KR100470959B1 - 중공사막 접촉기용 이산화탄소 흡수제 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 중공사막 접촉기용 이산화탄소 흡수제에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 트리알콜아민과 모노알콜아민이 일정 함량비를 이루고 있는 특정 조성의 알콜아민 혼합물을 중공사막 접촉기에 이산화탄소 흡수제로 사용함으로써, 기존의 물리·화학 흡수제에 비하여 높은 흡수속도와 가스처리량을 나타낼 뿐만 아니라 트리알콜아민 또는 모노알콜아민을 각각 단독사용 하는 것에 비해 이산화탄소 흡수율을 현격히 증가시키며, 또한 점도가 큰 주흡수제인 트리알콜아민에 의해 중공사막의 물리·화학적 성질을 안정화시켜 장시간 정상상태를 유지시키는 효과를 나타내는 중공사막 접촉기용 이산화탄소 흡수제에 관한 것이다.

Description

중공사막 접촉기용 이산화탄소 흡수제{Absorbent for the removal of carbon dioxide in hollow fiber membrane contactor}
본 발명은 중공사막 접촉기용 이산화탄소 흡수제에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 트리알콜아민과 모노알콜아민이 일정 함량비를 이루고 있는 특정 조성의 알콜아민 혼합물을 중공사막 접촉기에 이산화탄소 흡수제로 사용함으로써, 기존의 물리·화학 흡수제에 비하여 높은 흡수속도와 가스처리량을 나타낼 뿐만 아니라 트리알콜아민 또는 모노알콜아민을 각각 단독사용 하는 것에 비해 이산화탄소 흡수율을 현격히 증가시키며, 또한 점도가 큰 주흡수제인 트리알콜아민에 의해 중공사막의 물리·화학적 성질을 안정화시켜 장시간 정상상태를 유지시키는 효과를 나타내는 중공사막 접촉기용 이산화탄소 흡수제에 관한 것이다.
산업사회의 발전에 따라 에너지 사용은 계속 증가해 왔으며 이에 따르는 환경문제가 꾸준히 제기되고 있고, 특히 에너지 이용과 밀접한 관계가 있는 지구 온난화 문제는 기후변화를 유발하며 생태계와 사회 경제적 분야에 상당한 영향을 미칠 것으로 예견되고 있다. 현재 전 세계적으로 온난화 문제의 주범인 온실가스의 방출을 줄이거나, 아니면 적어도 현재의 수준을 유지하기 위한 법적 규제의 노력이 활발히 진행되고 있다. 이러한 원인이 되는 규제대상 온실가스 중 이산화탄소가 전체 온실가스 배출량의 80 % 이상을 차지하고 있고, 산업구조상 화석연료를 주 에너지원으로 사용하고 있는 우리나라의 경우, 온실가스 중 이산화탄소가 87.7 %를 차지한다. 따라서 이산화탄소의 대량 발생원으로부터 이산화탄소를 효율적으로 분리 회수할 수 있는 분리공정의 기술 개발이 필요하게 되었다.
지금까지 상용화 또는 연구 개발되고 있는 이산화탄소의 분리방법은 심냉법, 흡수법, 흡착법 및 막 분리법 등이 있다. 상기의 방법중 흡수탑을 이용한 흡수법은 이미 오래전부터 기체 분리공정에 도입되어 선진국을 중심으로 상용화 단계에 돌입한 기술이고 최단 시일 내에 적용 가능한 분리공정으로 알려져 있다. 그러나 이 흡수탑을 이용한 분리법은 액체의 범람현상이나 편류현상 등의 기술적 단점과 장치 크기의 비대화로 인하여 최근 효율적 기술의 도입이 요구되는 실정이다.
