KR102112673B1 - Sulfur dioxide-resistant amine-based carbon dioxide adsorbent with core-shell structure and method for manufacturing thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명은 이산화황으로부터 내성을 지니는 코어-쉘 형 아민계 이산화탄소 흡착제 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 1차 또는 2차 아민의 비중이 높은 코어 부분이 이산화탄소를 선택적으로 흡착하고, 3차 아민의 비중이 높은 쉘 부분이 이산화황에 의한 비활성으로부터 내성을 지니는 것을 특징으로 하는 이산화황으로부터 내성을 지니는 코어-쉘 형 아민계 이산화탄소 흡착제 및 그 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 이산화황으로부터 내성을 지니는 코어-쉘 형 아민계 이산화탄소 흡착제는 아민 화합물이 고정된 다공성 담체를 코어로 가지며, 이산화황에 의한 비활성으로부터 내성을 지니는 아민층을 쉘로 가지는 흡착제로써, 이산화황 내성 아민층이 없는 일반적인 아민 기반 이산화탄소 흡착제의 경우, 이산화탄소 포집 공정 중 배가스에 포함된 이산화황이 아민에 비가역적으로 흡착되므로 심각한 비활성을 겪게 된다. 반면, 본 발명에 따른 이산화황 내성 아민층을 갖는 코어-쉘 구조를 갖는 아민계 이산화탄소 흡착제는 쉘 부분의 이산화황 내성 아민층이 이산화황을 선택적으로 흡착하여 코어의 아민 화합물을 보호하는 역할을 하는 동시에 코어 부분의 아민 화합물은 이산화탄소만을 선택적으로 흡착할 수 있다. 또한, 상기 쉘 부분에 흡착된 이산화황은 약 110℃에서 쉽게 탈착되므로 이산화황이 포함된 온도교대흡착 공정에서 비약적으로 증진된 재생 안정성을 보인다.The present invention relates to a core-shell type amine-based carbon dioxide adsorbent resistant to sulfur dioxide and a method for manufacturing the same, and more specifically, a core portion having a high specific gravity of primary or secondary amine selectively adsorbs carbon dioxide, and tertiary It relates to a core-shell type amine-based carbon dioxide adsorbent having a resistance to sulfur dioxide, characterized in that the shell portion having a high specific gravity of amine is resistant from inertness by sulfur dioxide, and a method for manufacturing the same. The core-shell type amine-based carbon dioxide adsorbent having resistance from sulfur dioxide according to the present invention is an adsorbent having a porous carrier having an amine compound immobilized therein as a core, and an amine layer having resistance from inactivity by sulfur dioxide as a shell, a sulfur dioxide resistant amine layer In the case of a typical amine-based carbon dioxide adsorbent without this, the sulfur dioxide contained in the flue gas during the carbon dioxide capture process irreversibly adsorbs to the amine, and thus suffers serious inertness. On the other hand, the amine-based carbon dioxide adsorbent having a core-shell structure having a sulfur dioxide-resistant amine layer according to the present invention serves to protect the amine compound of the core by selectively adsorbing sulfur dioxide to the sulfur dioxide-resistant amine layer of the shell portion The amine compound of can adsorb only carbon dioxide selectively. In addition, since the sulfur dioxide adsorbed on the shell portion is easily desorbed at about 110 ° C., it exhibits dramatically improved regeneration stability in a temperature shift adsorption process containing sulfur dioxide.

Description

이산화황으로부터 내성을 지니는 코어-쉘 형 아민계 이산화탄소 흡착제 및 이의 제조 방법{Sulfur dioxide-resistant amine-based carbon dioxide adsorbent with core-shell structure and method for manufacturing thereof}{Sulfur dioxide-resistant amine-based carbon dioxide adsorbent with core-shell structure and method for manufacturing thereof}

본 발명은 이산화황으로부터 내성을 지니는 코어-쉘 형 아민계 이산화탄소 흡착제 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 1차 또는 2차 아민의 비중이 높은 코어 부분이 이산화탄소를 선택적으로 흡착하고, 3차 아민의 비중이 높은 쉘 부분이 이산화황에 의한 비활성으로부터 내성을 지니는 것을 특징으로 하는 이산화황으로부터 내성을 지니는 코어-쉘 형 아민계 이산화탄소 흡착제 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a core-shell type amine-based carbon dioxide adsorbent resistant to sulfur dioxide and a method for manufacturing the same, and more specifically, a core portion having a high specific gravity of primary or secondary amine selectively adsorbs carbon dioxide, and tertiary It relates to a core-shell type amine-based carbon dioxide adsorbent having a resistance to sulfur dioxide, characterized in that the shell portion having a high specific gravity of amine is resistant from inertness by sulfur dioxide, and a method for manufacturing the same.

화력발전소의 배가스(Flue gas)로부터 이산화탄소를 선택적으로 포집하는 기술에는 습식 흡수법, 건식 흡착법, 막 분리법 그리고 심냉법 등이 있다. 이들 중, 가장 널리 쓰이고 있으며 기술적 완성도가 높은 것은 모노에탄올아민(Monoethanolamine, MEA) 수용액을 이용한 습식 흡수법으로, 배가스 중의 이산화탄소를 30% 이하로 희석된 MEA 수용액과 반응시켜 흡수시킨 후 용액을 가열하여 고농도의 이산화탄소를 분리해내는 동시에 MEA를 재생하는 방법이다. 이러한 습식 흡수법은 수용액 기반의 공정이므로 열교환이 용이하며 아민의 강한 흡착열로 인해 높은 이산화탄소 선택성을 지닌다는 장점을 가진다. 그러나, 아민 수용액의 재생 과정에서 많은 에너지를 요구하며, 작은 아민 분자의 증발로 인한 유실 및 장비의 부식과 같은 단점이 존재한다. 대규모의 온실가스를 처리해야 하는 산업 현장에서는 비용과 scale-up 문제가 매우 민감하게 작용하므로 이는 현시점에서 매우 비경제적인 기술이다. 때문에 흡착제 재생에 필요한 에너지가 적으면서도 높은 이산화탄소 선택성을 보이는 아민 기반의 건식 흡착제가 새로운 대안으로 떠오르고 있다.Techniques for selectively collecting carbon dioxide from the flue gas of a thermal power plant include a wet absorption method, a dry adsorption method, a membrane separation method, and a deep cooling method. Among these, the most widely used and high technical completeness is a wet absorption method using a monoethanolamine (MEA) aqueous solution, by reacting carbon dioxide in the flue gas with a MEA aqueous solution diluted to 30% or less, absorbing it, and heating the solution. It is a method of separating high concentrations of carbon dioxide and simultaneously regenerating MEA. Since the wet absorption method is an aqueous solution-based process, it is easy to heat exchange and has the advantage of having high carbon dioxide selectivity due to strong adsorption heat of amines. However, it requires a lot of energy in the process of regenerating the amine aqueous solution, and there are disadvantages such as loss of amine molecules and corrosion of equipment. This is a very uneconomical technology at the present time because cost and scale-up problems are very sensitive in industrial sites where large-scale greenhouse gases need to be processed. For this reason, amine-based dry adsorbents, which have low energy and high carbon dioxide selectivity, are emerging as new alternatives.

아민 기반의 건식 흡착제는 아민 수용액을 이용한 습식 흡수법과 마찬가지로 이산화탄소와 아민 간의 강한 화학결합을 통해 이산화탄소의 흡착이 이루어진다. 이러한 건식 흡착제의 경우, 높은 이산화탄소 선택성을 보이며, 기공도가 높은 담지체를 사용하여 아민 담지량을 높임으로써 그 흡착능을 최대화시킬 수 있다. 그 대표적인 예로, 기공 부피가 매우 큰 실리카 담체에 아민 고분자를 최대한으로 담지하여 이산화탄소 흡착능을 비약적으로 높일 수 있다는 연구 결과가 보고된 바 있다(Zhang, H. et al., RSC Adv. 4, 2014, 19403-19417). 이러한 아민 기반 건식 흡착제에 관한 많은 연구들은 아민 담지체의 구조적 조절을 통해 최대한의 아민 고분자를 효과적으로 담지함으로써 이산화탄소 흡착 성능의 최대치를 나타내는 데 초점을 맞춰 진행되어 왔다. 그러나, 실제 공정에서 흡착제가 장기적으로 작동되기 위해서는 흡착 성능의 최대화뿐 아니라 흡착제의 재생 안정성 또한 추가적으로 고려되어야 하지만, 이러한 재생 안정성에 관한 연구는 미비한 상황이다.The amine-based dry adsorbent adsorbs carbon dioxide through strong chemical bonding between carbon dioxide and amine, as in the wet absorption method using an amine aqueous solution. In the case of such a dry adsorbent, it exhibits high carbon dioxide selectivity, and by using a carrier having a high porosity, it is possible to maximize its adsorption capacity by increasing the amine loading amount. As a representative example, a study has been reported that the adsorption capacity of carbon dioxide can be dramatically increased by maximally supporting an amine polymer on a silica carrier having a very large pore volume (Zhang, H. et al., RSC Adv. 4, 2014, 19403-19417). Many studies on these amine-based dry adsorbents have been focused on showing the maximum value of carbon dioxide adsorption performance by effectively supporting the maximum amine polymer through structural adjustment of the amine carrier. However, for the long-term operation of the adsorbent in the actual process, not only maximization of adsorption performance but also regeneration stability of the adsorbent should be additionally considered, but research on such regeneration stability is insufficient.

