본 연구는 1차 아민(MEA, monoethanolamine)으로 개질한 입자상 활성탄(WSC-470)을 이용하여 실내 저농도 이산화탄소를 제거하고자 하였다. MEA 함침농도(6.1~42.7 wt.%)와 용매제(distillate water, ethanol, methanol) 종류에 따라 제조된 흡착제의 특성분석(BET, pore property, XPS)과 각 흡착제의 $CO_2$가스에 대한 최대 흡착능, 3000 ppm의 저농도 $CO_2$분위기에서의 흡착량을 측정하였다. MEA 농도가 증가할수록 물리적 특성인 비표면적, 공극률, 미세기공률 등은 감소한 반면, 표면 염기도 향상에 기여하는 질소 함량은 증가하였다. 이러한 물성변화로 인해 최대 흡착능은 초기 활성탄(RAC: 3.27 mmol/g) 대비 최대 71%(AC-MM(42.7, 40): 0.937 mmol/g)가 감소한 반면, 저농도 이산화탄소에 대한 선택적 흡착량은 45%(AC-MM(15.3, 40): 0.73 mmol/g)의 향상을 보였다.
본 연구는 1차 아민(MEA, monoethanolamine)으로 개질한 입자상 활성탄(WSC-470)을 이용하여 실내 저농도 이산화탄소를 제거하고자 하였다. MEA 함침농도(6.1~42.7 wt.%)와 용매제(distillate water, ethanol, methanol) 종류에 따라 제조된 흡착제의 특성분석(BET, pore property, XPS)과 각 흡착제의 $CO_2$가스에 대한 최대 흡착능, 3000 ppm의 저농도 $CO_2$분위기에서의 흡착량을 측정하였다. MEA 농도가 증가할수록 물리적 특성인 비표면적, 공극률, 미세기공률 등은 감소한 반면, 표면 염기도 향상에 기여하는 질소 함량은 증가하였다. 이러한 물성변화로 인해 최대 흡착능은 초기 활성탄(RAC: 3.27 mmol/g) 대비 최대 71%(AC-MM(42.7, 40): 0.937 mmol/g)가 감소한 반면, 저농도 이산화탄소에 대한 선택적 흡착량은 45%(AC-MM(15.3, 40): 0.73 mmol/g)의 향상을 보였다.
This study attempts to capture the low level carbon dioxide from indoor spaces using a granular activated carbon (WSC-470) which was modified with primary monoethanolamine. Adsorption capacity of the prepared adsorbents was evaluated for pure $CO_2$ flow and 3000 ppm as a function of MEA ...
This study attempts to capture the low level carbon dioxide from indoor spaces using a granular activated carbon (WSC-470) which was modified with primary monoethanolamine. Adsorption capacity of the prepared adsorbents was evaluated for pure $CO_2$ flow and 3000 ppm as a function of MEA concentration and solvents such as distilled water, ethanol and methanol. The AC based adsorbents then were characterized in terms of pore structure by BET and chemical functionalities by XPS. While high concentration of MEA reduced specific surface area, porosity and micro pores, nitrogen content which can enhance the surface basicity was increased. The maximum adsorption capacity decreased comparing to the initial AC pellets, whilst the potential of selective adsorption amount at low level $CO_2$ was increased at 45% (0.73 mmol/g).
This study attempts to capture the low level carbon dioxide from indoor spaces using a granular activated carbon (WSC-470) which was modified with primary monoethanolamine. Adsorption capacity of the prepared adsorbents was evaluated for pure $CO_2$ flow and 3000 ppm as a function of MEA concentration and solvents such as distilled water, ethanol and methanol. The AC based adsorbents then were characterized in terms of pore structure by BET and chemical functionalities by XPS. While high concentration of MEA reduced specific surface area, porosity and micro pores, nitrogen content which can enhance the surface basicity was increased. The maximum adsorption capacity decreased comparing to the initial AC pellets, whilst the potential of selective adsorption amount at low level $CO_2$ was increased at 45% (0.73 mmol/g).
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문제 정의
본 연구는 상용 흡착제와 MEA로 함침한 흡착제의 100% 이산화탄소(pure CO2)에 대한 최대 흡착능과 저농도 3000 ppm에 대한 이산화탄소 선택도를 평가하였다.
