KR100691859B1 - 나노입자 분산액을 포함하는 기체 흡수 장치 - Google Patents

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KR100691859B1 KR1020060079103A KR20060079103A KR100691859B1 KR 100691859 B1 KR100691859 B1 KR 100691859B1 KR 1020060079103 A KR1020060079103 A KR 1020060079103A KR 20060079103 A KR20060079103 A KR 20060079103A KR 100691859 B1 KR100691859 B1 KR 100691859B1
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강현욱
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고려대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 나노입자 분산액을 포함하는 기체 흡수 및 반응효율 향상 장치에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는, 수분산계 실리카 나노입자가 분산된 나노유체를 저장하는 나노유체 흡수 반응기; 상기 나노유체 흡수 반응기에 투입 기체를 기포 형태로 공급하는 기체 공급 수단; 및 상기 나노유체 흡수 반응기를 통과한 처리 기체를 외부로 배출하는 배출라인을 포함하는 것을 특징으로 하는 기체 흡수 및 반응효율 향상 장치에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 높은 기체 흡수 및 반응율을 나타내고, 구성이 단순하여 제조원가가 저렴하며, 소형화가 가능하여 산업용에서 공정 비용을 줄일 수 있을 뿐만 아니라 가정용으로도 사용 가능성이 있고, 다양한 종류의 대상 가스에 널리 적용할 수 있는 기체 흡수 및 반응효율 향상 장치를 제공할 수 있다.
기체 흡수 및 반응효율 향상 장치, 나노유체, 수분산계 실리카 나노입자

Description

나노입자 분산액을 포함하는 기체 흡수 장치 {Gas absorption device comprising nanoparticles dispersed in fluid}
도 1은 본 발명에 따른 기체 흡수 및 반응효율 향상 장치의 일 구현예에 대한 개략적인 구성도이다.
도 2는 수분산계 실리카 나노입자의 함량이 각각 0 중량%, 1 중량% 및 3 중량%인 경우에, 이산화탄소 기체에 대한 초기 1분 동안의 흡수율 및 총 흡수량을 도시한 그래프이다.
도 3a 및 3b는 평균 입경이 각각 7nm, 12nm 및 22nm인 수분산계 실리카 나노입자를 포함하는 나노유체에 대해서, 이산화탄소 기체에 대한 시간에 따른 상대적 흡수 속도 및 시간에 따른 누적 흡수량을 도시한 그래프이다.
도 4는 50 미크론 이하의 폴리메틸메타크릴레이트 (polymethylmethacrylate; PMMA) 입자를 포함하는 유체에 대한 이산화탄소 흡수 속도를 도시한 그래프이다.
도 5a 및 5b는, 각각 유체로서 물과 본 발명에 따른 나노유체를 사용한 경우의 기포의 크기 및 모양을 나타낸 사진을 도시한 도면이다.
도 6은 수학식 2 내지 수학식 4로부터 계산된 수치를 이용하여 물 및 나노유체의 시간에 따른 흡수 속도를 예측한 예측값들과, 실제 측정값들을 비교한 결과를 도시한 그래프이다.
도 7은 수학식 2 내지 수학식 4로부터 계산된 수치를 이용하여 물 및 나노유체의 시간에 따른 누적 흡수량을 예측한 예측값들과, 실제 측정값들을 비교한 결과를 도시한 그래프이다.
도 8은 본 발명에 따른 기체 흡수 및 반응효율 향상 장치를 사용하여 이산화탄소의 시간에 따른 흡수 속도를 측정하기 위한 개략적인 장치를 도시한 도면이다.
도 9는 순수한 물, 실시예 1의 나노유체 중 평균 입경 12nm의 수분산계 실리카 나노입자를 포함하는 나노유체, 아민 수용액 및 아민 수용액에 평균 입경 12nm의 수분산계 실리카 입자를 분산시킨 나노유체 4가지에 대해서 이산화탄소의 흡수 속도를 측정한 결과를 도시한 그래프이다.
도 10은 순수한 물, 실시예 1의 나노유체 중 평균 입경 12nm의 수분산계 실리카 나노입자를 포함하는 나노유체, 아민 수용액 및 아민 수용액에 평균 입경 12nm의 수분산계 실리카 입자를 분산시킨 나노유체 4가지에 대해서 이산화탄소의 누적 흡수량을 측정한 결과를 도시한 그래프이다.
본 발명은 기체 흡수 및 반응효율 향상 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 나노입자가 분산된 유체를 이용함으로써, 높은 기체 흡수 및 반응율을 나타내고, 구성이 단순하여 제조원가가 저렴하며, 소형화가 가능하여 산업용에서 공정 비 용을 줄일 수 있을 뿐만 아니라 가정용으로도 사용 가능성이 있고, 다양한 종류의 대상 가스에 널리 적용할 수 있는 기체 흡수 및 반응효율 향상 장치에 관한 것이다.
