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KR20210154339A - Electrolytic carbonate production apparatus and method - Google Patents

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KR20210154339A
KR20210154339A KR1020200071256A KR20200071256A KR20210154339A KR 20210154339 A KR20210154339 A KR 20210154339A KR 1020200071256 A KR1020200071256 A KR 1020200071256A KR 20200071256 A KR20200071256 A KR 20200071256A KR 20210154339 A KR20210154339 A KR 20210154339A
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carbonate
hydrochloric acid
carbon dioxide
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KR1020200071256A
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조성수
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조성수
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Abstract

The present invention relates to: an electrolysis process with a structure where bicarbonate ions (HCO3-) or hydroxide ions (OH-) cannot move to an anode cell and sodium cations (Na+) can only move to a cathode cell since the anode and cathode are sequentially arranged and a cation exchange membrane is installed between the anode and cathode; and a carbon dioxide-fixing carbonate production method using the same. More specifically, sodium bicarbonate and sodium carbonate are produced by extracting chloro-alkali ions from seawater, salt water, wastewater, etc. containing alkali ions and supplying carbon dioxide or an exhaust gas containing carbon dioxide to the extracted alkaline ionized water. In addition, hydrochloric acid, sodium hypochlorite, and the like are produced.

Description

전기분해 탄산염 제조 장치 및 그 방법 {Electrolytic carbonate production apparatus and method}Electrolytic carbonate production apparatus and method

본 발명의 제조 장치는 양극과 음극이 순차적으로 배치되어 있고 이들 양극과 음극사이에는 양이온교환막이 설치되어 있기 때문에 양극셀(21)로는 중탄산이온(HCO3-) 또는 수산화이온(OH-)이 이동하지 못하고 음극셀(22)으로만 나트륨양이온(Na+)이 이동할 수 있는 구조의 전기분해 공정으로 이를 이용한 이산화탄소 고정화 탄산염 제조방법이다.In the manufacturing apparatus of the present invention, bicarbonate ions (HCO3-) or hydroxide ions (OH-) do not move to the anode cell 21 because the positive electrode and the negative electrode are sequentially arranged and a cation exchange membrane is installed between the positive electrode and the negative electrode. It is an electrolysis process of a structure in which sodium cations (Na+) can move only to the cathode cell 22 and is a carbon dioxide-immobilized carbonate manufacturing method using this.

더욱 상세하게는 알칼리 이온이 포함된 해수, 염수, 폐수 등으로부터 클로로 알칼리(Chlor-Alkali) 이온을 추출하고, 추출된 알칼리 이온 용해수에 이산화탄소 또는 이산화탄소가 포함된 배출가스를 공급하여 중탄산나트륨 및 탄산나트륨을 생산하고, 또한 부가적으로는 염산 및 차아염소산나트륨 등을 생산하는 전기분해 탄산염 제조 장치 및 그 방법에 관한 것이다.In more detail, chloro-alkali ions are extracted from seawater, brine, wastewater, etc. containing alkali ions, and carbon dioxide or an exhaust gas containing carbon dioxide is supplied to the extracted alkali ion dissolved water to provide sodium bicarbonate and sodium carbonate. It relates to an electrolytic carbonate production apparatus and method for producing hydrochloric acid and sodium hypochlorite in addition.

기후변화와 자원위기가 현실적 위협으로 등장하면서 에너지와 환경문제가 국가경제의 미래를 결정하는 주요변수로 부각되고 있으며, 환경이 경제성장의 제약요인이 아닌 지속가능한 성장을 위한 새로운 기회요인으로 전환되고 있다.As climate change and resource crisis emerge as realistic threats, energy and environmental issues are emerging as major variables that determine the future of the national economy, and the environment is transformed into a new opportunity factor for sustainable growth rather than a constraint of economic growth. have.

또한 일본, EU, 미국 등 선진국은 녹색시장 선도전략에 국력을 집중하고 있으며, 교토 의정서를 통해 온실가스를 감축하는 한편, 녹색기술 개발 및 환경규제를 통해 신성장 동력 창출 및 세계시장 선점에 노력을 기울이고 있다.In addition, developed countries such as Japan, EU, and the United States are concentrating their national power on green market leading strategies, reducing greenhouse gases through the Kyoto Protocol, creating new growth engines through green technology development and environmental regulations, and making efforts to preoccupy the global market. have.

녹색기술은 경제활동 과정에서 발생하는 이산화탄소 감축을 통해 기후변화에 대응하는 저탄소화와 녹색기술을 포함한 친환경적인 비즈니스 모델을 통해 신시장을 창출함으로써 환경보호와 경제성장이 선순환되는 녹색성장의 전략적 구심점 역할을 할 수 있다.Green technology plays a strategic pivotal role in green growth that protects the environment and creates a virtuous cycle of economic growth by creating new markets through eco-friendly business models including low-carbon and green technologies to respond to climate change by reducing carbon dioxide generated in the course of economic activities. can do.

따라서 전통적 녹색기술은 재생에너지, 청정에너지 등 환경친화적 자원 활용 기술을 의미하였지만, 최근에는 목적, 기능, 활용 중심의 전통적 녹색기술의 범주에서 IT, BT, NT 등 신기술 간 또는 기존 제품 및 산업 간 융합을 지향하는 융합녹색기술로 영역을 확장하고 있다.Therefore, traditional green technology meant technology that uses environmentally friendly resources such as renewable energy and clean energy, but recently, in the category of traditional green technology centered on purpose, function, and utilization, new technologies such as IT, BT, NT, or convergence between existing products and industries It is expanding its scope with convergence green technology that aims for

이러한 이산화탄소 배출에 대한 대응 기술로서는 이산화탄소 배출 저감을 위한 에너지 절약기술 및 대체 에너지 기술, 이산화탄소 포집 및 저장 기술, 지구환경의 자연순환에 있어서 오랜 기간이 소요되는 이산화탄소 고정화 의한 광물 탄산화 기술, 이산화탄소 활용 고부가가치 화합물 제조기술 등이 개발되고 있다.As a response technology for such carbon dioxide emission, energy saving technology and alternative energy technology to reduce carbon dioxide emission, carbon dioxide capture and storage technology, mineral carbonation technology by carbon dioxide fixation that takes a long time in the natural circulation of the earth, high added value using carbon dioxide Compound manufacturing technology and the like are being developed.