본 연구는 저농도 이산화탄소에 대한 선택적 흡착량 향상을 위하여 활성탄 표면을 1차 아민인 MEA로 개질하였다. 개질한 흡착제의 물성분석을 통해 흡착에 기여하는 물리, 화학적 특성을 관찰하였으며, 흡착제가 지닌 최대 흡착능(pure CO2) 과 3000 ppm의 저농도 이산화탄소에 대한 선택적 흡착량을 비교, 분석하였다.
본 연구에서는 실내환경에서 발견되는 저농도 이산화탄소를 선택적으로 분리하기 위하여, 높은 알칼리도를 나타내는 1차 아민인 MEA를 선정하여 다공성 활성탄을 개질하였다. 습식 함침법을 이용하여 코코넛 기반의 상용 활성탄을 개질한 결과 MEA의 농도가 증가할수록 비표면적과 공극률 및 micropore 부피비율이 크게 저하되었고, pore size는 크게 증가하였다.
제안 방법
본 연구는 저농도 이산화탄소에 대한 선택적 흡착량 향상을 위하여 활성탄 표면을 1차 아민인 MEA로 개질하였다. 개질한 흡착제의 물성분석을 통해 흡착에 기여하는 물리, 화학적 특성을 관찰하였으며, 흡착제가 지닌 최대 흡착능(pure CO2) 과 3000 ppm의 저농도 이산화탄소에 대한 선택적 흡착량을 비교, 분석하였다.
흡착반응기 전단에 흡습용 실리카겔이 채워진 수분트랩을 설치함으로써 공급되는 공기 중의 수분을 제거하였다. 공급되는 가스는 MFC(MKP, TSC-110)를 이용하여 공급량 및 농도를 조절하였다. 흡착층을 통과한 이산화탄소의 농도는 전용 분석기(SenseAir, ASEN ALARM)를 이용하여 측정하였고, 측정된 데이터는 컴퓨터로 실시간 저장되었다.
제조한 흡착제의 이산화탄소 흡착량 측정은 2가지 방법에 의해 평가하였다. 이산화탄소에 대한 최대 흡착능을 확인하기 위하여 100% CO2분위기에서 BET를 이용하여 상온 및 0℃에서의 흡착 용량을 측정하였다. 저농도 3000 ppm(0.
제조한 흡착제의 이산화탄소 흡착량 측정은 2가지 방법에 의해 평가하였다. 이산화탄소에 대한 최대 흡착능을 확인하기 위하여 100% CO2분위기에서 BET를 이용하여 상온 및 0℃에서의 흡착 용량을 측정하였다.
코코넛 기반의 상용 활성탄(WSC-470, Cargon)에 습식 함침법을 적용하여 시험용 흡착제를 제조하였다. 활성탄입자의 염기도 향상을 위하여 1차 아민(MEA, Yakuri)을 선정하였으며, 표면의 고른 염기점 향상과 제조시간 단축을 위하여 로터리 증발기로 감압 농축시켰다. 아민 수용액은 무게비율로 6.
흡착제의 흡착성능에 가장 큰 영향을 미치는 요소인 비표면적 및 기공특성을 분석하기 위하여 질소 흡,탈착법을 이용한 BET 측정기(BEL SORP-mini Ⅱ, Japan)를 사용하였다. 활성탄표면에서의 조성변화 및 화학적 작용기는 XPS(Thermo Electron, K-Alpha)와 FTIR을 이용하여 확인하였다.
2에서와 같이 고정층 반응기를 준비하였다. 흡착층으로 상향 흐름이 되도록 구성하였고, 이산화탄소 표준가스를 공기로 희석시켜 유입 가스 농도를 3000 ppm으로 조절하였다. 흡착반 응기는 스텐레스 재질로 내경 10 mm의 실린더 형으로 제작하여 5g의 흡착제를 충진한 후 실험하였다.
공급되는 가스는 MFC(MKP, TSC-110)를 이용하여 공급량 및 농도를 조절하였다. 흡착층을 통과한 이산화탄소의 농도는 전용 분석기(SenseAir, ASEN ALARM)를 이용하여 측정하였고, 측정된 데이터는 컴퓨터로 실시간 저장되었다.
