산업계에서는 혼합가스 중 CO2를 선택적으로 제거하기 위해 1960년부터 통상적으로 화학 흡수제인 아민 수용액을 사용하고 있다. 기존의 아민 수용액은 CO2 흡수 후 흡수제 재생에너지양이 많기 때문에 지구온난화 문제를 해결하기 위한 목적으로 사용하기에는 부적합하다. 따라서 CO2 고정 배출원에서 대량의 CO2를 포집하기 위해서는 CO2를 흡수한 아민 수용액의 재생에너지를 낮출 수 있는 흡수제 및 공정 개발이 시급하다. 최근에 아민 수용액의 재생에너지를 줄이기 위한 방법 중 하나로 화학상전이 ...
산업계에서는 혼합가스 중 CO2를 선택적으로 제거하기 위해 1960년부터 통상적으로 화학 흡수제인 아민 수용액을 사용하고 있다. 기존의 아민 수용액은 CO2 흡수 후 흡수제 재생에너지양이 많기 때문에 지구온난화 문제를 해결하기 위한 목적으로 사용하기에는 부적합하다. 따라서 CO2 고정 배출원에서 대량의 CO2를 포집하기 위해서는 CO2를 흡수한 아민 수용액의 재생에너지를 낮출 수 있는 흡수제 및 공정 개발이 시급하다. 최근에 아민 수용액의 재생에너지를 줄이기 위한 방법 중 하나로 화학상전이 흡수법이 주목을 받고 있다. 화학상전이 흡수법은 CO2 흡수 반응 시 흡수제가 두 개의 화학상으로 분리되는 현상을 이용하는 것으로써, CO2 농도가 높은 하부 상만 분리하여 재생해 사용하므로 전체 공정 중 재생에너지를 혁신적으로 낮출 수 있다. 본 연구논문에서는 화학상전이 흡수제의 CO2 흡수특성과 재생특성을 알아보기 위해 반회분식 장치를 사용하여 다양한 성능지표 중 CO2 흡수속도와 흡수능 그리고 effective CO2 loading을 구하였다. 흡수제의 흡수반응 메커니즘 분석을 위해 1H와 13C NMR을 이용하여 흡수 전후의 화학종을 분류하였다. 본 연구논문의 실험 결과를 다음과 같이 정리하였다. 1. 화학상전이 흡수제의 용질로는 CO2 흡수능이 우수한 아민, 용매로는 화학상분리를 잘 유발시키는 알코올을 선정하였다. 알코올의 탄소 사슬 길이는 CO2 흡수능에 큰 영향을 미치지는 않았으므로 가격, 끓는점, 증기압 등 물성과 상분리도를 고려하여 1-octanol을 최적의 용매로 선정하였다. 2. 화학상전이 흡수제의 용질인 아민은 상용 사슬형 아민인 MEA(Monoethanolamine), DEA(Diethanolamine)와 입체장애형 아민인 AMP(2-Amino-2-methyl-1-propanol), 고리형 아민인 PD(Piperidine), 2MPZ(2-methyl piperazine)를 후보군으로 선택하였다. - MEA를 이용한 실험결과 CO2 흡수 반응 후 알코올 용매 분위기로 인해 가수분해 반응이 진행되지 않아 낮은 CO2 흡수능을 나타냈다. 본 연구에서는 흡수 온도와 재생 온도에서 흡수능의 차이를 의미하는 effective CO2 loading을 재생특성의 척도로 판단하였다. MEA 상전이 흡수제는 온도 변화가 CO2 흡수능에 큰 영향을 주지 않았기 때문에 effective CO2 loading이 낮게 나타나 재생특성이 좋지 않았다. - DEA와 AMP 상전이 흡수제는 MEA 상전이 흡수제보다 불안정안 카바메이트를 형성하기 때문에 흡수특성이 좋지는 않았다. 하지만 반대로 역반응인 CO2 탈거 반응에서의 재생에너지 소모가 적어 재생특성에서의 장점을 나타내었다. - PD 상전이 흡수제는 MEA 상전이 흡수제보다 CO2 흡수속도와 흡수능이 높고, 재생특성이 우수하였다. 하지만 PD 상전이 흡수제는 상분리 현상이 나타나지 않아 화학상전이 흡수제로써 적합하지 않았다. - 2MPZ 상전이 흡수제는 MEA 상전이 흡수제보다 CO2 흡수능과 effective CO2 loading이 높은 것으로 나타났다. 특히 2MPZ 상전이 흡수제는 40-80 ℃의 effective CO2 loading이 평균 0.597로 나타나 실험한 흡수제 후보 물질 중 재생특성이 가장 우수한 흡수제로 판단되었다. 3. 실험 결과 CO2 흡수능, 흡수속도, 재생에너지 등 경제성을 고려하였을 때1-octanol 용매와 2MPZ 용질의 혼합형 화학상전이 흡수제가 가장 우수한 물질 조합이라는 결론을 내렸다.