또한 중탄산나트륨(Sodium bicarbonate, NaHCO3)은 소화제, 세제, 피혁 및 식품 첨가제 등, 염산(Hydrochloric acid, HCl)은 원료, 피혁, 스케일 용해제 등, 차아염소산나트륨(Sodium hypochlorite, NaClO)은 살균제 및 표백제 등 산업분야에 다양하게 활용할 수 있는 물질로 상업적 잠재력이 큰 기초 화합물질을 경제적으로 생산하는 기술이 필요하다.In addition, sodium bicarbonate (NaHCO3) is an extinguishing agent, detergent, leather and food additive, etc., hydrochloric acid (HCl) is a raw material, leather, scale dissolving agent, etc., sodium hypochlorite (NaClO) is a disinfectant and bleaching agent, etc. It is a material that can be used in various industrial fields, and a technology for economically producing basic compounds with great commercial potential is needed.

알칼리 이온과 이산화탄소의 고정에 의한 광물 탄산화 기술의 주요 문제점으로는 고가의 원료, 고가의 생산설비, 생산 시스템의 과다한 운전경비 등 비용에 문제점이 있었다. 이에 대한 경제성을 확보하고자 양극과 음극의 각 전극 사이에 양이온교환막을 단독으로 사용하여 전기분해 탄산염 제조 장치를 구현하였다.The main problems of mineral carbonation technology by fixing alkali ions and carbon dioxide were cost problems such as expensive raw materials, expensive production facilities, and excessive operating costs of the production system. In order to secure economic feasibility, an electrolytic carbonate production apparatus was implemented by using a cation exchange membrane alone between each electrode of the anode and the cathode.

알칼리 이온이 포함된 해수, 염수, 폐수 등으로부터 알칼리 이온을 추출하고, 추출된 알칼리 이온과 이산화탄소의 반응으로 탄산염을 제조할 수 있어 원료, 설비, 운전 등 비용을 최소화할 수 있는 전기분해 탄산염 제조 장치 및 그 방법을 제공하는 것이다.Electrolytic carbonate production equipment that can minimize costs such as raw materials, equipment, and operation by extracting alkali ions from seawater, brine, and wastewater containing alkali ions, and producing carbonate by reacting the extracted alkali ions with carbon dioxide and to provide a method therefor.

또한 전기분해 공정의 부가적인 반응을 통해 염산 및 차아염소산나트륨을 생산하는 전기분해 탄산염 제조 장치 및 그 방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide an electrolytic carbonate production apparatus and method for producing hydrochloric acid and sodium hypochlorite through an additional reaction of the electrolysis process.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 전기분해 탄산염(Carbonate) 제조 장치는 양극셀로 공급되는 해수 중의 염화나트륨(NaCl) 수용액이 전기분해반응을 통해 염산(HCl)으로 전환되고, 음극셀에서는 탄산나트륨(Na2CO3) 또는 수산화나트륨(NaOH)으로 전환된다.According to an embodiment of the present invention, in the electrolytic carbonate (Carbonate) manufacturing apparatus, an aqueous solution of sodium chloride (NaCl) in seawater supplied to the anode cell is converted into hydrochloric acid (HCl) through an electrolysis reaction, and in the cathode cell, sodium carbonate (Na2CO3) ) or sodium hydroxide (NaOH).

양극과 음극의 각 전극사이에 양이온교환막이 설치된 전기분해 공정; 상기 양극셀과 연결되어 반응 수용액이 순환되는 염산(HCl) 및 차아염소산나트륨(NaClO) 반응 공정; 상기 음극셀에서 생산된 탄산나트륨(Na2CO3)에 이산화탄소(CO2)가 공급되어 중탄산나트륨(NaHCO3)으로 전환되는 중탄산나트륨 반응 공정; 중탄산나트륨 반응조로부터 공급되는 중탄산나트륨 수용액을 침강, 분리하고 상부의 수용액은 상기 음극셀에 재순환 공급되는 중탄산나트륨 침강, 분리 공정; 중탄산나트륨 침강분리조로부터 공급되는 중탄산나트륨의 수분을 제거하여 생산하는 중탄산나트륨 건조 공정; 중탄산나트륨 건조조로부터 공급되어 일정량의 이산화탄소(CO2)를 추출하고 탄산나트륨(Na2CO3)으로 전환하여 생산하는 탄산나트륨 반응 공정; 상기 양극셀에서 배출되는 염소(Cl2)가스와 상기 음극셀에서 배출되는 수소(H2)가스를 염산(HCl)으로 전환하는 염산 반응 공정; 염산 반응조와 연결되어 염산을 냉각하고 응축하여 저장하는 염산 제조 공정; 을 포함하는 전기분해 탄산염 제조 장치 및 그 방법을 특징으로 한다.an electrolysis process in which a cation exchange membrane is installed between each electrode of an anode and a cathode; Hydrochloric acid (HCl) and sodium hypochlorite (NaClO) reaction process in which an aqueous reaction solution is circulated connected to the anode cell; a sodium bicarbonate reaction process in which carbon dioxide (CO2) is supplied to sodium carbonate (Na2CO3) produced in the cathode cell and converted into sodium bicarbonate (NaHCO3); Sodium bicarbonate sedimentation and separation process in which the aqueous solution of sodium bicarbonate supplied from the sodium bicarbonate reactor is precipitated and separated, and the aqueous solution at the top is recycled and supplied to the anode cell; a sodium bicarbonate drying process for removing moisture from sodium bicarbonate supplied from a sodium bicarbonate sedimentation tank and producing; A sodium carbonate reaction process in which a certain amount of carbon dioxide (CO2) is extracted from the sodium bicarbonate drying tank and converted into sodium carbonate (Na2CO3) to produce; a hydrochloric acid reaction process of converting chlorine (Cl2) gas discharged from the anode cell and hydrogen (H2) gas discharged from the cathode cell into hydrochloric acid (HCl); a hydrochloric acid production process in which the hydrochloric acid is cooled and condensed and stored in connection with the hydrochloric acid reaction tank; It features an electrolytic carbonate production apparatus and method comprising a.