일반적으로 액체에 대한 기체의 용해 현상을 이용한 장치는 폐수처리장, 정수처리장, 정수기, 수경양액 재배, 양식장 등에서 산소나 오존 등의 기체를 폐수나 물과 같은 액체에 용해시키는데 이용되는 장치로서, 이는 물이나 폐수 등과 같은 액체 내에 산소나 오존 등의 기체 용존률을 높일 목적으로 주로 이용된다. 특히, 액체에 대한 기체의 용해율을 높일 경우에는, 대상 기체 내에 함유된 다양한 대상 가스를 상기 액체 중에 용해시킴으로써 상기 대상 기체를 정화하기 위한 용도로도 활용될 수 있으며, 특히 자동차 배기가스 중에 포함된 이산화탄소, SOx 및 NOy 등과 같은 다양한 유형의 유해가스를 제거하기 위한 기체 정화 장치로도 이용될 수 있는 바, 물질의 분리 또는 환경 분야와 연관되어 중요한 물질전달 장치로 인식되고 있다.
종래 통상적으로 널리 사용되는 기체 흡수 장치로는, 소위 이젝터식 기체 흡수 장치로서, 노즐로부터 분사되는 액체 분사류를 혼합시키는 기체 속으로 통과시키고, 상기 분사류 속으로 주위의 기체를 흡인한 다음, 상기 노즐과 동축으로 설치되는, 상기 분사류와 직경이 대략 동일한 교축부로부터 상기 액체 속으로 기체 혼합 분사류를 분사함으로써, 미세 기포를 함유하는 액체를 제조하는 방식의 장치가 널리 알려져 있다. 또한, 상기 방법에 의하여 미세 기포를 분산시킨 분사류를 기 포가 상승하면서 분산하는 탱크의 하부에 주입하여, 미세한 기포가 탱크 내의 액체 속을 상승하는 동안에 액체 속에 대량으로 기포를 용해시켜서 필요로 하는 기체가 용해된 액체를 제조하는 방식의 장치도 있으며, 기체 및 액체를 가압펌프 속으로 보내고, 가압펌프 내에서 상기 기체 및 액체를 가압하여 액체 속에 기체를 용해시킨 다음, 기체가 용해된 액체를 감압함으로써 용해된 기체를 석출시켜 액체 속에 기포를 형성하는 방식의 장치도 있다.
대한민국 특허출원 공개공보 제2000-0009378호, 제2000-0018208호 및 제2001-0082678호 등은 종래의 통상적인 기체 흡수 장치를 개시하고 있으며, 이는 액체에 기체를 기포 형태로 단순 혼입시킨 후에 그 액체를 밀폐된 용해탱크 내에서 낙하시키거나 또는 강제교란하면서 유동시키는 방식으로 액체에 대한 기체의 접촉율을 높여 기체를 흡수시키는 구성을 갖는다. 그러나, 이러한 종래의 통상적인 기체 흡수 장치들은 기포의 형태로 혼입된 기체가 낙하 또는 교란 과정에서 액체로부터 너무 빠르게 탈기되어 버리기 때문에 기체의 액체에 대한 접촉률이 매우 낮아 기체 흡수율이 낮다는 문제점이 있었다. 또한, 흡수되지 않은 잔존 기체가 배출되는 액체와 함께 흡수 반응기 밖으로 방출되어 버리는 문제점이 있었다.
더욱이, 종래의 기체 흡수 장치들은 구성 및 구조가 복잡하여 제조원가가 매우 높고, 소형화가 어려워서 일반적으로 폐수처리장과 같은 대형 시설의 용도로만 국한되어 사용되었으며, 소형화하는 경우 기체 흡수율이 매우 낮아서 효용가치가 크게 떨어지는 문제점이 있었다.
또한, 액체에 대한 기체의 반응 현상을 이용한 공정으로서 이산화탄소의 흡 수에 있어서, 아민을 사용하여 반응성을 증가시킴으로써 흡수 성능을 높이고자 한 시도 (Manuel A. Pacheco, Shoichi Kaganoi and Gary T. Rochelle, CO2 absorption into aqueous mixtures of diglycolamine and methyldiethanolamine, Chemical Engineering Science, 55(21), (2000), 5125-5140) 등이 보고된 바 있다. 그러나, 이러한 공정은 이산화탄소의 흡수에만 적용될 수 있을 뿐 다양한 대상가스에 적용될 수 없다는 한계점이 있다.
