[논문]에폭사이드와 암모니아의 반응을 이용한 합성아민의 이산화탄소 흡수연구

최정호; 윤여일; 박성열; 백일현; 남성찬

doi:10.7316/khnes.2017.28.5.561

에폭사이드와 암모니아의 반응을 이용한 합성아민의 이산화탄소 흡수연구
The CO2 Absorption of Synthetic Amine using the Ethylene Oxide-Ammonia Reaction 원문보기

한국수소 및 신에너지학회 논문집 = Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society, v.28 no.5, 2017년, pp.561 - 569

최정호 (한국에너지기술연구원) , 윤여일 (한국에너지기술연구원) , 박성열 (한국에너지기술연구원) , 백일현 (한국에너지기술연구원) , 남성찬 (한국에너지기술연구원)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, a synthetic amine made using the ethylene oxide-ammonia reaction was used as an absorbent to remove carbon dioxide. Existing absorbents were used in a mix in order to improve performance; however, because the ethylene oxide-ammonia reaction generates primary, secondary, and tertiary amines simultaneously, it has the merit that separate mixing of the absorbents was not needed. The performance of carbon dioxide absorption with the synthetic amine was compared to that of MEA. As a result of an experiment, it was determined that the $CO_2$ loading was 1.15 times better than that of MEA (a commonly used amine), while the cyclic capacity was 2.28 times higher. Because the heat of reaction was 1.10 times lower than for MEA, the synthetic amine showed superior performance in terms of absorption and regeneration.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

앞서 언급된 바와 같이 이산화탄소와 흡수제의 반응은 가역반응이며, 80℃는 재생이 되는 구간으로 판단되기 때문이다. 본 연구에서 이산화탄소와 흡수제의 재생특성을 cyclic capacity와 반응열 두 가지의 지표로 확인하고자 하였다. 각 흡수제의 재생특성은 4.
Chowdhury 등¹⁸⁾에 따르면, 이산화탄소 포집공정에서 에너지 요구량을 감소시키기 위해서는 높은 이산화탄소 흡수속도, 높은 cyclic capacity, 낮은 반응열이 요구된다고하였다. 본 연구에서는 40℃와 80℃의 흡수능의 차이를 cyclic capacity로 정의하고 추가적인 이산화탄소 성능을 평가하는 지표로 확인하였다. 각 흡수제의 cyclic capacity는 Table 3에 나타내었다.
본 연구에서는 KPA의 이산화탄소 흡수제로서의 성능을 평가하기 위하여 이산화탄소 흡수능을 측정하였다. Figs.
하지만 아민합성과정에서 생성된 아민을 증류탑에서 분리하고, 다시 원하는 성분으로 혼합하여 사용하기 때문에 이 과정에서 추가적인 시간과 비용이 요구된다. 본 연구에서는 암모니아와 에폭사이드에서 합성된 아민을 추가적인 정제와 혼합하는 과정 없이 이산화탄소를 포집하기 위한 흡수제로 바로 적용하는 방식을 제안한다.
본 연구에서는 에폭사이드와 암모니아의 반응에서 합성된 흡수제를 이산화탄소 흡수제로 사용하기 위하여 흡수능과 재생특성을 평가하였다. 평가된 KPA의 흡수능은 40℃에서 MEA와 비교하여 1.

제안 방법

. Nuchitprasittichai와 Cremaschi는 모델링을 이용하여 MEA와 다양한 아민들의 혼합흡수제에 대한 경제성에 대하여 평가하였다. 이들의 실험결과에서 MEA와 TEA의 농도가 각각 22 wt%일 때, DEA나 TEA를 단독으로 사용하였을 때보다 이산화탄소 포집 비용이 절감되는 것을 확인하였다¹²⁾.
연속식 회분반응 탱크는 K사 생산 흡수제(KPA; k product absorbent)의 흡수성능을 평가하기 위하여 사용하였다. 사용된 연속식 회분반응 탱크의 모식도는 Fig.
반응이 진행되는 동안 흡수제는 교반기에 의해 250 rpm으로 일정하게 교반되었다. 이산화탄소와 흡수제 간의 반응이 일어나는 동안에 반응베셀과 비교베셀의 온도는 T센서에 의하여 매우 정밀하게 검출되었고, 반응베셀과 비교베셀 사이의 교정(calibration)을 위하여 반응베셀에는 탐침(probe)을 설치하여 원하는 에너지를 반응베셀에 공급할 수 있도록 하였다. 장치에 대한 세부 모식도는 Fig.
측정된 KPA의 흡수능은 상용아민으로 널리 이용되는 MEA, DEA, TEA와 비교하여 그 흡수성능을 비교하였다.
이산화탄소와 흡수제의 반응 동안 반응기의 온도는 water bath를 이용하여 40℃의 온도로 일정하게 유지하였다. 흡수제와 반응한 후 연속식 회분반응기에서 배출되는 가스는 mass flow controller (MFC)를 이용하여 55 mL/min로 일정하게 gas chromatograph(GC; agilent technologies 7890A)로 공급되었고, 이산화탄소와 흡수제 사이의 반응이 종료될 때까지 GC에서 5분간격으로 분석되었다. 주입된 가스와 배출가스 사이의 유속차이에 따라 반응기 내의 압력이 증가될 수 있으므로, 반응기 외부에 니들벨브를 연결하여 연속식 회분반응의 내부압력은 1.