또한 새로운 유형의 기체 흡수기를 사용하는 막 분리법으로 기존의 충진형 흡수탑(packed column)을 다공성의 소수성 고분자 중공사막 접촉기로 대체한 공정으로 막 모듈 내에서 이산화탄소와 흡수제 사이를 독립적으로 제어함으로써 막 기공에서 안정적인 기-액 계면 형성을 유지할 수 있고, 중공사막의 유효 표면적을 상당히 넓힐 수 있어 높은 분리효율을 기대할 수 있는 장점을 가지고 있기 때문에 여러 분야에서 연구[A. Gabelmann and S.-T. Hwang, J. Membrane Sci., vol.159 (1999) 61]가 이루어지고 있다. 그러나 이와 같은 막을 통한 흡수법은 아무리 소수성이 뛰어난 막의 재질을 사용한다 할지라도 고분자의 물질로 이루어져 있고 기공의 구조 또한 다양하여 어떤 흡수제를 사용하느냐에 따라 막의 수명과 CO2 분리효율 그리고 장기간의 안정된 조업에 상당한 영향을 미치므로 사용 가능한 흡수제가 한정되어 있는 단점이 있다.
최근 주목받고 있는 화학흡수제로는 알칸올아민(alkanolamine)계와 포타슘카보네이트(potassium carbonate)계의 흡수제가 있지만, 포타슘카보네이트계 흡수제를 막에 사용할 경우 결정 석출로 인하여 막 표면의 기공들을 막아 막의 물리적 손상과 이산화탄소 분리효율을 낮출 우려가 있다. 반면에 알칸올아민계 흡수제는 이산화탄소와 반응성이 가장 뛰어난 관계로 기존의 이산화탄소 회수용 흡수탑 공정에서 대표적인 화학적 흡수제로 사용되어 왔다. 상기 알칸올아민계는 결정 석출의 영향은 없으면서 모노알콜아민인 모노에탄올아민의 경우 이산화탄소와 반응속도가 빨라 높은 분리효율을 나타내는 장점이 있다. 그러나 모노에탄올아민은 10 중량부 이상의 농도에서 장시간 운전할 경우 PVDF 중공사막과 화학적 반응을 보인다. 또한 PP와 PVDF 두 중공사막 모두에서 단시간 내에 젖음성(wetting) 현상이 보여 처음의 효율을 유지하지 못하는 단점을 드러냈다.
이에 본 발명의 발명자들은 흡수모듈로 소수성과 내화학성이 뛰어난 폴리프로필렌(polypropylene, PP) 또는 폴리비닐리덴 디플루오라이드(polyvinylidene difluoride, PVDF) 중공사막 접촉기와 탈착모듈로 열탈착기가 구성된 혼합시스템 에서의 중공사막과 접촉시키는 이산화탄소 흡수제로써, 상기와 같은 문제점을 해결할 수 있는 새로운 조성의 흡수제를 개발하게 되었다. 본 발명에서는 결정석출이 없으면서 빠른 반응속도로 분리효율이 높아 최근 주목받고 있는 알칸올아민계 흡수제에 대해 연구 노력한 결과, 알칸올아민계 흡수제중 특정하게 선택된 트리알콜아민과 모노알콜아민을 일정 함량비로 혼합된 알콜아민 혼합물을 사용하여, 기존 흡수제의 문제점인 이산화탄소의 분리 회수의 효율성을 향상시키며 오랜 조업시간 동안 중공사막 접촉기에서의 젖음성이 나타나지 않고 안정적 운전이 가능함을 알게 됨으로써 본 발명을 완성하게 되었다.
따라서 본 발명은 주흡수제로 트리알콜아민과 소량의 모노알콜아민이 일정비율 혼합된 흡수제를 사용하여 기존에 사용되어온 물리·화학 흡수제에 비하여 높은 흡수속도와 가스처리량을 나타낼 뿐만 아니라 주흡수제인 TEA 수용액에 MEA 수용액을 소량첨가 사용하는 것이MEA 수용액 단독사용의 경우에 비해 이산화탄소 흡수율을 증가시키고, 점도가 큰 TEA 수용액에 의해 중공사막의 물리 화학적 성질을 안정화시켜 장시간 정상상태를 유지하는 혼합흡수제를 제조하는데 그 목적이 있다.
또한 본 발명은 상기의 혼합흡수제를 중공사막 접촉기 모듈에 장착한 흡수모듈을 도입하여 이산화탄소를 분리·회수하는 흡수-탈거 혼성시스템을 또 다른 특징으로 한다.
본 발명은 트리알콜아민 5 ∼ 30 중량%와 모노알콜아민 1 ∼ 5 중량% 함유된 알콜아민 수용액을 중공사막 접촉기용 이산화탄소 흡수제로 사용하는 것을 그 특징으로 한다.
