활성탄 및 기타 이산화탄소 흡착 방법

온실가스(CO2, CH4, N2O 등)는 기후변화와 지구온난화의 주요 원인입니다. 이산화탄소는 대기 중에 너무 오랫동안 머물기 때문에 환경에 심각한 피해를 줍니다. 이산화탄소 배출은 주로 화석 연료 연소와 관련이 있습니다. 2040년까지 세계 에너지 소비는 30% 증가할 것으로 예상된다. 동시에 에너지의 74%는 화석 연료를 통해 공급될 것이며 이는 향후 75년 동안 충분할 것입니다. 에너지 운반체로서 화석 석탄이 대량으로 소비되기 때문에 대기 중으로 배출되는 CO2를 줄이는 것은 불가능합니다. 결과적으로 가스 배출량이 크게 증가합니다. 따라서 환경으로의 이산화탄소 배출을 줄이는 방법을 찾는 것이 필요합니다. 배가스 처리 공정에 사용되는 이산화탄소를 포집하는 주요 방법은 다양합니다. 이번에는 상용 흡착제와 활성탄 흡착제를 이용하여 이산화탄소를 추출하고, 활성탄의 개질방법과 이것이 이산화탄소 흡착에 미치는 영향을 연구하였다.

이산화탄소 흡착 방식

이산화탄소를 수집하는 주요 방법은 흡수, 흡착, 극저온, 막 및 미생물학으로 구분됩니다. 미생물과 극저온 과정은 널리 퍼져 있지 않습니다. 그림 1은 모노에탄올아민 흡수를 이용한 배가스 정화 방식을 보여줍니다. 흡착 공정은 40~60°C의 온도와 대기압에서 수행됩니다. 평형에 도달하면 CO2가 풍부한 용액이 100~140°C의 온도에서 발생하는 재생 공정에 들어갑니다. 그런 다음 용매를 냉각하고 재활용합니다. 이 기술은 효과적이며 널리 사용되는 것으로 간주되지만 장비 부식과 같은 몇 가지 단점이 있습니다. 또한, 이산화탄소와 모노에탄올아민의 높은 상호작용으로 인해 재생과정은 높은 에너지 소모로 진행된다.

이산화탄소 흡착 기술의 단순화된 다이어그램이 그림 2에 나와 있습니다. 먼저, 배가스 중의 수분, 황, 질소산화물을 정화합니다. 그런 다음 준비된 가스는 활성탄, 제올라이트, 금속 유기 골격, 다공성 폴리머, 알칼리 금속 및 아민의 탄산염 기반 고체 물질, 탄소 구체 등과 같은 고체 흡착제를 사용하여 흡착 단계에 들어갑니다. 그 후, 흡착제는 탈착 단계에 진입하여 CO2가 풍부한 가스 혼합물이 방출되고 압력 하에서 압축됩니다. 이 기술의 장점은 높은 이산화탄소 추출 효율, 낮은 재생 비용, 흡착제 운영의 안정성이다. 활성탄은 CO2와 N2에 대한 흡착 능력이 높고, 제올라이트와는 달리 비표면적이 크고, 습한 조건에서도 작동할 수 있습니다. 또한 활성탄은 제올라이트에 비해 흡착열이 낮아 재생이 더 용이합니다. 따라서 25°C, 1bar의 온도에서 활성탄의 흡착열은 3kJ인 반면, 제올라이트의 흡착열은 30kJ입니다. 이산화탄소 포집용 흡착제의 품질을 나타내는 중요한 지표 중 하나는 흡착된 이산화탄소의 양입니다. 기본적으로 흡착 용량 연구는 정적 및 동적 조건 모두에서 수행됩니다.

활성탄은 이산화탄소를 흡착합니다.

동적 조건에서 이산화탄소는 특수 고정층 반응기에 포집되며, 여기에 활성탄 샘플이 배치되고 주어진 조성의 가스 혼합물이 통과됩니다. 이 경우, 혼합물 안팎으로의 유속은 물론 반응기의 온도도 제어됩니다. 흡착된 이산화탄소의 양을 측정하기 위해 가스 크로마토그래프가 사용됩니다. 동적 조건에서 흡착 활동을 결정하기 위한 실험 설정의 예가 그림 3에 나와 있습니다. 정적 조건에서 활성탄에 의한 이산화탄소의 흡착 과정을 연구하기 위해 다양한 온도(25°C 및 0°C) 및 최대 1atm의 압력에서 흡착-탈착 등온선을 기록할 수 있는 자동 장치가 사용되었습니다. CO2는 1atm 이상의 압력에서 체적법을 통해 장비에 흡착될 수 있습니다. 이 경우 40~160°C의 온도 범위와 최대 36atm의 압력에서 측정이 가능합니다.