한편, 나노입자 (nanoparticle)란, 수 내지 수백 나노미터 정도의 미세한 크기를 갖는 다양한 물질들의 미세 입자를 의미하며, 일반적으로 물질이 나노입자의 형태로 존재하는 경우, 더욱 큰 입자 크기를 가질 때와는 확연히 다른 소정 물성들을 갖게 된다. 최근에, 이러한 나노입자를, 전기, 전자, 정밀 기계 및 정밀 화학 분야 등을 포함하는 산업 전 범위에 걸쳐서 적용하고자 하는 시도가 확대되고 있는 추세이며, 예를 들어 카본 나노 입자를 전자 방출원의 재료로서 다양한 디스플레이에 적용하거나, 물질이 나노입자화 하는 경우에 열전달률이 획기적으로 향상된다는 사실에 기초하여 이를 변압기 절연유에 포함시키거나 (대한민국 특허출원 공개공보 제2003-0031669호), 정밀 기계의 베어링용으로 사용하거나, 심지어 생체내 약물 전달을 위한 용도에까지 응용하고 있다.
특히, 나노입자를 포함하는 유체, 즉 나노유체를 이용하여 기체의 흡수 성능을 향상시키고자 하는 연구도 보고된 바 있으며, 예를 들어 실험적인 범위에서 기포형으로 암모니아를 흡수시키는 경우에, 나노유체에서 그 흡수 성능이 증가한다는 사실 (Jin-Kyeong Kim, Jun Young Jung and Yong Tae Kang, Absorption performance enhancement by nano-particles and chemical surfactants in binary nanofluids, International Journal of Refrigeration, 2006)이 보고된 바 있다.
그러나, 상기 연구들은 나노유체에 대한 연구에 있어서, 실제로 산업용 또는 가정용으로 적용가능한 기체 흡수 장치를 제시하는 것은 아니며, 기체 액체 간의 반응 현상을 이용하여 흡수 성능을 향상시킬 수 있는 기체 반응기로서의 역할은 제시된 바가 없는 실정이다.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 종래 기술의 문제점을 해소하기 위한 것으로서, 나노입자가 분산된 유체를 이용함으로써, 높은 기체 흡수 및 반응율을 나타내고, 구성이 단순하여 제조원가가 저렴하며, 소형화가 가능하여 산업계에서 공정비용을 절감할 수 있을 뿐만 아니라 가정용으로도 사용 가능성이 있고, 다양한 종류의 대상 가스에 널리 적용할 수 있는 기체 흡수 및 반응효율 향상 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 상기 기술적 과제를 달성하기 위해서,
나노입자가 분산된 나노유체를 포함하는 나노유체 흡수 반응기;
상기 나노유체 흡수 반응기에 투입 기체를 기포 형태로 공급하는 기체 공급 수단; 및
상기 나노유체 흡수 반응기를 통과한 처리 기체를 외부로 배출하는 배출라인 을 포함하는 것을 특징으로 하는 기체 흡수 및 반응효율 향상 장치를 제공한다.
본 발명에 따른 기체 흡수 및 반응효율 향상 장치는 나노입자가 분산된 나노유체를 기체 흡수 및 반응효율 향상 장치에 도입함으로써, 장치 내에서 발생되는 기포의 크기를 미세화하고 결과적으로 처리 대상이 되는 기체의 나노유체에 대한 흡수 성능을 증가시키고, 기액간 반응에 있어서 반응성을 증가시켜 대상가스의 처리 효율을 획기적으로 증가시킬 수 있게 된다. 더욱이, 본 발명에 따른 장치는 단순한 구성, 저렴한 제조원가, 소형화 가능성 등으로 인해서 공장 배기가스 등을 포함하는 각종 유해가스 정화 장치, 흡수를 통한 분리 장치 및 기체 액체 반응기에 매우 유용하게 활용될 수 있다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명에 따른 기체 흡수 및 반응효율 향상 장치를 더욱 구체적으로 설명하기로 한다.
도 1에는 본 발명에 따른 기체 흡수 및 반응효율 향상 장치의 일 구현예에 대한 개략적인 구성도가 도시되어 있다. 도 1에 도시된 기체 흡수 및 반응효율 향상 장치는 흡수 반응기 내에서 대상이 되는 기체를 기포의 형태로 발생시킴으로써 기체를 흡수시키는 과정을 수반하는 장치로서, 나노입자가 분산된 나노유체 흡수 반응기를 구비하고 있다는 특징을 갖는다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 기체 흡수 및 반응효율 향상 장치는, 나노입자가 분산된 나노유체를 포함하며 대상 기체를 흡수하기 위한 나노유체 흡수 반응기 (100), 상기 나노유체 흡수 반응기 중에 처리 대상이 되는 투입 기체를 기포의 형태로 공급하는 기체 공급 수단 (200) 및 처리 기체를 외부로 배출하기 위한 배출라인 (300)을 포함한다.
