KR20210098749A - 가스 하이드레이트 형성촉진제 및 가스 하이드레이트를 이용한 이산화탄소 분리 방법 - Google Patents

가스 하이드레이트 형성촉진제 및 가스 하이드레이트를 이용한 이산화탄소 분리 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR20210098749A
KR20210098749A KR1020200012693A KR20200012693A KR20210098749A KR 20210098749 A KR20210098749 A KR 20210098749A KR 1020200012693 A KR1020200012693 A KR 1020200012693A KR 20200012693 A KR20200012693 A KR 20200012693A KR 20210098749 A KR20210098749 A KR 20210098749A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
gas hydrate
carbon dioxide
gas
hydrate
butanol
Prior art date
Application number
KR1020200012693A
Other languages
English (en)
Other versions
KR102400190B1 (ko
Inventor
박영준
이윤석
Original Assignee
광주과학기술원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 광주과학기술원 filed Critical 광주과학기술원
Priority to KR1020200012693A priority Critical patent/KR102400190B1/ko
Publication of KR20210098749A publication Critical patent/KR20210098749A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102400190B1 publication Critical patent/KR102400190B1/ko

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10L—FUELS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; NATURAL GAS; SYNTHETIC NATURAL GAS OBTAINED BY PROCESSES NOT COVERED BY SUBCLASSES C10G, C10K; LIQUEFIED PETROLEUM GAS; ADDING MATERIALS TO FUELS OR FIRES TO REDUCE SMOKE OR UNDESIRABLE DEPOSITS OR TO FACILITATE SOOT REMOVAL; FIRELIGHTERS
    • C10L3/00—Gaseous fuels; Natural gas; Synthetic natural gas obtained by processes not covered by subclass C10G, C10K; Liquefied petroleum gas
    • C10L3/06—Natural gas; Synthetic natural gas obtained by processes not covered by C10G, C10K3/02 or C10K3/04
    • C10L3/10—Working-up natural gas or synthetic natural gas
    • C10L3/108—Production of gas hydrates
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
    • C01B32/50—Carbon dioxide
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P20/00—Technologies relating to chemical industry
    • Y02P20/151—Reduction of greenhouse gas [GHG] emissions, e.g. CO2

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Treating Waste Gases (AREA)
  • Carbon And Carbon Compounds (AREA)
  • Gas Separation By Absorption (AREA)

Abstract

본 발명의 일실시예는 sH 가스 하이드레이트를 형성하기 위한 물질로서, 3,3-Dimethyl-1-butanol 물질을 포함하는 가스 하이드레이트 형성촉진제를 제공한다. 본 발명의 실시예에 따른 형성촉진제를 사용하여 sH 가스 하이드레이트를 형성함으로써, 석탁화력발전소의 연소 후에도 sH구조를 유지할 수 있게 되어 이산화탄소 포집 공정의 반복 시행이 가능하며, 질소 및 이산화탄소를 포함한 혼합기체에서 이산화탄소가 약 95%까지 포함되도록 포집할 수 있다.

