KR101026566B1 - 이산화탄소 포획 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명에서 개시된 이산화탄소를 포획하는 방법은 (1) 포화 염 용액을 전기분해하여 수산화나트륨을 얻는 단계; (2) 해수 용액에 상기 수산화나트륨을 첨가하여, 해수의 염화마그네슘과 염화칼슘이 수산화마그네슘과 수산화칼슘으로 전환하도록 하는 단계; 및 (3) 이산화탄소를 수산화마그네슘과 수산화칼슘을 포함하는 상기 용액에 첨가하여 탄산마그네슘과 탄산칼슘으로 전환시키는 단계를 포함한다.
상기 방법은 효과적이고, 빠르며 안전한 방법으로 이산화탄소를 포획할 수 있게 하며, 대기중 이산화탄소의 양을 감소시키고, 결과적으로 이산화탄소의 배출을 줄일 수 있게 한다.
이산화탄소 포획, 전기분해, 염 용액
Description
본 발명은 이산화탄소(CO2) 배출을 감소시키기 위한 포획 방법에 관한 것으로, 특히 화학반응을 사용하여 산업분야에서 방출된 이산화탄소(CO2)를 포획하기 위한 방법에 관한 것이다.
통상, 대기 환경에는 다양한 화학 물질들이 존재하며, 이들은 정상적인 환경과 농도하에서는 생태적 환경에 문제를 일으키지는 않는다. 그러나 산업화가 계속 진행되고 있는 곳과 같이, 모든 종류의 산업 기계와 운송기기들의 사용으로 점점 더 과도하게 화학물질이 배출되고 있다. 더 중요한 사실은, 모든 종류의 화학 물질들을 과도하게 배출하는 것은 결국 대기 오염을 일으킨다.
많은 종류의 대기 오염 물질들이 현재 존재하며, 가장 공통적이고 관측되어온 대기 오염 물질들은 다음을 포함한다: 이산화탄소(CO2), 일산화탄소(CO), 이산화황(SO2), 산화질소(NOx), 부유 입자들(suspended particulates), 오존(O3), 및 휘발 성 유기 화합물들(VOC).
상기 대기 오염 물질들은 인간과 환경 모두에게 직접적 그리고 간접적인 영향을 미치며, 직접적인 영향에는 상기 생물권에 살고 있는 인간, 동물, 및 식물의 건강에 대한 피해; 반면에 간접적인 영향에는 산성비와 지구 온난화에 의해 야기된 환경 문제들을 포함하고 있다.
지구 대기에는, 주된 “온실 가스”가 이산화탄소(CO2), 메탄(CH4), 및 이산화질소(NO2)를 포함한다. 소위 “온실 가스”는 지구의 온도를 증가시키는데 이바지 하는 이러한 대기 가스들을 의미하며, 지구 온도의 상승은 현재 가장 중요한 환경적 문제이며, 여기서 이산화탄소(CO2)가 지구 온난화에 가장 큰 영향을 미치고 있으며, 지구 온난화 문제에 이바지 하는 첫 번째 요소가 대기 온실 가스의 증가이다. 그러므로 현재 환경문제학자들이 직면하고 있는 가장 시급한 문제는 어떻게 대기 이산화탄소의 양을 감소시키는가 하는 것이며, 세계 여러 나라들은 현재 이산화탄소(CO2) 배출을 감소시키고자 부지런히 노력하고 있다.
화석 연료의 사용을 억제할 수 없는 현재 상황에서, 화석 연료의 효율을 증가시키고, 이산화탄소를 포획, 저장 및 재사용하는 기술로 이를 보충할 필요가 있으며, 이것이 지구 온난화를 늦추는 가장 효과적인 방법인 것으로 생각되며, 따라서 사람들은 계속 저가의 연료를 이용할 수 있고, 점차 미래의 새로운 연료원을 사용하는 것으로 이행할 수 있게 된다.
또한, “이산화탄소 저장”이란 자연 또는 인공의 “용기”에 분명하게 이산 화탄소를 저장하는 것이며, 주요 목적은 물리적, 화학적 및 생화학적 기계들을 사용하여 1 세기 이상 동안 이산화탄소를 밀봉하고 저장하기 위한 것이다. 숲, 대양, 지질 지층(geological strata), 인공 저장 탱크, 및 화학적 반응기 모두 이산화탄소 저장용 “용기”로서 사용될 수 있다.
