KR20080082597A

KR20080082597A - 공기로부터 이산화탄소의 제거

Info

Publication number: KR20080082597A
Application number: KR20087004729A
Authority: KR
Inventors: 알렌 비 라이트; 클라우스 에스 랙크너; 버톤 라이트; 마트 왈렌; 우수라 진스터; 에디 제이 피터스
Original assignee: 글로벌 리서치 테크놀로지스, 엘엘씨
Priority date: 2005-07-28
Filing date: 2006-07-28
Publication date: 2008-09-11
Also published as: WO2007016271A3; EP1912724A2; AU2006275799B2; US20110293503A1; US20090294366A1; AU2006275799A2; WO2007016271A9; US8088197B2; MX2008001054A; AU2006275799A1; EP2409753B1; JP2009502483A; EP2409753A1; ES2638792T3; US20110185897A1; CA2616701C; AU2006275799A8; CA2616701A1; WO2007016271A2; AU2006275799B8

Abstract

본 발명은 공기로부터 CO₂를 제거하는 방법에 관한 것으로서, 이 방법은 흡착제로 피복된 표면을 공기에 노출시키는 것을 포함한다. 본 발명은 또한 공기를 CO₂ 흡착제에 노출시키는 장치도 제공한다. 다른 면에서, 본 발명은 흡착제에 결합된 이산화탄소(CO₂)를 분리하는 방법 및 장치를 제공한다.

공기, 이산화탄소, 흡착제, 포착, 해수, 염수, 양이온성 막, 음이온성 막, 양극성 막

Description

공기로부터 이산화탄소의 제거{REMOVAL OF CARBON DIOXIDE FROM AIR}

본 발명은 공기로부터의 선택된 기체의 제거에 관한 것이다. 본 발명은 공기로부터 이산화탄소(CO₂)를 추출하는 특별한 유용성을 갖는데, 그 외의 유용성들도 생각할 수 있지만, 이 유용성과 관련하여 설명할 것이다.

주위 공기로부터 이산화탄소(CO₂)를 추출하면 탄소계 연료를 사용할 수 있게 되며 사후에 관련된 온실효과가스의 배출을 처리할 수 있게 된다. CO₂는 백만 분의 일의 양으로 독성도 없고 유해하지도 않지만 단지 대기에 축적되는 것으로 환경문제를 일으키므로, 다른 장소에서 각각 다른 시간에 방출을 보상하기 위해서는 CO₂를 제거하는 것이 바람직하다. 공기포착의 전체적인 기본구상은 잘 알려져 있다.

석탄으로부터 발전소의 전기발전 등의 다양한 산업상 응용과 주로 엔진 등의 연소장치에서 연소되는 연료의 주성분인 탄화수소의 사용에서 CO₂가 생성된다. 이런 연소장치에서 배출되는 배출가스는 CO₂ 가스를 함유하는데, 이 가스는 현재 단순히 대기로 방출된다. 그러나, 온실효과가스가 탈것과 관련되므로, 모든 방출원으 로부터의 CO₂의 방출량을 저감해야 할 것이다. 자동차 원인에 대한 최선의 선택은 자동차나 항공기의 이동성 연소장치로부터가 아니라 공기로부터 직접 CO₂를 수집하는 것일 것이다. 공기로부터 CO₂를 제거하는데 대한 이점은 이동성 장치에 CO₂를 저장할 필요가 없어진다는 것이다.

공기로부터 CO₂를 제거하기 위해 다양한 방법 및 장치가 개발되었다. 이들 중의 하나에서는 라싱 링(Rasching ring)으로 불리는 것으로 채워진 탱크내의 알칼리성 용액이나 흡착제로 공기를 세정한다. 소량의 CO₂를 제거하기 위해서 흡수제도 사용하였다. 이들 방법들은 CO₂를 제거하는데 효과적이지만 공기로부터 이산화탄소를 효과적으로 제거하기 위해서는 세정공정 중에 비교적 높은 압력손실이 발생하기 때문에 공기를 아주 높은 압력에서 흡착제로 구동해야 한다는 심각한 불리점들을 갖는다. 또한 압력을 증가시키기 위해서는 일부 자연물질계를 압축시키는 수단이 요구되는데 이들 수단은 특정 량의 에너지를 전부 소비한다. 공기를 압축하는데 사용되는 이 부가의 에너지는 이 과정의 전체 이산화탄소 평형에 관하여 특히 불리한 효과를 가질 수 있는데, 이는 공기압을 증대시키는데 필요한 에너지가 자체 CO₂를 생성하고 이 CO₂는 포착하여 처분하여야 하기 때문이다.

따라서, 종래 기술의 방법들은 결국 공기로부터 CO₂를 충분하지 못하게 포착하게 되는데, 이들 공정들은 공기를 가열 또는 냉각시키거나 또는 공기압을 상당량 변화시키기 때문인데, 즉 이 세정공정은 그 공정을 가동하는데 사용된 전기의 발전의 부산물로서 CO₂를 대기로 방출하기 때문에 그 CO₂의 순수 감소량은 무시할 수 있다.

또한, 공기로부터 CO₂를 분리하기 위한 세정기(scrubber) 설계가 이미 존재하지만, 일반적으로 이들은 통상적으로 다른 기체로부터 불순물 전부를 제거하기 위한 목적을 갖는 충전층(packed bed)형 장치에 한정된다. 이런 장치의 하나가 미합중국 특허 제 4,047,894호에 설명되어 있는데, 이는 하우징 내에 서로 이격되어 조립된 폴리염화비닐(PVC) 또는 탄소발포체로 만들어진 다공성 소결판을 포함하는 흡수요소를 구비한다. 이 소결판을 하우징에 조립하기 전에 다공성 소결판에 수산화칼륨을 함침시킨다. 이런 장치는 공기로부터 CO₂를 분리시키는데 사용된 흡착제를 장치하우징의 해체 없이는 보충할 수 없다는 결점을 갖는다.

공기로부터 CO₂를 수집하는 공정은 통상 공기로부터 CO₂를 물리적 또는 화학적으로 결합시키는 용매에 의존한다. 한 종류의 실제적인 CO₂용매는 예를 들어 수산화나트륨 및 수산화칼륨 등의 강알칼리성 수산화물 용액을 포함한다. 수산화물 용액이 0.1몰농도를 초과하면 공기로부터 CO₂를 쉽게 제거할 수 있는데, 이 경우 예를 들어 탄산염으로서 결합된다. 높은 수산화물 농도가 바람직하며, 효율적인 공기 접촉기는 1몰 초과의 수산화물 용액을 사용할 것이다. 수산화나트륨이 특히 편리한 선택이지만, 유기 아민 등의 다른 용매도 사용할 수 있다. 흡착제의 또 다른 선택물은 탄산나트륨 또는 탄살칼륨 염수 등의 약알칼리성 염수를 포함한다.

또한 PCT 공개출원 제 PCT./US2005/015453호 및 제 PCT/US2005/015454호를 참조하라.

종래 기술의 상기 고찰은 본 발명자의 이전의 공개 PCT출원 제 PCT/US05/29979호에서 주로 유래하는 것으로서, 이 출원에는 공기로부터 이산화탄소를 제거하는 시스템이 제안되어 있는데, 이 시스템은 용매로 덮여진 표면을 층류 또는 층류 영역과 가깝게 유지되는 기류에 노출시키는 것을 포함한다. 이산화탄소 기체는 용매에 흡수되어 공기로부터 제거된다. 바람직한 실시예에서, 용매는 강수산화물 용액 등의 알칼리성 흡착용액을 포함한다. 또한, 본 발명자의 이전의 PCT 공개출원 제 PCT/US06/03646호를 참조하라. 이 출원에서는 액체흡착제를 담지하는 개방셀형 발포체를 포함하는 공기/액체 교환기를 설명한다.

본 발명은 전술한 바와 같은 종래 기술의 개량점을 제공한다. 보다 구체적으로 본 발명은 공기로부터 이산화탄소나 그 외의 대상기체를 제거하는 몇 가지 방법 및 시스템을 제공한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, CO₂를 포착 또는 흡수하기 위한 이온교환체가 제공된다. 일 면에 따르면, 본 발명은 주 CO₂포착 매트릭스로서 고형 음이온교환막을 이용한다. 이 이온교환재는 이온교환재로 형성되거나 피복된 고형 매트릭스를 포함할 수 있다. 다른 방법으로서, 이 이온교환재는 이온교환재로 피복된 셀룰로스계 매트릭스를 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 실시예는 공기로부터 이산화탄소를 흡수하여 중탄산나트륨 또는 중탄산칼륨을 형성하도록 탄산나트륨 또는 탄산칼륨 용액, 또는 그 외의 약한 이산화탄소 흡착제를 사용하는 습윤형 발포체 공기교환기를 이용한다. 그 결과의 중탄산나트륨 또는 중탄산칼륨을 처리하여 탄산염 흡착제를 리프레시할 수 있는데, 이는 흡착제를 재생이용하는 동안 회수하여 처분할 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에서는, 이산화탄소를 이온교환체를 사용하여 공기로부터 제거하는데, 이 이온교환체는 액체아민용액을 사용하여 재생된 후에 이 아민용액을 전기투석 셀 속에 넣어서 회수된다.

본 발명의 또 다른 면에 따르면, 이산화탄소를 해수의 알칼리도를 변경시켜서 공기로부터 제거하는데 이는 결국 대기로부터 해수로의 이산화탄소의 유입량을 증가시킨다.

본 발명의 또 다른 특징 및 이점들은 첨부도면을 참조하는 이후의 상세한 설명으로 이해할 수 있을 것인데, 이 도면에서 동일부호는 동일 부분을 나타낸다.

도 1(a)는 부분단면 측면도, 도 1(b)는 본 발명의 다른 실시예에 따라서 제조된 공기세정기의 또 다른 형태의 사시도.

도 2(a)-도 2(c), 도 3(a)-도 3(b) 및 도 4(a)-도 4(c)는 본 발명의 또 다른 실시예에 따라서 제조된 공기세정부의 경우에 따른 사시도 및 측면도.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 공기로부터 CO₂를 제거하기 위한 공정을 예시하는 블록도.

도 6-도 8은 시간에 대한 CO₂포착을 도식적으로 예시한다.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 공정흐름도.

도 10은 본 발명의 다른 면에 따른 공기로부터 CO₂ 제거를 위한 일체형 시스템을 보여주는 계략흐름도.

도 11-도 14는 본 발명의 다른 면에 따른 해수처리용 셀의 개략도.

본 발명은 일반적으로 특히 공기로부터 이산화탄소(CO₂)를 추출, 저감, 포착, 처분, 격리 또는 저장하는 것에 관한 것으로서, 주위환경으로부터 CO₂를 저감 또는 제거하기 위한 새로운 공정 및 장치를 수반한다. CO₂의 추출 및 격리가 모두 본 발명에 포함된다. 본 발명자의 미합중국 특허출원 제 60/603,811호에서 본 발명자는 흡착제로 피복된 표면과 공기를 접촉시키는 전략의 개요를 설명하였다. 본 발명자는 CO₂를 흡수하는 수산화물 또는 탄산염 용액 특유의 느린 반응속도로 인해 수집구조에 인가하는 압력강하에서 일정 에너지투자에 대한 CO₂의 취입을 최대로 하기 위해 층류용 직선형 채널을 제공하여야 한다. 액체측 반응속도가 향상될 수 있다면, 보다 복잡한 채널로 공기측 제한을 줄이겠지만, 낮은 반응속도에서는 매끈한 표면을 갖는 직선채널이 가장 효과적인 듯하다.

