KR100952305B1 - 오염 탄산용액의 전해 재생방법 및 그 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 오염 탄산용액의 재생방법 및 그 장치에 관한 것으로, 그 목적은 금속이온 또는 용해성 유기물을 함유한 탄산용액으로부터 순수한 탄산염 용액과 금속이온 또는 용해성 유기물을 각기 분리 회수하는 오염 탄산용액의 재생방법 및 그 장치를 제공하는 것이다.

본 발명은 양이온 교환막을 가지는 전해조의 양극방으로 금속이온 또는 용해성 유기물로 오염된 탄산염 용액을 주입하는 탄산염용액 주입단계; 상기 탄산염 용액이 주입된 전해조에서 물분해반응을 진행하여 양극방을 산성화하고, 음극방을 알카리화하는 물 분해단계; 상기 물 분해반응에 의해 양극방에서 발생된 이산화탄소를 전해조 외부에 설치된 가스 흡수탑 하부로 이동시키는 이산화탄소 배출단계; 상기 이산화탄소의 배출에 따른 탄산염 구성 양이온의 음극방이동 및 물분해반응에 의해 강한 알카리 용액으로 형성된 음극용액을 가스 흡수탑 상부에서 하부방향으로 흐르도록 상부로 주입하는 음극용액 주입단계; 상기 가스 흡수탑 내에서의 음극용액과 이산화탄소의 반응에 의해 생성된 탄산염이온은 이산화탄소 흡수탑 하부를 통해 배출되는 하는 탄산염 회수-배출 단계를 포함하도록 되어 있다.

탄산용액, 양이온 교환막, 이온 이동, 탄산 회수, 전해 물 분해 반응

Description

오염 탄산용액의 전해 재생방법 및 그 장치{Electrolytic recycle method of contaminated carbonate solution and its device}

본 발명은 오염 탄산용액의 재생방법 및 그 장치에 관한 것으로, 양이온 교환막을 가지는 분리형 전해 반응기를 이용하여 양극 방으로 주입되는 금속이온 또는 용해성 유기물에 오염된 탄산염 용액에서 탄산염 성분만 음극방으로 이동을 시키고 금속이온 또는 용해성 유기물의 오염원을 양극 방에 잔류케 함으로서 금속이온 또는 용해성 유기물을 함유한 탄산용액으로부터 순수한 탄산염 용액과 금속이온 또는 용해성 유기물을 각기 분리 회수하는 오염 탄산용액의 재생방법 및 그 장치에 관한 것이다.

국내 특허 1997-7000678은 전해법에 의한 알카리수와 산성수를 제조하기 위한 것이고, 국내 특허 1983-0001416은 양이온 교환막을 사용하는 전해 전지에서 염화 알카리 금속을 양극방에 주입하고 음극액에서 생성되는 수산화 알카리 용액에 외부에서 이산화탄소를 도입하여 용액을 탄산알카리 금속용액으로 변환시키는 기술이 기재되어 있다.

또한, 일본특허 특개2004-275841은 양이온 교환막을 사용하여 양극방에 탄산칼륨을 주입하고 양이온 교환막을 통과하는 칼륨에 의한 음극방에서 세제용을 사용하기 위한 강 알카리수를 제조하기 위한 발명이고, 특개2003-71449 호 역시, 양이온 교환막을 사용하여 알카리수를 만들 때 전해조 내 발생하는 침전물을 방지를 하며 알카리수를 만드는 발명에 대한 것이며, 일본특허 특개평8-141573은 반도체 제조에 사용되는 고순도 물을 제조하기 위하여 탄산염이 용해된 용액을 양이온 교환막을 가지는 양극방에서 주입하여 물 분해 반응에 의한 용액의 산성화를 통해 탄산이온을 이산화탄소로 변환한 후 이 탈 탄산된 산성용액을 다시 알카리된 음극 용액과 섞어 중성화 된 용액을 얻음으로서 고순도의 반도체 제조 공정수를 얻기 위한 발명에 대한 것이다.

