[논문]연소 전 조건에서 음이온이 Sulfite계인 이온성 액체의 CO2 흡수 특성

백근호; 장현태; 차왕석

doi:10.5762/kais.2021.22.3.763

연소 전 조건에서 음이온이 Sulfite계인 이온성 액체의 CO2 흡수 특성
Absorption characteristic of carbon dioxide in Ionic Liquids based sulfite anion in the pre-combustion condition 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.22 no.3, 2021년, pp.763 - 769

백근호 ((주)진올바이오테크놀러지) , 장현태 (한서대학교 화학공학과) , 차왕석 (군산대학교 토목.환경공학부)

초록
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본 연구는 지구 온난화 현상의 주원인인 이산화탄소의 제거를 목적으로 최근에 주목 받고 있는 물질인 이온성액체를 실험실 규모로 제조하였다. 음이온이 Sulfite계인 이온성 액체의 이산화탄소 흡수능, 초기흡수속도 그리고 재생성을 조사하기 위하여 기-액 흡수평형장치를 이용하여 연구하였다. 그 결과 음이온이 Sulfite계인 이온성액체 중 높은 흡수능을 갖는 이온성액체는 음이온이 ethyl sulfite인 경우이며, 특히 [beim] ethyl sulfite의 경우 흡수평형압력이 22 bar인 조건에서의 흡수력은 1.1 mol CO2/mol IL로 가장 높은 흡수력을 나타냈다. 재생성 연구에서 음이온이 Sulfite계인 이온성액체는 모두 재생후의 흡수력이 약 7%정도 감소하였으며, 이로부터 재생성이 우수함을 알 수 있다. 점도 감소를 목적으로 두 종류의 희석제를 첨가하였을 때 희석제는 단지 이온성액체의 흡수력을 감소시키는 희석효과로 작용하였으며 희석제 첨가에 따른 흡수력의 증가는 없었다. 흡수실험에 따른 점도변화의 정도를 조사하기 위해 흡수반응 전과 흡수 실험 후 재생한 시료의 점도를 측정하였으며, 실험결과 흡수실험 후 시료의 점도가 흡수실험 전보다 약 8% 정도 감소하는 경향을 보였다. 그러나 흡수제 합성은 1단계에서 이루어지며 사용되는 원료물질 또한 저렴한 장점이 있으며 흡수능에서는 우수한 재생성과 높은 안정성을 가지고 있음을 알 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, ionic liquids were synthesized to remove carbon dioxide (CO2) on a laboratory scale. The vapor-liquid absorption equilibrium device (VLE) was used to investigate the carbon dioxide absorption capacity. In the regeneration study, the absorption capacity after regeneration was reduced by approximately 7% for all ionic liquids, in which the anion was sulfite-based, showing excellent regeneration. Ethyl sulfite showed the highest absorption capacity of CO2 among the ionic liquids based on the sulfite anion. In particular, the absorption capacity of [beim] ethyl sulfite was 1.1 mol CO2 / mol IL at an absorption equilibrium pressure of 22 bar. In the regeneration study, the absorption capacity after regeneration was reduced by approximately 7% for all ionic liquids, in which the anion was sulfite-based, from which regeneration is outstanding. After the absorption experiment, the viscosity of the sample tended to decrease by approximately 8% compared to that before the absorption experiment. On the other hand, the absorbent was synthesized in the first step. Moreover, the raw material used is also inexpensive and has excellent reproducibility and highly stable absorbent capacity.

주제어

표/그림 (8)

그림 Fig. 1. The scheme of experimental apparatus for chemical absorption of CO₂.
그림 Fig. 2. Efficiency of CO₂ absorption of [emim] methyl sulfite with operating pressure.
그림 Fig. 3. Efficiency of CO₂ absorption of [bmim] methyl sulfite with operating pressure.
그림 Fig. 4. Efficiency of CO₂ absorption of [bmim] ethyl sulfite with operating pressure.
그림 Fig. 5. Efficiency of CO₂ absorption of DMSO with operating pressure.
그림 Fig. 6. Efficiency of CO₂ absorption of sulfone with operating pressure.
그림 Fig. 7. CO₂ absorption capacity of mixed solution of ionic liquid and dilutant with operating pressure.
표 Table 4. Viscosity of ionic liquids and mixture of ionic liquids and diluent.

