KR20110075196A - 입체장애 시클릭 아민이 첨가된 알칼리탄산염계 이산화탄소 흡수제 및 이를 이용한 이산화탄소 제거방법 - Google Patents

입체장애 시클릭 아민이 첨가된 알칼리탄산염계 이산화탄소 흡수제 및 이를 이용한 이산화탄소 제거방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 이산화탄소 흡수제에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 알칼리 탄산염 물질에 입체장애(hindered) 시클릭 아민을 첨가함으로써 이산화탄소 흡수속도가 향상되고 재생에너지가 절감되며 염 생성 및 상분리가 발생되지 않도록 하는 입체장애 시클릭 아민이 첨가된 알칼리탄산염계 이산화탄소 흡수제 및 이를 이용한 이산화탄소 제거방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 알칼리염계 이산화탄소 흡수제에 의하면 낮은 재생에너지와 높은 이산화탄소 흡수속도로 인해 이산화탄소 포집비용을 절감할 수 있으며 염 생성 및 층 분리 현상이 발생하지 않아 흡수제를 보충할 필요가 없어서 공정효율을 정상상태로 유지할 수 있다는 장점이 있다.
이산화탄소 흡수제, 입체장애아민, 알칼리탄산염, 입체장애 시클릭 아민

Description

입체장애 시클릭 아민이 첨가된 알칼리탄산염계 이산화탄소 흡수제 및 이를 이용한 이산화탄소 제거방법 {CO2 absorbent based on alkali carbonate solution promoted by hindered cyclic amines and CO2 removing method using the same}
본 발명은 이산화탄소 흡수제에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 알칼리 탄산염 물질에 입체장애(hindered) 시클릭 아민을 첨가함으로써 이산화탄소 흡수속도가 향상되고 재생에너지가 절감되며 염 생성 및 상분리가 발생되지 않도록 하는 입체장애 시클릭 아민이 첨가된 알칼리탄산염계 이산화탄소 흡수제 및 이를 이용한 이산화탄소 제거방법에 관한 것이다.
이산화탄소는 지구온난화를 유발하는 6대 온실가스 중 하나로써 발생량과 고정원이 많은 산성 가스이다. 이와 같이 에너지 산업공정에서 배출되는 이산화탄소를 분리 제거하기 위한 여러 방법들 중 경제성이 가장 뛰어난 액상 흡수법에 대한 많은 연구가 종래로부터 진행되어 왔다.
이러한 액상 흡수법 중 가장 많이 사용되는 방법으로 알카놀아민법 (monoethanolamine, diethanolamine, triethanolamine 등)과 탄산칼륨을 이용한 벤필드법을 들수 있다.
알카놀아민법은 이산화탄소를 흡수하는 다양한 알카놀아민을 물과 혼합하여 20~30 wt% 용액을 만들어 사용하는 방법으로 빠른 이산화탄소 흡수능력 때문에 1970년대부터 상용화가 된 방법이다.
그러나 이 방법은 재생을 하는 과정에서 4.0~4.2 GJ/ton CO2 (MEA의 경우)이라는 과도한 에너지를 소비하며, 연소 배기가스 내에 존재하는 오염물질(O2, SO2, NOx)에 의해 산화반응이 일어나며, 탄소강으로 이루어진 시설물을 부식시키는 등의 많은 문제점을 가지고 있다.
이 중 가장 큰 문제점인 높은 재생열을 낮추기 위해, 알카놀아민 중에 이산화탄소와 직접 카바메이트 결합을 함으로써 이산화탄소를 제거하는 질소 원자 주변에 메틸기나 에틸기를 붙여두어 입체장애를 유발함으로써 카바메이트 결합력을 낮추려는 흡수제가 개발되었는데 그 대표적인 것인 AMP (2-amino-2-methyl-1-propanol)이다.
이 흡수제는 이산화탄소의 흡수능에 있어서 MEA만큼 빠르지는 않으나 재생에너지가 상당히 낮다는 장점을 갖고 있다. 유사한 입체장애 아민을 주 물질로 사용하고 있는 것으로 알려진 미쯔비시 중공업의 KS-1 흡수제의 경우 재생에너지는 2.8~3.2 GJ/ton CO2로 아주 낮음을 알 수 있다. 그러나 이 아민들은 대부분 1 급 아민 주변에 입체장애기가 있는 알카놀 아민류이다.
