KR20230114191A - Carbon dioxide absorbent containing phenolate-based ionic liquid and aliphatic alcohol and carbon dioxide separation method using same - Google Patents
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Abstract
본 개시는 콜린계 양이온 및 페놀레이트계 음이온을 포함하는 이온성 액체 및 지방족 알코올을 포함하는 이산화탄소 흡수제 및 이를 이용한 이산화탄소의 분리방법을 제공하는 것으로, 본 개시의 이산화탄소 흡수제는 열적으로, 화학적으로 안정하여 대기로 방출되는 부산물을 줄일 수 있어 환경친화적이며, 이를 이용한 이산화탄소 분리방법은 낮은 재생 에너지로 에너지 절감이 가능한 경제적인 방법이다.The present disclosure provides a carbon dioxide absorbent containing an ionic liquid containing a choline-based cation and a phenolate-based anion and an aliphatic alcohol, and a method for separating carbon dioxide using the same. The carbon dioxide absorbent of the present disclosure is thermally and chemically stable, It is environmentally friendly because it can reduce by-products emitted into the atmosphere, and the carbon dioxide separation method using this is an economical method that can save energy with low renewable energy.
Description
본 개시는 콜린계 양이온 및 페놀레이트계 음이온을 포함하는 이온성 액체 및 지방족 알코올을 포함하는 이산화탄소 흡수제에 관한 것이다.The present disclosure relates to a carbon dioxide absorbent including an ionic liquid including a choline-based cation and a phenolate-based anion and an aliphatic alcohol.
또한 본 개시는 상기 이산화탄소 흡수제를 이용하여 이산화탄소를 분리하는 방법에 관한 것이다.In addition, the present disclosure relates to a method for separating carbon dioxide using the carbon dioxide absorbent.
전세계적으로 경제 발전 및 산업화의 급속한 진행으로 인해 에너지의 주요 공급원인 화석연료의 사용량도 지속적으로 증가해 왔다. 특히 이산화탄소(Carbon Dioxide: CO2)는 화석연료를 연소시켜 에너지로 변화시키는 과정에서 형성되는 주요 온실가스 중 가장 큰 비중을 차지하고 있으며, 지구 온난화 문제와 밀접한 관계를 가지고 있다고 알려져 있다. 에너지 사용 증대 및 장기화로 인해 지구 온난화 문제가 심화되어 전 세계적인 관심이 집중되고 있으며, 이러한 문제를 해결하기 위해 이산화탄소 관련된 연구분야 또한 중요해졌다.BACKGROUND OF THE INVENTION Due to the rapid progress of economic development and industrialization worldwide, the consumption of fossil fuel, which is a major source of energy, has been continuously increasing. In particular, carbon dioxide (CO 2 ) accounts for the largest portion of the major greenhouse gases formed in the process of burning fossil fuels and converting them into energy, and is known to have a close relationship with global warming. Due to the increase and long-term use of energy, the global warming problem has been intensified and global attention has been focused. In order to solve this problem, the research field related to carbon dioxide has also become important.
화학공장, 발전소, 대형 보일러의 배기가스 및 천연가스로부터 이산화탄소를 분리하는 방법에는 흡수법, 흡착법, 분리막법, 심냉법 등이 사용되고 있다. 특히 배출되는 이산화탄소의 농도가 낮은 경우에는 흡수법 또는 흡착법이 많이 사용된다. 상기 흡수법 또는 흡착법은 흡수제나 흡착제에 잘 흡수 또는 흡착되는 일부 기체만 선택적으로 분리할 수 있어 공업적으로 많이 이용되고 있으나, 분리과정 중에 흡수제 및 흡착제가 화학적으로 변형되어 주기적 교체가 필요한 단점이 있다.As a method for separating carbon dioxide from exhaust gas and natural gas of chemical plants, power plants, and large boilers, absorption, adsorption, separation membrane, deep cooling, and the like are used. In particular, when the concentration of carbon dioxide emitted is low, an absorption method or an adsorption method is often used. The absorption method or adsorption method is widely used industrially because it can selectively separate only some gases that are well absorbed or adsorbed by the absorbent or adsorbent. However, the absorbent and adsorbent are chemically transformed during the separation process, so periodic replacement is required. .
고체 흡착제를 사용하는 경우에는 흡착제의 화학적 변형이 적어 흡착제 교체 주기가 긴 경우에 적용하는 것이 유리하며, 이에 반해 흡수법은 액체상 흡수제를 사용하므로 흡수제 교체가 용이한 장점이 있어 대량의 배기가스 정화나 기체 분리에 널리 활용되고 있으나 흡수제가 화학적으로 변형되는 단점이 있다.When using a solid adsorbent, it is advantageous to apply it when the adsorbent replacement cycle is long because the adsorbent has little chemical transformation. Although widely used for gas separation, there is a disadvantage that the absorbent is chemically modified.
이산화탄소 흡수제로는 일반적으로 모노에탄올아민(MEA), N-메틸디에탄올아민(NDEA), 디에탄올아민(DEA) 등의 아민류 수용액이 가장 널리 이용되고 있는데, 이는 약한 알칼리성인 아민 흡수제가 산성 기체인 이산화탄소와 화학 결합을 이루었다가 열을 가하면 결합이 깨지면서 이산화탄소는 탈기되어 회수하고 흡수제는 재생할 수 있기 때문이다.As carbon dioxide absorbents, aqueous solutions of amines such as monoethanolamine (MEA), N-methyldiethanolamine (NDEA), and diethanolamine (DEA) are generally most widely used. This is because, after forming a chemical bond with carbon dioxide, when heat is applied, the bond is broken, and carbon dioxide is degassed and recovered, and the absorbent can be regenerated.
그러나 아민류 수용액을 이용한 공정은 몇 가지 심각한 문제점을 지니고 있다. 특히 1차 아민류에 속하는 MEA의 경우 30 중량% 수용액으로 사용되는데 물의 높은 열용량(4.2 kJ/kg·K)으로 이산화탄소 흡수 후 탈착 과정에서 높은 재생 에너지가 필요한 단점이 있으며, 아민류 흡수제의 재생 단계에서 이산화탄소와 흡수제 간의 화학 결합을 끊기 위해 사용되는 높은 온도에 의한 아민의 비가역적 분해 문제, 흡수 가스 중에 포함된 SOx, NOx와 같은 불순물에 의한 아민의 분해 문제, 상기 아민의 비가역적 분해에 따른 흡수제의 성능 저하 및 흡수제 보충 문제, 아민 자체 또는 분해 생성물에 의한 흡수 장치의 부식 문제, 흡수제의 증기압에 의해 재생되는 기체 이산화탄소의 오염 문제 등이 단점으로 지적되고 있다.However, the process using an amine aqueous solution has some serious problems. In particular, MEA belonging to primary amines is used as a 30% by weight aqueous solution, but has the disadvantage of requiring high regeneration energy in the desorption process after absorbing carbon dioxide due to the high heat capacity of water (4.2 kJ/kg K). Irreversible decomposition of amine due to high temperature used to break the chemical bond between absorbent and absorbent, problem of decomposition of amine by impurities such as SOx and NOx contained in the absorption gas, performance of absorbent according to irreversible decomposition of the amine Problems of deterioration and replenishment of the absorbent, problems of corrosion of the absorber by amine itself or decomposition products, and problems of contamination of gaseous carbon dioxide regenerated by the vapor pressure of the absorbent have been pointed out as disadvantages.
이의 대안으로 제시된 것이 이온성 액체이다. 이온성 액체는 4차 암모늄(quaternary ammonium), 이미다졸륨(imidazolium), 피리디늄(pyridinium), 포스포늄(phosphonium) 이온 등과 같은 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 이온성 액체의 특징으로 인하여 "디자이너 용매 (designer solvent)"라고도 불리운다.An alternative to this is an ionic liquid. Ionic liquids contain large organic symmetric cations, such as quaternary ammonium, imidazolium, pyridinium, and phosphonium ions, and relatively asymmetric small sized [ Cl] - , [Br] - , [I] - , [BF 4 ] - , [PF 6 ] - , [Tf 2 N] - composed of inorganic substances such as or organic substances such as [RCO 2 ] - It is composed of negative ions. Due to the characteristics of ionic liquids that can be converted into various properties through infinite combinations of cations, anions, and functional groups, they are also called "designer solvents."
이미다졸륨 양이온과 [Cl]-, [BF4]-, [PF6]-, [CH3SO3]-, [CF3BF3]-, [C2F5BF3]- 음이온을 기반으로 하는 이온성 액체와 이를 이용한 합성에 관한 많은 연구가 수행되었으며, 불소가 포함된 이온성 액체의 경우 높은 CO2 흡수능을 기대할 수 있지만, 생분해가 어려워 환경적으로 유해하며 fluorinated 음이온들의 가격도 매우 비싸다.Based on imidazolium cations and [Cl] - , [BF 4 ] - , [PF 6 ] - , [CH 3 SO 3 ] - , [CF 3 BF 3 ] - , [C 2 F 5 BF 3 ] - anions In the case of ionic liquids containing fluorine, high CO 2 absorption capacity can be expected, but they are difficult to biodegrade, which is environmentally harmful, and the price of fluorinated anions is very expensive. .
