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KR100898813B1 - 이산화탄소의 플라즈마 분해 장치 및 방법 - Google Patents

이산화탄소의 플라즈마 분해 장치 및 방법 Download PDF

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KR100898813B1
KR100898813B1 KR1020070102513A KR20070102513A KR100898813B1 KR 100898813 B1 KR100898813 B1 KR 100898813B1 KR 1020070102513 A KR1020070102513 A KR 1020070102513A KR 20070102513 A KR20070102513 A KR 20070102513A KR 100898813 B1 KR100898813 B1 KR 100898813B1
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carbon
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Abstract

본 발명의 이산화탄소 분해 장치 및 방법은 이산화탄소를 플라즈마 전기 분해하는 것으로서, 이산화탄소가 유입되는 유입구와, 이산화탄소가 분해되어 탄소와 산소가 배출되는 반응기; 반응기 내에 배치되고, 길이 방향으로 연장된 봉 형태를 가지는 복수의 양극; 반응기 내에 복수의 양극 사이에 배치되고, 길이 방향으로 연장된 봉 형태를 가지는 복수의 음극; 및 복수의 양극과 복수의 음극 사이의 전압을 유지시키는 전압 제어기로 이루어져 있다.
Figure R1020070102513
이산화탄소 분해, 탄소 나노튜브, 플라즈마 분해