Description

가스 하이드레이트 형성촉진제 및 가스 하이드레이트를 이용한 이산화탄소 분리 방법{A gas hydrate promoter and Method of carbon dioxide separation by using gas hydrate}
본 발명은 이산화탄소 분리 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 가스 하이드레이트를 이용한 이산화탄소 분리 방법에 관한 것이다.
화석 연료에 기반한 에너지 생산은 이산화탄소를 지속적으로 배출하며, 이렇게 배출된 이산화탄소는 지구 온난화 문제의 주범이 되고 있다. 이러한 문제점을 의식하여 화학발전소에서 배출되는 이산화탄소를 줄이는 데에 많은 연구가 있었고, 그 하나의 방법으로 가스 하이드레이트를 이용한 이산화탄소 포집 기술을 활용하고 있다.
가스 하이드레이트(gas hydrates)란 상대적으로 낮은 온도 및 높은 압력하에서 물이 만들어낸 3차원의 격자 구조에 저분자량 가스 분자가 물리적으로 포집되어 형성되는 결정체이다. 이렇게 가스 하이드레이트의 격자구조를 이루는 물을 주체(host), 동공에 채워지는 가스 혹은 액체화합물을 객체(guest)라 하며, 생성되는 하이드레이트의 구조는 일반적으로 객체 분자의 크기에 의해 결정된다.
물 분자들이 형성하는 기본구조 동공은 5가지로 분류되는데, 그 격자면을 구성하는 모양과 개수에 따라 512 (pentagonal dodecahedron), 51262(tetrakaidecahedron), 51264 (hexakaidecahedron), 51268 (icosahedron), 435663 (irregulardodecahedron) 등이 있다. Jeffrey에 의해 제안된 이 표기법은 512의 경우 5각형 면이 12개로 구성된 동공을 의미하며 51264는 5각형 면 12개와 6각형 면 4개로 구성된 동공을 의미한다. 기본구조동공을 적절한 갯수로 조합하면 단위구조 (unit cell)가 만들어진다.
도1은 하이드레이트의 세가지 구조의 모식도이다. 도1을 참조하면, 가스 하이드레이트의 단위구조는 구조-I(structure I, sI), 구조-II(structure II, sII) 및 구조-H(structure H, sH) 세가지로 분류되는데, 구조-I, 구조-II의 경우 일반적으로 분자들이 작은 동공보다는 큰 동공을 안정적으로 차지하고 작은 동공이 빈 상태로 안정화되는 반면, 구조-H는 큰 동공과 작은 동공이 모두 채워져야 해서 크기가 다른 2개의 객체 분자가 있어야 한다.
이러한 가스 하이드레이트 결정구조에 따라 포집되는 기체의 양, 형성 속도, 형성 조건 등의 특성이 달라지기 때문에 적용하고자 하는 기술에 적합한 결정 구조를 선택하는 것이 중요하다.
또한, 가스 하이드레이트 형성을 돕기 위해 형성 촉진제(promoter)을 이용하여 하이드레이트 형성 조건을 완화시킬 수 있는데 응용분야에 따라 적합한 형성 촉진제를 사용하는 것이 분리 기술 개발에 중요한 요소가 된다.
이렇게 기체 분자를 포집 및 분리할 수 있는 가스 하이드레이트 특성에 착안하여 화력발전소에서 발생되는 배기가스, 특히 이산화탄소와 질소가 혼합된 가스로부터 이산화탄소를 분리하는 기술의 연구가 필요하다.
대한민국 공개특허공보 제10-2019-0094906호
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 가스 하이드레이트 형성촉진제를 제공하는 것이다.
또한, 상기 형성촉진제를 사용하여 형성된 가스 하이드레이트를 이용한 이산화탄소 분리 방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시예는 sH 가스 하이드레이트를 형성하기 위한 물질로서, 3,3-Dimethyl-1-butanol 물질을 포함하는 가스 하이드레이트 형성촉진제를 제공한다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 3,3-Dimethyl-1-butanol은 상기 sH 가스 하이드레이트의 빈 동공에 이산화탄소가 포집되도록 열역학적 안정제 역할을 수행할 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 다른 실시예는 가스 하이드레이트를 이용한 이산화탄소 분리 방법을 제공한다.