본 발명은 그 일면에 따라서 약한 흡수제에 의해 낮은 취입속도에서도 효과적으로 진행할 수 있는, 기류로부터 이산화탄소를 흡수하기 위한 접근수단을 제공한다. 내부의 발포체 표면을 완전히 또는 부분적으로 약한 흡착제로 피복하는 방식으로, 직선채널이 통과하는 발포체를 적심으로써, 느린 기류에 노출되는 대면적의 흡착제 표면을 만들 수 있다. 채널 및 대용적 발포체를 통과하는 기류를 조정하여 다수층의 발포체에 인가된 압력강하에 대하여 묽은 이산화탄소의 취입을 최적화할 수 있게 된다. 저농도의 기체혼합물을 기류측으로 추출하기 위해 본 기술은 빠른 흡수속도를 갖는 강한 흡착제의 필요성을 없게 한다. 그 결과 수산화나트륨 같은 강한 흡착제에 의존하기보다는 공기로부터 CO를 포착하기 위한 탄산나트륨 같은 약한 흡착제의 이점을 취할 수 있다. 약한 흡착제에 대한 이산화탄소의 결합에너지가 낮으면 이후의 흡착제 회수단계를 크게 단순화시킨다. 이 공개내용은 수반되는 원리들을 설명하며 축축한 발포체 표면을 형성하고 그 발포체로부터 CO 담지 흡착제를 추출하는 방법 및 장치의 개요를 설명한다. 이들 방법은 적용 가능한 어떤 흡착제 회수방법과도 함께 사용할 수 있다. 이들은 공기로부터 이산화탄소를 포착하는데 한정되지 않고 어떤 기류로부터라도 미량 기체혼합물을 포착하는 것까지 쉽게 확장될 수 있다. 이후에 설명하는 바와 같이, 이 장치의 상세는 미량기체의 농도, 흡착 또는 흡착반응의 속도 및 수반된 유속에 따라서 다를 것이다. 또한 본 공정의 목적이 기체를 소제하기 위해 혼합물로부터 모든 미량기체를 포착하는 것인지 또는 그 목적이 운반기체로부터 거의 모든 미량을 제거하려하지 않고 혼합물로부터 가치 있는 미량 기체류를 수집하는 것인지가 중요하다.

공기로부터 이산화탄소를 수집함에 있어서, 두 개의 이송단계가 경우에 따라서 속도한계를 설정할 수 있다. 그 첫 번째는 이산화탄소를 흡착제 속에 취입하는 것이고, 두 번째는 이산화탄소를 공기측 경계층을 통해 흡착제의 표면으로 운반하는 것이다. 첫 번째 경우에 포착시스템은 흡착제측이 제한되고 두 번째 경우에는 공기측이 제한된다. 이전의 PCT공개출원 제 PCT/US06/03646호에서, 본 발명자는 묽은 기류로부터 CO₂포착장치를 최적화하기 위한 접근방법을 설명하였다. 여기서 본 발명자는 아주 다른 원리의 이점을 갖는 다른 접근방법을 설명한다. 이 두 가지 접근 방법은 기류로부터 일정 비율의 CO₂를 제거하기 위해 세정장치에 인가해야할 압력강하를 최소화하는 것을 목적으로 한다. 공기중의 CO₂가 매우 희박하기 때문에, 공기를 공기세정시스템을 통해 가압하기 위한 에너지 손해를 최소화하는 것이 중요하다. 이상적으로는 압력강하가 작아서 자연풍 흐름이 충분하게 부분적으로 정체되어 공기와 흡착제 재료 사이를 접촉시키기 위한 에너지를 제공할 수 있게 된다.

전술한 이전의 발명은 CO₂ 운반이 적어도 부분적으로 공기측에서 제한되게 함으로써 일정 유속에 대한 압력강하를 최소화하는 방법을 제공한다. 알칼리성 용액 같은 약한 흡착제의 경우에 이 발명은 공기측 질량운반계수와 흡착제측 이송계수를 대략 균등하게 할 수 있을 만큼 충분히 두꺼운 경계층을 발생하는 층류를 제안한다. 본 발명은 대조적으로 기류를 급속이동류와 완속이동류로 분해하고 천천히 흐르는 이동류 속에 세정기를 삽입하는 것과 관련된다.

특별한 설계로서 본 발명자는 가장 근접하는 이웃 흡수표면 사이의 거리가 허용 경계층 두께에 비하여 작은 필터장치를 고려한다. 이 경우 표면상의 CO₂ 농도는 그리 많이 감소하지 않으며 따라서 이 시스템은 흡착제측이 제한된 것으로 생각할 수 있다. 이런 시스템에서 운동량의 분별 손실은 이산화탄소의 분별 손실에 비하여 크다. 기류의 속도를 낮춤에 따라서 이 시스템은 흡착제측이 제한된 상태로 유지되고 운동량의 분별 손실은 높게 유지하지만, 가용 운동량은 급속하게 하강한다. 따라서 주어진 두께의 필터시스템에 대한 운동량의 총손실이 감소한다. 압력강하는 더욱 감소될 수 있는데, 이는 필터 내에 공기가 오랜 시간 체류하게 되면 공기의 CO₂함유량이 크게 감소하게 될 것이기 때문이다. CO₂ 분별추출을 일정하게 지속한다면 필터를 보다 얇게 만들 수 있으며 따라서 소요 압력강하가 더욱 감소된다.

그러나, 수집체를 통한 총 유량이 일정하게 유지된다면 다른 기류의 가속에 따라서 필터내의 흐름 감속이 수반되어야 한다. 이는 기류를 두 개의 기류로 분해함으로써 달성할 수 있다. 두 기류는 동시에 필터를 통과한다. 이 시스템은 필터의 두께 및 공기의 유속에 의해 결정되는 압력강하를 받게 된다. 패널 B)에서 흐름방식이 재편성되므로 한 기류가 먼저 확장되는 한편 다른 기류는 집중하게 된다. 그 결과, 넓은 부분에서의 공기는 감속되는 한편 좁은 부분에서의 공기는 가속된다. 최대 단면적 지점에서 필터는 완류(slow flow)에 설치된다. 이 지점의 하류측에서 상기 확장된 기류는 다시 집중하게 되며 다른 기류는 첫 번째 기류가 높은 상류속을 가진 동일 확장 단면적으로 퍼진다. 이 지점에서 제 2 기류 내의 공기의 CO₂의 전부 또는 일부가 세정된다. 두 개의 기류가 초기 단면적으로 재조정되는 곳에 최종부분이 오게 된다. 동일한 필터를 약속하기 위해 이 새로운 설계의 필터는 상당히 얇아질 수 있다. 이 시스템이 흡착제측이 제한된다면 필터의 체적은 변할 필요가 없지만, 단면적이 증가되기 때문에 필터의 두께가 따라서 감소할 수 있다. 압력강하가 감소하게 되는데 왜냐하면 유속이 낮고 필터의 저항이 감소하기 때문이다.

상기 예는 기본적인 물리적 원리를 설명한 역할을 한다. 이하에서 본 발명자는 필터재 같은 단순한 발포체 블록으로 이런 거동을 근사하는 특정 방법의 개요를 설명한다. 발포체 블록은 많은 이점들을 갖는다. 즉 이들 블록은 임의의 형태로 형성될 수 있으며, 약간의 액체를 담고 있을 수 있고 쉽게 젖게 되며, 개방셀형 발포체는 큰 내부표면적을 부여하는데 이 내부표면적은 발포체를 통해 흐르는 공기로부터 CO₂를 흡수하는데 사용될 수 있다.

NaOH 또는 Na₂CO₃ 같은 액체 흡착제로 적셔진 큰 발포체 블록은 공기로부터 CO₂를 흡수할 것이다. 통상의 기공 사이즈가 약 1mm이고 비표면적이 약 4000m^-1이라고 가정한다면, 흡착제 표면에 대한 통상의 취입속도가 약 2μmol m^-2s^-1이면 1m³의 발포체블록에 대하여 취입능력이 8mmol s^-1이 될 것이다. 만일 기류로부터 5mmol/m³를 추출하려고 한다면, 3m/sec의 유속에서 장치의 두께는 약 2m가 될 것이다. 그러나 고형의 발포체 블록의 압력강하가 이런 높은 유속을 유지하기에는 너무 클 것이다. 그러나 공기의 90%가 발포체층을 우회하게 하는 채널을 발포체를 통해 개방하고 공기를 다시 혼합시켜서 다른 층으로 90%가 우회한다면 발포체 내에서의 유효 유속은 10배 작고, 압력강하가 흔히 한 계수만큼 감소되며, 취입속도는 공기가 얇은 박편부를 통해 흐르는 속도에 의해서 제한되지 않고 이들 발포체 박편부 내부표면이 CO₂를 흡수할 수 있는 속도에 의해 제한되므로 사실상 변화가 없다.

발포체층에 작은 직선형 채널을 관통 형성함으로써, 발포체를 통해 통로를 개방하여 발포체를 통과하지 않는 통로에 공기의 대부분을 허용할 것이다. 이 구멍의 총 단면적을 조정하고 구멍의 직경을 조정함으로써, 압력강하와 유속 사이의 관계와, 실제로 이 구멍들을 통과하는 흐름의 비율을 제어할 수 있다.

일정한 유속에서 구멍의 직경이 작으면 압력강하가 높아지거나 또는 다른 방식으로 일정한 압력에서는 유속이 높아질 것이다. 실제의 시스템은 두 가지 한계 사이에서 동작하는데, 여기서 구멍의 직경 및 구멍의 개수를 조정하면 흐름에 대한 전체 저항이 변하게 되어 압력강하 및 유속이 변하게 될 것이다.

구멍의 개수를 증가시키면 유속이 증가할 것이며, 따라서 발포체 블록에 인가되는 압력강하를 감소시킨다. 결국 발포체 블록을 통한 압력강하로 인해 발포체의 대부분을 통과하는 유속이 제어된다. 따라서 발포체 블록을 통한 압력강하와 독립적으로 바이패스 유량의 크기를 제어하기 때문에 특정 장치를 최적화하는 방법 으로 이 시스템의 변수를 조정할 수 있다. 마지막으로, 이들 개념의 한가지 종합: 이들 개념은 공기로부터 CO₂를 추출하는 것에 한정되지 않고 어떤 기체류에서 어떤 미량기체를 추출하는데에도 쉽게 범용될 수 있다. 마지막으로, 상기 설명의 대부분에서 흡수제는 발포체에 의해 흡수되는 액체라고 가정하였지만, 시스템을 통과하면서 CO₂를 흡수할 수 있는 섬유 매트나 그 외의 구조를 포함한 고형물 같은 발포체도 물론 고려할 수 있다.

쉽게 액체를 보유하고 따라서 액체로 완전히 채워지는 기공을 갖는 강친수성 페놀수지 발포체인 AQUAFOAM^R로 실시한 실험과는 대조적으로, 폴리우레탄 발포체는 본질적으로 침지 시점에 보유하였던 액체체적의 80-90%가 제거되었다. 페놀수지 발포체(AQUAFOAM^R)에 대한 상기 실험과는 대조적으로, 폴리우레탄 발포체를 이용한 실험에서는 취입기간이 수 일이나 수 주에서 수 십분으로 크게 줄었다. 그 대신에 취입속도는 0.5몰 탄산나트륨 용액 같은 약흡착제에 대하여 크게 향상되었다. 두 실험 사이의 중요한 차이는 전자의 실험에서는 발포체가 유체로 채워지는 반면에 후자의 실험에서는 발포체 체적의 대부분이 기체로 채워진다는 것이다. 기공 공간을 액체로 채우는 실험 중에 폴리우레탄 발포체 블록을 간헐적으로 적시면 발포체에 담긴 액면이 적절히 감소된 후에만 회수한 CO₂취입량이 즉시 감소하게 된다.

탄산염 용액의 CO₂ 취입은 크게 향상되는 반면 수분증발 속도는 본질적으로 변하지 않는다. 수분증발은 흡착제측이 제한되지 않으며 따라서 발포체 블록을 통 해 이동하는 기류는 즉시 물로 포화되고 따라서 추가의 물의 흡수를 정지한다. 그러나 대부분의 설계에서는 이런 효과를 이용할 수 없을 것인데, 이는 CO₂ 취입을 최대화하는 시스템은 공기 전부와 접촉하여 그 공기 전부가 수증기로 포화될 것이기 때문이다.