국제적으로 제안된 “대규모생산용” 이산화탄소 저장방법은 지질학적 저장, 표면 아래 저장(sub-surface storage), 및 대양 저장(ocean storage)으로 더 나눌 수 있다. 현재 1 미터톤의 이산화탄소를 포획, 운송, 및 저장하는 운전 비용이, US$ 5-115, 100km 당 USD$ 0.4-3.2, 및 US$0.5-100로 각각 소요된다. 게다가, 가스화복합발전(IGCC: Integrated Gasification Combined Cycle)의 최신 기술을 가동하는 발전소에서, 이산화탄소를 포획하기 위한 비용은 미터톤당 대략 USD$ 13-37이며, 이산화탄소를 지질적으로 저장하기 위한 비용은 미터톤당 대략 US$0.5-8이며, 이산화탄소를 대양에 저장하기 위한 비용은 미터톤당 대략 USD$5~30이며, 표면 아래로 이산화탄소를 저장하기 위한 비용은 미터톤당 대략 USD$ 50-100이다.“Science Development(May 2007, 413, pp.28-33)”저널의 쳉구 린(Cheng-Guo Lin) 저서의 “이산화탄소의 저장(The Storage of carbon dioxide)”을 참조한다.
이산화탄소를 저장하는 상기 기술은 여전히 현재 이용가능한 적당한 저장 “용기”들이 있는지를 결정하는 문제에 직면하고 있으며, 상기 기술은, 안정성과 그후 뒤따르는 모니터링과 관련한 문제들이 완전히 해결되지 않은 것으로 인하여, 실제 이용하기에는 충분히 개발되지 않았다.
이산화탄소를 저장하기 위한 종래 기술에 존재하는 상기 문제점들에 관해서, 본 발명의 발명자들은 그것들의 불충분한 점을 인식하여, 빠르고 안전한 방법으로 대량의 이산화탄소를 포획하여, 지구적으로 이산화탄소의 농도가 상승하는 문제를 해결하고자 하는 목적으로, 당해 산업분야에서 계속적인 연구와 개인적인 경험에 의해 이산화탄소를 포획하는 방법을 제시하였다.
본 발명에서 개시된 이산화탄소를 포획하는 방법은 다음 단계를 포함한다:
(1) 하기 화학 반응식에 따라, 포화 염 용액을 전기 분해하여 수산화나트륨을 얻는 단계:
2NaCl + 2H2O -> 2NaOH + Cl2 + H2;
(2) 하기 화학 반응식에 따라, 해수 용액에 상기 수산화나트륨을 첨가하여, 해수의 염화마그네슘과 염화칼슘이 수산화마그네슘과 수산화칼슘으로 전환하도록 하는 단계:
MgCl2 + 2NaOH -> Mg(OH)2 + 2NaCl
CaCl2 + 2NaOH -> Ca(OH)2 + 2NaCl;
(3) 하기 화학 반응식에 따라, 이산화탄소를 수산화마그네슘과 수산화칼슘을 포함하는 상기 용액에 첨가하여 탄산마그네슘과 탄산칼슘으로 전환시키는 단계:
Mg(OH)2 + CO2 -> MgCO3 + H2O
Ca(OH)2 + CO2 -> CaCO3 + H2O.
이산화탄소를 포획하는 상기 방법에서, 상기 단계(1)에서 사용된 포화 염 용액은 고농도의 염을 갖는 염수(brine)이며, 해수 담수화의 결과로 얻어지는 폐기물이 바람직하다.
또한, 상기 단계(1)의 수산화나트륨은 포화 염 용액을 전기분해하여 얻어진 염소 가스의 부산물일 수 있다.
본 발명의 이산화탄소 포획방법은 이산화탄소 저장을 위하여 화학적 반응을 채택하여, 물리적 저장보다 더 빠르고, 더 안정적이고 안전하며, 환경에 덜 영향을 미치며, 물리적 방법에서 요구되는 것과 같은 미래 모니터링 활동을 위한 추가 비용을 요구하지 않으며, 대규모로 했을 때 비용을 더 줄일 수 있으며, 추가적 가치있는 최종 산물을 얻는 효과가 있다.