염산 반응 및 제조 공정, 중탄산나트륨 반응 공정, 이산화탄소 배가스 공급 계통 등에는 도면에 표현되지 않은 냉각 공정이 포함될 수 있고, 중탄산나트륨 건조 공정 및 탄산나트륨 반응 공정 등에는 가열 공정이 포함될 수 있으며, 본 발명의 각 반응 공정에는 안정화를 위한 다수의 반응 저장조 및 부대설비가 포함될 수 있다.The hydrochloric acid reaction and manufacturing process, the sodium bicarbonate reaction process, the carbon dioxide exhaust gas supply system, etc. may include a cooling process not shown in the drawings, and the sodium bicarbonate drying process and the sodium carbonate reaction process may include a heating process, each of the present invention The reaction process may include a number of reaction storage tanks and auxiliary equipment for stabilization.

일 실시예에 따르면, 전기분해 탄산염(Carbonate) 제조 장치는 양극셀(21)로 공급되는 해수 중의 염화나트륨(NaCl) 수용액이 전기분해반응을 통해 염산(HCl) 및 차아염소산나트륨(NaClO)으로 전환되고, 음극셀(22)에서는 탄산나트륨(Na2CO3) 또는 수산화나트륨(NaOH)으로 전환된다.According to one embodiment, in the electrolysis carbonate (Carbonate) manufacturing apparatus, an aqueous solution of sodium chloride (NaCl) in seawater supplied to the anode cell 21 is converted into hydrochloric acid (HCl) and sodium hypochlorite (NaClO) through an electrolysis reaction, and , is converted into sodium carbonate (Na2CO3) or sodium hydroxide (NaOH) in the cathode cell 22 .

이러한 각 전극들 사이에 양이온교환막으로 전기분해 반응조(10); 상기 양극셀(21)과 연결되어 반응 수용액이 순환되는 염산 차아염소산 반응조(80); 상기 음극셀(22)에서 생산된 탄산나트륨(Na2CO3)에 이산화탄소(CO2)가 공급되어 중탄산나트륨(NaHCO3)으로 전환되는 중탄산나트륨 반응조(30); 상기 중탄산나트륨 반응조(30)로부터 공급되는 중탄산나트륨 수용액을 침강, 분리하고 상부의 수용액은 상기 음극셀(22)에 재순환 공급되는 중탄산나트륨 침강분리조(40); 상기 중탄산나트륨 침강분리조(40)로부터 공급되는 중탄산나트륨의 수분을 제거하여 제품화하는 중탄산나트륨 건조조(50); 상기 중탄산나트륨 건조조(50)로부터 공급되어 일정량의 이산화탄소(CO2)를 추출하고 탄산나트륨(Na2CO3)으로 전환하여 생산하는 탄산나트륨 반응조(60); 상기 양극셀(21)에서 배출되는 염소(Cl2)가스와 상기 음극셀(22)에서 배출되는 수소(H2)가스를 염산(HCl)으로 전환하는 염산 반응조(90); 상기 염산 반응조(90)와 연결되어 염산을 냉각하고 응축하여 저장하는 염산 냉각저장조(70); 를 포함하는 전기분해 탄산염 제조 장치 및 그 방법을 특징으로 한다.Electrolysis reactor 10 with a cation exchange membrane between each of these electrodes; a hydrochloric acid hypochlorous acid reaction tank 80 connected to the anode cell 21 to circulate an aqueous reaction solution; a sodium bicarbonate reactor 30 in which carbon dioxide (CO2) is supplied to sodium carbonate (Na2CO3) produced in the cathode cell 22 and converted into sodium bicarbonate (NaHCO3); a sodium bicarbonate sedimentation tank 40 in which the sodium bicarbonate aqueous solution supplied from the sodium bicarbonate reactor 30 is precipitated and separated, and the aqueous solution at the top is recycled and supplied to the cathode cell 22; a sodium bicarbonate drying tank 50 for commercializing by removing moisture from the sodium bicarbonate supplied from the sodium bicarbonate sedimentation tank 40; a sodium carbonate reactor 60 for extracting a certain amount of carbon dioxide (CO2) supplied from the sodium bicarbonate drying tank 50 and converting it into sodium carbonate (Na2CO3); a hydrochloric acid reactor 90 for converting chlorine (Cl2) gas discharged from the anode cell 21 and hydrogen (H2) gas discharged from the cathode cell 22 into hydrochloric acid (HCl); a hydrochloric acid cooling storage tank 70 connected to the hydrochloric acid reaction tank 90 to cool, condensate and store hydrochloric acid; It features an electrolytic carbonate production apparatus and method comprising a.

