;
    상기 침전조의 상단에 설치되고, 상기 해수 중 상기 산화칼슘과 반응하고 남은 해수를 배출하는 해수배출부;
    상기 침전조의 하단에 설치되고, 상기 침전조에 이산화탄소 및 에어를 공급하여, 상기 이산화탄소와 수산화마그네슘이 반응하여 중탄산 이온을 형성하도록 하는 가스유입부; 및,
    상기 침전조에 설치되고, 상기 중탄산 이온을 포함하는 농축해수를 배출하는 농축해수배출부를 포함함을 특징으로 하는 해수 중 마그네슘 이온을 이용한 이산화탄소 농축반응장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 다단계 반응조 중 각 반응조의 전단과, 상기 침전조의 전단에는 격벽이 설치되어 상기 해수의 흐름이 바닥으로 유입되어 상부로 배출되는 것을 특징으로 하는 해수 중 마그네슘 이온을 이용한 이산화탄소 농축반응장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 다단계 반응조 중 각 반응조에는 교반장치가 설치되어 상기 산화칼슘과 해수의 반응을 촉진하며, 수산화마그네슘의 미립자가 가라앉지 않고 침전조까지 이동할 수 있도록 함을 특징으로 하는 해수 중 마그네슘 이온을 이용한 이산화탄소 농축반응장치.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 침전조는 상기 이산화탄소를 분산하여 유입시키는 디퓨저; 및,
    상기 이산화탄소와 침전된 수산화마그네슘의 반응을 촉진하는 교반장치를 포함함을 특징으로 하는 해수 중 마그네슘 이온을 이용한 이산화탄소 농축반응장치.
  6. 해수에 산화칼슘(CaO) 또는 산화칼슘을 포함하는 알칼리성 폐기물을 투입하여, 상기 산화칼슘이 상기 해수 중 존재하는 마그네슘 이온과 반응하여 수산화마그네슘(Mg(OH)2)을 형성하고 침전되도록 하는 단계;
    상기 수산화마그네슘의 침전 후 상기 해수의 상층액은 제거하고 상기 해수의 하층액과 이산화탄소를 반응시켜 자연 상태보다 상대적으로 높은 농도의 중탄산 이온(HCO3 -)을 포함하는 농축해수를 형성하는 단계;
    상기 농축해수에 에어를 공급하여 상기 해수 중 중탄산 이온이 대기와 접촉하여 변화하지 않고 안정적으로 존재하도록 하는 단계; 및
    pH가 자연 해수와 같은 8.0~8.2 범위의 상기 농축해수를 해양에 방류하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 해수 중 마그네슘 이온을 이용한 이산화탄소 해양격리방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 해양 방류 단계는 상기 중탄산 이온을 포함하는 농축해수를 파이프 라인으로 직접 해양에 배출하여 이루어짐을 특징으로 하는 해수 중 마그네슘 이온을 이용한 이산화탄소 해양격리방법.
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