고급 입체장애 아민 기술로는 일본 간사이 화력발전과 미쯔비시 중공업이 출원한 연소배기가스 중의 이산화탄소 제거 방법에 관한 특허출원(JP 1994-242915호) 이 있다. 이 특허 출원에서는 흡수제 단위 몰당, 단위 체적당 CO2 흡수량이 크고 흡수속도가 높으며 재생에너지가 적은 흡수제로 아래 화학식의 물질을 주물질로 한 발명을 제시하였다. 아래 식 중 R1은 저급 알킬기이고, R2는 수소 또는 저급 알킬기이다. 상기 특허 출원은 2001년 6월 8일에 JP 3197173으로 등록되었으며, 청구항을 살펴보면 수용액과 입체저항 피프라진유도체를 혼합하여 사용하는 시스템을 제안하였다. 즉 하기 물질의 혼합 비율은 수용액 속에 15~65 중량%로 제한하였다.
Figure 112009080571600-PAT00001
그러나, 위와 같은 중량으로 혼합하여 사용하여 실시할 경우 20wt% 이상 혼합 시 용해도 문제가 발생하여 피프라진 유도체를 용해시키기 위해 알콜과 같은 물질을 혼합해야 하며, 단순히 물과 혼합되는 이성분계이며 바이카보네이트 촉진현상이 있는 알칼리 탄산염이 혼합되지 않으므로 CO2 흡수 반응 시 카바메이트 형성 반응보다 바이카보네이트 형성 반응이 우세하지 않다는 단점이 있다.
NaOH, Na2CO3, K2CO3, KOH 등과 같은 액상 알칼리 물질을 이용하여 산성가스인 이산화탄소를 포집하는 방법으로 대표적인 것이 벤필드 공정 또는 카타카브 공정이다. 벤필드 공정은 이산화탄소 반응속도가 느리다는 단점을 개선하기 위하여 알카놀아민(주로 DEA, diethanolamine)을 일부 첨가하여 사용하는 방법이다. 카타 카브 공정은 탄산칼륨을 주물질로 사용하며, 반응속도 개선제로 알려지지 않은 유기물 또는 무기물을 사용하는 방법이다.
그러나 이 방법은 중탄산칼륨의 염이 생성되는 문제를 해결하기 위하여 120℃ 이상에서 흡수탑 및 탈거탑을 운전하므로 높은 에너지가 소요되며, 10 기압 이상의 유입 가스 압력에서 운전해야 한다는 단점을 가지고 있다.
탄산칼륨을 이용하는 최근의 방법으로는 텍사스 대학의 로쉘(Rochelle) 연구팀이 2004년에 발표하여 공개된 특허(WO 2004/089512 A1 공개)에 소개된 흡수제를 사용하는 방법이 있다.
이 흡수제의 경우 탄산칼륨의 느린 이산화탄소 흡수속도를 개선하기 위해 피프라진과 피프라진 유도체를 첨가하였다. 피프라진은 시클릭 디아민 구조의 알킬 아민으로 아미노기가 2개 존재하는 물질이다. 따라서 탄산칼륨과 혼합될 경우 이산화탄소를 효과적으로 흡수하며 재생에너지도 저감시킬 수 있는 장점이 있다.
그러나 이 흡수제는 용해도면에 있어서 문제가 있을 것으로 예측하여, 상기 특허 이후 한국에 출원된 특허(특허출원 2005-7018813호)에서는 염생성 문제와 이산화탄소 흡수속도를 개선하기 위해 피프라진 물질을 입체장애가 없는 물질들로 한정하고 있다.