또한, 미국 특허 5,853,562는 전해적 방법에 의한 분리막 전해조에 형성된 탄산칼슘 스케일을 제거하기 위한 것이고, 미국 특허 4,049,519은 일련의 양이온, 음이온 교환막 또는 이들의 조합을 가지는 전기 투석 방식의 전해 방법을 이용하여 탄산염 용액을 전해 물 분해 반응을 통한 산성화로 탈 탄산시키고 남은 나트륨 이온을 또 다른 또 다른 양이온 교환막을 통해 음극방으로 이동시켜 수산화나트륨 용액을 생성시키는 발명에 대한 것이다.

상기에서와 같이, 양이온 교환막을 갖는 전해조를 사용하여 산성수 또는 알카리수를 생성하는 방법에 관한 특허는 많이 있으나 양이온 교환막을 이용하는 전해적 방법에 의해 금속이온 금속이온 및 유기물등의 불순물을 함유한 탄산용액에서 탄산염과 이들 물질을 분리하기 위한 발명은 국내.외에 현재까지 나타나 있지 않다.

본 발명은 오염된 탄산염 용액에서 탄산염 성분만 음극방으로 이동을 시키고 금속이온 또는 용해성 유기물의 오염원을 양극 방에 잔류케 함으로서 금속이온 또는 용해성 유기물을 함유한 탄산용액으로부터 순수한 탄산염 용액과 금속이온 또는 용해성 유기물을 각기 분리 회수하는 오염 탄산용액의 재생방법 및 그 장치의 제공을 그 목적으로 한다.

본 발명의 또다른 목적은 순수한 탄산염 용액과 금속이온 또는 용해성 유기물을 각기 분리 회수하여 탄산염 또는 경제적 가치가 있는 물질의 재활용 및 폐기물 발생량을 최소화할 수 있는 오염 탄산용액의 재생방법 및 그 장치의 제공하는 것이다.

본 발명은 탄산염 연료전지, 플라스틱 가공, 도료 등의 분야에서 사용되는 탄산염의 처리 및 재활용을 위해 그리고 탄산염 용액 계를 사용하여 원자력발전소에서 사용된 핵연료를 탄산염계 용액에서 용해 처리 하는 경우 불순물 금속 핵종을 가지는 탄산염 용액의 재순환을 위해 양이온 교환막을 가지는 전해반응기를 이용하 여 2가 이상의 금속이온, 음이온 및 용존 유기물 등으로 오염된 탄산염 용액으로부터 탄산염과 이들 물질들을 2차 폐기물 발생이 최소화되는 방법으로 상호 분리하여 탄산염 또는 탄산염에 혼합된 물질을 각기 제거 또는 재활용하는 오염 탄산용액의 재생방법 및 그 장치의 제공을 그 목적으로 한다.

본 발명은 물 분해 반응에 의해 산성화 되는 양극방에서 방출되는 이산화탄소를 음극방과 연결된 흡수탑으로 주입을 하여 알칼리 탄산용액을 만드는 오염 탄산용액의 재생방법 및 그 장치의 제공을 그 목적으로 한다.

본 발명은 양이온 교환막을 가지는 전해조의 양극방으로 금속이온 또는 용해성 유기물로 오염된 탄산염 용액을 주입하는 탄산염용액 주입단계; 상기 탄산염 용액이 주입된 전해조에서 물 분해반응을 진행하여 양극방을 산성화하고, 음극방을 알카리화하는 물 분해단계; 상기 물 분해반응에 의해 양극방에서 발생된 이산화탄소를 전해조 외부에 설치된 가스 흡수탑 하부로 이동시키는 이산화탄소 배출단계; 상기 이산화탄소의 배출에 따른 탄산염 구성 양이온의 음극방이동 및 물 분해반응에 의해 강한 알카리 용액으로 형성된 음극용액을 흡수탑 상부에서 하부방향으로 흐르도록 상부로 주입하는 음극용액 주입단계; 상기 가스 흡수탑 내에서의 음극용액과 이산화탄소의 접촉 반응에 의해 생성된 탄산염이온을 가스 흡수탑 하부를 통해 배출되게하는 탄산염 회수-배출 단계를 포함하도록 되어 있다.