본 발명에 따른 기체 흡수 및 반응효율 향상 장치에 있어서, 상기 나노유체 흡수 반응기 중의 나노유체는 물 또는 수성 분산매 중에 나노입자를 분산시킴으로써 제조된다.
상기 나노입자로는, 이에 제한되는 것은 아니지만, 금속 나노입자, 세라믹 나노입자, 금속 산화물 나노입자 또는 그 혼합물 등이 사용될 수 있으며, 상기 금속 나노입자의 예로는 금, 은 및 구리로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 금속 나노입자를, 상기 세라믹 나노입자의 예로는 실리카 (SiO2), 알루미나 (Al2O3) 및 지르코니아 (ZrO2)로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 세라믹 나노입자를, 상기 금속 산화물 나노입자의 예로는 산화구리 (CuO) 나노입자를 들 수 있다.
한편, 일반적으로 나노입자는 분산매 중의 농도가 과다해지는 경우 응집 현상 등으로 인해서 균일하게 분산될 수 없다는 문제점을 갖는다. 그러나, 본 발명에 따른 기체 흡수 및 반응효율 향상 장치에서는, 미세한 나노입자를 고농도로 균일하게 분산시킨 나노유체를 사용하였다. 이와 같이, 나노입자를 분산매 중에 고농도로 균일하게 분산시키기 위한 수단으로서, 본 발명에서는 분산 보조 첨가제로서 수산화나트륨을 첨가해 주며, 상기 수산화나트륨의 첨가에 의해서 나노유체의 pH를 8.0 내지 11 정도로 유지해 주는 것이 바람직하다.
또한, 상기 나노유체는 습윤성 (wetting properties) 향상을 위해서, 계면활성제를 더 포함할 수도 있으며, 이러한 계면활성제는 나노유체가 정대전성을 나타 내는가 혹은 부대전성을 나타내는가에 따라서 다양한 종류가 선택될 수 있고, 예를 들어, 나노유체가 정대전성을 나타내는 경우에는 술폰화 지방산 알코올 또는 술폰화 지방산 알킬 또는 아릴의 나트륨염이 이러한 계면활성제로서 선택될 수 있다. 상기 계면활성제의 첨가량은 나노유체 총중량에 대해서 0.1 내지 0.3 중량%인 것이 바람직하다. 더불어, 상기 계면활성제의 첨가는 나노유체의 발포 현상을 야기할 염려가 있으므로, 이러한 발포 현상의 억제를 위한 적정량의 소포제가 더 첨가될 수도 있다.
상술한 방법에 의해서 제조된 본 발명에 따른 나노유체는, 상기 나노유체의 총중량에 대해서 50 중량% 이하의 나노입자를 함유할 수 있게 된다. 일반적으로, 수분산계 실리카 나노입자의 함량이 증가할수록 기체 흡수 속도도 증가하지만, 그 함량이 50 중량%를 초과하는 경우에는, 나노유체의 점도가 지나치게 증가하여 장치 내에서 기포의 상승이 원활해지지 못하며, 결과적으로 장치 작동이 불가능해지는 문제점이 있어서 바람직하지 않다.
도 2에는 예를 들어 나노입자로서 수분산계 실리카 나노입자를 사용한 경우에, 그 함량이 각각 0 중량%, 1 중량% 및 3 중량%인 경우에, 이산화탄소 기체에 대한 초기 1분 동안의 흡수율 및 총 흡수량을 도시한 그래프이다. 도 2의 그래프로부터 알 수 있는 바와 같이, 나노유체 중의 수분산계 실리카 나노입자의 함량이 증가할수록 이산화탄소 기체에 대한 흡수 성능이 증가하며, 예를 들어 수분산계 실리카 나노입자의 함량이 3 중량%인 경우에는 0 중량%인 경우에 비해서 초기 1분 동안의 흡수율은 42% 증가하고, 총 흡수량은 18% 증가함을 알 수 있다.
또한, 상기 나노입자의 평균 입경은 5nm 내지 1㎛인 것이 바람직한데, 평균 입경이 5nm 미만인 경우에는 입자의 구조 에너지가 지나치게 작아지는 문제점이 있고, 평균 입경이 1㎛를 초과하는 경우에도 나노유체 중에 분산된 나노입자의 구조적 불안정을 야기할 수 있다는 문제점이 있어서 바람직하지 않다.