산업계에서는 혼합가스 중 CO2를 선택적으로 제거하기 위해 1960년부터 통상적으로 화학 흡수제인 아민 수용액을 사용하고 있다. 기존의 아민 수용액은 CO2 흡수 후 흡수제 재생에너지양이 많기 때문에 지구온난화 문제를 해결하기 위한 목적으로 사용하기에는 부적합하다. 따라서 CO2 고정 배출원에서 대량의 CO2를 포집하기 위해서는 CO2를 흡수한 아민 수용액의 재생에너지를 낮출 수 있는 흡수제 및 공정 개발이 시급하다. 최근에 아민 수용액의 재생에너지를 줄이기 위한 방법 중 하나로 화학상전이 흡수법이 주목을 받고 있다. 화학상전이 흡수법은 CO2 흡수 반응 시 흡수제가 두 개의 화학상으로 분리되는 현상을 이용하는 것으로써, CO2 농도가 높은 하부 상만 분리하여 재생해 사용하므로 전체 공정 중 재생에너지를 혁신적으로 낮출 수 있다. 본 연구논문에서는 화학상전이 흡수제의 CO2 흡수특성과 재생특성을 알아보기 위해 반회분식 장치를 사용하여 다양한 성능지표 중 CO2 흡수속도와 흡수능 그리고 effective CO2 loading을 구하였다. 흡수제의 흡수반응 메커니즘 분석을 위해 1H와 13C NMR을 이용하여 흡수 전후의 화학종을 분류하였다. 본 연구논문의 실험 결과를 다음과 같이 정리하였다. 1. 화학상전이 흡수제의 용질로는 CO2 흡수능이 우수한 아민, 용매로는 화학상분리를 잘 유발시키는 알코올을 선정하였다. 알코올의 탄소 사슬 길이는 CO2 흡수능에 큰 영향을 미치지는 않았으므로 가격, 끓는점, 증기압 등 물성과 상분리도를 고려하여 1-octanol을 최적의 용매로 선정하였다. 2. 화학상전이 흡수제의 용질인 아민은 상용 사슬형 아민인 MEA(Monoethanolamine), DEA(Diethanolamine)와 입체장애형 아민인 AMP(2-Amino-2-methyl-1-propanol), 고리형 아민인 PD(Piperidine), 2MPZ(2-methyl piperazine)를 후보군으로 선택하였다. - MEA를 이용한 실험결과 CO2 흡수 반응 후 알코올 용매 분위기로 인해 가수분해 반응이 진행되지 않아 낮은 CO2 흡수능을 나타냈다. 본 연구에서는 흡수 온도와 재생 온도에서 흡수능의 차이를 의미하는 effective CO2 loading을 재생특성의 척도로 판단하였다. MEA 상전이 흡수제는 온도 변화가 CO2 흡수능에 큰 영향을 주지 않았기 때문에 effective CO2 loading이 낮게 나타나 재생특성이 좋지 않았다. - DEA와 AMP 상전이 흡수제는 MEA 상전이 흡수제보다 불안정안 카바메이트를 형성하기 때문에 흡수특성이 좋지는 않았다. 하지만 반대로 역반응인 CO2 탈거 반응에서의 재생에너지 소모가 적어 재생특성에서의 장점을 나타내었다. - PD 상전이 흡수제는 MEA 상전이 흡수제보다 CO2 흡수속도와 흡수능이 높고, 재생특성이 우수하였다. 하지만 PD 상전이 흡수제는 상분리 현상이 나타나지 않아 화학상전이 흡수제로써 적합하지 않았다. - 2MPZ 상전이 흡수제는 MEA 상전이 흡수제보다 CO2 흡수능과 effective CO2 loading이 높은 것으로 나타났다. 특히 2MPZ 상전이 흡수제는 40-80 ℃의 effective CO2 loading이 평균 0.597로 나타나 실험한 흡수제 후보 물질 중 재생특성이 가장 우수한 흡수제로 판단되었다. 3. 실험 결과 CO2 흡수능, 흡수속도, 재생에너지 등 경제성을 고려하였을 때1-octanol 용매와 2MPZ 용질의 혼합형 화학상전이 흡수제가 가장 우수한 물질 조합이라는 결론을 내렸다.
In general, absorption process using an aqueous amine solution is effectively used to remove CO2 from the gas mixtures. However, conventional absorption processes require high energy consumption for CO2 desorption and absorbent regeneration. Recently, a novel absorption technology called chemical ph...
