KR20140010390A - Co2 포집을 위한 유용성을 갖는 탄소 열분해물 흡착제 및 그의 제조 방법과 사용 방법 - Google Patents

Co2 포집을 위한 유용성을 갖는 탄소 열분해물 흡착제 및 그의 제조 방법과 사용 방법 Download PDF

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제이 도널드 카루더스
에드워드 에이 스텀
샤운 엠 윌슨
조슈아 비 스위니
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Abstract

본 발명은 (a) 273°켈빈 온도 및 1바 압력에서 105 cc/그램 초과의 CO2 용량; (b) 7.0중량% 초과의 CO2 작업 용량; (c) 각각 10 내지 50 kJ/몰 범위의 CO2 흡착열 및 탈착열; 및 (d) 5 초과의 CO2/N2 헨리 법칙 분리 인자의 특성들을 갖는 입자형 탄소 열분해물 흡착제에 관한 것이다. 상기 탄소 열분해물 물질은 폴리비닐리덴 클로라이드계 중합체 또는 공중합체, 또는 다른 적합한 수지 물질로부터 형성되어, 예를 들어 화력 발전소로부터의 연도 가스 처리에서, 이산화탄소 포집 적용례에 유용한 흡착제를 제공한다.

Description

CO2 포집을 위한 유용성을 갖는 탄소 열분해물 흡착제 및 그의 제조 방법과 사용 방법{CARBON PYROLYZATE ADSORBENT HAVING UTILITY FOR CO2 CAPTURE AND METHODS OF MAKING AND USING THE SAME}
본 발명은, 예를 들어 화력 발전소로부터, 정유 공장 예열기로부터, 산업적 보일러 등으로부터 배출되는 CO2-함유 가스 스트림으로부터 이산화탄소 포집을 위해 유용한 탄소 열분해물 흡착제에 관한 것이다. 본 발명은 추가로 이러한 탄소 물질을 사용하는 CO2 포집 장치 및 탄소 열분해물 흡착제의 제조 및 사용 방법에 관한 것이다.
멜리사 에이. 페트루스카(Melissa A. Petruska), 제이. 도날드 캐루써(J. Donald Carruthers), 에드워드 에이 스텀(Edward A. Sturm), 사운 엠 윌슨(Shaun M. Wilson) 및 조슈아 비 스위니(Joshua B. Sweeney)의 이름으로, " CO2 포집을 위한 유용성을 갖는 탄소 열분해물 흡착제 및 그의 제조 방법과 사용 방법"을 제목으로, 2011년 1월 31일자로 출원된 미국 가특허출원 제 61/438,081 호를, 35 USC 119에 따라 우선권으로 주장한다. 미국 가특허출원 제 61/438,081 호의 개시내용은 그 전체가 모든 목적을 위해 본원에서 참고문헌으로 인용된다.
화석 연료를 연소하는 공급원으로부터 그린하우스 가스의 배출을 감소시키는 것에 대해 현재 계속적으로 많은 관심을 두고 있다. 예를 들어, 전형적인 크기의 단일의 석탄-연소 대규모의 상업적인 발전소는, 매년 3천3백만 톤의 CO2를 발생시킬 수 있다. 전세계 에너지 요구량의 80%는 현재 화석 연료의 연소를 통해 충족된다. 이것은, 대기 내 CO2의 수준을 증가시키고 기후 변화에 대한 그의 영향의 주요한 원인이다.
현재, CO2 및 다른 그린하우스 가스 배출의 제어에 대한 관심이 집중되고 있다. 전동식 운송수단의 사용이 CO2 배출의 제한 방법으로 제안되지만, 최근 보고서에서는 미국 및 영국에서의 이러한 운송수단의 사용은 전체적으로 영향력이 매우 미미한데, 그 이유는 원자력 발전이 전력의 60% 정도 기여하는 유럽(프랑스 및 독일)에서의 석탄 및 석유의 사용에 비해, 대부분의 발전이 석탄 및 석유 연소 발전소로부터 유래하기 때문이다.
따라서, 화석-연료 연소 발전소로부터의 CO2 배출을 제어할 필요가 긴급하게 있다.
환경적인 규제 및 환경에 대한 관심의 자극하에서, 배기 스트림 및 이를 발생시키는 산업적인 공정으로부터 이산화탄소의 포집 및 격리를 위해 다양한 방법이 제안되어 왔다.
발전소의 배기 스트림 및 CO2를 함유하는 다른 스트림으로부터 CO2를 제거하는 적절한 접근법에 대한 연구에서의 복잡한 인자들은, CO2 제거를 위해 사용된 물질 및 기법에 의해 수용해야만 하는 이러한 스트림 내 다른 성분들의 존재이다. 목적하는 CO2 종 이외에, CO2-함유 가스 스트림은 실질적인 양의 습기, 공기, 질소, 및 연소 공정 또는 첫번째 경우에서 이산화탄소를 발생시키는 다른 산업적인 공정으로부터 유발되는 다른 대량의 가스상 분자들을 함유할 수 있다. 따라서, CO2 제거 시스템은, 예를 들어 발전소 배기 스트림의 승온된 온도 특성에서, 이러한 성분들의 존재에 의해 부정적인 영향을 받지 않아야만 한다.
발전소로부터 CO2 배출의 제어를 위해 조사된 현재 접근법들은 (i) 극저온 기법, (ii) 아민계 흡착제, (iii) 희석 알칼리 접근법, 및 (iv) 냉각된 희석된 암모니아 흡착제를 포함하지만, 이러한 방법들은 충분히 에너지-집약적이고 비싸서, 이들의 산업적인 가능성은 전혀 확실하지 않다. 다공성 금속-유기 골조(Porous metal-organic framework; MOF) 물질 뿐만 아니라 제올라이트 물질도 연구되었지만 제올라이트 물질은 일반적으로 CO2 대비 H2O에 대한 그의 선택도로 인하여 CO2 포집에 대해 적합하지 않다. 단지 높은 작동 압력 또는 저온에서의 높은 CO2 용량을 나타내는 MOF 물질도 실행가능하지 않은데, 그 이유는 이러한 작업 조건과 관련된 가공의 부가적인 비용이 이러한 물질에 의해 보유되는 임의의 용량 이점을 추정할 수 있기 때문이다. 유사하게, CO2에 대한 높은 흡착열을 나타내는 MOF 물질은 비경제적이고 어려운 재생 조건(예를 들어, 과도하게 고온 또는 저압)을 요구한다. 불량한 열수 안정성 또는 높은 H2O 흡수를 나타내는 MOF 물질도 실행가능한 후보는 아니다.
따라서, 입증된, 허용가능한 CO2 포집 물질 및 방법이 부족하다. 따라서, CO2를 함유하는 연료 가스 스트림으로부터 CO2를 가역적으로 포집하기 위해서 경제적으로 및 효율적으로 사용될 수 있는 물질 및 방법에 대한 강력한 요구가 있어왔다.
본 발명은, 이산화탄소 포집에 유용한 탄소 열분해물 흡착제, 이러한 탄소 물질을 사용하는 CO2 포집 장치, 및 상기 탄소 열분해물 흡착제를 제조 및 사용하는 방법에 관한 것이다.
하나의 양태에서, 본 발명은 하기 특성을 갖는 탄소 흡착제에 관한 것이다:
(a) 273°켈빈 온도 및 1바 압력에서 105 cc/그램 초과의 CO2 용량;
(b) 7.0중량% 초과의 CO2 작업 용량;
(c) 각각 10 내지 50 kJ/몰 범위의 CO2 흡착열 및 탈착열; 및
(d) 5 초과의 CO2/N2 헨리 법칙 분리 인자.
또다른 양태에서, 본 발명은 CO2 포집을 위한 탄소 물질의 제조 방법에 관한 것으로서, 상기 방법은, 하기 특성을 갖는 탄소 열분해물 물질을 수득하기에 효율적인 조건하에서, 중합체 또는 공중합체 수지 물질을 열분해함을 포함한다:
(a) 273°켈빈 온도 및 1바 압력에서 105 cc/그램 초과의 CO2 용량;
(b) 7.0중량% 초과의 CO2 작업 용량;
(c) 각각 10 내지 50 kJ/몰 범위의 CO2 흡착열 및 탈착열; 및
(d) 5 초과의 CO2/N2 헨리 법칙 분리 인자.
추가의 양태에서, 본 발명은 CO2 포집 장치에 관한 것으로서, 상기 장치는, 탄소 열분해물 물질 위에 CO2 흡착에 영향을 미치는 조건하에서 CO2-함유 유체와 접촉하기 위해 배열된, 본 발명의 탄소 열분해물 물질을 포함하는, 장치에 관한 것이다.
추가의 양태에서, 본 발명은 CO2 포집 방법에 관한 것으로, 상기 방법은 탄소 열분해물 물질 위의 CO2의 흡착에 영향을 미치는 조건하에서, 본 발명의 탄소 열분해물 물질과 CO2-함유 유체를 접촉시킴을 포함한다.
본 발명의 다른 양태, 특징 및 실시양태는, 뒤이은 설명 및 첨부된 특허청구범위로부터 보다 충분히 명백할 것이다.
도 1은, 본 발명의 흡착제가 CO2-함유 가스의 가공 동안 CO2 포집을 위해 사용될 수 있는, 압력 스윙(swing) 흡착/온도 스윙 흡착 시스템의 개략도이다.
도 2는, 본 발명의 흡착제가 CO2-함유 가스의 가공 동안 CO2 포집을 위해 사용될 수 있는, 이동층 CO2 포집 시스템의 개략도이다.