본 발명의 상술한 목적들, 특징들 및 장점들은 첨부하는 실시예 및 도면과 함께 고려될 때 더욱 명확하게 이해될 것이며, 여기서:
다음 세 단계를 주로 포함하는 본 발명에 다른 이산화탄소 포획 방법이 개시되었다: (1) 포화 염 용액을 전기 분해하여 수산화나트륨을 얻는 단계; (2) 상기 수산화나트륨을 해수 용액에 첨가하여, 해수의 염화마그네슘과 염화칼슘이 수산화마그네슘과 수산화칼슘으로 전환되게 하는 단계; (3) 수산화마그네슘과 수산화칼슘을 갖는 수용액에 이산화탄소를 첨가하여 탄산마그네슘 및 탄산칼슘으로 전환시키는 단계.
여기서 수산화나트륨(NaOH)의 제조에서, 상기 수산화나트륨은 염소 가스 생성을 위한 산업 공정에서 얻어지는 부산물일 수 있으며, 이것을 얻는 가장 공통된 방법은, 염소 원자들 모두 염소 가스로 전환되어 이어서 용액에 용해되어 있는 단 한가지 물질로서 수산화나트륨만을 남기고 다 날라갈 때까지 포화 염 용액을 전기 분해하는 것이며; 상기 기술된 반응은 다음 화학 반응식을 갖는다:
2NaCl + 2H2O -> 2NaOH + Cl2 + H2
상기 포화 염 용액을 전기 분해한 후, 본 발명에 따른 이산화탄소 포획 방법을 수행하기 위하여 필요한, 상기 반응물질, 수산화나트륨이 연속적으로 얻어질 수 있으며; 여기서 상기 포화 염 용액은 해수 담수화 과정의 결과인 폐기물로부터 얻어질 수 있다.
이전에, 해수 담수화 과정은 주로 건조한 중동 지역에서 채용되었으나, 산업 화와 상업 활동의 발달이 빨라짐에 따라, 그리고 지구 인구 증가의 요인으로 인해 악화되어, 담수에 대한 요구가 전세계적으로 강화되고 있다. 세계 주위 여러 나라들이 현재 물 공급원으로부터 담수를 충분히 얻는데 점점 더 어려움을 겪는 것을 인식하고 있기 때문에 신규한 물 공급원에 대한 탐색이 강화되어 왔고, 해수의 담수화 기술은 담수를 얻기 위하여 선진국에서 사용되는 가장 일반적인 방법이다.
대양은 지구에서 가장 큰 표면적을 차지하고 있으며, 이것으로 대양은 가장 큰 저수지이고 지구에서 이용할 수 있는 가장 안정한 물 공급원이다. 또한, 대양에서 보유하고 있는 총 물의 양은 모든 계절 동안 모든 날씨 조건하에서 크게 변화하거나 증발하지 않는다. 최근 개발된 해수 담수화 기술과 상기 언급된 요소를 결합하면, 인간을 위해 고품질 물 공급원으로 해수를 이용할 수 있다고 제안할 수 있다.
해수 담수화는 물 가공 기술이며, 그의 중요한 원리는 염수를 두 개의 다른 부분으로 분리하기 위하여 에너지를 이용하는 것이며; 이중 하나는 낮은 농도의 염을 포함하는 담수이고, 다른 하나는 고농도 염을 포함하는 염수이고, 상기 염수는 더 담수화된다.
현재, 담수화의 몇 가지 기술들이 여전히 실험되고 있으며, 가장 일반적으로 사용되는 두 가지 담수화 방법은 역 삼투압 담수화(reverse osmosis desalination,지구 담수화 용량의 47.2% 점유) 및 다단계 플래쉬 담수화(flash desalination)(지구 담수화 용량의 36.5% 점유)가 있다.
