KR20130126359A - Immidazolium cation based ionic liquid functionalized with ether for separation of carbon dioxide and its use - Google Patents
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Abstract
Description
본원은 양이온 기반의 이미다졸륨 이온성 액체 및 그 용도에 관한 것이다.
The present application relates to cation based imidazolium ionic liquids and uses thereof.
최근 몇 년간 배가스로부터 CO2를 분리하는 기술은 학술적, 산업적 측면에서 뿐 아니라 환경적으로 유익한 지속 가능 발전을 위해 중요성이 날로 증가하고 있다. 석탄, 석유, 천연가스 등이 주된 연료로 사용되는 상황에서 CO2의 생성은 피할 수 없다. 따라서 경제적인 CO2 분리 및 회수 기술의 개발은 CO2 저감을 위한 핵심 단계라 할 수 있다.In recent years, the technology of separating CO 2 from flue-gases is of increasing importance not only for academic and industrial reasons, but also for environmentally beneficial sustainable development. In the situation where coal, petroleum and natural gas are used as the main fuels, the production of CO 2 is inevitable. Therefore, the development of economical CO 2 separation and recovery technology is a key step for CO 2 reduction.
현재 화학적/물리적 이산화탄소 흡수 공정은 CO2 분리를 목적으로 천연가스나 석유, 각종 화학 산업에 널리 적용되고 있다. 물리적 흡수 방법은 주로 가스 흐름 내 산성 가스(H2S, CO2, SO2)들의 농도가 높을 때 주로 선호된다. 물리 흡수제들은 산성 가스들과 높은 친화력을 가진 주로 비반응성의 극성 유기 화합물이 쓰인다. 대표적으로 메탄올, 프로필렌, 카보네이트, 설포네이트, N-포닐필롤리돈 (NMP)등이 물리 흡수에 주로 사용된다. 화학적 흡수의 경우는 일반적으로 잔존 산성 물질들을 제거하는데 사용된다. 일차, 이차, 삼차, 장애 아민, 가공된 아민 등의 액상 용액 등이 가장 널리 사용되고 있다. 장애 아민류는 종종 CO2와 H2S를 포함하는 가스에서 선택적 H2S 제거를 위해 사용되기도 한다. Currently, chemical / physical carbon dioxide absorption processes are widely applied to natural gas, petroleum, and various chemical industries for the purpose of separating CO 2 . Physical absorption methods are mainly preferred when the concentration of acidic gases (H 2 S, CO 2 , SO 2 ) in the gas stream is high. Physical absorbers are mainly used as non-reactive polar organic compounds with high affinity with acid gases. Typically methanol, propylene, carbonate, sulfonate, N-ponylpyrrolidone (NMP), etc. are mainly used for physical absorption. In the case of chemical absorption, it is generally used to remove residual acidic substances. Liquid solutions such as primary, secondary, tertiary, hindered amines and processed amines are most widely used. Hindered amines are often used for selective H 2 S removal in gases containing CO 2 and H 2 S.
현재 CO2 흡수를 위한 가장 대표적인 방법은 알카놀아민류 특히 모노에탄올아민 (monoethanolamine, MEA), 디에탄올아민 (diethanolamine, DEA) 및 메틸디에탄올아민( methyldiethanolamine, MDEA) 등의 액상 용액의 혼합 액상용액을 이용하는 것이다. MEA 기반 기술을 통해 약 75-90% 가량의 CO2 회수가 가능하며, 99% 이상의 고농도 CO2 가스 생산이 가능하다. Currently, the most representative method for the absorption of CO 2 is a mixed liquid solution of alkanolamines, in particular monoethanolamine (MEA), diethanolamine (DEA) and methyldiethanolamine (MDEA). It is to use. MEA-based technology can recover approximately 75-90% of CO 2 and produce more than 99% of high concentrations of CO 2 gas.
하지만 아민 기반 기술의 이러한 높은 CO2 분리 효율에도 불구하고, 이 기술에는 장치의 부식 등의 문제로 인한 용액 내 아민 농도의 제약, 회수 가스로부터의 수분 제거, 휘발성으로 인한 흡수제 손실, 배가스 내 황 함유 물질이나 높은 열로 재생할 때 발생할 수 있는 흡수제 열화, 그리고 산소와 결합에 의한 흡수제 산화 등의 문제점을 가지고 있다. 따라서 휘발성 및 부식성이 없고 공정상 경제적일 뿐 아니라 환경적으로 유익한 흡수제의 개발을 필요로 한다. However, despite these high CO 2 separation efficiencies of amine-based technologies, these techniques include constraints on the concentration of amines in solution due to problems such as device corrosion, removal of moisture from recovered gases, loss of absorbents due to volatility, and sulfur content in flue gases. It has problems such as deterioration of absorbent which can occur when regenerating with material or high heat, and oxidation of absorbent by combining with oxygen. There is therefore a need for the development of absorbents that are not volatile and non-corrosive, process economical and environmentally beneficial.
이의 대안으로 제시된 것이 이온성액체이다. 이온성액체는 4차 암모늄(quaternary ammonium), 이미다졸륨(imidazolium), 피리디늄(pyridinium), 포스포늄 (phosphonium) 이온 등과 같은 의 커다란 유기 대칭 구조의 양이온과, 상대적으로 비대칭 구조의 작은 크기의 [Cl]-, [Br]-, [I]-, [BF4]-, [PF6]-, [Tf2N]- 등과 같은 무기물질 혹은 [RCO2]- 등의 유기 물질 등으로 구성되는 음이온으로 구성된다. 양이온과 음이온, 그리고 기능성 작용기 등의 무한한 조합을 통해 다양한 특성으로의 전환이 가능한 이온성액체의 특징으로 인하여 "디자이너 용매 (designer solvent)"라고도 불리운다. 한국 등록특허 제0975897호는 트리알콕시히드록시포스포늄 카복실레이트계 이온성 액체를포함하는 이산화탄소 흡수제를 개시한다. 한국 공개특허공보2011-0080004는 함불소올레핀을 포함한 이마졸륨계 이온성액체를 이용한 이산화탄소 흡수제에 관하여 개시한다. 하지만 불소가 포함된 이온성액체의 경우 높은 CO2 흡수능을 기대할 수 있지만 생분해가 어려워 환경적으로 유해하다. 또한 이미다졸륨 양이온을 기반으로 이온성 액체와 [Cl]-, [BF4]-, [PF6]-, [CH3SO3]-, [CF3BF3]-, [C2F5BF3]- 음이온을 이용한 합성에 관한 연구가 수행되었으나, 이산화탄소 분리에 최적의 특성을 지닌 친수성의 열적으로도 안정하며, 낮은 용융점, 낮은 점도는 물론 반복적 사용이 가능한 새로운 이온성액체의 개발이 필요하다.
An alternative is the ionic liquid. Ionic liquids have large organic symmetric cations, such as quaternary ammonium, imidazolium, pyridinium, and phosphonium ions, and relatively small asymmetric structures Inorganic substances such as [Cl] - , [Br] - , [I] - , [BF 4 ] - , [PF 6 ] - , [Tf 2 N] - , or [RCO 2 ] - It consists of an anion comprised with organic substances, such as these. It is also called a "designer solvent" because of the ionic liquid's ability to convert into various properties through infinite combinations of cations, anions, and functional groups. Korean Patent No. 0975897 discloses a carbon dioxide absorbent comprising a trialkoxyhydroxyphosphonium carboxylate-based ionic liquid. Korean Laid-Open Patent Publication No. 2011-0080004 discloses a carbon dioxide absorbent using an imazolium-based ionic liquid containing a fluorine-containing olefin. However, fluorine-containing ionic liquids can be expected to have high CO 2 absorption, but they are difficult to biodegrade and are environmentally harmful. Based on the imidazolium cation, ionic liquid and [Cl] - , [BF 4 ] - , [PF 6 ] - , [CH 3 SO 3 ] - , [CF 3 BF 3 ] - , [C 2 F 5 BF 3] - but performed synthesis using anionic, stable also thermally hydrophilic properties with optimum properties in the carbon dioxide separation, and low melting point, low viscosity, as well as the need for a new ionic development of a liquid capable of repeated use Do.