도 3은, 본 발명의 탄소 흡착제가 CO2-함유 가스 혼합물로부터의 CO2 제거에 영향을 미칠 수 있도록 사용될 수 있는, 일체형 흡착-스트립퍼 반응기의 개략도이다.
도 4는, 본 발명의 탄소 흡착제의 경우, 분위기에서, CO2 분압의 함수로서, 흡착된 CO2(평방 센티미터/그램)의 그래프이다.
도 5는, 일련의 CO2-Ar 가스 혼합물의 경우, 온도의 함수로서, CO2의 열적 탈착을 도시한다.
도 6은 도 3에서 도시한 바와 같은 유형의 일체형 흡착-스트리퍼 반응기의 작동 중, 흡착제 및 스트리퍼 배출 가스 스트림 내 CO2의 농도의 그래프이다.
도 7은, 도 3에서 도시한 바와 같은 유형의 일체형 흡착-스트리퍼 반응기에서, 1000회 사이클 테스트 동안 CO2 생성물 가스의 CO2 순도 및 CO2 포집 효율의 그래프이다.
도 8은, CO2-함유 가스와의 임의의 접촉 이전, 및 CO2의 흡착/탈착의 1000회 사이클 이후에, 본 발명의 탄소 흡착제에 대한, CO2 분압(토르)의 함수로서, 탄소 흡착제의 그램 당 흡착된 CO2의 양(CO2의 밀리리터)의 양의 그래프이다.
본 발명은 탄소 흡착제에 관한 것이고, 보다 구체적으로는, 이산화탄소 포집을 위해 유용한 탄소 열분해물 흡착제, 및 이를 사용한 CO2 포집 장치, 뿐만 아니라 이러한 탄소 열분해물 흡착제의 제조 방법 및 사용 방법에 관한 것이다.
본 발명의 탄소 열분해물 흡착제는, 예를 들어 환경 또는 가스 스트림, 예를 들어 이산화탄소를 함유하는 연도 가스로부터, 이산화탄소의 선택적 흡착을 위해 유용하다.
탄소 열분해물 흡착제는 이산화탄소의 흡착 흡수 및 보유를 위해 매우 효율적인 것으로, 압력 스윙 및/또는 열 스윙 흡착/탈착 장치에서 수행될 수 있는 탈착 조건하에서, 예를 들어 (흡착 조건에 비해) 감소된 압력 및/또는 상승된 온도 조건 또는 예를 들어 증기, 질소, 아르곤 등과 같은 스트리핑 가스와 탄소 열분해물 흡착제의 접촉에 의해 이산화탄소를 용이하게 풀어주는 다공성 무정형 탄소를 포함한다.
탄소 흡착제는, 임의의 적절한 형태일 수 있지만, 바람직하게는 흡착제가 층으로, 예를 들어 CO2 포집을 실행하기 위해 CO2-함유 가스와 접촉하는 고정층 또는 유동층으로 제공되는 것인, CO2 포집 적용례를 위한 비드 또는 입자형 형태이다. 다르게는, 탄소 흡착제는 모놀리스 형태, 예를 들어 기하학적으로 규칙적 형태, 예를 들어 블록형, 벽돌형, 디스크 등일 수 있거나, 구조적으로 불규칙한 적절한 형태일 수 있는 충분한 크기의 일체형 고체 덩어리일 수 있다.
본원 및 첨부된 특허청구범위에서 사용될 때, 단수형은, 문맥상 뚜렷하게 다르게 지시하지 않은 한, 복수형 지시대상을 포함한다.
본원 및 첨부된 특허청구범위에서 사용될 때, "CO2 작업 용량"이란, 탄소 열분해물 물질의 CO2 작업 용량을, 탄소 열분해물 물질에 의해 303°켈빈의 저온에서 흡착된 CO2의 양과 이러한 탄소 열분해물 물질로부터 383°켈빈의 고온에서 흡착된 CO2의 양(두가지 양 모두 1기압 압력에서 측정됨) 사이의 차를 지칭한다.
그의 특징, 양태 및 실시양태와 관련하여 본원에서 다양하게 설명된 발명은, 특정 구현양태에서, 상기 특징, 양태 및 실시양태의 일부 또는 전부뿐만 아니라 상기 발명의 다양한 추가 이행을 구성하기 위해서 조립된 구성요소 및 성분을 포함하거나, 이들로 구성되거나, 이들로 필수적으로 구성될 수 있다. 상기 발명은, 다양한 교체 및 조합의 상기 특징, 양태 및 실시양태를 본 발명의 범주에 속하는 것으로 고려한다. 개시된 청구대상은, 따라서, 본 발명의 임의의 일부에 개시된 특징 및 특징들의 임의의 조합 또는 집합에 대해 본 발명의 전체 범주로 도시한, 이러한 구체적인 특징, 양태 및 실시양태의 임의의 조합 및 교체; 또는 이들 중 선택된 하나 또는 하나들을 포함하거나, 이들로 구성되거나, 이들로 필수적으로 구성된 것으로 구체화될 수 있다.
본 발명의 탄소 열분해물 흡착제는 CO2 포집 적용례에서의 사용을 위한 여러개의 엄격한 기준들을 충족시킨다. 이는, 주변 온도 및 압력에서의 높은 가역적 CO2 흡착능, 빠른 속도론, 심지어 높은 상대습도 및 포화 조건에서의 낮은 H2O 흡착능, H2O 및 N2 대비 CO2에 대한 높은 선택성, 보통 온도에서의 재생 준비를 위한 낮은 흡착열, 다수회의 흡착/재생 사이클 동안의 안정성, 높은 내마모성과 함께 우수한 열수 안정성, 높은 벌크 밀도 및 낮은 비용을 나타낸다.
본 발명의 탄소 열분해물 흡착제를 제조하기 위해 사용되는 출발 물질은, 예를 들어 천연 또는 합성 중합체 또는 공중합체, 또는 이후에 보다 충분히 기술되는 목적하는 특성들의 흡착제를 형성하는 열분해가능한 다른 열분해성 물질을 포함하는, 임의의 적절한 유형일 수 있다. 보다 구체적으로, 본 발명의 탄소 물질은, 다양한 공단량체를 함유하는 수지 출발 물질의 사용에 의해 실질적으로 변할 수 있거나, 선택적으로 다양한 첨가제를 사용하는 단독중합체에 의해 구성될 수 있어서, 공극 개질 처리, 활성화 등에 적용될 수 있는 상응하는 탄소 열분해물을 제공하여, 특정 CO2 포집 적용례에서 이산화탄소에 대한 적절한 선택도, 작업 용량, 및 담지 특성의 탄소 흡착제를 제공할 수 있다.
예를 들면, 탄소 흡착제는, 단독중합체 PVDC, 또는 PVDC-MA 공중합체, PVDC-폴리비닐 클로라이드(PVDC-PVC) 공중합체, 폴리포르포릴 알콜, 폴리아크릴로니트릴, 탄화시 탄소 물질 전반에 걸쳐서 분산된 종으로 남는 헤테로원자를 포함하는 중합체(예를 들어, 중합체 전구체, 예를 들어 폴리아크릴로니트릴 및 폴리비닐피리딘, 이들은 탄화시 탄소 매트릭스 전반에 걸쳐 산란된 질소 원자를 남겨, CO2 배위를 위한 부위로서 작용하여, 탄소 물질의 CO2 흡착능을 증가시킴), 또는 임의의 다른 적합한 중합체 또는 공중합체 조성물일 수 있으며, 여기서 공중합체 수지가 열분해 출발 물질로서 사용되는 경우, 공단량체 간의 비는 변할 수 있고, 가소화제, 흡착능-개선제, 금속, 강화 매체, 충전제, 열분해 제어제 등이 선택적으로 사용되어, 공극 구조, 용량, 표면적 및 물질 내 보다 큰 공동을 유발하는 입구의 크기를 제공할 수 있다. 이후의 양태에서, 공극 구조물 내의 공동을 연결하는 입구 또는 압축(constriction)은, CO2의 신속한 진입 및 떠남을 허용하여, 흡착 및 탈착 속도론을 개선하고 탄소 물질의 이러한 다공도로부터 원치않는 유체 종 및 입자들을 배출하는데 중요하다.
구체적인 실시양태에서, 상기 흡착제는, PVDC 단독중합체의 열분해물, PVDC 공중합체, 예를 들어 메틸 아크릴레이트(MA)와 같은 아크릴산 에스터의 공중합체의 열분해물이다. 예시적인 PVDC-MA 공중합체에서, PVDC-MA 물질 내 MA 공중합체의 농도는, 이러한 공중합체의 열분해에 의해 형성되는 열분해된 탄소 흡착제의 우수한 다공도, 공극 크기 분포 및 CO2 담지 용량에 상응하는 수준이다. 다양한 실시양태에서, PVDC-MA 공중합체의 중량 평균 분자량은 80,000 이상, 예를 들어 80,000 내지 100,000, 보다 바람직하게는 85,000 내지 96,000이다.
본 발명의 다양한 실시양태에서, 탄소 열분해물 흡착제는 적어도 하기 특성들을 가질 수 있다:
(a) 273°켈빈 온도 및 1바 압력에서 105 cc/그램 초과의 CO2 용량;
(b) 7.0중량% 초과의 CO2 작업 용량;
(c) 각각 10 내지 50 kJ/몰 범위의 CO2 흡착열 및 탈착열; 및
(d) 5 초과의 CO2/N2 헨리 법칙 분리 인자.