Description

이산화탄소의 플라즈마 분해 장치 및 방법 {Plasma decomposition apparatus and method for carbon dioxide}
본 발명은 이산화탄소를 플라즈마 분해시키는 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 이산화탄소를 저온 플라즈마(non-thermal plasma) 상태에서 탄소와 산소로 분해하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
현재 대부분의 에너지는 탄소와 수소가 결합된 화석연료인 석유, 석탄, 천연가스 등을 태워 나오는 열로부터 얻는다. 화석연료는 연소과정에서 산소와 반응하여 이산화탄소를 배출하게 되고, 배출된 이산화탄소는 대기 중에 축적되어 지구온난화를 유발하고 있다.
이러한 이산화탄소는 매우 안정적인 물질로 분해되기 어려워 현재까지는 이산화탄소를 격리 저장하여 처리하는 방법이 제안되고 있다. 즉, 화력 발전소와 같이 대량으로 이산화탄소가 발생하는 곳에서 이산화탄소를 포집하여 내륙이나 해저의 깊은 지층에 매립하는 방법이 연구되고 있다.
그러나, 이러한 매립 방법은 근본적으로 이산화탄소량을 줄일 수 없고, 비용이 많이 든다는 단점이 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 이산화탄소를 플라즈마 상태에서 분해시켜 탄소와 산소로 분리시킬 수 있는 이산화탄소 플라즈마 분해 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 이산화탄소를 분해하여 탄소와 산소를 얻음으로써 각각 얻어진 탄소와 산소를 재활용할 수 있는 이산화탄소 플라즈마 분해 장치 및 방법을 제공하는 것이다. 이렇게 얻어진 탄소는 탄소 나노튜브의 원료로 사용할 수 있다.
이러한 목적 및 기타 목적을 이루기 위하여, 본 발명에 하나의 특징에 따르는 이산화탄소 분해 장치는 이산화탄소가 유입되는 유입구와, 이산화탄소가 분해되어 탄소와 산소가 배출되는 반응기; 반응기 내에 배치되고, 길이 방향으로 연장된 봉 형태를 가지는 복수의 양극; 반응기 내에 복수의 양극 사이에 배치되고, 길이 방향으로 연장된 봉 형태를 가지는 복수의 음극; 및 복수의 양극과 복수의 음극 사이의 전압을 유지시키는 전압 제어기로 이루어져 있다.
이때, 이산화탄소 저장장치가 반응기의 유입구와 연결되어, 이산화탄소를 저장하고 반응기에 제공할 수 있다.
또한, 이산화탄소 플라즈마 분해 장치는 바람직하게 반응기의 배출구와 연결되어, 배출되는 탄소와 기체를 분리하는 탄소 분리 장치를 구비하며, 탄소 분리 장 치는 사이클론 집진 방식으로 탄소를 분리한다. 이산화탄소 플라즈마 분해 장치는 배출되는 기체에서 산소와 이산화탄소를 분리하는 산소/이산화탄소 분리장치를 구비하며, 산소/이산화탄소 분리장치에서 배출되는 이산화탄소는 이산화탄소 저장 장치 또는 직접 반응기로 유입될 수 있다.
바람직하게, 반응기 내의 복수의 음극 및 복수의 양극은 이산화티타늄으로 이루어지며, 세라믹 튜브로 둘러싸여 있다. 또한, 길이 방향에서 보았을 때, 복수의 음극이 상기 복수의 양극을 둘러싸는 형태로 배치될 수 있다.
본 발명의 다른 특징에 따른 이산화 탄소 플라즈마 분해 방법은
양극 및 음극을 가지는 반응기 내로 이산화탄소를 유입하는 단계;
양극 및 음극에 전압이 유지되어 유입된 이산화탄소가 저온 플라즈마 상태로 되어 탄소와 산소로 분해되는 단계; 및
분해된 탄소와 산소를 배출하는 단계로 이루어진다. 이때, 분해되지 않은 이산화탄소도 산소와 같이 배출된다.
이산화탄소 유입 단계 전에는 이산화탄소를 정류하는 단계가 실행될 수 있으며, 탄소와 산소를 배출하는 단계 후에는 탄소와 기체를 분리하는 단계가 실행될 수 있다. 또한, 배출된 기체 중 이산화탄소를 분리하여, 분리된 이산화탄소를 다시 반응기로 유입시키는 단계가 실행될 수 있다.
본 발명의 이산화탄소 분해 장치에 의하면 이산화탄소를 저온 플라즈마 상태로 만들어 분해함으로써 이산화탄소를 분해할 수 있다. 따라서, 지구온난화의 주 범이라고 할 수 있는 이산화탄소를 근본적으로 감소시킬 수 있다.
또한, 분해된 탄소와 산소를 재활용할 수 있으며, 특히 순수한 이산화탄소를 분해시켜 얻어지는 탄소의 경우는 탄소 나노튜브의 재료로 이용될 수 있는 이점까지 있다.
이하에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명을 상세하게 설명한다. 도면에서 동일한 도면 부호는 동일한 요소를 가리킨다.
먼저, 도 1을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 이산화탄소 플라즈마 분해 장치를 설명한다. 본 발명의 이산화탄소 플라즈마 분해 장치는 이산화탄소 저장장치(100), 반응기(200), 탄소 분리장치(300) 및 이산화탄소/산소 분리장치(400)로 이루어진다.
이산화탄소 저장장치(100)에는 화력발전소 등에서 배출되는 이산화탄소가 수집되어 저장되어 있다. 이산화탄소 저장장치(100)에 저장되는 이산화탄소는 바람직하게는 고효율 멤브레인 등에 의하여 정제된 순수 이산화탄소가 저장되어 있다. 대안적으로, 후술하는 반응기(200)에 이산화탄소를 유입시키기 전에 이산화탄소를 정류시킬 수 있는 정류 장치를 별도로 형성할 수도 있다.
반응기(200)는 이산화탄소 분해를 시키는 반응조로서, 이산화탄소 저장장치(100)와 연결되어 이산화탄소가 유입되는 유입구(210)와, 분해된 탄소와 산소로 배출되는 배출구(240)가 형성되어 있다. 반응기(200) 내부에는 길이 방향으로 연 장된 복수의 양극(220)과 복수의 음극(230)이 배치되어 있고, 반응기 외부로 복수의 양극(220)과 복수의 음극(230)에 소정의 전압을 제공하는 전원(250)이 연결되어 있다.
각각의 양극(220)은 길이 방향으로 연장된 원통형의 양극 봉(221)을 절연체(222)가 둘러싸고 있다. 양극 봉(221)은 전도성 재질로 형성할 수 있으며, 바람직하게는 TiO2를 사용한다. 절연체(222)는 바람직하게 세라믹으로 형성한다.
