염수 전기분해 시스템을 통한 NaHCO3로의 효율적인 CO2 전환

Abstract

본 연구에서는 CO2를 유용한 자원으로 활용하기 위한 염수 전기분해와 CO2 용해 통합 시스템을 고안하였다. 기존의 염수 전기분해 후 다시 CO2를 주입하는 시스템보다 시간과 설비를 단축할 수 있다는 장점을 가지는 통합 시스템에서 CO2를NaHCO3로 다량 전환시킬 수 있는 방법에 대해서 실험하였고, faradaic efficiency에 영향을 주는 요인들을 연구하였다. CO2는 용액에 용해되는 경우 용액의 pH에 따라서 화학종이 달라진다. pH 4이하의 용액은 carbonic acid(H2CO3)로, pH 8.3에서는 bicarbonate(HCO3-)로, pH 12이상의 용액에서는 carbonate (CO32-)로 존재한다. 따라서 시스템의 경제성을 높이는 부가가치 물질인 sodium bicarbonate(NaHCO3)의 생성을 최대로 하기 위해서는 pH를 8.3으로 조절하는 것이 중요하다. 이때 전기화학적으로 물 환원에 의해 생성되는 수산화이온 (OH-)과 CO2가 용해되어 생성되는 수소이온(H+)간의 pH경쟁에 의해 최종pH가 결정되기 때문에 운용 조건에서 CO2의 농도와 유량 그리고 인가 전류의 세기를 조절해야 한다. 또한, 본 논문의 시스템과 해당 조건에서는 생성물이 최대로 생성될 수 있는 최적pH 때문에 음전극으로 물환원에 더 좋은 성능을 보이는 값비싼 platinum을 사용했을 때 보다 저렴한 carbon felt를 사용했을 때 더 높은 faradaic efficiency를 가져 훨씬 더 경제적이다. 하지만 catholyte의 NaHCO3 농도가 증가하면 faradaic efficiency는 감소하였는데, 이는 flow system을 적용해 생성된 NaHCO3 용액을 새로운 catholyte로 교체하면 NaHCO3의 축적을 최소화할 수 있기 때문에 다시 faradaic efficiency를 98 %로 회복할 수 있다. 그리고 faradaic efficiency는 CO2의 용해 반응면적이 크고 CO2의 주입 밀도가 낮을수록 증가하였다. 이 새로운 통합 시스템의 실험결과는 CO2를 효율적으로 전환할 수 있는 자료를 제공하고, 잠재적으로 새로운 CO2 활용기술을 위한 중요역할을 할 수 있다.

CO2 conversion methods such as mineralization, catalyst conversion, electrochemical conversion, and biological conversion are being actively studied to reduce CO2 the cause of global warming. However, there are few data on the efficient conversion of CO2. It is important that the system is simple and economical and also efficient for CO2 conversion. Therefore, in this study, we developed an economical integrated system of brine electrolysis and CO2 dissolution to generate NaHCO3 and analyzed factors affecting the faradaic efficiency, which is the conversion efficiency to NaHCO3. In this system, high faradaic efficiency can be obtained by balancing the CO2 flow rate, the CO2 concentration, the current strength. Also, the faradaic efficiency is increased when the contact area of CO2 with the solution is large. However, the accumulation of produced NaHCO3 lowered the faradaic efficiency, therefore this system is needed for catholyte circulation. These findings provide new insight into efficient, high-performance and inexpensive CO2 conversion system.