친수성 표면 대 소수성 표면 대 혼합 표면의 역할은 현시점에서는 완전히 이해할 수 없다. 각각은 이점과 결점을 갖는다. 소수성은 발포체 속에 담긴 액체의 양과 이 액체를 균일하게 도포할 수 있는 용이성을 제어한다. 따라서, 통상의 기공크기보다 약간 큰 친수성 페놀수지 발포체는 뛰어난 습윤성과 적절한 낮은 수분보유 정도를 조합할 수 있다. 가장 일반적으로 시판되는 페놀수지 발포체는 물을 보유하도록 설계되며, 따라서 이런 용도에는 적합하지 않다.

다양한 발포체를 시장에서 구입하여 사용할 수 있다. 이들은 상당히 큰 압축을 받으면 파쇄되거나 기계적으로 파괴되는 경질 발포체와, "압착"될 수 있는 연질 탄성발포체를 포함한다. 경질 발포체는 유체로 씻을 수 있을 뿐이다. 포화상태를 적절한 정도로 유지하기 위해서는 이런 발포체가 배수하게 하는 것이 필요하다. 한편 공기 같은 기체를 가압상태에서 발포체 매트릭스 속으로 밀어 넣어서 액체를 발포체로부터 밀어낼 수 있다.

흐름방식, 배수 및 건조속도가 균일하지 못하면 이들 발포체를 사용하는 것이 매우 어렵게 될 수 있다. 연질 탄성 발포체의 경우는 발포체 매트릭스를 압축시킴으로써 액체를 발포체로부터 유출입시킬 수 있다. 경질 발포체의 경우는 발포 체를 회전시키면 발포체의 체적 전체에 걸쳐 유체를 균일하게 분배시키는데 도움이 될 것이다.

따라서 제 1 실시예의 제 2 면은 발포체 구조물의 손상 없이 압축될 수 있는 발포체 뿐만 아니라 연질 탄성 발포체 구조물로부터 액체를 적용 및 추출하는 것에 관계된다.

발포체를 적시는 가장 간단한 접근 방법은 그 상면에 액체를 적용하고 그 액체가 중력에 의해 배수되게 하는 것일 것이다. 특히 이런 접근방법으로는 쉽게 배수되는 큰 셀의 발포체 또는 망상 발포체가 적합하다. 발포체를 적시는 것을 유체의 흐름 및 중력에 의한 배수로 달성한다면, 발포체를 서서히 회전시키면 발포체 내부에 유체를 유체가 균일하게 덮는데 도움이 된다. 회전축선의 방향은 수평방향의 성분을 가져야 하므로, 회전은 발포체 내부에서의 흐름방향을 변화시키는데 이는 발포체와 중력방향의 정렬상태를 변화시키기 때문이다. 회전속도는 유체의 대부분이 회전시에 전부는 아니지만 발포체 체적의 바닥으로 흐를 수 있도록 발포체 및 유량 특성과 맞추어진다. 발포체의 형상을 적절하게 형성함으로써 발포체편을 회전시키는 과정에서 유체를 이송할 수 있다. 일 예로서, 발포체는 도 1(a)에 도시한 바와 같이 폐쇄형 나선형상(200)으로 형성될 수 있는데, 이는 그 축선을 중심으로 서서히 회전하며 그 림부 또는 주변부(202)가 액체 흡착제 유체(206)를 담고 있는 팬이나 통 속에 침지된다. 채널(208)은 공기가 통과할 수 있도록 발포체를 관통하여 형성될 수 있다. 다른 방법으로서, 발포체는 도 1(b)에 도시한 바와 같이 개방형 나선형상(210)으로 형성될 수 있는데, 이는 서서히 회전하며 그 주변부 가 액체 흡착제 유체를 담고 있는 팬이나 통(214) 속에 있다. 또한 필요에 따라서 발포체 나선의 중심축 단부는 발포체 나선부와 함께 회전하는 흡착제 수집 트레이(216)에 장착될 수 있다. 이 경우 회전하게 되면 그 형상의 림부로부터 유체가 서서히 중심으로 이동하여 중심부에서 발포체로부터 추출될 수 있을 것이다.

탄성적으로 압축될 수 있는 발포체의 경우, 발포체를 압축 및 이완시킴에 의해 유체를 이동시킴으로써 유체의 혼합을 확실하게 할 수 있다. 도 2(a)- 도 2(c)를 참조하면, 발포체 구조물을 통하여 액체를 이동시키기 위해 발포체(44)의 표면위에서 롤러(42)를 이동시키던지 또는 발포체 블록을 평판 사이에서 압축시킴으로써 외부압력을 인가할 수 있다. 롤러(42)는 발포체의 양측면에서 구르는 매끈한 원통면일 수 있다. 이 롤러는 외부의 표면을 상대측으로 밀어서 유체가 그 체적 전역에 걸쳐서 흘러서 혼합되게 한다. 다른 방법으로서, 일 측면에 단일 롤러를 사용하고 발포체를 제자리에 유지시키는 발포체의 이면에 강체면을 사용할 수 있다. 이런 구조의 장치는 제 2 롤러의 추가비용과 그에 따른 구조적 복잡성이 허용되지 않는 비교적 얇은 발포체에 특히 유용할 것이다.

매끈한 표면을 갖는 대신에, 롤러의 표면은 압축정도를 국부적으로 변화시킴으로써 발포체 내에서의 유체이동을 증대시킬 수 있도록 구성 및 형성될 수 있다. 선택사항으로서는 능선부가 롤러 축선을 따라가는 단순한 세로홈이 포함된다. 다른 방법으로서 롤러의 외주를 따라서 이어지는 능선부 또는 딤플 및 돌기를 갖는 표면을 고려할 수 있다. 이렇게 구성된 표면은 어느 것이라도 유체 흐름방식으로 최적화하기 위해 양측 롤러상의 표면(구조화 벽의 형상)을 일치시키는데 유용할 것 이다. 발포체의 전단변형을 최소화하면서 발포체의 체적변화를 최대화하는데 주의하여야 한다.

도 2(a) - 도 2(c)를 참조하면, 여기서 예시의 목적으로 설명하는 특별한 수단은 형상이 사각형이고 큰 폭 및 높이와 비교적 작은 두께를 갖는 발포체 매트릭스(44)일 것인데, 일 예로서 높이가 2미터, 폭이 1미터, 두께가 0.3미터인 발포체 블록 수집패드를 고려하라. 좁은 관형 채널이 블록의 0.3m의 두께로 블록을 횡단한다. 공기는 발포체를 가장 작은 치수의 방향으로 횡단하는 채널의 방향으로 발포체를 통과해 흐를 것이다. 액체는 양 측면 또는 상면에 적용될 수 있으며, 롤러(112, 114)는 높이가 2m이고 폭이 1m인 직사각형 면에 걸쳐질 것이다. 이 롤링 작용으로 액체를 그 자리에서 압착할 것이며, 압축정도가 큰 하향 스트로크를 사용하여 액체를 하방으로 압착하여 블록의 바닥으로부터 배수되게 할 수 있다.

롤러(112, 114)는 발포체의 측면을 따라서 상하로 이동하며, 내외로 이동하여 발포체 수집패드상의 압축량을 조정할 수 있다. 블록의 전체에 걸쳐 유체를 균일하게 채우기 위해서 압축량이 보다 적은 상향 스트로크를 이용할 수 있다.

액체(116)는 블록의 상면에 적용되어 롤러에 의해 하방으로 가압될 수 있다. 일부 유체는 하방으로 밀려날 것이며, 롤러 사이의 갭에 따라서 특정 량의 유체가 나중에 발포체 매트릭스 내에 남게 된다. 발포체의 높이가 그다지 크지 않다면 모든 유체가 상면에 적용되어 바닥측으로 하방으로 밀려날 수 있다. 다른 방법으로서, 롤러의 앞에서 발포체의 양측면에 유체를 분무할 수 있다. 압축량이 높게 설정되는 경우, 롤러의 양측면으로부터 밀려나면서 롤러의 바로 전방에서 포착된 액 체를 압착해내도록 롤러를 사용할 수 있으며, 또는 롤러의 속도가 충분히 느린 경우, 유체는 발포체 패드의 바닥측으로 밀려나서 추출 및 수집될 것이다. 따라서 추가의 캐리어 유체를 주입하거나 단지 발포체로부터 액체를 압착해 내는 것만으로 패드로부터 액체를 제거할 수 있다. 제 2 응용에서는 압축정도가 낮은 발포체에 적용되어 발포체 패드의 전체 체적에 걸쳐서 균일하게 적용된다.

또한 패드를 롤러를 통해 이동시키고 롤러를 일정한 위치에 설치할 수도 있다.

도 3(a) - 도 (3b)를 참조하면, 롤러의 대체예는 발포체 수집패드(110)의 전역을 압착하는 평판(118-120)이 될 것이다. 이 것은 특히 기류가 수직방향으로 정렬되고 발포체를 압축하여 유체를 기류방향에 평행하게 발포체에 대하여 압착할 수 있는 구조에 잘 작용할 것인데, 이는 보통 최소크기의 발포체 패드를 나타낸다. 발포체 패드를 압착 전에 회전시기고 직립위치에서 수평위치로 이동시킬 수도 있다.

롤러가 아니라 발포체가 이동하는 특별한 실시방법이 설계될 수 있는데, 이 경우 발포체는 발포체를 포화시키고 압착시키는 롤러 위의 벨트 같이 연속루프로서 움직이는 한편, 발포체는 무한루프로 움직인다. 이들 루프는 다양한 방식으로 배열될 수 있는데, 특히 루프를 수직방향으로 상하로 연장되게 하거나 수평방향으로 연장되게 할 수 있다.

도 4(a) - 도 4(c)에 도시한 본 발명의 또 다른 면에서, 수집체는 다수의 발포체 수집패드(50)를 포함할 수 있는데, 각 패드는 지지포스트(132)로부터 회전 가 능하게 매달리며, 지지포스트(132)는 결국 각각 도 4(a) - 도 4(b)에 도시한 동작위치 및 개방위치와 도 4(c)에 도시한 폐쇄위치 사이에서 수평방향으로 이동할 수 있는데, 이 폐쇄위치에서 스프레이로부터 액체 흡착제가 적용되고 과잉의 흡착제가 단부판(48)을 통해 압착될 수 있다. 존재하는 액체량은 발포체를 통해 흐르는 기체가 장해를 거의 만나지 않도록 선택되며, 기공체적의 대부분은 기체로 채워지며, 기체로 채워진 기공 공간은 확산이나 다른 수단에 의해 CO₂를 흡수될 때까지 한 기공에서 다음 기공으로 이송시킬 수 있도록 상호 연결되어있다.

공기측이 제한된 흐름에서는 채널이 이상적으로는 직선형이지만 흡착기체가 발포체 구조물 속으로 이주하는 유효 이동속도는 유동장(flow field)에서의 압력변동을 만들어서 향상될 수 있다.

전술한 장치에서는, 즉 본 발명자의 상술한 PCT공개출원 제 PCT/US06/03646호에 따라서 흡착제로서 수산화나트륨 용액을 이용할 수 있지만, 본 발명의 일 실시예에 따르면 공기로부터 이산화탄소를 흡수하고 이 과정에서 중탄산나트륨 또는 중탄산칼륨을 형성하기 위해 탄산나트륨 또는 탄산칼륨 용액이나 그 외의 다른 약 CO₂ 흡착제를 사용하는; 즉 바람직한 실시에서 이온교환수지인 고형 흡착제 위에 상기 중탄산염 염수를 삼출시킴으로써 상기 탄산염 흡착제를 리프레시하는 흡착제 회수단계; 바람직한 실시에서 액체 아민 용액인 액체 흡착제를 사용하는 수지 회수단계를 사용하고, 열적 스윙, 압력 스윙 또는 전기투석에 의해 이루어지는 CO₂ 배출을 이용하는 습윤형 발포체 공기추출시스템을 이용할 수 있다.