본원은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 열적으로 안정하면서도, 수명이 길고, 고온 및 감압 조건에서 반복사용이 가능한 에테르관능화된 이미다졸륨기반 이온성액체를 제공하고자 한다.
The present invention has been made to solve the above problems, to provide an ether functionalized imidazolium-based ionic liquid that is thermally stable, long life, and can be used repeatedly at high temperature and reduced pressure conditions.
본원은 하기 화학식 1 로 표시되는 이산화탄소 흡수능을 갖는 에테르 관능화된 이미다졸륨계 이온성 액체 화합물을 제공하며, The present application provides an ether functionalized imidazolium-based ionic liquid compound having a carbon dioxide absorption capacity represented by the following Formula 1,
[화학식 1] [Formula 1]
상기 식에서 X-는 [BF4]-, [PF6]-, [Tf2N]-, [TfO]-, 또는 [DCA]- 이다. Wherein X − is [BF 4 ] − , [PF 6 ] − , [Tf 2 N] − , [TfO] − , or [DCA] − .
본원은 또한 본원에 따른 에테르관능화된 이미다졸륨계 이온성 액체 화합물을 포함하는 이산화탄소 흡수제를 제공한다. The application also provides a carbon dioxide absorbent comprising an ether functionalized imidazolium-based ionic liquid compound according to the invention.
본원은 또한 기체 혼합물에서 본원에 따른 이산화탄소 흡수제를 사용하여 이산화탄소를 흡수시키는 단계; 및 상기 이산화탄소 흡수제에 흡수된 이산화탄소를 탈기시키는 단계를 포함하는 기체 혼합물로부터 이산화탄소를 분리하는 방법을 제공한다. The present application also includes the steps of absorbing carbon dioxide using a carbon dioxide absorbent according to the present invention in a gas mixture; And degassing the carbon dioxide absorbed by the carbon dioxide absorbent.
본원은 또한 탈기 후, 이산화탄소 흡수제를 재사용하는 단계를 추가로 포함하는 것인, 기체 혼합물로부터 이산화탄소를 분리하는 방법을 제공한다. The present disclosure also provides a method for separating carbon dioxide from a gas mixture, after degassing, further comprising reusing the carbon dioxide absorbent.
본원은 또한 상기 탈기 단계에서 이산화탄소 : 이온성액체가 이산화탄소 흡수단계에서 1:1의 몰비로 반응하는 것이, 기체 혼합물로부터 이산화탄소를 분리하는 방법을 제공한다. The present application also provides a method for separating carbon dioxide from a gas mixture, in which the carbon dioxide: ionic liquid reacts in a molar ratio of 1: 1 in the carbon dioxide absorption step in the degassing step.
본원은 또한 상기 이산화탄소를 흡수시킬 때의 온도는 약 0 ℃ 내지 80 ℃인 것을 특징으로 하는 기체 혼합물로부터 이산화탄소를 분리하는 방법을 제공한다. The present application also provides a method for separating carbon dioxide from a gas mixture, wherein the temperature when absorbing the carbon dioxide is about 0 ° C to 80 ° C.
본원은 또한 상기 이산화탄소를 흡수시킬 때의 압력은 약 상압 내지 60 기압인 것을 특징으로 하는 기체 혼합물로부터 이산화탄소를 분리하는 방법을 제공한다. The present application also provides a method for separating carbon dioxide from a gas mixture, wherein the pressure when absorbing the carbon dioxide is about atmospheric pressure to about 60 atmospheres.
본원은 또한 상기 이산화탄소를 탈기시킬 때의 온도는 약 상온 내지 80 ℃인 것을 특징으로 하는 기체 혼합물로부터 이산화탄소를 분리하는 방법을 제공한다.
The present application also provides a method for separating carbon dioxide from a gas mixture, wherein the temperature when degassing the carbon dioxide is about room temperature to 80 ℃.
본원의 에테르로 관능화된 이미다졸륨계 이온성 액체는 우수한 이산화탄소 흡수능을 가지며, 흡수된 이산화탄소는 가열 등을 통해 손쉽게 탈착이 가능하여, 사용의 편리성은 물론, 선택성, 열적 안정성 및 반복적 사용 및 오랜 사용수명으로 인해 CO2 포집에 유용하게 사용될 수 있다.
The imidazolium-based ionic liquid functionalized with ether of the present invention has excellent carbon dioxide absorption ability, and the absorbed carbon dioxide can be easily desorbed by heating, etc., so that the ease of use, selectivity, thermal stability and repeated use and long use Its useful life makes it useful for CO 2 capture.
도 1은 30 ℃에서 상이한 이온성 액체의 압력에 따른 이산화탄소의 몰분획(χ)을 나타내는 그래프이다.
도 2는 50 ℃에서 상이한 이온성 액체에서 압력에 따른 이산화탄소의 몰분획(χ)을 나타내는 그래프이다.
도 3은 이산화탄소를 흡수한 [C3Omim] [BF4], [C3Omim] [PF6], [C3Omim] [Tf2N], [C3Omim] [TfO] 및 [C3Omim] [DCA] 이온성 액체의 FTIR 스펙트럼을 나타낸다.
도 4는 이산화탄소를 흡수한 상이한 이온성 액체의 13C 스펙트럼이다: (a)[C3Omim] [BF4], (b)[C3Omim] [PF6], (c)[C3Omim] [Tf2N], (d)[C3Omim] [TfO] 및 (e)[C3Omim] [DCA]
도 5는 에테르 관능화된 이온성 액체의 이산화탄소 흡수 기전을 나타낸다.
도 6은 30 ℃에서 재생된 상이한 이온성 액체를 사용하여 측정된 압력에 따른 이산화탄소의 몰분획(χ)을 나타내는 그래프이다.1 is a graph showing the mole fraction (χ) of carbon dioxide at different temperatures of 30 ° C. according to the pressure of different ionic liquids.
FIG. 2 is a graph showing the molar fraction χ of carbon dioxide with pressure in different ionic liquids at 50 ° C.
FIG. 3 shows [C 3 Omim] [BF 4 ], [C 3 Omim] [PF 6 ], [C 3 Omim] [Tf 2 N], [C 3 Omim] [TfO] and [C 3 ] absorbing carbon dioxide. Omim] [DCA] shows the FTIR spectrum of the ionic liquid.
FIG. 4 is 13 C spectra of different ionic liquids absorbing carbon dioxide: (a) [C 3 Omim] [BF 4 ], (b) [C 3 Omim] [PF 6 ], (c) [C 3 Omim ] [Tf 2 N], (d) [C 3 Omim] [TfO] and (e) [C 3 Omim] [DCA]
5 shows the carbon dioxide absorption mechanism of ether functionalized ionic liquids.
FIG. 6 is a graph showing the molar fraction (χ) of carbon dioxide with pressure measured using different ionic liquids regenerated at 30 ° C.