본 발명의 이산화탄소 포획방법은, 수산화나트륨 제조를 위하여, 해수 담수 화로 얻어진 폐기물인 염수를 이용할 수 있으며; 이것으로 폐기물들을 효과적으로 사용할 수 있게 하며, 그 결과 지구 자원을 최대한 활용하게 한다.
수산화나트륨 제조 동안, 염소 가스가 동시에 제조되며, 이는 폴리염화비닐 (-(CH2CHCl)n-)의 제조에 광범위하게 사용될 수 있다. 폴리염화비닐이 에틸렌, 염소, 및 촉매로부터 제조되고, 내화성(fire-resistance) 및 내열성을 가지고 있기 때문에, 이것은 폴리염화비닐이 다른 산업분야에 관련된 다양한 제품들에 광범위하게 사용될 수 있다는 것을 의미하며; 예를 들어 와이어링(wiring) 및 케이블, 광학섬유 케이블, 구두, 핸드백, 가방, 장식품, 간판 및 광고 게시판, 주택개조, 가구, 장신구, 롤러, 튜브, 장남감, 커튼, 롤러 도어, 보조 의학 기구, 장갑, 식품 포장, 및 패션 의류등에 사용될 수 있다.
이어서, 수산화나트륨을 해수 용액에 첨가하여 해수의 염화마그네슘 및 염화칼슘을 수산화마그네슘 및 수산화칼슘으로 전환시키며며, 상기 반응은 다음 화학 반응식을 갖는다:
MgCl2 + 2NaOH -> Mg(OH)2 + 2NaCl
CaCl2 + 2NaON -> Ca(OH)2 + 2NaCl
지구상의 해수의 원소 조성은 다음 표 1에 나타난다.
원소명 | 퍼센트(질량 퍼센트) |
산소 | 85.7 |
수소 | 10.8 |
염소 | 1.9 |
나트륨 | 1.05 |
마그네슘 | 0.1350 |
황 | 0.0885 |
칼슘 | 0.04 |
칼륨 | 0.0380 |
브롬 | 0.0065 |
탄소 | 0.0026 |
칼슘 및 마그네슘을 포함하는 원소들이 해수에 자연적으로 발견될 수 있으며, 주로 해수에서 염화마그네슘 및 염화칼슘 형태로 존재한다. 염화마그네슘과 염화칼슘을 수산화나트륨과 반응시켜, 다음 단계에서 필요한 수산화마그네슘 및 수산화칼슘을 포함하는 반응물들을 얻을 수 있으며, 그로 인하여 본 발명에 따른 이산화탄소를 포획하는 원료 물질을 얻는 비용을 효율적으로 줄일 수 있게 되며, 지구에서 이용가능한 천연 자원들을 효율적으로 사용할 수 있게 된다.
상기 반응으로부터 수산화마그네슘 및 수산화칼슘을 얻은 후, 산업적으로 배출된 이산화탄소를 수산화마그네슘 및 수산화칼슘을 포함하는 수용액에 주입하여, 이들을 탄산마그네슘 및 탄산칼슘으로 전환시킨다; 상기 반응은 하기 화학 반응식을 갖는다:
Mg(OH)2 + CO2 -> MgCO3 + H2O
Ca(OH)2 + CO2 -> CaCO3 + H2O
상기 언급된 반응은 단지 이산화탄소를 포획할 뿐만 아니라, 이것을 탄산마그네슘 및 탄산칼슘으로 전환시킨다. 즉, 상기 방법은 산업적으로 생성된 폐기물(해수 담수화로 얻어지는 염수) 또는 부산물(염소 제조로부터 얻어지는 수산화나트륨)을 이산화탄소 포획에 이용할 수 있으며, 전체 화학 반응이 빠르게 이루어져(현재의 물리적 또는 생물학적 방법에 비하여), 방법의 전체의 비용을 효과적으로 줄인다.
본 발명에 따라, 이산화탄소를 포획하는 방법으로 얻어지는 최종 산물은: 탄산 칼슘(제강 및 고분자 물질의 제조 및 제지(papermaking) 뿐만 아니라 내화성 건축 자재 및 도료의 제조에 이용될 수 있음); 탄산마그네슘(바닥재(flooring), 내화성 및 소화성(fire-fighting) 제품, 화장품, 화장분 및 치약, 충진재로서, 연기 발생 억제용 플라스틱 제품에, 건조제(desiccant)로서 사용되는 네오프렌 고무에, 장 완화제로서, 그리고 식품 착색 보존제에 이용될 수 있음).