In general, absorption process using an aqueous amine solution is effectively used to remove CO2 from the gas mixtures. However, conventional absorption processes require high energy consumption for CO2 desorption and absorbent regeneration. Recently, a novel absorption technology called chemical phase transitional absorption have emerged. The chemical phase transitional absorbents are separated into a CO2 lean phase and a CO2 rich phase after CO2 absorption. Regeneration energy can be reduced in the process because only the CO2 rich phase is sent to the desorber. The regenerated phase in the desorber is mixed with CO2 lean phase and reinjected into the absorber. This study focuses on the development of new chemical phase transitional absorbents. The performance of the absorbents was estimated absorption characteristics (CO2 absorption capacity and absorption rate) and regeneration characteristics (effective CO2 loading) using a semi-batch type reactor. Speciation of the CO2 loaded absorbents was analyzed by NNR and the results were used to determine the CO2 absorption mechanisms. The results of this study were presented as follows; 1. The solutes, amines having high CO2 absorption capacities and the solvents, alcohols causing chemical transitional separations well were selected and mixed. In the amine + alcohol solutions, chain lengths of alcohols did not have significant effects on CO2 absorption capacities and absorption rates; therefore, the physical properties of the alcohols, such as a high boiling point, low vapor pressure, and low cost of raw materials were considered. 1-octanol was determined as a promising solvent of the absorbents. 2. MEA + alcohol solutions had relatively lower CO2 absorption capacities because bicarbonate/carbonate formation did not occur. Effective CO2 loading is the difference of the absorption capacities between the absorption and the regeneration. MEA phase transitional absorbents had a disadvantage in the regeneration characteristics due to their low effective CO2 loading. The absorption temperature did not affect change on the CO2 loading capacities. 3. DEA + alcohol and AMP + alcohol solutions formed unstable carbamates compared to those of MEA + alcohol solutions; therefore, theses absorbents could have an advantage in reduced regeneration energy. 4. PD phase transitional absorbents had higher absorption rates than those of MEA phase transitional absorbents. PD phase transitional absorbents had high CO2 loading capacities and excellent regeneration characteristics. However, PD + alcohol solutions cannot be used as chemical phase transition absorbents due to their homogeneous phase during CO2 absorption. 5. 2MPZ phase transitional absorbents had excellent absorption characteristics and regeneration characteristics. Particularly, 2MPZ phase transitional absorbents had the highest effective CO2 loading (40-80 ℃). 2MPZ + 1-octanol solutions were the most promising absorbents due to their high CO2 loading capacities, high absorption rates, and liquid-solid phase separation during CO2 absorption.
In general, absorption process using an aqueous amine solution is effectively used to remove CO2 from the gas mixtures. However, conventional absorption processes require high energy consumption for CO2 desorption and absorbent regeneration. Recently, a novel absorption technology called chemical phase transitional absorption have emerged. The chemical phase transitional absorbents are separated into a CO2 lean phase and a CO2 rich phase after CO2 absorption. Regeneration energy can be reduced in the process because only the CO2 rich phase is sent to the desorber. The regenerated phase in the desorber is mixed with CO2 lean phase and reinjected into the absorber. This study focuses on the development of new chemical phase transitional absorbents. The performance of the absorbents was estimated absorption characteristics (CO2 absorption capacity and absorption rate) and regeneration characteristics (effective CO2 loading) using a semi-batch type reactor. Speciation of the CO2 loaded absorbents was analyzed by NNR and the results were used to determine the CO2 absorption mechanisms. The results of this study were presented as follows; 1. The solutes, amines having high CO2 absorption capacities and the solvents, alcohols causing chemical transitional separations well were selected and mixed. In the amine + alcohol solutions, chain lengths of alcohols did not have significant effects on CO2 absorption capacities and absorption rates; therefore, the physical properties of the alcohols, such as a high boiling point, low vapor pressure, and low cost of raw materials were considered. 1-octanol was determined as a promising solvent of the absorbents. 2. MEA + alcohol solutions had relatively lower CO2 absorption capacities because bicarbonate/carbonate formation did not occur. Effective CO2 loading is the difference of the absorption capacities between the absorption and the regeneration. MEA phase transitional absorbents had a disadvantage in the regeneration characteristics due to their low effective CO2 loading. The absorption temperature did not affect change on the CO2 loading capacities. 3. DEA + alcohol and AMP + alcohol solutions formed unstable carbamates compared to those of MEA + alcohol solutions; therefore, theses absorbents could have an advantage in reduced regeneration energy. 4. PD phase transitional absorbents had higher absorption rates than those of MEA phase transitional absorbents. PD phase transitional absorbents had high CO2 loading capacities and excellent regeneration characteristics. However, PD + alcohol solutions cannot be used as chemical phase transition absorbents due to their homogeneous phase during CO2 absorption. 5. 2MPZ phase transitional absorbents had excellent absorption characteristics and regeneration characteristics. Particularly, 2MPZ phase transitional absorbents had the highest effective CO2 loading (40-80 ℃). 2MPZ + 1-octanol solutions were the most promising absorbents due to their high CO2 loading capacities, high absorption rates, and liquid-solid phase separation during CO2 absorption.
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