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 기존 흡수제의 단점을 보완하기 위하여 이온성액체의 양이온과 음이온의 다양한 조합을 통해 이온성액체를 설계한 후 실험실 규모로 제조하였다. 합성된 음이온이 Sulfite계인 이온성액체의 이산화탄소에 대한 흡수력을 평가하기 위해 기-액 흡수평형장치를 이용하여 흡수능을 연구하였다.
이러한 방법은 아민법에서도 사용된다[4]. 따라서 희석제에 의한 영향을 연구하고자 DMSO(Dimethyl sulfoxide)와 sulfone(Te tramethylene sulfone)를 사용하여 영향을 고찰 하였다. Fig.
합성된 음이온이 Sulfite계인 이온성액체의 이산화탄소에 대한 흡수력을 평가하기 위해 기-액 흡수평형장치를 이용하여 흡수능을 연구하였다. 또한 초기흡수속도 및 재생성 그리고 희석제에 첨가에 따른 흡수력의 변화 및 흡수제의 물성 변화를 연구하여 효율적인 흡수제를 제시하고자 연구를 수행하였다.
본 연구에서는 음이온이 methyl sulfite인 이온성 액체의 재생성을 평가하기 위하여 기-액 흡수 평형 반응기를 사용하여 이산화탄소의 흡수 및 탈기 실험을 반복 수행하였다. Fig.