즉, 종래의 탄산칼륨을 이용하는 방법에 의하면 탄산칼륨 흡수제의 특징인 재생에너지가 낮다는 점을 최대한 활용하면서 탄산칼륨 흡수제의 단점인 느린 이산화탄소 흡수속도를 개선함과 동시에 염생성 문제를 막기 위해 입체장애가 없는 피페라진 유도체로 첨가제를 한정하고 있으나, 해당 조건을 이용하여 검증 실험을 할 경우 일부 조건에서 염이 생성되고 화학상 분리가 빈번히 일어나는 문제가 있었다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 알칼리 탄산염 물질에 입체장애(힌더드) 시클릭 아민을 혼합하여 이산화탄소 흡수속도를 향상시키고 재생에너지를 감소시킬 수 있으며 염 생성 및 액체의 상분리가 발생되지 않는 알칼리염계 이산화탄소 흡수제를 제공하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 알칼리탄산염에 입체장애 시클릭 아민이 첨가된 이산화탄소 흡수제에 이산화탄소가 포함된 기체를 접촉시켜 이산화탄소를 흡수하고 이산화탄소 흡수제를 재생시키는 과정을 통해 이산화탄소가 포함된 기체로부터 이산화탄소를 효율적으로 제거하는 이산화탄소 제거방법을 제공하는데 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 입체장애 시클릭 아민이 첨가된 알칼리탄산염 이산화탄소 흡수제는 16 wt% 이하의 알칼리탄산염 및 10 wt% 이하의 입체장애 시클릭 아민을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소의 제거방법은 알칼리탄산염에 입체장애 시클릭 아민이 첨가된 이산화탄소 흡수제에 이산화탄소가 포함된 기체를 접촉시키는 기체 접촉단계, 상기 기체로부터 이산화탄소를 흡수하는 이산화탄소 흡수단계 및 상기 이산화탄소 흡수제를 재생시키는 흡수 제 재생단계를 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 알칼리염계 이산화탄소 흡수제에 의하면 낮은 재생에너지와 높은 이산화탄소 흡수속도로 인해 이산화탄소 포집비용을 절감할 수 있으며 염 생성 및 층 분리 현상이 발생하지 않아 흡수제를 보충할 필요가 없어서 공정효율을 정상상태로 유지할 수 있다는 장점이 있다.
이를 통해 향후 연소배가스 중 이산화탄소를 저비용으로 분리하기 위한 신 흡수제 공정에 그대로 적용하게 된다며 지구온난화에 대비한 온실가스 저감기술 확보에 크게 기여할 수 있을 것이다.
이하에서는 본 발명의 내용을 도면과 함께 상세히 설명하기로 한다.
본 발명에서는 알칼리 탄산염 물질에 입체장애 시클릭 아민을 첨가한 형태의 흡수제를 이용하여 흡수속도를 향상시키고 재생에너지를 저감시켰으며, 또한 염 생성 문제와 화학상 분리 문제를 해결하였다.
본 발명에 따른 입체장애 시클릭 아민이 첨가된 알칼리탄산염 이산화탄소 흡수제는 16 wt% 이하의 알칼리탄산염 및 10 wt% 이하의 입체장애 시클릭 아민을 포함한다.
본 발명에 따른 이산화탄소 흡수제는 주 물질로 16wt% 이하의 알칼리탄산염을 사용하였다. 상기 알칼리 탄산염은 11족 금속원소인 나트륨과 칼륨으로 한정하였으며 탄산염은 중탄산염과 탄산염이 혼합된 물질을 사용하였다.
즉 본 발명에 따른 이산화탄소 흡수제에 사용된 알칼리 탄산염은 탄산칼륨(K2CO3), 탄산나트륨(Na2CO3), 수산화 나트륨(NaOH), 수산화 칼륨(KOH), 중탄산 칼륨(KHCO3) 및 중탄산 나트륨(NaHCO3) 중에서 선택된 적어도 하나의 물질인 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 이산화탄소 흡수제의 첨가제로 사용되는 입체장애 시클릭 아민은 이산화탄소가 직접 반응하는 질소 원자를 중심으로 입체장애효과를 주기 위하여 알킬기가 다양하게 결합된 형태의 물질을 사용하였다.
일반적으로 아민의 질소 원자가 이산화탄소와 반응할 경우 카바메이트의 형태로 이산화탄소가 흡수되는데, 탄산칼륨 수용액에 첨가된 입체장애 시클릭 아민 첨가제는 2급 아민 형태에 입체장애가 혼합된 형태이므로 카바메이트보다는 주로 바이카보네이트의 형태로 흡수된다.