본원은 하기 화학식 1로 표시되는 에테르기를 갖는 이미다졸륨기반의 이온성액체에 관한 것이다. The present application relates to an imidazolium-based ionic liquid having an ether group represented by Formula 1 below.
[화학식 1] [Formula 1]
상기 식에서 X-는 [BF4]-, [PF6]-, [Tf2N]-, [TfO]-, 또는 [DCA]- 이다.Wherein X − is [BF 4 ] − , [PF 6 ] − , [Tf 2 N] − , [TfO] − , or [DCA] − .
본원의 에테르 관능화된 이미다졸륨기반의 이온성액체는 본원에서 사용된 음이온과 조합시 상온에서 액체상을 유지하면서 낮은 점도를 지닌다. The ether functionalized imidazolium based ionic liquids herein have a low viscosity while maintaining a liquid phase at room temperature in combination with the anions used herein.
나아가 본원은 상기 화학식 1의 에테르 관능화된 이미다졸륨기반의 이온성액체화합물을 이용한 이산화탄소 흡수제에 관한 것이다. 본원의 이산화탄소 흡수제는 본원에 따른 에테르 관능화된 이미다졸륨기반의 이온성액체 화합물을 1종 이상 포함할 수 있다.
Furthermore, the present application relates to a carbon dioxide absorbent using the ether functionalized imidazolium-based ionic liquid compound of Formula 1. Carbon dioxide absorbents of the present disclosure may include one or more ether functionalized imidazolium based ionic liquid compounds according to the present disclosure.
본 발명에 따른 에테르 관능화된 이미다졸륨계 이온성액체 화합물을 이산화탄소 흡수제는 이산화탄소와 화학적 결합을 통해 이를 흡수한다. 이산화탄소를 흡수하기 위한 흡수제는 화학적 흡수제와 물리적 흡수제로 구분된다. 화학적 흡수제는 이산화탄소와 흡수제간의 화학적 결합에 의하여 흡수되므로 이산화탄소의 압력이 낮은 범위에서 흡수가 가능하다. 그러나 물리적 흡수는 압력에 의하여 흡수와 재생이 되므로 분리하고자 하는 가스에 압력이 수반되어야 한다. 따라서 화학적 흡수는 일반적으로 화석연료를 연료할 때 발생되는 이산화탄소를 분리하는데 유리하다. The ether functionalized imidazolium-based ionic liquid compound according to the present invention absorbs carbon dioxide through a chemical bond with carbon dioxide. Absorbents for absorbing carbon dioxide are classified into chemical and physical absorbents. Since the chemical absorbent is absorbed by the chemical bond between the carbon dioxide and the absorbent, it is possible to absorb the carbon dioxide in a low range. However, since physical absorption is absorbed and regenerated by pressure, the gas to be separated must be accompanied by pressure. Thus, chemical absorption is generally advantageous for separating the carbon dioxide produced when fueling fossil fuels.
이는 에테르기 산소 원자의 고립 전자쌍이 친핵적(nucleophilic)으로 CO2의 탄소 원자를 공격하여 카복실산을 형성하기 때문이다 (도 5 참조). 즉 하나의 카바메이트 형성을 위해 하나의 이온성액체만이 CO2와 반응하는 1:1 메커니즘이 지배적이며, 이는 종래의 하나의 카바메이트 형성을 위해 또 다른 이온성액체와 CO2가 추가적으로 반응하는 소위 1:2 메커니즘과 차별되는 장점을 가지고 있다. 보다 구체적으로 아민이 이산화탄소와 반응하여 카바메이트가 형성되며 이는 이산화탄소:아민이 1몰:2몰 반응을 하며 이에 물을 추가하면 카보네이드가 형성되어 이산화탄소:아민이 1몰:1몰 반응을 한다. 그러나 에테르기 산소 원자는 이산화탄소 반응하여 이산화탄소:이온성액체가 1몰:1물 반응을 하므로 기존 아민그룹을 부가한 이온성액체의 흡수반응인 이산화탄소:이온성액체가 1몰:2물 반응을 하는 것보다 유리하다.
This is because isolated electron pairs of ether group oxygen atoms nucleophilic attack carbon atoms of CO 2 to form carboxylic acids (see FIG. 5). That is one of the
또한, 본 발명에 따른 이미다졸륨계 이온성액체 화합물은 유기용매 흡수제보다 훨씬 높은 이산화탄소 흡수능을 보여주며, 본원에 따른 일 실시예에서 이산화탄소 흡수 실험에서 0.9 몰분율 이상의 이산화탄소 흡수량을 나타냈다. 본 발명에서는 양이온 이미다졸의 측쇄에 에테르기를 치환하여 이산화탄소와 반응을 직접 할 수 있도록 하였다. 따라서 기존의 이온성액체는 양이온과 음이온의 상호작용에 의한 물리적인 힘에 의하여 이산화탄소를 분리할 수 있으나, 본 발명에서는 화학적 결합에 의하여 이산화탄소를 분리할 수 있는 기능을 추가하여 기존보다 이산화탄소 흡수능을 증가시켰다. 따라서 본 발명에 따른 이미다졸륨계 이온성액체 화합물을 흡수제로 사용하는 경우, 흡수제의 순환속도를 낮출 수 있어 장치의 크기를 획기적으로 줄일 수 있다.
In addition, the imidazolium-based ionic liquid compound according to the present invention shows a much higher carbon dioxide absorption capacity than the organic solvent absorbent, and in one embodiment according to the present invention showed more than 0.9 mole fraction of carbon dioxide absorption. In the present invention, an ether group is substituted in the side chain of the cationic imidazole to directly react with carbon dioxide. Therefore, the conventional ionic liquid can separate the carbon dioxide by the physical force by the interaction of the cation and the anion, but in the present invention by adding a function that can separate the carbon dioxide by chemical bonding increases the carbon dioxide absorption capacity than conventional. I was. Therefore, when the imidazolium-based ionic liquid compound according to the present invention is used as an absorbent, the circulation rate of the absorbent can be lowered and the size of the device can be drastically reduced.
또한, 본 발명에 따른 이미다졸륨계 이온성액체 화합물을 이산화탄소 흡수제로 사용하는 경우, 흡수제의 손실이 거의 없다. 본 발명에 따른 이미다졸륨계 이온성액체 화합물은 화학적으로 안정하기 때문에 분해에 의한 이산화탄소 흡수제의 손실 아주 낮다. 또한, 재사용 실험시 본 발명에 따른 이미다졸륨계 이온성액체 화합물은 10회 흡수-탈기 실험을 반복할 때에도 이산화탄소 흡수능의 저하가 관찰되지 않아 재사용이 가능하다. 따라서, 본 발명에 따른 이미다졸륨계 이온성액체 화합물은 우수한 이산화탄소 흡수능을 보유하고 있을 뿐만 아니라, 흡수된 이산화탄소의 탈기도 비교적 낮은 온도에서 수행할 수 있으며, 반복 사용시에도 흡수능의 감소가 거의 없어 이산화탄소 흡수제로서 효과적으로 사용될 수 있다.
In addition, when the imidazolium-based ionic liquid compound according to the present invention is used as a carbon dioxide absorbent, there is almost no loss of the absorbent. Since the imidazolium-based ionic liquid compound according to the present invention is chemically stable, the loss of carbon dioxide absorbent by decomposition is very low. In addition, the imidazolium-based ionic liquid compound according to the present invention in the re-use experiment can be reused because the deterioration of carbon dioxide absorption is not observed even when repeated 10 times the absorption-degassing experiment. Therefore, the imidazolium-based ionic liquid compound according to the present invention not only has excellent carbon dioxide absorbing ability, but can also perform degassing of the absorbed carbon dioxide at a relatively low temperature. Can be effectively used as.