흡착제는, 전술한 것과 같은 특성과 일관되게 폭넓게 변할 수 있다. 구체적인 실시양태에서, 흡착제는 예를 들어 500㎛ 초과의 평균 입자 직경을 가질 수 있다. 구체적인 실시양태에서의 흡착제는, 10 내지 500㎛, 보다 바람직하게는 150 내지 500㎛의 범위의 직경의 입자를 포함한다. 다양한 실시양태 내 흡착제는, 200 내지 350㎛의 범위의 중간 입자 직경을 갖는 입자들을 포함한다. 또 다른 실시양태에서, 흡착제의 벌크 밀도는 0.55 g/mL 초과일 수 있다. 또 다른 실시양태에서, 흡착제는, 20 내지 30 kJ/몰의 범위인 CO2의 흡착열 및 탈착열에 의해 특징화된다.
본 발명의 넓은 범주에 속하는 탄소 열분해물 흡착제는, 구체적인 실시양태에서 하기 특성들 중 하나 이상 또는 전부를 가질 수 있다: 303°켈빈 및 40% 상대 습도에서 흡착제의 중량을 기준으로 5중량% 미만의 수 흡착능; 1nm 미만의 평균 공극 크기; 공극 체적 50% 이상이 0.35 내지 0.7nm의 공극 크기의 공극으로 구성된 다공도; 1nm 미만의 중간 공극 폭을 특징으로 하는 다공도; ASTM D5757의 절차에 의해 측정시 1중량% 미만의 소모율(attrition rate index); 800m2/그램 이상, 바람직하게는 900m2/그램 이상, 가장 바람직하게는 1000m2/그램 이상의 N2 BET 표면적; 및 예를 들어 0.3 내지 0.6mL/그램 범위의 0.2mL/그램 이상의 N2 미세공극 체적.
본 발명의 탄소 열분해물 흡착제는, 우수한 CO2 포집 회수율 및 CO2 포집 순도를 나타낸다. 예를 들어, 구체적인 실시양태 내 흡착제는, 15% CO2를 함유하고 수증기로 포화된 공기를 포함하는 모의된 연도 가스 조성물과 접촉시, 흡착제 층의 리터 당 상기 모의된 연도 가스 조성물의 100L/분의 부피 유량 및 383°켈빈에서, 90% 이상의 CO2 포집 회수율 및 90% 이상의 CO2 포집 순도를 특징으로 할 수 있다.
또다른 양태에서, 본 발명은, CO2 포집을 위한 탄소 물질의 제조 방법에 관한 것으로서, 이러한 방법은, 적어도 하기 특성들을 갖는 탄소 열분해물 물질을 수득하기에 효과적인 조건하에서 중합체 또는 공중합체 수지 물질을 열분해함을 포함한다:
(a) 273°켈빈 온도 및 1바 압력에서 105 cc/그램 초과의 CO2 용량;
(b) 7.0중량% 초과의 CO2 작업 용량;
(c) 각각 10 내지 50 kJ/몰 범위의 CO2 흡착열 및 탈착열; 및
(d) 5 초과의 CO2/N2 헨리 법칙 분리 인자.
앞의 논의와 일관성 있게, 이러한 열분해 작업을 위해 사용된 수지는, 열분해될 때 전술한 특징들을 나타내는 임의의 폭넓게 다양한 유형일 수 있다. 예를 들어, 상기 수지는 PVDC 단독중합체 또는 PVDC 공중합체, 예를 들어 아크릴산 에스터, 예를 들어 메틸 아크릴레이트의 공중합체를 포함할 수 있다. 하나의 실시양태에서, 상기 수지는 80,000 내지 100,000의 범위의 중량 평균 분자량을 갖는 PVDC-MA 공중합체를 포함한다.
전술한 탄소 열분해물 흡착제의 제조 방법에서 열분해는, 임의의 적합한 작업 조건하에서 수행될 수 있다. 탄소 열분해물은 400℃ 내지 1200℃의 범위의 온도에서의 열분해 및 선택적 활성화에 의해 형성될 수 있다. 하나의 실시양태에서, 상기 열분해는, 예를 들어 아르곤 또는 질소와 같은 불활성 분위기에서 600℃ 내지 900℃의 범위의 온도에서 수행된다. 이러한 열분해 이후에, 후속적으로 흡착제 생성물을 제조하기 위해서, 250℃ 초과의 온도에서 산화 분위기에 탄소 열분해물 물질을 노출시키는 것이 선택적으로 뒤따른다. 하나의 실시양태에서, 열분해 이후의 탄소 물질은, 250℃ 초과, 예를 들어 600 내지 1200℃의 범위의 온도에서, 예를 들어 이산화탄소, 산소 및/또는 증기를 포함하는 산화 분위기에 노출된다.
다양한 실시양태에서, 탄소 열분해물은, 0.55 그램/㎤ 이상의 벌크 밀도를 갖고, 또다른 실시양태에서, 탄소 열분해물의 벌크 밀도는 0.9g/㎤ 이상이다. 또다른 실시양태에서, 탄소 열분해물 흡착제의 벌크 밀도는 약 1.0 내지 약 2.2 그램/㎤이다.
본 발명의 추가 양태는, CO2 포집 장치에 관한 것으로, 상기 장치는, 탄소 열분해물 흡착제 위에 CO2를 흡착하는 조건하에서 CO2-함유 유체와 접촉하기 위해 정렬된, 다양하게 기술된 탄소 열분해물 흡착제를 포함한다. CO2 포집 장치는, 압력 스윙, 열 스윙 및/또는 진공 스윙 흡착 시스템을 포함할 수 있거나, 다르게는, 흡착제의 이동층이 CO2-함유 가스 혼합물, 예를 들어 화력-발전소 배출 혼합물과 접촉하여 상기 가스로부터 CO2를 제거하는, 이동층-접촉 시스템을 포함할 수 있다. 상기 장치는 유리하게는, 흡착제가 후속적인 흡착 과정을 위해 재생되도록, 이것이 CO2로 적어도 부분적으로 담지된 이후에 탄소 열분해물 흡착제를 재생하도록 개조된다.
본 발명의 또다른 추가의 양태는, CO2 포집 방법에 관한 것으로, 상기 방법은, 탄소 열분해물 흡착제 위에 CO2를 흡착시키는 조건하에서, 전술한 상이한 실시양태에서 다양하게 기술하는 바와 같은 탄소 열분해물 흡착제와 CO2-함유 유체를 접촉시킴을 포함한다. 이러한 방법은 적합하게는, 적어도 부분적으로 CO2로 담지된 이후에 탄소 열분해물 흡착제를 재생시킴을 포함한다.
탄소 열분해물의 형태는, PVDC-MA 수지 전구체 물질의 모양 또는 형태, 및 그의 모양 또는 구조, 및 후속적인 열분해 및 열분해 후 공정에 좌우될 것이다. 탄소 열분해물은 적절한 크기의 개별적인 수지 입자들로부터 형성되어, 활성화된 탄소 입자, 과립, 비드 등이 수득될 수 있다. 다른 실시양태에서의 전구체 물질은 용기에서 열분해되거나, 열분해물 물질에 일체형 특성을 부여하는 구조를 형성하여, 예를 들어 이것이 그의 목적하는 최종 용도를 위한 적절한 크기 및 모양 특성의 열분해된 모놀리스를 형성한다. 구체적인 예로서, 이러한 탄소 모놀리스는 원통형, 블록형, 벽돌형 또는 목적하는 크기 및 특성의 다른 구조적으로 규칙적 또는 불규칙한 모양의 형태일 수 있다.
또다른 실시양태에서, 탄소 열분해물 흡착제는 무정형 탄소 숯 물질의 모놀리스 디스크 형태이다. 일련의 이러한 열분해물 모놀리스는 직렬로 면 대 면으로 접촉하도록 적층되어, 연속적인 디스크 제품의 표면 위 및 다공도 내에서의 흡착을 위해 이산화탄소-함유 가스가 유동하는, 용기와 같은 케이싱 내에 보관되어 있을 수 있는 여러개의 디스크의 수직-직립형인 컬럼 구조물을 형성할 수 있다.
형태학적으로, 바람직한 폴리비닐리덴 클로라이드(PVDC) 출발 물질의 열분해는, 고도로 가교결합된 구조를 갖는 다공성 비-흑연화 탄소를 생성한다. 본 발명의 탄소 열분해물 흡착의 표면적은 전형적으로 800 m2/g 초과, 예를 들어 800 내지 1500m2/g이고, 거의 모든 다공도는 미세공극(공극의 직경이 2nm 미만)으로 발견된다. 결과적으로, 본 발명의 탄소 열분해물 흡착제는, 이러한 물질이 다량의 CO2를 저장하는 것을 가능하게 하는 크기 범위로 흡착능을 나타낸다.
본 발명의 탄소 열분해물 흡착제는, 높은 CO2 용량, 예를 들어 273° 켈빈 및 1기압 압력에서 측정시 120 초과 CO2 체적/탄소 열분해물 흡착제의 체적을 제공하고, PVDC 단독중합체 출발 물질로부터 형성된 탄소 열분해물 흡착제의 일부 실시양태는, 273° 켈빈 및 1기압 압력에서 130 V/V 초과의 CO2 용량을 나타낸다. 대표적인 제올라이트 이미다졸레이트 골격(ZIF) 물질인 ZIF-69의 보고된 용량 특성에 의해 입증되는 바와 같이, 다공도 흡착제의 경우 매우 현저한 이러한 수준은, 273° 켈빈 및 1기압 압력에서 측정시, 83 CO2 체적/탄소 물질 체적의 높은 CO2 용량을 갖는 것으로 확인되었다(문헌[Science 2008, 319, 939] 참조).