상기 장치를 통해 공기로부터 CO₂를 얻는 것은 다음과 같이 설명할 수 있다. 공기는 탄산나트륨 같은 약 흡착제와 접촉하고 발포체 표면 위로 분포됨에 의해 공기측 운반이 CO₂ 취입을 제한하기 시작할 정도로 높은 취입속도를 얻을 수 있다. 이 용액이 일단 충분량의 CO₂를 취입하면 고형 흡착제, 예를 들어 상기 용액으로부터 중탄산염을 제거하여 그 알칼리도를 회복하는 아민계 이온교환수지 위로 삼출된다. 이 CO₂는 이제 수지에 부착되며, 상기 수지를 다른 액체 흡착제, 바람직하게는 최종단계에서 CO₂를 회수할 수 있는 아민용액으로 세정함으로써 이후의 단계에서 수지로부터 제거된다. 여기서 선택사항은 열적 스윙, 압력 스윙 또는 전기투석 과정이다.

도 5를 참조하면, 이 공정의 단계는 다음과 같다: 단계 250에서 탄산염 습윤 발포체 상에서 공기로부터 이산화탄소의 포착. 이 공정에서 습윤형 발포체 구조물은 0.1m/sec 내지 100m/sec의 범위, 바람직하게는 0.5m/sec 내지 10m/sec의 범위, 최적으로는 0.5m/sec 내지 4m/sec의 범위의 속도로 시스템을 통해 흐르는 주위공기에 노출된다. 이들 발포체 구조물은 공기가 통과하여 흘러서 습윤형 발포체 표면과 접촉하게 되는 통로를 갖도록 전술한 것처럼 소정 형상으로 형성되거나 배열된다. 습윤형 발포체 표면은 이산화탄소를 흡수한다. 이 경우 CO₂를 담고 있는 흡착제는 중탄산 이온을 갖고 있다. 이 공정의 다음 단계는 경우에 따라서 훨씬 큰 농 도의 CO₃ ⁼와 혼합된 아주 희박한 중탄산염류로부터 탄산염을 회수하여야 할 것이다.

중탄산염에 대한 탄산염의 비율은 총 탄소농도에 따라서 다르다. 흡착제 액체가 발포체에 대하여 유출입하기 위해서는 액체는 어딘가 다른데서 설명한 몇 가지 방법중의 한 방법에 의해 발포체로부터 유출된다. 바람직한 방법은 액체 스스로 중력으로 배수되어 소모 흡착제를 제거하거나 물세척으로 소모 흡착제를 결집시켜 장치의 바닥에서 수집하는 설계가 될 것이다. 최적 포착설계가 중력 배수에 알맞지 않은 실시에서는 전술한 바와 같이 발포체의 움직임이나 압축을 이용하는 그 외의 방법들이 가능하다.

어느 경우라도, 결과의 용액은 묽은 중탄산나트륨 흐름을 함유한다. 저농도라고 가정하면, 이 염수로부터 흡착제와 CO₂를 직접 회수하는 것은 보통 가장 유리한 접근방법이 아니다. 대안으로서 먼저 용액을 아민계 이온교환수지와 접촉시킴으로써 저농도의 중탄산염을 농축시키는 3단 접근방법을 제공한다.

그 다음의 단계 252에서, 중탄산염 용액과 접촉하고 있는 이온교환수지는 염수로부터 중탄산이온을 흡수하여 이들을 수산화물 이온과 치환하고, 결국 제 2 중탄산이온과 반응하여 중화되어 탄산염 이온 및 물을 형성하게 된다. 수지는 다양한 종류가 가능하지만 몇 가지 적합한 수지를 구입할 수 있다. 바람직한 것은 아민기로 관능화된 수지다. 중요하게 고려할 점은 중탄산염(또는 탄산염)과 수지의 결합에너지다. 이 결합에너지는 액체로부터 CO₂를 수지로 이송시키기에 충분히 커야 하지만, 후속의 처리 단계에서 이산화탄소를 내줄 수 있을 정도로 약해야 한다. 통상의 결합에너지는 20-60kJ/mole의 범위이지만 그보다 넓은 범위도 가능하다. 실용성에 있어서는 유기수지가 바람직하지만 이런 변천을 수행하는데는 다른 고형 흡착제도 동일하게 이용할 수 있다. 특히 바람직한 한가지 재료는 수산화마그네슘이지만, 예로서 주어진 규산리튬 및 지르콘산리튬 등의 탄산염화가 가능한 그 외의 고형재료를 사용할 수 있다. 이런 재료들은 CO₂를 흡수할 수 있으며 본 발명에 따른 고형 흡착제로서 사용될 수 있다. 마찬가지로 다양한 시판 이온교환수지들은 알칼리도를 본 발명의 실시에서 사용할 수 있는 출발물질의 알칼리도로 다시 높임으로써 탄산염 염수를 회수할 수 있다.

특별한 실시수단은 CO₂가 담긴 흡착제가 순환되는 수지층이다. 흡착제가 수지층을 통해 흐름에 따라서 수지는 점차 이산화탄소로 포화된다. 비교적 서서히 흐름이 유지된다면, 흡착전면은 수지층의 먼 단부에서 나올 때까지 수지를 통해 서서히 움직일 것인데, 이 단계에서 유출물 내의 중탄산염의 농도가 급증하는 것을 관찰할 것이며 수지가 다 소모되었을 때를 알게 된다. 일단 이 시점에 도달하면 수지는 리프레시되어야 한다.

공기중의 이산화탄소의 분압은 약 380 μbar로서 매우 낮다. 대부분의 수지에 대한 결과로서 이 흡착전면은 상당히 넓으며 명확히 정의되지 않을텐데, 이 경우 수지층을 다수의 층으로 분해하는 것이 유리할 것이며, 거의 다 소모된 수지층을 사용하여 이산화탄소의 제거를 시작할 수 있게 하며, 이에 따라서 수지층의 포화를 최대로 하며 하나 이상의 연속하는 수지층을 사용하여 흡착제로부터 CO₂의 대 부분을 제거할 수 있으며 최종적으로 흡착제 유체를 최종의 새 수지층을 통하여 삼출시켜서 추출을 최대로 할 수 있을 것이다. 고정상태의 수지층들을 상호 배관작업 및 밸브작업함으로써 흡착제 리프레싱의 사슬에서 또는 수지회수단계에서 수지층의 논리적 위치를 순환시킬 수 있다. 그 결과 작업 단계들이 일환의 탱크를 통해 서서히 움직인다. 일부 수지에서는 서로 다른 위치에서의 결합에너지가 변하는데, 이 경우수지를 그 한계점까지 밀어내는 것이 불리할 것이다. 그 대신에 이런 경우에 수지는 쉽게 접근할 수 있는 결합에너지의 범위 내에서 전후로 스윙할 것이다.

이 수지는 다른 CO₂ 흡착제, 예를 들어 이산화탄소를 수지로부터 회수할 수 있을 정도로 강하게 결합시키는 아민용액으로 세정함에 의해 단계 254에서 회수된다. 이렇게 되면 중탄산염, 카바메이트 또는 탄산염 이온이 수지로부터 아민용액으로 이송될 것이다. 이 마지막 단계의 이점은 아민용액이 수지 자체보다 훨씬 높은 부하율, 즉 CO₂ 에 대한 아민용액의 중량비를 얻을 수 있다는 것이다. 이 개량점은 초기의 탄산염 염수와 비교하면 더욱 크다. 따라서 열회수 단계를 수지 자체에서 실시하거나 원래의 약 흡착제로부터 회수하려고 한 것보다 적은 에너지가 흡착제의 가열 및 냉각에 소모된다.

CO₂가 담긴 아민 용액은 열적 스윙에서 변환되어 단계 256에서 아민으로부터 이산화탄소를 방출하게 된다. 이 단계에서 이용할 수 있는 몇 가지 선택사항이 있는데, 다른 이산화탄소 흡착시스템에서는 아민용액이 사용되기 때문이다. 그 중 한 선택사항에는 열을 공정으로 이송하는데 스팀이 사용된다. 바람직하게는 스팀을 형성하기 위한 열은 태양에너지 등의 카본뉴트랄(carbon neutral) 에너지원에서 유래하거나, 또는 에너지원이 없을 때는 탄소계 연료와 순수산소의 연소에서 유래하므로 CO₂ 리사이클과정의 에너지수요를 반영하는 부가의 농축 CO₂ 흐름을 형성할 것이다. 물론 폐열에너지원 뿐만 아니라 지열원, 태양네너지 열원을 포함한 그 외의 열원을 사용할 수 있다.

본 발명은 변형되기 쉽다. 예를 들어, 액체 흡착제가 삼출하게 되는 불활성 발포체를 사용하는 대신에, 탄산염 흡착제를 사용하지 않고 관능화 발포체나 수지를 사용할 수 있다. 이런 경우, 공기로부터 바로 이산화탄소를 수집하는데 습윤형 발포체를 사용할 수 있을 것이다. 이런 경우, 발포체는 완전히 건조되어서는 안되지만 일부의 발포체의 경우는 액체물을 주입할 필요가 없을 수 있는데, 이는 공기중의 최소량의 수분이 공기로부터 이산화탄소와 아민이 반응하기에 충분하기 때문이다. 일단 발포체가 CO₂로 포화되면, 두 번째 CO₂ 흡착제로 세척하여 수지를 재생할 수 있다. 이 것은 탄산염 용액이 될 수 있지만 전술한 시스템에서보다 높은 농도의 탄산나트륨 농도를 갖는다. 이 수지 세정은 아민 세정이 될 수도 있는데, 이 경우 이 공정은 전술한 주 공정의 능률화 형태가 된다.

다른 방법으로서, 발포체에 탄산염 흡착제를 사용하는 대신에, 발포체에 직접 아민용액을 사용할 수 있다. 이렇게 하면 상기 공정의 제 2 단계 및 제 3 단계가 없어질 것이다. 그 결과 포착용 단일 공정단계 후에 흡착제 회수 및 CO₂ 방출용 단일 공정단계로 능률화된 공정이 된다.

또한 CO₂회수용 열적 스윙을 전기투석법으로 교체할 수 있다. 전기투석은 예를 들어 본 발명자의 PCT 공개출원 제 PCT/US06/03646호에 개시된 바와 같은 몇 가지 독특한 접근방법을 따를 수 있다. 전기투석은 제 1 단계에서 발생한 중탄산염 용액에 적용할 수 있거나, 또는 다른 방법으로서 최종 단계에서 발생한 아민 용액에 적용할 수 있다.

본 발명의 또 다른 면에 따르면, 공기로부터 CO₂ 및 그 외의 산성 기체를 직접 포착하기 위하여 고상 음이온교환재료(AEM)를 이용한다. 공기로부터 CO₂를 저농도(ppm)로 흡수하는 효용성에 대하여 여기서 설명한 바와 같은 AEM의 적용은 그러나 농축CO₂ 뿐만 아니라 NOx 및 SO₄ 등의 그 외의 저농도 기체의 포착 또는 그 외의 기체 제거에 용이하게 사용할 수 있다.

두 가지 대안이 가능하다.

한 가지 대안은 대량의 공기에 노출되고 저농도의 CO₂를 수집하는 한편 수증기압이 거의 없는 고체로서 작용하는 중간 고체기재를 사용하는 것이다. 이 고체 기재는 그 후에 CO₂가 용액 속으로 방류될 때까지 CO₂를 화학적으로 저장하는 일종의 그물로서 작용하는 것으로 생각할 수 있다. 또한 고체기재는 새로 수집된 CO₂를 역시 고체표면을 재생시키는 용액 속으로 다시 방출할 수 있다. 포착된 CO₂를 담고 있는 용액은 에너지적으로 적합한 방식으로 재생된다. 휘발성 또는 고증기압 용액 을 고체기재로부터 CO₂를 수집하는데 이용할 수 있으며, 이 용액은 낮은 에너지 손실로 재생할 수 있다. 이 중간 단계에 의해 고체기재를 개방환경에 노출시킴 없이 기재에 부착된 CO₂를 분리할 수 있어서 대기오염 및 손실을 방지할 수 있다.