또한 알칼리탄산염과 첨가제가 혼합되어 사용될 때 식 (1)에서와 같이 일부 첨가제는 카바메이트의 형태로 이산화탄소를 흡수한다.
이 후 식 (2)에서와 같이 알칼리 탄산염의 알칼리 양이온은 카바메이트의 형태로 흡수된 일부 첨가제 분자에 쿨롱의 힘으로 작용하여 카바메이트보다는 바이카보네이트로 존재하도록 촉진하는 효과도 있다. 이로 인해 종래기술과 달리 재생에너지를 크게 감소시킬 수 있게 된다.
즉 입체장애 시클릭 아민만 존재할 경우 식(2)가 진행되지 않기에 재생에너지 감소폭이 적으나 알칼리 탄산염과 함께 존재할 경우 식 (2)가 진행되어 재생에 너지는 크게 줄어든다.
2R-NH2 (아민) + CO2 ⇔ [R-NH-CO2 -][R-NH3 +] ---- 식 (1)
[R-NH-CO2 -][R-NH3 +] + H2O + M+ ⇔ [R-NH3 +][HCO3 -] + R-NH2 + M+ --- 식 (2)
본 발명에는 질소 원자를 중심으로 두 개의 탄소가 결합된 형태의 2급 아민이 입체장애 시클릭 아민으로 사용되었다. 일반적으로 이산화탄소를 흡수하는 반응 메커니즘은 아민의 급수가 높아질수록 카바메이트 형성의 필수 조건인 질소 원자와 결합한 수소의 개수가 줄어들게 되어 바이 카보네이트의 형태로 형성되어 재생에너지가 낮아지는 반면 CO2 흡수반응속도가 느려지는 경향이 있다.
로쉘 교수가 제안한 특허에 기술되어 있는 피프라진과 비교할 경우 질소 원자 주변에 입체장애기가 존재함으로써 바이카보네이트 형성이 더 많아지게 되고, 일단 카바메이트가 형성되더라도 알칼리 탄산염의 알칼리 이온이 작용할 경우 카바메이트는 바이카보네이트로 형성되며 흡수반응열이 적게 배출된다. 여기서 흡수반응열이 작다는 것은 나중에 재생 반응을 할 때 에너지가 적게 소요됨을 의미한다.
본 발명에 사용된 입체장애(힌더드) 시클릭 아민은 1 기압에서 카바메이트 또는 바이카보네이트가 탈거되어 재생되는 온도인 110℃ 내지 120℃ 보다 높은 끓는점을 가지므로 아민류 흡수제가 갖는 증발 손실량이 적다는 장점을 갖고 있다. 한편, 본 발명에 사용된 입체장애(힌더드) 시클릭 아민의 종류를 25℃의 물 1 리터 에 대한 용해도를 기준으로 500g 이상이 용해되는 물질로 한정하였다.
본 발명에 따른 이산화탄소 흡수제의 첨가제로 사용되는 입체장애 시클릭 아민은 1-아미노-4메틸 피페라진, 1-(2-아미노에틸)-4메틸 피페라진, 1-(2-히드록시에틸)-4메틸 피페라진, 1-(2-아미노에틸)-피페라진, 1-(2-히드록시에틸)-피페라진, 2-아미노에틸-피페라진, 1-에틸-피페라진, 2,5-디메틸-피페라진, 시스 2,6-디메틸-피페라진, 1,4-디메틸-피페라진, 트랜스 2,5-디메틸-피페라진, 1-메틸 피페라진, 2-메틸 피페라진, 1-에틸 피페라진, 2-페페리딘에탄올, 3-페페리딘에탄올, 4-페페리딘에탄올, 2-아미노에틸-1-피페리딘 및 호모피페라진 중에서 선택된 하나 이상의 물질인 것이 바람직하다.