실제로 아민 기반의 흡착제들은 배가스에 존재하는 여러 가스들에 의해 비활성을 겪게 된다. 아민 담지체의 수열안정성이 낮으면 고온에서 스팀에 노출될 경우 담체의 구조적 변형으로 인해 흡착제의 성능이 감소하게 된다. 또한, 재생 과정 중 고온의 건조된 이산화탄소에 아민이 노출될 경우 요소의 생성으로 급격한 비활성화를 겪으며, 산소나 이산화황 등의 산성 가스에 의해서도 심각한 비활성을 겪는 것으로 알려져 있다. 특히, 이산화황에 의한 비활성화의 경우, 모든 아민 종류가 이산화탄소에 비해 이산화황을 선택적으로 흡착하는 경향을 보이며, 이산화황의 비가역적인 흡착으로 인해 고온에서도 재생이 이루어지지 않아 흡착제의 장기적 운전에 있어 심각한 문제로 작용한다. Georgia Institute of Technology 의 Jones, C. W. 그룹에서 발표된 내용에 따르면, 1차 또는 2차 아민은 이산화황을 강하게 흡착하며 열적으로 안정한 염이 형성되어 고온의 재생 조건에서도 흡착제의 재생이 이루어지지 않는다고 알려져 있다(Rezaei, F. et al., Ind. Eng. Chem. Res. 52, 2013, 12192-12201). 따라서, 아민 기반의 흡착제를 사용할 경우 이산화황에 의한 비활성화를 최소화하기 위해 이산화탄소 포집 이전 단계에서 배가스 탈황화(Flue gas desulfurization, FGD) 공정을 거치는 것이 바람직하다.Indeed, amine-based adsorbents are inert by various gases present in the flue gas. When the hydrothermal stability of the amine carrier is low, when exposed to steam at high temperatures, the performance of the adsorbent is reduced due to structural deformation of the carrier. In addition, it is known that when amine is exposed to high-temperature dried carbon dioxide during the regeneration process, it undergoes rapid deactivation due to the formation of urea, and also suffers severe inactivation by acid gases such as oxygen and sulfur dioxide. In particular, in the case of inactivation by sulfur dioxide, all amine types tend to selectively adsorb sulfur dioxide compared to carbon dioxide, and due to irreversible adsorption of sulfur dioxide, regeneration does not occur even at high temperatures, which is a serious problem in long-term operation of the adsorbent. do. According to a report from the Georgia Institute of Technology's Jones, CW group, primary or secondary amines strongly adsorb sulfur dioxide and thermally stable salts are formed, so that the adsorbents are not regenerated even under high temperature regeneration conditions ( Rezaei, F. et al., Ind. Eng. Chem. Res. 52, 2013, 12192-12201). Therefore, when using an amine-based adsorbent, it is preferable to undergo a flue gas desulfurization (FGD) process in a step before carbon dioxide capture to minimize deactivation by sulfur dioxide.

일반적으로 연소 후 포집 공정에서 발생되는 배가스에는 약 2000 ppm의 이산화황이 포함되어 있다. 이러한 고농도의 이산화황을 제거하는 데 사용되는 FGD 공정으로는 wet FGD, semidry FGD, dry FGD, ammonium FGD 등이 있다. 이들 중, 경제적이고 탈황화 효율이 높아 현재 가장 널리 사용되고 있는 FGD 공정은 석회석(Limestone)을 이용한 wet-limestone FGD 공정이다(Srivastava, R. K. et al., J. Air Waste Manag. Assoc. 51, 2001, 1676-1688). 일반적인 wet-limestone FGD 공정의 경우 약 90%의 탈황 효율을 가지므로, FGD 공정 이후의 이산화황 농도는 약 200 ppm 정도가 된다. 그러나, 아민 기반의 흡착제가 장기적으로 운전되기 위해서는, 이산화황 농도가 수십 ppm 단위로 더욱 낮추어지는 것이 바람직하며, 이를 위해서는 이산화황 필터 등 추가적인 탈황 시설이 필요하다. 따라서, 경제성을 고려한 공정 디자인을 위해서는 이산화황에 의한 비활성화로부터 내성을 지니는 이산화탄소 흡착제의 개발이 필요하다.Generally, the flue gas generated in the post-combustion capture process contains about 2000 ppm of sulfur dioxide. The FGD process used to remove the high concentration of sulfur dioxide includes wet FGD, semidry FGD, dry FGD, and ammonium FGD. Among them, the FGD process, which is currently most widely used due to its economical and high desulfurization efficiency, is a wet-limestone FGD process using limestone (Srivastava, RK et al., J. Air Waste Manag. Assoc. 51, 2001, 1676-1688). Since a typical wet-limestone FGD process has a desulfurization efficiency of about 90%, the sulfur dioxide concentration after the FGD process is about 200 ppm. However, for long-term operation of the amine-based adsorbent, it is preferable that the sulfur dioxide concentration is further lowered in tens of ppm units, and for this, an additional desulfurization facility such as a sulfur dioxide filter is required. Therefore, it is necessary to develop a carbon dioxide adsorbent that is resistant to deactivation by sulfur dioxide for process design considering economics.

Ottawa 대학의 Sayari 그룹이 발표한 바에 따르면, 3차 아민의 경우 1, 2차 아민에 비해 이산화황이 약하게 흡착되며, 120℃ 정도의 고온에서 쉽게 탈착이 가능하기 때문에 이산화황이 포함된 연속 공정에서 비활성화가 발생하지 않고 안정적이다(Tailor, R. et al., Environ. Sci. Technol. 48, 2014, 2025-2034). 그러나, 3차 아민은 이산화탄소 흡착 세기가 약하고 선택도가 낮기 때문에 흡착 조건 중의 이산화탄소 농도가 낮은(<15%) 연소 후 포집 공정에 적용되기에는 어렵다. 이와 유사하게, 대한민국 등록특허 제10-1495876호에서는 나이트릴 관능기를 가지는 3차 아민계 이산화황 흡수제에 관하여 개시하고 있다. 이 발명에서는 이산화황 흡수성이 우수하면서도 탈착이 용이한 3차 아민계 화합물에 관하여 개시하고 있지만, 이산화탄소 흡착 세기가 약한 3차 아민으로 이루어져 있어 이산화탄소에 비해 이산화황을 선택적으로 흡수하므로, 많은 양의 이산화탄소를 선택적으로 포집해야 하는 연소 후 이산화탄소 포집 공정에 사용되기에는 어려운 단점이 있다.According to the announcement by Sayari Group of Ottawa University, in the case of tertiary amine, sulfur dioxide is weakly adsorbed compared to primary and secondary amines, and deactivation is possible in a continuous process containing sulfur dioxide because it can be easily desorbed at a high temperature of about 120 ℃. It does not occur and is stable (Tailor, R. et al., Environ. Sci. Technol. 48, 2014, 2025-2034). However, tertiary amine has a low carbon dioxide adsorption strength and low selectivity, so it is difficult to apply it to a capture process after combustion with a low carbon dioxide concentration (<15%) in adsorption conditions. Similarly, Korean Patent Registration No. 10-1495876 discloses a tertiary amine-based sulfur dioxide absorbent having a nitrile functional group. Although this invention discloses a tertiary amine-based compound which is excellent in sulfur dioxide absorption and easy to desorb, it consists of tertiary amines having weak carbon dioxide adsorption strength, and thus selectively absorbs sulfur dioxide compared to carbon dioxide, thereby selectively absorbing a large amount of carbon dioxide. There is a disadvantage that it is difficult to be used in the carbon dioxide capture process after combustion, which must be collected.

이에, 본 발명자들은 이산화탄소에 대한 흡착 선택성이 뛰어나면서도, 이산화황이 포함된 공정에서 재생 안정성이 우수한 건식 이산화탄소 흡착제를 개발하기 위하여 예의 노력한 결과, 이산화황에 의한 비활성으로부터 내성을 갖는 코어-쉘(core-shell) 구조의 아민계 이산화탄소 흡착제를 제조함으로써 이산화탄소 흡착 성능뿐만 아니라, 이산화황이 포함된 공정에서도 비약적으로 증진된 재생 안정성을 갖는 것을 확인하고, 본 발명을 완성하게 되었다.Thus, the present inventors, as a result of great effort to develop a dry carbon dioxide adsorbent having excellent regeneration stability in a process containing sulfur dioxide, while having excellent adsorption selectivity to carbon dioxide, a core-shell (core-shell) resistant from inertness by sulfur dioxide ) By preparing an amine-based carbon dioxide adsorbent having a structure, it has been confirmed that it has not only carbon dioxide adsorption performance, but also significantly improved regeneration stability in a process containing sulfur dioxide, and thus completes the present invention.