구체적인 실시양태에서, 탄소 열분해물 흡착제는, 본 발명의 탄소 열분해물 흡착제에 대해 본원에서 다양하게 기술한 특징들 중 임의의 하나 및/또는 하기 고 성능 특징들 중 하나 이상을 가질 수 있되, 본원에서 다양하게 기술된 이들 특징들의 모든 이러한 조합 및 교체는 본 발명의 구체적인 실시양태의 탄소 열분해물 흡착제에 대해 고려된다:
높은 CO2 용량: 탄소 열분해물 흡착제는 유리하게는 CO2 흡착에 대한 높은 용량(예를 들어, 1기압 압력에서 20중량% 이상의 CO2) 및 다른 연도 가스 성분들에 비해 CO2에 대한 우수한 선택도를 갖는다.
신속한 흡착 및 탈착 속도: CO2의 흡착은 유리하게는 매우 낮은 활성화 에너지(<5 kJ/몰)를 갖는 탄소 열분해물의 미세공극 상에서 발생하여, 흡착제의 신속한 순환을 가능하게 한다.
낮은 흡착열 및 탈착열: 비교적 낮은 흡착열 및 탈착열(25 내지 28 kJ/몰)은, 재생을 위해 낮은 열 요구량 및 낮은 냉각 요구사항을 갖는 CO2 포집 공정과 일치하는, 탄소 열분해물 흡착제에 의해 제공될 수 있다.
높은 열수 안정성: 탄소 열분해물 흡착제를 증기로 직접 가열하는 것이 CO2를 탈착시키기 위해 사용될 수 있다. 승온된 온도에서 재생된 탄소 열분해물 흡착제는, 흡착제 위에 흡착된 습기의 증발성 냉각에 의해 냉각될 수 있다. 직접적인 가열 및 냉각은, 가스 대 고체 열 교환기에 대한 요구를 제한하여, CO2 포집 공정을 간략화할 수 있다.
긴 수명을 위한 기계적 견고성: 탄소 열분해물 흡착제 수명은, 유리하게는, 1년 당 50,000회 흡착/탈착 사이클을 사용하는 CO2 포집 공정의 경우, 1년 보다 다소 길다.
흡착제 과립의 구 형태: 탄소 열분해물 흡착제는 유용하게는 구형 흡착제 과립(예를 들어, 직경 100 내지 300㎛)을 사용하여, 볼 베어링과 같이 사면상에서의 과립의 부드러운 유동을 허용한다. 이러한 자유-유동 액체형 특성은, 가스-고체 접촉 장치로서의 경제적인 구조적 팩킹의 사용 및 개조를 허용하여, CO2 포집 시스템의 단순하고 신뢰가능하고 효율적인 디자인을 제공한다.
작업 온도에서의 응집화에 대한 내성: 탄소 열분해물 흡착체 입자는 유리하게는 서로 들러붙지 않거나 100℃에서 소결되어, CO2 포집 적용례를 위한 흡착제의 용도에서 흡착제 과립의 응집화가 일어나기 쉽지 않다.
낮은 열 용량: 본 발명의 탄소 열분해물 흡착제는, 물에 비해 낮은 열 용량(예를 들어, 1 J/g/K)을 가질 수 있어서, 흡착제를 재생 온도까지 가열하기 위해서 필요한 열 에너지를 최소화한다.
높은 열 전도도: 본 발명의 탄소 열분해물 흡착제는, 적절한 값, 예를 들어 0.8 w/m-K의 열 전도도를 가져서, 흡착제 입자의 표면과 내부 사이에 신속한 열적 평형을 가능하게 한다.
소수성: 본 발명의 탄소 열분해물 흡착제는 본질적으로 소수성이어서, 이는 응결된 물과 흡착제 사이에 거의 상호작용이 발생하지 않음을 나타낸다. 이러한 흡착제로부터 응결수를 탈착하기 위해서 요구되는 열 에너지는, 분자체(제올라이트), 알루미나, 및 실리카에서 발견되는 것과 같은 옥사이드 표면으로부터 물을 증발시키기 위해 요구되는 것에 비해 상당히 낮다.
본 발명은, 273° 켈빈 및 1기압 압력에서 측정시, 100 이상의 CO2 체적/탄소 물질 체적의 CO2 용량을 갖는 탄소 열분해물 물질을 고려한다.
이러한 CO2 포집 적용례에 유용한 예시적인 탄소 열분해물 흡착제는, 예를 들어 1030 m2/그램의 표면적, 0.4 mL/g의 미세공극 체적, 0.68 g/mL의 벌크 체적, 22 Kpsi의 압축 강도, 0.01%/시간 미만의 소모율, 및 0.82 W/m-K의 열 전도도를 갖는다.
본 발명의 바람직한 탄소 흡착제는, 40체적% 초과의 미세공극을 갖고, 공극 내 상당한 공극 체적이 0.7nm 미만이다. 높은 미세공극 체적과 초미세공극의 선호의 이러한 조합은 낮은 분압에서의 CO2 흡수를 개선한다. 본 발명의 탄소 흡착제는 질소에 비해 CO2의 흡착에 대한 높은 선택도, 예를 들어 6.2 내지 7.5의 범위로, N2 대비 CO2에 대한 6 초과의 분리 인자를 갖는다. 이러한 탄소 흡착제의 투과성은 900 cc/psi/cm2/분 초과, 예를 들어 910 내지 1250 cc/psi/cm2/분의 범위일 수 있다.
본 발명의 탄소 흡착제에 의한 CO2 포집 이후에, 그 위에 흡착된 CO2를 갖는 흡착제는 탈착되어, 임의의 적절한 방식으로 후속적인 격리 또는 다른 배치를 위해서 CO2를 배출한다. 예를 들어, CO2-함유 흡착제는, 진공이 흡착제에 적용되어 CO2를 탈착시키는 진공 스윙 흡착(VSA) 공정에 의해 CO2를 탈착할 수 있다. 다르게는, CO2의 흡착이 보다 높은 압력 조건하에서 수행되고 CO2의 탈착이 보다 낮은 압력 조건 하에서 수행되는, 압력 스윙 흡착(PSA) 공정에 의해 수행될 수 있다. 추가의 대안으로서, 예를 들어 온도 스윙 흡착(PSA) 공정과 같은, 열-매개 탈착을 수행하도록, 열 주입에 의해 탈착될 수 있다. 전술한 탈착 양식 또는 이들 중 구체적인 것, 뿐만 아니라 임의의 다른 적합한 방식의 다양한 조합으로 탈착이 실행될 수도 있음이 인식될 것이다.
도면을 보면, 도 1은, 본 발명의 흡착제가 CO2-함유 가스의 가공 중 CO2 포집을 위해 사용될 수 있는, 압력 스윙 흡착/온도 스윙 흡착 시스템(100)의 개략도이다.
흡착 시스템(10)은 두개의 흡착기 용기(12 및 14)를 포함하고, 이들 각각은, 용기(14)의 부분적 단면도에서 도시한 바와 같이, 탄소 열분해물 흡착제(18)의 층을 함유한다. 흡착기 용기(12 및 14)는, 밸브가 있는 주입구 다기관(20)에 의해 서로 다기관화되어 있되, 여기서 상기 주입구 다기관(20)은 공급물 가스 도관(22), 및 퍼지 가스 배출 도관(24)을 포함하는데, 상기 퍼지 가스 배출 도관(24)은 흡착기 용기들 중 오프-스트림인 것을 통해 역류된 후, 퍼지 가스를 배출하기 위한 것이며, 여기서 다른 흡착기 용기는 이러한 가스로부터 CO2를 제거하기 위해 CO2 함유 공급물 가스를 가공한다.
흡착기 용기 중 온-스트림인 것을 통과한 후, CO2-결핍 가스는, 밸브가 있는 방출 다기관(26)으로 유동되고, 배출 라인(30)에서 상기 시스템으로부터 방출된다. 밸브가 있는 방출 다기관(26)은 퍼지 가스 공급물 라인(28)을 포함하고, 이를 통해 퍼지 가스가 개별적인 흡착기 용기 중 오프-스트림인 것을 통해 역류하기 위해 흡착기 용기 시스템에 도입되고 상기 시스템으로부터의 방출은 퍼지 가스 방출 라인(24)을 통한다.
주입구 및 배출구 다기관에서의 개별적인 밸브의 적절한 개방 및 밀폐에 의해서, CO2-함유 가스는 개별적인 흡착기 용기 중 온-스트림인 것에서 가공되며, 제 1 용기의 이러한 온-스트림 작업 동안, 다른 용기는, 활성 온-스트림 작업 동안 흡착기 내 탄소 열분해물 흡착제에 이미 흡착된 CO2를 제거하도록 재생된다. 이러한 방식으로, 개별적인 흡착기 용기 각각은 공정 사이클의 개별적인 분절에서, 주기적으로 번갈아서 온-스트림 및 오프-스트림 작업을 거친다.
도 1의 실시양태에서 흡착기 용기(12 및 14)에는 추가로, 임의의 적절한 유형일 수 있는 가열 구성요소(32 및 34)가 장착되어 있다. 예를 들어, 이러한 구성요소는 전기 저항 구성요소일 수 있고, 이는 사용 중 전기 에너지의 적절한 공급원과 결합되어, 이러한 가열 구성요소를 통한 전류가 승온된 온도까지 이들이 저항-가열되도록 한다. 이러한 가열 구성요소는 재생중인 용기 내 흡착제에 열을 전달하여, 상기 흡착제가 가열되어 흡착기 내 탄소 열분해물 흡착제로부터 CO2가 탈착되도록 한다. 탈착된 CO2는, 그다음 재생된 층 밖으로 유동하고 퍼지 가스 방출 라인(24)으로 방출된다.