또한 상기 탄산나트륨 반응조(60)는 중탄산나트륨 침강분리조(40)로부터 공급되는 중탄산나트륨을 탄산나트륨으로 전환함과 동시에 수분을 제거하는 공정이 포함될 수 있으며, 탄산나트륨 반응조(60)의 공정에서 배출되는 이산화탄소(CO2)는 상기 중탄산나트륨 반응조(30)에 공급되어 중탄산나트륨 전환반응에 재사용하는 공정을 포함하는 전기분해 탄산염 제조 장치 및 그 방법을 특징으로 한다.In addition, the sodium carbonate reactor 60 may include a process of removing moisture while converting sodium bicarbonate supplied from the sodium bicarbonate sedimentation tank 40 into sodium carbonate, and carbon dioxide discharged from the process of the sodium carbonate reactor 60 ( CO2) is supplied to the sodium bicarbonate reactor 30 and is characterized by an electrolytic carbonate production apparatus and method comprising a step of reusing it for sodium bicarbonate conversion reaction.

본 발명은 양극과 음극이 순차적으로 배치되어 있고 이들 양극과 음극사이에는 양이온교환막이 설치되어 있기 때문에 양극셀(21)로는 중탄산이온(HCO3-) 또는 수산화이온(OH-)이 이동되지 못하고 음극셀(22)으로만 나트륨양이온(Na+)이 이동할 수 있으며, 특히 음극셀(22)은 중탄산나트륨(NaHCO3) 수용액이 공급 순환되는 전기분해 반응조(10)를 포함하는 전기분해 탄산염 제조 장치 및 그 방법을 특징으로 한다.In the present invention, since the positive electrode and the negative electrode are sequentially arranged and a cation exchange membrane is installed between the positive electrode and the negative electrode, bicarbonate ions (HCO3-) or hydroxide ions (OH-) cannot move to the positive electrode cell 21, and the negative electrode cell Sodium cations (Na + ) can only move to 22, and in particular, the cathode cell 22 is an electrolysis carbonate production apparatus and method comprising an electrolysis reactor 10 in which an aqueous sodium bicarbonate (NaHCO 3 ) aqueous solution is supplied and circulated. characterized.

본 발명은 도5와 같이 양(+)극과 음(-)극 사이에 음이온교환막이 설치되어 있어 양극셀로는 음이온이 통과할 수 있고 음극셀으로는 양이온이 통과할 수 없는 전기분해 음이온 반응 및 농축공정을 포함하는 전기분해 탄산염 제조 장치 및 그 방법을 특징으로 한다.In the present invention, as shown in FIG. 5, an anion exchange membrane is installed between the positive (+) and negative (-) electrodes, so that anions can pass through the anode cell and cations cannot pass through the cathode cell. and an electrolytic carbonate production apparatus and method comprising a concentration process.

본 발명의 제조방법에서는 양극과 음극이 순차적으로 배치되어 있고 양극과 음극 사이에 양이온교환막이 설치된 전기분해 장치로 설비의 제조원가 및 운전 비용을 절감할 수 있고, 알칼리 이온이 포함된 해수, 염수, 폐수 등으로부터 직접 추출한 알칼리 이온과 이산화탄소의 순차적인 반응을 유도하여 중탄산나트륨을 제조함으로써 투입 원료의 원가를 절감하는 효과가 있다.In the manufacturing method of the present invention, an electrolysis device in which an anode and a cathode are sequentially arranged and a cation exchange membrane is installed between the anode and the cathode, and the manufacturing cost and operating cost of the facility can be reduced, and seawater, salt water, and wastewater containing alkali ions There is an effect of reducing the cost of input raw materials by inducing a sequential reaction of alkali ions and carbon dioxide directly extracted from such as to produce sodium bicarbonate.

또한 본 발명의 전기분해 공정은 중탄산나트륨(NaHCO3), 탄산나트륨(Na2CO3), 차아염소산나트륨(NaClO), 염산(HCl), 염소(Cl2), 수소(H2) 등을 생산할 수 있는 반응공정으로 각 산업분야에 활용할 수 있는 고부가가치 화합물을 생산할 수 있다.In addition, the electrolysis process of the present invention is a reaction process that can produce sodium bicarbonate (NaHCO3), sodium carbonate (Na2CO3), sodium hypochlorite (NaClO), hydrochloric acid (HCl), chlorine (Cl2), hydrogen (H2), etc. It is possible to produce high value-added compounds that can be used in the field.

이와 동시에 발전 및 산업용 보일러 등에서 대기로 배출되는 이산화탄소를 반응에 사용할 수 있어 지구온난화에 영향을 주는 이산화탄소를 저감하는 효과가 있으며, 제조된 탄산염의 침전, 탈수, 건조 등 제품 생산과정에서 발생하는 탄산염 수용액은 회수하여 전기분해 장치에 재순환함으로써 제조 공정을 친환경적으로 구축하는 효과가 있다.At the same time, carbon dioxide emitted to the atmosphere from power generation and industrial boilers can be used for the reaction, thereby reducing carbon dioxide that affects global warming. Silver is recovered and recycled to the electrolysis device, thereby making the manufacturing process eco-friendly.

도 1은 일 실시예에 따른 전기분해 탄산염 제조 장치를 설명하기 위한 공정도.
도 2는 일 실시예에 따른 전기분해공정 모식도.
도 3은 일 실시예에 따른 전극 및 셀 배치도.
도 4는 pH 변화에 따른 중탄산나트륨(NaHCO3) 및 탄산나트륨(Na2CO3) 농도 그래프.
도 5는 전기분해 음이온 반응 및 농축공정 모식도.1 is a process diagram for explaining an electrolytic carbonate production apparatus according to an embodiment.
Figure 2 is a schematic diagram of an electrolysis process according to an embodiment.
3 is a layout view of an electrode and a cell according to an embodiment;
4 is a graph of sodium bicarbonate (NaHCO3) and sodium carbonate (Na2CO3) concentrations according to pH change.
5 is a schematic diagram of the electrolysis anion reaction and concentration process.