활성탄 및 기타 흡착제의 이산화탄소 흡착능력

흡착 능력은 활성탄 표면의 헤테로원자(산소, 질소), 산성 및 염기성 작용기의 존재에 따라 달라지며, 이러한 헤테로원자는 CO2 흡착에 참여합니다. 일반적으로 이산화탄소의 흡착능력을 높이기 위해 활성탄은 표면에 질소기를 포함시켜 개질한다. 예를 들어, 트리에틸렌테트라민으로 개질된 활성탄은 이산화탄소에 대한 높은 흡착 능력을 나타냅니다. 그러나 이러한 샘플은 30-40bar의 고압 산업 환경에서만 작동될 수 있다는 점에 유의해야 합니다. 활성탄의 표면 개질은 배가스의 일부인 이산화탄소에 대한 선택성을 향상시키는 관점에서 고려됩니다. CO2 분자는 루이스산으로 분류되므로 표면을 화학적으로 처리하여 알칼리성을 부여함으로써 활성탄의 선택성을 높일 수 있습니다. 이는 구리, 코발트, 니켈, 철, 크롬과 같은 다양한 금속의 산화물로 활성탄을 변형함으로써 달성될 수 있습니다. 이산화탄소 포집과정에서 가장 중요한 역할은 활성탄의 미세다공성 구조이다. 탄소재료의 다공성을 높이기 위해 원료의 물리적, 화학적 활성화가 사용됩니다. 특히, 활성탄은 수산화칼륨과 탄산칼륨으로 처리하고, KOH로 화학적 활성화를 통해 활성탄 시료를 얻는다.

제올라이트는 이산화탄소를 포집하는 데 사용되는 가장 잘 알려진 흡착제 중 하나입니다. 천연 및 합성 소재로 기공 크기가 0.5~1.2nm인 미세 다공성 결정 골격을 갖고 있어 가스 분리 및 정화에 중요한 연결된 채널 네트워크를 형성합니다. 제올라이트는 활성탄보다 흡수 능력이 더 높습니다. 그러나 제올라이트를 산업적으로 활용하기 위해서는 2기압 이상의 높은 압력이 필요하다. 또한, 제올라이트 사용 효율은 온도가 증가하고 가스 혼합물에 수분이 존재함에 따라 감소합니다. 폐비석을 재생하기 위해서는 고온이 필요하다.

금속-유기 골격은 비표면적이 매우 높은 새로운 종류의 효과적인 고체 흡착제를 나타냅니다. 금속-유기 골격을 합성할 때 기공의 크기와 모양을 조정할 수 있습니다. 금속-유기 골격 구조에서 열린 금속 영역이 형성되어 이산화탄소에 대한 선택성이 향상될 수 있습니다. 이 영역에서는 쌍극자 및 사중극자 상호작용이 유도되어 CO2 분자가 기공 표면에 결합합니다. 그러나 저압에서의 흡착 능력은 매우 낮습니다. 금속-유기 골격은 고가의 무기 리간드로부터 합성되며 기계적 강도가 부족합니다.

활성탄 및 기타 이산화탄소 흡착 방법에 대한 중요한 점은 흡착된 가스가 다양한 산업 분야에서 추가로 사용될 수 있다는 점이며, 이는 활성탄을 이용한 흡착 기술을 경제적으로 매력적으로 만듭니다. 따라서 현재 이산화탄소의 흡착 과정을 연구하기 위해 많은 과학적 연구가 진행되고 있다. 또한, 논문에서 다양한 성질의 흡착제가 연구되었다는 점에 주목하는 것이 중요하며, 이산화탄소에 대한 활성탄의 흡착능력과 선택성에 대한 연구는 유망과학분야로서 이산화탄소 문제를 해결하는데 큰 의의가 있다. 지구 온난화.