상기 전해조의 음극방에는 양극방으로 주입되는 탄산염 용액을 구성하는 양 이온 성분을 구비한 약 알카리 용액이 주입된다.

상기 이산화탄소 배출단계에서 양극방에서 발생된 이산화탄소는 기-액 분리기를 통해 분리된 후 가스 흡수탑의 하부로 주입된다.

상기 흡수탑 내의 이산화탄소는 음극용액의 수산화 이온에 의해 탄산염 이온으로 변환된다.

이와 같이 본 발명은 탄산염 용액을 사용하는 분야에서 여러 가지 금속이온 또는 유기물로 오염된 탄산염 용액에서 탄산염과 오염물질을 상호 분리함으로서 탄산염 또는 경제적 가치가 있는 물질의 재활용 및 폐기물 발생량을 최소화하는데 활용될 수 있다.

또한, 본 발명은 어떠한 화학 약품을 사용하지 않고 전기화학적인 방법을 사용하여 탄산염 용액을 회수시킴으로, 공정 내에서는 액체 폐기물이 거의 발생되지 않아 높은 친환경성을 가질 수 있다.

또한, 본 발명은 사용후핵연료로부터 우라늄(U) 제거를 위하여 사용된 탄산염 용액의 처리에 적용되어, 탄산염 용액을 재생 및 순환할 수 있으며, 이를 통해 사용후핵연료 처분 시, 고준위 폐기물 처분장의 처리 능력을 향상시킬 수 있는 등의 효과가 있다.

본 발명은 양이온 교환막을 가지는 전해조를 이용해 금속이온 또는 용존 유기물의 불순물을 갖는 탄산염 용액을 주입하여 양극에서 음극방으로 탄산염을 이동시키고 금속이온 또는 유기물은 양극방에 잔존시키므로서 탄산염과 불순물을 분리하도록 되어 있다.

즉, 본 발명은 양이온 교환막을 가지는 전해조의 양극방으로 금속이온 또는 용해성 유기물로 오염된 탄산염 용액을 주입하는 탄산염용액 주입단계; 상기 탄산염 용액이 주입된 전해조에서 물 분해반응을 진행하여 양극방을 산성화하고, 음극방을 알카리화하는 물 분해단계; 상기 물 분해반응에 의해 양극방에서 발생된 이산화탄소를 전해조 외부에 설치된 가스 흡수탑 하부로 이동시키는 이산화탄소 배출단계; 상기 이산화탄소의 배출에 따른 탄산염 구성 양이온의 음극방이동 및 물 분해반응에 의해 강한 알카리용액으로 형성된 음극용액을 흡수탑 상부에서 하부방향으로 흐르도록 상부로 주입하는 알칼리용액 주입단계; 상기 흡수탑내로 주입된 알칼리용액과 이산화탄소의 반응에 의해 생성된 탄산염이온이 이산화탄소 흡수탑 하부를 통해 배출되는 하는 탄산염 회수-배출 단계를 포함하도록 되어 있다.

상기 탄산염용액 주입단계에서 전해조의 음극방에는 양극방으로 주입되는 탄산염 용액을 구성하는 양이온 성분을 구비한 약 알카리 용액이 주입된다. 즉, 일예로서, 탄산염 용액으로 탄산나트륨(Na₂CO₃)을 갖는 용액이 양극방으로 주입될 경우, 음극방으로는 수산화나트륨(NaOH) 용액이 주입된다.

또한, 상기 탄산염용액 주입단계는 양극방으로 주입되는 탄산염 용액에 불순물로 존재하는 금속이온의 양이 작은 경우, 양극방에서 탈 탄산화 과정에 의해 탄산염이 없어지면 양극 용액의 전기 전도성이 떨어져 전해 셀 전압이 급격히 상승하여 전해 반응이 중단될 수 있으므로 이를 방지하기 위하여 양극방에 주입되는 2가 이상의 금속이온 또는 용해성 유기물을 불순물을 가지는 탄산염 용액(이하 '대상 탄산염 용액'이라 칭함)에 반응에 참여하지 않은 지지 전해질(Supporting electrolyte)을 소량 혼합하는 단계를 더 포함한다.

