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금속 나노입자를 이용한 이산화탄소 흡수 속도 촉진
Enhancement of carbon dioxide absorption rate with metal nano particles 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.16 no.10, 2015년, pp.6439 - 6444  

최영주, (한국에너지기술연구원 그린에너지공정연구실) ,  윤민혜 (한국에너지기술연구원 그린에너지공정연구실) ,  박기태 (한국에너지기술연구원 그린에너지공정연구실) ,  김인호 (충남대학교 화학공학과) ,  정순관 (한국에너지기술연구원 그린에너지공정연구실)

초록
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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 방법습식법과 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.

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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. ...

주제어

AI 본문요약
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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.
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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.
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참고문헌 (11)

  1. D. H. Chu, M. Vinova, M. Bhagiyalakshmi, I. H. Baek, S. C. Nam, Y. Yoon, S. H. Kim, S. K. Jeong, " $CO_2$ mineralization into different polymorphs of $CaCO_3$ using an aqueous- $CO_2$ system", RSC Advances, vol. 3, pp. 21722-21729, 2013. DOI: http://dx.doi.org/10.1039/c3ra44007a 

  2. Fifth Assessment Report, IPCC, 2008 

  3. M. Vinoba, M. Bhagiyalakshmi, A. N. Grace, D. H. Kim, Y. Yoon, S. C. Nam, I. H. Baek, S. K. Jeong, "Carbonic anhydrase promotes the absorption rate of $CO_2$ in post-combustion processes", Journal of Physical Chemistry B, vol. 117, pp.5683-5690, 2013. DOI: http://dx.doi.org/10.1021/jp401622c 

  4. K. H. Lee, B. Lee, J. H. Lee, J. K. You, K. T. Park, I. H. Baek, N. H. Hur, "Aqueous hydrazine as a promising candidate for capturing carbon dioxide", International Journal of Greenhouse Gas Control, vol. 29, pp.256-262, 2014. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.ijggc.2014.08.018 

  5. J. vanHolst, G.F. Versteeg, D.W.F. Brilman, J.A. Hogendoorn, "Kinetic study of $CO_2$ with various amino acid salts in aqueous solution", Chemical Engineering. Science, vol. 64, pp.59-68, 2009. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.ces.2008.09.015 

  6. G. B. Damas, A. B. A. Dias, L. T. Costa, "A quantum chemistry study for ionic liquids applied to gas capture and separation", Journal of Physical Chemistry B, vol. 118, pp.9046-9064, 2014. DOI: http://dx.doi.org/10.1021/jp503293j 

  7. G. M. Bond, J. Stringer, D. K. Brandvold, F. A Simsek, M-G. Medina, G. Egeland, "Development of integrated system for biomimetic $CO_2$ sequestration using the enzyme carbonic anhydrase", Energy & Fuels, vol 15, pp.309-316, 2001. DOI: http://dx.doi.org/10.1021/ef000246p 

  8. M. Vinoba, M. Bhagiyalakshmi, S. Y. Choi, K. T. Park, H. J. Kim, S. K. Jeong, "Harvesting $CaCO_3$ polymorphs from in situ $CO_2$ capture process", Journal of Physical Chemistry C, vol 118, pp.17556-17566, 2014. DOI: http://dx.doi.org/10.1021/jp503448y 

  9. M. Vinoba, M. Bhagiyalakshmi, A. N. Grace, D. H. Kim, Y. Yoon, S. C. Nam, I. H. Baek, S. G. Jeong, "Carbonic anhydrase promotes the absorption rate of $CO_2$ in post-combustion processes", Journal of Physical Chemistry B, vol 117, pp.5683-5690, 2013. DOI: http://dx.doi.org/10.1021/jp401622c 

  10. G. A. Bhaduri and L. Siller, "Nickel nanoparticles catalyse reversible hydration of carbon dioxide for mineralization carbon capture and storage," Catalysis Science & Technology, vol. 3, pp. 124-1239, 2013. DOI: http://dx.doi.org/10.1039/c3cy20791a 

  11. J.MC. Nathalie, P. W.j. Derks, S. Fradette, G. F. Versteeg, "Kinetics of absorption of carbon dioxide in aqueous MDEA solutions with carbonic anhydrase at 298 K," International Journal of Greenhouse Gas Control, vol 9, pp.385-392, 2012. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.ijggc.2012.04.008 

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