본 발명의 목적은 이산화탄소에 대한 흡착 선택성이 뛰어나면서도, 이산화황이 포함된 공정에서 재생 안정성이 우수한 아민계 이산화탄소 흡착제를 제공하는데 있다.An object of the present invention is to provide an amine-based carbon dioxide adsorbent having excellent regeneration stability in a process containing sulfur dioxide while having excellent adsorption selectivity to carbon dioxide.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 아민계 이산화탄소 흡착제의 제조방법을 제공하는데 있다.Another object of the present invention is to provide a method for preparing the amine-based carbon dioxide adsorbent.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 흡착제를 이용한 이산화탄소 흡착방법을 제공하는데 있다.Another object of the present invention is to provide a method for adsorbing carbon dioxide using the adsorbent.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 아민 화합물 및 다공성 담체를 함유하는 코어; 및 상기 코어를 둘러싸며 코팅된 이산화황 내성 아민 화합물을 함유하는 쉘;을 포함하는 코어-쉘(core-shell) 구조를 갖는 이산화탄소 흡착제를 제공한다. In order to achieve the above object, the present invention is a core containing an amine compound and a porous carrier; It provides a carbon dioxide adsorbent having a core-shell structure including; and a shell containing a sulfur dioxide-resistant amine compound coated surrounding the core.

본 발명은 또한, (a) 다공성 담체에 아민 화합물을 고정시키는 단계; (b) 용매에 에폭사이드를 용해시켜 제조한 용액을 상기 담체에 고정된 아민 화합물에 첨가시키는 단계; (c) 상기 담체에 고정된 아민 화합물과 에폭사이드를 반응시켜 이산화황 내성 아민층을 형성시키는 단계; 및 (d) 상기 용매를 제거하여 이산화황 내성 아민층을 함유하는 이산화탄소 흡착제를 수득하는 단계를 포함하는 코어-쉘(core-shell) 구조를 갖는 이산화탄소 흡착제의 제조방법을 제공한다. The present invention also, (a) immobilizing the amine compound on a porous carrier; (b) adding a solution prepared by dissolving epoxide in a solvent to an amine compound immobilized on the carrier; (c) reacting an amine compound fixed to the carrier with an epoxide to form a sulfur dioxide resistant amine layer; And (d) removing the solvent to obtain a carbon dioxide adsorbent comprising a sulfur dioxide resistant amine layer.

본 발명은 또한, 상기 흡착제를 이용한 이산화탄소 흡착방법을 제공한다. The present invention also provides a method for adsorbing carbon dioxide using the adsorbent.

본 발명에 따른 이산화황으로부터 내성을 지니는 코어-쉘 형 아민계 이산화탄소 흡착제는 아민 화합물이 고정된 다공성 담체를 코어로 가지며, 이산화황에 의한 비활성으로부터 내성을 지니는 아민층을 쉘로 가지는 흡착제로써, 이산화황 내성 아민층이 없는 일반적인 아민 기반 이산화탄소 흡착제의 경우, 이산화탄소 포집 공정 중 배가스에 포함된 이산화황이 아민에 비가역적으로 흡착되므로 심각한 비활성을 겪게 된다. 반면, 본 발명에 따른 이산화황 내성 아민층을 갖는 코어-쉘(core-shell) 구조를 갖는 아민계 이산화탄소 흡착제는 쉘 부분의 이산화황 내성 아민층이 이산화황을 선택적으로 흡착하여 코어의 아민 화합물을 보호하는 역할을 하는 동시에 코어 부분의 아민 화합물은 이산화탄소만을 선택적으로 흡착할 수 있다. 또한, 상기 쉘 부분에 흡착된 이산화황은 약 110℃에서 쉽게 탈착되므로 이산화황이 포함된 온도교대흡착(Temperature swing adsorption, TSA) 공정에서 비약적으로 증진된 재생 안정성을 보인다.The core-shell type amine-based carbon dioxide adsorbent having resistance from sulfur dioxide according to the present invention is an adsorbent having a porous carrier having an amine compound immobilized therein as a core, and an amine layer having resistance from inactivity by sulfur dioxide as a shell, a sulfur dioxide resistant amine layer In the case of a typical amine-based carbon dioxide adsorbent without this, the sulfur dioxide contained in the flue gas during the carbon dioxide capture process irreversibly adsorbs to the amine, and thus suffers serious inertness. On the other hand, the amine-based carbon dioxide adsorbent having a core-shell structure having a sulfur dioxide-resistant amine layer according to the present invention serves to protect the amine compound of the core by selectively adsorbing sulfur dioxide on the shell portion of the sulfur dioxide-resistant amine layer At the same time, the amine compound in the core portion can selectively adsorb only carbon dioxide. In addition, since the sulfur dioxide adsorbed on the shell portion is easily desorbed at about 110 ° C, it exhibits dramatically improved regeneration stability in a temperature swing adsorption (TSA) process containing sulfur dioxide.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 코어-쉘 구조를 갖는 아민계 이산화탄소 흡착제의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 아민이 고정된 다공성 담체에 에폭사이드를 처리함으로써 이산화황 내성 아민층을 형성시키는 과정을 도식화한 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 흡착제의 아민 조성을 원소 분석법(EA) 및 X선 광전자 분광법(XPS)으로 분석한 결과를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 흡착제의 이산화탄소 흡착량을 분석한 결과를 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 흡착제의 이산화탄소 흡착/탈착 성능을 10 사이클 간격으로 분석한 결과를 나타낸 것이다.
1 is a cross-sectional view of an amine-based carbon dioxide adsorbent having a core-shell structure according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a schematic view showing the process of forming a sulfur dioxide resistant amine layer by treating an epoxide on a porous carrier having an amine immobilized according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 shows the results of analyzing the amine composition of the adsorbent according to an embodiment of the present invention by elemental analysis (EA) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS).
Figure 4 shows the results of analyzing the adsorption amount of carbon dioxide adsorbent according to an embodiment of the present invention.
Figure 5 shows the results of analyzing the carbon dioxide adsorption / desorption performance of the adsorbent according to an embodiment of the present invention at intervals of 10 cycles.

본 발명은 하기의 설명에 의하여 모두 달성될 수 있다. 하기의 설명은 본 발명의 바람직한 구체적인 예를 기술하는 것으로 이해되어야 하며, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 첨부된 도면은 이해를 돕기 위한 것으로, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 개별 구성에 관한 세부 사항은 후술하는 관련 기재의 구체적 취지에 의하여 적절히 이해될 수 있다.The present invention can be achieved by the following description. It should be understood that the following description describes preferred specific examples of the invention, and the invention is not necessarily limited thereto. In addition, the accompanying drawings are intended to aid understanding, and the present invention is not limited thereto, and details regarding individual configurations may be appropriately understood by the specific purpose of related descriptions to be described later.

다른 식으로 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 모든 기술적 및 과학적 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 숙련된 전문가에 의해서 통상적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로, 본 명세서에서 사용된 명명법은 본 기술 분야에서 잘 알려져 있고 통상적으로 사용되는 것이다.Unless defined otherwise, all technical and scientific terms used herein have the same meaning as commonly understood by a person skilled in the art to which the present invention pertains. In general, the nomenclature used herein is well known and commonly used in the art.

본 발명에서는 아민 화합물이 고정된 다공성 담체를 코어로 가지며, 이산화황에 의한 비활성으로부터 내성을 지니는 아민층을 쉘로 가지는 흡착제를 제조할 경우, 이산화탄소 포집 공정 중 배가스에 포함된 이산화황이 아민에 비가역적으로 흡착되지 않고, 이로 인해 심각한 비활성을 겪게 되는 문제를 해결할 수 있으며, 이산화탄소 흡착 성능뿐만 아니라, 이산화황이 포함된 공정에서도 비약적으로 증진된 재생 안정성을 갖는 것을 확인하였다. In the present invention, when preparing an adsorbent having a porous carrier having a fixed amine compound as a core and having an amine layer having a resistance from inertness due to sulfur dioxide as a shell, sulfur dioxide contained in the exhaust gas during the carbon dioxide capture process irreversibly adsorbs to the amine It can be solved the problem of severe inertness due to this, and it was confirmed that the carbon dioxide adsorption performance, as well as significantly improved regeneration stability in the process containing sulfur dioxide.

따라서, 본 발명은 일 관점에서, 아민 화합물 및 다공성 담체를 함유하는 코어; 및 상기 코어를 둘러싸며 코팅된 이산화황 내성 아민 화합물을 함유하는 쉘;을 포함하는 코어-쉘(core-shell) 구조를 갖는 이산화탄소 흡착제에 관한 것이다. Accordingly, the present invention, in one aspect, a core containing an amine compound and a porous carrier; And a shell containing a sulfur dioxide-resistant amine compound coated around the core; and to a carbon dioxide adsorbent having a core-shell structure.