각각의 음극(230)은 길이 방향으로 연장된 원통형의 음극 봉(231)을 절연체(232)가 둘러싸고 있다. 음극 봉(231)은 전기 전도성이 높은 재질인 구리, 은 백금, TiO2 등으로 형성할 수 있다.
특히, TiO2의 경우는 380 nm 이하의 전자기파와 작용하여 3 eV의 에너지를 가지는 자유전자를 발생시킨다. 3 eV의 자유 전자 에너지는 이산화탄소의 해리 에너지인 2.82 eV 이상이 되므로 음극 봉(231)으로 TiO2를 사용하는 것이 바람직하다.
절연체(322)는 세라믹, 석영, 파이렉스 등으로 형성할 수 있으며, 바람직하게는 세라믹을 사용한다.
복수의 양극(220) 및 음극(230)은 설계에 따라서 개수를 정할 수 있으며, 길이 방향에서 보았을 때, 복수의 음극(230)이 복수의 양극(220)을 둘러싸는 형태로 배치되어야 이산화탄소의 분해가 용이하게 된다. 이때, 음극의 수(230)는 양극(220)의 수보다 같거나 많은 것이 바람직하다. 도 2는 양극(220)과 음극(230)의 배치 형태를 예시하고 있다.
전원(250)은 양극(220)과 음극(230)에 연결되어, 직류의 가속 전압 V를 복수의 양극(220) 및 음극(230)에 제공한다. 전원(250)은 일반 교류 전원(예를 들어 220V)을 변환, 정류하여 이산화탄소에 분해에 필요한 가속 전압으로 직류의 고전압을 생성할 수 있다.
이산화탄소 저장 장치(100)에 저장된 이산화탄소가 유입구(320)를 통하여 반응기(200) 내부로 유입된다. 이때, 이산화탄소 저장 장치(100) 또는 반응기(200)에 별도의 유입 펌프를 설치하여 이산화탄소를 유입시거나 후술하는 흡입장치(310)에 의하여 이산화탄소가 반응기로 흡입되도록 할 수도 있다. 반응기(200) 내부에는 유입된 이산화탄소는 양극(220)과 음극(230)에 걸린 가속 전압에 의하여 저온 플라즈마(non-thermal plasma) 상태로 되고, 음극(230)에서 발생한 전자에 의하여 탄소와 산소로 분해된다.
이때, 음극(230)에서 발생한 전자의 에너지 E는 0.5~4 KeV 범위인 것이 바람직하고, 특히 0.5~1 KeV 범위인 것이 더욱 바람직하다.
이러한 범위의 전자 에너지를 위하여 양극(220) 및 음극(230) 사이에 걸린 가속 전압 Vacc의 범위는 다음과 얻을 수 있다.
전자의 에너지 E가 0.5 KeV일 때, 전자의 운동량을 계산하면 다음과 같다.
전자의 에너지 E = 0.5 KeV = 8.01 ×10-17J
전자의 운동량 p = √(2 m E) = 1.207 ×10-23 kg m/sec
(여기서 m은 전자의 질량)
e Vacc = h ν 이므로 Vacc는 다음과 같이 정리된다.
Vacc = c × p / e
(여기서 e는 전자의 전하량, h는 플랑크 상수, c는 빛의 속도임.)
위에서 구한 전자의 운동량을 대입하여 가속전압 Vacc를 계산하면 다음과 같다.
Vacc = 22.6 kV
전자의 에너지 E가 4.0 KeV일 때, 마찬가지 방법으로 계산하면, 양극(220)과 음극(230) 사이에 인가되는 가속 전압 V의 전압 값은 63.6kV이다.
따라서, 양극(220)과 음극(230) 사이에 인가되는 가속 전압은 22.5~63.6 kV가 바람직하며, 특히 25~50 kV가 더욱 바람직하다.
즉, 양극(220)과 음극(230) 사이의 가속 전압이 22.5~63.6 kV 정도의 고전압으로 유지되므로 이산화탄소의 해리 에너지인 2.82eV 이상의 에너지를 가진 전자가 방출되어 이산화탄소를 탄소와 산소로 분해하게 된다.
반응기(200)의 배출구(240)는 탄소분리 장치(300)로 연결된다. 탄소분리 장치(300)는 흡입장치(310)와 사이클론 집진 장치(320)로 이루어져 있다. 흡입장치(310)는 반응기(200) 내에서 분해된 탄소와 산소 및 미처 분해되지 않은 이산화탄소를 흡입하여 반응기(200)의 배출구(240)로 배출시킨다. 본 실시예에서 흡입장치(310)가 탄소분리 장치(300)에 설치된 것으로 되어 있으나, 설계에 따라서 후술하는 이산화탄소/산소 분리장치(400)에 설치되거나 이산화탄소/산소 분리장치의 후 단에 설치되는 되는 것도 가능하다.
배출구(240)로 배출된 탄소, 산소 및 미처 분해되지 않은 이산화탄소는 사이클론 집진 장치(320)로 들어가게 되고, 사이클론 집진 장치(320)에서 고체인 탄소와 기체인 산소 및 이산화탄소로 분리된다. 사이클론 집진 장치(320)는 공지된 사이클론 집진 방법에 의하여 기체에서 고체 탄소를 분리시킬 수 있다.
사이클론 집진 장치(320)에서 분리된 탄소는 탄소 저장부(330)로 배출되어 저장되고, 탄소 저장부(310)에 저장되는 탄소는 순수한 이산화탄소에서 분해된 것이므로 역시 순수한 탄소이다. 이러한 탄소는 탄소 나노튜브의 재료로 이용될 수 있다.
사이클론 집진 장치(320)에서 배출되는 산소와 이산화탄소는 이산화탄소/산소 분리장치(400)로 들어가 이산화탄소와 산소로 분리된다, 이산화탄소/산소 분리장치(400)는 바람직하게는 압력진동 흡착(Pressure Swing Adsorption: PSA) 방법에 의하여 이산화탄소와 산소를 분리시킬 수 있다.
이산화탄소/산소 분리장치(400)에서 배출되는 산소는 도시되지 않은 산소 저장부에 저장되어 이용되거나 그대로 대기 중에 배출시킬 수 있다. 이산화탄소/산소 분리장치(400)에서 배출되는 이산화탄소는 다시 이산화탄소 저장부(100)에 저장되어 다시 분해 과정을 거치게 된다. 대안적으로, 이산화탄소/산소 분리장치(400)에서 배출되는 이산화탄소는 다시 반응기(200)에 직접 유입되어 분해 과정을 거칠 수도 있다.
따라서, 본 발명의 이산화탄소 분해 장치를 통과하는 이산화탄소는 탄소와 산소로 완전하게 분해된다.
이상에서 본원 발명의 기술적 특징을 특정한 실시예를 중심으로 설명하였으나, 본원 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 사람이라면 본 발명에 따른 기술적 사상의 범위 내에서도 여러 가지 변형 및 수정을 가할 수 있음은 명백하다.
도 1은 본 발명의 이산화탄소의 플라즈마 분해장치를 개략적으로 도시한 도면이고,
도 2는 반응기 내부의 단면을 예시하는 도면이다.