따라서, 이산화탄소 분리에 최적의 특성을 지닌 액상 물질이며, 열적으로도 안정하여 대기 방출 가능성이 없고, 화학적으로 안정하여 분해 산물의 대기 방출을 줄일 수 있으며, 낮은 재생 에너지로 이산화탄소를 탈착시킬 수 있는 흡수제의 개발이 필요하다.Therefore, it is a liquid material with optimal properties for carbon dioxide separation, thermally stable with no possibility of atmospheric emission, chemically stable to reduce atmospheric emission of decomposition products, and an absorbent capable of desorbing carbon dioxide with low renewable energy. need to develop
본 개시의 목적은 열적 및 화학적으로 안정하여 공정에 적용시 분해 산물의 대기 방출을 줄일 수 있고, 낮은 재생 에너지로 이산화탄소를 탈착시킬 수 있는 경제적인 이산화탄소 흡수제를 제공하는 것이다.An object of the present disclosure is to provide an economical carbon dioxide absorbent that is thermally and chemically stable, can reduce atmospheric emission of decomposition products when applied to a process, and can desorb carbon dioxide with low renewable energy.
본 개시의 다른 목적은 이산화탄소의 흡수 후 고체의 생성이 없고 점도 증가 현상이 제어되어 배관의 폐색 현상이 없고 공정의 용이성이 우수한 이산화탄소 흡수제를 제공하는 것이다.Another object of the present disclosure is to provide a carbon dioxide absorbent that does not produce solids after absorbing carbon dioxide, does not clog pipes by controlling viscosity increase, and has excellent processability.
또한 본 개시의 다른 목적은 상기 이산화탄소 흡수제를 이용하여 친환경적이며, 경제적으로 이산화탄소를 분리하는 방법을 제공하는 것이다.Another object of the present disclosure is to provide an eco-friendly and economical method for separating carbon dioxide using the carbon dioxide absorbent.
본 개시는 콜린계 양이온 및 페놀레이트계 음이온을 포함하는 이온성 액체; 및 지방족 알코올;을 포함하는 이산화탄소 흡수제를 제공한다.The present disclosure relates to an ionic liquid comprising a choline-based cation and a phenolate-based anion; And aliphatic alcohol; it provides a carbon dioxide absorbent containing.
본 개시의 일 실시예에 따른 상기 이산화탄소 흡수제는 이온성 액체를 5 내지 70 중량%, 지방족 알코올은 30 내지 95 중량%로 포함할 수 있다.The carbon dioxide absorbent according to an embodiment of the present disclosure may include 5 to 70% by weight of the ionic liquid and 30 to 95% by weight of the aliphatic alcohol.
본 개시에 따른 상기 페놀레이트계 음이온은 하기 화학식 1 또는 2로 표시되는 화합물일 수 있다.The phenolate-based anion according to the present disclosure may be a compound represented by Formula 1 or 2 below.
[화학식 1][Formula 1]
[화학식 2][Formula 2]
[상기 화학식 1 및 2에서,[In Chemical Formulas 1 and 2,
R1 내지 R9는 각각 독립적으로 수소, 아미노, 카복사마이도, C1-C10알킬, C1-C10알킬카보닐, C1-C10알콕시 또는 C3-C8사이클로알킬이며;R 1 to R 9 are each independently hydrogen, amino, carboxamido, C1-C10 alkyl, C1-C10 alkylcarbonyl, C1-C10 alkoxy or C3-C8 cycloalkyl;
상기 아미노, 카복사마이도, 알킬, 알킬카보닐, 알콕시 및 사이클로알킬은 할로겐, 시아노, 아미노, 나이트로, C1-C10알킬, C1-C10알킬카보닐, C1-C10알콕시 및 C3-C8사이클로알킬에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 치환기로 치환될 수 있다.]Wherein amino, carboxamido, alkyl, alkylcarbonyl, alkoxy and cycloalkyl are halogen, cyano, amino, nitro, C1-C10 alkyl, C1-C10 alkylcarbonyl, C1-C10 alkoxy and C3-C8 cyclo It may be substituted with one or two or more substituents selected from alkyl.]
구체적으로 상기 R1 내지 R9는 각각 독립적으로 수소, 아미노, 카복사마이도, C1-C5알킬, C1-C5알킬카보닐 또는 C1-C5알콕시이며, 상기 아미노, 카복사마이도, 알킬, 알킬카보닐 및 알콕시는 할로겐, 시아노, 아미노, 나이트로, C1-C10알킬, C1-C10알킬카보닐, C1-C10알콕시 및 C3-C8사이클로알킬에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 치환기로 치환될 수 있다.Specifically, R 1 to R 9 are each independently hydrogen, amino, carboxamido, C1-C5alkyl, C1-C5alkylcarbonyl or C1-C5alkoxy, wherein amino, carboxamido, alkyl, alkyl Carbonyl and alkoxy may be substituted with one or more substituents selected from halogen, cyano, amino, nitro, C1-C10 alkyl, C1-C10 alkylcarbonyl, C1-C10 alkoxy and C3-C8 cycloalkyl. .
보다 상세하게 상기 R1 내지 R9는 각각 독립적으로 수소, 아미노 또는 카복사마이도이며, 단 적어도 하나는 아미노 또는 카복사마이도이고, 상기 아미노 또는 카복사마이도는 C1-C3알킬카보닐로 치환될 수 있다.More specifically, R 1 to R 9 are each independently hydrogen, amino or carboxamido, provided that at least one is amino or carboxamido, and the amino or carboxamido is C1-C3alkylcarbonyl can be substituted.
본 개시의 일 실시예에 따른 상기 지방족 알코올은 지방족 1가 알코올 또는 지방족 다가 알코올일 수 있으며, C2-C10지방족 알코올일 수 있고, 1기압에서 끓는점이 120 ℃ 이상일 수 있다.The aliphatic alcohol according to an embodiment of the present disclosure may be an aliphatic monohydric alcohol or an aliphatic polyhydric alcohol, may be a C2-C10 aliphatic alcohol, and may have a boiling point of 120° C. or higher at 1 atmospheric pressure.
또한 상기 지방족 알코올은 열용량이 4.0 kJ/kg·K 이하일 수 있다.In addition, the aliphatic alcohol may have a heat capacity of 4.0 kJ/kg·K or less.
본 개시의 일 실시예에 따른 이산화탄소 흡수제는 하기 식 1로 표시되는 이산화탄소 흡수 당량이 0.7 이상일 수 있다.The carbon dioxide absorbent according to an embodiment of the present disclosure may have a carbon dioxide absorption equivalent represented by Equation 1 below of 0.7 or more.
[식 1][Equation 1]
이산화탄소 흡수 당량 = (흡수된 이산화탄소 몰 수) / (흡수제 몰 수)Carbon dioxide absorption equivalent = (number of moles of carbon dioxide absorbed) / (number of moles of absorbent)
또한 본 개시는 상술한 바와 같은 이산화탄소 흡수제를 이용하는 이산화탄소 분리방법을 제공하며, 본 개시에 따른 이산화탄소 분리방법은 이산화탄소 흡수제를 이산화탄소를 포함하는 혼합물과 접촉시키는 제1단계; 및 상기 이산화탄소 흡수제를 열처리하여, 흡수제에 부착된 이산화탄소를 탈착시키는 제2단계;를 포함할 수 있다.In addition, the present disclosure provides a carbon dioxide separation method using the above-described carbon dioxide absorbent, and the carbon dioxide separation method according to the present disclosure includes a first step of contacting the carbon dioxide absorbent with a mixture containing carbon dioxide; and a second step of heat-treating the carbon dioxide absorbent to desorb carbon dioxide attached to the absorbent.
상기 이산화탄소 분리방법의 제1단계는 20 ℃ 내지 80 ℃ 조건에서 수행될 수 있고, 제2단계는 70 ℃ 내지 150 ℃ 조건에서 30 내지 250 분 동안 수행될 수 있으며, 상기 제1단계 및 제2단계를 단위 공정으로 하고, 상기 단위 공정을 2회 이상 반복하여 이산화탄소를 연속적으로 분리하는 방법일 수 있다.The first step of the carbon dioxide separation method may be performed at 20 ° C to 80 ° C, and the second step may be performed at 70 ° C to 150 ° C for 30 to 250 minutes. As a unit process, it may be a method of continuously separating carbon dioxide by repeating the unit process two or more times.
본 개시에 따른 이산화탄소 흡수제는 열적으로, 화학적으로 안정하여 공정에 적용시 분해 산물의 대기 방출을 줄일 수 있고, 낮은 재생 에너지로 이산화탄소를 탈착시킬 수 있어 매우 경제적이며, 이산화탄소의 흡수 후 고체의 생성이 없고 점도 증가 현상이 제어되어 산업적으로 용이하게 적용할 수 있다.The carbon dioxide absorbent according to the present disclosure is thermally and chemically stable, so when applied to a process, it is possible to reduce the emission of decomposition products into the atmosphere, and it is very economical because it can desorb carbon dioxide with low renewable energy, and it is very economical to generate solids after absorbing carbon dioxide. There is no viscosity increase phenomenon is controlled, so it can be easily applied industrially.