알칼리 탄산염 물질 중 탄산칼륨은 용해도가 제한적이며 단독으로 사용할 경우 중탄산칼륨이 석출된다. 또한 탄산칼륨을 알칼리 탄산염으로 사용할 경우 이산화탄소를 제거할 수 있으나 그 제거 속도가 상당히 느린 단점이 있다. 탄산칼륨을 알칼리 탄산염으로 하여 입체장애 시클릭 아민 수용액과 혼합하여 80℃ 이하에서 사용할 경우 16 wt% 이하의 조성만을 사용하는 것이 바람직하다. 탄산칼륨의 조성이 16 wt% 를 초과하는 경우에는 염 생성의 문제가 발생할 수 있기 때문이다.
첨가제로 사용되는 입체장애 시클릭 아민의 경우 카바메이트와 바이카보네이트가 혼합되는 형태로 이산화탄소를 흡수한다. 이때 입체장애 시클릭 아민은 10 wt% 이하의 조성만을 사용하는 것이 바람직하다. 입체장애 시클릭 아민의 조성이 10 wt%를 초과하는 경우에는 탄산칼륨의 경우와 마찬가지로 염 생성의 문제가 발생할 수 있기 때문이다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 이산화탄소 제거방법의 공정흐름을 나타내는 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 이산화탄소 제거방법은 기체 접촉단계(S110), 이산화탄소 흡수단계(S120) 및 흡수제 재생단계(S130)를 구비한다.
상기 기체 접촉단계(S110)에서는 알칼리탄산염에 입체장애 시클릭 아민이 첨가된 이산화탄소 흡수제에 이산화탄소가 포함된 기체를 접촉시킨다. 이때 이산화탄소 흡수제는 앞서 살펴본 바와 같이 16wt% 이하의 알칼리탄산염 및 10wt% 이하의 입체장애 시클릭 아민을 포함한다. 한편 상기 이산화탄소 흡수제는 부식방지제, 응집보조제, 산소억제제, 소포제 또는 이들의 혼합물이 더 포함될 수도 있다.
즉, 알칼리탄산염으로는 탄산칼륨(K2CO3), 탄산나트륨(Na2CO3), 수산화 나트륨(NaOH), 수산화 칼륨(KOH), 중탄산 칼륨(KHCO3) 및 중탄산 나트륨(NaHCO3) 중에서 선택된 적어도 하나의 물질을 사용하는 것이 바람직하다.
한편, 입체장애 시클릭 아민은 1-아미노-4메틸 피페라진, 1-(2-아미노에틸)-4메틸 피페라진, 1-(2-히드록시에틸)-4메틸 피페라진, 1-(2-아미노에틸)-피페라진, 1-(2-히드록시에틸)-피페라진, 2-아미노에틸-피페라진, 1-에틸-피페라진, 2,5-디메틸-피페라진, 시스 2,6-디메틸-피페라진, 1,4-디메틸-피페라진, 트랜스 2,5-디메틸-피페라진, 1-메틸 피페라진, 2-메틸 피페라진, 1-에틸 피페라진, 2-페페리딘에탄올, 3-페페리딘에탄올, 4-페페리딘에탄올, 2-아미노에틸-1-피페리딘 및 호모피페라진 중에서 선택된 하나 이상의 물질인 것이 바람직하다.
상기 이산화탄소 흡수단계(S120)에서는 상기 이산화탄소가 포함된 기체로부터 이산화탄소를 흡수한다. 이때 상기 이산화탄소 흡수단계는 1기압 내지 30기압의 압력범위 및 20℃ 내지 90℃의 온도범위에서 진행되도록 하는 것이 바람직하다.
상기 흡수제 재생단계(S130)에서는 상기 이산화탄소가 포함된 기체로부터 이산화탄소를 흡수한 흡수제를 재생시킨다. 이때 흡수제 재생단계(S130)는 1기압 내지 10기압에서 및 105℃ 내지 120℃의 온도범위에서 진행되도록 하는 것이 바람직하다.
도 2는 Shell 반응기를 이용하여 측정한 이산화탄소/흡수제의 기액 흡수평형도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 입체장애 시클릭 아민이 첨가된 알칼리 탄산염 이산화탄소 흡수제가 상용 흡수제인 MEA 30wt%보다 아래에 위치하고 있음을 알 수 있으며, 이는 본 발명에 따른 이산화탄소 흡수제 쪽으로 이산화탄소가 더 많이 흡수됨을 의미한다.
