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아민 함침 입자상 활성탄의 특성 분석 및 이산화탄소 흡착능 평가연구
Adsorption of Carbon Dioxide using Pelletized AC with Amine impregnation 원문보기

한국유화학회지 = Journal of oil & applied science, v.30 no.1, 2013년, pp.88 - 95  

임윤희 (경희대학교 환경응용과학과) ,  조영민 (경희대학교 환경응용과학과) ,  김승호 (강원대학교 공학대학 환경공학과)

초록
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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.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

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 ...

주제어

AI 본문요약
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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.
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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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참고문헌 (21)

  1. 임윤희, 이경미, 이헌석, 조영민, " $CO_{2}$ 흡착제의 전처리 온도에 따른 흡착능 평가", 한국대기환경학회지, 26(3), 286 (2010). 

  2. 김기홍, 임윤희, 조영민, "실내공간의 저농도 이산화탄소 흡착포집에 대한 등온흡착모델연구", 7(2), 113 (2010). 

  3. 홍미소, Sharma Pankaj, 정윤화, 박성열, 박소진, 백일현, " 아민 함침 성형 제올라이트 흡착제를 이용한 이산화탄소 분리", 50(2), 244 (2012). 

  4. Hutson, N.D., Speakman, S.A. and Payzant, E.A., "Structural effects on the high-temperature absorption of $CO_{2}$ on a synthetic hydrotalcite", Chem. Mater., 16(21), 4135 (2004) 

  5. 이경미, 조영민, " 화학처리된 흡착제의 이산 화탄소 흡착 특성에 관한 연구", 한국공업화학회, 19(5), 533 (2008) 

  6. 임현희, 임윤희, 조영민, "이산화탄소 흡착포집을 위한 다공성 활성탄 개질 연구", 한국실내환경학회지, 9(1), 9 (2012). 

  7. Riley, P.E. and Seff, K., "Crystallographic evidence for hydrolysis in zeolite. Structure of hydrated partially cobalt(II)-exchanged zeolite A, Journal of Physical Chemistry, 79(15), 1594 (1975). 

  8. 정헌도, 김동식, 김권일, "이온교환된 제올라이트 흡착제의 질소 및 산소 흡착 특성 연구", 한국공업화학회, 16(1), 123 (2005). 

  9. Harlick, P.J.E. and Sayari, A., "Applications of Pore-expanded mesoporous silicas. 3. Triamine silane grafting for enhanced $CO_{2}$ adsorption", Ind. Eng. Chem. Res., 45, 3248 (2006). 

  10. Pevida, C., Plaza, M.G., Arias, B., Fermoso, J., Rubiera, F. and Pis, J.J., "Surface modification of activated carbons for $CO_{2}$ capture", Applied Surface Science, 254(22), 7165 (2008). 

  11. Lee, K.M., Lim, Y.H., Park, C.J. and Jo, Y.M., "Adsorption of Low-level $CO_{2}$ Using Modified Zeolites and Activated Carbon", Ind. Eng. Chem. Res., 51, 1355 (2012). 

  12. Lu, C., Bai, H., Su, F., Chen, W., Hwang, J.F. and Lee, H.H., ", J. Air & Waste Manage. Assoc., 60, 489 (2010). 

  13. Xu, X., Song, C., Miller, B.G. and Scaroni, A.W., "Adsorption Separation of Carbon Dioxide from Fule Gas of Natural Gas-fired Boiler by a Novel Nanoporous 'molecular basket' Adsorbent", Fuel Process. Technol., 86, 1457 (2005). 

  14. 박창원, 김기중, 안근호, "다양한 산으로 처리한 활성탄의 암모니아 흡착성능", 공학기술논문지, 1(1), 39 (2008). 

  15. 박예원, 백일현, 박상도, 이재욱, 박소진, "MEA(monoethanolamine) 함침 메조포러스 물질을 이용한 $CO_{2}$ 회수", 한국화학공학, 45(6), 573 (2007). 

  16. 장동일, 조기숙, 박수진, "아민 처리가 탄소나노튜브의 이산화탄소 흡착거동에 미치는 영향", 한국공업화학회, 20(6), 658 (2009). 

  17. Plaza, M.G., Pevida, C., Arenillas, A., Rubiera, F. and Pis, J.J., 86, 2204 (2007). 

  18. 임윤희, 박영구, 조영민, "이산화탄소 흡수를 위한 글리신 금속염의 특성 연구", 한국공업화학회, 23(3), 284 (2012). 

  19. Arenillas, A., Smith, K.M., Drage, T.C. and Snape, C.E., Fuel, 84, 2004 (2005). 

  20. Diaz, E., Munoz, E., Vega, A. and Ordonez, S., "Enhancement of the $CO_{2}$ retention capacity of Y zeolites by Na and Cs treatments: effect of adsorption temperature and water treatment", Ind. Eng. Chem. Res., 47(2), 412 (2008). 

  21. Beruto, D., Botter, R. and Searcy, A.W., "Thermodynamics and kinetics of carbon dioxide chemisorption on calcium oxide", The Journal of Physical Chemistry, 88, 4052(1984). 

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