[논문]이산화탄소 압력순환흡착을 위한 칼슘 이온교환 Y 제올라이트의 작업용량과 선택계수 향상

김문현

doi:10.7464/ksct.2018.24.1.041

이산화탄소 압력순환흡착을 위한 칼슘 이온교환 Y 제올라이트의 작업용량과 선택계수 향상
Enhancement of the Working Capacity and Selectivity Factor of Calcium-Exchanged Y Zeolites for Carbon Dioxide Pressure Swing Adsorption 원문보기

청정기술 = Clean technology, v.24 no.1, 2018년, pp.41 - 49

초록
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$25^{\circ}C$에서 $CO_2$ 흡착을 위한 작업용량과 $CO_2/CO$ 선택계수를 현저하게 향상시키기 위하여 서로 다른 전하와 이온반경을 갖는 $Na^+$, $N^+$, $Ca^{2+}$와 $Cu^{2+}$로 이온교환된 Y 제올라이트들이 연구되었다. 매우 소량인 0.012% $Ca^{2+}$로 이온교환된 NaY는 7회의 반복적인 $CO_2$ 흡착/탈착 싸이클 동안에도 완전히 가역적이었으므로 기존에 보고된 것들과는 달리 표면에 카보네이트는 생성되지 않는 것으로 생각된다. 4 bar 이상에서 2.00% CaY, 1.60% CuY와 1.87% LiY 모두 NaY와 매우 유사한 $CO_2$ 흡착성능을 보였다할지라도 그보다 낮은 압력에서는 이들의 흡착능은 감소하였고 그 정도는 금속이온들의 종류에 의존하였다. 0.5 ~ 2.5 bar에서 $CO_2$ 흡착성능은 NaY > 1.60% CuY > 2.00% CaY > 1.87% LiY의 순으로 나타났는데, 이들 모두 동일한 faujasite 골격과 약 2.6의 Si/Al 비율을 가지므로 골격, 골격조성, 유효세공크기와 채널구조에 있어서 차이는 없기 때문에 약한 루이스산의 특성을 갖는 $CO_2$의 구별되는 흡착거동은 이온교환에 따른 국부염기도와 흡착 포텐셜 에너지의 변화 때문일 것이다. $CO_2$ 흡착과는 다른 경향성이 CO 흡착에서 나타났고 이는 보다 약한 사극자 상호작용 때문이다. 0.012 ~ 5.23% Ca 함량을 갖는 Y 제올라이트에 $CO_2$와 CO 흡착 시 Ca 함량에 따른 현저한 의존성이 존재하였는데 0.05% 이하에서 $CO_2$ 흡착능은 증가한 반면에 그 이상에서는 감소하였다. 이러한 경향에도 불구하고 Ca 함량의 증가와 함께 작업용량과 $CO_2/CO$ 선택계수는 현저히 증가하였고, 5.23% CaY의 경우 작업용량은 $2.37mmol\;g^{-1}$, 선택계수는 4.37이었는데 본 연구에서 얻어진 작업용량은 문헌에 보고된 벤치마크와 유사한 수준이었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Y zeolites with different extra-framework cations, such as $Na^+$, $N^+$, $Ca^{2+}$, and $Cu^{2+}$, with different charge and ionic radius have been investigated to greatly enhance a working capacity (W) of $CO_2$ adsorption at $25^{\circ}C$ and a $CO_2/CO$ selectivity factor (S). A sample of NaY with a very small amount of 0.012% $Ca^{2+}$ was fully reversible for seven times repeated $CO_2$ adsorption/desorption cycles, thereby forming no surface carbonates unlikely earlier reports. Although at pressures above 4 bar, 2.00% CaY, 1.60% CuY and 1.87% LiY all showed a $CO_2$ adsorption very similar to that measured for NaY, they gave a significant decrease in the adsorption at lower pressures, depending on the metal ion. At 0.5 ~ 2.5 bar, the extent of $CO_2$ adsorption was in the order NaY > 1.60% CuY > 2.00% CaY > 1.87% LiY. All the $Na^+-based$ metals-exchanged zeolites have a FAU (faujasite) framework and a Si/Al value near 2.6; thus, there is no discernible difference in the framework topology, framework chemical compositions, effective aperture size, and channel structure between the zeolite samples. Therefore, the distinctive behavior in the adsorption of $CO_2$ with a character as a weak Lewis acid is associated with the site basicity of the zeolites, and the interaction potentials of the cations. Different trend was shown for a CO adsorption due to weaker quadrupole interactions. Adsorption of $CO_2$ and CO on samples of CaY with 0.012 to 5.23% Ca disclosed a significant dependence on the Ca loading. The $CO_2$ adsorption increased when the cation exists up to ca. 0.05%, while it decreased at higher Ca amounts. However, values for both W and S could greatly increase as the bare zeolite is enriched by $Ca^{2+}$ ions. The 5.23% CaY had $W=2.37mmol\;g^{-1}$ and S = 4.37, and the former value was comparable to a benchmark reported in the literature.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