또한 본 발명은 혼합기체로부터 이산화탄소를 흡수하고 흡수된 이산화탄소를 탈거하는 이산화탄소 분리용 흡수-탈거 혼성시스템에 있어서, 폴리프로필렌 또는 폴리비닐리덴 디플루오라이드 중공사막 접촉기가 흡수모듈로 장착되어 있고, 상기 흡수모듈에서 트리알콜아민 5 ∼ 30 중량%와 모노알콜아민 1 ∼ 5 중량% 함유된 알콜아민수용액과 혼합기체를 접촉하여 이산화탄소를 흡수하는 이산화탄소 분리용 흡수-탈거 혼성시스템을 또 다른 특징으로 한다.
이와 같은 본 발명을 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 현재 주목받고 있는 알칸올아민계 흡수제중 트리알콜아민과 모노알콜아민을 혼합 사용에 대한 것이 아니라 그 중 특정 성분인 트리에탄올아민(TEA)과 모노에탄올아민(MEA)수용액을 선택하여 일정비로 혼합 제조된 흡수제를 본 발명에서 사용된 중공사막 접촉기를 흡수모듈로 하고 열탈착기가 탈착모듈로 구성된 시스템에 적용함으로써 기존에 흡수제를 상기 시스템에 적용한 것에 비해 보다 효율적으로 분리 회수할 수 있는 흡수제에 관한 것이다.
본 발명은 주흡수제로 트리알콜아민인과 흡수속도 향상을 위해 소량의 모노알콜아민인으로 구성된 알콜아민 수용액상의 흡수제를 각각 5 ∼ 30 중량%, 1 ∼ 5 중량%로 사용하여 기존의 물리·화학 흡수제에 비하여 높은 흡수속도와 가스처리량을 나타낼 뿐만 아니라 기존의 방법인 모노에탄올아민 수용액을 단독사용 하는 것보다 주흡수제인 트리에탄올아민 수용액에 모노에탄올아민 수용액을 소량 첨가하여 사용함으로서 이산화탄소 흡수율을 증가시키고, 또한 점도가 큰 트리에탄올아민 수용액에 의해 중공사막의 물리·화학적 성질을 안정화시켜 장시간 정상상태를 유지하는 효과를 지니는 상기의 흡수제를 중공사막 접촉기를 흡수모듈로 하고 열탈착기가 탈착모듈로 구성된 시스템에 적용시켜 함께 사용하여 이산화탄소를 보다 효율적으로 분리 회수할 수 있는 흡수제에 관한 것이다.
본 발명은 이산화탄소를 분리 회수하는 흡수제로는 트리알콜아민을 주흡수제로 하고 모노알콜아민을 소량 첨가하여 사용되며, 상기 주 흡수제로 트리 알콜 아민은 예를 들면 TEA 수용액을 5 ∼ 30 중량% 사용한다. 상기 주흡수제인 트리알콜아민이 5 중량% 미만이면 높은 점성을 유지시켜줄 트리알콜아민 함량이 작아 막의 기공에서 젖음성 현상이 일어나 빠른 시간 안에 효율저하의 원인이 될 수 있고, 30 중량% 초과시에는 막의 화학적 손상이 빠르게 진행될 우려가 있어 막의 수명 단축을 초래할 수 있다. 또한 상기의 주흡수제의 흡수속도 향상을 위해 모노알콜아민을 사용하며 예를 들면 MEA 수용액을 1 ∼ 5 중량% 사용한다. 상기 모노알콜아민이 1 중량% 미만이면 흡수율을 향상에 상당한 기여를 하는 흡수제의 함량이 너무 적어 이산화탄소 분리효율의 향상을 기대 할 수 없고, 5 중량% 초과시에는 흡수제와 막과의 화학적 안정성을 보장할 수 없는 문제가 발생한다.