도 3a 및 3b는 평균 입경이 각각 7nm, 12nm 및 22nm인 수분산계 실리카 나노입자를 포함하는 나노유체에 대해서, 이산화탄소 기체에 대한 시간에 따른 상대적 흡수 속도 및 시간에 따른 누적 흡수량을 도시한 그래프이다. 도 3의 그래프로부터 알 수 있는 바와 같이, 3가지 크기의 실리카 나노입자 모두가 물에 비해서 우수한 흡수 속도 및 누적 흡수량을 갖는다는 사실을 알 수 있다. 한편, 도 4에는 50 미크론 이하의 폴리메틸메타크릴레이트 (polymethylmethacrylate; PMMA) 입자 5 중량%를 포함하는 유체에 대한 이산화탄소 흡수 속도를 도시하였으며, 도 4로부터 알 수 있는 바와 같이, 이 경우 물과 거의 유사한 흡수 속도를 보이며, 흡수 성능에는 별다른 효과가 없다는 사실을 알 수 있다.
도 5a 및 5b에서는 물 및 본 발명에서와 같은 나노유체를 사용한 경우의 흡수 반응기 내에서의 기포의 크기 및 모양을 나타낸 사진을 도시하였다. 도 5a 및 5b를 참조하면, 물에서의 기포 (5a)에 비해서 나노유체에서의 기포 (5b)의 크기가 훨씬 작은 것을 알 수 있는데, 이는 나노유체 중의 나노입자의 브라운 운동 및 기포의 속도에 의한 운동 에너지가 기포의 총 에너지를 높여서 기포의 총 면적을 증가시키게 되었기 때문이다. 결과적으로 기포의 반경이 작아지면 하기 수학식 1에 기재한 Young-Laplace 식에 의해서 기포의 내부압이 증가하고, 기체의 용해도가 증 가하여 기체 흡수 속도 및 흡수 용량이 증가하는 것으로 생각된다.
△P = 2γ/R
(상기 수학식 1 중, △P: 기포 내부 및 외부의 압력 차이, γ: 기포의 표면장력, R: 기포의 반경을 의미)
특히, 물 및 나노유체의 물질 전달 계수 (kLa)는 물의 경우 대상 기체의 물질 수지식인 수학식 2를 통해서 구할 수 있다. 나노유체의 경우는 기체의 흡수 과정을 2단계로 나누어 생각할 수 있고, 하기 수학식 3 (흡수 초기에 표면 재생 (surface renewal) 효과가 발생되는 영역) 및 수학식 4 (표면 재생 효과 없이 농도 차이만으로 흡수가 발생되는 영역)로 표현할 수 있으며, 이 중 수학식 4를 사용하여 물질 전달 계수 (kLa)를 구할 수 있다. 도 6 및 도 7에는 수학식 2, 3 및 4로부터 도출된 예측값들과, 실제 측정값들을 비교한 결과를 도시하였다. 이 결과로부터, 상기 예측값들은 실제 측정값들과 매우 유사한 것을 알 수 있으며, 구해진 물질 전달 계수와 표면 재생 인자가 적절하다고 보여진다.
Figure 112006059551836-pat00001
(실험적인 흡수 속도와의 비교를 통해서 kLa를 구할 수 있는 수학식)
Figure 112006059551836-pat00002
(실험적인 누적 흡수량과의 비교를 통해서 kLa를 구할 수 있는 수학식)
Figure 112006059551836-pat00003
(나노유체의 표면 재생 인자와 흡수 속도 사이의 관계를 수식으로 제안한 수학식)
Figure 112006059551836-pat00004
(나노유체에서, 농도 차이로 흡수가 일어나는 영역에서 실험적인 흡수 속도와의 비교를 통해 kLa를 구할 수 있는 수학식)
(상기 수학식 2 내지 4 중, kLa: 물질 전달 계수, wA: 기체 흡수 속도, V: 흡수 반응기의 총 부피, CAS: 기포 표면의 기체 농도, CA: 나노유체 중의 흡수 물질 농도, DAB: 기체 확산 계수, t:시간을 의미)
또한, 상기 수학식 2 및 4로부터 구해진 물과 나노유체 (평균 입경 12nm의 수분산계 실리카 나노입자를 포함하는 물)에 대한 물질 전달 계수값은 각각 0.00901 (/s) 및 0.0350 (/s)로서 나노유체의 경우 물질 전달 계수값이 대략 288% 정도 증가하는 것을 알 수 있다. 한편, 본 발명에 따른 나노유체 (평균 입경 12nm의 수분산계 실리카 나노입자를 포함하는 물)의 표면 재생 효과 인자의 경우에도 하기 표 1에 서술된 바와 같은 값을 갖는다.
