KR101357052B1 - 축합중합 반응을 이용한 이산화탄소의 고정방법 및 이에 의해 형성된 고분자 재료 - Google Patents

Abstract

본 발명은 강산 수용액 하에서 이산화탄소를 축합중합 반응을 통해 고정함으로써, 종래의 이산화탄소 고정법에 비해 고정효율을 높이고 생성된 물질의 부피를 현저하게 줄일 수 있는 방법과 이 방법을 통해 형성된 고분자 재료에 관한 것이다.
본 발명에 따른 이산화탄소 고정법은, 강산 수용액이 주입된 반응기에 이산화탄소를 대기압보다 높은 압력으로 가압하여 주입함으로써, 상기 이산화탄소가 상기 강산 수용액에 용해되어 생성된 탄산(Carbonic Acid)이 축합중합(Condensation Poymerization) 반응을 통해 고분자화되도록 하는 것을 특징으로 한다.

Description

축합중합 반응을 이용한 이산화탄소의 고정방법 및 이에 의해 형성된 고분자 재료 {METHOD FOR FIXING CARBON DIOXIDES USING CONDENSATION POLYMERIZATION AND POLYMER MATERIAL FORMED BY THE SAME}

본 발명은 이산화탄소를 고정하는 방법과 이 방법을 통해 형성된 고분자 재료에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 강산 수용액 하에서 이산화탄소를 축합중합 반응을 통해 고분자화하여 고정함으로써, 종래의 이산화탄소 고정법에 비해 효율적이면서도 저비용으로 이산화탄소를 고정할 수 있는 방법과 이 방법을 통해 형성된 고분자 재료에 관한 것이다.

석유나 석탄과 같은 화석연료는 인류에게 필수적인 에너지원이나, 화석연료는 사용과정에서 다량의 이산화탄소(CO₂)를 발생시켜 지구온난화를 일으켜 심각한 기후변화를 초래한다. 이에 따라, 이산화탄소에 대해서는 향후 의무적 배출량 규제가 시행될 예정이다. 또한 화석연료를 대체할 다양한 에너지원이 개발되고 있지만 국제에너지기구(IEA)의 보고서에 따르면 오는 2050년까지도 화석연료의 비중이 전체 에너지 수요량의 70% 이상을 유지할 것으로 전망되고 있다.

따라서 세계 각국에서는 대형 석유화학공장, 화력 발전소, 제철소 등 다량의 이산화탄소를 고농도로 방출하는 시설물 중심으로 이산화탄소의 저감 및 이산화탄소의 고정과 저장방법에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있다. 현재 이산화탄소를 고정하는 방법으로는, 물에 용해한 후 저장하는 방법, 심해저에 압축하여 저장하는 방법, 터널에 저장하는 방법, 해조류를 이용한 광합성 방법 또는 탄산칼슘으로의 침전방법 등의 방법이 고려되고 있다.

그런데, 종래의 이산화탄소의 고정방법은, 이산화탄소의 고정효율이 크지 않고, 그 과정에서 생성된 물질의 부피가 크거나, 또는 이산화탄소의 고정과 저장에 많은 비용이 소요되는 등의 문제점이 있다.

한국공개특허공보 제2011-0087273호

본 발명은 전술한 종래의 이산화탄소 고정방법의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 과제는 이산화탄소의 축합중합 반응을 통해 안정한 고분자를 형성함으로써 이산화탄소의 고정효율과 생성된 물질의 부피를 줄일 수 있는 이산화탄소의 고정방법과 이 방법을 통해 형성된 고분자 재료를 제공하는데 있다.

상기 과제를 해결하기 위해 본 발명은, 강산 수용액이 주입된 반응기에 이산화탄소를 대기압보다 높은 압력으로 가압하여 주입함으로써, 상기 이산화탄소가 상기 강산 수용액에 용해되어 생성된 탄산(carbonic acid)이 축합중합(condensation polymerization)되도록 하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소의 고정방법을 제공한다.

또한, 본 발명에 따른 방법의 실시에 있어서, 상기 반응기의 온도는 100℃ 이하로 유지되는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에 따른 방법의 실시에 있어서, 상기 이산화탄소의 압력은 30기압 이상인 것이 효율적인 반응속도를 유지하는데 바람직하다.

또한, 본 발명에 따른 방법의 실시에 있어서, 상기 강산 수용액은 황산, 질산 또는 염산 중 1 종 이상이 이용될 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 방법의 실시에 있어서, 상기 강산 수용액의 pH는 2 이하인 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에 따른 방법에 의해 형성된 고분자 재료는 하기 화학식으로 표시되는 물질 또는 그로부터 생성되는 변형 물질 (Derivatives) 이다.

[화학식]

본 발명에 의하면, 100℃ 이하의 온도에서 단지 이산화탄소의 압력을 높이는 방법만을 통해 강산 수용액에서 이산화탄소를 고분자 물질로 만들 수 있기 때문에, 종래의 이산화탄소 고정방법인 액화 이산화탄소를 해저나 지하에 저장하는 방법 등에 비해 훨씬 적은 비용으로 자연에 적은 영향을 미치면서 고정할 수 있게 된다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따라 합성된 물질의 적외선 흡광 스펙트럼을 나타낸 것이다.