이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명하는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 기재된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.The above objects, other objects, features and advantages of the present invention will be easily understood through the following embodiments in conjunction with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments described herein and may be embodied in other forms. Rather, the embodiments introduced herein are provided so that the described content may be thorough and complete, and that the spirit of the present invention may be sufficiently conveyed to those skilled in the art.

본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 기재될 수 있다는 것을 의미한다. 또한 도면들에 있어서, 구성요소들의 배치와 형태는 기술적인 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.In this specification, when a component is referred to as being on another component, it means that it can be directly formed on the other component or a third component can be described therebetween. In addition, in the drawings, the arrangement and form of the components are exaggerated for the effective description of the technical content.

본 명세서에서 사용한 용어들은 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 용어가 구성요소들을 기술하기 위해 사용된 경우, 이들 구성요소들은 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 여기서 설명되고 예시되는 실시예들은 그것의 상보적인 실시예들도 포함한다.The terms used herein are for the purpose of describing the embodiments and are not intended to limit the present invention. Where terminology is used to describe components, these components should not be limited by these terms. These terms are only used to distinguish one component from another. The embodiments described and illustrated herein also include complementary embodiments thereof.

본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprise)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.In this specification, the singular also includes the plural unless specifically stated otherwise in the phrase. As used herein, the terms 'comprise' and/or 'comprising' do not exclude the presence or addition of one or more other components to the stated components.

본 명세서에서, '알칼리 이온'은 알칼리 금속이온 또는 알칼리 토금속이온을 총칭하는 것으로, 별도의 설명이 없는 한 알칼리 이온은 알칼리 금속이온 또는 알칼리 토금속이온을 의미한다.As used herein, 'alkali ion' refers to an alkali metal ion or alkaline earth metal ion, and unless otherwise specified, the alkali ion means an alkali metal ion or alkaline earth metal ion.

도면 1 공정도와 도면 2 모식도에 의거하여 본 발명에 대해 보다 구체적으로 설명하면 하기와 같다.The present invention will be described in more detail based on the process diagram of FIG. 1 and the schematic diagram of FIG. 2 as follows.

본 발명에 있어서, 전기분해 탄산염 제조 장치는 양극셀(21)은 해수 중의 염화나트륨(NaCl) 수용액을 전기분해하여 염산(HCl) 및 차아염소산나트륨(NaClO)으로 전환되고, 음극셀(22)에서는 탄산나트륨(Na2CO3) 또는 수산화나트륨(NaOH)으로 전환된다. 또한 전기분해 반응조(10)는 양극과 음극이 순차적으로 배치되어 있고 이들 양극과 음극 사이에 양이온교환막이 설치된 전기분해 탄산염(Carbonate) 제조 장치 및 그 방법과 상기 방법에 이용되는 반응 공정에 관한 것이다.In the present invention, in the electrolytic carbonate production apparatus, the anode cell 21 electrolyzes an aqueous solution of sodium chloride (NaCl) in seawater to convert it into hydrochloric acid (HCl) and sodium hypochlorite (NaClO), and in the cathode cell 22, sodium carbonate (Na2CO3) or sodium hydroxide (NaOH). In addition, the electrolysis reaction tank 10 relates to an electrolysis carbonate production apparatus and method used in the method and the method, in which an anode and a cathode are sequentially arranged and a cation exchange membrane is installed between the anode and the cathode.

해수 등 알칼리 이온수가 공급되는 양극셀(21)은 해수 중의 염화나트륨(NaCl) 수용액을 전기분해하여 염산(HCl) 및 차아염소산나트륨(NaClO)으로 전환되고, 음극셀(22)에서는 탄산나트륨(Na2CO3) 또는 수산화나트륨(NaOH)으로 전환되는 전기분해 공정이 진행된다.The anode cell 21 supplied with alkaline ionized water such as seawater electrolyzes an aqueous solution of sodium chloride (NaCl) in seawater to convert it into hydrochloric acid (HCl) and sodium hypochlorite (NaClO), and in the cathode cell 22, sodium carbonate (Na2CO3) or The electrolysis process to be converted into sodium hydroxide (NaOH) proceeds.

[반응식 1] Cl2(g) + NaCl + H2O ↔ 2HCl + NaClO[Scheme 1] Cl 2 (g) + NaCl + H 2 O ↔ 2HCl + NaClO

[반응식 2] 2NaCl + 2NaHCO3(aq) →H2(g) + Cl2(g) + 2Na2CO3(aq)[Scheme 2] 2NaCl + 2NaHCO 3 (aq) →H 2 (g) + Cl 2 (g) + 2Na 2 CO 3 (aq)

2NaCl + 2H2O →H2(g) + Cl2(g) + 2NaOH(aq)2NaCl + 2H 2 O →H 2 (g) + Cl 2 (g) + 2NaOH (aq)

염산 차아염소산나트륨 반응조(80)는 상기 양극셀(21)과 염산 수용액 라인(81, 82)으로 연결되어 반응 수용액이 저장되고 순환된다.The sodium hypochlorite hydrochloride reactor 80 is connected to the anode cell 21 and the hydrochloric acid aqueous solution lines 81 and 82 to store and circulate the reaction aqueous solution.

중탄산나트륨 반응조(30)는 음극셀(22)과 수용액 라인(31, 32) 및 수용액 공급라인(44)으로 연결되어 반응 수용액이 순환되고 CO2, 배가스 공급라인(33)으로 공급된 CO2와 반응하여 중탄산나트륨(NaHCO3)을 생성하는 반응 공정으로 진행된다. 또한 반응 후 잔여 배가스는 CO2, 배가스 배출라인(34)를 통해 연돌(Stack)로 배출된다.The sodium bicarbonate reactor 30 is connected to the cathode cell 22, the aqueous solution lines 31 and 32 and the aqueous solution supply line 44 so that the reaction aqueous solution is circulated and reacts with CO2 and CO2 supplied to the exhaust gas supply line 33. The reaction process proceeds to produce sodium bicarbonate (NaHCO3). In addition, the residual exhaust gas after the reaction is discharged to the stack through the CO2 and exhaust gas discharge line 34 .