또한, 다른 양태에서 본원은 기체 혼합물에서 상기 화학식 1의 에테르관능화된 이미다졸륨계 이온성액체 화합물을 포함하는 이산화탄소 흡수제를 사용한 이산화탄소 분리방법에 관한 것이다. 상기 방법은 본원의 에테르관능화된 이미다졸륨계 이온성액체 화합물을 포함하는 이산화탄소 흡수제를 이용하여 이산화탄소를 흡수시키는 단계 및 상기 이산화탄소 흡수제에 흡수된 이산화탄소를 탈기시키는 단계를 포함하다. In another aspect, the present invention relates to a carbon dioxide separation method using a carbon dioxide absorbent comprising an ether functionalized imidazolium-based ionic liquid compound of formula (1) in a gas mixture. The method includes absorbing carbon dioxide using a carbon dioxide absorbent comprising an ether functionalized imidazolium-based ionic liquid compound of the present application and degassing carbon dioxide absorbed in the carbon dioxide absorbent.
본원에 따른 이산화탄소 흡수제를 사용하는 방법에 있어서, 이산화탄소 분리에 관한 공지의 공정이 적용될 수 있으며, 예를 들면 "Energy saving in a CO2 capture plant by MEA scrubbing", chemical engineering research and design, 89, p1676-1683 (2011), "Stripper configurations for CO2 capture by aqueous monoethanolamine", chemical engineering research and design 89, p1639-1646 (2011)에 기재된 것을 참조할 수 있다. In the method using the carbon dioxide absorbent according to the present application, a known process for separating carbon dioxide may be applied, for example "Energy saving in a CO2 capture plant by MEA scrubbing", chemical engineering research and design, 89, p1676-1683 (2011), "Stripper configurations for CO2 capture by aqueous monoethanolamine", chemical engineering research and design 89, p1639-1646 ( See 2011).
예를 들면 기체 혼합물에서 본원에 따른 이산화탄소 흡수제를 사용하여 흡수탑에서 이산화탄소를 흡수시키는 단계; 상기 이산화탄소를 흡수한 흡수제를 탈기탑으로 이동하는 단계; 및 상기 이산화탄소 흡수제에 흡수된 이산화탄소를 탈기탑에서 탈기시키는 단계를 포함한다. Absorbing carbon dioxide in the absorption tower using, for example, a carbon dioxide absorbent according to the present invention in a gas mixture; Moving the absorbent absorbing the carbon dioxide to a degassing column; And degassing the carbon dioxide absorbed by the carbon dioxide absorbent in a degassing column.
또한 본원에 따른 방법은 상기 탈기된 이산화탄소 흡수제를 재사용하기 위해 흡수탑으로 이동하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. The method according to the present application may further comprise the step of moving to an absorption tower to reuse the degassed carbon dioxide absorbent.
본 발명에 따른 기체 혼합물로부터 이산화탄소를 분리하는 방법에 있어서, 이산화탄소를 흡수시킬 때의 바람직한 온도는 약 0 ℃ 내지 약 80 ℃ 범위 , 특히 약 20 ℃ 내지 약 60 ℃ 범위이고 , 바람직한 압력은 상압 내지 약 80 기압 범위이다. 이산화탄소를 흡수시킬 때 온도는 낮을수록, 압력은 높을수록 이산화탄소 흡수량이 증가한다. In the process for separating carbon dioxide from a gas mixture according to the invention, the preferred temperature when absorbing carbon dioxide is in the range of about 0 ° C. to about 80 ° C., in particular in the range of about 20 ° C. to about 60 ° C., and the preferred pressure is from atmospheric to about 80 atm range. When absorbing carbon dioxide, the lower the temperature and the higher the pressure, the higher the amount of carbon dioxide absorption.
본 발명에 따른 기체 혼합물로부터 이산화탄소를 분리하는 방법에 있어서, 흡수된 이산화탄소를 탈기시킬 때의 바람직한 온도는 약 60 내지 약 150 ℃ 범위, 보다 바람직하게는 약 70 내지 약 130 ℃ 범위이고, 바람직한 압력은 상압에서 약 20 파스칼(Pa)이다. 본 발명에 따른 기체 혼합물로부터 이산화탄소를 분리하는 방법에 있어서, 상기 기체 혼합물로는 화학공장, 발전소, 대형 보일러 등에서 배출되는 배기가스, 천연가스 등이 사용될 수 있으나, 이로 제한하는 것은 아니다.
In the process for separating carbon dioxide from a gas mixture according to the invention, the preferred temperature when degassing the absorbed carbon dioxide is in the range of about 60 to about 150 ° C, more preferably in the range of about 70 to about 130 ° C, and the preferred pressure is It is about 20 Pascals (Pa) at normal pressure. In the method for separating carbon dioxide from the gas mixture according to the present invention, the gas mixture may be exhaust gas, natural gas, etc. discharged from a chemical plant, a power plant, a large boiler, etc., but is not limited thereto.
이하, 본 발명을 하기의 실시예에 의해 더욱 상세히 설명한다. 단, 하기의 실시예는 본 발명을 예시할 뿐, 본 발명의 내용이 하기의 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail by the following examples. However, the following examples merely illustrate the present invention, and the contents of the present invention are not limited by the following examples.
실시예Example
실시예Example 1 이온성 액체의 합성 Synthesis of 1 ionic liquid
본원 실시예에 사용된 클로로에틸메틸에테르 (CH3OCH2CH2Cl), 1-메틸이미다졸, 디에틸에테르, 아세톤, 소디움 테트라플루오로보레이트(NaBF4), 마그네슘 설페이트(MgSO4), 포타슘 헥사플루오로포스페이트 (KPF6), 리티움 bis[(트리플루오로메틸)설포닐]아마이드 Li(Tf2N), 소디움 트리플루오로메틸설포네이트 Na(TfO), 소디움 디시아나마이드 (Na(DCA))는 Sigma-Aldrich 사에서 구입하였으며 추가적인 정제는 하지 않았다. Chloroethylmethylether (CH 3 OCH 2 CH 2 Cl), 1-methylimidazole, diethyl ether, acetone, sodium tetrafluoroborate (NaBF 4 ), magnesium sulfate (MgSO 4 ), used in the Examples herein, Potassium hexafluorophosphate (KPF 6 ) , lithium bis [(trifluoromethyl) sulfonyl] amide Li (Tf 2 N), sodium trifluoromethylsulfonate Na (TfO), sodium dicyanamide (Na ( DCA)) was purchased from Sigma-Aldrich and no further purification.
이하 본원의 이온성액체의 합성은 기존 문헌에 보고된 방법을 이용하였다.(L. C. Branco, J. N. Rosa, J. J. M. ramos, C. A. M. Afonso, Preparation and Characterization of New Room Temperature Ionic Liquids, Chem. Eur. J. 8 (2002) 3671-3677). 단, 1-메틸이미다졸의 알킬화반응은 잔존 할로겐 양을 줄이기 위해 약간 과량(당량비 1.1)의 NaBF4, KPF6, Li(Tf2N), Na(TfO), Na(DCA)과의 할로겐(Cl, Br) 치환을 통해 알킬할라이드를 이용하여 진행되었다.