본 발명은 다른 관점에서, (a) 다공성 담체에 아민 화합물을 고정시키는 단계; (b) 용매에 에폭사이드를 용해시켜 제조한 용액을 상기 담체에 고정된 아민 화합물에 첨가시키는 단계; (c) 상기 담체에 고정된 아민 화합물과 에폭사이드를 반응시켜 이산화황 내성 아민층을 형성시키는 단계; 및 (d) 상기 용매를 제거하여 이산화황 내성 아민층을 함유하는 이산화탄소 흡착제를 수득하는 단계를 포함하는 코어-쉘(core-shell) 구조를 갖는 이산화탄소 흡착제의 제조방법에 관한 것이다. In another aspect, the present invention, (a) immobilizing an amine compound on a porous carrier; (b) adding a solution prepared by dissolving epoxide in a solvent to an amine compound immobilized on the carrier; (c) reacting an amine compound fixed to the carrier with an epoxide to form a sulfur dioxide resistant amine layer; And (d) relates to a method for producing a carbon dioxide adsorbent having a core-shell structure, comprising removing the solvent to obtain a carbon dioxide adsorbent containing a sulfur dioxide resistant amine layer.

본 발명에 있어서, 상기 쉘 부분의 아민 화합물은 하이드록시기 함유 탄소 사슬을 지니는 아민 화합물로 구성되며, -[(CH2)m(OH)nNX]y로 표현되는 기본 골격단위로 이루어져 있다. 여기서 m은 1 내지 20의 정수이고, n은 1 내지 10의 정수이며, y는 1 내지 100의 정수이다. 바람직하게는 m은 2 내지 10 이고, n은 1 내지 5이며, y는 5 내지 20 이다. X는 수소, C1~C18 알킬, C3~C10 사이클로알킬, C1~C18 알콕시, -CH=CH2, -CH=CHCH2CH3, -CH2CH=CHCH3, -CH2CH2CH=CH2, -CH=CHCH2CH2CH2CH3, -CH2CH=CHCH2CH2CH3, -CH2CH2CH=CHCH2CH3, -CH2CH2CH2CH=CHCH3, -CH2CH2CH2CH2CH=CH2, -CH=CHCH2CH2CH2CH2CH2CH3, -CH2CH=CHCH2CH2CH2CH2CH3, -CH2CH2CH=CHCH2CH2CH2CH3, -CH2CH2CH2CH=CHCH2CH2CH3, -CH2CH2CH2CH2CH=CHCH2CH3, -CH2CH2CH2CH2CH2CH=CHCH3, -CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH=CH2,-CH2O(CH2)3Si(OCH3)3, -CH2O(CH2)3Si(OCH2CH3)3, -CH2O(CH2)2CH3, -CH2O(CH2)3CH3, -CH2OCH=CHCH3, 또는 -CH2OCH2CH=CH2이며, 바람직하게는 C1~C18 알킬일 수 있다. 더욱 구체적인 X의 예로, 메틸, 에틸, 프로필, 부틸, 펜틸, 헥실 등을 포함할 수 있다.In the present invention, the amine compound of the shell portion is composed of an amine compound having a hydroxy group-containing carbon chain, and is composed of a basic skeleton unit represented by-[(CH 2 ) m (OH) n NX] y . Here, m is an integer from 1 to 20, n is an integer from 1 to 10, and y is an integer from 1 to 100. Preferably m is 2 to 10, n is 1 to 5, and y is 5 to 20. X is hydrogen, C1 ~ C18 alkyl, C3 ~ C10 cycloalkyl, C1 ~ C18 alkoxy, -CH = CH 2 , -CH = CHCH 2 CH 3 , -CH 2 CH = CHCH 3 , -CH 2 CH 2 CH = CH 2 , -CH = CHCH 2 CH 2 CH 2 CH 3 , -CH 2 CH = CHCH 2 CH 2 CH 3 , -CH 2 CH 2 CH = CHCH 2 CH 3 , -CH 2 CH 2 CH 2 CH = CHCH 3 , -CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH = CH 2 , -CH = CHCH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 3 , -CH 2 CH = CHCH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 3 , -CH 2 CH 2 CH = CHCH 2 CH 2 CH 2 CH 3 , -CH 2 CH 2 CH 2 CH = CHCH 2 CH 2 CH 3 , -CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH = CHCH 2 CH 3 , -CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH = CHCH 3 , -CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH = CH 2 , -CH 2 O (CH 2 ) 3 Si (OCH 3 ) 3 , -CH 2 O (CH 2 ) 3 Si (OCH 2 CH 3 ) 3 , -CH 2 O (CH 2 ) 2 CH 3 , -CH 2 O (CH 2 ) 3 CH 3 , -CH 2 OCH = CHCH 3 , or -CH 2 OCH 2 CH = CH 2 , and preferably C1 to C18 alkyl. Examples of more specific X may include methyl, ethyl, propyl, butyl, pentyl, hexyl, and the like.

본 발명에 있어서, 상기 쉘의 이산화황 내성 아민층은 질소 원자 중 3차 아민으로 존재하는 질소의 비율이 50% 내지 100%일 수 있으며, 바람직하게는 70% 이상일 수 있다. 3차 아민으로 존재하는 질소의 비율이 50% 보다 낮을 경우, 이산화황의 1, 2차 아민으로의 비가역적 흡착에 의한 비활성화가 더욱 가속화되는 문제가 발생한다.In the present invention, the sulfur dioxide-resistant amine layer of the shell may have a proportion of nitrogen present as a tertiary amine in the nitrogen atom may be 50% to 100%, preferably 70% or more. When the proportion of nitrogen present as a tertiary amine is lower than 50%, there arises a problem that deactivation by irreversible adsorption of sulfur dioxide to primary and secondary amines is further accelerated.

본 발명에 있어서, 상기 쉘의 이산화황 내성 아민층은 흡착제 전체의 0.1 중량% 내지 30 중량%의 양으로 존재할 수 있으며, 바람직하게는 5 중량% 내지 20 중량%일 수 있다. 쉘의 이산화황 내성 아민 화합물(아민층)이 흡착제 총량에 대하여 0.1 중량% 미만일 경우, 쉘 부분이 너무 얇아 코어의 아민 활물질을 이산화황의 비가역적 흡착으로부터 보호할 수 없으며, 30 중량%을 초과할 경우, 흡착제 총량의 증가로 인해 이산화탄소 흡착능이 감소하는 문제가 있다.In the present invention, the sulfur dioxide-resistant amine layer of the shell may be present in an amount of 0.1% to 30% by weight of the entire adsorbent, preferably 5% to 20% by weight. When the sulfur dioxide-resistant amine compound (amine layer) of the shell is less than 0.1% by weight relative to the total amount of the adsorbent, the shell portion is too thin to protect the amine active material of the core from irreversible adsorption of sulfur dioxide, and when it exceeds 30% by weight, Due to the increase in the total amount of adsorbent, there is a problem that the carbon dioxide adsorption capacity decreases.

본 발명에 있어서, 상기 코어의 아민 화합물은 -[(CH2)x-NR]y-와 -[(CH2)x-NH2]의 단위 골격 구조를 포함하며, 상기 단위 구조에서 각 R은 수소 또는 탄화수소 또는 분지 사슬일 수 있다. 구체적으로, 상기 코어의 아민 화합물은 폴리에틸렌이민 기본구조(x=2일 경우) 또는 폴리프로필렌이민 기본구조(x=3일 경우)와 같은 폴리알킬렌이민을 포함할 수 있고, x=2~6, y=1~100의 값으로 형성되는 반복 단위들의 수를 나타낸다.In the present invention, the amine compound of the core includes a unit skeleton structure of-[(CH 2 ) x -NR] y -and-[(CH 2 ) x -NH 2 ], wherein each R in the unit structure is It can be hydrogen or hydrocarbon or branched chain. Specifically, the amine compound of the core may include a polyalkyleneimine such as a polyethyleneimine basic structure (when x = 2) or a polypropyleneimine basic structure (when x = 3), and x = 2-6 , y = 1 to 100 represents the number of repeating units formed.

