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환경/대기관리

이온성 액체를 이용한 대기오염 제어

by 낭리 2020. 6. 8.

 

이온성 액체를 이용한 대기오염 제어, 대기관리기술사 110회

 

- 이산화탄소 포집(CCS)

- 가스분리, 증류

 

 

© geralt, 출처 Pixabay

 

 

[공유] 이산화탄소와 이온성액체간 상호작용

 

미국 연구진이 이온성 액체(ionic liquids)가 이산화탄소를 흡수하는 과정에서 일어나는 상호작용에 대한 계산화학(computational chemistry)적 기법을 이용한 연구 결과를 내놓음으로써 이온성 액체를 이용한 이산화탄소 포집기술 발전에 큰 파급효과가 기대된다.

 

대기 중 이산화탄소 농도 증가로 인한 지구 온난화에 대한 해결책 마련이 시급한 상황이다.

에너지 생산 단계의 효율을 향상시킴으로써 이산화탄소 배출량을 줄이는 방안과 대기 중 이산화탄소를 포집해 지하에 매립하거나 이산화탄소를 합성연료 등의 유용한 물질로 전환하는 방안이 해결책으로 제시되고 있다.

후자의 경우 다른 물질로 전환하거나 매립하기에 앞서 일단 대기 중의 이산화탄소를 효과적으로 모을 수 있는 ‘포집공정’의 개발이 요구된다. 이온성 액체는 현재 대기 중 이산화탄소 ‘포집 매체’로, 활발히 연구되고 있는 물질이다.

 

이온성 액체는 실온에서 액체 상태를 나타내는 `용융염(molten salt)`의 일종이다.

이온성 액체를 이용한 이산화탄소 포집공정의 효율은 이온성 액체의 물성에 크게 좌우될 수밖에 없다.

따라서 이산화탄소 포집 효율이 높은 이온성 액체를 개발하기 위해선 포집 과정에서 이온성 액체와 이산화탄소 사이에 일어나는 상호작용에 대한 정확한 이해가 뒷받침되어야 한다.

하지만 이온성 액체와 이산화탄소의 상호작용에 대해 설명할 수 없는 부분이 아직 많은 남아 있다.

 

미국 국립에너지기술연구소(National Energy Technology Laboratory) 제니스 A. 스텍켈(Janice A. Steckel) 연구진은 이산화탄소와 이온성 액체의 상호작용을 살펴 볼 수 있는 수학적 모델을 이용한 계산화학적 접근방식(ab initio calculations)을 통해 이산화탄소가 이온성 액체에 흡수되는 과정을 조사했다.

스텍켈 연구진은 이산화탄소 포집 공정에 사용되는 이온성 액체의 음이온(anion)이 주로 아세테이트(acetate, CH3CO2-) 이온 이라는 점에 주목하고 이산화탄소와 아세테이트 이온의 상호작용을 밝히는데 초점을 맞췄다.

 

이론적 계산을 통해 예측된 이산화탄소와 아세테이트 이온의 포텐셜에너지 표면(potential energy surface)은 매우 복잡한 양상을 나타냈다.

이산화탄소와 아세테이트 이온이 상호작용을 하면서 열역학적으로 안정한 구조를 형성할 때 나타나는 에너지 저점(energy minima)이 무려 8개나 확인되었다.

이 중에서 가장 안정한 이산화탄소-아세테이트 착물 구조가 2개 발견되었고, 연구진은 각 구조에 대해 ‘η2(eta 2)’와 ‘η1-CT (eta 1-CT complex)’ 착물이라는 이름을 붙였다.

η2 착물은 이산화탄소가 아세테이트 이온을 이루고 있는 산소 원자 2개 모두와 동시에 상호작용을 하는 형태이고, η1-CT 착물은 아세테이트 이온을 이루고 있는 산소 원자 중 1개와 상호작용하는 형태이다.

 

(그림 1)

 

두 착물 중 가장 눈에 띄는 것은 η1-CT 착물이다.

