지구온난화 방지를 위해 이산화탄소를 제거하는 다양한 방법 중 이산화탄소 포집 및 저장 기술이 가장 유망한 기술로 부각되고 있다. 이산화탄소 포집 및 저장기술이 상용화되기 위해서는 저가의 효율적인 흡수제 개발이 필수적이다. 본 연구에서는 금속 나노입자를 이용하여 이산화탄소 흡수속도를 촉진하는 연구를 수행하였다. 코발트, 아연, 니켈의 세 가지 금속나노입자를 합성하였으며 나노입자 합성 방법 중 습식법과 건식법에 의한 영향을 비교 분석하였다. pH 변화를 이용한 이산화탄소 흡수 속도 측정 결과 습식법으로 제조한 니켈 금속나노입자가 가장 우수한 이산화탄소 흡수 속도 촉진효과를 보였다. 금속 나노입자를 이산화탄소 포집공정에 적용할 경우 흡수탑의 크기를 작게 하여 경제적인 공정 구현이 도움이 될 것으로 기대된다.
지구온난화 방지를 위해 이산화탄소를 제거하는 다양한 방법 중 이산화탄소 포집 및 저장 기술이 가장 유망한 기술로 부각되고 있다. 이산화탄소 포집 및 저장기술이 상용화되기 위해서는 저가의 효율적인 흡수제 개발이 필수적이다. 본 연구에서는 금속 나노입자를 이용하여 이산화탄소 흡수속도를 촉진하는 연구를 수행하였다. 코발트, 아연, 니켈의 세 가지 금속나노입자를 합성하였으며 나노입자 합성 방법 중 습식법과 건식법에 의한 영향을 비교 분석하였다. pH 변화를 이용한 이산화탄소 흡수 속도 측정 결과 습식법으로 제조한 니켈 금속나노입자가 가장 우수한 이산화탄소 흡수 속도 촉진효과를 보였다. 금속 나노입자를 이산화탄소 포집공정에 적용할 경우 흡수탑의 크기를 작게 하여 경제적인 공정 구현이 도움이 될 것으로 기대된다.
With increasing concern about global warming, CCS (Carbon dioxide capture and storage) has attracted much attention as a promising technology for reducing $CO_2$ emission. It is necessary to develop the cost-effective absorbents materials in order to rapid commercialize CCS technologies. ...
With increasing concern about global warming, CCS (Carbon dioxide capture and storage) has attracted much attention as a promising technology for reducing $CO_2$ emission. It is necessary to develop the cost-effective absorbents materials in order to rapid commercialize CCS technologies. In this work, he study for the promotion of absorption rate in $CO_2$ capture system using metal nanoparticle were investigated. Three kinds of metal nanoparticle, cobalt, zinc, and nickel, were prepared by wet and dry method and effect of preparation method on the absorption rate of $CO_2$ were compared. Among the tested using pH method, nickel nanoparticle prepared by wet method showed the most significant improvement of $CO_2$ absorption rate. In case that metal nanoparticle is applied to CCS process, it is expected to be more efficient in $CO_2$ capture process due to reduce the size of absorption tower.
With increasing concern about global warming, CCS (Carbon dioxide capture and storage) has attracted much attention as a promising technology for reducing $CO_2$ emission. It is necessary to develop the cost-effective absorbents materials in order to rapid commercialize CCS technologies. In this work, he study for the promotion of absorption rate in $CO_2$ capture system using metal nanoparticle were investigated. Three kinds of metal nanoparticle, cobalt, zinc, and nickel, were prepared by wet and dry method and effect of preparation method on the absorption rate of $CO_2$ were compared. Among the tested using pH method, nickel nanoparticle prepared by wet method showed the most significant improvement of $CO_2$ absorption rate. In case that metal nanoparticle is applied to CCS process, it is expected to be more efficient in $CO_2$ capture process due to reduce the size of absorption tower.
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문제 정의
니켈, 코발트, 아연의 세 가지 금속 나노입자와 나노 촉매 합성방법에 따른 이산화탄소 흡수속도 촉진 효과를 연구하였다. 세 가지 나노입자 중 니켈 나노입자가 가장 우수한 이산화탄소 흡수속도 촉진 특성을 보였다.
습식법은 건식보다 합성공정을 제어하기 유리하며 공정의 scale-up이 용이하기때문에 나노입자의 대량 생산에 유리할 것으로 판단된다. 본 연구에서는 물에 대한 이산화탄소 흡수 속도에 대한 영향을 고찰하였으며 이를 아민흡수제에 적용할 경우동일한 효과를 얻을 수 있음을 흡수반응식을 이용하여 제시하였다. 본 연구는 초기 연구이나 이를 확대발전 시킬 경우 비용 효과적인 이산화탄소 포집 공정 설치에 유용하게 활용 될 것으로 평가된다.