상기 본 발명에서 사용된 주흡수제로 사용된 트리에탄올아민은 상온에서 590.5 c.p(centipoise)로 모노에탄올아민에 비해 약 30배 가량 높은 점도를 가지고 있어 막의 기공사이로 용액의 침투를 어렵게 만들어 기공 사이에서 액상과 기상이 안정된 접촉면을 형성하여 물질전달을 용이하게 함으로써 장시간 안정된 조업을 가능하게 한다. 그러나 트리에탄올아민는 트리 알콜 아민으로 자유양성자(free proton)의 부족으로 인하여 직접 이산화탄소와 반응하지 못하고 이산화탄소와 물 사이에서 염촉매의 작용을 하여 반응속도가 느린 단점을 가지고 있다. 따라서 본 발명에서는 트리에탄올아민의 반응속도 문제를 모노알콜아민을 소량 첨가 사용함으로써 이산화탄소의 상당한 분리 회수 효율을 기대할 수 있다. 모노 알콜 아민인은 이산화탄소와 직접 반응하여 카바메이트를 생성하므로 트리에탄올아민보다 약 5 ∼ 6배 정도의 높은 흡수능을 보이기 때문에 트리에탄올아민에 모노알콜아민를 첨가한 혼합흡수제는 중공사막을 이용한 기체의 분리에 적합하다. 따라서 본 발명에서와 같이 트리알콜아민과 모노알콜아민이 혼합된 수용액을 흡수제로 사용한 것이 이산화탄소 분리회수에 적합하며, 뿐만 아니라 그 비율이 트리알콜아민 5 ∼ 30 중량%, 모노알콜아민 1 ∼ 5 중량%로 혼합된 알콜아민 수용액의 흡수제를 사용하는 경우가 보다 효율적인 이산화탄소 분리 회수율을 가지게 된다
또한 이산화탄소 흡수 분리를 위한 분리막 접촉기 모듈을 구성하는 중공사막으로 폴리비닐리덴 디플루오라이드(PVDF)와 폴리르로필렌(PP) 중공사막을 사용하였다. 상기 PVDF 중공사막은 상전이(phase-inversion)법과 습식방사(wet-spinning)법을 이용하여 비대칭(asymmetric) 형태로 제조되었으며, PP 중공사막(Memtech Co., PP hollow fiber membrane)은 대칭형(symmetric)으로 구입하였다.
본 발명에서 상기의 제조된 혼합흡수제를 중공사막 접촉기의 흡수모듈과 열탈착기의 탈착모듈로 구성된 도 1의 도면과 연관시켜 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1에 도시한 바와 같이 각 중공사막 접촉기 모듈을 이용한 이산화탄소 분리 회수 실험은 흡수-탈착 연속 순환식 공정으로 수행하였다.
본 발명에서는 질소와 이산화탄소의 혼합기체를 사용하며 상기의 이산화탄소가 1 ∼ 30 부피% 함유된 것을 사용한다. 상기 이산화탄소 함유량이 1 부피% 미만이면 평균적으로 이산화탄소 발생원으로부터 배출되는 이산화탄소의 함량보다 매우 작아 흡수제의 흡수성능을 평가하기 어려운 문제점이 있고, 30 부피% 초과 함유시에는 흡수제가 함유할 수 있는 이산화탄소 양이 많아져 상기 혼합공정의 탈거탑의 탈착 공정에서 이산화탄소의 원활한 분리가 이루어지지 않아 낮은 흡수율의 결과를 초래한다. 상기의 혼합기체(1)를 100 ∼ 700 cc/min로 각각의 분리막 접촉기를 장착한 흡수모듈(2)의 하부에서 중공사 내측(tube side)으로 공급하고, 각각의 제조된 혼합흡수제(7)는 25 ∼ 35 ℃, 15 ∼ 25 cc/min의 범위에서 기체의 유량을 변화시키면서 중공사 외측(shell side)으로 공급하여 CO2의 제거효율을 조사하였다. 상기 흡수모듈에서 흡수제와 공급 기체가 접촉하여 CO2만 선택적으로 흡수되고 나머지 기체는 흡수모듈의 상부(4)로 배출된다. 흡수모듈(2)을 통과하여 나오는 기체 조성은 TCD-GC(SHIMADZU, GC-14B, 5)로 분석하였다. 상기 분리막 접촉기를 장착한 흡수모듈(2)에서 기상(tube side)과 액상(shell side)의 압력을 니들밸브(needle valve)에 의해 2 ∼ 4 psig 범위에서 조절하여 안정된 기-액 계면 형성을 유지하면서 흡수 실험을 수행하였다.