상기 과정은 음이온을 고체기재와 교환한다. 여기서 이온 이송에 참여하는 고체기재에 고정된 음이온교환 파트너를 이용한다. 그 예는 메틸아민이 클로로메틸화를 통해 스티렌 골격에 반응하는 것이다(탈이온수 시스템에서 사용되는 공통이온교환수지). 이런 타입의 시스템에서는 아민 등의 질소족이 공유결함을 통해 폴리머 골격에 부착된다. 이 공유결합은 암모니아형 분자를 기재에 고정시키는 한편 해리하여 (양이온 및 음이온을 형성)할 수 있게 한다. 질소에 부착될 수 있는 상기 가능한 공유결합 4개 모두가 탄소족으로 채워진다면 질소는 전자결손상태로 들어가서 영구 양전하를 획득한다. 암모늄 이온상의 영구전하는 양이온으로 변화시키는데 이는 이웃하는 음이온의 이온결합에 의해 이루어져야 한다. 이는 고체폴리머 기재에 공유결합된 염이다.

이렇게 강염기용액처럼 작용하는 고체표면을 형성하는 능력은 이하에 한정되지 않는 몇 가지 특징 및 이점들을 제공한다.

1. CO₂ 망은 아민염의 음이온교환특성을 이용하는 한편 고체폴리머 골격의 제로증기압을 이용한다. 본질적으로 아민염은 고체에 부착된 OH^-의 표면을 남기고 농도구배에 의해 음이온 전부를 치환함으로써 수산화물 형태(OH^-)로 무리하게 들어 갈 수 있다. 부착된 OH는 이제 도입 CO₂와 반응하는데 쉽게 이용될 수 있다. CO₂를 포착하는 기술들의 대부분은 산성 기체와 액체 염기, 또는 OH^- 표면의 반응을 이용하기 때문에, 이 방법은 고속의 산/염기반응 속도론을 공유한다.

2. 액체막 중간체가 제거되면 현재의 방법과 비교하여 표면적이 크게 증가한다. 기액접촉장치에서의 난관은 액체를 가능한 많은 공기와 접촉시키는 방식으로 펼치는 것이다. 여기에는 통상적으로 액체를 고체표면상에 펼쳐서 그 표면을 증가시키는 한편 기체가 적절히 흐르지 못하게 되는 큰 압력강하를 일으키지 않는 것이 수반된다. 이 고체 OH^- 표면은 최소의 압력강하로 최대의 표면적을 가능하게 한다.

3. 반응이 일어나는데 최소의 물이 필요하며, 대체로 물이 본질적으로 전혀 소모되지 않는다. 막(membrane)은 포착을 용이하게 하기 위해 공기로부터 물을 떼어낼 수 있다. 대량의 공기가 관계하는 경우는 주된 이점이다.

4. OBT가 폴리머 기재에 부착되기 때문에, 치환하는데 이용 가능한 음이온이 있지 않거나 반응하는데 이용할 수 있는 산이 있지 않으면 더 이상 환경과 반응할 수 없다. 이는 산성기체하고만 반응성이 높은 양성 표면이다. 이에 따라서 환경과의 직접 접촉으로부터 강 산화제가 완전히 제거되면서도 여전히 포착을 용이하게 한다.

5. 대량의 외기와의 접촉과 관련된 다른 문제점은 수집체 자체의 공기오염이다. 시스템 내의 오물 및 세균의 생성은 불가피하다. 이 오염물로부터 고체 자체로 음이온이 이동하는 일이 없는 한, 표면을 처리 또는 재생 전에 물로 세정하여 나중의 분리공정에 오염물이 들어가지 못하게 할 수 있다.

6. 표면의 갱신 사이에는 액체 펌핑이 거의 필요하지 않다. 이는 표면 위에 유체를 분배하여 접촉영역을 형성함에 의해 펌핑비용을 상당히 저감시킨다.

7. 음이온교환기를 폴리머에 부착시키는 과정은 비교적 잘 이해할 수 있기 때문에, 음이온교화재료를 적용할 수 있는 재료의 타입이나 형상에 제한은 없다.

일 면에 있어서, 본 발명은 대기중의 CO₂의 포착 및 후속의 송출용의 주 포착매트릭스로서 고체음이온교환막을 이용한다. 이 막은 서로 1-25mm의 간격으로 근접하게 이격되어 있다. 이 간격으로 인해 충분히 낮은 압력강하로 주위공기가 통과할 수 있게 하여, 공기를 이동시키는 기계의 사용을 배제할 수 있다. 이는 전술한 PCT 출원 제 PCT/US05/29979호에서 설명한 매트릭스 구성에 따른 것이다.

매트릭스용 재료로서 이온교환막을 사용하는데 있어서의 이점은 몇 가지가 있다. 그 한 가지 이점은 이 막이 거의 건조되는 방식으로 동작하므로 부식성 재료를 주위환경을 통해 에어로졸 형태로 확산시키는 위험을 제거할 수 있다는 사실에 있다. 본질적으로 건조 모드에서 동작하는데 있어서의 다른 이점은 증발에 의한 물의 손실이 없는 것이다. 이 물의 손실은 증발로 손실되는 물의 양에서뿐만 아니라 물 운반 시스템의 펌핑, 구입 및 배관의 모든 부수적인 비용에서도 상당히 크다. 다른 이점은 동일 영역의 수성표면으로 가능한 것보다 큰 농도로 포착 CO₂를 저장할 수 있는 막의 능력이다. 이렇게 증가된 외관상의 활동적인 영역은 동등한 수성영역을 초과한다. 이에 따라서 수성용액을 사용함에 의해 가능한 것보다 큰 속도로 포착할 수 있게 된다. 또한 총 포착용량은 수성용액으로 가능한 것을 초과한다.

첨부한 도 6 - 도 8은 연속적인 주위공기 흐름과 밀폐용기(18.9L)에 노출된 음이온성 막의 CO₂포착 성능을 예시하는 것으로서, 상기 밀폐용기 내에는 활성막 소편(2 x 2 cm)이 매달려 있고, 밀폐용기 내의 CO₂의 저감을 측정하여 기입하였다.

다른 데이터 세트는 보다 큰(128L)의 밀폐용기 내에 매달린 활성막 소편을 보여주는데, 동일하게 데이터를 측정하여 기입하였다. 또 다른 면에서 본 발명은 이온교환매체(IEM)용 기재로서 셀룰로스계 패드를 이용한다. 전술한 바와 같이, IEM은 이온들이 용액으로부터 IEM 내의 동종의 하전이온과 교환하게 함으로써 동작한다.

한 과정에서 고농도 유체는 IEM 상의 동종의 하전이온이 수지이온 수용위치로부터 용액 속으로 이동하게 하고 용액중의 고농도 이온이 이 자리들을 점유할 수 있게 한다. 이는 농도구배에 의해 수지에게 무리한 힘을 가하는 것으로 생각할 수 있다.

IEM 상의 CO₂의 흡수는 다음의 메카니즘을 통해 일어난다:

CO₂ + H₂O → H₂CO₃

H₂CO₃ → H⁺ + HCO₃ ^-

Resin(OH^-) + H⁺ + HCO₃ ^- → Resin(HCO₃ ^-)

셀룰로스계 IEM은 매우 효과적이다. 셀룰로스를 IEM 속에 기능화하기 위한 애니몰리시스(animolysis)의 EDM법을 사용한 결과 스티렌 디비닐벤젠에 기초한 시판의 IEM과 거의 동등한 저장속성을 보여주었다. 이에 따라서 셀룰로스 활용을 위한 통로가 제공된다. IEM은 공기로부터 CO₂를 직접 포착하고 농도구배에 의해 아민세정용액 속으로 방출하는 능력을 갖는 것을 발견하였다. 이는 많은 의미를 갖는다.

탄산화 토류 알칼리성 용액의 큰 재생에너지 필요량 때문에, 아민계 알칼리성 용액을 사용하면 상당한 에너지 이점을 보여주었다. 그러나 문제점은 대부분의 아민 용액이 높은 운동속도 및 흡수능 같은 소망의 바람직한 특성을 나타내며 또한 높은 분압을 나타낸다는 것이다. 흡수가 용이하도록 접촉되어야 하는 다량의 공기 때문에( 200ppm을 취입한다고 가정하면 CO₂ 1톤 당 약 2백만 m³), 낮은 증기압용액이라도 매우 높은 손실율을 갖는다. 액체 아민과 공기 사이의 중간체 없이는 대부분의 아민용액이 공기로부터 CO₂의 직접 포착에 적용되지 않을 것이다.

IEM은 흡수용액과 다량의 공기의 접촉시간을 최소화할 수 있게 하면서도 여전히 액체 아민용액의 낮은 재생비용의 이점을 갖는 바로 그 중간체이다.

접촉기의 표면은 흡착제 자체로 제조되기 때문에, 흡수를 용이하게 하기 위해 흡착제 액체로 표면을 계속적으로 적실 필요가 없다. 이는 IEM이 상당량의 물(50질량% 정도)을 보유하기 때문에 가능하다. 이것이 내부 농도구배와 결합하면 IEM이 용액으로서 작용하게 된다. CO₂가 IEM상에 흡수되므로 농도구배가 생겨서 HCO₃ ^-가 표면으로부터 낮은 농도측으로 이동하게 되며 이를 치환할 수 있도록 OH^-가 대응하여 이동하게 된다. 이에 따라서 IEM이 그 구조내에 HCO₃를 저장하는 반면 유효표면적을 잃지 않게 된다. 물론 IEM이 일정시간 후에 포화되면, 아민세정용액을 사용하여 매체를 OH^-상태로 재생할 수 있게 되고 이 과정에서 아주 적은 아민을 잃을 수 있다. 실험결과 흡수시간은 8시간 이상이었다.

연속적으로 자유롭게 통과하는 이온성 액체용매를 사용하지 않음으로써, 수집체 표면상의 결정의 형성을 없애며, 궁극적으로 수집체의 성능이 저하될 뿐만 아니라 기재의 수명도 감소하게 될 것이다. IEM은 기재 자체 내에 이온적(ionic product)을 저장함으로써 이 문제를 분자적으로 회피할 것이다. 스케일을 형성하고 부착물을 발생시킬 수 있는 기재표면 상에 존재하는 염 대신에, CO₂ 흡수과정에서 생성되는 음이음들은 이들을 매체의 표면상에 독립적으로 안착할 수 있게 하는 대응 이온을 갖지 않는다. CO₂가 매체의 표면에 흡수될 때, CO₂는 수지의 OH^-음이온부를 효과적으로 중화시켜서 이를 HCO₃ ^-와 치환시키고 이를 기재 속에 저장하게 된다.

본 발명의 또 다른 실시예는 CO₂를 포착하는데 사용되는 이온교환수지를 재생시키는 공정이다. 도 9는 일반적인 공정흐름도를 나타낸다.

Na₂CO₃를 분리하여 회수하기 위해서는, CO₂가 방출 유입되는 이온교환매체에 액체를 통과시킬 때 NaHCO₃로부터 CO₂가 제거되며, 이는 액체 속에 남아있는 NaHCO₃와의 산/염기반응을 받게 되며, 따라서 Na₂CO₃가 재생된다. 그 후 Na₂CO₃용액이 이온교환매체를 나와서 상류측 공정으로 복귀한다.

이온교환매체는 시간경과에 따라서 CO₂로 포화될 것이며 재생되어야 한다. 이는 Na₂CO₃+NaHCO₃기류가 제거된 후 액체아민용액을 수지층에 통과시킴으로써 달성된다. 액체 아민용액은 이온교환수지에 OH^-를 방출할 것이며, 결국 CO₂를 방출하여 이온교환매체를 효과적으로 재생시킬 것이다. 그 후 아민-CO₂용액이 제거되고 이 과정은 순환시스템으로서 반복된다.

아민-CO₂ 용액은 또한 이 사이클을 완료하기 위해 회수단계를 경유하여야 한다. 아민-CO₂ 회수는 증류에서 달성되는데, 이 증류에서는 CO₂가 기상에서 분리되어 포착되고 아민-OH용액이 수지층으로 복귀된다.