본 발명의 실시예에 있어서, 가스 하이드레이트를 이용한 이산화탄소 분리 방법은, 물에 가스 하이드레이트 형성촉진제인 3,3-Dimethyl-1-butanol을 첨가하여 수용액을 형성하는 단계; 상기 수용액에 질소 및 이산화탄소를 포함하는 제1 혼합기체를 주입하는 단계; 상기 수용액 및 상기 제1 혼합기체를 반응시켜 sH 가스 하이드레이트를 형성하는 단계; 및 상기 sH 가스 하이드레이트를 해리시켜 질소 및 이산화탄소를 포함하는 제2 혼합기체를 수득하는 단계; 를 포함한다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 3,3-Dimethyl-1-butanol은 상기 물의 중량 대비 1mol% 내지 5mol%의 비율로 포함될 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 3,3-Dimethyl-1-butanol은 상기 sH 가스 하이드레이트의 빈 동공에 상기 이산화탄소가 포집되도록 열역학적 안정제 역할을 수행할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서상기 sH 가스 하이드레이트는 278K 이하의 온도 및 10MPa 이하의 압력에서 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 제2 혼합기체의 이산화탄소의 비율은 상기 제1 혼합기체의 이산화탄소 비율보다 높을 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 형성촉진제를 사용하여 sH 가스 하이드레이트를 형성함으로써, 석탄화력발전소의 연소 후에도 sH구조를 유지할 수 있게 되어 이산화탄소 포집 공정의 반복 시행이 가능하며, 질소 및 이산화탄소를 포함한 혼합기체에서 이산화탄소가 약 95%까지 포함되도록 포집할 수 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도1은 하이드레이트의 세가지 구조의 모식도이다.
도2는 본 발명의 일 실시예에 따른, 하이드레이트 형성촉진제인 3,3-Dimethyl-1-butanol 의 분자구조 이미지이다.
도3은 본 발명의 일 실시예에 따른, 가스 하이드레이트를 이용한 이산화탄소 분리 방법의 순서도이다.
도4는 본 발명의 일 실시예에 따른, 가스 하이드레이트를 이용한 이산화탄소 분리 방법의 모식도이다.
도5는 본 발명의 일 실시예에 따른, 가스 하이드레이트의 결정 형성 속도 그래프이다.
도6은 본 발명의 일 실시예에 따른, 가스 하이드레이트의 가스포집량 그래프이다.
도7은 본 발명의 일 실시예에 따른, 가스 하이드레이트의 가스 분리 선택도 그래프이다.
도8은 본 발명의 일 실시예에 따른, 가스 하이드레이트의 상평형도이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 본 명세서에서 사용한 용어에서 sH, sH구조, H구조, H-구조 및 구조H는 동일한 의미이다.
또한, 본 명세서에서 사용한 용어에서 3,3-Dimethyl-1-butanol 및 DMB는 동일한 의미이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가스 하이드레이트 형성촉진제를 설명한다.
도2는 본 발명의 일 실시예에 따른, 하이드레이트 형성촉진제인 3,3-Dimethyl-1-butanol 의 분자구조 이미지이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가스 하이드레이트 형성촉진제는, sH 가스 하이드레이트를 형성하기 위한 물질로서, 상기 도2의 3,3-Dimethyl-1-butanol(DMB)을 포함한다.