상기 물 분해단계는 양극방에 대상 탄산염 용액과 상기에 언급한 지지 전해 혼합 용액이, 음극방에 약 알카리 용액이 각각 주입된 전해조에서 물이 분해되어, 양극방에서는 pH를 4 이하로 낮춘다. 즉, 물의 분해반응에 의해 발생되는 수소이온에 의해 양극방의 용액이 pH 4 이하로 낮아지게 되며, 이로 인해 음이온인 탄산염 이온(CO₃ ^2-)은 이산화탄소로 변환되어 양극용액과 함께 양극방을 빠져 나오게 된다.

이때, 양극방의 용액에서 음이온인 탄산염 이온이 빠져 나감으로서 용액에 남은 탄산염을 구성하는 양이온은 양극 용액이 전기적 중성을 유지하기 위하여 음극방으로 이동되며, 이와 같은 이동에 의해 음극방에서는 물의 분해 반응에 의해 생성된 수산화 이온과 양극방에서 넘어온 탄산염의 양이온에 의해 강한 알카리 용액이 생성된다.

이때, 전해조의 양이온 교환막은 +1가의 알카리 금속이온(Li⁺, Na⁺, K⁺, Cs⁺ 등)은 통과시키나, +2가 금속은 아주 적게 통과되며 +3가 이상의 금속 이온, 음이온 및 용해된 유기물질 등은 통과되지 못한다.

상기 이산화탄소 배출단계는 양극방으로 부터 배출된 이산화탄소를 분리하여 가스 흡수탑으로 이동시키는 것으로, 이산화탄소로 변환되어 양극용액과 함께 양극방을 빠져 나오게 되면, 기-액 분리기에서 이산화탄소 가스와 불순물을 가지는 산성화 된 양극 용액이 분리된다. 이때, 상기 기-액 분리기를 통해 분리된 이산화탄소는 흡수탑의 하부로 주입되어 상부방향으로 이동되고, 불순물을 가지는 산성화된 양극 용액은 외부로 배출된다.

상기 알카리용액 주입단계는 물의 분해 반응에 의해 생성된 수산화 이온과 양극방에서 넘어온 탄산염의 양이온에 의해 강한 알카리 용액이 생성되며 생성된 음극방의 용액을 가스 흡수탑 상부로 주입하여 상부에서 하부방향으로 흐르도록 한다.

이와 같이, 흡수탑 하부로 기-액 분리기에서 분리된 이산화탄소 가스가 주입되고, 흡수탑 상부로 음극방에서 생성된 강 알카리 용액이 주입되어 흐르므로, 흡수탑 내에서 이산화탄소는 모두 탄산염 이온 (HCO₃ ^-, CO₃ ^2-)으로 변환된다. 즉, 흡수탑 하부로 주입되는 이산화탄소는 흡수탑 내에서 흡수탑 상부로 주입되는 알카리 용액과 접촉하여, 강 알카리 용액의 수산화 이온에 의해 다시 탄산염 이온으로 변 환된다.

상기 분리배출단계는 이산화탄소와 강 알카리 용액과의 반응에 의해 생성된 탄산염 이온(HCO₃ ^-, CO₃ ^2-)은 흡수탑 하부로부터 빠져나오게 되고, 양극방과 음극방에서 발생된 산소와 수소가스는 흡수탑 상부로부터 배출되어, 초기 전해조의 양극방으로 주입되었던 불순물을 함유한 탄산염 용액으로부터 순수한 탄산염 용액과 불순물이 분리된다.

이하 본 발명을 첨부된 도면에 의해 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1 은 본 발명에 따른 구성을 보인 개략도를 도시한 것으로, 본 발명은 양이온 교환막을 구비하고, 양극방(3)으로 대상 탄산염용액이 주입되며, 음극방(2)으로 약 알카리액이 주입되는 전해조(7)와, 상기 전해조(7)의 양극방(3)과 연결되는 기-액분리기(4)와, 상기 기-액분리기(4)와 하부가 연결되고, 전해조의 음극방(2)이 상부에 연결되는 가스 흡수탑(5)을 포함하도록 되어 있다.