본 발명에 따른 실험이 하기 기술되어 있으며, 이는 본 발명의 범위를 제한하는데 사용되지 않으며; 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 당해 기술분야의 당업자에 의해 어떠한 합리적인 변형도 이루어질 수 있다.
실시예
:
실시예 1
(1) 수산화나트륨(NaOH)의 제조:
도 1에 도시된 바와 같이 포화 염 용액 또는 염수를 계속적으로 전해 탱크(electrolytic tank)에 넣어 전기 반응이 계속 일어나게 하고, 지속적으로 수산화나트륨(NaOH) 용액을 얻는다; 여기서 40 암페어(A)의 안정한 전류를 전해 탱크(10)에 설정해 놓았으며, 그의 전압을 1.5 볼트(V) 이상으로 설정해 놓았다. 또한, 이온교환막(16)을 전해 탱크(10)의 중심에 설치해 놓았으며, 염수를 입구(12)에 주입하여, 염수가 전해 탱크(10)를 통해 흐르도록 하였으며; 상기 전해 탱크(10)의 양극(anode, 17)은 2Cl- -> Cl2 + 2e-의 반응을 한다. 여기서 전기분해로 얻어지는 염소 가스는 양극에서 배출되는 반면에, 상기 전해 탱크(10)의 음극(cathode, 18)은 2H2O + 2e- -> 2OH- + H2의 반응을 하며, 여기서 전기분해 결과로 수소 가스가 음극에서 배출되었다. 게다가, 용액의 나트륨 이온들(Na+)와 수산화 이온들(OH-)이 계속적으로 결합하여 그 안에 수산화나트륨(NaOH( aq ))을 형성하고, 이후 출구(14)로 배출된다. 상기 전기 분해 반응을 24시간 계속하게 하면, 평균 58g의 수산화나트륨이 시간당 얻어질 수 있다.
(2) 수산화마그네슘 및 수산화칼슘의 제조, 및 이산화탄소의 포획:
도 2 에 도시한 바와 같이, 반응 탱크(20)는 해수를 그 안에 흘러 넣게 하는 해수 입구(22), 이전 단계에서 얻어진 수산화나트륨을 흘러 넣게 하는 수산화나트륨 입구(24); 및 그 안에 이산화탄소를 흘러 넣게 하여 해수, 수산화나트륨, 및 이산화탄소를 포함하는 반응물들이 반응 탱크(20)에서 반응하게 하는 이산화탄소 입구(26)를 포함한다. 반응 결과, 반응 탱크(20)의 바닥에 침전된, 탄산마그네슘/탄산칼슘의 침전물(29)이 생기며, 상기 반응을 한 해수는 반응 폐기물 출구(28)로부터 배출되며; 상기 반응은 다음 화학 반응식들로 나타낼 수 있다:
MgCl2 + 2NaOH -> Mg(OH)2 + 2NaCl
Mg(OH)2 + CO2 -> MgCO3 + H2O
CaCl2 + 2NaOH -> Ca(OH)2 + 2NaCl
Ca(OH)2 + CO2 -> CaCO3 + H2O
상기 언급된 반응들에서, 염화마그네슘은 수산화나트륨과 반응하여 수산화마그네슘을 형성하고, 상기 수산화마그네슘은 상기 탱크로 흘러 넣어진 이산화탄소와 더 반응하여 탄산마그네슘을 형성하여, 반응 탱크(20)의 바닥에 침전하고; 염화칼슘이 또한 수산화나트륨과 반응하여 수산화칼슘을 형성하고, 상기 수산화칼슘이 상기 탱크로 흘러 넣어진 이산화탄소와 더 반응하여 탄산칼슘을 형성하여, 상기 반응 탱크(20)의 바닥에 침전하였다.