하이드레이트가 생성되려면 특정 온도 및 압력 등 일정 조건을 만족해야 하는데 하이드레이트 형성촉진제는 이러한 형성 조건을 완화시켜줄 수 있다.
예를 들어, 상기 DMB는 물과 질소 및 이산화탄소만으로 이루어진 기존의 가스 하이드레이트에 비하여 압력대비 높은 온도, 온도대비 낮은 압력에서 용이하게 가스 하이드레이트가 생성되도록 돕는다. 이는 상기 DMB가 가스 하이드레이트 내의 동공을 안정화시켜 질소 및 이산화탄소가 동공에 잘 채워지도록 유도하기 때문이다.
상기 DMB는 sH 가스 하이드레이트 형성제 및 열역학적 완화제로 사용되었으며, 상기 DMB 를 사용하여 형성된 sH 가스 하이드레이트는 석탄화력발전소의 연소 후에도 이산화탄소 분리 시에 sH구조를 유지할 수 있어, 분리 공정의 반복 시행이 가능하다.
가스 하이드레이트의 단위구조는 구조-I(sI), 구조-II(sII) 및 구조-H(sH) 세가지로 분류되는데(도1), sI, sII 의 경우 일반적으로 분자들이 작은 동공보다는 큰 동공을 안정적으로 차지하고 작은 동공이 빈 상태로 안정화된다. 반면, sH구조는 동공이 512(small) 435663(medium) 51268(large)의 3종류가 있고 큰 동공과 작은 동공이 모두 채워져야 해서 적어도 2개의 크기가 다른 객체 분자가 있어야 하며, 주로 작은 분자가 작은 동공을 채우고, 큰 분자가 큰 동공을 채워 안정화 된다.
본 발명에 적용되는 sH 하이드레이트는 일반적으로 다른 구조 대비 한번에 많은 양의 기체를 포집할 수 있고, 형성 조건이 비교적 완화되어 형성 시에 에너지가 적게 들기 때문에 혼합 가스 분리 공정에 적합하게 사용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가스 하이드레이트를 이용한 이산화탄소 분리 방법을 설명한다.
도3은 본 발명의 일 실시예에 따른, 가스 하이드레이트를 이용한 이산화탄소 분리 방법의 순서도이다.
도4는 본 발명의 일 실시예에 따른, 가스 하이드레이트를 이용한 이산화탄소 분리 방법의 모식도이다.
도3 및 도4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 하이드레이트를 이용한 이산화탄소 분리 방법은, 물에 가스 하이드레이트 형성촉진제인 3,3-Dimethyl-1-butanol을 첨가하여 수용액을 형성하는 단계(S100); 상기 수용액에 질소 및 이산화탄소를 포함하는 제1 혼합기체를 주입하는 단계(S200); 상기 수용액 및 상기 제1 혼합기체를 반응시켜 sH 가스 하이드레이트를 형성하는 단계(S300); 및 상기 sH 가스 하이드레이트를 해리시켜 질소 및 이산화탄소를 포함하는 제2 혼합기체를 수득하는 단계(S400); 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
먼저, 물에 하이드레이트 형성촉진제인 3,3-Dimethyl-1-butanol를 첨가하여 수용액을 형성한다(S100).
상기 3,3-Dimethyl-1-butanol은 상기 물의 중량 대비 1mol% 내지 5mol%의 비율로 포함될 수 있다. 바람직하게는, 상기 DMB는 2.9mol%로 포함될 수 있다.
상기 3,3-Dimethyl-1-butanol의 함량이 물의 중량 대비 1mol% 미만이면 첨가에 의한 충분한 하이드레이트 형성의 촉진효과를 기대할 수 없고, 5mol%를 초과하면 오히려 하이드레이트 형성의 촉진 효과가 저하될 수 있다.
다음으로, 상기 수용액에 질소 및 이산화탄소를 포함하는 제1 혼합기체를 주입한다(S200).
상기 물은 주체분자, 상기 질소 및 이산화탄소는 객체분자일 수 있다.
다음으로, 상기 수용액 및 상기 제1 혼합기체를 반응시켜 sH 가스 하이드레이트를 형성한다(S300).