상기의 CO2를 흡수한 흡수제는 펌프를 이용하여 가열된 상태로 탈착모듈인 열탈착기의 탈거탑(stripper)(3)으로 유입(9)되어 CO2를 탈착한다. 이 때, 탈착된 CO2 가스는 탈거탑의 상부로 배출(8)되고, 이 과정에서 흡수제는 재생되게 되는데, 탈거탑 하단에는 일부 탈거되지 않은 분리 대상가스를 완전히 탈착하기 위하여 재비기(reboiler)(6)가 설치되어 흡수제를 재생한다. 가열된 재생 흡수제는 냉각된 후 다시 흡수모듈로 주입되어 CO2를 연속적으로 흡수·분리하게 된다.
각 흡수제는 가열 테이프(heating tape)를 사용하여 흡수 모듈 입구에서 30 ∼ 50 ℃, 탈거탑 입구에서 75 ∼ 85 ℃로 각각 유지하였으며, 탈거탑 하부에는 90 ∼ 110 ℃의 재비기를 설치하였다.
실시예 1 ∼ 2
다음 표 1에 나타낸 트리에탄올아민과 모노에탄올아민이 혼합된 알콜아민수용액의 함량으로 혼합하여 흡수제 수용액을 제조한다.
비대칭 미세다공성 PVDF 중공사막 접촉기 모듈을 혼합시스템의 흡수모듈에 장착하여 N2:CO2 = 80:20 부피%의 혼합 기체(1)를 PVDF 중공사막 접촉기모듈(2)의 하부에서 중공사 내측(tube side)으로 공급하였고, 상기 제조된 혼합흡수제(7)를 중공사 외측(shell side)으로 공급하였다. 실온의 공급 혼합기체는 200 ∼ 600 cc/min, 흡수제는 30 ℃, 20 cc/min 에서 공급기체와 흡수제의 흐름을 향류로 하면서 혼합기체 유량을 변화시키면서 CO2 제거효율을 조사하였다. 상기 흡수모듈의 압력은 기상(tube side)과 액상(shell side)의 압력을 니들밸브(needle valve)에 의해 2 ∼ 4 psig로 유지하였다. 흡수모듈에서 흡수제와 공급 기체가 접촉하여 CO2만 선택적으로 흡수되고 나머지 기체는 흡수모듈의 상부(4)로 배출되고, 흡수모듈을 통과하여 나오는 기체 조성은 TCD-GC(5)로 분석하였다.
상기의 CO2를 흡수한 흡수제는 펌프를 이용하여 가열된 상태로 탈거탑(stripper)(3)으로 유입(9)되어 CO2를 탈착한다. 이 때, 탈착된 CO2 가스는 탈거탑의 상부로 배출(8)되고, 이 과정에서 흡수제는 재생되게 되는데, 탈거탑 하단에는 일부 탈거되지 않은 분리 대상가스를 완전히 탈착하기 위하여 재비기(reboiler)(6)가 설치되어 흡수제를 재생한다. 가열된 재생 흡수제는 냉각된 후 다시 흡수모듈로 주입되어 CO2를 연속적으로 흡수, 분리하게 된다.
흡수제는 가열 테이프(heating tape)를 사용하여 흡수 모듈 입구에서 30 ℃, 탈거탑 입구에서 80 ℃로 각각 유지하였으며, 탈거탑 하부에는 107 ℃의 재비기를 설치하였다.
실시예 3 ∼ 4
실시예 1 ∼ 2와 동일하게 실시하되, 혼합시스템의 흡수모듈을 PP 중공사막 모듈을 사용하여 다음 표 1에 나타낸 혼합흡수제로 이산화탄소 흡·탈착실험을 실시하였다.
비교예 1 ∼ 5
실시예 1 ∼ 2와 동일하게 실시하되, 30 ℃의 실험온도에서 다음 표 1에 나타낸 기존의 물리 흡수제(NaOH, K2CO3) 및 화학 흡수제(MEA, MDEA, TEA)를 이용하여 이산화탄소 흡·탈착실험을 실시하였다.
비교예 6 ∼ 7
실시예 1 ∼ 2와 동일하게 실시하되, 다음 표 1에 나타낸 혼합흡수제의 함량으로 이산화탄소 흡·탈착실험을 실시하였다.