다르게는, 가열 구성요소(32 및 34)는 열 교환 유체 경로일 수 있는데, 이를 통해 적절한 가열 유체가 통과하여, 해당 용기 내에서 열이 흡착제로 이동하여, 이전에 흡착된 CO2를 탈착시킨다. 이러한 열 스윙 작업 후, 흡착기를 통한 가열 유체의 유동은 중단되고, 그다음 냉각 유체가 상기 흡착기를 통과하여, 가열 단계 동안에 수득된 온도 미만으로 흡착제의 온도를 낮춰서, 이로써 흡착제가 CO2 함유 가스의 후속적인 연속적 공정을 위해 재생된다.
도 2는, 본 발명의 흡착제가 CO2-함유 가스의 공정 중 CO2 포집을 위해 사용될 수 있는, 이동층 CO2 포집 시스템(50)의 개략도이다.
이러한 이동층 시스템에서, 연도 가스 공급 라인(56)은 입자형 탄소 열분해물 흡착제를 상기 중력-공급 흡착기 용기(52)의 상단에 도입한다. 이러한 용기에서, 탄소 열분해물 흡착제(54)(도 2의 단면도에 도시됨)는, 라인(62)에서 흡착기 용기(52)에 도입된 CO2-함유 연도 가스와 접촉한다. 이러한 접촉 결과, 연도 가스 내 이산화탄소가 탄소 열분해물 흡착제(54)에 의해 흡착된다.
후속적으로, 중력 하에서 용기 내에서 CO2-보유 흡착제가 내려옴에 따라, 이러한 흡착제는 라인(64)에서 흡착기 용기(52)에 도입된 스팀과 접촉한다. 상기 스팀은, 흡착제가 스팀에 의해 가열되어 온도가 상승함에 따라 흡착제로부터 CO2를 스트리핑하여, 흡착제로부터 CO2를 탈착한다. 그다음, 탈착된 CO2를 수집하고 라인(66)에서 흡착기 용기(52)로부터 방출한다.
이러한 스팀 스트리핑 작업으로부터의 CO2-결핍 흡착제는 흡착기 용기(52)의 바닥으로 이동하고 배출구 라인(58)에서 이러한 용기로부터 호퍼(60)로 방출된다.
도 2의 흡착기 용기는, 용기 높이 대 용기 직경의 종횡비, 흡착기 용기와 가스 유동 연통되도록 결합된 다양한 도관의 방식 및 위치, 흡착제의 크기 및 특성, 상기 용기에 도입된 가스 스트림의 유체 특성, 및 개별적인 스트림들의 온도, 압력, 유속과 조성 등의 측면에서 실질적으로 변할 수 있음을 인식할 것이다.
따라서, 도 1 및 2에서 도시한 바와 같은 CO2 포집 장치의 공정 배열 및 사용 용기는 단지 예시적인 것이라는 점, 및 CO2 포집 장치에 사용되는 구체적인 성분, 시스템 및 공정 접근법은 작업을 위해 상당히 상이하게 구성되고 배열될 수 있다는 점을 인식할 것이다.
본 발명의 CO2-선택적 탄소 열분해물 흡착제는, 98%의 CO2 포집 효율 및 97% 초과의 순도로 생성물인 CO2 가스의 상응하는 생산 용량을 입증하였다. 일반적으로, 이러한 흡착제는, 전기를 발전시키기 위해 사용된 분상의 화력 발전소의 연도 가스로부터 90% 이상의 CO2의 포집을 가능하게 한다.
따라서, 본 발명은, 예를 들어, CO2를 함유하는 가스 혼합물로부터 CO2를 제거하기 위해서, CO2의 흡착에 유용하고, 이로부터 흡착된 CO2가 온도, 압력, 진공 및 농도 구배 탈착 양식 중 하나 이상에 의해 탈착가능한 탄소 흡착제를 고려할 수 있고, 여기서 탄소 흡착제는 하기 특성들 중 임의의 하나 또는 여러개에 의해 특징화되고, 여기서 이러한 특징 중 여러개가 적용가능한 경우, 이러한 여러개의 특징들은 서로 상호적으로 상용가능하다:
(a) 273°켈빈 온도 및 1바 압력에서 105 cc/그램 초과의 CO2 용량;
(b) 7.0중량% 초과의 CO2 작업 용량;
(c) 각각 10 내지 50 kJ/몰 범위의 CO2 흡착열 및 탈착열; 및
(d) 5 초과의 CO2/N2 헨리 법칙 분리 인자;
(e) 단독중합체 PVDC, PVDC-MA 공중합체, PVDC-폴리비닐 클로라이드(PVDC-PVC) 공중합체, 폴리푸르푸릴 알콜, 폴리아크릴로니트릴, 및 탄화시 탄소 물질 전반에 걸쳐서 분산된 종으로 잔류하는 헤테로원자-함유 중합체의 열분해물;
(f) 50㎛ 초과의 평균 입자 직경;
(g) 10 내지 500㎛의 입자 직경;
(h) 150 내지 500㎛의 입자 직경;
(i) 200 내지 350㎛의 중간 입자 직경;
(j) 0.55 g/mL 초과의 벌크 밀도;
(k) 각각 20 내지 30 kJ/몰 범위의 CO2 흡착열 및 탈착열;
(l) 303°켈빈 및 40% 상대 습도에서 흡착제의 중량을 기준으로 5중량% 미만의 수 흡착능;
(m) 1 nm 미만의 평균 공극 크기;
(n) 공극 체적의 50% 이상이 0.35 내지 0.7 nm의 공극 크기 범위인 공극으로 구성된 다공도;
(o) 1nm 미만의 중간 공극 폭을 특징으로 하는 다공도;
(p) ASTM D 5757의 절차에 의해 측정시 1중량%/시간 미만의 소모율;
(q) 800 ㎡/그램 이상의 N2 BET 표면적;
(r) 900 ㎡/그램 이상의 N2 BET 표면적;
(s) 1000 ㎡/그램 이상의 N2 BET 표면적;
(t) 0.2 mL/g 이상의 N2 미세공극 체적;
(u) 0.3 내지 0.6 mL/g의 범위의 N2 미세공극 체적;
(v) 15% CO2를 함유하고 수증기로 포화된 공기를 포함하는 모의된 연도 가스 조성물과 접촉시, 흡착제 층의 리터 당 상기 모의된 연도 가스 조성물의 100 L/분의 부피 유량 및 383°켈빈에서 측정시, 90% 이상의 CO2 포집 회수율 및 90% 이상의 CO2 포집 순도;
(w) 80,000 내지 100,000의 범위의 중량 평균 분자량을 갖는 단독중합체 PVDC, PVDC-MA 공중합체의 열분해물;
(x) 0.55 그램/㎤ 초과의 벌크 밀도;
(y) 0.9 그램/㎤ 초과의 벌크 밀도;
(z) 약 1.0 내지 약 2.2 그램/㎤의 벌크 밀도;
(aa) 과립 형태;
(ab) 비드형;
(ac) 모놀리스형;
(ad) 원통형;
(ae) 디스크형;
(af) 다공성 비-흑연화 탄소;
(ag) 2 ㎡/그램 범위의 N2 BET 표면적;
(ah) 실질적으로 모든 것이 직경 2nm 미만의 공극인 다공도;
(ai) 273° 켈빈 및 1 기압 압력에서 측정시, 120 초과의 CO2 체적/탄소 열분해물 흡착제 체적의 CO2 용량;
(aj) 273° 켈빈 및 1 기압 압력에서 측정시, 130 초과의 CO2 체적/탄소 열분해물 흡착제 체적의 CO2 용량;
(ak) 흡착제의 중량을 기준으로, 1기압 CO2에서 20중량% 이상의 CO2 용량;
(al) 5 kJ/몰 미만의 CO2 흡착 활성화 에너지;
(am) 각각 25 내지 28 kJ/몰 범위의 CO2 흡착열 및 탈착열;
(an) 스팀에 의해 흡착제로부터 탈착가능한 CO2;
(ao) CO2의 흡착 및 탈착에 대해 50,000 이상의 흡착/탈착 사이클의 흡착제 수명;
(ap) 구형 흡착제 과립 형태;
(aq) 직경 100 내지 300㎛인 구형 흡착제 과립 형태;
(ar) 응집불가능하거나 100℃에서 소결가능함;
(as) 소수성 특성;
(at) 273° 켈빈 및 1 기압 압력에서 측정시, 100 이상의 CO2 체적/탄소 물질 체적의 CO2 용량;
(au) 40체적% 초과의 미세공극;
(av) 0.7nm 미만의 공극이 공극 체적 중 50% 이상임;
(aw) N2 대비 CO2에 대한 분리 인자가 6 초과임;
(ax) N2 대비 CO2에 대한 분리 인자가 6.2 내지 7.5임
(ay) 900 cc/psi/cm2/분 초과의 CO2에 대한 투과성;
(az) 910 내지 1250 cc/psi/cm2/분 범위의 CO2에 대한 투과성; 및
(ca) 하강 반응기에서 시간 당 0.01중량% 미만의 소모율.
따라서, 본 발명은, 전술한 파라미터 (a) 내지 (ca)의 모든 가능한 교체를 고려한다.