상기 전해조의 양극방(3)에는 대상 탄산염 용액과 지지 전해 용액을 혼합하기 위한 용액혼합기(6)가 더 연결되어 있다.

즉, 본 발명은 양이온 교환막(1)을 갖는 전해조의 양극방(3)에 대상 탄산염 용액과 지지 전해 용액을 섞기 위한 용액혼합기(6)를 나오는 탄산용액이 주입되도록 연결하며, 음극방(2)에는 양극방에 주입되는 대상 탄산염 용액을 구성하는 양이온과 같은 성분을 갖는 약 알카리 용액을 주입한다.

또한, 상기 양극방(3)으로부터 배출되는 이산화탄소, 산소 가스와 불순물을 함유한 산성 용액을 분리하기 위한 기액 분리기(4)가 설치되어 있으며, 상기 기-액 분리기(4)에 의해 분리된 가스를 하부에서 상부방향으로 흐르도록 가스 흡수탑(5)의 하부로부터 주입하고, 음극방(2)로부터 배출되는 수소가스와 강 알카리 용액을 상부에서 하부방향으로 흐르도록 가스 흡수탑(5)의 상부로부터 흐르게 구성하여, 이산화탄소가 알카리 용액의 수산화 이온(OH^-)에 의해 탄산염 이온 (CO₃ ^2-)으로 변환된 후, 가스 흡수탑(5) 하부로부터 빠져나오게 하고, 양극방과 음극방에서 발생된 산소와 수소 가스는 흡수탑 상부로부터 배출되도록 되어 있다.

이하 본 발명을 더욱 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

본 발명에서는 탄산염 이온을 pH에 따라 카보네이트(carbonate, CO₃ ^2-), 바이카보네이트(bicarbonate, HCO₂ ^-), 이산화탄소(CO₂)로 순차적으로 변환시키는 특성을 구비하고 있다.

또한, 양이온 교환막을 가지는 전해 반응기의 양극방에서 물의 분해에 의한 용액이 산성화, 음극방에서 물의 분해 반응에 의한 용액의 알카리화되는 특성을 구비하고 있다.

본 발명은 상기와 같은 특성들을 이용하여 대상 탄산염 용액으로부터 순수한 탄산염과 금속이온 또는 유기믈을 상호 분리하여 이들을 각기 재생 사용할 수 있게 하는 것이다.

상기 탄산염 이온은 아래의 식1) 내지 식4)과 같이 표현되는 반응에 의하여 도 2 에 도시된 바와 같이, pH 따라 존재하는 형태가 변하게 된다. 즉, pH 12이상에서는 CO₃ ^2-형태로 존재하고, pH 8에서는 HCO₂ ^- 형태로 존재하며, pH 4이하에서는 H₂CO₃ 형태로 존재하나, H₂CO₃는 불안정하여 CO₂로 변화되어 CO₂의 용해도 이상의 이산화탄소 양은 대기로 빠져나가게 된다.

한편 전도성이 있는 용액은 용액의 산도에 따라 식5) 내지 식8)과 같이 양극과 음극에서 각각 산소와 수소 발생 반응이 변화된다. 산성조건의 양극에서는 물이 직접 분해되어 수소이온(H⁺)을 생성하고 알카리 조건의 양극에서는 수산화 이온(OH^-)를 소모에 의한 알카리도를 떨어트려 용액을 산성화 시킨다. 산성 조건의 음극에서는 수소이온이 직접 환원되며 산성도를 떨어트리고 알카리 조건의 음극에서는 물이 직접 분해에 의한 수산화 이온(OH^-)을 발생시켜 용액을 알카리화 시킨다.

본 발명에서는 이러한 탄산 용액 특성과 전해 반응특성을 이용하여 금속이온이나 용해성 유기물의 불순물을 가지는 탄산염 용액을 양이온 교환막을 가지는 전해조의 양극방에 주입하게 하고 양극에서 식7)과 식5)의 반응에 의해 탄산용액의 OH^-를 산소로 산화시키며 용액은 산성화시킨다.