제안 방법

가스 저장조와 반응기는 항온수조 내에 설치되어 일정하게 온도를 유지할 수 있게 하였다. 또한 가스 저장조 내에 압력 측정장치(pressure tranducer, Sensys pressure transmitter Co., N/M:PSHFC 100K CAG, 0~100bar, 오차범위 ±0.005%)와 온도 측정장치(temperature indicator, -40~180℃, K-type thermocouple, 오차범위 ±0.1℃)를 설치하여 반응기 및 가스저장기의 온도 및 압력을 정확히 측정할 수 있도록 하였다. 반응기는 일정한 온도 유지를 위해 가열 순환기(Heating Circulator)가 설치된 항온수조 안에 설치되어 있으며 정확한 압력과 온도의 측정을 위해 압력 측정기와 온도 측정기를 설치하였다.
반응기는 일정한 온도 유지를 위해 가열 순환기(Heating Circulator)가 설치된 항온수조 안에 설치되어 있으며 정확한 압력과 온도의 측정을 위해 압력 측정기와 온도 측정기를 설치하였다. 반응 시작 전에 압력용 기내 잔존가스의 제거와 흡수실험 후 재생과정을 수행하기 위하여 진공펌프를 설치하였으며, 흡수반응기내에 마그네틱 바를 이용하여 반응 중 흡수액과 이산화탄소의 혼합이 원활하도록 하였다. 데이터 기록기는 압력과 온도 자료를 온라인으로 수집하는 장치와 수집된 자료를 저장 및 처리하는 컴퓨터 부분으로 구성되어 있다.
1℃)를 설치하여 반응기 및 가스저장기의 온도 및 압력을 정확히 측정할 수 있도록 하였다. 반응기는 일정한 온도 유지를 위해 가열 순환기(Heating Circulator)가 설치된 항온수조 안에 설치되어 있으며 정확한 압력과 온도의 측정을 위해 압력 측정기와 온도 측정기를 설치하였다. 반응 시작 전에 압력용 기내 잔존가스의 제거와 흡수실험 후 재생과정을 수행하기 위하여 진공펌프를 설치하였으며, 흡수반응기내에 마그네틱 바를 이용하여 반응 중 흡수액과 이산화탄소의 혼합이 원활하도록 하였다.
음이온이 sulfite계인 이온성 액체를 1 단계 반응과정을 거쳐 제조하였으며, 제조된 이온성 액체를 사용하여 기체-액체 흡수 평형장치에서 이산화탄소 흡수 및 재생 특성을 조사한 결과는 다음과 같다.
동력비와 이산화탄소 흡수 공정에서 사용되는 흡수제의 점도가 높으면 기체-액체 간의 물질 전달의 장애로 작용하여 흡수능에 지장을 줄 뿐만 아니라 흡수 및 재생 과정을 반복적으로 수행하는 공정 특성 상 각종 펌프의 작동과 액체의 이송에 보다 많은 에너지의 소모가 요구되는 단점이 대두 된다. 이러한 단점을 저감시키기 위해 이온성 액체와의 혼합성이 우수하고 이온성 액체와의 반응성이 없는 희석제를 선정하여 흡수능과 재생 특성을 조사하였다. 이러한 방법은 아민법에서도 사용된다[4].
가스 저장기와 반응기가 각 실험조건 온도에 도달하면 가스 저장기와 반응기 사이에 연결된 밸브를 열어 일정량의 이산화탄소를 반응기에 공급하였다. 이산화탄소 공급 후 반응시간에 따른 반응기 내 온도와 압력을 1분 단위로 측정하였으며, 충분한 시간이 경과한 후 반응기 내에 압력 변화가 더 이상 없을 때 흡수 실험을 종료하였다. 재생실험은 흡수제에 흡수된 이산화탄소 기체를 탈기하는 방법으로 흡수 반응이 종료되면 반응기의 온도를 항온수조 온도를 95℃ 까지 상승시킨 후 vacuum pump를 사용하여 약 90분 동안 이산화탄소 기체를 탈기하였다.
이온성 액체의 음이온 종류에 따른 흡수 및 재성 특성 변화를 조사하기 위해 음이온이 ethyl sulfite인 이온성 액체를 사용하여 운전 압력변화에 따른 흡수 및 탈기 특성을 조사하여 Fig. 4에 나타내었다. 이때 사용된 이온성 액체 중 양이온은 [beim(N-bthyl-N-ethyl-imidazolium)] 이었다.
재생실험은 흡수제에 흡수된 이산화탄소 기체를 탈기하는 방법으로 흡수 반응이 종료되면 반응기의 온도를 항온수조 온도를 95℃ 까지 상승시킨 후 vacuum pump를 사용하여 약 90분 동안 이산화탄소 기체를 탈기하였다. 탈기 과정이 종료되면 흡수평형 반응기의 온도를 흡수실험 온도인 40℃로 낮춘 후 흡수실험과 동일한 조건과 방법으로 재생된 이온성 액체를 대상으로 흡수능을 측정하여 재생 횟수에 따른 흡수능 변화를 측정하였다.
제조하였다. 합성된 음이온이 Sulfite계인 이온성액체의 이산화탄소에 대한 흡수력을 평가하기 위해 기-액 흡수평형장치를 이용하여 흡수능을 연구하였다. 또한 초기흡수속도 및 재생성 그리고 희석제에 첨가에 따른 흡수력의 변화 및 흡수제의 물성 변화를 연구하여 효율적인 흡수제를 제시하고자 연구를 수행하였다.

대상 데이터

7은 이온성 액체의 점도를 일정 부분 감소시키기 위해 음이온이 sulfite계인 이온성 액체에 희석제를 무게비로 1:1의 비율로 제조한 혼합 흡수액을 사용하여 조업압력에 따른 이산화탄소 흡수 능력 변화를 나타낸 그림이다. 이때 DMSO와 sulfone을 희석제로, 음이온이 ethyl sulfite인 이온성 액체를 사용하였다.