이하, 본 개시의 콜린계 양이온 및 페놀레이트계 음이온을 포함하는 이온성 액체; 및 지방족 알코올;을 포함하는 이산화탄소 흡수제 및 이를 이용하는 이산화탄소 분리방법에 대하여 상세히 설명한다.Hereinafter, an ionic liquid containing a choline-based cation and a phenolate-based anion of the present disclosure; And aliphatic alcohol; a carbon dioxide absorbent containing and a carbon dioxide separation method using the same will be described in detail.
본 개시에서 사용되는 단수 형태는 문맥에서 특별한 지시가 없는 한 복수 형태도 포함하는 것으로 의도할 수 있다.The singular form used in this disclosure may be intended to include the plural form as well, unless the context dictates otherwise.
본 개시에 기재된, "포함한다"는 "구비한다", "함유한다", "가진다" 또는 "특징으로 한다" 등의 표현과 등가의 의미를 가지는 개방형 기재이며, 추가로 열거되어 있지 않은 요소, 재료 또는 공정을 배제하지 않는다.As described in the present disclosure, “comprising” is an open-ended description having the same meaning as expressions such as “comprises”, “includes”, “has” or “characterized by”, and elements not additionally listed, No materials or processes are excluded.
본 개시에 기재된 "알킬"은 직쇄 또는 분쇄 형태를 모두 포함하며, 1 내지 20개의 탄소원자, 바람직하게 1 내지 10개의 탄소원자일 수 있다."Alkyl" as described in this disclosure includes both straight-chain and branched forms, and may be from 1 to 20 carbon atoms, preferably from 1 to 10 carbon atoms.
본 개시에 기재된 "할로겐" 및 "할로"는 플루오린, 클로린, 브로민 또는 아이오딘을 의미한다.“Halogen” and “halo” as used in this disclosure means fluorine, chlorine, bromine or iodine.
본 개시에 기재된 "알콕시"는 -OCH3, -OCH2CH3, -O(CH2)2CH3, -O(CH2)3CH3, -O(CH2)4CH3, -O(CH2)5CH3 및 이와 유사한 것을 포함하는 -O-(알킬)을 의미하며, 여기에서 알킬은 상기 정의된 것과 같다.“Alkoxy” as described in this disclosure means -OCH 3 , -OCH 2 CH 3 , -O(CH 2 ) 2 CH 3 , -O(CH 2 ) 3 CH 3 , -O(CH 2 ) 4 CH 3 , -O (CH 2 ) 5 CH 3 and the like; wherein alkyl is as defined above.
본 개시에 기재된 "알킬카보닐"은 -(C(=O)-알킬)을 의미할 수 있으며, 여기서 알킬은 상기에서 정의된 바와 같다. 또한, "알킬카보닐"은 C1-10 알킬을 함유하는 카보닐, 즉, -(C(=O)-C1-10알킬)을 의미할 수 있으며, 일례로서, 메틸카르보닐(아세틸, -(C(=O)CH3)), 에틸카르보닐, n-프로필카르보닐, 아이소-프로필카르보닐, n-부틸카르보닐, sec-부틸카르보닐, 아이소부틸카르보닐, tert-부틸카르보닐, n-옥틸카르보닐, 사이클로프로필카르보닐, 사이클로부틸카르보닐, 사이클로펜틸카르보닐, 또는 사이클로헥실카르보닐 등을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.As used herein, "alkylcarbonyl" may mean -(C(=0)-alkyl), where alkyl is as defined above. In addition, "alkylcarbonyl" may mean a carbonyl containing C1-10 alkyl, that is, -(C(=O)-C1-10 alkyl), and as an example, methylcarbonyl (acetyl, -( C(=O)CH 3 )), ethylcarbonyl, n-propylcarbonyl, iso-propylcarbonyl, n-butylcarbonyl, sec-butylcarbonyl, isobutylcarbonyl, tert-butylcarbonyl, n -octylcarbonyl, cyclopropylcarbonyl, cyclobutylcarbonyl, cyclopentylcarbonyl, or cyclohexylcarbonyl, etc. may be included, but is not limited thereto.
본 개시에 기재된 "나이트로"는 -NO2를 의미하고, "시아노"”는 -CN을 의미하며, "아미노"는 -NR2를 의미하고, "카복사마이도"는 -(C(=O)NR2)를 의미하며, 여기서 R은 수소 또는 하이드로카빌을 의미한다.As used in this disclosure, “nitro” means -NO 2 , “cyano”” means -CN, “amino” means -NR 2 , and “carboxamido” means -(C( =O)NR 2 ), where R means hydrogen or hydrocarbyl.
본 개시는 콜린계 양이온 및 페놀레이트계 음이온을 포함하는 이온성 액체; 및 지방족 알코올;을 포함하는 이산화탄소 흡수제를 제공하는 것으로, 본 개시의 이산화탄소 흡수제는 열적으로, 화학적으로 안정하여 공정에 적용시 분해 산물의 대기 방출을 줄일 수 있고, 낮은 재생 에너지로 이산화탄소를 탈착시킬 수 있어 매우 경제적이며, 이산화탄소의 흡수 후 고체의 생성이 없고 점도 증가 현상이 제어되어 산업적으로 용이하게 적용할 수 있다.The present disclosure relates to an ionic liquid comprising a choline-based cation and a phenolate-based anion; and an aliphatic alcohol. The carbon dioxide absorbent of the present disclosure is thermally and chemically stable, so that when applied to a process, emission of decomposition products into the atmosphere can be reduced, and carbon dioxide can be desorbed with low renewable energy. It is very economical and can be easily applied industrially because there is no generation of solids after absorption of carbon dioxide and the phenomenon of viscosity increase is controlled.
본 개시의 일 실시예에 따른 상기 이산화탄소 흡수제는 이온성 액체를 5 내지 70 중량%, 지방족 알코올은 30 내지 95 중량%로 포함할 수 있으며, 바람직하게 이온성 액체를 10 내지 50 중량%, 지방족 알코올은 50 내지 90 중량%로 포함할 수 있다.The carbon dioxide absorbent according to an embodiment of the present disclosure may include 5 to 70% by weight of the ionic liquid and 30 to 95% by weight of the aliphatic alcohol, preferably 10 to 50% by weight of the ionic liquid and 30 to 95% by weight of the aliphatic alcohol. Silver may be included in 50 to 90% by weight.
본 개시에 따른 상기 페놀레이트계 음이온은 하기 화학식 1 또는 2로 표시되는 화합물일 수 있다.The phenolate-based anion according to the present disclosure may be a compound represented by Formula 1 or 2 below.
[화학식 1][Formula 1]
[화학식 2][Formula 2]
[상기 화학식 1 및 2에서,[In Chemical Formulas 1 and 2,
R1 내지 R9는 각각 독립적으로 수소, 아미노, 카복사마이도, C1-C10알킬, C1-C10알킬카보닐, C1-C10알콕시 또는 C3-C8사이클로알킬이며;R 1 to R 9 are each independently hydrogen, amino, carboxamido, C1-C10 alkyl, C1-C10 alkylcarbonyl, C1-C10 alkoxy or C3-C8 cycloalkyl;
상기 아미노, 카복사마이도, 알킬, 알킬카보닐, 알콕시 및 사이클로알킬은 할로겐, 시아노, 아미노, 나이트로, C1-C10알킬, C1-C10알킬카보닐, C1-C10알콕시 및 C3-C8사이클로알킬에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 치환기로 치환될 수 있다.]Wherein amino, carboxamido, alkyl, alkylcarbonyl, alkoxy and cycloalkyl are halogen, cyano, amino, nitro, C1-C10 alkyl, C1-C10 alkylcarbonyl, C1-C10 alkoxy and C3-C8 cyclo It may be substituted with one or two or more substituents selected from alkyl.]
구체적으로 상기 R1 내지 R9는 각각 독립적으로 수소, 아미노, 카복사마이도, C1-C5알킬, C1-C5알킬카보닐 또는 C1-C5알콕시이며, 상기 아미노, 카복사마이도, 알킬, 알킬카보닐 및 알콕시는 할로겐, 시아노, 아미노, 나이트로, C1-C10알킬, C1-C10알킬카보닐, C1-C10알콕시 및 C3-C8사이클로알킬에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 치환기로 치환될 수 있다.Specifically, R 1 to R 9 are each independently hydrogen, amino, carboxamido, C1-C5alkyl, C1-C5alkylcarbonyl or C1-C5alkoxy, wherein amino, carboxamido, alkyl, alkyl Carbonyl and alkoxy may be substituted with one or more substituents selected from halogen, cyano, amino, nitro, C1-C10 alkyl, C1-C10 alkylcarbonyl, C1-C10 alkoxy and C3-C8 cycloalkyl. .
보다 구체적으로 상기 R1 내지 R9는 각각 독립적으로 수소, 아미노, 카복사마이도 또는 C1-C3알킬이며, 상기 아미노, 카복사마이도 및 알킬은 C1-C5알킬, C1-C5알킬카보닐 및 C1-C5알콕시에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 치환기로 치환될 수 있다.More specifically, R 1 to R 9 are each independently hydrogen, amino, carboxamido or C1-C3alkyl, wherein amino, carboxamido and alkyl are C1-C5alkyl, C1-C5alkylcarbonyl and It may be substituted with one or two or more substituents selected from C1-C5 alkoxy.