비교예 9 ∼ 11
비교예 1 ∼ 5와 동일하게 실시하되, 혼합시스템의 흡수모듈을 PP 중공사막 모듈을 사용하여 다음 표 1에 나타낸 기존의 물리 흡수제(NaOH, K2CO3) 및 화학 흡수제(MEA, MDEA, TEA)를 이용하여 이산화탄소 흡·탈착실험을 실시하였다.
비교예 12 ∼ 13
비교예 6 ∼ 7과 동일하게 실시하되, 혼합시스템의 흡수모듈을 PP 중공사막 모듈을 사용하여 다음 표 1에 나타낸 혼합흡수제의 함량으로 이산화탄소 흡·탈착실험을 실시하였다.
상기 표 1에 나타낸 아래의 요소별 결과들로 흡수제 성능을 비교하여 나타내었다.
1) 물리 화학적 안정성 ; 각 흡수제에 10일간 함침 후, 중공사막의 화학 구조(IR 분석)및 기계적 강도(tensile strength 측정) 변화를 분석한 것이다.
2) Non-wetting time ; 흡수제가 중공사막의 기공내에 침투하는 젖음성(wetting) 현상 없이 안정되게 운전 가능한 시간을 나타낸 것이다.
3) 흡수 속도 (mol/m3.s) ; 이산화탄소 흡수속도(mol/s)/중공사막 접촉기 체적(m3)
4) 기체 처리 유량 (cc/min.) ; 동일한 중공사막 접촉기 모듈체적에 대해서 이산화탄소를 95 % 이상의 제거효율로 처리할 수 있는 혼합기체 유입량을 나타낸 것이다.
본 발명의 트리알콜아민 + 모노알콜아민이 혼합된 수용액이 사용된 흡수제는 PVDF, PP 양쪽 모두의 중공사막 접촉기 모듈에 대해서 모노에탄올아민 수용액 단독 사용의 경우에 비해 물리, 화학적으로 안정성이 개선되어, 15 ∼ 35배 이상 장시간 안정적으로 이산화탄소를 효율적으로 제거하였다. 또한 트리알콜아민 + 모노알콜아민이 혼합된 수용액이 사용된 흡수제는 트리알콜아민 수용액이 단독 사용된 경우에 비해 3배 이상의 높은 이산화탄소 흡수속도와 처리용량을 나타내었다. 각종 물리 흡수제와 비교에서도 트리알콜아민 + 모노알콜아민이 혼합된 수용액의 혼합 흡수제는 우수한 흡수 효율을 나타내었다.
또한 트리알콜아민 + 모노알콜아민이 혼합된 수용액을 혼합 사용한 경우라도 각각 5 ∼ 30 중량%, 1 ∼ 5 중량%를 벗어나는 범위에서는 상기 범위미만일 경우는 이산화탄소와 반응할 수 있는 흡수제의 양이 너무 작아 상업적 이용에 부응할 수 없고, 범위를 초과하는 경우는 막의 화학적 손상이 우려되어 결국에는 이산화탄소 분리효율의 저하를 보이게 된다.
일반적으로 막을 이용한 흡수법은 기상저항과 액상저항 외에 막 자체의 저항이 추가로 존재하는 것이 커다란 단점으로 작용한다. 이것은 막의 기공이 액상으로 채워지는 현상으로 젖음성으로도 설명되어질 수 있다. 조업 중 막의 젖음성 현상이 나타나면 이산화탄소 분리효율을 약 40 %까지 떨어뜨려 안정적 조업이 어렵게 된다. 도 2는 PVDF와 PP 중공사막에 대하여 흡수제 모노알콜아민 5 중량%를 단독으로 사용했을 경우와 트리알콜아민 15 중량%와 모노알콜아민 2 중량%가 혼합된 수용액의 혼합흡수제를 사용했을 경우 이산화탄소 분리효율을 20분 간격으로 측정하여 나타낸 것이다. 모노알콜아민 수용액 5 중량부에서 PVDF 중공사막은 약 400분, PP 중공사막은 200분까지 정상상태를 유지한 후 젖음성 현상이 나타나 분리효율의 상당한 저하를 나타냈다. 반면에 트리알콜아민 15 중량%와 모노알콜아민 2 중량%가 혼합된 수용액의 혼합흡수제에 대해서는 두 막 모두 약 100시간 이상 정상상태를 유지하였고 젖음성 현상은 나타나지 않아 안정적 조업이 장시간 가능하였다.