)을 갖는 금속이온들을 이온교환시켜 골격 내에서 이의 위치에 따라 달라지는 국부염기도(local basicity)를 제어하고 extra-framework site에 도입된 양이온들에 의한 전기장(electric field, F) 변화를 유발시켜 흡착 포텐셜(adsorption potential, φ)의 변화를 유도하였다. 이를 통해 PSA 공정에 있어서 가장 중요한 작업용량과 선택계수를 현저히 증가시킬 수 있는 최적의 양이온과 이의 함량을 결정하였다.

제안 방법

상술한 CO₂ 흡착능에 미치는 제올라이트의 주요 물성들의 영향을 반영하여, 본 연구에서는 세공크기와 Si/Al 비율이 동일한 Y 제올라이트에 서로 다른 전하(charge, q)와 이온반경(ionic radius, r_i)을 갖는 금속이온들을 이온교환시켜 골격 내에서 이의 위치에 따라 달라지는 국부염기도(local basicity)를 제어하고 extra-framework site에 도입된 양이온들에 의한 전기장(electric field, F) 변화를 유발시켜 흡착 포텐셜(adsorption potential, φ)의 변화를 유도하였다. 이를 통해 PSA 공정에 있어서 가장 중요한 작업용량과 선택계수를 현저히 증가시킬 수 있는 최적의 양이온과 이의 함량을 결정하였다.

대상 데이터

상술한 CaY 제조와 유사한 방법과 건조 및 소성을 거처 CuY와 LiY도 제조되었다. 0.01 M Cu(NO3)2·2.5H2O (Aldrich, ≥ 99.99%) 용액 300 mL에 5 g의 NaY를 넣고 90 ℃에서 10 ~ 60 min 동안 이온교환하여 서로 다른 Cu 함량을 갖는 Y 제 올라이트를 제조하였고 이 중에서 본 연구에 사용된 CuY는 1.60% Cu 함량을 가졌다. LiY의 경우, LiCl (Aldrich, ≥ 99.
서로 다른 q와 r_i의 양이온을 갖는 Y 제올라이트를 제조하기 위하여, 본 연구에서는 0.012% Ca 함량보다 높은 여러 종류의 CaY 및 CuY와 LiY를 제조하였다. 원하는 CaY 흡착제들을 얻기 위하여, 0.