탈탄산무수화 효소의 경우 고가이며 온도 및 pH 영향이 크기 때문에 이산화탄소 포집공정에 직접 적용하기는 용이하지 않다[7]. 본 연구에서는 흡수제의 다른 특성에는 영향을 미치지 않으면서 흡수속도를 촉진하는 촉진제로서 금속나노입자에 대한 평가를 수행하였다. 특히 금속나노입자의 종류와 합성방법이 이산화탄소 흡수속도에 미치는 영향에 대하여 중점적으로 고찰하였다.
본 연구에서는 흡수제의 다른 특성에는 영향을 미치지 않으면서 흡수속도를 촉진하는 촉진제로서 금속나노입자에 대한 평가를 수행하였다. 특히 금속나노입자의 종류와 합성방법이 이산화탄소 흡수속도에 미치는 영향에 대하여 중점적으로 고찰하였다. 이러한 나노입자는 탈탄산무수화효소와 유사한 형태로 이산화탄소 흡수를 촉진할 것으로 예상되며 온도, pH, 압력에 무관하여 상용공정 적용이 용이할 것으로 기대된다.
제안 방법
그 후 증류수를 이용하여 세척하고 60℃의 진공오븐에서 건조시킨다. 금속나노입자의 형상은 FE-SEM (HitachiS-4800)분석을 통해 확인하였다.
니켈, 코발트 그리고 아연금속 나노입자를 건식법과 습식법으로 각각 제조하였다. 첫 번째로, 건식법을 이용한 제조 방법은 다음과 같다.
본 연구에서 금속나노입자를 이용한 이산화탄소 수화 반응성은 시간에 따른 pH 변화를 이용하여 측정하였다. 이산화탄소가 수용액 혹은 흡수제에 용해될 경우 수소이온이 발생하고 이는 pH를 감소시킨다.
이산화탄소가 수용액 혹은 흡수제에 용해될 경우 수소이온이 발생하고 이는 pH를 감소시킨다. 본 연구에서는 100ms의 감도를 갖는 pH측정기를 이용하여 분석하였다. 실험에 앞서 pH 8의 Tris/HCl 버퍼용액과 이산화탄소 포화용액을 준비한다.
이산화탄소 흡수제의 경우 초기 흡수속도가 흡수탑 설계에 중요 인자로 나타난다. 본 연구에서도 각 나노입자의 수화반응 특성을 명확히 파악하기 위하여 pH 7.0까지의 변화 시간을 비교하였다. 금속 나노입자를 첨가하지 않은 경우 13초의 반응시간이 필요한데 비해 습식방법으로 합성한 니켈 나노입자의 경우 약 8초의 반응시간이 소요되었다.
이렇게 준비한 두 용액을 1:1 부피비로 혼합하여 이산화탄소의 수화반응 속도를 측정하였다. 이때 버퍼용액에 첨가한 금속나노이온은 동일하게 0.1g씩 첨가하였으며, 금속나노이온이 이산화탄소의 수화 반응에 미치는 영향을 평가하기 위한 비교 대조군으로 금속나노입자가 첨가되지 않은 버퍼용액을 사용하였으며 blank라 명명하였다.
이산화탄소 포화용액은 이중재킷 반응기 안에 증류수를 채워 넣고 분산판을 이용하여 100%의 이산화탄소를 상온에서 2시간 포화시켜 준비하였다. 이렇게 준비한 두 용액을 1:1 부피비로 혼합하여 이산화탄소의 수화반응 속도를 측정하였다. 이때 버퍼용액에 첨가한 금속나노이온은 동일하게 0.
대상 데이터
본 연구에서는 세 가지 금속나노입자를 제조하였으며, 그 제조에 사용한 물질은 다음과 같다. Nickel(II) chloride hexahydrate (NiCl2∙6H2O, 99.0%), cobalt(II) acetate tetrahydrate[Co(CH3COO)2∙4H2O, 99.0%], zinc(II) chloride(ZnCl2), sodium borohydride(NaBH4,98%), sodium citrate (Na-citrate) 그리고 sodium chloride(NaCl)는 sigma-aldrich사의 제품을 이용하였다.
본 연구에서는 세 가지 금속나노입자를 제조하였으며, 그 제조에 사용한 물질은 다음과 같다. Nickel(II) chloride hexahydrate (NiCl2∙6H2O, 99.
이론/모형
이산화탄소 수화반응 촉진효과를 보이는 니켈 나노입자에 대한 제조방법이 미치는 영향을 알아보기 위해 습식법과 건식법을 이용하여 나노입자를 합성하였고 이에 대한 이산화탄소 수화반응성을 평가한 결과는 Fig. 3과 같다. 그림에서와 같이 나노입자의 제조방법에 관계없이 이산화탄소 흡수속도를 촉진하는 것으로 나타났다.
성능/효과
그림에서와 같이 나노입자의 제조방법에 관계없이 이산화탄소 흡수속도를 촉진하는 것으로 나타났다. 그러나 습식법에 의해 제조한 나노입자가 보다 우수한 이산화탄소 수화반응 촉진 효과를 보였다. Bhaduri와 Siller등은 금속 나노입자를 이용한 이산화탄소 수화반응 촉진을 위해서는 금속 표면의 산화가가 0을 유지하는 것이 중요하다고 주장하였다[10].