본 발명에 있어서, 상기 코어의 아민 화합물은 분자 구조 내에 1차 아민, 2차 아민 또는 3차 아민이 포함된 모든 화합물을 포함한다. 이의 비제한적인 예는 폴리에틸렌이민(Polyethylenimine)이나 폴리프로필렌이민(Polypropylenimine)과 같은 폴리알킬렌이민(Polyalkyleneimine), 폴리알킬렌이민 고분자 내의 질소 원자들 중 적어도 하나가 하이드록시기 함유 탄소 사슬로 개질된 아민 고분자, 3-(아미노프로필)트라이메톡시실란(3-(Aminopropyl)-trimethoxysilane), 트라이메톡시(3-메틸아미노프로필실란)(Trimethoxy[3-(methylamino)propyl]silane), (N,N-다이메틸아미노프로필)트라이메톡시실란((N,N-Dimethylaminopropyl)trimethoxysilane), 또는 N-(3-트라이메톡시실릴프로필)다이에틸렌트라이아민(N-(3-Trimethoxysilylpropyl) diethylenetriamine)와 같은 아미노실란(Amino-silane)을 포함할 수 있다. 이들 중 단위 분자구조 당 질소 원자의 함유율과 요소형성의 억제를 고려하여 더욱 바람직하게는 폴리알킬렌이민이나 폴리알킬렌이민 고분자 내의 질소 원자들 중 적어도 하나가 하이드록시기 함유 탄소 사슬로 개질된 아민 고분자 일 수 있다.In the present invention, the amine compound of the core includes all compounds containing a primary amine, a secondary amine, or a tertiary amine in the molecular structure. Non-limiting examples thereof include polyalkyleneimine such as polyethylenimine or polypropylenimine, and at least one of nitrogen atoms in the polyalkyleneimine polymer is modified with a hydroxy group-containing carbon chain. Amine polymer, 3- (aminopropyl) -trimethoxysilane, trimethoxy (3- (methylamino) propyl] silane), (N, Such as N-dimethylaminopropyl) trimethoxysilane, or N- (3-trimethoxysilylpropyl) diethylenetriamine Aminosilane may be included. More preferably, at least one of the nitrogen atoms in the polyalkyleneimine or polyalkyleneimine polymer is modified with a hydroxy group-containing carbon chain in consideration of the content of nitrogen atoms per unit molecular structure and suppression of urea formation. It can be a polymer.

본 발명에 있어서, 상기 코어의 아민 화합물은 흡착제 전체의 5 중량% 내지 75 중량%의 양으로 존재할 수 있으며, 바람직하게는 10 중량% 내지 65 중량%일 수 있다. 코어의 아민 화합물이 흡착제 총량에 대하여 5 중량% 미만일 경우, 이산화탄소 흡착량이 1 % 미만으로 감소되며, 75 중량%를 초과할 경우, 너무 많은 양의 아민이 담지되어 이산화탄소 흡착에 대한 아민의 효율이 감소하는 문제가 발생한다.In the present invention, the amine compound of the core may be present in an amount of 5% to 75% by weight of the whole adsorbent, preferably 10% to 65% by weight. When the amine compound of the core is less than 5% by weight based on the total amount of the adsorbent, the amount of carbon dioxide adsorption is reduced to less than 1%, and when it exceeds 75% by weight, the efficiency of the amine for carbon dioxide adsorption is reduced because too much amine is supported. Problem occurs.

본 발명에 있어서, 상기 코어 부분의 아민 화합물은 다공성 담체에 고정되어 있다. 아민 화합물을 담체에 고정시키는 방법으로는 담체의 표면 하이드록시기와 같은 관능기를 이용한 접목반응(Grafting)이나 상기 담체의 기공 내에 함침(Impregnation)하는 방식이 가능하다. 이 때, 상기 담체는 0.1 cc/g 내지 5 cc/g의 기공도를 갖는 다공성 담지체일 수 있다. 다공성 담지체의 기공도가 0.1 cc/g 미만일 경우, 아민을 담지하거나 기능화시킬 수 있는 양에 한계가 존재하여 충분한 이산화탄소 흡착능을 이끌어낼 수 없으며, 5 cc/g 초과할 경우, 담체의 벽 두께가 너무 얇기 때문에 기계적 강성이 감소하여 유동층 반응에 사용될 수 없다.In the present invention, the amine compound of the core portion is fixed to the porous carrier. As a method of fixing the amine compound to the carrier, it is possible to graft using a functional group such as a surface hydroxy group of the carrier or to impregnate the pores of the carrier. At this time, the carrier may be a porous carrier having a porosity of 0.1 cc / g to 5 cc / g. When the porosity of the porous carrier is less than 0.1 cc / g, there is a limit to the amount capable of supporting or functionalizing the amine, so that sufficient carbon dioxide adsorption capacity cannot be elicited. When it exceeds 5 cc / g, the wall thickness of the carrier Because it is too thin, mechanical stiffness is reduced and cannot be used for fluidized bed reactions.

본 발명에 있어서 상기 코어의 다공성 담지체는 흡착제 전체의 20 중량% 내지 90 중량%의 양으로 존재할 수 있으며, 바람직하게는 30 중량% 내지 80 중량%일 수 있다. 코어의 다공성 담지체가 흡착제 총량에 대하여 20 중량% 미만일 경우, 과량으로 담지된 아민으로 인해 아민 효율이 감소하며 고온에서 아민이 유실될 문제가 있고, 90 중량% 초과할 경우, 활물질인 아민의 비중이 너무 적어 이산화탄소 흡착능이 감소되는 문제가 있다.In the present invention, the porous carrier of the core may be present in an amount of 20% by weight to 90% by weight of the entire adsorbent, preferably 30% by weight to 80% by weight. When the porous carrier of the core is less than 20% by weight based on the total amount of the adsorbent, the amine efficiency decreases due to the amine carried in excess, and there is a problem that the amine is lost at high temperature, and when it exceeds 90% by weight, the specific gravity of the amine as the active material Too few carbon dioxide adsorption capacity is reduced.

본 발명에 있어서, 상기 담체에 고정된 아민 화합물 내에 존재하는 질소 원자:에폭사이드의 몰(mole) 비율은 1:0.2 내지 1:1인 것이 바람직하다. 상기 몰 비율이 1:0.2 미만일 경우, 재생 조건인 고온의 건조된 이산화탄소에 노출될 시 요소(urea)의 생성으로 인한 비활성화가 발생하는 문제가 있고, 1:1을 초과할 경우, 아민 화합물 자체 질량의 증가로 인해 이산화탄소 흡착 효율이 감소하는 문제가 있다.In the present invention, the molar ratio of nitrogen atom: epoxide present in the amine compound immobilized on the carrier is preferably 1: 0.2 to 1: 1. When the molar ratio is less than 1: 0.2, there is a problem that deactivation occurs due to the production of urea when exposed to high-temperature dried carbon dioxide, which is a regeneration condition, and when it exceeds 1: 1, the amine compound itself mass Due to the increase of the carbon dioxide adsorption efficiency is reduced.

본 발명에 있어서, 상기 에폭사이드는 1,2-에폭시에테인, 1,2-에폭시프로페인, 1,2-에폭시뷰테인, 1,2-에폭시펜테인 및 1,2-에폭시헥세인으로 구성된 군에서 선택되는 1종 이상인 것이 바람직하고, 1,2-에폭시뷰테인이 더욱 바람직하다.In the present invention, the epoxide is a group consisting of 1,2-epoxyethane, 1,2-epoxypropane, 1,2-epoxybutane, 1,2-epoxypentane and 1,2-epoxyhexane It is preferably one or more selected from, and 1,2-epoxybutane is more preferable.

또한, 본 발명에서는 이산화황 내성 아민층이 존재하지 않는 "10-EB-PEI/SiO2" 흡착제의 경우 흡탈착 사이클이 반복됨에 따라 흡착능이 점점 감소하는 반면, 상기 흡착제를 코어로써 가지며 추가적인 아민-에폭사이드 반응을 통해 차수가 높은 아민층을 쉘로 가지는 코어-쉘 형 흡착제들의 경우, 그 재생 안정성이 비약적으로 향상되는 것을 확인하였다. In addition, in the present invention, in the case of the "10-EB-PEI / SiO 2 " adsorbent in which the sulfur dioxide resistant amine layer does not exist, the adsorption capacity gradually decreases as the adsorption / desorption cycle is repeated, while the adsorbent has a core and additional amine-epoxy Through side reactions, it was confirmed that in the case of core-shell type adsorbents having a high-order amine layer as a shell, the regeneration stability was dramatically improved.

따라서, 본 발명은 또 다른 관점에서, 상기 흡착제를 이용한 이산화탄소 흡착방법에 관한 것이다. Therefore, in another aspect, the present invention relates to a method for adsorbing carbon dioxide using the adsorbent.

이하 본 발명을 실시예에 의하여 더욱 상세하게 설명한다. 이들 실시예는 단지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 국한되지 않는다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail by examples. It will be apparent to those skilled in the art that these examples are merely for more specifically describing the present invention, and the scope of the present invention is not limited to these examples.