대상 데이터
활성탄입자의 염기도 향상을 위하여 1차 아민(MEA, Yakuri)을 선정하였으며, 표면의 고른 염기점 향상과 제조시간 단축을 위하여 로터리 증발기로 감압 농축시켰다. 아민 수용액은 무게비율로 6.1에서 42.7%의 비율로 제조하였으며, 이때 용매제에 따른 영향을 확인하기 위하여 증류수, 에탄올 그리고 메탄올을 이용하여 아민 수용액을 준비하였다. 제조방법은 Fig.
비표면적은 입자의 세공크기나 공극률에 따라 주로 결정되며, 흡착능과 밀접한 관계가 있다. 지지체인 상용 활성탄(RAC)의 비표면적은 1,238.9 m2/g이고, 기공부피는 0.524 cm3/g으로 측정되었다. 상용 활성탄 대비 MEA가 함침된 활성탄의 경우 모두 비표면적과 기공부피가 감소하는 것을 확인할 수 있다.
코코넛 기반의 상용 활성탄(WSC-470, Cargon)에 습식 함침법을 적용하여 시험용 흡착제를 제조하였다. 활성탄입자의 염기도 향상을 위하여 1차 아민(MEA, Yakuri)을 선정하였으며, 표면의 고른 염기점 향상과 제조시간 단축을 위하여 로터리 증발기로 감압 농축시켰다.
이론/모형
흡착제의 흡착성능에 가장 큰 영향을 미치는 요소인 비표면적 및 기공특성을 분석하기 위하여 질소 흡,탈착법을 이용한 BET 측정기(BEL SORP-mini Ⅱ, Japan)를 사용하였다. 활성탄표면에서의 조성변화 및 화학적 작용기는 XPS(Thermo Electron, K-Alpha)와 FTIR을 이용하여 확인하였다.
성능/효과
27 mmol/g로 가장 높은 이산화탄소 흡착능을 확인할 수 있다. MEA가 함침된 흡착제의 경우 RAC 대비 최소 22%(AC-MM(6.1, 40): 2.05 mmol/g)에서 최대 71%(AC-MM(42.7, 40):0.937 mmol/g)의 흡착량이 감소하였다. 이는 흡착제에 있어서 가장 큰 비중을 차지하는 비표면적과 공극률의 감소로 인해 이산화탄소에 대한 물리적 흡착능이 감소한 것으로 사료된다.
016 mmol/g)을 보여준다. MEA로 개질한 흡착제의 경우 비표면적이 낮음에도 불구하고, 최소 7.8%(AC-MW(6.1, 40):0.14 mmol/g)에서 최대 44.8%(AC-MM(15.3, 40): 0.73 mmol/g)의 흡착량 증가를 확인할 수 있었다. 이는 앞서 분석한 XPS 결과에서 보여주었듯이 표면 염기도 향상에 의한 화학적 흡착이 관여한 것으로 사료되며, 저농도 이산화탄소용 흡착제로서 활용성이 높음을 알 수 있다.
이러한 질소 함량의 증가는 약산성을 띠는 활성탄소에 염기성을 증가시켜 준다[16,17]. 결과적으로 식(2)와 같이 MEA에 의한 표면 질소 함량의 증가는 약간 산성을 띠는 이산화탄소와의 화학적 결합을 유도하여 저농도 분위기의 이산화탄소에 대한 선택도를 향상시켜 줄 것으로 사료된다[18,19].
본 연구에서는 실내환경에서 발견되는 저농도 이산화탄소를 선택적으로 분리하기 위하여, 높은 알칼리도를 나타내는 1차 아민인 MEA를 선정하여 다공성 활성탄을 개질하였다. 습식 함침법을 이용하여 코코넛 기반의 상용 활성탄을 개질한 결과 MEA의 농도가 증가할수록 비표면적과 공극률 및 micropore 부피비율이 크게 저하되었고, pore size는 크게 증가하였다. 특히 42.
활성탄은 특히 MEA 농도 즉, 함침량이 증가할수록 비표면적이 급격히 감소하는 것을 확인할 수 있다. 용매제에 따른 영향을 비교한 결과 메탄올(AC-MM(6.1))이 711.8 m2/g으로 가장 높은 비표면적을 보여주었다. 이는 물(100℃, AC-MW(6.