도 3은 연소배가스 기준 온도인 40~60℃ 기준에서 흡수제를 이용할 경우 흡수량을 연속 회분식 반응기 (CSTR, Continuous Stirred Tank Reactor)를 이용하여 측정한 결과를 나타내는 도면이다.
가스 크로마토그라피(GC)를 이용하여 주입되는 가스 (30% CO2 + 70% N2) 중 흡수되지 않고 배출되는 가스의 농도를 측정하였으며 포화가 될 경우는 10분 평균 농도 차이가 0.01%일 때로 규정하여 측정한 것이다. 이에 대한 구체적인 결과는 [표 1]에 정리하였으며, [표 1]을 참고하면 이산화탄소 흡수제의 용량(capacity, mol CO2/mol 흡수제)이 본 발명에 따라 입체장애 시클릭 아민이 첨가된 이산화탄소 흡수제일 경우 대체적으로 높음을 알 수 있다.
[표 1]
Figure 112009080571600-PAT00002
도 4는 젖음벽 흡수탑 (Wetted Wall Column)을 이용하여 이산화탄소의 흡수속도를 40~60℃에서 측정한 결과를 나타내는 도면이다.
도 4에 도시된 바와 같이 측정 결과 60℃에서의 흡수속도는 상용 흡수제인 MEA 30wt%와 거의 유사한 값을 얻을 수 있었다. 구체적으로 MEA 30wt%의 경우 속도 상수 값은 2.92 x 10-6 kmol/m2-sPa-s 였으나 본 발명에 따른 이산화탄소 흡수제의 경우 속도 상수 값은 3.02 x 10-6 kmol/m2-sPa-s 였다.
도 5는 본 발명에 따른 이산화탄소 흡수제의 증발압력을 측정한 결과를 나타내는 도면이다.
즉, 흡수제에 대한 흡수 온도 범위 (40~80℃)에서의 증발 손실 여부를 살펴본 것으로, 실험 결과 모두 물보다 증발압력이 작으므로 암모니아를 이용하는 공정처럼 흡수제의 손실이 크지 않음을 알 수 있다. 또한 텍사스 대학의 로쉘 등이 제안한 흡수제인 피프라진 조합 흡수제(K2CO3+PZ)보다 증발 손실이 낮으므로 공정에 적용 시 증발 손실량이 더 낮음을 알 수 있다.
[표 2]는 메틀러 토레도 (Mettler Toledo)사의 흡수반응열 측정 장비를 이용하여 똑같은 양의 흡수제를 대상으로 이산화탄소 흡수반응을 시켰을 때 방출되는 흡수반응열을 측정한 결과를 나타낸다.
[표 2]
Figure 112009080571600-PAT00003
재생열은 흡수반응열, 용매 잠열, 현열의 합으로 구성되며, 화학흡수제의 경우 흡수반응열은 전체 재생 에너지 중 최소 50% 이상을 차지한다. 한편 용매인 물의 잠열보다 2배 정도 높은 흡수열을 갖는 흡수제의 경우 재생열은 흡수열 50%, 잠열 35% 및 현열 15%로 구성된다. 따라서 화학흡수제의 재생열 중 화학반응열이 차지하는 비중은 상당히 높음을 알 수 있다.
[표 2]의 데이터 중 KS 1 흡수제는 직접 측정하지 않고 RITE에서 GHGT9에 발표한 수치를 사용하였다. 측정한 결과 본 발명에 따른 입체장애 시클릭 아민이 첨가된 알칼리탄산염 이산화탄소 흡수제의 흡수반응열이 가장 낮음을 알 수 있었으며, 이는 피프라진을 혼합한 종래의 흡수제보다 더 낮은 값에 해당된다.
25℃에서 각 혼합 흡수제의 화학 성상을 측정한 결과를 [표 3]에 나타내었다.
[표 3]
Figure 112009080571600-PAT00004
[표 3]에 나타난 바와 같이 종래의 특허(특허출원 2005-7018813호)에서 제시된 흡수제 중 일부는 2층으로 흡수제의 층분리 현상이 일어났으나, 본 발명에 따른 흡수제의 경우 25℃에서도 층분리 현상이 일어나지 않았음을 알 수 있다.