[반응식 3] Na2CO3(aq) + H2O + CO2(g) → 2NaHCO3(aq)[Scheme 3] Na 2 CO 3 (aq) + H 2 O + CO 2 (g) → 2NaHCO 3 (aq)

NaOH(aq) + CO2(g) → NaHCO3(aq)NaOH(aq) + CO 2 (g) → NaHCO 3 (aq)

중탄산나트륨 침강분리조(40)에서는 상기 중탄산나트륨 반응조(30)에서 공급된 반응액 중의 중탄산나트륨은 탄산나트륨/중탄산나트륨 용해도에 따라 중탄산나트륨이 침강 석출되고 상부의 수용액은 상기 음극셀(22)에 재순환되도록 공급하는 침강분리 공정으로 진행된다. 반응의 진행에 따라 반응액 또는 수용액이 부족하면 용수 공급라인(41)을 통해 용수를 보충한다.In the sodium bicarbonate sedimentation tank 40, sodium bicarbonate in the reaction solution supplied from the sodium bicarbonate reaction tank 30 is precipitated according to the sodium carbonate/sodium bicarbonate solubility, and the upper aqueous solution is recycled to the negative electrode cell 22. It proceeds to a sedimentation separation process that supplies as much as possible. As the reaction proceeds, if the reaction solution or aqueous solution is insufficient, water is replenished through the water supply line 41 .

중탄산나트륨 건조조(50)는 상기 중탄산나트륨 침강분리조(40)에서 침강된 중탄산나트륨이 분리 이송라인(42)를 통해 공급되어 중탄산나트륨의 수분이 제거되고 제품이 생산되는 탈수 및 건조 공정으로 진행된다.In the sodium bicarbonate drying tank 50, sodium bicarbonate precipitated in the sodium bicarbonate sedimentation and separation tank 40 is supplied through a separation transfer line 42 to remove moisture from sodium bicarbonate and proceed to a dehydration and drying process to produce a product. do.

탄산나트륨 반응조(60)는 상기 중탄산나트륨 건조조(50)로부터 건조된 중탄산나트륨이 건조 이송라인(51)를 통해 공급되면, 일정량의 이산화탄소(CO2)를 추출하고 탄산나트륨(Na2CO3)으로 전환하여 생산하는 반응 공정이다. 또한 상기 탄산나트륨 반응조(60)는 중탄산나트륨 침강분리조(40)로부터 침강된 중탄산나트륨을 분리 이송라인(43)를 통해 직접 공급받을 수 있고, 탄산나트륨으로 전환함과 동시에 수분을 제거하는 공정을 포함할 수 있다.In the sodium carbonate reactor 60, when sodium bicarbonate dried from the sodium bicarbonate drying tank 50 is supplied through the dry transfer line 51, a certain amount of carbon dioxide (CO2) is extracted and converted into sodium carbonate (Na2CO3). it is fair In addition, the sodium carbonate reaction tank 60 can receive the sodium bicarbonate precipitated from the sodium bicarbonate sedimentation separation tank 40 directly through the separation transfer line 43, and includes a process of removing moisture while converting to sodium carbonate. can

상기 탄산나트륨 반응조(60)에서 발생하는 이산화탄소(CO2)는 반응 CO2 배출라인(61)을 통해 중탄산나트륨 반응조(30)에 공급되어 중탄산나트륨 전환반응에 재사용하는 공정으로 진행된다.Carbon dioxide (CO2) generated in the sodium carbonate reaction tank 60 is supplied to the sodium bicarbonate reaction tank 30 through the reaction CO2 discharge line 61, and is reused in the sodium bicarbonate conversion reaction.

[반응식 4] 2NaHCO3(s) → Na2CO3(s) + H2O + CO2(g)[Scheme 4] 2NaHCO 3 (s) → Na 2 CO 3 (s) + H 2 O + CO 2 (g)

염산 반응조(90)는 상기 양극셀(21)에서 배출되는 염소(Cl2)가스와 상기 음극셀(22)에서 배출되는 수소(H2)가스를 염소 & 수소 가스라인(91)을 통해 공급받아 염산(HCl)으로 전환하는 반응 공정이다.The hydrochloric acid reactor 90 receives chlorine (Cl2) gas discharged from the anode cell 21 and hydrogen (H2) gas discharged from the cathode cell 22 through a chlorine & hydrogen gas line 91 to receive hydrochloric acid ( HCl) is a reaction process.

[반응식 5] H2(g) + Cl2(g) → HCl(g)[Scheme 5] H 2 (g) + Cl 2 (g) → HCl (g)

염산 냉각저장조(70)는 상기 염산 반응조(90)에서 전환된 염산을 염산 냉각 이송라인(71)을 통해 공급되면서 냉각 응축되고, 저장되는 공정으로 진행된다.The hydrochloric acid cooling storage tank 70 proceeds to a process in which the hydrochloric acid converted in the hydrochloric acid reaction tank 90 is cooled and condensed while being supplied through the hydrochloric acid cooling transfer line 71 and stored.