실시예 1. 코어-쉘 구조를 갖는 아민계 이산화탄소 흡착제의 제조Example 1. Preparation of an amine-based carbon dioxide adsorbent having a core-shell structure

코어-쉘 구조를 갖는 아민계 이산화탄소 흡착제의 제조는 다공성 담체에 아민 화합물을 담지하는 단계부터 시작하였다. 다공성 담지체로는 퓸드 실리카(Fumed silica)를 사용하였으며, 아민 화합물로는 폴리에틸렌이민(Polyethyleneimine, PEI) 고분자 내의 질소 원자들을 하이드록시기 함유 탄소 사슬로 개질한 아민 고분자를 사용하였다. 개질된 폴리에틸렌이민의 합성은 1,2-에폭시뷰테인(1,2-Epoxybutane, EB)과 폴리에틸렌이민을 반응시켜 제조하였다. 먼저, 25℃에서 폴리에틸렌이민(Mn= 1200, 19 mmol N/g) 2 g을 메탄올 4 g에 녹여 400 rpm의 일정한 속도로 10분간 교반시켰다. 그 후, 교반 중인 폴리에틸렌이민/메탄올 용액에 1,2-에폭시뷰테인을 폴리에틸렌이민에 대한 1,2-에폭시뷰테인의 몰(mole)비가 10이 되도록 1.2 g 넣어주고 추가적으로 12시간 동안 400 rpm의 속도로 교반을 진행하여 개질된 폴리에틸렌이민/메탄올 용액을 합성하였다. 상기 개질된 폴리에틸렌이민/메탄올 용액을 퓸드 실리카 기공 내에 담지하는 방법으로는 초기습식함침법(Incipient wetness impregnation method)을 사용하였다. 이후 상기 물질로부터 용매를 완전히 제거하기 위하여 80℃의 진공오븐에서 12시간 동안 열처리하였다. 상기의 방법으로 제조된 개질된 폴리에틸렌이민이 담지된 실리카 흡착제는 "10-EB-PEI/SiO2"로 명명하였다.The preparation of the amine-based carbon dioxide adsorbent having a core-shell structure started from the step of supporting the amine compound on a porous carrier. Fumed silica was used as the porous carrier, and an amine polymer in which nitrogen atoms in the polyethyleneimine (PEI) polymer was modified with a carbon chain containing a hydroxy group was used as the amine compound. The synthesis of modified polyethyleneimine was prepared by reacting 1,2-epoxybutane (1,2-Epoxybutane, EB) with polyethyleneimine. First, 2 g of polyethyleneimine (M n = 1200, 19 mmol N / g) at 25 ° C. was dissolved in 4 g of methanol and stirred at a constant rate of 400 rpm for 10 minutes. Thereafter, 1,2-epoxybutane was added to the stirred polyethyleneimine / methanol solution, and 1.2 g of the 1,2-epoxybutane to polyethyleneimine was added at a ratio of 10 to 1.2 g, and additionally at 400 rpm for 12 hours. Stirring was performed at a rate to synthesize a modified polyethyleneimine / methanol solution. As a method of supporting the modified polyethyleneimine / methanol solution in the fumed silica pore, an incipient wetness impregnation method was used. Then, heat treatment was performed in a vacuum oven at 80 ° C. for 12 hours to completely remove the solvent from the material. The silica adsorbent carrying the modified polyethyleneimine prepared by the above method was designated as "10-EB-PEI / SiO 2 ".

상기 "10-EB-PEI/SiO2" 흡착제의 표면에 이산화황 내성 아민층으로 구성된 쉘을 형성시키기 위해 추가적인 아민-에폭사이드 반응을 수행하였다. 먼저 1,2-에폭시뷰테인, 0.08 g을 헥산(Hexane) 1.6 mL에 녹여 1,2-에폭시뷰테인 용액을 제조하였다. 상기 1,2-에폭시뷰테인 용액을 10-EB-PEI/SiO2, 4 g의 담지한 후 밀봉된 상태로 60℃ 에서 24시간 동안 열처리하며 아민-에폭사이드 반응을 수행하였다. 이후 용매를 완전히 제거하기 위해 80℃의 진공오븐에서 12시간 동안 열처리하여 코어-쉘 구조를 갖는 흡착제를 제조하였다. 상기 방법으로 제조된 코어-쉘 구조의 흡착제를 "10-1-EB-PEI/SiO2"으로 명명하였다.An additional amine-epoxide reaction was performed to form a shell composed of a sulfur dioxide resistant amine layer on the surface of the "10-EB-PEI / SiO 2 " adsorbent. First, 1,2-epoxybutane and 0.08 g were dissolved in 1.6 mL of hexane to prepare a 1,2-epoxybutane solution. The 1,2-epoxybutane solution was loaded with 10-EB-PEI / SiO 2 , 4 g, and then heat-treated at 60 ° C. for 24 hours in a sealed state to perform an amine-epoxide reaction. Then, in order to completely remove the solvent, an adsorbent having a core-shell structure was prepared by heat treatment in a vacuum oven at 80 ° C. for 12 hours. The adsorbent of the core-shell structure prepared by the above method was designated as "10-1-EB-PEI / SiO 2 ".

상기 "10-1-EB-PEI/SiO2"의 제조과정에서 1,2-에폭시뷰테인, 0.12 g을 헥산(Hexane) 1.6 mL에 녹여 1,2-에폭시뷰테인 용액을 제조한 것을 제외하고는 동일한 방법으로 코어-쉘 구조를 갖는 흡착제를 제조하였다. 상기 방법으로 제조된 코어-쉘 구조의 흡착제를 "10-1.5-EB-PEI/SiO2"으로 명명하였다.In the process of preparing "10-1-EB-PEI / SiO 2 ", 1,2-epoxybutane and 0.12 g were dissolved in 1.6 mL of hexane to prepare 1,2-epoxybutane solution. In the same manner, an adsorbent having a core-shell structure was prepared. The adsorbent of the core-shell structure prepared by the above method was designated as "10-1.5-EB-PEI / SiO 2 ".

상기 "10-1-EB-PEI/SiO2"의 제조과정에서 1,2-에폭시뷰테인, 0.16 g을 헥산(Hexane) 1.6 mL에 녹여 1,2-에폭시뷰테인 용액을 제조한 것을 제외하고는 동일한 방법으로 코어-쉘 구조를 갖는 흡착제를 제조하였다. 상기 방법으로 제조된 코어-쉘 구조의 흡착제를 "10-2-EB-PEI/SiO2"으로 명명하였다.In the process of preparing the "10-1-EB-PEI / SiO 2 ", 1,2-epoxybutane and 0.16 g were dissolved in 1.6 mL of hexane to prepare a 1,2-epoxybutane solution. In the same manner, an adsorbent having a core-shell structure was prepared. The adsorbent of the core-shell structure prepared by the above method was designated as "10-2-EB-PEI / SiO 2 ".

실시예 2. 코어-쉘 구조를 갖는 아민계 이산화탄소 흡착제의 물리화학적 특성분석Example 2. Analysis of physicochemical properties of amine-based carbon dioxide adsorbent having a core-shell structure

실시예 1에서 제조한 흡착제에 대한 물리화학적 특성분석은 하기와 같은 방법으로 수행하였으며, 도 3을 참조로 하여 다음과 같이 구체적으로 기재한다.Analysis of the physicochemical properties of the adsorbent prepared in Example 1 was performed in the following manner, and will be described in detail as follows with reference to FIG. 3.

먼저, 실시예 1에서 제조한 흡착제에 고정되어 있는 아민 화합물의 조성을 분석하기 위해 원소 분석법(Elemental analysis, EA) 및 X선 광전자 분광법(X-ray photoelectron spectroscopy, XPS)을 사용하였다. 각 분석이 진행되기 전의 모든 흡착제들에 대하여 100℃의 진공 오븐에서 12시간 동안 열처리를 진행하였다. 도 3은 아민계 이산화탄소 흡착제들에 대해 원소 분석법 및 X선 광전자 분광법을 통해 분석한 아민 화합물들의 탄소(C)/질소(N) 몰(mole) 비율을 나타낸 것이다. 그 결과, 사용한 에폭사이드의 양이 증가할수록 하나의 아민에 평균적으로 기능화되는 하이드록시알킬 그룹의 수가 많아지므로 원소분석과 X-선 광전자 분광 분석 결과 모두 C/N 비율이 증가함을 확인하였다. 또한, 코어-쉘 형태로 제조한 흡착제들의 경우, 원소 분석법으로 얻은 C/N 비율보다 X선 광전자 분광법을 통해 얻은 C/N 비율이 더 높음을 확인하였다. 이것은 흡착제 전체에 분포된 아민 화합물을 분석하는 원소 분석법과 달리 X선 광전자 분광법의 경우 흡착제 표면 근처에 존재하는 아민 화합물을 선택적으로 분석하기 때문이며, 이를 통해 코어의 아민 화합물에 비해 차수가 높은 아민 화합물로 이루어진 쉘이 존재함을 알 수 있었다.First, elemental analysis (EA) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) were used to analyze the composition of the amine compound immobilized on the adsorbent prepared in Example 1. Heat treatment was performed for 12 hours in a vacuum oven at 100 ° C. for all adsorbents before each analysis. FIG. 3 shows carbon (C) / nitrogen (N) mole ratios of amine compounds analyzed by elemental analysis and X-ray photoelectron spectroscopy for amine-based carbon dioxide adsorbents. As a result, as the amount of epoxide used increased, the number of hydroxyalkyl groups functionalized on average in one amine increased, so it was confirmed that the C / N ratio increased in both the elemental analysis and the X-ray photoelectron spectroscopy. In addition, in the case of adsorbents prepared in the core-shell form, it was confirmed that the C / N ratio obtained through X-ray photoelectron spectroscopy was higher than the C / N ratio obtained by elemental analysis. This is because X-ray photoelectron spectroscopy selectively analyzes amine compounds present near the surface of the adsorbent, unlike elemental analysis that analyzes amine compounds distributed throughout the adsorbent, thereby allowing higher order amine compounds compared to the core amine compounds. It can be seen that the formed shell exists.