다음의 비제한적 예는 본 발명의 이 측면을 더욱 상세히 설명한다. OH^-를 용액 속으로 방출하여 그 속에 Na₂CO₃를 생성함으로써 NaHC로부터 HCO₃ ^-를 이온교환 수지 속으로 분리하기 위해 강염기성 거시적 망상 이온교환수지를 사용하였다. 그 후 수지를 통과한 이 용액을 적정하여 이온교환에 의해 생성된 Na₂CO₃의 양을 측정하였다. 그리고 수지에 NaHCO₃ 또는 Na₂CO₃가 남지 않을 때까지 수지를 철저하게 세정하였다. 이 세정된 수지를 두 개의 동일한 체적부분으로 분해하고 각 부분을 액체 아민용액과 접촉시키는데, 한 부분은 1급 아민과 접촉시키고 다른 부분은 3급 아민과 접촉시켰다. 1급 아민(MEA) 및 3급 아민(MDEA)을 각각 사용하여 수지 속에 저장된 CO₂를 제거하였다. MEA 용액은 수지로부터 탄산염을 분리하는데 더 큰 능력을 보여준 반면, MDEA 용액은 비슷하지만 약간 낮은 흡수능을 보여주었다. 그 후 각 아민-CO₂용액을 적정하여 용액 속의 CO₂의 존재를 확인하였다.

본 발명의 또 다른 면이 도 10에 도시되어 있는데, 이는 이온교환부재(IEM)(502) 상의 주위공기로부터 CO₂를 제거하는 집적시스템을 제공한다. IEM에 의해 공기로부터 제거된 CO₂를 수산화나트륨 공급탱크로부터 전달된 수산화나트륨에 의해 IEM으로부터 세정하여, 탄산나트륨(Na₂CO₃)용액을 생성하는데, 이 용액은 수집탱크(506) 속에 수집된다. 탄산나트륨 용액을 전해조(508) 내에서 전기분해하는데, 여기서 수산화나트륨은 회수되어 탱크(504)로 복귀된다. 탄산나트륨의 일부도 탱크(510)로 보내는데, 여기서 탄산나트륨은 반응기(512)로 가고, 탄산나트륨은 초산과 반응하여 초산나트륨을 생성하고 이 초산나트륨은 전기투석 스택(516)으로 가고 이 전기투석 스택은 초산나트륨염 공급물로부터 수산화나트륨 및 초산을 재생시 킨다. 초산은 탱크(514)로 복귀하고 여기서 탱크(510)로부터의 탄산나트륨과의 후속 혼합/반응에 사용되는 한편, 수산화나트륨은 탱크(504)로 복귀한다. 산소 및 수소는 출구(518, 520)에서 수집하여 벤트시키는 한편, CO₂는 예를 들어 출구(522)에서 심정주입(deep well injection) 또는 그 외의 수단에 의해 수집하여 처분한다.

본 발명의 또 다른 면은 CO₂용 수집체로서 해수, 즉 해양수를 이용한다. 해양수의 혼합층, 즉 대략 수면 수백미터는 대기와 화학적 평형상태가 지연되어 있으며, 공기중의 이산화탄소는 이 혼합층에 용해된 유기탄소와 쉽게 교환된다. 이 용해 유기탄소는 공기중의 CO₂ 분압과 평형상태에 있다. 공기중의 이산화탄소 분압이 증가하거나 또는 대양수의 알칼리도가 증가하는 경우 이산화탄소는 해수로 들어갈 것이다. 공기로부터 CO₂를 포착하기 위한 기구로서 알칼리성을 해수 속으로 도입하는 개념은 PCT특허 출원 제 PCT/US2005/015453호에 설명되어있다. 본 발명은 이 개념의 개량점을 제공한다.

해수의 알칼리도는 염기를 해수에 첨가하거나 또는 산을 제거함으로써 조정할 수 있다. 한 가지 경우에서 해수의 알칼리도는 해수로부터 염산을 추출함으로써 증가할 수 있다. 다른 경우에서 알칼리도는 염, 즉 통상적으로 언제나 해수염은 아닌 염을 산과 염기로 분해하여 얻은 염기를 도입함으로써 증가할 수 있다. 이 염기를 매우 희박한 형태로 해수에 첨가하는 한편, 통상적으로 보다 농축된 형태의 산은 추가의 처리를 위해 보유하고/보유하거나 공업용으로 회수한다.

대기와의 평형을 다시 맞추기 위해, CO₂ 취입량이 알칼리도의 변화와 정량적으로 일치할 때까지 해수는 공기로부터 이산화탄소를 흡수할 것이다.

대양수는 형성된 1노르말 산의 1몰에 대하여 대략 1몰의 이산화탄소를 공기로부터 흡수할 것이다. 약간의 불일치는 무기용해탄소가 완전한 중탄산염이 아니고 적은 부분이 탄산 이온으로서 존재한다는 사실에 의한 것이다. 따라서, 해수중의 탄산의 유효 규정도(effective normality)는 그 몰농도보다 약간 높다. 탄산염 평형의 재확립은 1년 미만의 단기간에 이루어지고 따라서 표면수가 급속하게 침강하는 장소를 제외하고는 인간의 개입 없이 일어난다. 따라서, 이런 형태의 CO₂ 관리에는 거의 전체 대양수 표면이 적합하다. 본 발명의 이런 면의 이점은 공기교환장치가 공기로부터 이산화탄소를 제거할 필요가 없다는 것이다. 실제의 이산화탄소 포착 작용은 자발적으로 그리고 흡착제나 물리적 수집체의 설치의 필요 없이 이루어진다.

이 과정의 결과로서, 탄산 이외의 산, 통상적으로는 탄산보다 훨씬 강한 염산을 계속 가지므로 광물계 알칼리성에 의해 보다 쉽게 중화될 수 있다. 따라서 광물계화 결합하기 어려운 탄산 같은 약산을 처분하려고 하기보다는 낮은 반응성을 갖는 구입이 용이한 광물에 의해 보다 쉽게 중화되는 훨씬 강한 산을 발생시킨다. 다른 방법으로서, 공업용으로 염산을 수집할 수 있다.

대양수로부터 염산을 제거함으로써 대기로부터 이산화탄소를 포착하는 것은 해안을 따라서, 또는 대양의 가운데서 선상에서 실시할 수 있다. 중요한 것은 산 의 추출을 혼합 표면수층 내에 있으므로 처리후에 수 주일 또는 수 개월 내에 이산화탄소에 노출되는 해수 상에서 실시한다는 것이다. 이산화탄소를 처분하기보다는 대양수로부터 염산을 제거한다. 이런 접근방법의 중요한 이점은 대양의 국부지역의 알칼리도를 미세하게 조정할 필요만 있는 반면, 알칼리도의 변화 없이 이산화탄소를 첨가하면 해수의 탄산염 화학반응을 크게 변화시킨다는 것이다. 또한 과도한 알칼리도에 의해 포착된 CO₂는 안정하며 다시 공기로 방출되지 않을 것이다.

이런 금속이온봉쇄(sequestration)법을 실행 가능하게 하기 위해서는, 이 과정에서 생성될 대량의 염산을 처분할 필요가 있다. 한 가지 가능한 방법은 현무암이나 사문암 등의 쉽게 입수 가능한 알칼리성 광물로 염산을 중화시켜서 염산을 처분하는 것이다. 한 가지 대안으로서, 산을 중화시킬 수 있는 알칼리성 유체저장소 속에 지하에서 염산을 주입할 수 있다. 또 다른 가능한 방법은 산으로 변형될 수 있는 채광되어 연마된 광물을 사용하는 것이다. 이들 과정은 모두 기술적으로 알려져 있으며 문헌에 발행되어 있다.

염화마그네슘 및 염화칼슘이 형성되는 경우, 광물이 깨끗하다면 이들이 쉽게 용해되는 대양 속으로 다시 주입할 수 있다. 다른 방법으로서, 그 결과의 염수를 지하에서 주입할 수 있다.

본 발명의 또 다른 면에서는 해수로부터 염산을 추출하기 위해서 전기투석장치를 사용한다. 그 결과 농축 염산이 형성되는데, 이 염산은 수집하여 공업적으로 사용할 수 있는 반면, 시스템을 통과한 대양수의 물화학반응은 거의 변하지 않는 다. 이는 염기를 수집하는 셀을를 통해 다량의 해수를 흘려주는 한편 보다 산성으로 변하는 셀을 통하여 작은 재료를 흘려줌으로써 달성된다.

염기측에 입력되는 것은 아주 작은 알칼리도의 변화로 해수로 변환되는 해수다. 이상적으로 이 변화는 매우 작아서 국부적인 물 화학반응이 이 변화에 의해 그다지 많이 영향을 받지 않는다. 해수에서의 총 알칼리도는 약 2밀리몰이기 때문에, 이 변화를 그 보다 훨씬 작게 유지할 수 있다. 실제로는 약간 큰 변화를 갖고 시스템의 출구에서 해수류를 희석시키는 것이 유용할 수 있다. 한편, 부착물(fouling)을 피하기 위해서는 가능한 변화를 작게 유지하여야 한다. 부착물은 혼합물 내의 용해도적(solubility product)이 크게 변화될 때 쉽게 일어날 수 있다.

산성측으로의 입력은 해수가 되거나 또한 순수도 될 수 있으며, 또는 입수 가능한 어떤 염수도 될 수 있다. 구체적으로 염산의 생성시에 다단을 가질 수 있으므로 셀의 최소부의 입력은 배출시에 몰농도가 증가하는 염산용액이 될 수 있다. 도 11은 이런 장치의 일 예를 보여준다. 이 설계는 전기투석 스택에 통상적으로 존재하는 양이온성 막의 사용을 필요 없게 하는 특수한 접근방법에 기초한다.

여기에는 실질적으로 다른 두 가지 접근방법이 있다. 그 첫 번째 접근방법은 음이온성 막 및 양극성 막으로 분리된 다수의 셀을 갖는다. 음이온성 막 및 양극성 막은 교대로 배치되며, 스택은 일단부가 애노드로 끝나고 타단부가 캐소드로 끝난다. 보다 큰 셀 내의 해수는 양극성 막으로부터 수산화물 이온을 받고 음이온성 막을 통해 염화물 이온을 잃을 것이다. 이 산은 보족 격실 내에서 형성되어 양 극성 막으로부터 양자를 받고 음이온성 막을 통해 염화물 이온을 받는다. 여기서 유량이 작기 때문에 산 농도가 상당히 증가하는 반면 해수 화학반응의 변화는 작게 유지될 것이다.

도 11은 대양수로부터 염산을 추출하기 위한 전기투석장치의 반복부의 약도이다. 대양수 격실은 대양수의 화학변화를 최소화하기 위해 대유량을 받게 된다. 반면에 산성 셀에서의 유속은 매우 느려서 결과의 흐르는 산의 농도를 최대로 할 수 있게 된다. 하나의 HCl 셀의 출력을 다음 셀 속으로의 유입물로서 사용할 수 있다. 그 결과, pH 단계는 어디에서도 최대화되지 않는다.

셀의 알칼리측 및 산성측에서의 유속은 크게 다를 수 있다. 한편, 산성유체를 생성류로서 송출하기 전에 다수 회 재사용함으로써 동일한 효과를 얻을 수 있다. 어느 설계에서라도 출력류는 약간 변성된 대양수이며 농축된 염산이다. 대양수로부터 제거된 1몰의 염산으로, 대양수는 1몰의 CO₂를 나타내는 양의 이산화탄소를 대기로부터 흡수할 것이다. 해수의 탄산은 탄산이온의 작은 기여에 의해 주로 탄산이온과 양자로 해리되기 때문에, 추출된 염산량을 보상하는데는 대략 1몰의 CO₂가 필요하다.

대양수의 염화물 이온의 농도는 이 과정에서 pH가 거의 변하지 않으므로 항상 수산화물 이온의 농도를 훨씬 초과할 것이기 때문에 양이온성 막 없이 전기투석장치를 만들 수 있다. 그 결과 양극성 막은 두 가지 유체를 분리하는데, 양측에서 지배적인 음이온은 염화물 이온이다. 양극성 막과 교대로 배치된 양이온 막으로만 만들어진 보족장치는 잘 작용하지 않을 것이다. 이 경우 HCl 셀로부터 양이온성 막을 통하여 나트륨 이온을 이송함으로써 HCl이 형성될 것이다. 일단 HCl이 형성되기 시작하면 양자는 이송중의 나트륨과 경쟁하여 크게 비효율적으로 만들 것이다.