용액이 산성화되어 탄산용액의 CO₃ ^2-은 HCO₂ ^- 거쳐 pH 8 이하에서부터 이산화탄소로 변환되어 용액 밖으로 빠져나간다. 이때 용액은 항상 전기적 중성을 가져야 하므로, 탄산염 용액중의 음이온인 CO₃ ^2-이 없어지면 용액 중에 홀로 남게 되는 양이온 예를 들면 Na₂CO₃ 탄산 용액인 경우 CO₃ ^2-이 없어지면 용액 중에 Na⁺는 홀로 남을 수 없게 되므로, 전기적 이동 (Electrical migration)에 의해 양이온 교환막을 통과하여 음극방으로 넘어가게 된다.

일반적으로 양이온 교환막은 +1가의 알카리 금속이온(Li⁺, Na⁺, K⁺, Cs⁺ 등)은 통과시키나, +2가 금속은 아주 적게 통과시키고 +3가 이상의 금속 이온, 음이온 및 용해된 유기물질 등은 통과시키질 못한다. +1가의 양이온이 음극방으로 넘어 오 게 되면 음극방 역시 전기적 중성을 맞추기 위하여 상기 식6), 식8)과 같이 물이 전기 분해되어 수소가 방출되며 수산화 이온(OH^-)이 생성시켜 음극방 용액을 알카리화시킨다. 이산화탄소 가스는 알카리 용액과 접촉을 하면, 상기의 식1) 내지 식3)의 반응에 의해 다시 탄산염 용액으로 변환될 수 있으므로 상술한 전해조 외부에 설치된 충분한 기-액 접촉 면적을 가지는 흡수탑의 상부로 음극방에서 생성된 알카리 용액을 흘리며 양극방에서 배출된 이산화탄소 가스를 흡수탑 하부로 주입을 하면 양극방에서 탄산염 용액으로부터 생성된 이산화탄소가 모두 회수된다.

따라서 상술한 일련의 조작에 의해 당초 양극방으로 주입된 금속 이온 또는 유기물 등을 함유한 대상 탄산염 용액에서 탄산염만을 음극방으로 이동시키고 나머지 금속 이온 또는 유기물은 그대로 양극방에 남게 함으로서 양극방에 주입되는 오염된 탄산염 용액의 오염원과 탄산염이 분리된다.

이때 양극방에서 탄산염용액이 전부 음극방으로 이동되면 양극 용액의 전기 전도성이 떨어져 전해조의 셀 전압이 상승에 의해 조업이 중단될 수 있으므로 양극방에 주입되는 탄산용액의 전기 전도성을 일정하게 유지하기 위해 대상 탄산염 용액을 양극방에 주입하기 전에 지지 전해 용액과 혼합하여 사용한다.

이하 본 발명을 실시예에 의해 상세히 설명하면 다음과 같다.

실시예 1

양이온 교환막(Dupont Nafion 424)을 장착한 전해조와, 직경 2.5㎝, 부피 100㎖의 유리관에 약 1.2㎜의 실리카를 충진하여 공극율이 40%인 가스 흡수탑을 도 1 에 도시된 바와 같이 구성하되, 기-액 분리기에서 나오는 양극 용액과 흡수탑으로 나오는 음극용액을 각각 양극방과 음극방으로 순환하도록 한 회분식 전해 계를 구성한 후 양극 용액으로 지지 전해액이 없이 100㎖, Na₂CO₃ 0.5Ｍ 탄산염만을 갖는 용액을 음극 용액으로 100㎖, 0.1Ｍ NaOH를 사용하고 전해조에 1.36Ａ의 전류를 인가하였을 때 시간에 따른 양극방과 흡수탑을 나오는 용액의 pH와 그때의 셀 전압 및, 양극방과 흡수탑을 나오는 용액의 탄산농도 변화를 관찰하였으며, 그 결과는 도 3 및 도 4 와 같다.