Synthesis of the ionic liquids of the present application using the method reported in the existing literature (LC Branco, JN Rosa, JJM ramos, CAM Afonso, Preparation and Characterization of New Room Temperature Ionic Liquids, Chem. Eur. J. 8 ( 2002) 3671-3677). However, the alkylation of 1-methylimidazole was carried out with a slight excess (equivalent ratio 1.1) of NaBF 4 , KPF 6 , Li (Tf 2 N), Na (TfO) and Na ( DCA) to reduce the amount of halogen remaining. (Cl, Br) substitution was performed using an alkyl halide.
실시예Example 1-1 [ 1-1 [ CC 33 OmimOmim ][] [ ClCl ]의 합성 ] Synthesis of
클로로메틸메틸에테르 (85 mL, 0.93 mol)와 1-메틸이미다졸 (50 mL, 0.63 mol)를 각각 바닥이 둥근 플라스크에 넣고 환류 응축기를 연결 하여, 80℃를 유지하며 24시간 교반해주었다. 생성물은 디에틸에테르(4x25ml)로 세정 후 진공 (0.5mmHg), 80℃ 조건에서 2일간 교반해주었다. 그 결과 냉각 시 고체화되는 약한 노락색의 액체 (약 83%의 수율 및 약 3.46μg (H2O) ml-1 (RTIL)의 수분함량)를 수득하였다. Chloromethyl methyl ether (85 mL, 0.93 mol) and 1-methylimidazole (50 mL, 0.63 mol) were put in a round-bottomed flask and connected to a reflux condenser, and the mixture was stirred at 80 ° C. for 24 hours. The product was washed with diethyl ether (4x25ml) and then stirred for 2 days at 80 ° C under vacuum (0.5mmHg). The result was a weak yellowish liquid (about 83% yield and about 3.46 μg (H 2 O) ml −1 (RTIL) water content) which solidified upon cooling.
실시예 1-2 [CExample 1-2 [C 33 Omim][BFOmim] [BF 44 ]의 합성] Synthesis of
[C3Omim][Cl] (25.00 g, 0.15 mol)과 NaBF4 (19.00 g, 0.17 mol)을 엘렌마이어 플라스크 (250ml)에 차례로 넣고, 아세톤(150mL)을 함께 섞어준 후 상온에서 24시간 교반해 주었다. 그 결과물인 끈적한 고체를 필터링과 아세톤 (2x100ml)을 이용하여 세척하였다. 이 중 유기층을 따로 분리하여, 건조 후(MgSO4), 필터링한 후에 진공 조건에서 잔존 용매를 제거 후 약한 갈색의 액체 (약 91%의 수율 및 약 2.68 μg (H2O) ml-1 (RTIL)의 수분함량)를 수득하였다. [C 3 Omim] [Cl] (25.00 g, 0.15 mol) and NaBF 4 (19.00 g, 0.17 mol) were placed in an Elenmeyer flask (250 ml) in turn, mixed with acetone (150 mL) and stirred at room temperature for 24 hours. I did it. The resulting sticky solid was washed with filtration and acetone (2 × 100 ml). The organic layer was separated, dried (MgSO4), filtered and the remaining solvents were removed in vacuo conditions and then a light brown liquid (about 91% yield and about 2.68 μg (H 2 O) ml -1 (RTIL) Moisture content) was obtained.
실시예 1-3 [CExample 1-3 [C 33 Omim][PFOmim] [PF 66 ]의 합성 ] Synthesis of
[C3Omim][Cl] (26.00 g, 0.152 mol)과 KPF6(31.00 g, 0.168 mol)를 엘렌마이어 플라스크 (250 mL)에 차례로 넣고, 아세톤 (150 mL)을 넣어 준후, 상온에서 24시간 가량 교반해주었다. 그 결과물인 끈적한 고체를 필터링과 아세톤 (2x100ml)을 이용하여 세척하였다. 이 중 유기층을 따로 분리하여 건조 후(MgSO4), 필터링한 후에 진공 조건에서 잔존 용매 제거 후 짙은 갈색의 액체(약 87%의 수율 및 약 1.84 μg(H2O) ml-1 (RTIL)의 수분함량)를 수득하였다. [C 3 Omim] [Cl] (26.00 g, 0.152 mol) and KPF 6 (31.00 g, 0.168 mol) were placed in an Elenmeyer flask (250 mL) in turn, acetone (150 mL) was added, and then at room temperature for 24 hours. Stirred about. The resulting sticky solid was washed with filtration and acetone (2 × 100 ml). The organic layer was separated and dried (MgSO4), filtered and the residual solvent removed in vacuo, followed by a dark brown liquid (about 87% yield and about 1.84 μg (H 2 O) ml -1 (RTIL) moisture Content).
실시예 1-4 [CExample 1-4 [C 33 Omim][TfOmim] [Tf 22 N]의 합성Synthesis of N]
[C3Omim][Cl] (26.00 g, 0.152 mol)와 Li(NTf2) (49.00 g, 0.170 mol)를 엘렌마이어 플라스크 (250ml)에 차례로 넣고 아세톤(150ml)을 넣어주었다. 이 혼합물을 24시간 동안 상온에서 교반해 주었다. 그 결과물인 끈적한 고체를 필터링 및 아세톤(2x100ml)을 이용해 세척해주었다. 이후 유기층을 따로 분리하여 MgSO4를 이용해 건조한 후 필터링한 후 진공 조건에서 잔존 용매를 제거해주었다. 그 결과 갈색을 띄는 액체 (약 88.9%의 수율 및 약 2.34 ㎍(H2O)ml-1 (RTIL)의 수분함량)를 수득하였다.[C 3 Omim] [Cl] (26.00 g, 0.152 mol) and Li (NTf 2 ) (49.00 g, 0.170 mol) were sequentially added to an Elenmeyer flask (250 ml) and acetone (150 ml) was added thereto. The mixture was stirred at room temperature for 24 hours. The resulting sticky solid was washed with filtration and acetone (2 × 100 ml). Thereafter, the organic layer was separated, dried over MgSO 4 , filtered, and the remaining solvent was removed under vacuum. As a result, a brownish liquid (yield of about 88.9% and water content of about 2.34 μg (H 2 O) ml −1 (RTIL)) was obtained.
실시예 1-5 [CExample 1-5 [C 33 Omim][TfO]의 합성Omim] [TfO] Synthesis
[C3Omim][Cl] (26.00 g, 0.152 mol)와 Na(TfO) (29.50 g, 0.171 mol)를 엘렌마이어 플라스크(250ml)에 차례로 넣고 아세톤(150ml)을 넣어주었다. 이 혼합물을 24시간 동안 상온에서 교반해 주었다. 그 결과물인 끈적한 고체를 필터링 및 아세톤(2x100ml)을 이용해 세척해주었다. 이후 유기층을 따로 분리하여 MgSO4를 이용해 건조한 후 필터링한 후 진공 조건에서 잔존 용매를 제거해 주었다. 그 결과 옅은 갈색의 액체 (약 89%의 수율 및 약 2.38㎍(H2O)ml-1 (RTIL)의 수분함량)를 수득하였다.[C 3 Omim] [Cl] (26.00 g, 0.152 mol) and Na (TfO) (29.50 g, 0.171 mol) were sequentially added to an Elenmeyer flask (250 ml) and acetone (150 ml) was added thereto. The mixture was stirred at room temperature for 24 hours. The resulting sticky solid was washed with filtration and acetone (2 × 100 ml). Thereafter, the organic layer was separated, dried over MgSO 4 , filtered, and the remaining solvent was removed under vacuum. As a result, a light brown liquid (about 89% yield and about 2.38 μg (H 2 O) ml −1 (RTIL) water content) was obtained.