성능/효과

NaY 제올라이트에서 CO₂ 흡착은 완전히 가역적으로 일어나며, Na⁺ 를 1.5 ~ 2% 함량을 갖는 Li⁺, Ca²⁺와 Cu²⁺로 이온교환하면 CO₂ 탈착 싸이클의 압력에 해당하는 1 bar 부근에서의 CO₂ 흡착능을 감소시킬 수 있는 반면에 흡착 싸이클 압력영역(예를 들면, 6 bar)에서의 CO₂ 흡착량은 거의 변화되지 않았다. 이러한 사실은 적합한 양이온을 최적의 함량으로 교환하여 작업용량을 현저히 향상시킬 수 있음을 잘 보여준다.
05% Ca 이하의 CaY 제올라이트들에서 흡착압력에 관계없이 CO₂ 흡착량은 증가하였으나 CO 흡착량은 감소하였다. 낮은 Ca 함량에서 CO₂ 흡착능 증가의 주된 원인은 φ_F-ε, φ_ξ-δ와 같은 포텐셜 에너지의 향상효과가 국부염기도와 흡착점 감소효과를 능가하기 때문이며, 높은 Ca 함량에서는 후자의 효과가 지배적이다. CO 흡착량의 감소는 상대적으로 낮은 δ로 인해 F 변화 효과가 낮게 나타난 것과 분자크기가 더 큰 CO가 supercage 내부로 접근하기 어려운 물리적 측면이 원인일 수 있다.
이러한 사실은 적합한 양이온을 최적의 함량으로 교환하여 작업용량을 현저히 향상시킬 수 있음을 잘 보여준다. 이를 바탕으로 Ca²⁺ 함량을 달리한 여러 종류의 CaY 제올라이트의 CO₂ 흡착성능, 작업용량 및 CO₂/CO 선택계수를 평가한 결과, 5.23% CaY에서 높은 작업용량과 선택계수를 얻을 수 있었고 작업용량은 지금까지 보고된 몇몇 제올라이트들에 대한 값들과 유사하다. 0.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	제올라이트 흡착제의 상용성에 영향을 주는 가장 중요한 요소는 무엇인가?	CO2 함유 혼합물로부터 CO2를 흡착분리할 목적으로 압력 순환흡착(pressure swing adsorption, PSA) 기술을 적용할 경우, CO2를 흡착할 수 있는 흡착성능 및 이에 대한 선택계수(selectivity factor)와 작업용량(working capacity)은 제올라이트 흡착제의 상용성을 결정짓는 가장 중요한 요소이고 이들은 제올라이트의 물리화학적인 특성뿐 아니라 CO2가 가지고 있는 물리화학적, 전자적 특성에도 영향을 받는다[1]. 따라서, 제올라이트의 종류, 골격(framework), 유효세공크기(effective aperture size), 채널구조, 세공부피 등과 같은 제올라이트 그 자체의 특성과 분자크기, 사극자 모멘트(quardurpole moment, δ), 분극률(polarizability, α) 등과 같은 CO2와 관련한 특성도 동시에 고려되어야 한다[1,2].
	CO2 흡착 분리용으로 사용되는 대부분의 제올라이트의 특징은 무엇인가?	30 Å이므로[2], 제올라이트의 유효세공크기가 이보다 크면 세공 내부로 접근하는 데는 문제가 없고, PSA 공정의 흡착-재생(탈착) 동력학을 고려할 때 3차원 채널구조를 갖는 제올라이트들이 보다 효과적이다. CO2 흡착 분리용으로 사용되는 대부분의 제올라이트들은 미세공(< 20 Å) 물질로 분류되고 IUPAC (international union of pure and applied chemistry) 표준분류에 따르면 I형 등온흡착선을 나타내므로 세공부피가 CO2 흡착능에 큰 영향을 미친다[3]. CO2는 약한 루이스산(Lewis acid)이므로 제올라이트의 염기도(basicity)가 클수록 CO2 흡착성능을 향상시킬 수 있다.
	제올라이트 흡착제를 제조할 때 고려해야할 특성은 무엇이 있는가?	CO2 함유 혼합물로부터 CO2를 흡착분리할 목적으로 압력 순환흡착(pressure swing adsorption, PSA) 기술을 적용할 경우, CO2를 흡착할 수 있는 흡착성능 및 이에 대한 선택계수(selectivity factor)와 작업용량(working capacity)은 제올라이트 흡착제의 상용성을 결정짓는 가장 중요한 요소이고 이들은 제올라이트의 물리화학적인 특성뿐 아니라 CO2가 가지고 있는 물리화학적, 전자적 특성에도 영향을 받는다[1]. 따라서, 제올라이트의 종류, 골격(framework), 유효세공크기(effective aperture size), 채널구조, 세공부피 등과 같은 제올라이트 그 자체의 특성과 분자크기, 사극자 모멘트(quardurpole moment, δ), 분극률(polarizability, α) 등과 같은 CO2와 관련한 특성도 동시에 고려되어야 한다[1,2].

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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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