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이온성 액체를 이용한 메탄 하이드레이트 생성 촉진효과 연구
Study on the Promotion Effect of Ionic Liquid on CH4 Hydrate Formation 원문보기

Korean chemical engineering research = 화학공학, v.51 no.4, 2013년, pp.500 - 505  

신주영 (한양대학교 화학공학과) ,  김기섭 (한국교통대학교 화공생물공학과) ,  강성필 (한국에너지기술연구원 온실가스연구단) ,  문성용 (한양대학교 화학공학과)

초록
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본 연구에서는 가스 하이드레이트 생성 시 첨가된 이온성 액체가 미치는 생성속도의 향상효과를 조사하였다. 이온성 액체로는 Hydroxyethyl-methyl-morpholinium chloride (HEMM-Cl)을 사용하였다. 메탄 하이드레이트상평형 곡선을 구하고 생성유도시간과 메탄가스의 소모량을 측정하였다. 20~20,000 ppm의 HEMM-Cl을 준비하여 하이드레이트가 생성될 수 있는 70 bar, 274.15 K 조건에서 실험을 수행하였다. 하이드레이트 생성 속에 대한 비교를 위해 순수한 물과 대표적인 촉진제인 sodium dodecyl sulfate를 같은 조건에서 실험하였다. 실험 결과, 이온성 액체인 HEMM-Cl은 상평형 곡선을 더 높은 압력과 낮은 온도 쪽으로 이동시켰다. 이온성 액체의 첨가 시에는 메탄 하이드레이트의 생성유도시간이 거의 나타나지 않는 것을 알 수 있었다. 메탄가스의 소모량은 모든 농도에서 향상되었고 1,000 ppm에서 가장 많은 양의 가스를 흡수하는 것으로 나타났다. 이온성 액체는 가스 하이드레이트 생성 촉진을 유도하는 것으로 나타났으며 가스저장, 수송 등의 응용기술 개발에 적용이 기대된다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this study, we investigated the kinetics of gas hydrate formation in the presence of ionic liquid (IL). Hydroxyethyl-methyl-morpholinium chloride (HEMM-Cl) was chosen as a material for the promotion effect test. Phase equilibrium curve for $CH_4$ hydrate with aqueous IL solution was ob...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 연구는 이온성 액체인 hydroxyethyl methyl morpholinium chloride(HEMM-Cl)이 메탄 하이드레이트 생성에 미치는 영향에 대해 조사하였다. 이온성 액체의 존재 하에 하이드레이트-물-기체(Hydrate-Liquid-Vapor, HLV)로 이루어지는 삼상평형 해리곡선(equilibrium curve)을 구하고 생성유도시간과 메탄 하이드레이트의 가스 소모량을 측정하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
하이드레이트를 여러 상업적 공정으로 응용하는데 있어 어떤 난제가 있는가? 가스 하이드레이트 생성 반응의 낮은 전환율과 생성속도는 하이드레이트를 여러 상업적 공정으로 응용하는데 있어 해결해야 할 난제로 지목된다. 가스 하이드레이트의 생성 효율을 높이기 위해서 여러 가지 시도가 있었는데, 하이드레이트 생성 시 물을 교반 해주거나 가스 상에 물을 분사시켜 물과 가스의 접촉 면적을 높여 빠른 생성을 유도하는 방법이 있다[7-9].
본 실험에서 이온성 액체를 첨가한 가스 하이드레이트의 생성 시 HLV 삼상평형 해리곡선과 생성유도시간을 측정하고 메탄가스의 소모량을 구하여 이온성 액체가 하이드레이트 생성에 미치는 영향을 살펴본 결과는 어떠한가? (1) HEMM-Cl 10 wt%를 첨가해 준 메탄 하이드레이트의 HLV 삼상평형 해리곡선을 측정하였다. 순수한 물에서의 메탄 하이드레이트 HLV 해리곡선과 비교하여 왼쪽으로 이동한 곡선을 보여준다. (2) 순수한 물에서의 메탄 하이드레이트 생성율과 비교해보면 HEMM-Cl의 첨가에 의해 메탄가스의 소모량은 모든 농도에서 향상된 효과를 보였다. (3) 하이드레이트 촉진제로 잘 알려진 SDS와 HEMM-Cl를 20, 100, 200, 500, 1,000 ppm 세 개의 농도에서 비교하였다. SDS의 메탄가스 소모량은 HEMM-Cl 보다 비교적 높은 편이나 생성유도시간은 매우 길게 나온 반면 HEMM-Cl은 생성유도시간이 매우 짧은 수분이내의 결과를 나타냈다.
가스 하이드레이트는 무엇인가? 가스 하이드레이트는 고압과 저온에서 물분자의 수소결합으로 인해 형성된 3차원의 격자구조에 메탄, 에탄 같이 크기가 작은 가스분자들이 포집된 결정체이다. 가스 하이드레이트는 가스의 종류, 분자 직경에 따라 크기가 다른 세 가지의 구조-(s), 구조-(s), 구조-H(sH)를 형성한다 [1].
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참고문헌 (23)

  1. Sloan, E. D., Clathrate Hydrate of Natural Gases, 3rd ed., CRC Press, Boca Raton, FL(2008). 

  2. Seol, J. and Lee, H., "Natural Gas Hydrate as a Potential Energy Resource: From Occurrence to Production," Korean J. Chem. Eng., 30(4), 771-786(2013). 