다양한 실시양태에서, 본 발명의 탄소 흡착제는 하기에 의해 특징화된다:
(a) 273°켈빈 온도 및 1바 압력에서 105 cc/그램 초과의 CO2 용량;
(b) 7.0중량% 초과의 CO2 작업 용량;
(c) 각각 10 내지 50 kJ/몰 범위의 CO2 흡착열 및 탈착열;
(d) 5 초과의, CO2/N2 헨리 법칙 분리 인자; 및
전술한 파라미터 (e) 내지 (ca) 중 임의의 하나 이상.
본 발명의 탄소 열분해물 흡착제의 특징 및 장점은 비-제한적인 하기 실시예에 의해 보다 충분히 보여진다.
실시예 1
탄소 열분해물 흡착제의 과립들의 순환하는 낙하 스트림을 사용하여, CO2 포집 공정을 수행하여, 연도 가스의 도입 스트림을 분리하였다. 이러한 실시예에 사용된 탄소 열분해물 흡착제는 하기 특성들을 가졌다: 흡착제의 중량을 기준으로, 20중량%인, CO2의 1기압 압력에서 측정된 CO2 흡착능; 흡착제에 의한 CO2의 미세공극 흡착에 대한 5 kJ/몰 미만의 활성화 에너지; 각각 25 내지 28 kJ/몰 범위의 흡착열 및 탈착열; 높은 열수 안정성; 50,000 회 이상의 흡착/탈착 사이클에 걸친 기계적 안정성; 과립 직경 100 내지 300㎛인 탄소 열분해물 흡착제의 구형 과립 형태; 100℃ 온도에서의 응집화 내성; 1 J/g/K의 열 용량; 0.8 w/m-K의 열 전도도; 및 탄소 열분해물 물질의 소수성.
CO2 포집 공정에서의 연도 가스는, 응축 및 격리와 같은 배치를 위해 CO2의 90% 초과가 제거된 CO2-결핍 연도 가스 스트림, 및 CO2의 순수한 스트림으로 분리되었다.
CO2 포집 공정은, 도 3에서 개략적으로 도시한 배치를 갖는 일체형 흡착-스트리퍼 반응기를 사용하였다.
도 3에서 도시된 바와 같이, 흡착-스트리퍼 반응기(100)는 수직으로 신장된 구조를 갖고, 여기서 상기 반응기의 상부(102)는 흡착제 귀환 라인(104)으로부터 재순환된 탄소 열분해물 흡착제를 수용한다. 상기 반응기의 상부(102)는 화살표(106)로 개략적으로 표시한 통풍구, 및 CO2-고갈된 공기 방출 라인(108)을 갖는다.
도입된 탄소 열분해물 흡착제는 상부(102)로부터 흡착기 영역(110)을 가로질러 반응기 컬럼을 통해 하향으로 통과한다. 연도 가스는, 주입구(114)에서 연도 가스가 탄소 열분해물 흡착제와 접촉하여 방출 라인(108)으로 방출되는 CO2-결핍 공기를 수득하는, 흡착기 영역(110)을 가로질러 상향으로 유동하도록 연도 가스 도입 영역(112)으로 도입된다.
반응기(100)은 추가로 전이 영역(116), 및 흡착제로부터 탈착된 CO2를 배출구 라인(120)에서 방출하는 CO2 방출 영역(118)을 포함한다. CO2 탈착제는, 재생 영역(122)에서 탄소 열분해물 흡착제로부터 방출되는데, 상기 재생 영역(122)에는 라인(126)으로 도입된 스팀을 스팀 주입구 영역(124)까지 공급한다.
스팀 주입구 영역(124) 밑에, 상부의 하향 집중형 깔때기 영역, 중앙의 원통형 영역, 하부의 하향 확산 깔때기 영역을 포함하는 전이 영역(128)이 있다. 상기 전이 영역(128) 밑에, 탄소 열분해물 흡착제가 탈수되는 탈수 영역(130)이 있다. 탈수 영역(130)은 하부의 냉각부(132)와 연통되어 있다. 하부의 냉각부(132)는 주입구 라인(134)에서 도입되고 라인(136)에서 방출된 냉각수에 의해 냉각된다. 따라서, 탄소 열분해물 흡착제는 영역(130 및 132)에서 탈수되고 냉각되어, 반응기의 상부로의 재순환을 위해 흡착제 귀환 라인(104)으로 향한다.
이러한 반응기 디자인에 의해, 연속 공정으로 CO2가 간단하고 효율적으로 분리되고, 연도 가스로부터의 CO2의 포집은 거의 상온에서 수행되는데, 그 이유는 탄소 열분해물 흡착제의 과립이, 반응기의 흡착기 영역(110)에서의 상향 유동하는 연도 가스에 대해, 중력 역류 유동에 의해 반응기를 통해 하향으로 유동하기 때문이다. CO2-담지된 흡착제를, 반응기의 하부에서 낮은 압력(5 psig 미만)의 스팀과 접촉시켜, 약 100℃까지 가열시킴으로써, 흡착된 CO2를 스트리핑하여, 높은 순도의 회수된 CO2 스트림을 수득한다. 반응기의 상부로부터 바닥으로의 흡착제 과립의 하향 유동에 의해, 용이하게 입수가능한 구조적 팩킹 물질이 반응기에 사용될 수 있다. 흡착제로부터 CO2를 스트리핑하기 위해 사용된 저압 스팀은 화력 발전소에서 용이하게 유용가능하다.
도 3에 도시된 반응기의 작업에서, 약 15% CO2를 함유하는 연도 가스가 흡착기 영역(110)의 바닥에 공급되고, 흡착기의 상부에서 CO2를 스트리핑한 채, CO2-결핍 공기 방출 라인(108)으로 방출된다. 탄소 열분해물 흡착제가 흡착기 영역(110)을 통해 하향으로 이동함에 따라, 이것은 역류하는 CO2 및 적은 분획의, 질소, 산소 및 연도 가스의 다른 저급 성분들을 흡수한다.
흡착제가 전이 영역(116)을 통해 하향 이동함에 따라서, CO2의 분압은 증가하고 저급 가스의 분압은 감소한다. 이는, 흡착제가 보다 많은 CO2를 흡착하고 질소 및 산소를 탈착하여, 전이 영역의 바닥부에서, 흡착제가 순수한 CO2로 포화되게 한다.
스팀은 약 1바의 압력으로 스트리퍼에 도입된다. 상기 스팀은 흡착되어, 흡착제 온도를 상승시켜, CO2의 탈착을 유발한다. 상기 스팀은 또한 CO2의 분압을 감소시키고, CO2의 부가적인 제거를 개선하고, 생성된 탈착된 CO2가 상향 유동하여 스트리퍼를 빠져 나가서, 여기서 이것은 본질적으로 순수한 CO2의 생성물 스트림으로서 추출된다.
연도 가스 가공은 도 3에서 개략적으로 도시한 유형의 반응기에서 전술한 바와 같이 수행되었다. CO2를 위한 탄소 열분해물 흡착제의 흡착능은, 압력의 함수로서 등온 조건하에서 마이크로메리틱스(Micromeritics) ASAP 2020 시스템에서 체적 방법을 사용하여 측정하였다. 5℃에서 측정된 흡착 등온선은 도 4에 도시한다. 상기 흡착은, 흡착과 탈착 등온선 사이의 이력 현상의 부재로 나타나는 것과 같이 가역적이다. 많은 양(100 cc/g)의 흡착된 CO2는 상기 흡착제가 5℃에서 20중량%에 근접하는 높은 용량을 갖는 것을 나타냈다.
높은 CO2 용량은, 흡착제의 비교적 높은 표면적이 원인이었다. 탄소 열분해물 흡착제의 표면적은, 20℃에서 CO2 흡착 등온선으로부터 측정되었다. CO2 흡착 등온선의 더비닌-폴라니(Dubinin-Polanyi) 플롯으로부터, 상기 흡착제의 표면적은 1320　m2/g인 것으로 측정되었다. 이러한 측정된 표면적을 기초로 할 때, CO2의 단일층 도포율보다 많이 적은 양이, 흡착체 위에 20중량% CO2 담지에서조차 흡착제 표면에 존재하는 것으로 결론지어졌다.
CO2 흡착에 대한 습기의 영향은 비교적 적다. 고정층 흡착기 실험은, 다양한 수준의 상대 습도를 함유하는 공기-15% CO2를 사용하여 25℃에서 수행하였다. CO2 용량은 연도 가스 내 높은 수준의 습기에 의해 20% 미만까지 감소되었다(예를 들어, 80% 상대 습도).
CO2는, 이것이 가열됨에 따라 흡착제로부터 신속하게 탈착되되, 탈착 속도는 주로 가스 내 CO2의 분압 및 온도 상승에 의해 결정된다. CO2의 탈착은 열중량 분석(TGA)에 의해 특징화되되, 상기 흡착제는 먼저 30℃에서 각각의 CO2 분압에서 평형을 이루고, 그다음 아르곤 내에서 지적된 수준의 CO2를 함유하는 가스 스트림에서, 상기 온도를 단계별로 증가시킨다. CO2의 탈착으로 인한 질량 변화는, 온도 및 CO2 분압의 함수로서 측정되었다. 도 5는, 일련의 CO2-Ar 가스 혼합물에 대한 온도의 함수로서 CO2의 열적 탈착을 나타낸다. 질량 변화는 흡착제로부터의 CO2 탈착으로 인한 것이었다. 질량 변화는, 각각 온도가 상승하고 신속하게 정상 상태에 도달한 후, 매우 빨라지고, 이는 흡착제로부터의 CO2의 신속한 탈착을 나타낸다. 탈착의 정도는, CO2의 낮은 분압에 의해 용이해지지만, CO2는 100℃에서 순수한 CO2에서조차 탈착될 수 있다.