실시예Example 1-6 [ 1-6 [ CC 33 OmimOmim ][] [ DCADCA ]의 합성] Synthesis of
[C3Omim][Cl] (26.00 g, 0.152 mol)와 Na(DCA) (15.00 g, 0.168 mol)를 엘렌마이어 플라스크(250ml)에 차례로 넣고 아세톤(150ml)을 넣어주었다. 이 혼합물을 24시간 동안 상온에서 교반해 주었다. 그 결과물인 끈적한 고체를 필터링 및 아세톤(2x100ml)을 이용해 세척해주었다. 이후 유기층을 따로 분리하여 MgSO4를 이용해 건조한 후 필터링한 후 진공 조건에서 잔존 용매를 제거해주었다. 그 결과 옅은 갈색을 띄는 액체 (약 90%의 수율 및 약 2.61㎍(H2O)ml-1 (RTIL)의 수분함량)를 수득하였다.[C 3 Omim] [Cl] (26.00 g, 0.152 mol) and Na (DCA) (15.00 g, 0.168 mol) were sequentially added to an Elenmeyer flask (250 ml) and acetone (150 ml) was added thereto. The mixture was stirred at room temperature for 24 hours. The resulting sticky solid was washed with filtration and acetone (2 × 100 ml). Thereafter, the organic layer was separated, dried over MgSO 4 , filtered, and the remaining solvent was removed under vacuum. As a result, a light brownish liquid (about 90% yield and about 2.61 μg (H 2 O) ml −1 (RTIL) of water content) was obtained.
실시예Example 2 합성된 2 synthesized 이온성액체의Ionic liquid 특성 규명 Characterization
Bruker Avance-700 FT NMR 스펙트로포토미터를 이용해 1H 및 13C NMR 스펙트럼을 측정하였으며 용매로는 [D6]아세톤을 사용하였다. 화학 이동(chemical shift) 값은 TMS internal reference에 기반하여 ppm 단위로 보고되었다. 샘플의 질량은 Hewlett Packard 1100 Series, 매스 스펙트로포토미터, Agilent 1200 Series로 측정되었다. FT-IR spectra는 Thermo, Model: Nicolet 6700로 측정되었다. 성분 원소 분석 (C, H, N)은 Thermo Finnigan Flash EA-2000 Elemental Analyzer (EA)를 이용하였다. 이온성액체내 수분 함유량은 Karl-Fischer titration (Mitsubishi Chem., model CA-07)을 이용하였다. 실시예에 사용된 모든 염은 70-100℃, 진공 건조 하에서 약 24시간 건조 후 사용하였다. TGA 실험은 thermal analysis system (Mettler Toledo, Model: TGA/SDTA 85 1e)을 사용하여 수행되었다. 평균 시료의 중량은 약 5mg으로 이를 플라티늄 팬에 놓고 N2 흐름 조건에서 30℃에서 100℃까지 약 10℃/min의 승온 속도로 가열하였다. 각 액상 염들의 밀도는 25℃에서 1.0mL의 샘플을 각 3번씩 측정하였다. 점도 측정은 viscometer (Brookfield, model DV-III+) 모델을 이용해 측정하였으며 각 0.6ml의 샘플을 10, 20, 30℃에서 각각 측정하였다. 결과는 표 1에 있다. 1 H and 13 C NMR spectra were measured using a Bruker Avance-700 FT NMR spectrophotometer, and [D 6 ] acetone was used as the solvent. Chemical shift values were reported in ppm based on the TMS internal reference. The mass of the sample was measured with a Hewlett Packard 1100 Series, Mass Spectrophotometer, Agilent 1200 Series. FT-IR spectra were measured with Thermo, Model: Nicolet 6700. Component elemental analysis (C, H, N) was performed using the Thermo Finnigan Flash EA-2000 Elemental Analyzer (EA). The water content of the ionic liquid was Karl-Fischer titration (Mitsubishi Chem., Model CA-07). All salts used in the examples were used after drying for about 24 hours under 70-100 ° C., vacuum drying. TGA experiments were performed using a thermal analysis system (Mettler Toledo, Model: TGA / SDTA 85 1e). The average sample weighed about 5 mg and was placed in a platinum pan and heated at a rate of about 10 ° C./min from 30 ° C. to 100 ° C. under N 2 flow conditions. The density of each of the liquid salts was measured three times with 1.0 mL of sample each at 25 ° C. Viscosity measurements were performed using a viscometer (Brookfield, model DV-III +) model and each 0.6 ml sample was measured at 10, 20 and 30 ° C, respectively. The results are in Table 1.
[표 1][Table 1]
일반적으로 음이온이 동일할 때 이온성액체의 밀도는 양이온의 1-알킬(알킬에테르) 고리의 길이가 감소할수록 증가한다. [CmOnmim]+ 기반 이온성액체의 밀도는 이와 유사한 [Cmmim]+ 기반 이온성액체들보다 약간 더 높으며 예로, (C2O>C3), (C3O>C4)이다. 반면 양이온이 동일할 때, 밀도는 음이온의 크기에 비례하여 증가한다. 이온성액체들은 양이온과 음이온의 약간의 변형을 통해 원하는 특성으로의 변형이 가능함을 확인할 수 있었다. In general, when the anions are the same, the density of the ionic liquid increases as the length of the cation's 1-alkyl (alkylether) ring decreases. The density of [C m O n mim] + based ionic liquids is slightly higher than similar [C m mim] + based ionic liquids, for example (C 2 O> C 3 ), (C 3 O> C 4 )to be. On the other hand, when the cations are the same, the density increases in proportion to the size of the anion. The ionic liquids could be transformed into the desired properties through slight modifications of the cations and anions.
이온성액체의 점도는 음이온의 종류에 강하게 의존적이며, 수소 결합을 형성하려는 경향과 반데르발스 작용(분산, 반발 작용)에 의해 기본적으로 결정된다. 이미다졸륨 이온성액체의 경우 양이온의 알킬고리가 길수록 반데르발스 인력이 증가하여 높은 점도를 갖는 반면, 음이온의 전하 비편재화는 양이온의 수소 결합을 약화시킴에 따라 점도를 낮추는 경향을 보인다. 또한, 고른 전하 분포를 보이고 평평한 모양을 갖는 음이온의 경우(e.g., [F(HF)2.3]-, [N(CN)2]- 및 [C(CN)3]-)나 비균일한 모양의 음이온을 갖는 경우(e.g., [Al2Cl7], [(CF3SO2)(CF3CO)N]-, 및 [(CF3SO2)2N]-) 이온성액체의 밀도가 낮은 경향을 보이는 반면, 높은 대칭 구조(e.g., BF4 -, PF6 -, AsF6 -, SbF6 -, TaF6 -)를 갖는 경우 약한 조직화 능력에도 불구하고 높은 점도 혹은 높은 용융점을 갖는다. 이온성액체의 점도는 음이온에 의해 주로 결정되는 것을 증명한다. The viscosity of an ionic liquid is strongly dependent on the type of anion and is basically determined by the tendency to form hydrogen bonds and the van der Waals action (dispersion, repulsion action). In the case of imidazolium ionic liquids, the longer the alkyl ring of the cation, the higher the van der Waals attraction force, which has a high viscosity, whereas the charge delocalization of the anion tends to decrease the viscosity as it weakens the hydrogen bond of the cation. In the case of the anion having a flat shape shown an even charge distribution (eg, [F (HF) 2.3] -, [N (CN) 2] - , and [C (CN) 3] - ) and a non-uniform appearance of the Having an anion (eg, [Al 2 Cl 7 ], [(CF 3 SO 2 ) (CF 3 CO) N] - , And [(CF 3 SO 2) 2 N] -) , while showing the ionic liquid has a lower density trend of high symmetry (eg, BF 4 -, PF 6 -, AsF 6 -, SbF 6 -, TaF 6 - Have a high viscosity or high melting point despite the weak organizing ability. It is proved that the viscosity of the ionic liquid is mainly determined by the anion.