  3. Kang, S. P. and Lee, J. W., "Study on Characteristics of $CO_{2}$ Hydrate Formation Using Micro-sized Ice," Korean Chem. Eng. Res. (HWAHAK KONGHAK), 50(4), 690-695(2012). 

  4. Clarke, M. A. and Bishnoi, P. R., "Measuring and Modeling the Rate of Decomposition of Gas Hydrates Formed from Mixtures of Methane and Ethane," Chem. Eng. Sci., 56(16), 4715-4724(2001). 

  5. Handa, Y., "Calorimetric Determination of the Compositions, Enthalpies of Dissociation and Heat Capacities in the Range of 80-270 K for Clathrate Hydrates of Xenon and Krypton," J. Chem. Thermodyn., 18(9), 891-902(1986). 

  6. Gudmundsson, J. S., Khodakar, A. A. and Parlaktuna, M., "Storage of Natural Gas as Frozen Hydrate," The 67th Annual Technical Conference and Exhibition of SPE, October, Washington DC (1992). 

  7. Daimaru, T., Yamasaki, A. and Yanagisawa, Y., "Effect of Surfactant Carbon Chain Length on Hydrate Formation Kinetics," Chem. Eng. Sci., 56(1-3), 89-96(2007). 

  8. Vysniauskas, A. and Bishnoi, P. R., "A Kinetic Study of Methane Hydrate Formation," Chem. Eng. Sci., 38(7), 1061-1972(1983). 

  9. Narita, H. and Uchida, T., "Studies on Formation/Dissociation Rates of Methane Hydrates," Second International Conference on NGH, Toulouse, France(1996). 

  10. Ohmura, R., Kashiwazaki, S., Shiota, S., Tsuji, H. and Mori, Y. H., "Structure-I and Structure-H Hydrate Formation Using Water Spraying," Energy Fuels, 16(5), 1141-1147(2002). 

  11. Kalogerakis, N., Jamaluddin, A. K. M., Dholabhai, P. D. and Bishnoi, P. R., "Effect of Surfactants on Hydrate Formation Kinetic," SPE International Symposium on Oilfield Chemistry, New Orleans, LA(1993). 

  12. Khokhar, A. A., Gudmundsson, J. S. and Sloan, E. D., "Gas Storage in Structure H Hydrates," Fluid Phase Equilib., 151-152, 383- 392(1998). 

  13. Han, X., Wang, S., Chen, X. and Liu, F., "Surfactant Accelerates Gas Hydrate Formation," 4th International Conference on Gas Hydrates, Yokohama, Japan(2002). 

  14. Guo, Y., Fan, S., Guo, K. and Chen, Y., "Storage Capacity of Methane in Hydrate Using Calcium Hypochlorite as Additive," 4th International Conference on Gas Hydrates, Yokohama, Japan(2002). 

  15. Sun, Z., Wang, R., Ma, R., Guo, K. and Fan, S., "Natural Gas Storage in Hydrate with the Presence of Promoters," Energy Conv. Manag., 44(17), 2733-2742(2003). 

  16. Zhang, C. S., Fan, S. S., Liang, D. Q. and Guo, K, H., "Effect of Additives on Formation of Natural Gas Hydrate," Fuel, 83(16), 2115-2121(2004). 

  17. Ganji, H., Manteghian, M., Sadaghiani, zadeh, K., Omidkhah, M. R. and Rahimi Mofrad, H., "Effect of Different Surfactants on Methane Hydrate Formation Rate, Stability and Storage Capacity," Fuel, 86(3), 434-441(2007). 

  18. Daimaru, T., Yamasaki, A. and Yanagisawa, Y., "Effect of Surfactant Carbon Chain Length on Hydrate Formation Kinetics," J. Petrol. Sci. Eng., 56(1-3), 89-96(2007). 

  19. Chen, Q., Yu, Y., Zeng, P., Yang, W., Liang, Q., Peng, X., Liu, Y. and Hu, Y., "Effect of 1-butyl-3-methylimidazolium Tetrafluoroborate on the Formation Rate of $CO_{2}$ Hydrate," J. Nat. Gas Chem., 17(3), 264-267(2008). 

  20. Makino, T., Matsumoto, Y., Sugahara, T., Ohgaki, K. and Masuda, H., "Effect of Ionic Liquid on Hydrate Formation Rate in Carbon Dioxide Hydrates," 7th International Conference on Gas Hydrates, Edinburgh, UK(2011). 

  21. Zhong, Y. and Rogers, R. E., "Surfactant Effects on Hydrate Formation," Chem. Eng. Sci., 55(19), 4175-4187(2000). 

  22. Kwon, Y. A., Park, J. M., Jeong, K. E., Kim, C. U. Kim, T. W., Chae, H. J., Jeong, S. Y., Yim, J. H., Park, Y. K. and Lee, J. D., "Synthesis of Anionic Multichain Type Srrfactant and Its Effect on Methane Gas Hydrate Formation," J. Ind. Eng. Chem., 17(1), 120-124(2011). 

  23. Deaton, W. M. and Frost, E. M., "Gas Hydrates and Their Relation to the Operation of Natural Gas Pipelines," Monograph, American Gas Association(1946). 

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