상기 장치에서, 90g의 수산화나트륨을 첨가하고 1kg의 해수에 충분히 노출시킨 이산화탄소의 공급에 의해 평균 445.9g의 탄산마그네슘과 92.3g의 탄산칼슘이 얻어질 수 있었다. 이는 전환 후, 1kg의 해수에 90g의 수산화나트륨을 첨가하여, 평균 277g의 이산화탄소가 포획될 수 있음을 나타내었다.
(3) 이산화탄소 포획하는 방법의 예상 비용:
상기 전환율로 인해, 해수 1kg에 90g의 수산화나트륨을 첨가하여 평균 277g의 이산화탄소를 포획할 수 있으므로 이산화탄소 1 미터톤을 포획하는 비용은 하기 표 2에 표시한 것과 같다.
항목 | 비용 |
전기 장치 운전 재료 기타 |
약 USD$ 31.511 약 USD$ 5.351 약 USD$1.338 약 USD$ 23.438 약 USD$ 1.000 |
총액 | 약 USD$ 62.638 |
1 미터톤의 이산화탄소를 포획하기 위한 총 비용은 USD$ 62.638이 예상되며, 이는 지질학적 저장방법으로 이산화탄소를 1 미터톤 포획하는 비용 USD$50-100과 근접한 값이다. 그러나, 본 발명의 이산화탄소 포획방법은 다음 장점들을 가지고 있다: A. 이산화탄소 저장을 위하여 화학적 반응을 채택하여, 물리적 저장보다 더 빠름; B. 이산화탄소 저장을 위하여 화학적 반응을 채택하여 물리적 저장보다 더 안정적이고 안전함; C. 본 방법을 사용하는 저장은 환경에 덜 영향을 미침; D. 물리적 방법에서 요구되는 것과 같은 미래 모니터링 활동을 위한 추가 비용을 요구하지 않음; E. 재료 비용은 본 발명을 대규모로 했을 때 더 줄일 수 있음; F. 본 발명을 사용한 결과 추가적 가치있는 최종 산물을 얻음.
본 발명은 바람직한 실시예에 따라 기술되었으며, 당해 분야의 당업자는 상기 실시예가 본 발명의 설명을 위하여 사용될 뿐이며 본 발명의 범위를 제한하는 것이 아니라는 것을 인식하여야 한다. 상술한 실시예에 대하여 등가의 변화 및 치환은 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 수행될 수 있다. 그러므로, 본 발명의 범위는 단지 첨부된 청구범위로만 제한된다.
도 1은 본 발명에 따른 포화 염 용액(염수)의 전기분해를 나타내는 개략도이다.
도 2는 본 발명에 따른 수산화마그네슘 및 수산화칼슘의 제조, 이산화탄소의 포획을 나타내는 개략도이다.
Claims (4)
- 이산화탄소 포획방법에 있어서,(1) 하기 화학 반응식에 따라, 포화 염 용액을 전기 분해하여 수산화나트륨을 얻는 단계:2NaCl + 2H2O -> 2NaOH + Cl2 + H2;(2) 하기 화학 반응식에 따라, 해수 용액에 상기 수산화나트륨을 첨가하여, 해수의 염화마그네슘과 염화칼슘이 수산화마그네슘과 수산화칼슘으로 전환하도록 하는 단계:MgCl2 + 2NaOH -> Mg(OH)2 + 2NaClCaCl2 + 2NaOH -> Ca(OH)2 + 2NaCl; 및(3) 하기 화학 반응식에 따라, 이산화탄소를 수산화마그네슘과 수산화칼슘을 포함하는 상기 용액에 첨가하여 탄산마그네슘과 탄산칼슘으로 전환시키는 단계:Mg(OH)2 + CO2 -> MgCO3 + H2OCa(OH)2 + CO2 -> CaCO3 + H2O를 포함하는 이산화탄소 포획방법.
- 제1항에 있어서,상기 단계(1)에서 사용된 포화 염 용액이 고농도의 염을 포함하는 염수인 이산화탄소 포획방법.
- 제2항에 있어서,상기 염수가 해수 담수화로부터 얻어지는 폐기물인 이산화탄소 포획방법.
- 제1항에 있어서,상기 단계(1)의 수산화나트륨이 상기 포화 염 용액을 전기 분해하여 얻어지는 염소 가스의 부산물인 이산화탄소 포획방법.
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