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(H2O-Piperidine-CO2) system에서 piperidine 유도체의 작용기 위치에 따른 이산화탄소 흡수특성 연구
The Effect of Functional Group Position of the Piperidine Derivatives on the CO2 Absorption Characteristics in the (H2O-Piperidine-CO2) System 원문보기

Korean chemical engineering research = 화학공학, v.53 no.1, 2015년, pp.57 - 63  

최정호 (한국에너지기술연구원 온실가스연구실) ,  윤성희 (한국에너지기술연구원 온실가스연구실) ,  김영은 (한국에너지기술연구원 온실가스연구실) ,  윤여일 (한국에너지기술연구원 온실가스연구실) ,  남성찬 (한국에너지기술연구원 온실가스연구실)

초록
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본 연구에서는 기-액 평형장치와 반응열 측정장치를 이용하여 2-methylpiperidine (2MPD), 3-methylpiperidine (3MPD), 4-methylpiperidine (4MPD) 흡수제의 이산화탄소 흡수특성을 연구하였다. 기-액 평형장치를 이용하여 각 흡수제의 이산화탄소 흡수능을 알아보았고, 흡수평형 후의 흡수액을 핵자기공명장치(nuclear magnetic resonance spectroscopy: NMR)로 분석하여 종 형성을 확인하였다. 추가적으로 반응열 측정장치를 이용하여 흡수능에 따른 반응열을 제시하였다. 실험결과 2MPD, 3MPD, 4MPD 흡수제는 작용기 위치에 따라 다른 특성을 나타내었다. Ortho 위치에 메틸기를 가진 2MPD는 입체장애효과로 인하여 흡수반응에서 특이성이 나타났으나 3MPD와 4MPD는 ($H_2O$-piperidine-$CO_2$) 시스템에서 반응 특이성이 나타나지 않았다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Absorption characteristics of 2-methylpiperidine (2MPD), 3-methylpiperidine (3MPD) and 4-methylpiperidine (4MPD) absorbents were studied by a vapor-liquid equilibrium (VLE) apparatus and a differential reaction calorimeter (DRC). Using a VLE apparatus, the $CO_2$ loading capacity of each ...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 연구결과 meta, para 위치에 붙은 메틸기는 이산화탄소 흡수에서 특이성을 보이지 않는다. 각 이산화탄소와 흡수제의 반응이 진행됨에 따른 반응 열측정은 공정의 최적운전조건을 확인하기 위하여 제시되었다. MEA는 0.
  • 하지만 각 흡수능에서 반응열 측정은 공정운전과 설계를 최적화 하는 요소로 사용할 수 있다. 공정자료에 응용할 수 있도록 본 연구에서는 2MPD, 3MPD, 4MPD의 이산화탄소와 흡수제의 반응이 진행됨에 따른 반응열에 대하여 연구하였으며, MEA와 비교하여 그 특성을 확인하였다.
  • 하지만 13C NMR을 이용하여 분석결과 반응이 종결될수록 카바메이트 종은 확인되지 않으며 바이카보네이트 종이 형성되었다. 따라서 본 연구에서는 다량의 물이 첨가된 PD 계열의 물질은 용매화에 의하여 반응이 불안정해지며 바이카보네이트 종을 생성하는 것을 확인하였다.
  • 본 연구에서는 PD의 단점인 끓는점을 개선하고자 ortho, meta, para 위치에 메틸기를 도입하여 고리형아민의 반응특성을 확인하였으며, 흡수능과 반응열 측정을 통하여 공정운전의 최적화에 대하여 연구하였다. PD는 메틸기가 도입됨에 따라 끓는점은 약 20 ℃가 상승하며, 상용아민인 MEA에 비하여 흡수능은 27.
  • 선행연구를 바탕으로 본 연구에서는 고리형아민의 장점을 유지하며, 단점을 보완하고자 하였다. 본 연구에서는 빠른 흡수속도와 열화 안정성이 좋은 PD의 단점인 끓는점을 개선하기 위하여 각 작용기 위치(ortho, meta, para)에 메틸기를 도입하였다.
  • 앞서 언급된 바와 같이 반응열만으로 공정의 효율을 판단하는 것에는 잠재적으로 오류를 유발할 수 있다. 본 연구에서는 이산화탄소와 흡수제의 반응이 진행됨에 따른 엔탈피를 알아봄으로써 공정에 사용될 때 최적의 운전 조건을 설계할 수 있는 자료를 제공하고, 흡수 공정에서의 회전율을 조절하여 공정성능을 최적화 하고자 하였다. 메틸기의 각 위치와 엔탈피는 Fig.
  • 하지만 PYR과 PD의 끓는점은 각각 87℃와 106℃로 공정에 사용될 때 증발손실이 매우 크다. 선행연구를 바탕으로 본 연구에서는 고리형아민의 장점을 유지하며, 단점을 보완하고자 하였다. 본 연구에서는 빠른 흡수속도와 열화 안정성이 좋은 PD의 단점인 끓는점을 개선하기 위하여 각 작용기 위치(ortho, meta, para)에 메틸기를 도입하였다.