[DCA]- 음이온을 가진 이온성액체는 가장 낮은 점도를 보였고, [PF6]- 음이온을 포함한 이온성액체는 가장 높은 점도를 갖는 것을 확인하였다. 그러나 이온성액체의 양이온 또한 점도에 영향을 끼친다는 것을 증명하는 많은 연구가 많은 연구 그룹들에 의해 이미 수행되었다. 또한 에테르 기능성 이온성액체와 비교하여 알콜 기능성 그룹 이온성액체들의 점도가 더 낮은 것이 확인되었다. 에테르 기능기 이온성액체의 경우 보다 큰 알킬 그룹을 가지고 있는 이온성액체가 알킬 그룹 크기가 더 작은 경우보다 더 큰 점도를 갖는다. [CF3BF3] 음이온을 갖는 에테르 기능성 이온성액체의 경우 [C2F5BF3] 음이온을 갖는 경우보다 더 높은 점도를 갖는다. 이것은 이들 이온성액체가 [TfO]- 음이온을 갖는 시리즈보다 점도가 더 낮음을 시사한다. 이러한 결과는 음이온의 조직화 능뿐만이 아니라, 모양(대칭성)과 크기도 점도 결정에 영향을 미침을 나타내는 것이다.
It was confirmed that the ionic liquid containing the [DCA]-anion had the lowest viscosity, and the ionic liquid containing the [PF6]-anion had the highest viscosity. However, many studies have already been carried out by many research groups to prove that cations in ionic liquids also affect viscosity. It was also confirmed that the alcohol functional group ionic liquids had a lower viscosity as compared to the ether functional ionic liquids. In the case of ether functional ionic liquids, ionic liquids having larger alkyl groups have a higher viscosity than those with smaller alkyl group sizes. Ether functional ionic liquids having [CF 3 BF 3 ] anions have a higher viscosity than those having [C 2 F 5 BF 3 ] anions. This suggests that these ionic liquids have a lower viscosity than the series with [TfO]-anions. These results indicate that not only the anion's ability to organize but also its shape (symmetry) and size influence viscosity determination.
실시예Example 3 이산화탄소 등온 흡착 곡선 측정 및 기전 규명 3 Measurement of carbon dioxide isothermal adsorption curve and mechanism
등체적(isochoric) 포화 기술을 이용하여 이산화탄소의 등온 흡착 곡선을 각 30, 50℃에서 측정하였다. 측정 장치의 주요 부분으로는 가스 저장소, 온도 조절장치, 압력 게이지, 등체 셀, 진공 펌프, 자석 교반기 등이 있다. 실험 온도는 각 셀의 히팅자켓안에 있는 보정된 플라티늄 저항성 온도계로 측정되었으며 오차 범위는 ±0.1 ºC이었다. 실험 측정 압력의 오차는 ±0.001 bar이었다. 실험시 일반적으로 약 2ml 가량의 이온성액체를 등체적 셀(isochoric cell)에 주입 후 진공 펌프를 이용해 내부 공기를 제거한 후 가스 저장소에 있던 CO2를 주입 후 이온성액체를 교반해주었다. 이 시스템은 이후 약 2시간 가량 압력 변동이 없을 시 평형 상태에 도달한다고 가정한다. 셀의 무게는 전자저울(Sartorius BS224S)로 측정하였으며 ±0.0001 g의 오차 범위를 갖는다. 이온성액체의 이산화탄소 흡수능은 이 등체적 셀의 shifted quality에 의해 결정된다.The isothermal adsorption curves of carbon dioxide were measured at 30 and 50 ° C. using an isochoric saturation technique. The main part of the measuring device is a gas reservoir, a thermostat, a pressure gauge, an isothermal cell, a vacuum pump, a magnetic stirrer. The experimental temperature was measured with a calibrated platinum resistance thermometer in the heating jacket of each cell with an error range of ± 0.1 ºC. The error of the experimental measured pressure was ± 0.001 bar. Generally, about 2ml of ionic liquid was injected into an isochoric cell, and then the internal air was removed using a vacuum pump, and CO 2 was injected into the gas reservoir and the ionic liquid was stirred. The system then assumes that equilibrium is reached when there is no pressure change for about two hours. The weight of the cell was measured with an electronic balance (Sartorius BS224S) and had an error range of ± 0.0001 g. The carbon dioxide absorption capacity of the ionic liquid is determined by the shifted quality of this isotropic cell.
CO2 흡수 메커니즘은 CO2의 FTIR and 13C NMR 측정을 통해 조사되었다. 각 물질들의 특성화 분석 또한 같은 장치들이 사용되었다.
The CO 2 absorption mechanism was investigated by FTIR and 13 C NMR measurements of CO 2 . The same apparatus was also used to characterize each material.
결과는 도 1 및 2에 있다. 본원에서 합성된 이온성액체에 대한 CO2 흡착 등온 곡선(isotherm)을 상압, 30, 50℃ 조건에서 측정하였다. 본원에 따른 에테르 기능성 이온성액체가 상당히 높은 CO2 흡수능을 보였다. 이온성액체의 CO2 흡수 용량은 압력이 증가할수록, 온도가 감소할수록 증가한다. 실험 결과 이온성액체의 CO2 흡수 능력은 30℃에서 이온성액체 1몰당 약 0.9 mol CO2 까지 도달하였다. 서로 다른 음이온의 흡수능 실험에서는 BF4< DCA ~ PF6~TfO< Tf2N의 경향을 보였다. 플루오로알킬기를 갖는 음이온의 경우 가장 높은 CO2 흡수능을 보이는 것은 이미 보고된 결과와 일치하며, 플루오로알킬기가 양적으로 증가할 경우 CO2의 흡수능 또한 증가한다.
The results are in FIGS. 1 and 2. CO 2 adsorption isotherms for the ionic liquids synthesized herein were measured at atmospheric pressure, 30 and 50 ° C. Ether functional ionic liquids according to the present disclosure showed a significantly higher CO 2 absorption capacity. The CO 2 absorption capacity of the ionic liquid increases with increasing pressure and with decreasing temperature. As a result, the CO 2 absorption capacity of the ionic liquid reached about 0.9 mol CO 2 per mol of the ionic liquid at 30 ° C. Absorption capacity of different anions showed that BF 4 <DCA ~ PF 6 ~ TfO <Tf 2 N. In the case of anions with fluoroalkyl groups, the highest CO 2 absorption capacity is consistent with previously reported results, and if the fluoroalkyl group is increased in quantity, the CO 2 absorption capacity is also increased.