성능/효과

1. 음이온이 methyl sulfite계인 이온성 액체의 경우 재생 후 흡수능은 최초 흡수능의 약 90 ~ 95% 수준을 유지함을 보였으며 또한 재생한 횟수에 대한 이온성 액체의 이산화탄소 흡수능의 영향은 거의 없는 것으로 나타났다.
2. 음이온이 ethyl sulfite인 이온성 액체의 경우 흡수 및 탈기 과정을 거쳐도 탈기 전 대비 약 97%의 흡수능을 보여 탈기 후의 재생성능은 매우 우수한 편이였다.
그리고 흡수 및 탈기 과정을 반복한 재생 능력에서는 DMSO의 경우와 유사하게 조업한 압력 범위에서 매우 높은 재생 능력을 보였다. 2차 재생 후 희석제의 흡수능은 최초 대비약 97% 이상의 높은 수준을 나타내었다.
5mol CO₂/mol diluent의 흡수력을 보였으며, 흡수 및 탈기과정을 반복한 재생은 운전 압력 범위에서 매우 높은 재생 능력을 보였다. 2차 재생 후 희석제의 흡수능은 최초대비 약 95% 이상의 수준을 보였다.
04 mol CO₂/mol IL 정도로 [emim] methyl sulfite 보다 상대적으로 작게 나타났으며, 반복 운전시 최초 운전 시 성능 대비 약 95% 수준의 흡수능을 보였다. 2회 재생 실험한 경우를 비교하면 재생한 횟수에 대한 이온성 액체의 이산화탄소 흡수능의 영향은 거의 없는 것으로 나타났다. 이러한 균일성이 유지되는 결과로부터 음이온으로 methyl sulfite를 사용한 두 종류의 이온성 액체 모두 재생 후 흡수능은 최초 흡수능의 약 90 ~ 95% 수준을 유지함을 보였다.
3. 희석제 DMSO와 sulfone 공히 적용한 전 압력 범위에서 조업 압력이 증가할수록 희석제의 이산화탄소 흡수능 또한 증가하였으나, 증가 형태는 이온성 액체와는 다르게 조업 압력에 따라 선형적으로 증가하였으며, 재생 능력에 있어서는 2차 재생 후 희석제들의 흡수능은 최초 대비 약 95~97% 수준을 보였다.
4. [beim] ethyl sulfite의 이온성 액체와 [beim] ethyl sulfite 이온성 액체에 희석제인 sulfone을 혼합한 혼합 흡수액의 이산화탄소 흡수능을 비교하면, 희석제를 첨가한 혼합 흡수액의 흡수력이 대체적으로 낮은 수준을 보이는데 이는 희석제의 이산화탄소 흡수능이 이온성 액체 보다 낮기 때문이며 혼합에 의한 상호 상승작용은 일어나지 않는 것으로 판단된다.
5와 6은 희석제인 DMSO와 sulfone의 조업 압력에 따른 흡수능 및 재생능력의 변화를 나타낸 그림이다. Fig. 5에서 DMSO의 경우 운전 압력 범위의 중간 수준의 압력 범위인 22~32bar의 조건에서 약 0.3~0.5mol CO₂/mol diluent의 흡수력을 보였으며, 흡수 및 탈기과정을 반복한 재생은 운전 압력 범위에서 매우 높은 재생 능력을 보였다. 2차 재생 후 희석제의 흡수능은 최초대비 약 95% 이상의 수준을 보였다.
이러한 반복운전에 의한 감소량 결과로 부터 2회 재생한 이온성 액체의 흡수능이 매우 작은 감소를 나타내며, 흡수능이 우수하게 유지됨을 알 수 있었다. [bmim] methyl sulfite의 경우 적용한 압력 범위에서 탈기 전의 흡수능과 탈기 후의 흡수능 차이는 약 0.04 mol CO₂/mol IL 정도로 [emim] methyl sulfite 보다 상대적으로 작게 나타났으며, 반복 운전시 최초 운전 시 성능 대비 약 95% 수준의 흡수능을 보였다. 2회 재생 실험한 경우를 비교하면 재생한 횟수에 대한 이온성 액체의 이산화탄소 흡수능의 영향은 거의 없는 것으로 나타났다.
2mol CO₂/mol diluent 정도 더 높은 수준이었다. 그리고 흡수 및 탈기 과정을 반복한 재생 능력에서는 DMSO의 경우와 유사하게 조업한 압력 범위에서 매우 높은 재생 능력을 보였다. 2차 재생 후 희석제의 흡수능은 최초 대비약 97% 이상의 높은 수준을 나타내었다.