보다 상세하게 상기 R1 내지 R9는 각각 독립적으로 수소, 아미노 또는 카복사마이도이며, 단 적어도 하나는 아미노 또는 카복사마이도이고, 상기 아미노 또는 카복사마이도는 C1-C3알킬카보닐로 치환될 수 있다.More specifically, R 1 to R 9 are each independently hydrogen, amino or carboxamido, provided that at least one is amino or carboxamido, and the amino or carboxamido is C1-C3alkylcarbonyl can be substituted.
본 개시에 따른 페놀레이트계 음이온은 하기 화학식 3 또는 4로 표시되는 화합물일 수 있다.The phenolate-based anion according to the present disclosure may be a compound represented by Formula 3 or 4 below.
[화학식 3][Formula 3]
[화학식 4][Formula 4]
[상기 화학식 3 및 4에서,[In Chemical Formulas 3 and 4,
R11 및 R12는 각각 독립적으로 -NH2 또는 -NHCOCH3이다.]R 11 and R 12 are each independently -NH 2 or -NHCOCH 3 .]
본 개시의 일 실시예에 따른 상기 지방족 알코올은 지방족 1가 알코올 또는 지방족 다가 알코올일 수 있으며, 구체적으로 상기 지방족 다가 알코올은 하이드록시기를 2개 내지 6개, 상세하게 2개 내지 4개 갖는 것일 수 있다.The aliphatic alcohol according to an embodiment of the present disclosure may be an aliphatic monohydric alcohol or an aliphatic polyhydric alcohol, and specifically, the aliphatic polyhydric alcohol may have 2 to 6 hydroxyl groups, specifically 2 to 4 hydroxyl groups. there is.
본 개시의 일 실시에에 따른 상기 지방족 알코올은 C2-C10지방족 알코올일 수 있고, 예를 들면 포화 지방족 알코올, 불포화 지방족 알코올 또는 고리구조를 함유하는 알코올일 수 있다. C2-C10의 직쇄 알코올 또는 분지쇄 알코올일 수 있다. The aliphatic alcohol according to an embodiment of the present disclosure may be a C2-C10 aliphatic alcohol, and may be, for example, a saturated aliphatic alcohol, an unsaturated aliphatic alcohol, or an alcohol containing a cyclic structure. It may be a C2-C10 straight or branched chain alcohol.
구체적으로 상기 C2-C10지방족 알코올은 2-에틸헥산올, 2-메틸-1,3-프로판디올, 1,3-프로판디올, 2,2-디메틸-1,3-프로판디올, 1,4-부탄디올, 1,3-부탄디올, 1,2-부탄디올, 2,3-부탄디올, 피나콜, 에틸렌 글리콜, 프로필렌 글리콜, 디에틸렌 글리콜, 디프로필렌 글리콜, 트리에틸렌 글리콜, 테트라에틸렌글리콜, 3-메톡시-3-메틸-1-부탄올, 3-메톡시-1-부탄올, 1-메톡시-2-부탄올, 디에틸렌글리콜 모노에틸에테르, n-프로필 알코올, 이소프로필 알코올, 1-부탄올, 2-부탄올, 이소부틸 알코올, t-부틸 알코올, 2-펜탄올, t-펜틸 알코올, 1-헥산올, 알릴 알코올, 프로파질 알코올, 2-부테닐 알코올 및 3-부테닐 알코올로부터 선택되는 하나 또는 둘 이상일 수 있으나, 이제 한정되는 것은 아니다.Specifically, the C2-C10 aliphatic alcohol is 2-ethylhexanol, 2-methyl-1,3-propanediol, 1,3-propanediol, 2,2-dimethyl-1,3-propanediol, 1,4- Butanediol, 1,3-butanediol, 1,2-butanediol, 2,3-butanediol, pinacol, ethylene glycol, propylene glycol, diethylene glycol, dipropylene glycol, triethylene glycol, tetraethylene glycol, 3-methoxy- 3-methyl-1-butanol, 3-methoxy-1-butanol, 1-methoxy-2-butanol, diethylene glycol monoethyl ether, n-propyl alcohol, isopropyl alcohol, 1-butanol, 2-butanol, may be one or more selected from isobutyl alcohol, t-butyl alcohol, 2-pentanol, t-pentyl alcohol, 1-hexanol, allyl alcohol, propargyl alcohol, 2-butenyl alcohol and 3-butenyl alcohol However, it is not limited now.
상기 지방족 알코올은 1기압에서 끓는점이 120 ℃ 이상일 수 있고, 구체적으로 140 ℃ 내지 250 ℃일 수 있으며, 보다 구체적으로 160 ℃ 내지 230 ℃일 수 있다. 기존 이산화탄소 흡수제의 용매로 사용되는 물은 끓는 점이 100 ℃ 이하로 낮기 때문에 분해 산물이 대기로 방출될 가능성이 높은 문제점이 있었으나, 본 개시의 일 실시예에 따른 지방족 알코올 용매는 끓는점이 매우 높으므로 대기 방출 가능성이 거의 없고, 화학적으로도 안정하여 분해 산물이 대기로 방출할 가능성을 획기적으로 낮출 수 있다.The aliphatic alcohol may have a boiling point of 120 °C or more at 1 atm, specifically 140 °C to 250 °C, and more specifically 160 °C to 230 °C. Water used as a solvent for conventional carbon dioxide absorbents has a low boiling point of 100 ° C. or less, so there is a high possibility that decomposition products will be released into the atmosphere. However, the aliphatic alcohol solvent according to an embodiment of the present disclosure has a very high boiling point, so It has little possibility of release and is chemically stable, so the possibility of release of decomposition products into the atmosphere can be drastically reduced.
또한 상기 지방족 알코올은 열용량이 4.0 kJ/kg·K 이하일 수 있다. 상기 열용량은 반드시 상기 범위에만 한정되는 것은 아니고, 3.5 kJ/kg·K 이하, 3.0 kJ/kg·K 이하, 2.8 kJ/kg·K 이하, 2.5 kJ/kg·K 이하일 수도 있다. 기존 이산화탄소 흡수제로 사용되는 아민계 흡수제(예를 들어, MEA(mono-ethanolamine))는 30 중량%의 수용액으로 사용되는데, 용매로 사용되는 물의 높은 열용량(4.2 kJ/kg·K)으로 인해 탈착 과정에서 높은 재생 에너지가 필요한 문제점이 있었다. 뿐만 아니라, 아민계 흡수제는 열 및 산소에 의해 쉽게 열적 분해(thermal-decomposition) 또는 산화 분해(oxidative-decomposition)되어 분해 산물이 대기로 방출됨으로 인한 환경문제가 발생하였다. 이에 비해, 본 개시의 일 실시예에 따른 이산화탄소 흡수제는 콜린계 양이온 및 페놀레이트계 음이온을 포함하는 이온성 액체를 알코올 용매와 함께 사용함으로써 열용량을 낮추고 기존 대비 흡수제의 재생 에너지를 획기적으로 개선하였다.In addition, the aliphatic alcohol may have a heat capacity of 4.0 kJ/kg·K or less. The heat capacity is not necessarily limited to the above range, and may be 3.5 kJ/kg·K or less, 3.0 kJ/kg·K or less, 2.8 kJ/kg·K or less, or 2.5 kJ/kg·K or less. Amine-based absorbents (eg, MEA (mono-ethanolamine)), which are used as conventional carbon dioxide absorbents, are used as aqueous solutions of 30% by weight. There was a problem requiring high renewable energy. In addition, the amine-based absorbent is easily thermally decomposed or oxidatively decomposed by heat and oxygen, and decomposition products are released into the atmosphere, causing environmental problems. In comparison, the carbon dioxide absorbent according to an embodiment of the present disclosure uses an ionic liquid including a choline-based cation and a phenolate-based anion together with an alcohol solvent, thereby lowering the heat capacity and dramatically improving regenerative energy of the absorbent compared to the existing ones.
본 개시의 일 실시에에 따른 이산화탄소 흡수제에 포함되는 이온성 액체의 양이온 물질은 콜린계 양이온 물질로, 하기 화학식 5로 표시될 수 있다.The cationic material of the ionic liquid included in the carbon dioxide absorbent according to an embodiment of the present disclosure is a choline-based cationic material and may be represented by Chemical Formula 5 below.
[화학식 5][Formula 5]
[상기 화학식 5에서,[In Formula 5,
L은 C2-C10알킬렌이며;L is C2-C10 alkylene;
R21은 수소, C1-C20알킬 또는 C1-C20알킬카보닐이며;R 21 is hydrogen, C1-C20 alkyl or C1-C20 alkylcarbonyl;
R22 내지 R24는 각각 독립적으로 C1-C4알킬이다.]R 22 to R 24 are each independently C1-C4 alkyl.]