구분 기체 유속(cm3/min) 흡수제(농도, 중량%) 흡수속도 ×104 (mol/m2·sec)
PVDF 중공사막 200 TEA (15) 2.34
400 TEA (15) + MEA (2) 5.93
PP 중공사막 200 TEA (15) 1.58
400 TEA (15) + MEA (2) 3.61
상기 표 2 는 각 흡수모듈인 중공사막 접촉기에 흡수제 트리알콜아민 수용액 15 중량%, 트리알콜아민 15 중량%에 모노알콜아민 2 중량% 첨가한 수용액에 있어서 전후의 막의 단위면적당 이산화탄소 흡수율을 나타낸 것이다. PVDF 중공사막을 사용시 모노알콜아민을 첨가하였을 경우의 흡수속도가 그렇지 않을 경우에 비해 약 253 % 증가하였다. 또한 PP 중공사막을 사용시에는 1차 아민의 모노알콜아민을 첨가하였을 경우의 흡수속도가 그렇지 않을 경우에 비해 약 228 % 증가하였다.
상기한 바와 같이 본 발명에서는 중공사막 접촉기가 장착된 흡수모듈과 열탁착기가 장착된 탈착모듈로 구성된 혼합시스템에 트리알콜아민에 모노알콜아민을 첨가한 수용액상의 혼합흡수제를 사용하여 이산화탄소를 흡수함으로써, 기존의 물리·화학 흡수제에 비하여 높은 흡수속도와 가스처리량을 나타낼 뿐만 아니라 모노알콜아민 수용액 단독사용의 경우보다 첨가에 의해 이산화탄소 흡수율을 증가시키고, 점도가 큰 트리알콜아민 수용액에 의해 중공사막의 물리·화학적 성질을 안정화시켜 장시간 정상상태를 유지시키는 효과를 나타낸다.
도 1은 중공사막 접촉기와 열 탈착기가 조합된 혼성시스템을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2는 PP 중공사막과 PVDF 중공사막에 이산화탄소 흡수를 위해 사용되는 흡수제를 모노에탄올아민 단독으로 사용했을 경우와 트리에탄올아민과 모노에탄올아민의 혼합흡수제를 사용했을 경우 정상상태 유지시간을 그래프로 나타낸 것이다.
[도 1의 시스템 설계도의 주요 부분에 대한 부호의 설명]
1 : 혼합기체, 2 : 흡수모듈, 3 : 탈착모듈,
4 : 나머지 기체, 5 : TCD-GC 분석기, 6 : 재비기,
7 : 혼합흡수제, 8 : 탈착된 이산화탄소, 9 : CO2를 흡수한 흡수제

Claims (6)

  1. 트리알콜아민 5 ∼ 30 중량%와 모노알콜아민 1 ∼ 5 중량% 함유된 알콜아민수용액인 것임을 특징으로 하는 중공사막 접촉기용 이산화탄소 흡수제.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 트리알콜아민은 트리에탄올아민인 것임을 특징으로 하는 중공사막 접촉기용 이산화탄소 흡수제.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 모노알콜아민은 모노에탄올아민 것임을 특징으로 하는 중공사막 접촉기용 이산화탄소 흡수제.
  4. 혼합기체로부터 이산화탄소를 흡수하고 흡수된 이산화탄소를 탈거하는 이산화탄소 분리용 흡수-탈거 혼성시스템에 있어서,
    폴리프로필렌 또는 폴리비닐리덴 디플루오라이드 중공사막 접촉기가 흡수모듈로 장착되어 있고, 상기 흡수모듈에서는 청구항 1의 흡수제와 혼합기체를 접촉하여 이산화탄소를 흡수되도록 되어 있는 것임을 특징으로 하는 이산화탄소 분리용 흡수-탈거 혼성시스템.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 흡수제로 사용된 알콜아민수용액의 온도가 30 ∼ 50 ℃인 것임을 특징으로 하는 이산화탄소 분리용 흡수-탈거 혼성시스템.
  6. 제 4 항에 있어서, 상기 흡수-탈거 혼성시스템의 탈거탑 하부 재비기의 온도가 90 ∼ 110 ℃인 것임을 특징으로 하는 이산화탄소 분리용 흡수-탈거 혼성시스템.
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