높은 기계적 강도 및 내소모성은, 고체 흡착제를 사용하는 임의의 CO2 포집 공정에서 중요한 속성이다. CO2 포집 공정에 사용된 흡착제 과립의 압축 강도는 18,000psi였고, 높은 다공성 흡착제에 대해 매우 높은 값이다. 낙하 과립 반응기에서 경험되는 조건하에서, 이러한 높은 강도의 탄소 흡착제 과립은 분해 저항성이 높다.
탄소 열분해물 흡착제 과립의 내소모성은, 유동층 반응기 촉매에 대해 고안된, ASTM D5757 에어 제트(jet) 테스트 절차를 사용하여 시험하였다. 테스트의 1시간 내지 5시간 사이의 중량 손실율로 정의되는 소모율은 단지 0.01중량%/시간 미만이었다. 이러한 낮은 값은, 탄소 열분해물 흡착제가 매우 단단하고 4%/시간의 소모율을 전형적으로 나타내는 FCC 촉매에 비해 보다 내소모성이었다. ASTM 테스트에서, 탄소 열분해물 흡착제 과립의 50gm의 배치를, 고속 에어 제트(약 500 m/초)로서 공기가 통과하는 3개의 0.038-cm-직경 구멍을 갖는 디스크의 상부에 원뿔형 용기 내부에 놓았다. 이러한 테스트에서 탄소 열분해물 흡착제 과립은 제트에 의해 가속화되고 서로 및 벽에 충돌하였다. 소모로 인하여 과립으로부터 분리된 임의의 고체 분말을 유동하는 공기로 수송하고, 포획된 분말은 필터에 수집하여 소모율을 계산하였다. 낙하 과립 반응기에서, 탄소 열분해물 흡착제의 소모는 따라서 극히 낮았다.
탄소 열분해물 흡착제 과립의 높은 내소모성은 또한 6-인치-직경 일체형 흡착기-스트리퍼 시스템에서 50시간 테스트에서도 증명되었다. CO2-결핍 흡착기 배기 공기에서 미세 입자는 미세 입자 필터에서 수집되었다. 미세물질의 질량은, 흡착제의 질량의 0.2%였고; 한 분획의 이러한 미세물질은 공급물 내에 존재하는 미세물질일 수도 있고 현탁되어 있다. 모든 수집된 미세물질이 소모에 의해 형성된 것으로 가정한다면, 그다음 흡착기-스트리퍼 시스템의 작동 수명은 3년 초과일 것이다. 그러나, 미세물질을 현미경으로 관찰하면, 95% 초과가 제조된 것과 같은 온전한 구형 과립이었다. 파손을 나타내는 어떠한 거친 표면도 용이하게 보이지 않았다. 따라서, 이러한 흡착기-스트리퍼 시스템 내 흡착제 작업 수명은 소모 효과에 의해 제한되지는 않는 것으로 결론내었다.
도 6은, 도 3에 도시된 것과 같은 일반적 구조를 갖는 2-인치(내부 직경) 반응기에서 전형적으로 작동하는 흡착기 및 스트리퍼에 놓인 가스의 조성을 도시한다. 반응기는, 1기압에서 주변 공기와 흡착된 15% CO2를 사용하여 작동하였다. 흡착제의 도입 이후에, 흡착기 배출구 내 CO2 농도는 14.5%로부터 0.3%로 신속하게 감소되었다. 이러한 감소는, 가스의 체적 유동의 변화를 고려한 후, 공급 가스로부터의 98% CO2 포집에 해당한다. 스트리퍼로부터의 CO2 풍부 스트림의 미량의 해당 조성을 도 6에 나타냈다. 스트리퍼에 스팀을 도입한 후, CO2는 흡착제로부터 탈착되었다. 스트리퍼 배출 가스 내 CO2 농도는 증가하고 약 1분 후에 90% 초과 값에 도달했다. 정상 상태 조건하에서, 여기서 달성된 CO2 순도는 97%였다.
장기간의 연구는 도 3에서 도시된 유형의 6인치(내부 직경)의 일체형 반응기에서 수행하였다. 일체형 반응기 시스템은 15% CO2를 함유하는 주변 공기를 사용하여 작동하였다. 이러한 상향 유동 가스 스트림은 흡착기 컬럼을 하향 유동하는 탄소 열분해물 흡착제 과립과 접촉하고 CO2는 탄소 열분해물 흡착제 위에 흡착되었다. 흡착제는 스트리퍼 영역(흡착기와 스트리퍼 영역 사이의 전이 영역을 가짐)까지 중력에 의해 하향으로 계속 유동하고, 상기 스트리퍼 영역에서 흡착제는 상기 스트리퍼까지 직접 유동하는 스팀에 의해 약 110℃까지 가열되었다. CO2는 흡착제로부터 탈착되고 스트리퍼 밖으로 유동되었다. 흡착제는 스트리퍼로부터 탈수기까지 하향 유동하고 상기 탈수기에서 흡착된 물은 상향 유동하는 공기의 스트림에 의해 제거되었다. 이러한 탈수 단계는 흡착제를 110℃로부터 60℃까지 냉각시켰다. 상업적인 수행에서, 발달된 습기를 응축시켜 물을 회수하였다. 추가로, 흡착제 냉각은, 컬럼의 바닥부에서 냉수가 코일을 통과하는 열 교환기에서 달성되었다. 30℃까지 냉각된 흡착제 과립은, 스크류 공급기를 사용하여 빼내고, 추가 CO2 흡착을 위해 흡착기 상부까지 공기압으로 올렸다. 따라서, 흡착제는, 흡착기 상부로의 흡착제의 귀환인 경우를 제외하면, 이러한 시스템에서 중력에 의해 하향 유동한다. 이러한 배열은 에너지 소모를 최소화하고 흡착제 과립의 소모를 감소 또는 배제한다.
상기 시스템은, 도 7의 데이타에 의해 나타내는 바와 같이, 1000회 사이클 테스트를 통해 임의의 유의적인 어려움 없이 작업할 수 있었다. 반응기의 성능은 작업 기간 동안 안정한 상태를 유지하였다. 흡착제의 냉각을 개선하기 위해 일체형 반응기 시스템을 최소한으로 개질한 이후에, 포집 효율 및 CO2 생성물 가스 순도는 각각 95 및 98%였다. 상기 시스템의 개시 및 상기 시스템의 폐쇄는 부드럽게 달성되었다. 흡착제 과립의 CO2 흡착 등온선은 새로운 탄소 열분해물 흡착제 과립 뿐만 아니라 1000 사이클 테스트 이후의 탄소 열분해물 흡착제 과립에 대해 측정하였다. 도 8에서 도시된 개별적인 흡착제 등온선은 거의 동일하며, 이는 탄소 열분해물 흡착제가 장기간 테스트 동안 열화되지 않음을 나타낸다.
따라서, 본 발명은 구체적인 양태, 특징 및 예시적인 실시양태를 참고로 하여 본원에서 설명하고 있지만, 이러한 양태, 특징 및 실시양태의 유용성은 이로서 제한되는 것이 아니며 오히려 본원의 기술 내용에 기초하여 본 발명의 분야의 숙련자들에게 제안될 수 있는 바와 같은 여러가지의 다른 변종, 변형 및 대안의 실시양태까지 연장 및 포괄하는 것으로 평가될 것이다. 따라서, 이후 주장된 발명은, 상기 발명의 진의 및 범주에서, 모든 이러한 변종, 변형 및 대안의 실시양태를 포함하는 것으로, 폭넓게 이해되고 해석되어야 한다.

Claims (36)

  1. (a) 273°켈빈(Kelvin) 온도 및 1바 압력에서 105 cc/그램 초과의 CO2 용량;
    (b) 7.0중량% 초과의 CO2 작업 용량;
    (c) 각각 10 내지 50 kJ/몰 범위의 CO2 흡착열 및 탈착열; 및
    (d) 5 초과의 CO2/N2 헨리 법칙 분리 인자(Henry's Law Separation Factor)
    의 특성들을 갖는 탄소 흡착제.
  2. 제 1 항에 있어서,
    50㎛ 초과의 평균 입자 직경을 갖는 탄소 흡착제.
  3. 제 1 항에 있어서,
    10 내지 500㎛의 범위의 직경의 입자를 포함하는 탄소 흡착제.
  4. 제 1 항에 있어서,
    150 내지 500㎛의 범위의 직경의 입자를 포함하는 탄소 흡착제.
  5. 제 1 항에 있어서,
    200 내지 350㎛의 범위의 중간(median) 입자 직경을 갖는 입자를 포함하는 탄소 흡착제.
  6. 제 1 항에 있어서,
    0.55 g/mL 초과의 벌크 밀도를 갖는 탄소 흡착제.
  7. 제 1 항에 있어서,
    303°켈빈 및 40% 상대 습도에서 흡착제의 중량을 기준으로 5중량% 미만의 수 흡착능을 갖는 탄소 흡착제.
  8. 제 1 항에 있어서,
    1nm 미만의 평균 공극 크기를 특징으로 하는 다공도(porosity)를 갖는 탄소 흡착제.
  9. 제 1 항에 있어서,
    흡착제의 공극 체적의 50% 이상이 0.35 내지 0.7nm의 공극 크기 범위의 공극으로 구성된 다공도를 갖는 탄소 흡착제.
  10. 제 1 항에 있어서,
    1nm 미만의 중간 공극 폭을 특징으로 하는 다공도를 갖는 탄소 흡착제.