하이드레이트는 일반적으로 비교적 낮은 온도, 높은 압력에서 형성된다. 그러므로, 가스 하이드레이트 형성 조건에 맞는 온도 및 압력이 형성되도록 해야 한다. 예를 들어, 상기 sH 가스 하이드레이트는 278K 이하의 온도 및 10MPa 이하의 압력에서 형성될 수 있다.
또한 상기 수용액과 상기 제1 혼합기체의 반응속도를 높이기 위해 교반할 수 있다.
상기 sH 하이드레이트는 한번에 많은 양의 기체를 포집할 수 있고 형성 조건이 비교적 완화된 특성을 갖는다.
상기 sH 하이드레이트가 형성될 때, 3,3-Dimethyl-1-butanol(DMB)은 상기 sH 가스 하이드레이트의 빈 동공에 상기 이산화탄소가 포집되도록 열역학적 안정제 역할을 수행할 수 있다.
또한, 상기 DMB는 가스 하이드레이트의 생성속도를 빠르게 하며, 동일한 압력 및 온도에서 보다 많은 부피의 가스를 가스 하이드레이트 내에 저장된 형태로 수득할 수 있도록 한다. 즉, 가스 하이드레이트 형성을 유도하는 온도 및 압력 조건 하에서 짧은 시간 내에 다량의 가스 하이드레이트를 생성하며, 동시에 한 분자의 가스 하이드레이트 당 높은 가스 포집량을 얻을 수 있다.
상기 sH 가스 하이드레이트가 형성되면서 상기 제1 혼합기체는 열역학적 안정성 차이를 통해 선택적으로 가스 하이드레이트 동공 내에 포집된다. 상기 sH 가스 하이드레이트의 동공에는 상기 질소, 상기 이산화탄소 및 상기 3,3-Dimethyl-1-butanol(DMB)가 포집되는데, 작은 동공(512)에는 주로 질소가, 중간 동공(435663)에는 주로 이산화 탄소가 포집될 수 있고, 큰 동공(51268)에는 DMB가 포집된다.
또한 생성된 상기 sH 가스 하이드레이트의 전체 동공에는 질소 보다 이산화탄소를 더 많이 포함하게 되는데, 이산화탄소가 질소보다 하이드레이트에 포집될 때 더 큰 열역학적 안정성을 갖기 때문이다.
다음으로, 상기 sH 가스 하이드레이트를 해리시켜 질소 및 이산화탄소를 포함하는 제2 혼합기체를 수득한다(S400).
해리시키기 이전에, 고체상의 결정인 sH 가스 하이드레이트와, 반응하지 않고 남은 제1 혼합기체를 분리한 후, sH 가스 하이드레이트를 해리시킨다.
상기 해리는 고체상의 결정인 가스 하이드레이트를 압력을 낮추거나 온도를 높여서 다시 수용액과 기체상으로 분리하는 것을 의미한다.
상기 해리 과정에 의해, 상기 sH 가스 하이드레이트 동공에 포집되어 있던 질소와 이산화탄소가 기체상으로 빠져나오게 되어 제2 혼합기체를 수득할 수 있다.
상기 제2 혼합기체는 상기 제1혼합기체와 같이 질소와 이산화탄소를 포함하며, 이산화탄소의 비율이 상기 제1 혼합기체의 이산화탄소 비율보다 높다.
상기 수용액에는 여전히 형성촉진제인 DMB가 남아있으며 공정이 반복되어도 계속 재사용된다.
상기 제2 혼합기체를 다시 수용액과 반응시켜 제2 가스 하이드레이트를 형성시키고, 상기 제2 가스 하이드레이트와 반응하지 않은 제2 혼합기체를 분리시킨 후 상기 제2 가스 하이드레이트를 다시 해리시키면, 상기 제2 혼합기체보다 이산화탄소의 비율이 더 높은 제3 혼합기체를 수득할 수 있다.
상기의 공정을 반복 시행하면 혼합기체에 포함되는 이산화탄소 농도가 95%가 될 때까지 분리 포집할 수 있으며, 석탄화력발전소의 연소 후에 이산화탄소 포집 공정에 활용할 수 있다.
제조예1
먼저, 물에 3,3-Dimethyl-1-butanol을 첨가한 후 질소기체 80% 및 이산화탄소 기체 20%를 혼합한 기체를 주입하였다. 다음으로, 276.3K, 8.006MPa 조건에서 sH 가스 하이드레이트를 제조하였다.
제조예2
먼저, 물에 3,3-Dimethyl-1-butanol을 첨가한 후 질소기체 50% 및 이산화탄소 기체 50%를 혼합한 기체를 주입하였다. 다음으로, 274.3K, 2.96MPa 조건에서 sH 가스 하이드레이트를 제조하였다.
제조예3
먼저, 물에 3,3-Dimethyl-1-butanol을 첨가한 후 질소기체 20% 및 이산화탄소 기체 80%를 혼합한 기체를 주입하였다. 다음으로, 271.9K, 1.20MPa 조건에서 sH 가스 하이드레이트를 제조하였다.