η1-CT 착물의 특징적인 점은 이산화탄소의 O-C-O 결합각이 180도가 아니라 140도로 접혀져 있는 상태이며, 이산화탄소의 탄소 원자와 아세테이트 이온의 산소 원자 사이의 거리가 불과 1.54옹스트롬(A; 100억분의 1 미터)에 불과하다는 것이다.

이는 아세테이트 이온에서 이산화탄소로 전하가 옮겨갔다는 것을 의미한다.

지금까지 시도된 어떠한 이론적 연구기법도 η1-CT 착물 구조처럼 이산화탄소와 아세테이트 이온 사이의 상호작용를 단적으로 보여줄 수 있는 착물 구조를 도출해내지 못했다는 점에서 이 발견은 매우 중요한 의미를 가진다 하겠다.

 

본 연구 결과는 물리화학저널 A(Journal of Physical Chemistry A) 최신호에 게재되었다.

 

[연구보고서 원문 서지사항]

Ab Initio Calculations of the Interaction between CO2 and the Acetate Ion

J. Phys. Chem. A, 2012, 116 (47), pp 11643?11650 DOI: 10.1021/jp306446d

 

[교신저자 연락처]

Janice A. Steckel *

National Energy Technology Laboratory

E-mail : steckel@netl.doe.edu

 

https://blog.naver.com/jay2201/220169851133

 

카페 > 녹색사랑나눔 | 그린에코스
http://cafe.naver.com/greenecos/2125

 

 

 

 


 

흡수를 이용한 탄소 포집

 

용매로서의 이온 성 액체

 

아민은 오늘날 연소 후 탄소 포집 기술에서 가장 많이 사용되는 흡수제입니다. 특히,모노 에탄올 아민(MEA)는 공업용 규모에 사용 된연소 후 탄소 캡처뿐만 아니라 다른 CO에서2천연 가스 "감미제"로, 분리.[1]그러나, 아민은 시간이 지남에 따라, 부식성이 열화하고, 대규모 산업 시설을 필요로한다. 한편, 이온 성 액체는증기압이 낮다 . 이 속성은 강력한 Coulombic 인력으로 인해 발생합니다. 증기압은 물질의열분해점 (일반적으로> 300 ° C)을 통해 낮게 유지 됩니다.[2]원칙적으로이 낮은 증기압은 사용을 단순화하고 "녹색"대안으로 만듭니다. 또한, CO2가스 흐름 의 오염 및 환경 누출 위험을 줄 입니다.[삼]

이온 성 액체에서 CO2의 용해도는 주로 음이온에 의해 좌우되며 양이온에 의해 덜 지배됩니다.[4]헥사(PF6-) 및테트라 플루오로 보레이트(BF4-) 음이온 CO 특히 의무로 도시 된2캡처.[4]

이온 성 액체는 다양한액체-액체 추출공정 에서 용매로 간주 되었지만 상업화되지는 않았다.[5]그 옆에, 이온 성 액체는 기체 또는 추출 증류의 흡수량 업계에서 통상의 휘발성 용매를 대체했다. 또한, 이온 성 액체는 수성2 상시스템 의 생성 또는 생체 분자의 정제를 위한 공용 질로서 사용된다 .

 

프로세스

 

전형적인 CO2흡수 공정은 원료 가스, 흡수 칼럼, 스트리퍼 컬럼 및 CO의 출력 스트림 구성2압수 될가 풍부한 가스, CO2대기로 방출 될 불쌍한 가스. 이온 성 액체는 유사한 과정을 수행 할 수처리 아민 가스일산화탄소,(2)더 높은 온도를 사용 스트리퍼에서 재생된다. 그러나, 이온 성 액체는 또한 압력 변동 또는 불활성 기체를 사용하여 스트리핑 될 수있어 공정 에너지 요구량을 감소시킨다.[3]탄소 포집 용 이온 성 액체와 현안은 아민보다 더 낮은 작동 용량을 가지고있다.화학 흡착물리 흡착을 사용하는 작업 별 이온 성 액체작업 능력을 높이기 위해 개발되고 있습니다. 1- 부틸 -3- 프로필 아민이 미다 졸륨 테트라 플루오로 보레이트는 TSIL의 한 예이다.[2]

 

전형적인 아민 가스 처리공정 흐름도. CO에 사용되는 이온 성 액체 2 흡수에 의해 캡처 유사한 과정을 수행 할 수있다.