  11. 제 1 항에 있어서,
    ASTM D5757의 절차에 의해 측정시 1중량%/hr 미만의 소모율(attrition rate index)을 갖는 탄소 흡착제.
  12. 제 1 항에 있어서,
    800m2 /그램 이상의 N2 BET 표면적을 갖는 탄소 흡착제.
  13. 제 1 항에 있어서,
    0.2mL/그램 이상의 N2 미세공극 체적을 갖는 탄소 흡착제.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 탄소 흡착제가 PVDC 단독중합체의 열분해물인, 탄소 흡착제.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 탄소 흡착제가 PVDC 공중합체의 열분해물인, 탄소 흡착제.
  16. 제 16 항에 있어서,
    상기 PVDC 공중합체가 아크릴산 에스터의 공중합체를 포함하는, 탄소 흡착제.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 아크릴산 에스터가 메틸 아크릴레이트를 포함하는, 탄소 흡착제.
  18. 제 1 항에 있어서,
    15% CO2를 함유하고 수증기로 포화된 공기를 포함하는 모의된 연도 가스(simulated flue gas) 조성물과 접촉시, 흡착제 층의 리터 당 상기 모의된 연도 가스 조성물의 100L/분의 부피 유량 및 383°켈빈에서, 90% 이상의 CO2 포집 회수율 및 90% 이상의 CO2 포집 순도를 특징으로 하는 탄소 흡착제.
  19. 제 1 항에 있어서,
    각각 10 내지 50 kJ/몰 범위의 CO2 흡착열 및 탈착열을 특징으로 하는 탄소 흡착제.
  20. 하기 특성들을 갖는 탄소 열분해물 물질을 수득하기에 효과적인 조건하에서, 중합체 또는 공중합체 수지 물질을 열분해함을 포함하는, CO2 포집을 위한 탄소 물질의 제조 방법:
    (a) 273°켈빈 온도 및 1바 압력에서 105 cc/그램 초과의 CO2 용량;
    (b) 7.0중량% 초과의 CO2 작업 용량;
    (c) 각각 10 내지 50 kJ/몰 범위의 CO2 흡착열 및 탈착열; 및
    (d) 5 초과의 CO2/N2 헨리 법칙 분리 인자.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 수지가 PVDC 단독중합체를 포함하는, 방법.
  22. 제 20 항에 있어서,
    상기 수지가 PVDC 공중합체를 포함하는, 방법.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 PVDC 공중합체가 아크릴산 에스터의 공중합체를 포함하는, 방법.
  24. 제 23 항에 있어서,
    상기 아크릴산 에스터가 메틸 아크릴레이트를 포함하는, 방법.
  25. 제 20 항에 있어서,
    상기 수지가 80,000 내지 100,000의 범위의 중량 평균 분자량을 갖는 PVDC-MA 공중합체를 포함하는, 방법.
  26. 제 20 항에 있어서,
    상기 열분해가 불활성 분위기에서 600℃ 내지 900℃ 범위의 온도에서 수행되는, 방법.
  27. 제 26 항에 있어서,
    후속적으로 상기 탄소 열분해물 물질을 250℃ 초과의 온도에서 산화 분위기에 노출시키는 방법.
  28. 탄소 열분해물 흡착제 위에 CO2를 흡착시키는 조건하에서 CO2-함유 유체를 접촉시키기 위해 배열된, 제 1 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 따른 탄소 흡착제를 포함하는, CO2 포집 장치.
  29. 제 28 항에 있어서,
    압력 스윙(swing) 흡착 시스템을 포함하는 CO2 포집 장치.
  30. 제 28 항에 있어서,
    열 스윙 흡착 시스템을 포함하는 CO2 포집 장치.
  31. 제 28 항에 있어서,
    진공 스윙 흡착 시스템을 포함하는 CO2 포집 장치.
  32. 제 28 항에 있어서,
    이동층 접촉 시스템을 포함하는 CO2 포집 장치.
  33. 제 28 항에 있어서,
    상기 장치가, CO2로 적어도 부분적으로 담지된 후에, 탄소 열분해물 흡착제를 재생시키도록 개조된, CO2 포집 장치.
  34. 탄소 열분해물 흡착제 위에 CO2를 흡착시키는 조건하에서 제 1 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 따른 탄소 흡착제와 CO2-함유 유체를 접촉시킴을 포함하는, CO2 포집 방법.
  35. 제 33 항에 있어서,
    탄소 열분해물 흡착제가 CO2로 적어도 부분적으로 담지된 이후에, 상기 탄소 열분해물 흡착제를 재생시킴을 추가로 포함하는, CO2 포집 방법.
  36. 제 1 항에 있어서,
    상기 흡착제가 하기 특성들로 구성된 군 중에서 선택된 하나 이상의 부가적인 상용성 특성들을 갖는, 탄소 흡착제:
    (e) 단독중합체 PVDC, PVDC-MA 공중합체, PVDC-폴리비닐 클로라이드(PVDC-PVC) 공중합체, 폴리푸르푸릴 알콜, 폴리아크릴로니트릴, 및 탄화시 탄소 물질 전반에 걸쳐서 분산된 종으로 잔류하는 헤테로원자-함유 중합체의 열분해물;
    (f) 50㎛ 초과의 평균 입자 직경;
    (g) 10 내지 500㎛의 입자 직경;
    (h) 150 내지 500㎛의 입자 직경;
    (i) 200 내지 350㎛의 중간 입자 직경;
    (j) 0.55 g/mL 초과의 벌크 밀도;
    (k) 각각 20 내지 30 kJ/몰 범위의 CO2 흡착열 및 탈착열;
    (l) 303°켈빈 및 40% 상대 습도에서 흡착제의 중량을 기준으로 5중량% 미만의 수 흡착능;
    (m) 1 nm 미만의 평균 공극 크기;
    (n) 흡착제의 공극 체적의 50% 이상이 0.35 내지 0.7 nm의 공극 크기 범위의 공극으로 구성된 다공도;
    (o) 1nm 미만의 중간 공극 폭을 특징으로 하는 다공도;
    (p) ASTM D 5757의 절차에 의해 측정시 1중량%/시간 미만의 소모율;
    (q) 800 ㎡/그램 이상의 N2 BET 표면적;
    (r) 900 ㎡/그램 이상의 N2 BET 표면적;
    (s) 1000 ㎡/그램 이상의 N2 BET 표면적;
    (t) 0.2 mL/g 이상의 N2 미세공극 체적;
    (u) 0.3 내지 0.6 mL/g의 범위의 N2 미세공극 체적;
    (v) 15% CO2를 함유하고 수증기로 포화된 공기를 포함하는 모의된 연도 가스 조성물과 접촉시, 흡착제 층의 리터 당 모의된 연도 가스 조성물의 100 L/분의 부피 유량 및 383°켈빈에서 측정시, 90% 이상의 CO2 포집 회수율 및 90% 이상의 CO2 포집 순도;
    (w) 80,000 내지 100,000의 범위의 중량 평균 분자량을 갖는 단독중합체 PVDC, PVDC-MA 공중합체의 열분해물;
    (x) 0.55 그램/㎤ 초과의 벌크 밀도;
    (y) 0.9 그램/㎤ 초과의 벌크 밀도;
    (z) 약 1.0 내지 약 2.2 그램/㎤의 벌크 밀도;
    (aa) 과립형;
    (ab) 비드형;
    (ac) 모놀리스(monolith)형;
    (ad) 원통형;
    (ae) 디스크형;
    (af) 다공성 비-흑연화 탄소;
    (ag) 2 ㎡/그램 범위의 N2 BET 표면적;
    (ah) 실질적으로 모두가 직경 2nm 미만의 공극인 다공도;
    (ai) 273° 켈빈 및 1 기압 압력에서 측정시, 120 초과의 CO2 체적/탄소 열분해물 흡착제 체적의 CO2 용량;
    (aj) 273° 켈빈 및 1 기압 압력에서 측정시, 130 초과의 CO2 체적/탄소 열분해물 흡착제 체적의 CO2 용량;
    (ak) 흡착제의 중량을 기준으로, 1기압 CO2에서 20중량% 이상의 CO2 용량;
    (al) 5 kJ/몰 미만의 CO2 흡착 활성화 에너지;
    (am) 각각 25 내지 28 kJ/몰 범위의 CO2 흡착열 및 탈착열;
    (an) 스팀에 의해 흡착제로부터 탈착가능한 CO2;
    (ao) CO2의 흡착 및 탈착에 대해 50,000 이상의 흡착/탈착 사이클의 흡착제 수명;
    (ap) 구형 흡착제 과립 형태;
    (aq) 직경 100 내지 300㎛의 구형 흡착제 과립 형태;
    (ar) 응집불가능하거나 100℃에서 소결가능함;
    (as) 소수성(hydrophobic) 특성;
    (at) 273° 켈빈 및 1 기압 압력에서 측정시, 100 이상의 CO2 체적/탄소 물질 체적의 CO2 용량;
    (au) 40체적% 초과의 미세공극;
    (av) 0.7nm 미만의 공극이 공극 체적 중 50% 이상임;
    (aw) N2 대비 CO2에 대한 분리 인자가 6 초과임;
    (ax) N2 대비 CO2에 대한 분리 인자가 6.2 내지 7.5임;
    (ay) 900 cc/psi/cm2/분 초과의 CO2에 대한 투과성(permeability);
    (az) 910 내지 1250 cc/psi/cm2/분 범위의 CO2에 대한 투과성; 및
    (ca) 하강 유동 반응기에서 시간 당 0.01중량% 미만의 소모율.
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