DAB S m
1.46(/10-9 m2/s) 0.0004 0.2
(상기 표 1 중, S: 표면 재생 지수, m: 시간에 따른 의존 지수를 의미)
본 발명에 따른 기체 흡수 및 반응효율 향상 장치에 있어서, 대상이 되는 투입 기체는, 이에 제한되는 것은 아니지만, CO2, Ar, CHCl2F, CH3X (X는 할로겐족 원소), CH4, C2H2, Cl2, HX (X는 할로겐족 원소), HCl, H2, H2S, He, Kr, NH3, SOx, NOy, N2, Ne, O2, Rn 및 Xe로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 기체일 수 있다.
이산화탄소 이외의 다른 기체들의 경우, 그 확산 계수를 상기 수학식 2에 대입하면, 각 기체들의 고유 S, m 값에 따라서 상술한 이산화탄소의 경우와 마찬가지로 초기 흡수 속도를 예측할 수 있다. 다양한 기체들의 온도에 따른 확산 계수 (D/10-5 cm2 s-1)를 하기 표 2에 나타내었다.
10℃ 15℃ 20℃ 25℃ 30℃ 35℃
Ar 2.5
CHCl2F 1.80
CH3Br 1.35
CH3Cl 1.40
CH4 1.24 1.43 1.62 1.84 2.08 2.35
CO2 1.26 1.45 1.67 1.91 2.17 2.47
C2H2 1.43 1.59 1.78 1.99 2.23
Cl2 1.13 1.5 1.89
HBr 3.15
HCl 3.07
H2 3.62 4.08 4.58 5.11 5.69 6.31
H2S 1.36
He 5.67 6.18 6.71 7.28 7.87 8.48
Kr 1.20 1.39 1.60 1.84 2.11 2.40
NH3 1.3 1.5
NO2 1.23 1.4 1.59
N2 2.0
N2O 1.62 2.11 2.57
Ne 2.93 3.27 3.64 4.03 4.45 4.89
O2 1.67 2.01 2.42
Rn 0.81 0.96 1.13 1.33 1.55 1.80
SO2 1.62 1.83 2.07 2.32
Xe 0.93 1.08 1.27 1.47 1.70 1.95
한편, 선택되는 투입 기체에 따라서 기체 용해율을 더욱 높이기 위한 소정의 화합물들을 첨가해줄 수도 있으며, 예를 들어 투입 기체가 이산화탄소인 경우에는 아민 수용액을 사용하게 되면, 아민과 이산화탄소 사이의 화학 반응으로 인해서, 그 흡수 속도 및 흡수 용량이 더욱 커진다.
본 발명에 따른 기체 흡수 및 반응효율 향상 장치는, 상기 나노유체 흡수 반응기 (100) 중에 처리 대상이 되는 투입 기체를 기포의 형태로 공급하는 기체 공급 수단 (200)을 포함한다. 이러한 기체 공급 수단에 의해서 발생되는 기포의 평균 직경은 0.1 mm 내지 1 mm 정도로서, 이는 물에서 기포의 평균 직경인 3 mm 내지 5 mm에 비해서 매우 미세한 것이다. 이와 같이, 같은 유량의 기체를 도입했을 때 물과 달리 나노유체에서는 매우 미세한 크기의 기포가 발생함으로 인해서, 기포 전체의 물질전달 면적이 커지고, 기포 부상 속도도 상당히 느려지게 된다. 결과적으로 기포의 총면적이 커지는 효과와 함께 기체와 나노유체의 접촉 시간이 연장됨으로써, 기체의 흡수 및 반응 효율이 증가되는 효과도 발생한다.
한편, 투입 기체의 공급 속도는, 이에 제한되는 것은 아니지만, 0.5 l/min 내지 5.0 l/min인 것이 바람직하며, 공급 속도가 5.0 l/min을 초과하는 경우에는 기포의 크기가 충분히 작아지지 않는 문제점이 있어서 바람직하지 않다.
상기 나노유체 저장탱크를 통과한 투입 기체는 나노유체에 대한 용해도에 따라 소정 대상가스들이 제거된 상태로 처리되어 배출라인 (300)을 통하여 외부로 배출된다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 구체적으로 설명하기로 하되, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 범위를 한정하는 것으로 해석되어서는 아니 될 것이다.
실시예 1. 나노유체
본 실시예에서는 각각 7nm, 12nm 및 22nm의 평균 입경을 갖는 실리카 입자가 안정적으로 분산된 나노유체 1 내지 3을 사용하였으며, 각 나노유체의 조성 및 물성을 하기 표 3에 나타내었다.