[표 4]는 입체장애 시클릭 아민의 농도를 10 wt%로 고정한 후 알칼리탄산염의 농도를 올렸을 때 25℃에서 나타난 현상을 살펴본 결과로 K2CO3 16wt%/2 methyl PZ 10 wt%를 기준으로 알칼리 탄산염의 농도가 상승하였을 때 상이 분리되는 현상을 발견할 수 있었다. 또한 상 분리현상이 나타나는 경우 상층과 하층의 비를 살펴 보면 알칼리 탄산염의 비율이 높아질수록 상층의 비가 점점 커짐을 알 수 있다.
[표 4]
Figure 112009080571600-PAT00005
[표 5]는 알칼리탄산염의 농도를 16wt%로 고정한 채 입체장애 시클릭 아민의 농도를 10wt% 이상 상승시켰을 때 나타난 결과로써 11wt%이상 혼합될 경우 상분리가 발생하였으며, 입체장애 시클릭 아민의 농도가 높아질수록 하층의 두께가 점점 작아짐을 알 수 있다. 이상으로부터 알칼리 탄산염과 입체장애 시클릭 아민의 최적 비율은 알칼리 탄산염 16wt%이하, 입체장애 시클릭 아민 10wt% 이하임을 알 수 있다.
[표 5]
Figure 112009080571600-PAT00006
층분리 현상은 밀도차와 제타전위차에 의하여 발생하며 만일 공정 중에 층분리 현상이 발생할 경우 하단에 가라앉은 흡수제가 비 혼합영역을 형성하여 정체현상을 유발하며, 이에 의해 흡수탑 및 탈거탑에서의 공정 효율 저하를 유발한다. 또한 연속 공정 운전 시 흡수제가 손실될 경우를 대비해 흡수제를 보충하는 경우 흡수제 저장 탱크 내에서 층 분리 현상이 일어나 보충 공급 라인이 위치한 영역만 실제 공정에 공급되므로 공정 효율을 정상상태로 유지할 수 없게 된다.
본 발명에 따른 이산화탄소 흡수제의 경우 이와 같은 층분리 현상이 일어나지 않음으로써 공정효율을 정상상태로 유지할 수 있으며 낮은 재생에너지와 높은 이산화탄소 흡수속도로 인해 이산화탄소 포집비용을 절감할 수 있는 장점이 있다.
따라서, 향후 연소배가스 중 이산화탄소를 저비용으로 분리하기 위한 신 흡수제 공정에 그대로 적용한다면 지구온난화에 대비한 온실가스 저감기술 확보에 크게 기여할 수 있을 것이다.
이상에서 본 발명에 대한 기술사상을 첨부 도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 본 발명의 기술적 사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.
도 1은 본 발명에 따른 이산화탄소 제거방법의 공정흐름을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 이산화탄소 흡수제의 기액 흡수 평형도이다.
도 3은 본 발명에 따른 이산화탄소 흡수제(탄산칼륨 15wt%/첨가제 10wt%)의 온도별 파과 실험 결과를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 이산화탄소 흡수제의 흡수속도를 측정한 결과를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 이산화탄소 흡수제의 증발압력을 측정한 결과를 나타내는 도면이다.

Claims (13)

16 wt% 이하의 알칼리탄산염; 및
10 wt% 이하의 입체장애 시클릭 아민을 포함하는 것을 특징으로 하는 입체장애 시클릭 아민이 첨가된 알칼리탄산염 이산화탄소 흡수제.