비교예1
먼저, 물에 3,3-Dimethyl-1-butanol을 첨가한 후 질소기체 80% 및 이산화탄소 기체 20%를 혼합한 기체를 주입하였다. 다음으로 278.3K, 10.91MPa 조건에서 sI 가스 하이드레이트를 제조하였다.
비교예2
먼저, 물에 3,3-Dimethyl-1-butanol을 첨가한 후 질소기체 50% 및 이산화탄소 기체 50%를 혼합한 기체를 주입하였다. 다음으로 276.3K, 4.22MPa 조건에서 sI 가스 하이드레이트를 제조하였다.
비교예3
먼저, 물에 3,3-Dimethyl-1-butanol을 첨가한 후 질소기체 20% 및 이산화탄소 기체 80%를 혼합한 기체를 주입하였다. 다음으로 273.9K, 1.87MPa 조건에서 sI 가스 하이드레이트를 제조하였다.
실험예
도5는 본 발명의 일 실시예에 따른, 가스 하이드레이트의 결정 형성 속도 그래프이다.
도5를 참조하면, 비교예에 비해 제조예의 형성 속도가 빠른 것을 확인할 수 있다.
도6은 본 발명의 일 실시예에 따른, 가스 하이드레이트의 가스포집량 그래프이다.
도6을 참조하면, 비교예에 비해 제조예의 가스포집량이 많은 것을 확인할 수 있다.
도7은 본 발명의 일 실시예에 따른, 가스 하이드레이트의 가스 분리 선택도 그래프이다.
도7을 참조하면, 비교예에 비해 제조예의 분리선택도가 높은 것을 확인할 수 있다.
도8는 본 발명의 일 실시예에 따른, 가스 하이드레이트의 상평형도이다.
도8를 참조하면, (a)는 비교예1 및 제조예1, (b)는 비교예2 및 제조예2 및 (c)는 비교예3 및 제조예3이며, 각각의 하이드레이트 형성 조건에 대해 확인할 수 있다.
(a)의 경우 3,3-Dimethyl-1-butanol 을 첨가한 sH 가스 하이드레이트 형성 조건은 276.3K, 8.006MPa이었고, sI 하이드레이트 형성 조건은 278.3K, 10.91MPa이었다.
(b)의 경우 3,3-Dimethyl-1-butanol 을 첨가한 sH 가스 하이드레이트 형성 조건은 274.3K, 2.96MPa이었고, sI 하이드레이트 형성 조건은 267.3K, 4.22MPa이었다.
(c)의 경우 3,3-Dimethyl-1-butanol 을 첨가한 sH 가스 하이드레이트 형성 조건은 271.9K, 1.20MPa이었고, sI 하이드레이트 형성 조건은 273.9K, 1.87MPa이었다.
상기 (a), (b) 및 (c) 에서 3,3-Dimethyl-1-butanol을 첨가 하여 sH 하이드레이트가 만들어지는 영역에서 형성한 제조예와, sI 하이드레이트가 만들어지는 영역에서 형성한 비교예의 효과 데이터를 비교하였을 때 제조예의 경우 비교예보다 빠른 가스 하이드레이트 결정 형성 속도, 높은 가스 포집량, 높은 분리선택도를 가짐을 확인할 수 있다. 또한, sH 하이드레이트가 만들어지는 영역에서의 낮아지는 압력 조건이 낮아지는 온도 조건보다 더 많이 낮아져서 sI 하이드레이트보다 열역학적으로 안정한 것을 알 수 있다. 따라서, 열역학적 안정성(비교적 적은 에너지로 형성)이 높고 동역학적 성능(형성 속도, 가스 포집량, 분리 선택도)가 우수한 sH 가스 하이드레이트 형성 조건이 중요하며, 이 조건은 상평형 측정을 통해 각 혼합가스 농도에 따른 구조 전이 선으로써 도8에 도시하였다. 그래서 상기 3,3-Dimethyl-1-butanol의 형성 촉진제를 이용하였을 때 상기 상평형 조건에서 이산화탄소 농도가 증가해도 sH 하이드레이트의 형성이 가능한 영역을 확인하였다는 데에도 의미가 있다.
본 발명의 실시예에 따른 형성촉진제를 사용하여 sH 가스 하이드레이트를 형성함으로써, 석탁화력발전소의 연소 후에도 sH구조를 유지할 수 있게 되어 이산화탄소 포집 공정의 반복 시행이 가능하며, 질소 및 이산화탄소를 포함한 혼합기체에서 이산화탄소가 약 95%까지 포함되도록 포집할 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (7)