나노유체 1 나노유체 2 나노유체 3
분산 보조제 이온 나트륨 나트륨 나트륨
나노입자의 전하 (-) (-) (-)
나노입자의 평균 입경 (nm) 7 12 22
나노입자의 비표면적 (m2/g) 345 215 130
실리카의 함량 (중량%) 30 30 46
pH (25℃) 10.0 8.2 9.1
점도 (25℃, cP) 5.5 1.21 1.37
실시예 2. 이산화탄소의 흡수 속도 측정
실시예 1에 따른 3종류 나노유체의 이산화탄소에 대한 흡수 속도를 측정하기 위해서, 하기 도 8에 도시된 바와 같은 장치를 사용하였다. 도 8에 도시된 장치는 기포형 흡수 장치로서, 직경 70mm 및 높이 260mm의 원통형으로 설계되어 있으며, 측정 장비를 통해 이산화탄소의 시간에 따른 유입량 및 유출량을 직접적으로 얻을 수 있도록 설계되어 있다. 이러한 기포형 흡수기는 회분식 흡수 조건에서 가동하므로 비정상 상태의 흡수가 발생된다. 흡수 성능 분석을 위해서, 이산화탄소를 포화 용액이 될 때까지 흡수시켰으며, 시간에 따른 이산화탄소의 흡수 속도를 측정하였다.
구체적 측정 방법은, 초기에 이산화탄소를 흡수할 나노유체를 장치 내에 채우고, MFC (mass flow controller)를 이용해서 순수한 이산화탄소를 일정하게 흘려주면서 시간에 따른 유출량을 MFM (mass flow meter)로 측정하였다. 기체가 흘러가는 관을 제외한 모든 부분은 100% 가까이 밀봉하였으며, 이로 인해 흡수 속도는 이산화탄소의 유입량에서 유출량을 차감하여 계산하였다.
순수한 물, 실시예 1의 나노유체 중 평균 입경 12nm의 수분산계 실리카 나노입자를 포함하는 나노유체, 아민 수용액 및 아민 수용액에 평균 입경 12nm의 수분산계 실리카 입자를 분산시킨 나노유체 4가지에 대해서 이산화탄소의 흡수 속도 및 누적 흡수량을 측정하였으며, 그 결과를 하기 도 9 및 도 10에 도시하였다.
도 9 및 도 10의 결과로부터 알 수 있는 바와 같이, 순수한 물에 비해서 수분산계 실리카 나노입자를 포함하는 나노유체의 이산화탄소 흡수 속도 및 누적 흡수량이 더 큰 것을 알 수 있으며, 아민 수용액의 경우 상술한 논문 (Manuel A. Pacheco, Shoichi Kaganoi and Gary T. Rochelle, CO2 absorption into aqueous mixtures of diglycolamine and methyldiethanolamine, Chemical Engineering Science, 55(21), (2000), 5125-5140)에도 기재된 바와 같이, 아민과 이산화탄소 사이의 화학 반응에 의해서 흡수 속도 및 흡수 용량이 커짐을 알 수 있다. 따라서, 이산화탄소에 대한 흡수 속도 및 누적 흡수량은 아민계 수용액에 수분산계 실리카 나노입자가 분산된 경우가 가장 크다는 것을 추론할 수 있고, 또한 실험 결과에서도 나타난다. 특이할 점은, 나노입자에 대한 순수한 물의 흡수 성능 증가보다, 아민 수용액에서의 증가폭이 더 큰데, 그 이유는 기포가 작아짐으로 인해 기포 표면의 농도가 커지는 현상이 아민과 이산화탄소의 반응성 증가에도 영향을 미쳤고, 나노유체의 표면 재생 효과가 표면에서의 반응을 촉진했기 때문으로 생각된다.
실시예 3. 입자 크기에 따른 이산화탄소의 흡수 성능 측정
도 3a 및 3b에는 상기 실시예 1의 3가지 나노유체에 대해서, 이산화탄소 기체에 대한 시간에 따른 상대적 흡수 속도 및 시간에 따른 누적 흡수량을 도시하였다. 도 3의 그래프로부터 알 수 있는 바와 같이, 3가지 크기의 실리카 나노입자 모두가 물에 비해서 우수한 흡수 속도 및 누적 흡수량을 갖는다는 사실을 알 수 있으며, 크기에 따른 일정한 경향성을 나타내는 것으로 판단되지는 않는다.
본 발명에 따르면, 높은 기체 흡수 및 반응율을 나타내고, 구성이 단순하여 제조원가가 저렴하며, 소형화가 가능하여 산업용에서의 공정비용 절감뿐만 아니라 가정용으로도 사용 가능성이 있으면서도, 다양한 종류의 대상 가스에 널리 적용할 수 있는 기체 흡수 및 반응효율 향상 장치를 제공할 수 있다.