또한 이런 설계로 교대로 배치된 세 가지 다른 막으로 종래의 전기투석장치를 설계할 수 있다. 이 경우 염은 그 음이옴과 양이온으로 분해된다. 양이온은 대양수류에 첨가되고, 음이온은 마지막으로 산 격실로 간다. 높은 알칼리성 염수에 의해 산 격실내의 알칼리도가 감소하기 시작하면, 음이온성 막을 제거할 수 있다. 이 경우 실질적으로 산의 중화와 산의 생성이 단일 단계로 통합된다.

도 12는 양이온성 막, 음이온성 막 및 양극성 막이 교대로 배치된 전기투석장치의 약도이다. 셀들은 양극성 막의 일측에서 해수의 알칼리도를 높이고 양극성 막의 타측에서 HCl를 생성하도록 배치된다. 양이온성 막과 음이온성 막 사이의 셀은 염용액, 이 경우에는 해수를 포함하는데, 이 해수는 농도가 희석되어있다.

도 12에 도시한 설계는 해수를 약간 희석된 해수류, 약간 더 알칼리도가 높은 흐름, 및 별개의 산의 흐름으로 분리한다. 바람직한 실시에서는 염의 분해로 얻어진 약간 희석된 해수류를 사용하여 해수용 입력류를 만드는데, 이 입력류는 알칼리도가 높아진 상태로 남게 될 것이다. 또한 음이온과 양이온이 제거된 셀 내에서 다른 염을 사용할 수도 있다. 특정의 예는 약산의 나트륨염을 사용할 것인데, 이 경우 마지막 격실에서 생성된 산은 HCl이 아니라 다시 처분하게 될 다른 산이 될 것이다. 도 13 참조.

도 13은 해수의 알칼리도를 높이기 위해 음이온 X를 갖는 다른 염을 이용하는 한편 처분하게 될 별개의 산 HX를 생성하는 전기투석 셀 스택을 예시한다. 예시의 목적상 이 염은 NaX라고 가정하지만, 대양수 속에 안전하게 주입될 수 있는 어떠한 양이온이라도 이 염수에 사용할 수 있다.

도 14는 생성된 산을 바로 지질학적 지표면하 염수 속에 주입하는 음이온성 막이 없는 염분해 셀을 예시한다. 도 14에 제시한 실시예는 전기투석과 염산의 처분을 통합시키는 한편 음이온성 막이 필요 없게 한다. 지질학적 염수가 해수보다 알칼리도가 높다면, 적절한 막으로 전기의 입력 없이 시스템을 가동시킬 수 있는데, 이는 대양수와 염수 사이의 pH 차이에 의해 구동되는 배터리로서 작용하기 때문이다. 열역학은 두 가지 유체 사이의 pH 차이를 줄이는 쪽으로 자발적으로 이동할 것이다. 높은 산도에서는 어떤 셀도 동작하지 않기 때문에 표준 염 분해기에서 사용되는 음이온성 막을 제거할 수 있다.

전술한 바와 같은 본 발명의 정신 및 범위로부터 일탈함 없이 상기에서 다양한 변형을 만들 수 있다. 예로서, 공기 포착 교환막은 통상적으로 폭기 0.1-10mm, 바람직하게는 폭이 1-10mm이고 공기가 통과하여 흐르게 되는 헐거운 매트를 형성하는 기다란 실의 형태일 수 있다. 또한 공기포착 교환막은 관, 벌집구조 또는 발포구조의 형태가 될 수 있다. 첨부도면에 도시하거나 이후의 청구범위에서 정의하는 바와 같은 상기 설명에서 포함된 모든 대상들은 제한적 의미가 아닌 예시로서 해석되어야 한다.

Claims

공기로부터 CO₂를 제거하는 방법으로서:

(a) 공기를 제 1 CO₂ 흡착제와 접촉상태로 통과시켜서 공기로부터 CO₂를 흡수하는 단계;

(b) 단계(a)에서의 CO₂ 흡착제를 이온교환수지와 접촉상태로 통과시켜서 상기 제 1 CO₂ 흡착제로부터 CO₂를 흡수하는 단계;

(c) 단계(b)에서의 이온교환수지를 제 2 CO₂ 흡착제와 접촉시켜서 상기 이온교환수지로부터 CO₂를 흡수하는 단계; 및

(d) 상기 제 2 CO₂ 흡착제를 열적 스윙, 압력 스윙 또는 전기분해에 의해 회수하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 제 1 CO₂ 흡착제는 탄산염 염수를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 2 항에 있어서, 상기 탄산염 염수는 탄산나트륨 또는 중탄산칼륨 염수를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 1 항 내지 제 3 항 중의 한 항에 있어서, 상기 제 1 CO₂ 흡착제는 수산화물을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 1 항 내지 제 4 항 중의 한 항에 있어서, 상기 제 1 및/또는 제 2 CO₂ 흡착제는 상기 흡착제의 물리적 특성을 조정하기 위한 화학약품을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 1 항 내지 제 5 항 중의 한 항에 있어서, 상기 제 2 CO₂ 흡착제는 상기 제 1 CO₂ 흡착제와 다른 것을 특징으로 하는 방법.
제 6 항에 있어서, 상기 제 2 CO₂ 흡착제는 아민계 이온교환수지를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 1 항 내지 제 7 항 중의 한 항에 있어서, 상기 이온교환수지는 고형 이온교환막을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 8 항에 있어서, 상기 이온교환수지는 폴리머 기재상에 피복되는 것을 특징으로 하는 방법.
제 9 항에 있어서, 상기 폴리머 기재는 폴리머 발포체를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 9 항에 있어서, 상기 폴리머 기재는 셀룰로스를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 5 항에 있어서, 상기 제 1 및/또는 제 2 CO₂ 흡착제는 수분보유 및/또는 점도를 최적화하기 위한 화학약품을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
공기로부터 CO₂를 회수하는 장치로서:

(a) 공기를 제 1 CO₂ 흡착제와 접촉시켜서 상기 공기로부터 CO₂를 흡수하는 장치;

(b) 상기 제 1 CO₂ 흡착제를 이온교환수지와 접촉시켜서 상기 제 1 CO₂ 흡착제로부터 CO₂를 흡수하는 장치;