실시예 3. 코어-쉘 구조를 갖는 아민계 이산화탄소 흡착제의 이산화탄소 흡착능 및 이산화황이 포함된 온도교대흡착 조건에서의 재생 안정성 평가Example 3 Evaluation of carbon dioxide adsorption capacity of an amine-based carbon dioxide adsorbent having a core-shell structure and regeneration stability under temperature alternate adsorption conditions containing sulfur dioxide

실시예 1에서 제조한 흡착제의 이산화탄소 흡착능 측정 및 재생 안정성 평가는 하기와 같은 방법으로 수행하였으며, 도 4 및 5를 참조로 하여 다음과 같이 구체적으로 기재한다.The carbon dioxide adsorption capacity measurement and regeneration stability evaluation of the adsorbent prepared in Example 1 were performed in the following manner, and will be described in detail as follows with reference to FIGS. 4 and 5.

도 4는 수분 트랩과 열전도도 검출기(Thermal conductivity detector, TCD)가 구비된 자동촉매특성분석장치(Autochem 2920, Micromeritics)를 사용하여 60℃, (15% CO2, 5% H2O, 80% N2) 조건 하에서 실시예 1에서 제조한 흡착제의 이산화탄소 흡착량을 시간에 따라 나타낸 그래프이다. 아민 화합물을 개질화하는데 사용된 에폭사이드의 양이 증가할수록 아민의 평균 차수가 증가하므로 흡착 성능이 조금씩 감소하는 것을 확인하였다. 때문에 높은 흡착능을 보이면서도 재생 안정성이 우수한 최적의 흡착제를 찾기 위해서는 최소한의 에폭사이드를 사용하여 적절한 두께의 쉘을 형성시키는 것이 중요하다.4 is 60 ℃, (15% CO 2 , 5% H 2 O, 80%) using an automatic catalyst characteristic analyzer (Autochem 2920, Micromeritics) equipped with a moisture trap and a thermal conductivity detector (TCD). N 2 ) is a graph showing the adsorption amount of carbon dioxide in the adsorbent prepared in Example 1 over time. As the amount of the epoxide used to modify the amine compound increases, the average order of the amines increases, so it is confirmed that the adsorption performance decreases little by little. Therefore, it is important to form a shell of an appropriate thickness by using a minimum of epoxide in order to find an optimal adsorbent exhibiting high adsorption capacity and excellent regeneration stability.

도 5는 실시예 1에서 제조한 흡착제에 대하여, 실제 공정 조건과 유사한 조건인 이산화황이 포함된 온도교대흡착 실험에서 이산화탄소 흡착 성능을 10 사이클 간격으로 나타낸 그래프이다. 흡착/탈착 조건은 다음과 같다.5 is a graph showing carbon dioxide adsorption performance at 10 cycle intervals in a temperature shift adsorption experiment containing sulfur dioxide, which is a condition similar to an actual process condition, for the adsorbent prepared in Example 1. The adsorption / desorption conditions are as follows.

흡착 조건 : 60℃ / 15% CO2, 5% H2O, 400 ppm SO2 balanced with N2 Adsorption conditions: 60 ℃ / 15% CO 2 , 5% H 2 O, 400 ppm SO 2 balanced with N 2

탈착 조건: 110℃ / 100% CO2 Desorption conditions: 110 ℃ / 100% CO 2

이산화황 내성 아민층이 존재하지 않는 "10-EB-PEI/SiO2" 흡착제의 경우 흡탈착 사이클이 반복됨에 따라 흡착능이 점점 감소하는 것을 확인할 수 있다. 이는 흡착 과정에서 가스 중에 존재하는 이산화황이 아민 화합물에 비가역적으로 흡착되어 비활성화를 야기하기 때문이다. 그러나, 상기 흡착제를 코어로써 가지며 추가적인 아민-에폭사이드 반응을 통해 차수가 높은 아민층을 쉘로 가지는 코어-쉘 형 흡착제들의 경우, 그 재생 안정성이 비약적으로 향상된 것을 확인하였다. 이는 3차 아민의 높은 이산화황 내성에서 기인한 것으로, 흡착 과정에서는 3차 아민의 비중이 높은 쉘 부분이 가스 중에 존재하는 이산화황을 선택적으로 흡수하여 코어 부분의 아민 화합물을 보호하고, 탈착 과정에서는 쉘 부분으로부터 이산화황이 효과적으로 탈착되어 다음 흡착 과정에서 다시 이산화황을 포집하는 데 사용될 수 있기 때문이다. 코어-쉘 형태의 흡착제들 중 쉘 부분을 형성시키는 데 사용된 에폭사이드의 양이 상대적으로 적은 "10-1-EB-PEI/SiO2"의 경우 코어의 아민 화합물을 이산화황의 비가역적 흡착으로부터 효과적으로 보호하지 못해 재생 안정성이 다소 떨어지는 경향을 보였으나, 더 많은 양의 에폭사이드가 사용된 "10-1.5-EB-PEI/SiO2" 및 "10-2-EB-PEI/SiO2" 흡착제의 경우 매우 높은 재생 안정성을 보였다. 따라서, "10-1.5-EB-PEI/SiO2" 흡착제가 높은 재생 안정성과 흡착능을 갖는 최적의 흡착제임을 확인하였다.In the case of the “10-EB-PEI / SiO 2 ” adsorbent in which the sulfur dioxide resistant amine layer does not exist, it can be seen that the adsorption capacity gradually decreases as the adsorption / desorption cycle is repeated. This is because sulfur dioxide present in the gas during the adsorption process is irreversibly adsorbed to the amine compound, causing deactivation. However, in the case of core-shell type adsorbents having the sorbent as a core and having a higher order amine layer as a shell through an additional amine-epoxide reaction, it was confirmed that the regeneration stability was dramatically improved. This is due to the high sulfur dioxide resistance of the tertiary amine. In the adsorption process, the shell part having a high specific gravity of the tertiary amine selectively absorbs sulfur dioxide present in the gas to protect the amine compound in the core part, and in the desorption process, the shell part. This is because sulfur dioxide is effectively desorbed from and can be used to capture sulfur dioxide again in the next adsorption process. In the case of "10-1-EB-PEI / SiO 2 " in which the amount of epoxide used to form the shell portion of the core-shell type adsorbents is relatively small, the amine compound of the core is effectively prevented from irreversible adsorption of sulfur dioxide. The tendency of the regeneration stability to be slightly lowered due to the lack of protection, but in the case of "10-1.5-EB-PEI / SiO 2 " and "10-2-EB-PEI / SiO 2 " adsorbents with higher amounts of epoxide It showed very high regeneration stability. Therefore, it was confirmed that the "10-1.5-EB-PEI / SiO 2 " adsorbent is an optimal adsorbent having high regeneration stability and adsorption capacity.

이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.As described above, specific parts of the present invention are described in detail, and it will be apparent to those skilled in the art that this specific technology is only a preferred embodiment, and the scope of the present invention is not limited thereby. will be. Accordingly, the substantial scope of the present invention will be defined by the appended claims and their equivalents.

Claims (17)