제1항에 있어서, 상기 알칼리탄산염은
탄산칼륨(K2CO3), 탄산나트륨(Na2CO3), 수산화 나트륨(NaOH), 수산화 칼륨(KOH), 중탄산 칼륨(KHCO3) 및 중탄산 나트륨(NaHCO3) 중에서 선택된 적어도 하나 이상인 것을 특징으로 하는 입체장애 시클릭 아민이 첨가된 알칼리탄산염 이산화탄소 흡수제.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 입체장애 시클릭 아민은
1-아미노-4메틸 피페라진, 1-(2-아미노에틸)-4메틸 피페라진, 1-(2-히드록시에틸)-4메틸 피페라진, 1-(2-아미노에틸)-피페라진, 1-(2-히드록시에틸)-피페라진, 2-아미노에틸-피페라진, 1-에틸-피페라진, 2,5-디메틸-피페라진, 시스 2,6-디메틸-피페라진, 1,4-디메틸-피페라진, 트랜스 2,5-디메틸-피페라진, 1-메틸 피페라진, 2-메틸 피페라진, 1-에틸 피페라진, 2-페페리딘에탄올, 3-페페리딘에탄올, 4-페페리딘에탄올, 2-아미노에틸-1-피페리딘 및 호모피페라진 중에서 선택된 적어도 하나 이상인 것을 특징으로 하는 입체장애 시클릭 아민이 첨가된 알칼리탄산염 이산화탄소 흡수제.
제3항에 있어서,
부식방지제, 응집보조제, 산소억제제, 소포제 또는 이들의 혼합물을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 입체장애 시클릭 아민이 첨가된 알칼리탄산염 이산화탄소 흡수제.
제4항에 있어서,
상기 부식방지제, 상기 응집보조제, 상기 산소억제제, 상기 소포제 또는 이들의 혼합물은 1wt% 이하인 것을 특징으로 하는 입체장애 시클릭 아민이 첨가된 알칼리탄산염 이산화탄소 흡수제.
제3항에 있어서, 상기 입체장애 시클릭 아민은
끓는점이 145℃ 이상이고, 물에 대한 용해도가 25℃ 기준에서 500 g/l 이상인 것을 특징으로 하는 입체장애 시클릭 아민이 첨가된 알칼리탄산염 이산화탄소 흡수제.
알칼리탄산염에 입체장애 시클릭 아민이 첨가된 이산화탄소 흡수제에 이산화탄소가 포함된 기체를 접촉시키는 기체 접촉단계;
상기 기체로부터 이산화탄소를 흡수하는 이산화탄소 흡수단계; 및
상기 이산화탄소 흡수제를 재생시키는 흡수제 재생단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 제거방법.
제7항에 있어서, 상기 이산화탄소 흡수제는
16wt% 이하의 알칼리탄산염 및 10wt% 이하의 입체장애 시클릭 아민을 포함하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 제거방법.
제8항에 있어서, 상기 알칼리 탄산염은
탄산칼륨(K2CO3), 탄산나트륨(Na2CO3), 수산화 나트륨(NaOH), 수산화 칼륨(KOH), 중탄산 칼륨(KHCO3) 및 중탄산 나트륨(NaHCO3) 중에서 선택된 적어도 하나 이상인 것을 특징으로 하는 이산화탄소 제거방법.
제8항 또는 제9항에 있어서, 상기 입체장애 시클릭 아민은
1-아미노-4메틸 피페라진, 1-(2-아미노에틸)-4메틸 피페라진, 1-(2-히드록시에틸)-4메틸 피페라진, 1-(2-아미노에틸)-피페라진, 1-(2-히드록시에틸)-피페라진, 2-아미노에틸-피페라진, 1-에틸-피페라진, 2,5-디메틸-피페라진, 시스 2,6-디메틸-피페라진, 1,4-디메틸-피페라진, 트랜스 2,5-디메틸-피페라진, 1-메틸 피페라진, 2-메틸 피페라진, 1-에틸 피페라진, 2-페페리딘에탄올, 3-페페리딘에탄올, 4-페페 리딘에탄올, 2-아미노에틸-1-피페리딘 및 호모피페라진 중에서 선택된 적어도 하나 이상인 것을 특징으로 하는 이산화탄소 제거방법.
제10항에 있어서, 상기 이산화탄소 흡수제는
부식방지제, 응집보조제, 산소억제제, 소포제 또는 이들의 혼합물을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 제거방법.
제10항에 있어서, 상기 이산화탄소 흡수단계는
1기압 내지 30기압의 압력범위 및 20℃ 내지 90℃의 온도범위에서 진행되는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 제거방법.
제10항에 있어서, 상기 흡수제 재생단계는
1기압 내지 10기압의 압력범위 및 105℃ 내지 120℃의 온도범위에서 진행되는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 제거방법.
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