대상 데이터

성능평가를 위하여 반응열 측정 장치에 유입되는 가스를 30 vol.% (30 vol.% CO₂/balanced N₂)의 혼합가스를 사용하였다. 연속식 회분반응 장치에 유입되는 가스는 이산화탄소(Special gas, CO₂ 99.
에서 제공된 30 vol.%의 혼합가스를 이용하였고, 버블타입의 주입기를 통과하여 반응베셀의 내부로 주입되었다. 반응이 진행되는 동안 흡수제는 교반기에 의해 250 rpm으로 일정하게 교반되었다.
본 실험은 아민(K사, monoethanolamine 52.4%, diethanolamine 23.6%, triethanolamine 24.0%) 시약을 별도의 정제 없이 사용하였고, 흡수제의 성능을 비교하기 위하여 MEA (Samchun, 2-aminoethanol 99%), DEA (Sigma-aldrich, diethanolamine 98%), TEA (Sigma-aldrich, triethanolamine 98%)를 탈 이온수와 30 wt%로 혼합하여 사용하였다. 성능평가를 위하여 반응열 측정 장치에 유입되는 가스를 30 vol.
본 연구에서는 KPA의 재생특성을 확인하기 위하여 DRC를 사용하였다. 사용된 DRC는 SETARM사의 kep technologies instrument를 구매하여 사용하였다. 각 반응기의 외부는 모두 이중자켓의 구조로 이루어져 있고, 이중자켓의 외부는 유체(물)를 이용하여 반응이 일어나는 시간 동안 40℃로 온도를 일정하게 유지하였다.

이론/모형

반응열 측정장치(differential reaction calorimeter, DRC)는 두 반응기(반응베셀과 비교베셀)의 온도차이를 이용하는 장치로서 두 성분 이상의 물질이 반응할 때 발생되는 흡열・발열에 대한 엔탈피를 측정하기 용이한 장치이다. 본 연구에서는 KPA의 재생특성을 확인하기 위하여 DRC를 사용하였다. 사용된 DRC는 SETARM사의 kep technologies instrument를 구매하여 사용하였다.
연속식 회분반응의 흡수능은 이상기체 상태방정식을 적용하여 계산되었다. 식 (1)에서 P는 압력(atm), R은 이상기체상수(0.