본 발명에 있어서, 도 2와 같이 전기분해 반응조(10)의 양극셀(21)로 공급되는 해수 중의 염화나트륨(NaCl) 수용액을 전기분해하여 염산(HCl) 및 차아염소산나트륨(NaClO)으로 전환되고, 음극셀(22)은 중탄산나트륨(NaHCO3) 수용액이 순환되면서 탄산나트륨(Na2CO3) 또는 수산화나트륨(NaOH)으로 반응되는 전기분해 공정이다.In the present invention, as shown in FIG. 2, an aqueous solution of sodium chloride (NaCl) in seawater supplied to the anode cell 21 of the electrolysis reactor 10 is electrolyzed to convert to hydrochloric acid (HCl) and sodium hypochlorite (NaClO), The cathode cell 22 is an electrolysis process in which sodium bicarbonate (NaHCO3) aqueous solution is circulated and reacted with sodium carbonate (Na2CO3) or sodium hydroxide (NaOH).

본 발명은 중탄산나트륨 반응조(30)와 중탄산나트륨 침강분리조(40)에 중탄산나트륨 수용액이 순환되면서 도면 4의 pH 그래프에 따라 중탄산나트륨(NaHCO3)과 탄산나트륨(Na2CO3)의 농도가 변화하는 반응으로 진행하게 되는데, 중탄산나트륨 반응조(30)에서는 탄산나트륨(Na2CO3)과 이산화탄소의 반응 공정으로 pH를 8.5~9.0로 낮추어 중탄산나트륨(NaHCO3)을 생성시키고, 생성된 중탄산나트륨은 중탄산나트륨 침강분리조(40)를 통해 회수하여 제품을 생산하고, 상부의 수용액은 전기분해 반응조(10)로 재 공급하여 pH를 10~11로 상승시켜 탄산나트륨(Na2CO3)을 생성시키는 순환공정의 이산화탄소 고정화 탄산염 제조 방법이다.In the present invention, sodium bicarbonate (NaHCO3) and sodium carbonate (Na2CO3) concentrations are changed according to the pH graph of FIG. 4 while the sodium bicarbonate aqueous solution is circulated in the sodium bicarbonate reactor 30 and the sodium bicarbonate sedimentation tank 40. In the sodium bicarbonate reactor 30, the pH is lowered to 8.5 to 9.0 through a reaction process of sodium carbonate (Na2CO3) and carbon dioxide to produce sodium bicarbonate (NaHCO3), and the produced sodium bicarbonate is used in a sodium bicarbonate sedimentation tank 40 It is a carbon dioxide-immobilized carbonate manufacturing method in a circulation process in which the product is recovered and produced, and the upper aqueous solution is re-supplied to the electrolysis reactor 10 to raise the pH to 10 to 11 to generate sodium carbonate (Na2CO3).

본 발명에 있어서, 음이온을 반응시키거나 농축하고자 하는 경우, 도5와 같이 전기분해 공정의 양(+)극과 음(-)극사이에 음이온교환막을 설치하여 양극셀로는 음이온이 통과할 수 있고 음극셀으로는 양이온이 통과할 수 없는 전기분해 음이온 반응 및 농축공정을 구성할 수 있다.In the present invention, when anions are to be reacted or concentrated, an anion exchange membrane is installed between the positive (+) and negative (-) electrodes of the electrolysis process as shown in FIG. 5 so that the anions can pass through the anode cell. And it is possible to configure the electrolysis anion reaction and concentration process through which positive ions cannot pass through the cathode cell.

본 발명의 실시예에 따른 전기분해 탄산염 제조 장치 및 그 방법으로 중탄산나트륨(NaHCO3)을 제조하여 순도를 측정한 결과는 하기 표 1과 같다.The results of measuring the purity of sodium bicarbonate (NaHCO 3 ) by the electrolytic carbonate production apparatus and the method according to an embodiment of the present invention are shown in Table 1 below.

구 분division 중탄산나트륨(NaHCO3) 순도Sodium Bicarbonate (NaHCO3) Purity 염수(3.0%)Brine (3.0%) 98%98% 해수sea water 96%96%

이와 같이, 본 발명은 원료, 설비, 운전 등 비용 절감 효과와 산업분야에 활용할 수 있는 고부가가치 화합물을 생산하는 효과 및 지구온난화에 영향을 주는 이산화탄소를 저감하는 효과를 기대할 수 있는 공정으로 제조설비를 친환경적으로 구축할 수 있는 장점이 있다.As described above, the present invention is a process that can expect the effect of reducing costs such as raw materials, equipment, operation, etc., the effect of producing high value-added compounds that can be used in the industrial field, and the effect of reducing carbon dioxide affecting global warming. It has the advantage of being environmentally friendly.

10: 전기분해 반응조
11: 해수공급라인 12: 해수배출라인
13: 염소가스 배출라인 14: 수소가스 배출라인
21: 양극셀 22: 음극셀
23: 양극 24: 음극
30: 중탄산나트륨 반응조
31, 32: 수용액 라인 33: CO2, 배가스 공급라인
34: CO2, 배가스 배출라인
40: 중탄산나트륨 침강분리조
41: 용수 공급라인 42, 43: 분리 이송라인
44: 수용액 공급라인
50: 중탄산나트륨 건조조 51: 건조 이송라인
60: 탄산나트륨 반응조 61: 반응 CO2 배출라인
70: 염산 냉각 저장조 71: 염산 냉각 이송라인
80: 염산 차아염소산 반응조 81, 82: 염산 수용액 라인
90: 염산 반응조 91: 염소 & 수소 가스라인10: electrolysis reactor
11: Seawater supply line 12: Seawater discharge line
13: chlorine gas discharge line 14: hydrogen gas discharge line
21: positive cell 22: negative cell
23: positive electrode 24: negative electrode
30: sodium bicarbonate reactor
31, 32: aqueous solution line 33: CO2, flue gas supply line
34: CO2, exhaust gas discharge line
40: sodium bicarbonate sedimentation tank
41: water supply line 42, 43: separate transfer line
44: aqueous solution supply line
50: sodium bicarbonate drying tank 51: drying transfer line
60: sodium carbonate reactor 61: reaction CO2 discharge line
70: hydrochloric acid cooling storage tank 71: hydrochloric acid cooling transfer line
80: hydrochloric acid hypochlorous acid reaction tanks 81, 82: hydrochloric acid aqueous solution line
90: hydrochloric acid reactor 91: chlorine & hydrogen gas line