0까지 변화 시간을 고려한 초기 흡수속도의 경우 니켈 나노입자를 사용한 경우 약 40%의 흡수시간이 감소하였다. 나노입자 합성 방법은 금속 나노입자의 표면 산화가 변화가 없는 습식 합성 방법이 더 우수한 이산화탄소흡수 속도 증진 효과를 보였다. 습식법은 건식보다 합성공정을 제어하기 유리하며 공정의 scale-up이 용이하기때문에 나노입자의 대량 생산에 유리할 것으로 판단된다.
니켈, 코발트, 아연의 세 가지 금속 나노입자와 나노 촉매 합성방법에 따른 이산화탄소 흡수속도 촉진 효과를 연구하였다. 세 가지 나노입자 중 니켈 나노입자가 가장 우수한 이산화탄소 흡수속도 촉진 특성을 보였다. pH7.
후속연구
금속 나노입자를 통해 이산화탄소 흡수속도를 증가시킬 수 있음을 확인하였으나 반응 메커니즘, 금속나노입자 표면 등 추가적인 연구 진행과 함께 독성이 강한 것으로 알려진 나노입자의 외부 유출 방지 등과 같은 안전환경보건관리(EH&S)에 대한 연구도 병행되어야 한다.
따라서 반응속도에 영향을 주는 인자는 아민에 의한 이산화탄소 흡수와 물에 의한 이산화탄소 흡수이다. 물에 의한 이산화탄소 흡수속도가 느린 것을 본 연구와 같은 금속 나노입자를 이용할 경우 상승시킬 수 있기 때문에 전체 반응속도가 증가할 것으로 예측된다.
본 연구는 수용액만을 이용한 이산화탄소 흡수속도를 평가하였으나 이를 다음과 같은 이유로 기존 흡수제의이산화탄소 흡수속도 증진에 이용할 수 있을 것으로 예측된다. 이산화탄소 흡수제는 강한 부식특성으로 인하여물 70wt.
본 연구에서는 물에 대한 이산화탄소 흡수 속도에 대한 영향을 고찰하였으며 이를 아민흡수제에 적용할 경우동일한 효과를 얻을 수 있음을 흡수반응식을 이용하여 제시하였다. 본 연구는 초기 연구이나 이를 확대발전 시킬 경우 비용 효과적인 이산화탄소 포집 공정 설치에 유용하게 활용 될 것으로 평가된다.
특히 금속나노입자의 종류와 합성방법이 이산화탄소 흡수속도에 미치는 영향에 대하여 중점적으로 고찰하였다. 이러한 나노입자는 탈탄산무수화효소와 유사한 형태로 이산화탄소 흡수를 촉진할 것으로 예상되며 온도, pH, 압력에 무관하여 상용공정 적용이 용이할 것으로 기대된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
IEA 에서 제시한 지구온난화 방지 기술에는 무엇이 있는가?
0℃ 이내를 유지하기 위해서는 상당한 감축노력이 필요하다고 주장하였다[2]. IEA 에서 제시한 지구온난화 방지 기술은 효율 향상, 원자력 확충, 신재생에너지 보급, 이산화탄소 포집 및 저장 (CCS :Carbon Dioxide Capture and Storage)기술 확대 적용과 같은 여러 기술이 제시되고 있으며 이중 CCS 기술이 12%로 가장 큰 기여를 할 것으로 예측하고 있다. CCS 기술은 흡착, 흡수, 막분리 등의 방법에 의해 이산화탄소를 분리 회수한 후 압축 저장하는 일련의 공정을 의미한다.
비용효과적인 이산화탄소 포집 물질 개발에 많은 연구를 진행 중인 이유는?
이러한 CCS 기술의 상용화에 가장 큰 걸림돌은 경제성과 대규모 실증 공정 설치 및 운영 부족을 들 수 있다. CCS 설치 및 운영비용에 절대적인 영향을 미치는 인자는 이산화탄소 포집과 이산화탄소를 포집한 물질의 재생에 소요되는 에너지인 것으로 보고되고 있다. 따라서 비용효과적인 이산화탄소 포집 물질 개발에 선진 연구기관을 중심으로 많은 연구개발이 진행 중이다.
CCS 기술의 의미는 무엇인가?
IEA 에서 제시한 지구온난화 방지 기술은 효율 향상, 원자력 확충, 신재생에너지 보급, 이산화탄소 포집 및 저장 (CCS :Carbon Dioxide Capture and Storage)기술 확대 적용과 같은 여러 기술이 제시되고 있으며 이중 CCS 기술이 12%로 가장 큰 기여를 할 것으로 예측하고 있다. CCS 기술은 흡착, 흡수, 막분리 등의 방법에 의해 이산화탄소를 분리 회수한 후 압축 저장하는 일련의 공정을 의미한다. 이러한 CCS 기술의 상용화에 가장 큰 걸림돌은 경제성과 대규모 실증 공정 설치 및 운영 부족을 들 수 있다.
참고문헌 (11)
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