구체적으로 상기 화학식 5의 L은 C2-C6알킬렌이며, R21은 수소, C1-C10알킬 또는 C1-C10알킬카보닐이며, R22 내지 R24는 각각 독립적으로 C1-C3알킬이다.Specifically, in Formula 5, L is C2-C6alkylene, R 21 is hydrogen, C1-C10alkyl or C1-C10alkylcarbonyl, and R 22 to R 24 are each independently C1-C3alkyl.
보다 구체적으로 상기 화학식 5의 L은 C2-C4알킬렌이며, R21은 수소, C1-C5알킬 또는 C1-C5알킬카보닐이며, R22 내지 R24는 각각 독립적으로 C1-C2알킬이다.More specifically, L in Formula 5 is C2-C4 alkylene, R 21 is hydrogen, C1-C5 alkyl or C1-C5 alkylcarbonyl, and R 22 to R 24 are each independently C1-C2 alkyl.
본 개시의 일 실시예에 있어서 콜린계 양이온 물질은 choline, acetylcholine, propionylcholine 또는 butyrylcholine일 수 있으며, 구체적으로 choline일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.In one embodiment of the present disclosure, the choline-based cationic material may be choline, acetylcholine, propionylcholine or butyrylcholine, specifically choline, but is not limited thereto.
본 개시의 일 실시예에 따른 이산화탄소 흡수제는 하기 식 1로 표시되는 이산화탄소 흡수 당량이 0.7 이상일 수 있으며, 바람직하게는 0.72 내지 1.5일 수 있으며, 보다 바람직하게는 0.75 내지 1.5일 수 있다.The carbon dioxide absorbent according to an embodiment of the present disclosure may have a carbon dioxide absorption equivalent represented by Equation 1 below of 0.7 or more, preferably 0.72 to 1.5, and more preferably 0.75 to 1.5.
[식 1][Equation 1]
이산화탄소 흡수 당량 = (흡수된 이산화탄소 몰 수) / (이온성 액체 몰 수)Carbon dioxide absorption equivalent = (number of moles of carbon dioxide absorbed) / (number of moles of ionic liquid)
본 개시의 일 실시예에 따른 이산화탄소 흡수제는 이산화탄소와 흡수제의 페놀레이트계 음이온이 반응하여 카바메이트 형성이 가능하고 (반응식 1), 동시에 알코올과 반응하여 카보네이트 형성이 가능하므로 (반응식 2), 기존 기술 대비 높은 이산화탄소 흡수 성능을 보일 수 있다.Since the carbon dioxide absorbent according to an embodiment of the present disclosure can form carbamate by reacting carbon dioxide with phenolate-based anions of the absorbent (Scheme 1) and simultaneously react with alcohol to form carbonate (Scheme 2), conventional technology It can show high carbon dioxide absorption performance.
[반응식 1][Scheme 1]
CO2 + [콜린계-N+][페놀레이트계-O-] → [콜린계-N+][페놀레이트계-O-CO2 -] CO 2 + [Choline-N + ][Phenolate-O - ] → [Choline-N + ][Phenolate-O-CO 2 - ]
[반응식 2][Scheme 2]
CO2 + [콜린계-N+][페놀레이트계-O-] + R-OH → [콜린계-N+][H-페놀레이트계+-O-CO2 -][R-O-CO2]- CO 2 + [choline-N + ][phenolate-O - ] + R-OH → [choline-N + ][H-phenolate + -O-CO 2 - ][RO-CO 2 ] -
[상기 반응식 2에서,[In Scheme 2 above,
R은 C2-C10의 지방족 하이드로카빌이다.]R is a C2-C10 aliphatic hydrocarbyl.]
또한 본 개시는 본 개시의 일 실시예에 따른 이산화탄소 흡수제를 이용하는 이산화탄소 분리방법을 제공하며, 본 개시에 따른 이산화탄소 분리방법은 상기 이산화탄소 흡수제를 이산화탄소를 포함하는 혼합물과 접촉시키는 제1단계; 및 상기 이산화탄소 흡수제를 열처리하여, 흡수제에 부착된 이산화탄소를 탈착시키는 제2단계;를 포함할 수 있다.In addition, the present disclosure provides a carbon dioxide separation method using the carbon dioxide absorbent according to an embodiment of the present disclosure, and the carbon dioxide separation method according to the present disclosure includes a first step of contacting the carbon dioxide absorbent with a mixture containing carbon dioxide; and a second step of heat-treating the carbon dioxide absorbent to desorb carbon dioxide attached to the absorbent.
상기 이산화탄소 분리방법의 제1단계는 20 ℃ 내지 80 ℃ 조건에서 수행될 수 있고, 구체적으로 25 ℃ 내지 65 ℃, 보다 구체적으로 30 ℃ 내지 50 ℃일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The first step of the carbon dioxide separation method may be performed at 20 °C to 80 °C, specifically 25 °C to 65 °C, and more specifically 30 °C to 50 °C, but is not limited thereto.
또한 상기 이산화탄소 분리방법의 제1단계는 0.1 bar 내지 2.0 bar에서 수행될 수 있으며, 구체적으로 0.3 bar 내지 1.7 bar, 보다 구체적으로 0.6 bar 내지 1.4 bar일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.In addition, the first step of the carbon dioxide separation method may be performed at 0.1 bar to 2.0 bar, specifically 0.3 bar to 1.7 bar, and more specifically 0.6 bar to 1.4 bar, but is not limited thereto.
상기 이산화탄소 분리방법의 제2단계는 70 ℃ 내지 150 ℃ 조건에서 30 내지 250 분 동안 수행될 수 있으며, 구체적으로 80 ℃ 내지 130 ℃ 조건에서 40 내지 200 분 동안, 보다 구체적으로 90 ℃ 내지 110 ℃ 조건에서 60 내지 180 분 동안 수행될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The second step of the carbon dioxide separation method may be performed at 70 °C to 150 °C for 30 to 250 minutes, specifically at 80 °C to 130 °C for 40 to 200 minutes, more specifically at 90 °C to 110 °C. It may be performed for 60 to 180 minutes in, but is not limited thereto.
상기 이산화탄소 분리방법의 제2단계는 100 cc/min 내지 300 cc/min N2 흐름(flow) 조건에서 수행될 수 있으며, 구체적으로 150 cc/min 내지 250 cc/min N2 흐름(flow) 조건에서, 보다 구체적으로 180 cc/min 내지 220 cc/min N2 흐름(flow) 조건에서 수행될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The second step of the carbon dioxide separation method may be performed under 100 cc/min to 300 cc/min N 2 flow conditions, specifically 150 cc/min to 250 cc/min N 2 flow conditions. , More specifically, 180 cc/min to 220 cc/min N 2 It may be performed under flow conditions, but is not limited thereto.
본 개시의 일 실시예에 따른 상기 이산화탄소 분리방법은 상기 제1단계 및 제2단계를 단위 공정으로 하고, 상기 단위 공정을 2회 이상 반복하여 이산화탄소를 연속적으로 분리하는 방법일 수 있다.The carbon dioxide separation method according to an embodiment of the present disclosure may be a method of continuously separating carbon dioxide by using the first step and the second step as unit processes and repeating the unit process two or more times.
본 개시의 일 실시예에 따른 이산화탄소 분리방법의 제2단계는 기존의 흡수제로 사용되는 아민계 흡수제 (예를 들어, MEA)에 비해 낮은 온도에서 짧은 시간 안에 탈착이 가능하다. 즉, 본 개시에 따른 이산화탄소 흡수제는 알코올 용매를 사용함으로써 열용량을 낮추고, 카바메이트와 카보네이트를 동시에 생성 가능하게 하여 기존 흡수제에 비해 재생 에너지를 현저히 낮춤으로써 이산화탄소 탈착 효율이 매우 높다.In the second step of the carbon dioxide separation method according to an embodiment of the present disclosure, desorption is possible at a lower temperature and in a shorter time than amine-based absorbents (eg, MEA) used as conventional absorbents. That is, the carbon dioxide absorbent according to the present disclosure has very high carbon dioxide desorption efficiency by lowering heat capacity by using an alcohol solvent and significantly lowering regeneration energy compared to existing absorbents by simultaneously generating carbamate and carbonate.
본 개시의 일 실시예에 따른 이산화탄소 분리방법은 이산화탄소의 흡수 전 대비 흡수 후 점도를 현저히 개선시킴으로써 이산화탄소의 흡탈착을 현저하게 향상시켰다. 기존의 이산화탄소 흡수제를 사용하여 카바메이트 또는 카보네이트가 생성되는 경우, 반응 용액의 점도가 높아져 연속적인 이산화탄소 흡수 반응 효율이 떨어질 뿐만 아니라, 이산화탄소 흡수 후 이산화탄소를 다시 탈착할 때 장시간 동안 높은 온도 조건이 필요하였다. 본 개시의 일 실시예에 따른 이산화탄소 흡수제는 포집 후 오히려 점도가 낮아지므로 이산화탄소의 흡수 및 탈착에 훨씬 효과적이다.The carbon dioxide separation method according to an embodiment of the present disclosure remarkably improves the adsorption and desorption of carbon dioxide by significantly improving the viscosity after absorption compared to before absorption of carbon dioxide. When carbamates or carbonates are produced using existing carbon dioxide absorbents, the viscosity of the reaction solution increases and the efficiency of the continuous carbon dioxide absorption reaction decreases, and high temperature conditions are required for a long time to desorb carbon dioxide after carbon dioxide absorption. . Since the carbon dioxide absorbent according to an embodiment of the present disclosure rather decreases in viscosity after capturing, it is much more effective in absorbing and desorbing carbon dioxide.