  1. sH 가스 하이드레이트를 형성하기 위한 물질로서, 3,3-Dimethyl-1-butanol 물질을 포함하는 가스 하이드레이트 형성촉진제.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 3,3-Dimethyl-1-butanol은 상기 sH 가스 하이드레이트의 빈 동공에 이산화탄소가 포집되도록 열역학적 안정제 역할을 수행하는 것을 특징으로 하는 가스 하이드레이트 형성촉진제.
  3. 물에 가스 하이드레이트 형성촉진제인 3,3-Dimethyl-1-butanol을 첨가하여 수용액을 형성하는 단계;
    상기 수용액에 질소 및 이산화탄소를 포함하는 제1 혼합기체를 주입하는 단계;
    상기 수용액 및 상기 제1 혼합기체를 반응시켜 sH 가스 하이드레이트를 형성하는 단계; 및
    상기 sH 가스 하이드레이트를 해리시켜 질소 및 이산화탄소를 포함하는 제2 혼합기체를 수득하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 하이드레이트를 이용한 이산화탄소 분리 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 3,3-Dimethyl-1-butanol은 상기 물의 중량 대비 1mol% 내지 5mol%의 비율로 포함되는 것을 특징으로 하는 가스 하이드레이트를 이용한 이산화탄소 분리 방법.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 3,3-Dimethyl-1-butanol은 상기 sH 가스 하이드레이트의 빈 동공에 상기 이산화탄소가 포집되도록 열역학적 안정제 역할을 수행하는 것을 특징으로 하는 가스 하이드레이트를 이용한 이산화탄소 분리 방법.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 sH 가스 하이드레이트는 278K 이하의 온도 및 10MPa 이하의 압력에서 형성되는 것을 특징으로 하는 가스 하이드레이트를 이용한 이산화탄소 분리 방법.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 제2 혼합기체의 이산화탄소의 비율은 상기 제1 혼합기체의 이산화탄소 비율보다 높은 것을 특징으로 하는 가스 하이드레이트를 이용한 이산화탄소 분리 방법.
KR1020200012693A 2020-02-03 2020-02-03 가스 하이드레이트 형성촉진제 및 가스 하이드레이트를 이용한 이산화탄소 분리 방법 KR102400190B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020200012693A KR102400190B1 (ko) 2020-02-03 2020-02-03 가스 하이드레이트 형성촉진제 및 가스 하이드레이트를 이용한 이산화탄소 분리 방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020200012693A KR102400190B1 (ko) 2020-02-03 2020-02-03 가스 하이드레이트 형성촉진제 및 가스 하이드레이트를 이용한 이산화탄소 분리 방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20210098749A true KR20210098749A (ko) 2021-08-11
KR102400190B1 KR102400190B1 (ko) 2022-05-20