이산화탄소는 수용액 상에서 카르복실기(Carboxyl Group)를 가지는 산의 형태로 존재한다. 다시 말해 카르복실산(Carboxylic Acid)의 형태를 가지게 되며 탄산(Carbonic Acid)이라고 불린다. 그런데 다른 카르복실산과는 다르게 탄산의 다른 한쪽의 수산화기(Hydroxyl Group)는 알코올기(Alcohol Group)의 역할을 할 수 있도록 되어있다. 본 발명자는 이점에 착안하여, 이산화탄소를 축합중합 반응시킬 경우, 타 물질을 거의 사용하지 않고 이산화탄소만의 반응을 통해 안정된 물질로 만들 수 있으며, 이 경우 종래의 이산화탄소 고정방법에 비해 비용을 크게 줄일 수 있음을 확인하고 본 발명에 이르게 되었다.

아래와 같이 탄산끼리의 반응을 통해 에스테르화가 가능하다.

이러한 반응을 이용하여, 수용액 상에서 연속적으로 반응시키면 축합중합(Condensation Polymerization, Polycondensation) 반응이 되며, 이를 통해 아래 화학식과 같이 여러 개의 탄산 분자들이 반응한 고분자 탄산(Polycarbonic Acid) 선형 분자(Linear Molecule)를 얻을 수 있다.

이와 같은 분자식은 간단하게 아래와 같은 화학식으로 나타낼 수 있는데 괄호 속에 들어있는 부분은 반복단위이고 아래 첨자로 붙어있는 n 은 이 반복단위가 몇 개 연결되어 있는지를 나타내는 것이다.

상기한 에스테르화 반응은 다량의 수소 이온이 존재하는 환경에서 일어나기 때문에, 본 발명에서는 다량의 수소 이온을 제공할 수 있는 강산(Strong Acid) 촉매가 필요하다.

또한, 반응은 산이 해리될 수 있는 수용액 상에서 일어나야 하고 반응 물질은 수용성(Water Solubility)을 가져야 한다. 그런데 이산화탄소가 물에 녹아서 생성되는 탄산은 약산이기 때문에 촉매로 쓰이는 강산에 비해 수용성이 현저히 떨어지게 되고 오히려 기체 이산화탄소로 존재하는 것이 훨씬 안정하여 낮은 분압에서는 강산 수용액에 거의 녹지 않는다. 그러므로 이산화탄소의 수용성을 높여주기 위해서는 이산화탄소의 분압을 높여줄 필요가 있다. 따라서 이산화탄소의 압력은 30기압 이상의 압력을 유지하는 것이 바람직하다.

[실시예]

염산과 물(증류수)을 혼합하여 pH 1.5인 염산 수용액을 만들었다. 이와 같이 만들어진 염산 수용액을 고온, 고압 환경을 구현할 수 있는 반응기인 오토클레이브에 넣는다. 이후, 상기 오토클레이브에 이산화탄소를 주입하고 60기압까지 가압하였으며, 이때 오토클레이브의 온도는 상온으로 하였다.

그 결과, 농도 1% 정도로 고분자 물질이 합성되었으며, 도 1은 합성된 물질의 구조를 분석한 적외선 흡광 스펙트럼을 나타낸 것이다. 도 1에서 확인되는 바와 같이, 합성된 물질은 카르보닐기(Carbonyl Group)와 에테르기(Ether Group)의 특성을 보여주고 있으며 이에 더하여 수산화기(Hydroxyl Group)가 부착되어 있음을 보여준다. 즉, 고분자 탄산이 형성된 것이다. 따라서 본 발명의 실시예에 따른 방법을 통해, 이산화탄소의 고정 및 저장이 가능하게 된다.

Claims (8)

1. 강산 수용액이 주입된 반응기에 이산화탄소를 대기압보다 높은 압력으로 가압하여 주입함으로써, 상기 이산화탄소가 상기 강산 수용액에 용해되어 생성된 탄산(Carbonic Acid)이 축합중합(Condensation Polymerization) 반응을 통해 고분자화되도록 하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소의 고정방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 반응기의 온도는 100℃ 이하로 유지되는 것을 특징으로 하는 이산화탄소의 고정방법.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 이산화탄소의 압력은 30기압 이상인 것을 특징으로 하는 이산화탄소의 고정방법.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 강산 수용액은 황산, 질산 또는 염산을 포함하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소의 고정방법.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 고분자화된 이산화탄소는 하기 화학식으로 표시되는 물질인 것을 특징으로 하는 이산화탄소의 고정방법.
   [화학식]
   

   

   
   (여기서, n은 괄호 속에 들어있는 반복단위가 n개 연결되어 있는 것을 의미함)
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 고분자화된 이산화탄소는 선형 고분자의 탄소원자의 일부에 가교결합 (Cross Link) 이 형성되어 상기 선형 고분자끼리 화학결합(Chemical bond)으로 연결되어있는 물질인 것을 특징으로 하는 이산화 탄소의 고정 방법.
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 강산 수용액의 pH는 2 이하인 것을 특징으로 하는 이산화탄소의 고정방법.
8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 기재된 방법으로 합성된 고분자 재료.
   

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