이하, 구체적인 실시예를 통해 본 개시에 따른 콜린계 양이온 및 페놀레이트계 음이온을 포함하는 이온성 액체 및 지방족 알코올을 포함하는 이산화탄소 흡수제 및 이를 이용한 이산화탄소 분리방법에 대하여 더욱 상세히 설명한다.Hereinafter, a carbon dioxide absorbent including an ionic liquid including a choline-based cation and a phenolate-based anion and an aliphatic alcohol and a carbon dioxide separation method using the same according to the present disclosure will be described in more detail through specific examples.
[제조예 1] 이온성 액체-1의 제조[Preparation Example 1] Preparation of ionic liquid-1
100 mL RBF에 콜린 하이드록사이드 수용액(TCI, C0326) 10.00 g (46 중량%, 38.0 mmol), 2-아미노페놀(Sigma-aldrich, A71301) 4.15 g (38.0 mmol)을 투입한 후 실온 2시간 교반하였다. 반응물을 60 ℃에서 15시간 진공 건조하여 짙은 갈색 오일 7.58 g (94%)을 수득하였다.After adding 10.00 g (46 wt%, 38.0 mmol) of choline hydroxide aqueous solution (TCI, C0326) and 4.15 g (38.0 mmol) of 2-aminophenol (Sigma-aldrich, A71301) to 100 mL RBF, the mixture was stirred at room temperature for 2 hours. did The reaction was vacuum dried at 60° C. for 15 hours to give 7.58 g (94%) of a dark brown oil.
1H NMR (500 MHz), D2O, 25 ℃: δ=6.79(m, 1H), 6.71(m, 1H), 6.61(m, 1H), 6.50(m, 1H), 4.02(m, 2H), 3.46(m, 2H), 3.15(s, 9H)1H NMR (500 MHz), D 2 O, 25 ° C.: δ = 6.79 (m, 1H), 6.71 (m, 1H), 6.61 (m, 1H), 6.50 (m, 1H), 4.02 (m, 2H) , 3.46(m, 2H), 3.15(s, 9H)
[제조예 2] 이온성 액체-2의 제조[Preparation Example 2] Preparation of ionic liquid-2
100 mL RBF에 콜린 하이드록사이드 수용액 10.00 g (46 중량%, 38.0 mmol), 4-아미노페놀(Sigma-aldrich, A71328) 4.15 g (38.0 mmol)을 투입한 후 실온 2시간 교반하였다. 반응물을 60 ℃에서 15시간 진공 건조하여 짙은 갈색 고체 7.66 g (95%)을 수득하였다.After adding 10.00 g (46 wt%, 38.0 mmol) of choline hydroxide aqueous solution and 4.15 g (38.0 mmol) of 4-aminophenol (Sigma-aldrich, A71328) to 100 mL RBF, the mixture was stirred at room temperature for 2 hours. The reaction was vacuum dried at 60 °C for 15 hours to obtain 7.66 g (95%) of a dark brown solid.
1H NMR (500 MHz), d-DMSO, 25 ℃:δ=6.20(d, 2H), 6.00(d, 2H), 3.79(m, 2H), 3.32(m, 2H), 3.51(br, 2H), 3.10(s, 9H) 1H NMR (500 MHz), d-DMSO, 25 ℃: δ = 6.20 (d, 2H), 6.00 (d, 2H), 3.79 (m, 2H), 3.32 (m, 2H), 3.51 (br, 2H) , 3.10(s, 9H)
[제조예 3] 이온성 액체-3의 제조[Preparation Example 3] Preparation of ionic liquid-3
100 mL RBF에 콜린 하이드록사이드 수용액 10.00 g (46 중량%, 38.0 mmol), 4-아세틸아미노페놀(Sigma-aldrich, A7085) 5.74 g (38.0 mmol)을 투입한 후 실온 2시간 교반하였다. 반응물을 60 ℃에서 15시간 진공 건조하여 짙은 갈색 오일 9.18 g (95%)을 수득하였다.After adding 10.00 g (46 wt%, 38.0 mmol) of choline hydroxide aqueous solution and 5.74 g (38.0 mmol) of 4-acetylaminophenol (Sigma-aldrich, A7085) to 100 mL RBF, the mixture was stirred at room temperature for 2 hours. The reaction was vacuum dried at 60° C. for 15 hours to give 9.18 g (95%) of a dark brown oil.
1H NMR (500 MHz), D2O, 25 ℃: δ=7.04(d, 2H), 6.58(d, 2H), 4.03(tr, 2H), 3.48(tr, 2H), 3.17(s, 9H), 2.10(s, 3H) 1H NMR (500 MHz), D2O, 25 ° C: δ = 7.04 (d, 2H), 6.58 (d, 2H), 4.03 (tr, 2H), 3.48 (tr, 2H), 3.17 (s, 9H), 2.10 (s, 3H)
[비교제조예 1] 이온성 액체-4의 제조[Comparative Preparation Example 1] Preparation of Ionic Liquid-4
100 mL RBF에 테트라부틸암모늄 클로라이드(Sigma-aldrich, 86870) 5.00 g (18.0 mmol), 소듐 이미다졸레이트(Sigma-aldrich, 197637) 1.37 g (18.0 mmol), 에탄올 20 mL을 투입한 후 실온 2시간 교반하였다. 반응물에서 생성된 고체를 여과한 후 여과액을 50 ℃에서 15시간 진공 건조하여 연한 노란색 오일 5.46 g (98%)을 수득하였다.5.00 g (18.0 mmol) of tetrabutylammonium chloride (Sigma-aldrich, 86870), 1.37 g (18.0 mmol) of sodium imidazolate (Sigma-aldrich, 197637), and 20 mL of ethanol were added to 100 mL RBF, followed by 2 hours at room temperature. Stir. After filtering the solid produced from the reaction, the filtrate was vacuum dried at 50 °C for 15 hours to obtain 5.46 g (98%) of a pale yellow oil.
1H NMR (500 MHz), d-DMSO, 25 ℃: δ=7.06(s, 1H), 6.65(s, 2H), 3.18(tr, 8H), 1.58(m, 8H), 1.33(m, 8H), 0.94(m, 12H) 1H NMR (500 MHz), d-DMSO, 25 ° C: δ = 7.06 (s, 1H), 6.65 (s, 2H), 3.18 (tr, 8H), 1.58 (m, 8H), 1.33 (m, 8H) , 0.94(m, 12H)
[비교제조예 2] 이온성 액체-5의 제조[Comparative Preparation Example 2] Preparation of ionic liquid-5
100 mL RBF에 테트라부틸포스포늄 브로마이드(Sigma-aldrich, 189138) 5.00 g (14.7 mmol), 소듐 이미다졸레이트 1.12 g (14.7 mmol), 에탄올 20 mL을 투입한 후 실온 2시간 교반하였다. 반응물에서 생성된 고체를 여과한 후 여과액을 50 ℃에서 15시간 진공 건조하여 연한 노란색 오일 4.66 g (97%)을 수득하였다.After adding 5.00 g (14.7 mmol) of tetrabutylphosphonium bromide (Sigma-aldrich, 189138), 1.12 g (14.7 mmol) of sodium imidazolate, and 20 mL of ethanol to 100 mL RBF, the mixture was stirred at room temperature for 2 hours. After filtering the solid produced from the reaction, the filtrate was vacuum dried at 50 °C for 15 hours to obtain 4.66 g (97%) of a pale yellow oil.
1H NMR (500 MHz), d-DMSO, 25 ℃: δ=7.73(s, 1H), 7.10(s, 2H), 2.14(m, 8H), 1.23(m, 8H), 1.43(m, 8H), 0.91(m, 12H)1H NMR (500 MHz), d-DMSO, 25 ° C: δ = 7.73 (s, 1H), 7.10 (s, 2H), 2.14 (m, 8H), 1.23 (m, 8H), 1.43 (m, 8H) , 0.91(m, 12H)
[비교제조예 3] 이온성 액체-6의 제조[Comparative Preparation Example 3] Preparation of Ionic Liquid-6
100 mL RBF에 콜린 하이드록사이드 수용액 10.00 g (46 중량%, 38.0 mmol), 글리신(Sigma-aldrich, G7126) 2.85 g (38.0 mmol)을 투입한 후 실온 2시간 교반하였다. 반응물을 60 ℃에서 15시간 진공 건조하여 투명 오일 6.64 g (98%)을 수득하였다.After adding 10.00 g (46 wt%, 38.0 mmol) of choline hydroxide aqueous solution and 2.85 g (38.0 mmol) of glycine (Sigma-aldrich, G7126) to 100 mL RBF, the mixture was stirred at room temperature for 2 hours. The reaction was vacuum dried at 60° C. for 15 hours to obtain 6.64 g (98%) of a clear oil.