성능/효과

각 흡수제의 흡수능 측정 결과 40℃에서 흡수능(mol CO2/mol amines)은 KPA > DEA > MEA > TEA로 나타났고, 60℃에서도 KPA의 성능(CO2 loading=0.48 mol CO2/mol amines)은 MEA와 유사한 수준으로 높게 나타냈다.
이것은 MEA의 카바메이트 생성반응이 40℃보다 60℃에서 더 안정하다는 것을 의미한다. 따라서, MEA 흡수제는 공정에서 운전될 때, 흡수탑의 온도가 약 60℃로 유지될수록 좋은 성능을 보일 것으로 예상된다.
19)보다 낮기 때문으로 동일 질량으로 비교하였을 때, MEA가 더 많은 몰 수를 담을 수 있기 때문이다. 몰 비와 질량 비로 비교하였을 때 KPA는 TEA, DEA보다 흡수능이 우수하게 나타났고, MEA와 유사하거나 우수하게 나타났다.
10배 낮게 나타났다. 본 실험의 결과로부터 합성 흡수제는 흡수와 재생측면에서 MEA를 대체할만한 흡수제로의 가능성을 확인할 수 있었다. 특히, 합성아민은 추가적인 혼합에 대한 소요시간과 비용이 소요되지 않기 때문에 상업적으로 적용하기에 유리할 것으로 판단되었다.
온도가 증가할수록 흡수능이 낮아지는 것은 이산화탄소와 흡수제 간의 역반응이 일어나기 때문이다. 본 실험의 결과에서도 Fig. 7과 같이 온도가 증가할수록 각 흡수제의 흡수능은 점차 감소하는 경향을 나타내었다. 하지만 MEA의 경우 40℃보다 60℃에서의 이산화탄소 흡수능이 더 높게 나타났다.
3급 아민은 이산화탄소와 직접적으로 반응하지 않고, H⁺을 받는 역할을 하기 때문에 수용액 상에서 염기촉매로 이용되고 일반적으로 높은 이산화탄소 흡수능을 보인다. 본 연구의 40℃에서 KPA 흡수능이 0.53 mol CO₂/mol amines으로 이론적인 흡수능보다 높게 나타나는 것은 KPA에 포함된 2급 아민과 3급 아민의 반응 특성이 반영된 것으로 판단된다.
이산화탄소 흡수능에서는 KPA와 MEA의 성능이 우수하게 나타난 것에 비하여, 재생측면에서는 DEA와 TEA의 흡수제가 MEA 보다 우수하게 나타났다. 상용아민인 MEA의 흡수특성과 비교하여 본다면, KPA는 이산화탄소 흡수능, cyclic capacity, 반응열이 우수하게 나타나므로 MEA를 대체할 수 있는 흡수제로 판단되었다.
이산화탄소 흡수능에서는 KPA와 MEA의 성능이 우수하게 나타난 것에 비하여, 재생측면에서는 DEA와 TEA의 흡수제가 MEA 보다 우수하게 나타났다. 상용아민인 MEA의 흡수특성과 비교하여 본다면, KPA는 이산화탄소 흡수능, cyclic capacity, 반응열이 우수하게 나타나므로 MEA를 대체할 수 있는 흡수제로 판단되었다.
본 실험의 결과로부터 합성 흡수제는 흡수와 재생측면에서 MEA를 대체할만한 흡수제로의 가능성을 확인할 수 있었다. 특히, 합성아민은 추가적인 혼합에 대한 소요시간과 비용이 소요되지 않기 때문에 상업적으로 적용하기에 유리할 것으로 판단되었다.
본 연구에서는 에폭사이드와 암모니아의 반응에서 합성된 흡수제를 이산화탄소 흡수제로 사용하기 위하여 흡수능과 재생특성을 평가하였다. 평가된 KPA의 흡수능은 40℃에서 MEA와 비교하여 1.15배 우수한 흡수능을 보였으며, cyclic capacity는 MEA보다 2.28배 높았고, 25℃에서 반응열은 1.10배 낮게 나타났다. 본 실험의 결과로부터 합성 흡수제는 흡수와 재생측면에서 MEA를 대체할만한 흡수제로의 가능성을 확인할 수 있었다.

후속연구

반응으로 생성된 아민들은 1, 2, 3급 아민의 혼합물로 고온의 증류탑에서 증류하여 각 아민들을 분리한다. 하지만 본 연구에서 제안하는 합성아민을 흡수제로 바로 적용한다면, 1, 2, 3급의 성능을 동시에 지니는 흡수제의 특성을 보일 것으로 예상되었다. 특히 국내 K사의 경우 연간 3만 톤 이상의 아민생산 규모를 가지고 있으므로 흡수제 생산을 위한 추가적인 공정 설치비용이 없으므로 경제성있는 흡수제가 될 것으로 판단되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	아민의 제조 방법은 무엇인가?	일반적인 아민은 암모니아와 에폭사이드를 이용하여 합성된다. 에폭사이드는 산소원자를 포함한 삼원자 고리형의 물질로써 분자내에 고리무리(ring strain)를 가지고 있으므로 반응성이 매우 좋다.
	습식흡수법은 어떤 분야에 이용되는가?	이중에서, 아민을 이용한 습식흡수법은 산성가스를 처리하기 위하여 오랜 기간 사용되어온 기술이다5). 습식흡수법은 화력발전소와 같은 대량의 이산화탄소 배출원을 처리하기에 유용한 것으로 알려져 왔으며6) 화력발전소 이외에도 제철·바이오가스·시멘트 등 고농도의 이산화탄소 배출원에도 적용되고 있다7,8). 이산화탄소를 처리하기 위한 연소 후 포집기술에는 일반적으로 아민기(amine group)와 하이드록실기(hydroxyl group)를 모두 포함한 알카놀아민이 흡수제로서 사용된다9).
	에폭사이드는 산과 강염기에서도 SN2 반응이 이루어지는데 그 이유는 무엇인가?	일반적인 아민은 암모니아와 에폭사이드를 이용하여 합성된다. 에폭사이드는 산소원자를 포함한 삼원자 고리형의 물질로써 분자내에 고리무리(ring strain)를 가지고 있으므로 반응성이 매우 좋다. 따라서, 에폭사이드는 산 뿐만 이니라 센 염기의 친핵체에 의해서도 SN2 반응이 쉽게 진행되고 다양한 아민을 생성한다.

참고문헌 (18)

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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