Family

ID=77313954

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020200012693A KR102400190B1 (ko) 2020-02-03 2020-02-03 가스 하이드레이트 형성촉진제 및 가스 하이드레이트를 이용한 이산화탄소 분리 방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102400190B1 (ko)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20010052288A1 (en) * 2000-06-08 2001-12-20 Huen Lee Method for separation of gas constituents employing hydrate promoter
JP2003342590A (ja) * 2002-05-29 2003-12-03 Toyo Eng Corp ガスハイドレートの製造方法
JP2011244728A (ja) * 2010-05-26 2011-12-08 Ihi Corp Ｃｏ２ハイドレートとその製造方法
KR20190094906A (ko) 2018-02-06 2019-08-14 광주과학기술원 천연가스 및 수소를 저장하는 하이드레이트 제조방법

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20010052288A1 (en) * 2000-06-08 2001-12-20 Huen Lee Method for separation of gas constituents employing hydrate promoter
KR100347092B1 (ko) * 2000-06-08 2002-07-31 한국과학기술원 하이드레이트 촉진제를 이용한 혼합가스의 분리방법
JP2003342590A (ja) * 2002-05-29 2003-12-03 Toyo Eng Corp ガスハイドレートの製造方法
JP2011244728A (ja) * 2010-05-26 2011-12-08 Ihi Corp Ｃｏ２ハイドレートとその製造方法
KR20190094906A (ko) 2018-02-06 2019-08-14 광주과학기술원 천연가스 및 수소를 저장하는 하이드레이트 제조방법

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
학술논문, LEE, Y., et. al, Chemical Engineering Journal, Volume 389, 2020, pp.1-8 (2019.12.09.) 1부.* *
학술논문, Moon, S., et. al, Chemical Engineering Journal, Volume 348, 2018, pp.583-591 (2018.04.22.) 2부.* *

Also Published As

Publication number Publication date
KR102400190B1 (ko) 2022-05-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Ma et al. Review of fundamental properties of CO2 hydrates and CO2 capture and separation using hydration method
US9397361B2 (en) Generating power from hydrocarbon deposits while capturing carbon dioxide
CN101946134B (zh) 太阳热能存储方法
CN102637886B (zh) 由碳氢化合物沉积物发电同时捕获二氧化碳
US6389820B1 (en) Surfactant process for promoting gas hydrate formation and application of the same
Reichle et al. Carbon sequestration research and development
Liao et al. Experimental and modeling study on phase equilibria of semiclathrate hydrates of tetra-n-butyl ammonium bromide+ CH4, CO2, N2, or gas mixtures
CN101946070B (zh) 太阳热能转换方法
JP2015081346A (ja) 二酸化炭素と空気との混合ガスを注入する方法を用いたガスハイドレートの生産方法
Zhou et al. Kinetic measurements on CO2 hydrate formation in the presence of tetra-n-butyl ammonium bromide
Burla et al. Enrichment of gas storage in clathrate hydrates by optimizing the molar liquid water–gas ratio
Castellani et al. Carbon dioxide capture using gas hydrate technology
KR102400190B1 (ko) 가스 하이드레이트 형성촉진제 및 가스 하이드레이트를 이용한 이산화탄소 분리 방법
Wang et al. High selectivity CO2 capture from biogas by hydration separation based on the kinetic difference in the presence of 1, 1-Dichloro-1-fluoroethane
Zhang et al. Cooperative effect of surfactant and porous media on CO2 hydrate formation and capacity of gas storage
Omran et al. Zeolitic ice: A route toward net zero emissions
Babu et al. Methane production from natural gas hydrates via carbon dioxide fixation
JPH03164419A (ja) 炭酸ガスの処理方法
CN105757450B (zh) 一种吸附-水合耦合气体储运新方法
KR20210085877A (ko) 하이드레이트의 선택적 포집에 의한 기체 분리 방법
JP2006249197A (ja) ハイドレートの貯蔵、輸送方法
KR102039986B1 (ko) 천연가스 및 수소를 저장하는 하이드레이트 제조방법
JP2015158424A (ja) トリチウム水の処分方法および処分施設
JP2023116419A (ja) 二酸化炭素分離方法、二酸化炭素貯蔵方法および二酸化炭素輸送方法
Hu et al. Technological assessment of CO2 capture and EOR/EGR/ECBM-based storage

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal
AMND Amendment
E601 Decision to refuse application
AMND Amendment
X701 Decision to grant (after re-examination)
GRNT Written decision to grant