1H NMR (500 MHz), d-DMSO, 25 ℃: δ=3.85(br, 2H), 3.41(br, 2H), 3.12(s, 9H), 2.68(s, 2H), 1.23(br, 2H) 1H NMR (500 MHz), d-DMSO, 25 ℃: δ = 3.85 (br, 2H), 3.41 (br, 2H), 3.12 (s, 9H), 2.68 (s, 2H), 1.23 (br, 2H)
[비교제조예 4] 이온성 액체-7의 제조[Comparative Preparation Example 4] Preparation of Ionic Liquid-7
100 mL RBF에 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 클로라이드(Sigma-aldrich, 94128) 5.00 g (28.6 mmol), 소듐 페녹사이드(Sigma-aldrich, 318191) 3.33 g (28.6 mmol), 에탄올 20 mL을 투입한 후 실온 2시간 교반하였다. 반응물에서 생성된 고체를 여과한 후 여과액을 50 ℃에서 15시간 진공 건조하여 짙은 갈색 오일 6.51 g (98%)을 수득하였다.5.00 g (28.6 mmol) of 1-butyl-3-methylimidazolium chloride (Sigma-aldrich, 94128), 3.33 g (28.6 mmol) of sodium phenoxide (Sigma-aldrich, 318191), and 20 mL of ethanol were added to 100 mL RBF. After adding, the mixture was stirred at room temperature for 2 hours. After filtering the solid produced in the reaction, the filtrate was vacuum dried at 50 °C for 15 hours to obtain 6.51 g (98%) of a dark brown oil.
1H NMR (500 MHz), d-DMSO, 25 ℃: δ=9.35(br, 1H), 7.77(s, 1H), 7.70(s, 1H), 6.73(br, 2H), 6.14(br, 2H), 5.94(br, 1H), 4.15(m, 2H), 3.84(s, 3H), 1.75(m, 2H), 1.26(m, 2H), 0.88(m, 3H)1H NMR (500 MHz), d-DMSO, 25 ° C: δ = 9.35 (br, 1H), 7.77 (s, 1H), 7.70 (s, 1H), 6.73 (br, 2H), 6.14 (br, 2H) , 5.94(br, 1H), 4.15(m, 2H), 3.84(s, 3H), 1.75(m, 2H), 1.26(m, 2H), 0.88(m, 3H)
[실시예 1 내지 5] 이산화탄소 흡수제의 제조[Examples 1 to 5] Preparation of carbon dioxide absorbent
하기 표 1의 구성으로 이온성 액체를 전체의 30 중량% 포함하는 실시예 1 내지 5에 따른 이산화탄소 흡수제를 제조하였다. 이산화탄소 흡수제 제조 시 투입 순서에 상관없이 중량비에 맞춰 이온성 액체와 용매를 투입하고 10 ℃ 내지 100 ℃에서 5분 내지 60분 동안 혼합하였다.Carbon dioxide absorbents according to Examples 1 to 5 containing 30% by weight of the total ionic liquid according to the configuration shown in Table 1 below were prepared. When preparing the carbon dioxide absorbent, the ionic liquid and the solvent were added according to the weight ratio regardless of the order of addition, and mixed at 10 °C to 100 °C for 5 minutes to 60 minutes.
[비교예 1 내지 4] 이산화탄소 흡수제의 제조 [Comparative Examples 1 to 4] Preparation of carbon dioxide absorbent
하기 표 1의 구성으로 이온성 액체를 전체의 30 중량% 포함하는 비교예 1 내지 4에 따른 이산화탄소 흡수제를 제조하였다.Carbon dioxide absorbents according to Comparative Examples 1 to 4 containing 30% by weight of the ionic liquid according to the configuration shown in Table 1 below were prepared.
[비교예 5] 이산화탄소 흡수제의 제조[Comparative Example 5] Preparation of carbon dioxide absorbent
제조예 1의 이온성 액체만을 포함하는 비교예 5에 따른 이산화탄소 흡수제를 제조하였다.A carbon dioxide absorbent according to Comparative Example 5 containing only the ionic liquid of Preparation Example 1 was prepared.
[실험예 1] 이산화탄소 흡수 성능 평가[Experimental Example 1] Carbon dioxide absorption performance evaluation
실시예 1 내지 5 및 비교예 1 내지 5에 따른 이산화탄소 흡수제의 이산화탄소 흡수 성능을 평가하기 위해, 참고문헌(Applied Chemistry for Engineering, 2010, 21(3), 284-290)에 따라 제작된 기액평형(Vapor Liquid Equiribrium, VLE) 장치를 이용하여 이산화탄소 흡수 성능을 측정하였다. 기액평형 장치는 이산화탄소 저장용 실린더 (150 mL), 항온 수조, 온도계가 부착되어 있는 스테인레스 스틸 흡수 반응기 (73 mL), 전자식 압력 측정기, 교반기를 포함하는 장치를 사용하였다. 이때, 실린더와 반응기는 각각 항온 수조와 히팅 블럭(heating block)을 이용하여 일정 온도 40 ℃를 유지하도록 하여 흡수 능력을 측정하였다. 반응기의 측정 오차 범위는 ±0.1 ℃±0.01 bar이었다.In order to evaluate the carbon dioxide absorption performance of the carbon dioxide absorbents according to Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 to 5, vapor-liquid equilibrium ( Carbon dioxide absorption performance was measured using a Vapor Liquid Equiribrium (VLE) device. The vapor-liquid equilibrium device was a device including a carbon dioxide storage cylinder (150 mL), a constant temperature water bath, a stainless steel absorption reactor (73 mL) with a thermometer attached, an electronic pressure gauge, and an agitator. At this time, the cylinder and the reactor were maintained at a constant temperature of 40 ° C using a constant temperature water bath and a heating block, respectively, to measure the absorption capacity. The measurement error range of the reactor was ±0.1 °C ±0.01 bar.
이산화탄소 흡수 성능 평가는 구체적으로 다음과 같은 방법으로 수행하였다. 먼저, 이산화탄소 저장용 실린더 및 흡수 반응기 내부를 충분히 질소로 치환한 뒤 이산화탄소 저장용 실린더에 이산화탄소를 충진하여 1 bar, 40 ℃로 유지하였다. 그 다음, 흡수 반응기 내부로 실시예 1 내지 5 및 비교예 1 내지 5에 따른 흡수제 (6.0 g) 용액을 투입한 후 40 ℃로 유지한 뒤, 실린더와 반응기를 연결하는 밸브를 열고 흡수 평형 도달 후 압력을 측정하였다. 평형 압력은 30분 단위로 측정하였으며, 상기 과정을 반복하여 실린더와 반응기 간 압력 변화가 없을 때까지 지속하여 진행하였다. 그 다음 이상 기체 방정식을 이용하여 압력 변화에 따른 흡수된 이산화탄소의 몰수를 계산하였다. 흡수된 이산화탄소의 몰수를 이용하여 하기 식 1로 계산한 이산화탄소 흡수 당량, 흡수 전후의 흡수제의 점도 및 흡수 후 고체 생성 여부를 분석하여 하기 표 2에 나타내었다.Carbon dioxide absorption performance was specifically evaluated in the following manner. First, the carbon dioxide storage cylinder and the inside of the absorption reactor were sufficiently substituted with nitrogen, and then the carbon dioxide storage cylinder was filled with carbon dioxide and maintained at 1 bar and 40 °C. Then, the absorbent (6.0 g) solution according to Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 to 5 was introduced into the absorption reactor, maintained at 40 ° C, opened the valve connecting the cylinder and the reactor, and reached absorption equilibrium. The pressure was measured. The equilibrium pressure was measured every 30 minutes, and the above process was repeated until there was no pressure change between the cylinder and the reactor. Then, the number of moles of carbon dioxide absorbed according to the pressure change was calculated using the ideal gas equation. The carbon dioxide absorption equivalent calculated by Equation 1 using the number of moles of carbon dioxide absorbed, the viscosity of the absorbent before and after absorption, and whether solids were formed after absorption were analyzed and are shown in Table 2 below.
[식 1][Equation 1]
이산화탄소 흡수 당량 = (흡수된 이산화탄소 몰 수) / (흡수제 몰 수)Carbon dioxide absorption equivalent = (number of moles of carbon dioxide absorbed) / (number of moles of absorbent)
흡수 당량
(CO2-mol/mol)carbon dioxide
absorption equivalent
(CO 2 -mol/mol)
고체 생성 여부after absorption
Whether to create a solid
(mPa·S, 40℃)Viscosity before absorption
(mPa S, 40℃)
(mPa·S, 40℃)Viscosity after absorption
(mPa S, 40℃)
상기 표 2에 나타낸 바와 같이, 실시예의 이산화탄소 흡수 성능은 모두 0.75 이상으로 우수한 흡수 성능을 나타내었으며, 특히 실시예 1 및 2에서는 0.95 이상의 매우 향상된 흡수 성능을 나타내었다.As shown in Table 2, the carbon dioxide absorption performance of the examples all showed excellent absorption performance of 0.75 or more, and in particular, examples 1 and 2 showed very improved absorption performance of 0.95 or more.