Claims (18)

  1. 이산화탄소를 플라즈마 분해하는 장치로서,
    이산화탄소가 유입되는 유입구와, 이산화탄소가 분해되어 탄소와 산소가 배출되는 배출구를 포함하는 반응기;
    상기 반응기 내에 배치되고, 길이 방향으로 연장된 봉 형태를 가지는 복수의 양극;
    상기 반응기 내에 상기 복수의 양극 사이에 배치되고, 길이 방향으로 연장된 봉 형태를 가지는 복수의 음극; 및
    상기 복수의 양극과 복수의 음극 사이의 전압을 인가하는 전원
    을 포함하는 이산화탄소 플라즈마 분해 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 반응기의 유입구와 연결되어, 이산화탄소를 저장하고 반응기에 제공하는 이산화탄소 저장장치
    를 더 포함하는 이산화탄소 플라즈마 분해 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 이산화탄소 저장장치에 저장된 이산화탄소는 정류된 것임을 특징으로 하는 이산화탄소 플라즈마 분해 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 반응기의 배출구와 연결되어, 배출되는 탄소와 기체를 분리하는 탄소 분리 장치
    를 더 포함하는 이산화탄소 플라즈마 분해 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 탄소 분리 장치에서 분리된 탄소는 탄소 나노튜브의 재료가 되는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 플라즈마 분해 장치.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 탄소 분리 장치는 사이클론 집진 방식으로 탄소를 분리하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 플라즈마 분해 장치.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 탄소 분리 장치에 연결되어, 배출되는 산소와 이산화탄소를 분리하는 산소/이산화탄소 분리장치
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 플라즈마 분해 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 산소/이산화탄소 분리장치에서 배출되는 이산화탄소는 다시 반응기로 유입되는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 플라즈마 분해 장치.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 산소/이산화탄소 분리장치는 압력진동 흡착(Pressure Swing Adsorption: PSA) 방법에 의하여 산소와 이산화탄소를 분리하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 플라즈마 분해 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 음극 및 복수의 양극은 각각
    전도성 재질로 이루어지는 원통형의 봉; 및
    상기 원통형의 봉을 둘러싸는 절연체
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 플라즈마 분해 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 전도성 재질의 봉은 이산화티타늄이고,
    상기 절연체는 세라믹인 것을 특징으로 하는 이산화탄소 플라즈마 분해 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 길이 방향에서 보았을 때, 상기 복수의 음극이 상기 복수의 양극을 둘러싸는 형태로 배치되는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 플라즈마 분해 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 복수의 음극의 수가 상기 복수의 양극의 수보다 같거나 많은 것을 특징으로 하는 이산화 탄소 분해 장치.
  14. 이산화탄소를 플라즈마 분해하는 방법으로서,
    양극 및 음극을 가지는 반응기 내로 이산화탄소를 유입하는 단계;
    상기 양극 및 음극에 전압이 유지되어 유입된 이산화탄소를 저온 플라즈마 상태로 만들어 탄소와 산소로 분해시키는 단계; 및
    상기 분해된 탄소 및 산소와 분해되지 않은 이산화탄소를 배출하는 단계
    를 포함하는 이산화탄소 플라즈마 분해 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 이산화탄소 유입 단계 전에
    이산화탄소를 정류하는 단계
    를 더 포함하는 이산화탄소 플라즈마 분해 방법.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 배출 단계 후에, 탄소를 분리하는 단계
    를 더 포함하는 이산화탄소 플라즈마 분해 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 분리된 탄소는 탄소 나노튜브의 재료가 되는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 플라즈마 분해 장치.
  18. 제14항에 있어서,
    상기 배출 단계 후에, 이산화탄소를 분리하는 단계;
    상기 분리된 이산화탄소를 다시 반응기로 유입시키는 단계
    를 더 포함하는 이산화탄소 플라즈마 분해 장치.
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