937 mmol/g)의 흡착량이 감소를 보였다. 저농도 이산화탄소에 대한 선택적 흡착량의 경우 상용 활성탄은 0.016 mmol/g으로 매우 낮은 흡착량을 보인 반면, 표면 알칼리도가 증가함에 따라 흡착량이 최소 7.8%%(AC-MW(6.1, 40): 0.14 mmol/g)에서 최대 44%%(AC-MM (15.3, 40): 0.73 mmol/g)의 증가 효과를 확인할 수 있었다.
이는 함침물질인 MEA와 용매제가 기공을 덮어 비표면적과 기공부파가 감소한 것으로 사료된다[12,13]. 활성탄은 특히 MEA 농도 즉, 함침량이 증가할수록 비표면적이 급격히 감소하는 것을 확인할 수 있다. 용매제에 따른 영향을 비교한 결과 메탄올(AC-MM(6.
후속연구
이는 고농도의 MEA에 의해 흡착제 표면의 염기도 증가에 의한 화학적 흡착점의 상승으로 인한 것으로 사료된다. 이와 같은 결과를 토대로 화력발전소를 비롯한 연소공정 배가스(약 50℃) 내에 함유된 이산화탄소 처리용으로 활용 가능할 것으로 보여진다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
온실가스 개념의 이산화탄소와 비교했을 때 실내 다중이용 공간 중 이산화탄소의 특징은?
3%)분위기에서의 궁극적인 처리 및 관리가 필요하다[1]. 실내 다중이용 공간 중 이산화탄소는 배가스 내에 포함된 온실가스 개념의 이산화탄소와 달리 농도와 온도는 낮지만 발생 후 대기 중에서 자연적으로 쉽게 분해 또는 희석되지 않는다[2,3]. 이산화탄소를 제어하는 방법은 흡수법, 막분리법, 증류법, 흡착법 등이 있지만, 저농도 이산화탄소의 상온제어 방법으로 가장 효과적이고 상용화된 공정은 고체흡착제를 이용한 건식방법이다.
이산화탄소를 제어하는 방법은 어떤 것들이 있는가?
실내 다중이용 공간 중 이산화탄소는 배가스 내에 포함된 온실가스 개념의 이산화탄소와 달리 농도와 온도는 낮지만 발생 후 대기 중에서 자연적으로 쉽게 분해 또는 희석되지 않는다[2,3]. 이산화탄소를 제어하는 방법은 흡수법, 막분리법, 증류법, 흡착법 등이 있지만, 저농도 이산화탄소의 상온제어 방법으로 가장 효과적이고 상용화된 공정은 고체흡착제를 이용한 건식방법이다. 특히 흡착법은 낮은 에너지 요구량과 비용, 넓은 온도와 압력범위에서 사용할 수 있으며, 흡착제의 재사용이 가능한 장점을 가지고 있으며, 흡착 성능 증진에 있어 가장 중요한 흡착제 개발에 관한 연구가 꾸준히 진행되고 있다[4~6].
고체흡착제를 이용한 건식방법에 사용되는 흡착제 중 제올라이트의 장단점은?
주로 이용되는 흡착제는 활성탄과 제올라이트이며, 가스 흡착 분리에 있어 널리 사용되고 있다. 제올라이트는 3차원 pore 구조의 분자체로 높은 흡착력뿐만 아니라 선택성이 높아 이산화틴소를 분리하는데 매우 효과적이다[7,8]. 하지만 제올라이트의 경우 수분에 대한 친화도가 높으며, 개질한 제올라이트의 경우 재생시 높은 에너지가 필요한 단점이 있다[9]. 반면 넓은 비표면적을 가지고 있는 활성탄은 상대적으로 수분의 영향이 크지 않으며, 악취를 비롯한 기체분자에 대한 흡착용량이 크며, 발달된 미세공이 세공표면에 노출되어 있어 흡착속도가 빠른 장점을 가지고 있다[6,10]. 활성탄을 가스상의 오염물질이 혼합된 상태에서 평균 5% 내지 15% 정도의 이산화탄소 흡착능을 가지고 있으나 실내 공기질에 포함되어 있는 이산화탄소는 그 농도가 매우 낮은 문제점을 가지고 있다.
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