사용한 희석제 DMSO와 sulfone는 적용한 전 압력 범위에서 조업 압력이 증가할수록 희석제의 이산화탄소 흡수능 또한 증가하였으나, 증가 형태는 희석제를 혼합하지 않은 이온성 액체와 다르게 조업 압력에 따라 선형적으로 증가하였다. 상기의 결과로 부터 본 연구에 사용된 두 종류의 희석제 모두 흡수능은 순수 이온성 액체보다 다소 낮은 편이나, 재생능력에서는 매우 우수함을 알 수 있었다.
증가하였다. 상기의 결과로 부터 본 연구에 사용된 두 종류의 희석제 모두 흡수능은 순수 이온성 액체보다 다소 낮은 편이나, 재생능력에서는 매우 우수함을 알 수 있었다.
06 mol CO₂/mol IL로 탈기 전 대비 약 97%의 흡수능을 나타내므로 탈기 후의 재생성능은 매우 우수한 편이였다. 압력변화에 따른 이산화탄소 흡수능 변화는 전체적으로 사용한 이온성 액체의 종류 즉 재생 유무 및 재생 횟수에 관계없이 적용 압력이 증가할수록 흡수능은 급격하게 증가하는 경향을 보이고 있다.
2mol CO₂/mol IL의 흡수력을 보였다. 음이온이 ethyl sulfite인 이온성 액체에 희석제인 DMSO와 sulfone을 사용하였을 때 DMSO를 희석한 경우보다 sulfone을 희석한 경우가 약 25% 정도 높은 흡수능력을 보였다. 음이온이 ethyl sulfite인 이온성 액체에서 양이온이 달라질 때 이온성 액체의 흡수능 또한 달라짐을 알 수 있었는데, 실험한 두 경우 모두 양이온이 [beim]인 경우가 [eeim]인 경우보다 높은 흡수 능을 나타냈다.
음이온이 ethyl sulfite인 이온성 액체에 희석제인 DMSO와 sulfone을 사용하였을 때 DMSO를 희석한 경우보다 sulfone을 희석한 경우가 약 25% 정도 높은 흡수능력을 보였다. 음이온이 ethyl sulfite인 이온성 액체에서 양이온이 달라질 때 이온성 액체의 흡수능 또한 달라짐을 알 수 있었는데, 실험한 두 경우 모두 양이온이 [beim]인 경우가 [eeim]인 경우보다 높은 흡수 능을 나타냈다.
2회 재생 실험한 경우를 비교하면 재생한 횟수에 대한 이온성 액체의 이산화탄소 흡수능의 영향은 거의 없는 것으로 나타났다. 이러한 균일성이 유지되는 결과로부터 음이온으로 methyl sulfite를 사용한 두 종류의 이온성 액체 모두 재생 후 흡수능은 최초 흡수능의 약 90 ~ 95% 수준을 유지함을 보였다.
07mol CO₂/mol IL 정도로 매우 작게 나타난다. 이러한 반복운전에 의한 감소량 결과로 부터 2회 재생한 이온성 액체의 흡수능이 매우 작은 감소를 나타내며, 흡수능이 우수하게 유지됨을 알 수 있었다. [bmim] methyl sulfite의 경우 적용한 압력 범위에서 탈기 전의 흡수능과 탈기 후의 흡수능 차이는 약 0.

참고문헌 (11)

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Keun Ho Baek, "Absorption characteristic of carbon dioxide in ionic liquids based on sulfite anion in the pre-combustion condition", master thesis, Kunsan national University, 2011. http://www.dcollection.net/handler/kunsan/000000007181

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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