아민 화합물 및 다공성 담체를 함유하는 코어; 및 상기 코어를 둘러싸며 코팅된 이산화황 내성 아민 화합물을 함유하는 쉘;을 포함하고, 상기 쉘의 이산화황 내성 아민 화합물에 존재하는 질소 원자 중 3차 아민으로 존재하는 질소의 비율은 70% 내지 100%이며, 상기 코어의 아민 화합물은 1차 아민 또는 2차 아민과 3차 아민을 포함하고, 1차 아민 또는 2차 아민의 비중이 3차 아민보다 높은 것을 특징으로 하는 코어-쉘(core-shell) 구조를 갖는 이산화탄소 흡착제.
A core containing an amine compound and a porous carrier; And a shell containing a sulfur dioxide resistant amine compound coated around the core; and the proportion of nitrogen present as a tertiary amine among nitrogen atoms present in the sulfur dioxide resistant amine compound of the shell is 70% to 100% , The amine compound of the core includes a primary amine or a secondary amine and a tertiary amine, and the core-shell structure characterized in that the specific gravity of the primary amine or secondary amine is higher than that of the tertiary amine. Carbon dioxide adsorbent having a.
제1항에 있어서, 상기 쉘의 이산화황 내성 아민 화합물은 하이드록시기 함유 탄소 사슬을 포함하는 아민 화합물인 것을 특징으로 하는 이산화탄소 흡착제.
The carbon dioxide adsorbent according to claim 1, wherein the sulfur dioxide-resistant amine compound of the shell is an amine compound containing a hydroxy group-containing carbon chain.
제1항에 있어서, 상기 쉘의 이산화황 내성 아민 화합물은 하기 화학식 1로 표현되는 아민 화합물인 것을 특징으로 하는 이산화탄소 흡착제.
[화학식 1] -[(CH2)m(OH)nNX]y
(상기 식에서, m은 1 내지 20의 정수이고, n은 1 내지 10의 정수이며, y는 1 내지 100의 정수이고, X는 수소, 탄소수 1 내지 18의 알킬, 탄소수 3 내지 10의 사이클로알킬, 탄소수 1 내지 18의 알콕시, -CH=CH2, -CH=CHCH2CH3, -CH2CH=CHCH3, -CH2CH2CH=CH2, -CH=CHCH2CH2CH2CH3, -CH2CH=CHCH2CH2CH3, -CH2CH2CH=CHCH2CH3, -CH2CH2CH2CH=CHCH3, -CH2CH2CH2CH2CH=CH2, -CH=CHCH2CH2CH2CH2CH2CH3, -CH2CH=CHCH2CH2CH2CH2CH3, -CH2CH2CH=CHCH2CH2CH2CH3, -CH2CH2CH2CH=CHCH2CH2CH3, -CH2CH2CH2CH2CH=CHCH2CH3, -CH2CH2CH2CH2CH2CH=CHCH3, -CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH=CH2, -CH2O(CH2)3Si(OCH3)3, -CH2O(CH2)3Si(OCH2CH3)3, -CH2O(CH2)2CH3, -CH2O(CH2)3CH3, -CH2OCH=CHCH3, 또는 -CH2OCH2CH=CH2이다.)
The carbon dioxide adsorbent according to claim 1, wherein the sulfur dioxide-resistant amine compound of the shell is an amine compound represented by the following Chemical Formula 1.
[Formula 1]-[(CH 2 ) m (OH) n NX] y
(Wherein m is an integer from 1 to 20, n is an integer from 1 to 10, y is an integer from 1 to 100, X is hydrogen, alkyl having 1 to 18 carbons, cycloalkyl having 3 to 10 carbons, C1-C18 alkoxy, -CH = CH 2 , -CH = CHCH 2 CH 3 , -CH 2 CH = CHCH 3 , -CH 2 CH 2 CH = CH 2 , -CH = CHCH 2 CH 2 CH 2 CH 3 , -CH 2 CH = CHCH 2 CH 2 CH 3 , -CH 2 CH 2 CH = CHCH 2 CH 3 , -CH 2 CH 2 CH 2 CH = CHCH 3 , -CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH = CH 2 , -CH = CHCH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 3 , -CH 2 CH = CHCH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 3 , -CH 2 CH 2 CH = CHCH 2 CH 2 CH 2 CH 3 ,- CH 2 CH 2 CH 2 CH = CHCH 2 CH 2 CH 3 , -CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH = CHCH 2 CH 3 , -CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH = CHCH 3 , -CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH = CH 2 , -CH 2 O (CH 2 ) 3 Si (OCH 3 ) 3 , -CH 2 O (CH 2 ) 3 Si (OCH 2 CH 3 ) 3 ,- CH 2 O (CH 2 ) 2 CH 3 , -CH 2 O (CH 2 ) 3 CH 3 , -CH 2 OCH = CHCH 3 , or -CH 2 OCH 2 CH = CH 2. )
삭제delete 제1항에 있어서, 상기 쉘의 이산화황 내성 아민 화합물은 흡착제 총량에 대하여 0.1 중량% 내지 30 중량% 함유하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 흡착제.
The carbon dioxide adsorbent according to claim 1, wherein the sulfur dioxide-resistant amine compound of the shell contains 0.1% to 30% by weight based on the total amount of the adsorbent.
제1항에 있어서, 상기 코어의 아민 화합물은 하기 화학식 2 또는 3으로 표현되는 단위 골격 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 흡착제.
[화학식 2] -[(CH2)x-NR]y
[화학식 3] -[(CH2)x-NH2]
(상기 식에서, R은 수소 또는 탄화수소이고, x는 2 내지 6의 정수이며, y는 1 내지 100의 정수이다.)
The carbon dioxide adsorbent according to claim 1, wherein the amine compound of the core comprises a unit skeleton structure represented by the following Chemical Formula 2 or 3.
[Formula 2]-[(CH 2 ) x -NR] y
[Formula 3]-[(CH 2 ) x -NH 2 ]
(In the above formula, R is hydrogen or hydrocarbon, x is an integer from 2 to 6, and y is an integer from 1 to 100.)
삭제delete 제1항에 있어서, 상기 코어의 아민 화합물은 폴리알킬렌이민, 폴리알킬렌이민 고분자 내의 질소 원자들 중 적어도 하나가 하이드록시기 함유 탄소 사슬로 개질된 아민 고분자 또는 아미노실란인 것을 특징으로 하는 이산화탄소 흡착제.
The carbon dioxide according to claim 1, wherein the amine compound of the core is an amine polymer or aminosilane modified with at least one of polyalkyleneimine and nitrogen atoms in the polyalkyleneimine polymer with a hydroxy group-containing carbon chain. absorbent.
제8항에 있어서, 상기 폴리알킬렌이민은 폴리에틸렌이민 또는 폴리프로필렌이민인 것을 특징으로 하는 이산화탄소 흡착제.
9. The carbon dioxide adsorbent according to claim 8, wherein the polyalkyleneimine is polyethyleneimine or polypropyleneimine.
제8항에 있어서, 상기 아미노실란은 3-(아미노프로필)트라이메톡시실란, 트라이메톡시(3-메틸아미노프로필실란), (N,N-다이메틸아미노프로필)트라이메톡시실란 또는 N-(3-트라이메톡시실릴프로필)다이에틸렌트라이아민인 것을 특징으로 하는 이산화탄소 흡착제.
The method of claim 8, wherein the aminosilane is 3- (aminopropyl) trimethoxysilane, trimethoxy (3-methylaminopropylsilane), (N, N-dimethylaminopropyl) trimethoxysilane or N-. (3-Trimethoxysilylpropyl) Carbon dioxide adsorbent, characterized in that it is diethylenetriamine.
제1항에 있어서, 상기 코어의 아민 화합물은 흡착제 총량에 대하여 5 중량% 내지 75 중량% 함유하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 흡착제.
The carbon dioxide adsorbent according to claim 1, wherein the amine compound of the core contains 5% to 75% by weight based on the total amount of the adsorbent.
제1항에 있어서, 상기 코어의 다공성 담체는 기공도가 0.1 cc/g 내지 5 cc/g인 것을 특징으로 하는 이산화탄소 흡착제.
The carbon dioxide adsorbent according to claim 1, wherein the porous carrier of the core has a porosity of 0.1 cc / g to 5 cc / g.
제1항에 있어서, 상기 코어의 다공성 담체는 흡착제 총량에 대하여 20 중량% 내지 90 중량% 함유하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 흡착제.
The carbon dioxide adsorbent according to claim 1, wherein the porous carrier of the core contains 20% to 90% by weight relative to the total amount of the adsorbent.
다음 단계를 포함하는 제1항의 코어-쉘(core-shell) 구조를 갖는 이산화탄소 흡착제의 제조방법:
(a) 다공성 담체에 아민 화합물을 고정시키는 단계;
(b) 용매에 에폭사이드를 용해시켜 제조한 용액을 상기 담체에 고정된 아민 화합물에 첨가시키는 단계;
(c) 상기 담체에 고정된 아민 화합물과 에폭사이드를 반응시켜 이산화황 내성 아민층을 형성시키되, 상기 담체에 고정된 아민 화합물 내에 존재하는 질소 원자:에폭사이드의 몰(mole) 비율은 1:0.2 내지 1:1인 단계; 및
(d) 상기 용매를 제거하여 이산화황 내성 아민층을 함유하는 이산화탄소 흡착제를 수득하는 단계.
Method for producing a carbon dioxide adsorbent having a core-shell structure of claim 1 comprising the following steps:
(a) immobilizing an amine compound on a porous carrier;
(b) adding a solution prepared by dissolving epoxide in a solvent to an amine compound immobilized on the carrier;
(c) The amine compound immobilized on the carrier is reacted with an epoxide to form a sulfur dioxide resistant amine layer, but the molar ratio of nitrogen atom: epoxide present in the amine compound immobilized on the carrier is 1: 0.2 to 1: 1; And
(d) removing the solvent to obtain a carbon dioxide adsorbent containing a sulfur dioxide resistant amine layer.
삭제delete 제14항에 있어서, 상기 에폭사이드는 1,2-에폭시에테인, 1,2-에폭시프로페인, 1,2-에폭시뷰테인, 1,2-에폭시펜테인 및 1,2-에폭시헥세인으로 구성된 군에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 이산화탄소 흡착제의 제조방법.
The method of claim 14, wherein the epoxide is composed of 1,2-epoxyethane, 1,2-epoxypropane, 1,2-epoxybutane, 1,2-epoxypentane and 1,2-epoxyhexane. Method for producing a carbon dioxide adsorbent, characterized in that at least one selected from the group.
제1항 내지 제3항, 제5항, 제6항 및 제8항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 흡착제를 이용한 이산화탄소 흡착방법.Carbon dioxide adsorption method using the adsorbent according to any one of claims 1 to 3, 5, 6 and 8 to 13.
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