Claims (12)

  1. 나노입자가 분산된 나노유체를 포함하는 나노유체 흡수 반응기;
    상기 나노유체 흡수 반응기에 투입 기체를 기포 형태로 공급하는 기체 공급 수단; 및
    상기 나노유체 흡수 반응기를 통과한 처리 기체를 외부로 배출하는 배출라인을 포함하는 것을 특징으로 하는 기체 흡수 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 나노입자는 금속 나노입자, 세라믹 나노입자, 금속 산화물 나노입자 또는 그 혼합물인 것을 특징으로 하는 기체 흡수 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 금속 나노입자는 금, 은 및 구리로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 것이고, 상기 세라믹 나노입자는 실리카 (SiO2), 알루미나 (Al2O3) 및 지르코니아 (ZrO2)로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 것이며, 상기 금속 산화물 나노입자는 산화구리 (CuO) 나노입자인 것을 특징으로 하는 기체 흡수 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 나노유체는 분산 보조 첨가제로서 수산화나트륨을 포함하며, pH가 8.0 내지 11인 것을 특징으로 하는 기체 흡수 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 나노유체 총중량에 대해서 0.1 내지 0.3 중량%의 계면활성제를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기체 흡수 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 나노유체는 상기 나노유체의 총중량에 대해서 50 중량% 이하의 상기 나노입자를 함유하는 것을 특징으로 하는 기체 흡수 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 나노입자의 평균 입경은 5 nm 내지 1 ㎛인 것을 특징으로 하는 기체 흡수 장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 투입 기체는 CO2, Ar, CHCl2F, CH3X (X는 할로겐족 원소), CH4, C2H2, Cl2, HX (X는 할로겐족 원소), HCl, H2, H2S, He, Kr, NH3, SOx, NOy, N2, Ne, O2, Rn 및 Xe로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 기체인 것을 특징으로 하는 기체 흡수 장치.
  9. 제8항에 있어서, 상기 투입 기체가 CO2인 경우, 상기 나노유체는 아민 수용액에 나노입자가 분산된 것임을 특징으로 하는 기체 흡수 장치.
  10. 제1항에 있어서, 상기 기포의 평균 직경은 0.1 mm 내지 1 mm인 것을 특징으로 하는 기체 흡수 장치.
  11. 제1항에 있어서, 상기 투입 기체의 공급 속도는 0.5 l/min 내지 5.0 l/min인 것을 특징으로 하는 기체 흡수 장치.
  12. 제1항에 있어서, 유해가스 정화 장치, 흡수를 통한 분리 장치 또는 기체 액체 반응기의 용도로 사용되는 것을 특징으로 하는 기체 흡수 장치.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2021235669A1 (ko) * 2020-05-21 2021-11-25 고려대학교 산학협력단 피커링 에멀젼 상태로 제공되는 이산화탄소 화학적 흡수제를 이용한 이산화탄소 포집제 및 그 제조 방법
KR20220105908A (ko) * 2021-01-21 2022-07-28 주식회사 이노켐텍 촉매층 제조방법, 촉매층, 바이폴라멤브레인

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000189775A (ja) 1998-12-25 2000-07-11 Buraniko:Kk 気液混合装置
JP2004313847A (ja) 2003-04-11 2004-11-11 Nippon Kankyo Kagaku:Kk 気液溶解装置、これを用いた水処理システム、及び水処理方法

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000189775A (ja) 1998-12-25 2000-07-11 Buraniko:Kk 気液混合装置
JP2004313847A (ja) 2003-04-11 2004-11-11 Nippon Kankyo Kagaku:Kk 気液溶解装置、これを用いた水処理システム、及び水処理方法

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2021235669A1 (ko) * 2020-05-21 2021-11-25 고려대학교 산학협력단 피커링 에멀젼 상태로 제공되는 이산화탄소 화학적 흡수제를 이용한 이산화탄소 포집제 및 그 제조 방법
KR20210144020A (ko) * 2020-05-21 2021-11-30 고려대학교 산학협력단 피커링 에멀젼 상태로 제공되는 이산화탄소 화학적 흡수제를 이용한 이산화탄소 포집제 및 그 제조 방법
KR102474882B1 (ko) * 2020-05-21 2022-12-05 고려대학교 산학협력단 피커링 에멀젼 상태로 제공되는 이산화탄소 화학적 흡수제를 이용한 이산화탄소 포집제 및 그 제조 방법
KR20220105908A (ko) * 2021-01-21 2022-07-28 주식회사 이노켐텍 촉매층 제조방법, 촉매층, 바이폴라멤브레인
KR102466227B1 (ko) 2021-01-21 2022-11-11 주식회사 이노켐텍 촉매층 제조방법, 촉매층, 바이폴라멤브레인

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