반면, 비교예 2 내지 4는 실시예보다 낮은 흡수 성능을 나타내었으며, 특히, 비교예 1 및 3에서는 이산화탄소 흡수 후 고체가 생성되어 반복적인 사용이 불가능한 것을 알 수 있다.On the other hand, Comparative Examples 2 to 4 exhibited lower absorption performance than Examples. In particular, in Comparative Examples 1 and 3, it can be seen that solids are formed after absorbing carbon dioxide, making repeated use impossible.
또한 지방족 알코올이 제외된 비교예 5는 초기점도가 매우 높아 이산화탄소 흡수 성능 평가가 불가능 하였다.In Comparative Example 5, in which aliphatic alcohol was excluded, the initial viscosity was very high, so it was impossible to evaluate the carbon dioxide absorption performance.
본 개시에 따른 지방족 알코올을 포함하는 이산화탄소 흡수제는 흡수 전 점도가 낮고, 이산화탄소 흡착 후 점도를 30 mPa·S 이하 수준으로 제어하여 이온 액체 이산화탄소 흡수제의 흡착 후 점도 증가 문제를 보완하였으며, 흡수 후 고체의 형성도 일어나지 않아 반복적인 사용이 가능하고, 이산화탄소 흡수능도 우수하였다. 따라서 본 개시에 따른 이산화탄소 흡수제는 산업적으로 매우 유용할 것으로 기대된다.The carbon dioxide absorbent containing an aliphatic alcohol according to the present disclosure has a low viscosity before absorption, and controls the viscosity to a level of 30 mPa·S or less after adsorption of carbon dioxide to compensate for the problem of increasing the viscosity after adsorption of the ionic liquid carbon dioxide absorbent. It is possible to use repeatedly because no formation occurs, and the carbon dioxide absorption capacity is also excellent. Therefore, the carbon dioxide absorbent according to the present disclosure is expected to be very useful industrially.
이상과 같이 본 개시에서는 특정된 사항들과 한정된 실시예 및 비교예에 의해 설명되었으나 이는 본 개시의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 개시는 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 개시가 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.As described above, the present disclosure has been described with specific details, limited examples, and comparative examples, but these are only provided to help a more general understanding of the present disclosure, and the present disclosure is not limited to the above examples. Those skilled in the art can make various modifications and variations from these descriptions.
따라서, 본 개시의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 개시 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.Therefore, the spirit of the present disclosure should not be limited to the described embodiments, and it will be said that not only the claims described below but also all modifications equivalent or equivalent to these claims belong to the scope of the present disclosure. .
Claims (14)
지방족 알코올;
을 포함하는 이산화탄소 흡수제.ionic liquids containing choline-based cations and phenolate-based anions; and
fatty alcohol;
A carbon dioxide absorbent comprising a.
상기 이산화탄소 흡수제는 이온성 액체를 5 내지 70 중량%, 지방족 알코올은 30 내지 95 중량%포함하는, 이산화탄소 흡수제.According to claim 1,
The carbon dioxide absorbent contains 5 to 70% by weight of an ionic liquid and 30 to 95% by weight of an aliphatic alcohol.
상기 페놀레이트계 음이온은 하기 화학식 1 또는 2로 표시되는 화합물인, 이산화탄소 흡수제.
[화학식 1]
[화학식 2]
[상기 화학식 1 및 2에서,
R1 내지 R9는 각각 독립적으로 수소, 아미노, 카복사마이도, C1-C10알킬, C1-C10알킬카보닐, C1-C10알콕시 또는 C3-C8사이클로알킬이며;
상기 아미노, 카복사마이도, 알킬, 알킬카보닐, 알콕시 및 사이클로알킬은 할로겐, 시아노, 아미노, 나이트로, C1-C10알킬, C1-C10알킬카보닐, C1-C10알콕시 및 C3-C8사이클로알킬에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 치환기로 치환될 수 있다.]According to claim 1,
The carbon dioxide absorbent wherein the phenolate anion is a compound represented by Formula 1 or 2 below.
[Formula 1]
[Formula 2]
[In Chemical Formulas 1 and 2,
R 1 to R 9 are each independently hydrogen, amino, carboxamido, C1-C10 alkyl, C1-C10 alkylcarbonyl, C1-C10 alkoxy or C3-C8 cycloalkyl;
Wherein amino, carboxamido, alkyl, alkylcarbonyl, alkoxy and cycloalkyl are halogen, cyano, amino, nitro, C1-C10 alkyl, C1-C10 alkylcarbonyl, C1-C10 alkoxy and C3-C8 cyclo It may be substituted with one or two or more substituents selected from alkyl.]
상기 R1 내지 R9는 각각 독립적으로 수소, 아미노, 카복사마이도, C1-C5알킬, C1-C5알킬카보닐 또는 C1-C5알콕시이며;
상기 아미노, 카복사마이도, 알킬, 알킬카보닐 및 알콕시는 할로겐, 시아노, 아미노, 나이트로, C1-C10알킬, C1-C10알킬카보닐, C1-C10알콕시 및 C3-C8사이클로알킬에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 치환기로 치환될 수 있는, 이산화탄소 흡수제.According to claim 3,
R 1 to R 9 are each independently hydrogen, amino, carboxamido, C1-C5 alkyl, C1-C5 alkylcarbonyl or C1-C5 alkoxy;
Said amino, carboxamido, alkyl, alkylcarbonyl and alkoxy are selected from halogen, cyano, amino, nitro, C1-C10 alkyl, C1-C10 alkylcarbonyl, C1-C10 alkoxy and C3-C8 cycloalkyl A carbon dioxide absorbent which may be substituted with one or two or more substituents.
상기 R1 내지 R9는 각각 독립적으로 수소, 아미노 또는 카복사마이도이며, 단 적어도 하나는 아미노 또는 카복사마이도이며;
상기 아미노 또는 카복사마이도는 C1-C3알킬카보닐로 치환될 수 있는, 이산화탄소 흡수제.According to claim 3,
wherein R 1 to R 9 are each independently hydrogen, amino or carboxamido, provided that at least one is amino or carboxamido;
Wherein the amino or carboxamido may be substituted with C1-C3 alkylcarbonyl.
상기 지방족 알코올은 지방족 1가 알코올 또는 지방족 다가 알코올인, 이산화탄소 흡수제.According to claim 1,
Wherein the aliphatic alcohol is an aliphatic monohydric alcohol or an aliphatic polyhydric alcohol.
상기 지방족 알코올은 C2-C10지방족 알코올인, 이산화탄소 흡수제.According to claim 1,
The aliphatic alcohol is a C2-C10 aliphatic alcohol, carbon dioxide absorbent.
상기 지방족 알코올은 1기압에서 끓는점이 120 ℃ 이상인, 이산화탄소 흡수제.According to claim 1,
The aliphatic alcohol has a boiling point of 120 ℃ or more at 1 atm, carbon dioxide absorbent.
상기 지방족 알코올은 열용량이 4.0 kJ/kg·K 이하인, 이산화탄소 흡수제.According to claim 1,
The aliphatic alcohol has a heat capacity of 4.0 kJ / kg K or less, carbon dioxide absorbent.
하기 식 1로 표시되는 이산화탄소 흡수 당량이 0.7 이상인, 이산화탄소 흡수제.
[식 1]
이산화탄소 흡수 당량 = (흡수된 이산화탄소 몰 수) / (흡수제 몰 수)According to claim 1,
A carbon dioxide absorbent having a carbon dioxide absorption equivalent represented by the following formula 1 of 0.7 or more.
[Equation 1]
Carbon dioxide absorption equivalent = (number of moles of carbon dioxide absorbed) / (number of moles of absorbent)
상기 이산화탄소 흡수제를 열처리하여, 흡수제에 부착된 이산화탄소를 탈착시키는 제2단계;
를 포함하는, 이산화탄소 분리방법.A first step of contacting the carbon dioxide absorbent of claim 1 with a mixture containing carbon dioxide; and
a second step of heat-treating the carbon dioxide absorbent to desorb carbon dioxide attached to the absorbent;
Including, carbon dioxide separation method.
제1단계는 20 ℃ 내지 80 ℃ 조건에서 수행되는 것인, 이산화탄소 분리방법.According to claim 11,
The first step is a carbon dioxide separation method that is performed at 20 ℃ to 80 ℃ conditions.
제2단계는 70 ℃ 내지 150 ℃ 조건에서 30 내지 250 분 동안 수행되는 것인, 이산화탄소 분리방법.According to claim 11,
The second step is carried out for 30 to 250 minutes at 70 ℃ to 150 ℃ conditions, carbon dioxide separation method.
상기 제1단계 및 제2단계를 단위 공정으로 하고, 상기 단위 공정을 2회 이상 반복하여 이산화탄소를 연속적으로 분리하는, 이산화탄소 분리방법.According to claim 11,
A carbon dioxide separation method in which the first step and the second step are unit processes, and the unit process is repeated two or more times to continuously separate carbon dioxide.
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KR101122714B1 (en) | 2010-01-04 | 2012-03-07 | 한국과학기술연구원 | Carbon dioxide absorbents using the imidazolium-based ionic liquid compound comprising fluorinated olefin |
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