Claims (6)

양(+)극과 음(-)극사이에는 양이온교환막이 설치된 전극들이 순차적으로 배치되어 있어 양극셀에서는 염소(Cl2)와 반응하여 염산(HCl) 및 차아염소산나트륨(NaClO)이 생성되고 음극셀에서는 탄산나트륨(Na2CO3) 또는 수산화나트륨(NaOH)이 생성되는 전기분해공정;
음극셀에서 생성된 탄산나트륨(Na2CO3) 또는 수산화나트륨(NaOH)을 이산화탄소(CO2)와 반응시켜 중탄산나트륨(NaHCO3)으로 전환하는 중탄산나트륨 반응공정;
탄산염(탄산나트륨, 중탄산나트륨) 수용액에서 중탄산나트륨(NaHCO3)을 침강, 석출하여 탈수, 건조하는 중탄산나트륨 제조공정;
중탄산나트륨(NaHCO3)에서 CO2를 추출하여 탄산나트륨(Na2CO3)으로 전환하는 탄산나트륨 제조공정;
양극셀에서 생성된 염소(Cl2)와 음극셀에서 생성된 수소(H2)를 반응시켜 염산(HCl)으로 전환하는 염산 반응공정;
상기 생산된 염산(HCl)을 냉각 응축하여 저장하는 염산 제조공정; 을 포함하는 전기분해 탄산염 제조 장치 및 그 방법.Between the positive (+) and negative (-) electrodes, the electrodes with a cation exchange membrane are sequentially arranged, so that in the anode cell, it reacts with chlorine (Cl2) to produce hydrochloric acid (HCl) and sodium hypochlorite (NaClO), and the cathode cell In the electrolysis process in which sodium carbonate (Na2CO3) or sodium hydroxide (NaOH) is produced;
a sodium bicarbonate reaction process in which sodium carbonate (Na2CO3) or sodium hydroxide (NaOH) generated in the anode cell is reacted with carbon dioxide (CO2) to convert to sodium bicarbonate (NaHCO3);
a sodium bicarbonate manufacturing process in which sodium bicarbonate (NaHCO3) is precipitated in an aqueous solution of carbonate (sodium carbonate, sodium bicarbonate), dehydrated, and dried;
a sodium carbonate manufacturing process in which CO2 is extracted from sodium bicarbonate (NaHCO3) and converted into sodium carbonate (Na2CO3);
a hydrochloric acid reaction process in which chlorine (Cl2) generated in the anode cell and hydrogen (H2) generated in the anode cell are reacted to convert to hydrochloric acid (HCl);
a hydrochloric acid production process of cooling and condensing the produced hydrochloric acid (HCl); Electrolytic carbonate production apparatus and method comprising a. 양(+)극과 음(-)극사이에는 양이온교환막이 설치되어 있고 이러한 전극과 양이온교환막이 순차적으로 배치되어 양극셀로는 음이온이 통과할 수 없고 음극셀로는 양이온이 통과할 수 있는 전기분해 반응장치 및 그 방법.A cation exchange membrane is installed between the positive (+) electrode and the negative (-) electrode, and these electrodes and the cation exchange membrane are sequentially arranged. Decomposition reactor and method therefor. 양(+)극과 음(-)극사이에는 음이온교환막이 설치되어 있고 이러한 전극과 음이온교환막이 순차적으로 배치되어 양극셀로는 음이온이 통과할 수 있고 음극셀로는 양이온이 통과할 수 없는 전기분해 반응장치 및 그 방법.An anion exchange membrane is installed between the positive (+) electrode and the negative (-) electrode, and these electrodes and anion exchange membrane are sequentially arranged so that anions can pass through the anode cell and positive ions cannot pass through the cathode cell. Decomposition reactor and method therefor. 청구항 1에 있어서,
상기 양극셀은 해수, 알칼리 이온수, 음극셀은 중탄산나트륨(NaHCO3) 수용액을 공급하고 순환하는 전기분해공정.The method according to claim 1,
An electrolysis process in which the anode cell supplies seawater, alkaline ionized water, and the cathode cell supplies and circulates sodium bicarbonate (NaHCO3) aqueous solution. 청구항 1에 있어서,
전기분해 및 이산화탄소 반응을 포함한 중탄산나트륨(NaHCO3)과 탄산나트륨(Na2CO3) 수용액 순환 공정의 pH는 8.5~11로 유지하는 것을 특징으로 하는 전기분해 탄산염 제조 장치 및 그 방법.The method according to claim 1,
Electrolysis carbonate production apparatus and method, characterized in that the pH of the sodium bicarbonate (NaHCO3) and sodium carbonate (Na2CO3) aqueous solution circulation process including electrolysis and carbon dioxide reaction is maintained at 8.5-11. 청구항 1에 있어서,
중탄산나트륨(NaHCO3) 전환반응을 위한 이산화탄소(CO2) 또는 이산화탄소(CO2)를 함유한 배출가스의 공급 온도는 0~35℃로 유지하는 것을 특징으로 하는 전기분해 탄산염 제조 장치 및 그 방법.The method according to claim 1,
Electrolytic carbonate production apparatus and method, characterized in that the supply temperature of the exhaust gas containing carbon dioxide (CO2) or carbon dioxide (CO2) for the sodium bicarbonate (NaHCO3) conversion reaction is maintained at 0 ~ 35 ℃.
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