 

단점

 

선택성

 

탄소 포집에서 효과적인 흡수제 는 높은 선택성을 나타내는 것인데, 이는 다른 기체 성분에 비해 CO 2 가 흡수제에 우선적으로 용해 될 것임을 의미한다 . 에서는 연소 후 탄소 포집 가장 두드러진 분리는 CO이고 2 N에서 2 예비 연소 분리 CO는 주로 H로부터 분리되는 반면, 2 . 탄화수소, SO 2 또는 H 2 S 와 같은 다른 성분 및 불순물이 연도 가스에 존재할 수 있습니다. 탄소 포집에 사용할 적절한 용매를 선택하기 전에 주어진 공정 조건 및 연도 가스 조성에서 CO를 확인하는 것이 중요합니다. 2연도 가스에서 다른 종보다 용매에서 훨씬 높은 용해도 를 유지 하므로 선택성이 높다.

CO의 선택 2 이온 성 액체에서 널리 연구가 검토되고있다. 일반적으로, 전기 사중 극자 모멘트를 갖는 극성 분자 및 분자는 액체 이온 성 물질에 매우 가용성이다. [6] 그것은 밝혀졌다 높은 공정 온도 CO의 용해도 2 감소 등 CH 다른 종의 용해도 동안 4 및 H 2 함으로써 용매의 효과를 감소, 온도 증가와 함께 증가 할 수있다. 그러나, N 2 의 용해도이온 성 액체의 온도는 비교적 낮고 온도가 증가함에 따라 증가하지 않으므로 연소 후 탄소 포집에서 이온 성 액체의 사용은 지속적으로 높은 CO 2 / N 2 선택성으로 인해 적절할 수있다 . [7] 예 H와 같은 일반적인 배기 가스의 불순물의 존재는 2 S 심하게 억제 CO 2 이온 성 액체에 대한 용해도 및 특히 연소 가스에 대한 적당한 용매를 선택할 때주의 깊게 엔지니어에 의해 고려되어야한다. [8]

 

점도

탄소 포집을위한 이온 성 액체의 사용에 대한 주요 관심사 는 상업적 용매와 비교하여 높은 점도 이다. 화학 흡착 을 사용하는 이온 성 액체 는 CO 2 분리를 위해 용질과 용매 사이의 화학 반응에 의존합니다 . 이 반응의 속도는 용매 중 CO 2 의 확산성에 의존 하고 따라서 점도에 반비례한다. 이온 성 액체에서 CO 2 의 자체 확산 성은 일반적으로 10 -10 m 2 / s 정도이며 , [9] CO 2에 사용되는 유사하게 상용 상용 용매보다 약 10 배 적습니다.포착. 이온 성 액체의 점도는 음이온 및 양이온의 유형, 알킬 쇄 길이, 및 용매 중의 물 또는 기타 불순물의 양에 따라 크게 달라질 수있다. [10] [11] [11] 이러한 용매를 "설계"하고 이러한 특성을 선택할 수 있으므로 점도가 낮은 이온 성 액체를 개발하는 것이 현재 연구 주제입니다. 지원되는 이온 성 액체상 (SILP)은이 문제에 대한 제안 된 솔루션 중 하나입니다. [5]

https://en.wikipedia.org/wiki/Ionic_liquids_in_carbon_capture

 

 

 


 

 

 

과학기술정보통신부
https://blog.naver.com/with_msip/221587142712

 

 

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