도 3 은 0.5 Ｍ, Na₂CO₃만을 양극 용액으로 사용 시 양극방과 이산화탄소 흡수탑 하부에서 시간에 따른 pH와 셀 전압의 변화를 보인 실시예도를, 도 4 는 도 3에서 양극방과 이산화탄소 흡수탑 하부에서의 시간에 따른 탄산농도 변화를 보인 실시예도를 도시한 것으로, 전해반응이 일어남에 따라 양극방은 산성화 되면서 pH가 떨어지면서 탈 탄산 과정이 일어나 탄산농도가 떨어지고, 양극방을 빠져 나오는 이산화탄소가 음극방에서 나오는 알카리 용액에 의한 흡수탑에서 다시 탄산염용액으로 되어 흡수탑 탄산농도가 점차 증가하지만 양극액의 pH가 8에 도달하여 탈 탄산화 과정이 급격히 진행됨에 따라 용액 전기 전도도가 떨어져 셀 전압이 전원공급 장치의 한계 전압에 도착되면서 전해 반응이 중단되는 것을 볼 수 있으며 탄산염의 이동이 매우 적음을 볼 수 있다.

실시예 2

양이온 교환막(Dupont Nafion 424)을 장착한 전해조와, 직경 2.5㎝, 부피 100㎖의 유리관에 약 1.2㎜의 실리카를 충진하여 공극율이 40%인 흡수탑을 도 1 에 도시된 바와 같이 구성하되, 기-액 분리기에서 나오는 양극 용액과 흡수탑으로 나오는 음극용액을 각각 양극방과 음극방으로 순환하도록 한 회분식 전해 계를 구성한 후 양극 용액으로 0.5Ｍ Na₂CO₃에 Mo⁺⁴ 400ppm, Zr⁺⁴ 400 ppm 그리고 0.1Ｍ Na₂SO₄ 지지전해질 가지는 양극용액을 사용하여, 양극방과 이산화탄소 흡수탑 하부에서 시간에 따른 pH와 셀 전압의 변화 및, 양극 방과 흡수탑을 나오는 용액의 탄산농도의 변화를 관찰하였으며, 그 결과는 도 5 및 도 6 과 같다.

도 5 는 도 3 과 같은 실시에서, 0.5Ｍ Na₂CO₃에 Mo(IV) 400ppm, Zr(IV) 400ppm의 이온과 0.1Ｍ Na₂SO₄ 지지전해질을 가지는 양극용액을 사용 시 양극방과 이산화탄소 흡수탑 하부에서의 시간에 따른 pH와 셀 전압의 변화를 보인 실시예도를, 도 6 은 도 5 에서 양극방과 이산화탄소 흡수탑 하부를 나오는 용액의 시간에 따른 탄산농도 변화를 보인 실시예도를 도시한 것으로, 도 5 는 도 4 와는 다르게 전해반응이 일어남에 따라 양극방의 pH는 2개의 변곡점을 보이며 pH 1 이하로 떨어지고 도 6 에서 보면 양극방의 탄산농도는 pH가 8에서 pH 2이하로 급격히 떨어질 때 탈 탈산과정이 일어나 거의 0에 도달함을 볼 수 있고, 양극방에서 방출되는 이 산화탄소를 흡수하는 흡수탑의 하단을 빠져나오는 용액의 농도는 0.45Ｍ이고, 흡수탑에 잔존하는 탄산염 이온의 양을 함께 고려하면 흡수탑에서 회수된 탄산농도는 거의 0.5Ｍ을 보여 초기 양극방에 주입된 탄산염이 모두 음극방으로 이동됨을 알 수 있다. 이때 양극방에 함께 주입된 Mo, Zr 및 지지전해질로 사용된 SO₄ ^2-는 음극방으로 전혀 이동되지 않고 양극방에 잔류함을 확인할 수 있었다.