여러 종류의 이온성액체와 CO2 간의 상호 작용을 FT-IR을 이용해 조사하였으며 그 결과 에테르 기능성 이온성액체의 CO2 흡수는 화학적 반응임을 확인하였다. 이온성액체에 흡수된 CO2의 FT-IR 스펙트럼(도 3)은 카복실산의 (=C=Ostr)와 (-O-H in plane bend)에 해당하는 1700 cm-1 및 1405 cm-1 두개의 지점에서 새로운 피크를 보였다. 에테르기능성 이온성액체에 흡수된 CO2의 13C NMR 스펙트럼을 도 4에 나타내었다. 모든 이온성액체의 NMR 스펙트럼은 δ=200-210 ppm 부근에서 새로운 피크를 나타냈다. 이들 피크는 CO2 흡수 이후 형성된 카복실 그룹의 카보닐 카본 원자에 의해 생긴 것이다. 에테르기 산소 원자의 고립 전자쌍이 친핵적(nucleophilic)으로 CO2의 탄소 원자를 공격하여 카복실산을 형성하는 것을 확인하였다. 자세한 메커니즘을 도 5에 나타내었다. 이를 통해 하나의 카바메이트 형성을 위해 하나의 이온성액체만이 CO2와 반응하는 1:1 메커니즘이 지배적임을 확인할 수 있으며, 이는 종래의 하나의 카바메이트 형성을 위해 또 다른 이온성액체와 CO2가 추가적으로 반응하는 소위 1:2 메커니즘과 차별된다.The interaction between various ionic liquids and CO 2 was investigated using FT-IR. As a result, it was confirmed that the CO 2 absorption of ether functional ionic liquid was a chemical reaction. The FT-IR spectrum of CO 2 absorbed by the ionic liquid (FIG. 3) shows two points, 1700 cm -1 and 1405 cm -1 , corresponding to (= C = O str ) and (-OH in plane bend ) of the carboxylic acid. Showed a new peak. 13 C NMR spectrum of CO 2 absorbed by the ether functional ionic liquid is shown in FIG. 4. NMR spectra of all ionic liquids showed new peaks around δ = 200-210 ppm. These peaks are caused by the carbonyl carbon atoms of the carboxyl groups formed after the CO 2 uptake. It was confirmed that isolated electron pairs of ether group oxygen atoms nucleophilicly attacked carbon atoms of CO 2 to form carboxylic acids. The detailed mechanism is shown in FIG. This confirms that the 1: 1 mechanism in which only one ionic liquid reacts with CO 2 for the formation of one carbamate is dominant, which is another ionic liquid and CO 2 for the formation of one conventional carbamate. Is further distinguished from the so-called 1: 2 mechanism of reaction.
또한 30℃, 1.6bar 압력 조건에서의 최대 CO2 흡수능이 이온성액체 1몰당 0.9 mol CO2에 달하였다. 흡수능은 점도에 영향을 받으며, 온도가 증가할수록 이온성액체의 점도는 상당히 감소한다. 흡수 반응에서 관측된 또 한가지 중요한 현상은 액상의 점도가 수소 결합 네트워크의 형성에 의해 급격히 증가하였다는 것이다. 흡수 반응에서의 점도 인자는 수소 결합이 가능한 음이온 상의 수소 수를 줄이거나 특정 유기 용매 또는 물을 추가시킴으로써 확실히 조절 가능한데, 따라서 이를 통해 이온성액체의 원하는 흡수능 효과를 달성할 수 있다.
Also, the maximum CO 2 absorption capacity at 30 ° C. and 1.6 bar pressure reached 0.9 mol CO 2 per mol of the ionic liquid. Absorption capacity is affected by viscosity, and the viscosity of ionic liquid decreases considerably with increasing temperature. Another important phenomenon observed in the absorption reaction is that the viscosity of the liquid phase has increased dramatically by the formation of hydrogen bonding networks. The viscosity factor in the absorption reaction can be reliably controlled by reducing the number of hydrogens on the anion capable of hydrogen bonding or by adding a specific organic solvent or water, thereby achieving the desired absorbing effect of the ionic liquid.
실시예 4 이온성액체의 열적 안정성 및 재사용Example 4 Thermal Stability and Reuse of Ionic Liquids
에테르 기능성 이온성액체의 열적 안정성을 연구하기 위해 TGA를 이용해 질소 분위기(유량 20ml/min), 승온률 10℃/min 조건에서 테스트하였다. 100℃ 가량 까지의 실험 결과 눈에 띄는 질량 손실은 없었으며 이를 통해 30, 50℃ 가량의 실험 조건에서도 모든 이온성액체가 안정하다는 것을 확인하였다. 또한 CO2가 포화된 이온성액체를 재생시키기 위해 70℃로 가열하거나 20 Pa 이하로 압력 강하시켰으며 각각 10 사이클을 연속적으로 수행하였다. 그 결과를 도 6에 나타내었으며 이후에도 이온성액체의 CO2 흡수능에 특별한 변화가 없음을 확인하였다.
In order to study the thermal stability of the ether functional ionic liquid, it was tested in a nitrogen atmosphere (flow rate 20ml / min),
본원에서는 친수성이고 화학적/열적으로 안정한 [C3Omim][X] 시리즈를 합성하고 특성을 분석하였고, 이들의 CO2 흡수능을 측정하였다. CO2 흡수능은 상온 조건에서 1몰의 이온성액체당 0.9 mol CO2 에 달하였다. 가장 큰 CO2 흡수능을 보인 이온성액체는 [Tf2N] 음이온을 가진 것으로 다른 음이온들과 비교했을 때 Tf2N의 음이온의 플루오로알킬화의 크기가 가장 큰 것이 이유였다. 흡수 메커니즘은 FT-IR을 이용해 확인하였으며 그 결과 화학적 반응임을 증명하였다. 이온성액체에 흡수된 CO2는 가열 또는 압력스윙(pressure swing) 방법을 통해 손쉽게 탈착이 가능했으며 반복적인 이용이 가능하였다. 본원의 에테르 관능화된 이온성액체는 높은 이산화탄소 포집 능은 물론, 선택성, 열적 안정적, 오랜 사용 수명을 갖는 것으로, 인해 CO2 포집에 유용하게 사용될 수 있다.
Here we synthesized and characterized hydrophilic and chemically / thermally stable [C 3 Omim] [X] series and measured their CO 2 uptake. The CO 2 absorption capacity reached 0.9 mol CO 2 per mole of ionic liquid at room temperature. The ionic liquid exhibiting the greatest CO 2 absorption capacity has a [Tf 2 N] anion because the fluoroalkylation of the Tf 2 N anion is the largest in comparison with other anions. The absorption mechanism was confirmed using FT-IR and proved chemical reaction. The CO2 absorbed by the ionic liquid could be easily desorbed by heating or pressure swing and used repeatedly. The ether functionalized ionic liquids of the present application have a high carbon dioxide capture capacity, as well as selectivity, thermal stability, and a long service life, and thus may be usefully used for CO 2 capture.
Claims (8)
[화학식 1]
상기 식에서 X-는 [BF4]-, [PF6]-, [Tf2N]-, [TfO]-, 또는 [DCA]- 임.Ether functionalized imidazolium-based ionic liquid compound having carbon dioxide absorbing ability represented by Formula I:
[Formula 1]
Wherein X - is [BF 4 ] - , [PF 6 ] - , [Tf 2 N] - , [TfO] - , or [DCA] - .
상기 이산화탄소 흡수제에 흡수된 이산화탄소를 탈기시키는 단계를 포함하는 기체 혼합물로부터 이산화탄소를 분리하는 방법.Absorbing carbon dioxide from the gas mixture using the carbon dioxide absorbent according to claim 2; And
Degassing carbon dioxide absorbed by the carbon dioxide absorbent.
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Cited By (2)
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CN117101347A (en) * | 2023-08-15 | 2023-11-24 | 中国矿业大学 | For CO 2 Trapped ionic liquid-based phase change absorber |
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