가설 설정

  • 은 식 (10)과 같이 UA(반응열 전달 계수)와 누적 ∆T(시간의 변화량)의 곱으로 나타낼 수 있다. 교정 반응열은 흡수제안의 화학적 변화에 대한 열이 발생되지 않으며, 상 변화에 의한 열이 발생되지 않을 때를 가정한다. 본 실험의 교정하는 과정에서는 화학적 변화가 일어나지 않으며, 상변화에 따른 추가적인 열 발생이 일어나지 않으므로 식 (10)을 적합하게 사용할 수 있다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
연소 후 이산화탄소를 포집하는 방법에는 어떤 것들이 있는가? CCS 기술 중 이산화탄소를 포집하는 기술은 크게 연소 전, 연소 후, 순 산소 연소기술로 나뉜다[1]. 연소 후 이산화탄소를 포집하는 방법은 건식흡수법, 습식흡수법, 흡착법 등이 있으며, 이중 알카놀아민을 이용한 습식흡수법은 오랜 노하우를 가지며, 가장 경제성이 있는 것으로 판단된다[2]. 하지만, 알카놀아민을 이용한 흡수법은 높은 재생에너지와 열화에 의한 변성, 증발손실 등의 단점을 가지고 있다.
CCS 기술 중 이산화탄소를 포집하는 기술은 어떻게 나뉘는가? 온실가스 저감을 위한 대책으로 CCS (carbon capture & storage) 기술에 대한 연구가 지속되고 있다. CCS 기술 중 이산화탄소를 포집하는 기술은 크게 연소 전, 연소 후, 순 산소 연소기술로 나뉜다[1]. 연소 후 이산화탄소를 포집하는 방법은 건식흡수법, 습식흡수법, 흡착법 등이 있으며, 이중 알카놀아민을 이용한 습식흡수법은 오랜 노하우를 가지며, 가장 경제성이 있는 것으로 판단된다[2].
알카놀아민을 이용한 습식흡수법의 단점은? 연소 후 이산화탄소를 포집하는 방법은 건식흡수법, 습식흡수법, 흡착법 등이 있으며, 이중 알카놀아민을 이용한 습식흡수법은 오랜 노하우를 가지며, 가장 경제성이 있는 것으로 판단된다[2]. 하지만, 알카놀아민을 이용한 흡수법은 높은 재생에너지와 열화에 의한 변성, 증발손실 등의 단점을 가지고 있다. 이러한 단점들을 개선하기 위한 노력으로 흡수능 ·흡수속도향상, 반응열 ·부반응(열적열화, 산성 열화) 감소에 대한 다양한 연구가 시도되고 있다[3~8].
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참고문헌 (26)

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  24. Jiang, H., Zhang, S. and Xu, Y., "Molecular Complex Piperidine- $CO_2$ ," African. J. Pure. Appl. Chem., 3, 126-130(2009). 

  25. Robinson, K., McCluskey, A. and Attalla, M., "An FTIR Spectroscopic Study on the Effect of Molecular Structural Variation on the $CO_2$ Absorption Characteristics of Heterocyclic Amines," Chem. Phys. Chem., 12, 1088-1099(2011). 

  26. Oexmann, J. and Kather, A., "Minimising the Regeneration Heat Duty of Post-combustion $CO_2$ Capture by Wet Chemical Absorption: The Misguided Focus on Low Heat of Absorption Solvents," Inter. J. Greenhouse Gas Control., 4, 36-43(2010). 

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