상기의 실시예 1 및 실시예 2 의 실시 결과로부터 도 1 과 같이 구성된 전해 계를 사용함으로서 금속이온 및 용해성 유기물 등의 불순물을 함유한 탄산염 용액으로부터 탄산염과 불순물을 회수할 수 있음을 알 수 있다.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

도 1 은 본 발명에 따른 구성을 보인 개략도

도 2 는 pH 변환에 따른 탄산염 이온의 변화특성을 보인 예시도

도 3 은 실시예 1 에 따른 양극 방과 흡수탑 하부에서의 시간에 따른 pH 와 셀 전압의 변화를 보인 실시예도

도 4 는 실시예 1 에 따른 양극방과 이산화탄소 흡수탑 하부에서의 시간에 따른 탄산농도 변화를 보인 실시예도

도 5 는 실시예 2 에 따른 양극방과 이산화탄소 흡수탑 하부에서의 시간에 따른 pH 와 셀 전압의 변화를 보인 실시예도

도 6 은 실시예 2 에 따른 양극방과 이산화탄소 흡수탑 하부를 나오는 용액의 시간에 따른 탄산농도 변화를 보인 실시예도를

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

(1) : 양이온 교환막 (2) : 전해조 음극방

(3) : 전해조 양극방 (4) : 기-액 분리기

(5) : 가스 흡수탑 (6) : 용액혼합기

(7) : 전해조

Claims (8)

1. 양이온 교환막을 가지는 전해조의 양극방으로 금속이온 또는 용해성 유기물로 오염된 탄산염 용액을 주입하는 탄산염용액 주입단계;

   탄산염 용액이 주입된 전해조에서 물 분해반응을 진행하여 양극방을 산성화하고, 음극방을 알카리화하는 물 분해단계;

   물 분해반응에 의해 양극방에서 발생된 이산화탄소를 전해조 외부에 설치된 가스 흡수탑 하부로 이동시키는 이산화탄소 배출단계;

   이산화탄소의 배출에 따른 탄산염 구성 양이온의 음극방이동 및 물 분해반응에 의해 강한 알카리 용액으로 형성된 음극용액을 가스 흡수탑 상부에서 하부방향으로 흐르도록 상부로 주입하는 알칼리용액 주입단계;

   흡수탑 내로 주입된 알칼리용액과 이산화탄소의 반응에 의해 생성된 탄산염이온이 이산화탄소 흡수탑 하부를 통해 배출되는 탄산염 회수-배출 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 오염 탄산용액의 재생방법.
2. 청구항 1 에 있어서;

   전해조의 음극방에는 양극방으로 주입되는 탄산염 용액을 구성하는 양이온 성분을 구비한 약알카리 용액이 주입되는 것을 특징으로 하는 오염 탄산용액의 재생방법.
3. 청구항 1 에 있어서;

   탄산염용액 주입단계는 양극방에 주입되는 2가 이상의 금속이온 또는 용해성 유기물을 불순물을 가지는 탄산염 용액에 반응에 참여하지 않은 지지 전해질 (Supporting electrolyte)을 소량 혼합하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 오염 탄산용액의 재생방법.
4. 청구항 1 에 있어서;

   물 분해단계는 전해조의 물을 분해하여, 양극방에서의 pH 를 pH 4 이하로 낮추는 것을 특징으로 하는 오염 탄산용액의 재생방법.
5. 청구항 1 에 있어서;

   가스 흡수탑내에서 흡수탑 하부로 주입되는 이산화탄소는 가스 흡수탑 내에서 흡수탑 상부로 주입되는 알카리 용액과 접촉하여, 강 알카리 용액의 수산화 이온에 의해 탄산염 이온(HCO₃ ^-, CO₃ ^2-)으로 변환되는 것을 특징으로 하는 오염 탄산용액의 재생방법.
6. 양이온 교환막을 구비하고, 양극방으로 대상 탄산염용액이 주입되며, 음극방으로 약 알카리액이 주입되는 전해조와,

   상기 전해조의 양극방과 연결되는 기-액분리기와,

   상기 기액분리기와 하부가 연결되고, 전해조의 음극방이 상부에 연결되는 가스 흡수탑을 포함하는 것을 특징으로 하는 오염 탄산용액의 재생장치.
7. 청구항 6 에 있어서;

   상기 전해조의 양극방에는 대상 탄산염 용액과 지지 전해 용액을 혼합하기 위한 용액혼합기가 더 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 오염 탄산용액의 재생장치.
8. 청구항 6 에 있어서;

   상기 가스 흡수탑은 실리카가 충진된 가스 흡수탑인 것을 특징으로 하는 오염 탄산용액의 재생장치.

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