(c) 상기 이온교환수지를 제 2 CO₂ 흡착제와 접촉시켜서 상기 이온교환수지로부터 CO₂를 흡수하는 장치; 및

(d) 열적 스윙이나 압력스윙 또는 전기분해에 의해 상기 CO₂ 흡착제를 회수 하는 장치;를 다 함께 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 13 항에 있어서, 상기 이온교환수지는 고형 음이온교환막을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 14 항에 있어서, 상기 폴리머 기재는 폴리머 발포체를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 15 항에 있어서, 상기 폴리머 기재는 셀룰로스를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 13 항 내지 제 16 항 중의 한 항에 있어서, 상기 제 2 CO₂ 흡착제는 아민을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
대기로부터 해수 속으로의 이산화탄소 유량을 증대시키는 방법으로서, 해수로부터 OH^-, HCO₃ ^- 및 CO₃ ⁼ 이와의 음이온을 제거함으로서 해수의 알칼리도를 높이는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 18 항에 있어서, 상기 제거된 음이온은 염화물 이온을 포함하는 것을 특 징으로 하는 방법.
제 18 항에 있어서, 알칼리도가 리터당 1밀리몰 미만으로 변하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 18 항 내지 제 20 항 중의 한 항에 있어서, 알칼리도는 해수로부터 산을 추출함으로써 높아지는 것을 특징으로 하는 방법.
제 21 항에 있어서, 산을 추출하는데 전기투석장치를 사용하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 22 항에 있어서, 상기 전기투석장치는 서로 교대로 배치된 양극성 막 및 양이온성 막을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
대기로부터 해수 속으로의 이산화탄소의 유량을 증대시키는 방법으로서, 염을 전기분해로 산/염기 쌍으로 분해하여 해수의 알칼리도를 높이고 그 결과의 양이온은 해수에 첨가하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 24 항에 있어서, 상기 염은 나트륨염을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 25 항에 있어서, 상기 염은 염화나트륨을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 18 항의 방법을 실시하기 위한 장치로서, 교대로 배치되어 그 사이에 격실을 형성하는 양이온성 막 및 양극성 막을 포함하며, 해수는 양극성 막으로부터 OBT이온을 받고, 알칼리 염수로부터의 양이온은 격실을 통과하며 이 격실은 양극성 막으로부터 양자를 받는 것을 특징으로 하는 장치.
제 27 항에 있어서, 상기 알칼리성 염수는 지하의 지질학적 저장소에서 유래하며, 상기 장치는 상기 염수를 다시 지하에 재 주입하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 27 항에 있어서, 상기 알칼리성 염수는 해수보다 높은 pH를 갖는 것을 특징으로 하는 장치.
제 27 항에 있어서, 상기 알칼리성 염수는 해수보다 높은 나트륨 농도를 갖는 것을 특징으로 하는 장치.
제 27 항에 있어서, 상기 막은 농도구배에 의해 적어도 부분적으로 구동되는 해수의 알칼리도를 증가시키기 위해 양자 및/또는 양이온이 자발적으로 흐르게 하는 선택도를 갖는 것을 특징으로 하는 장치.
제 27 항 내지 제 31 항 중의 한 항에 있어서, 염화물 이온이 제거된 해수를 통과시키기 위한 대유량 셀, 및 염산이 풍부한 산성 염수를 포함하기 위한 저유량 셀을 다 함께 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 32 항에 있어서, 저유량 셀과 교대로 배치된 고유량 셀을 조합으로 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 23 항에 있어서, 상기 전기투석장치를 통해 염수를 다수 회 통과시켜서 산의 농도를 단계적으로 높임으로써 셀 사이의 평균전압 단계를 최소화시키는 것을 특징으로 하는 방법.
제 24 항에 있어서, 상기 산을 전기분해장치에 다수 회 통과시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 35 항에 있어서, 상기 전기분해장치는 서로 교대로 배치된 양극성 막 및 양이온성 막을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 27 항에 있어서, 선택된 격실에 순수 또는 해수를 공급하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 34 항에 있어서, 상기 산은 염산을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 24 항에 있어서, 상기 염은 염화나트륨 염수를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 39 항에 있어서, 상기 염화나트륨 염수는 해수 이외의 발생원에서 유래하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 27 항에 있어서, 선택된 격실에 해수를 공급하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 24 항에 있어서, 이온이 제거된 해수를 전기분해 분해용 공급물로서 사용하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 24 항에 있어서, 해수로부터 얻은 농축 염수를 상기 전기분해 분해용 공급물로서 사용하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 21 항에 있어서, 상기 추출된 산을 농축시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 21 항에 있어서, 상기 추출된 산을 알칼리성 광물로 중화시키는 것을 특징으로 하는 방법.
제 21 항에 있어서, 상기 추출된 산을 지하의 알칼리성 암반 속에 주입함으로써 중화시켜 처분하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 21 항에 있어서, 상기 추출된 산을 알칼리성 광물 모재와의 반응에 의해 중화시키는 것을 특징으로 하는 방법.
제 47 항에 있어서, 상기 알칼리성 광물 모재는 사문암, 감람석(olivine), 감람암(peridotite rock) 및 점토로 구성되는 그룹에서 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
제 47 항에 있어서, 상기 알칼리성 광물 모재는 광산 선광부스러기, 폐아스베토스, 폐콘크리트, 강슬래그 및 그 외의 높은 알칼리도를 갖는 폐재료로 구성되는 그룹에서 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
제 24 항에 있어서, 과잉의 용해 또는 중화된 염수를 물의 순환 궁극적으로는 바다로 다시 방출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 18 항에 있어서, 해수, 염수 및 산성 염수용 격실이 양극성 막, 양이온성 막, 음이온성 막 및 양극성 막 사이에 반복적인 형태로 개재되는 것을 특징으로 하는 방법.
대기로부터 CO₂를 포착하는 장치로서, 공기류에 노출된 음이온성 막을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 52 항에 있어서, 일련의 평판에 배열된 다수의 음이온성 막을 포함하며, 기류가 상기 막의 표면과 대면하도록 평행하게 된 것을 특징으로 하는 장치.
제 53 항에 있어서, 막의 간격 1-25mm로 서로 이격되어 주위의 공기류에 노출되는 다수의 음이온성 막을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 53 항에 있어서, 서로 이격된 다수의 음이온성 막을 포함하며, 상기 막의 표면 전체에 걸쳐서 공기를 이동시키는 동력 구동 송풍기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 52 항에 있어서, 상기 막은 주름 방식으로 배열되어 이 주름에 의해 형성된 채널을 통해 공기가 흐르게 하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 52 항에 있어서, 상기 막을 따라서의 유로는 공기로부터 CO₂가 과도하게 고갈되지 않도록 공기 유속에 의해 결정되는 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 장치.
제 52 항에 있어서, 여러 층으로 쌓여져, 차륜에 조립되어 차축상에서 회전하는 "파이형상"부를 형성하는 다수의 막을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 52 항 내지 제 58 항 중의 한 항에 있어서, 포착된 CO₂를 막의 표면으로부터 세정하기 위한 부식성 용액 세정액을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 59 항에 있어서, 상기 세정액은 아민 또는 탄산염 용액을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 52 항에 있어서, 상기 막은 연속형상의 시트를 포함하며, 이 시트는 막을 반복적으로 공기류에 먼저 노출시키고, 부식성 아민 또는 탄산염 용액에 침지한 후 에 공기에 노출시키도록 구불구불한 형태로 움직이는 것을 특징으로 하는 장치.
공기로부터 CO₂를 포착하는 방법으로서, 음이온성 막을 공기류에 노출시키는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 62 항에 있어서, 상기 막은 일련의 평판에 배열된 다수의 음이온성 막을 포함하며, 상기 공기는 막의 표면에 실질적으로 평행하게 흐르는 것을 특징으로 하는 방법.
제 63 항에 있어서, 상기 막은 서로 1-25mm의 간격으로 이격된 다수의 음이온성 막을 포함하며, 보조 부스트 없이 공기가 막을 통과하여 흐르는 것을 특징으로 하는 방법.
제 63 항에 있어서, 상기 막은 서로 이격된 다수의 음이온성 막을 포함하며, 상기 막의 표면 전역에 걸쳐서 공기가 흐르게 구동하기 위해 송풍기를 사용하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 62 항에 있어서, 상기 공기로부터 CO₂가 과도하게 고갈되지 않도록 공기류와 막 표면이 조화를 이루는 것을 특징으로 하는 방법.
제 63 항에 있어서, 상기 막은 여러 층으로 쌓여서 차륜에 조립되는 "파이형상"부를 형성하는 다수의 막을 포함하며, 상기 방법은 상기 차륜의 외주를 CO₂ 흡착제를 통해 회전시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 62 항 내지 제 67 항 중의 한 항에 있어서, 포착된 CO₂를 막의 표면으로부터 세정하기 위해 공기에 노출 후 상기 막을 세정용액으로 세정하여 막이 반복적으로 CO₂ 흡착제로서 작용할 수 있게 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 68 항에 있어서, 상기 세정용액은 아민용액을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 68 항에 있어서, 상기 세정용액은 탄산염 또는 중탄산염 용액을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 62 항에 있어서, 상기 막은 연속형의 시트를 포함하며, 상기 방법은 상기 막을 반복적으로 기류에 먼저 노출시키고 세정용액에 침지한 후 공기에 노출시키도록 막을 구불구불한 형태로 이동시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 71 항에 있어서, 상기 세정용액은 아민용액을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 71 항에 있어서, 상기 세정용액은 탄산염 또는 중탄산염을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
기체류의 미량기체와 액체 또는 고체 흡착제 사이의 접촉을 증대시키는 방법으로서, 개방형 및/또는 망상형 셀 발포체에 흡착제 피복 표면이 형성되고 이 발포체는 발포체의 기공 크기에 비하여 크며 발포체의 층들을 통해 형성된 저저항 통로를 따라서 기체류의 대부분을 안내하는 유동채널을 가지며, 상기 개방셀형 발포체는 주로 기체로 채워지고, 상기 발포체 내부의 기체용적은 서로 연결되며 상기 발포체를 통과하는 채널내의 기체류에 연결되어, 상기 채널을 통과하는 기체류를 상기 발포체의 부피용적을 통해 이동하는 기체류와 연속적으로 또는 간헐적으로 혼합시키는 것을 특징으로 하는 방법.
제 74 항에 있어서, 상기 흡착제는 상기 발포체의 기공 속에 포획된 액체이며, 상기 발포체 구조를 피복하거나 상기 발포체 구조의 내부에 포획된 액적을 형성하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 74 항에 있어서, 상기 흡착제는 발포체 재료이거나 상기 발포체 재료에 영구적으로 부착되는 것을 특징으로 하는 방법.
제 74 항에 있어서, 상기 흡착제는 고형 흡착제 입자의 현탁액으로서 도입되며, 상기 액체는 상기 고체 입자와 함께 상기 발포체 속에 유지되는 것을 특징으로 하는 방법.
제 74 항에 있어서, 상기 흡착제는 고체 흡착제 입자의 현탁액으로서 도입되며, 상기 액체는 상기 흡착제 재료의 사용 전에 상기 발포체로부터 증발되는 것을 특징으로 하는 방법.
제 74 항에 있어서, 상기 발포체는 다양한 단면형상을 가질 수 있는 직선형 채널이 횡단하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 79 항에 있어서, 상기 채널의 단면은 원통형인 것을 특징으로 하는 방법.
제 74 항 내지 제 80 항 중의 한 항에 있어서, 상기 발포체는 다수의 별개 발포체층을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 74 항에 있어서, 상기 발포체는 소수성을 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
제 74 항에 있어서, 상기 발포체는 친수성을 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
제 74 항에 있어서, 상기 발포체는 친수성 성분 및 소수성 성분 모두로 구성되는 것을 특징으로 하는 방법.
제 78 항에 있어서, 상기 흡착제 입자는 상기 발포체 구조에 부착되는 것을 특징으로 하는 방법.
제 78 항에 있어서, 상기 흡착제 입자는 상기 발포체의 케이지 구조에 의해 움직일 수 없게 된 것을 특징으로 하는 방법.
제 83 항에 있어서, 반대 물 적심성을 갖는 입자를 포착하여 상기 발포체 구조의 여러 표면상에 발포체 부피를 증가시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 84 항에 있어서, 상기 성분들은 현탁액으로서 상기 발포체 속으로 세정되어 들어가는 것을 특징으로 하는 방법.
제 84 항에 있어서, 상기 성분들은 상기 발포과정에서 포착되는 것을 특징으 로 하는 방법.
제 79 항 내지 제 86 항 중의 한 항에 있어서, 상기 발포체의 기공크기는 1mm보다 작고 0.1mm보다 큰 것을 특징으로 하는 방법.
제 79 항 내지 제 86 항 중의 한 항에 있어서, 상기 발포체의 기공크기는 과잉의 흡착제 액체가 그 사이의 기공공간으로부터 중력에 의해 배출되도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법.
제 91 항에 있어서, 상기 발포체 구조의 외주를 액체 흡착제의 공급물과 접촉상태로 서서히 회전시킴으로써 상기 발포체 상 및 속에 흡착제 액체가 분포되고, 과잉은 액체 흡착제는 상기 발포체로부터 중력에 의해 배출되는 것을 특징으로 하는 방법.
제 92 항에 있어서, 상기 발포체에는 회전축에 평행하게 채널들이 횡단하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 91 항에 있어서, 상기 액체 흡착제는 알칼리성 염수를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 94 항에 있어서, 상기 액체 흡착제 공급물은 상기 흡착제 기체에 노출 후에 상기 발포체로부터 복귀한 유체와 혼합되며, 외부의 유체처리에 의해 상기 유체가 상기 침지저장소 내에 새로운 상태로 유지되는 것을 특징으로 하는 방법.
제 92 항에 있어서, 상기 발포체 구조는 새로운 흡착제 탱크와 소모된 흡착제 탱크 사이에서 움직이는 것을 특징으로 하는 방법.
제 74 항 내지 제 90 항 중의 한 항에 있어서, 탄성 발포체를 사용하며, 상기 방법은 상기 발포체를 압축시킴으로써 흡착제 액체를 상기 발포체 속에 혼합시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 97 항에 있어서, 상기 발포체는 상기 발포체의 표면을 가압하는 하나 이상의 롤러에 의해 압축되는 것을 특징으로 하는 방법.
제 98 항에 있어서, 상기 롤러는 구조물 표면을 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
제 99 항에 있어서, 상기 롤러는 상기 롤러축에 평행한 융기부를 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
제 99 항에 있어서, 상기 롤러는 원주방향으로 연장되는 융기부를 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
제 99 항에 있어서, 상기 롤러는 서로 다른 형상의 요입부 및 돌기를 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
제 97 항에 있어서, 다수의 롤러가 국부적 압축을 최대화하도록 맞추어진 표면 패턴을 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
제 97 항에 있어서, 상기 롤러는 고정상태로 유지되며, 발포체 패드가 상기 롤러 사이에서 전후로 움직이는 것을 특징으로 하는 방법.
제 97 항에 있어서, 상기 롤러들은 발포체 패드의 일측면을 따라서 움직이는 것을 특징으로 하는 방법.
제 97 항에 있어서, 상기 롤러는 상기 롤러가 상기 발포체의 표면을 따라서 움직이거나 상기 발포체가 상기 롤러를 통해 움직임에 따라서 상기 발포체를 통해 유체를 가압하며, 상기 롤러사이의 간격 또는 상기 롤러와 상기 벽 사이의 간격은 상기 발포체 내에 담긴 유체의 양을 제어하도록 조정되는 것을 특징으로 하는 방법.
제 106 항에 있어서, 상기 발포체는 다른 방식으로 상기 롤러로부터 비교적 높은 압축행정을 받아서 소모된 흡착제를 그로부터 추출하고 비교적 낮은 압축행정을 받아서 새로운 흡착제를 분배하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 107 항에 있어서, 상기 롤러가 상기 발포체의 최상부에 있거나 또는 상기 높은 압축행정과 상기 낮은 압축행정 사이에서 움직이는 롤러의 전방에 있을 때 새로운 흡착제를 적용하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 107 항에 있어서, 상기 높은 압축행정은 상기 롤러의 하방으로의 동작 또는 상기 발포체의 상방으로의 동작시에 실시되며, 상기 낮은 압축행정은 상기 롤러의 상방으로의 동작 또는 상기 발포체의 하방으로의 동작시에 실시되는 것을 특징으로 하는 방법.
제 107 항에 있어서, 상기 주기적인 압축행정은 상기 롤러의 하방으로의 동작시에 실시되며, 상기 롤러는 상기 발포체를 실질적으로 압축하지 않고 상부위치로 복귀하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 97 항 내지 제 110 항 중의 한 항에 있어서, 연속적인 루프형상 발포체가 두 개의 대향 롤러에 걸쳐서 신장되는데, 상기 루프의 일단부는 액체 흡착제욕에 침지되며, 상기 롤러를 구동하여 상기 발포체 루프를 상기 액체 흡착제욕을 통해 구동하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 74 항 내지 제 110 항 중의 한 항에 있어서, 상기 흡착제 유체에는 계면활성제가 첨가되는 것을 특징으로 하는 방법.
제 74 항 내지 제 110 항 중의 한 항에 있어서, 상기 기체류는 공기를 포함하고, 상기 미량 기체는 CO₂를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 14 항에 있어서, 상기 이온교환막은 실이나 관으로 만들어진 헐거운 매트를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 14 항에 있어서, 상기 이온교환막은 벌집구조 또는 개방형 또는 폐쇄형 발포체 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 52 항에 있어서, 상기 이온교환막은 실이나 관으로 만들어진 헐거운 매트를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 52 항에 있어서, 상기 이온교환막은 벌집구조 또는 개방형 또는 폐쇄형 발포체 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.