KR20230132105A - 산성가스 분리용 혼합 흡수제 및 이를 포함하는 산성가스 분리용 조성물, 산성가스 제거장치 및 산성가스 제거방법 - Google Patents

산성가스 분리용 혼합 흡수제 및 이를 포함하는 산성가스 분리용 조성물, 산성가스 제거장치 및 산성가스 제거방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 산성가스 분리용 혼본 발명은 산성가스 분리용 혼합 흡수제 및 이를 포함하는 산성가스 분리용 조성물, 이를 이용한 산성가스 제거장치 및 산성가스 제거방법에 관한 것으로, 보다 상세하게 본 발명의 산성가스 분리용 혼합 흡수제는 분자 내 존재하는 4차 탄소가 1개의 1차 아민, 1개의 알킬기 및 2개의 알킬 알코올기와 동시에 결합된 제1 화합물을 포함하고, 분자 내에 2개 이상의 아민을 가지는 제2 화합물 및 고리 내에 적어도 1개 이상의 아민을 가지는 제3 화합물 중에서 선택되는 어느 하나 이상을 포함하여, 산성가스 분리용 혼합 흡수제를 구성하는 화합물의 분자 내에는 산성가스와 결합할 수 있는 아민을 가지고 있어 산성가스와 빠른 반응 속도 및 높은 흡수능을 가지면서 재생에 많은 에너지를 필요로 하지 않고 산화에 강한 내구성을 가지며 휘발성을 감소되어 산성가스 제거에 효율적으로 사용할 수 있다.

Description

산성가스 분리용 혼합 흡수제 및 이를 포함하는 산성가스 분리용 조성물, 산성가스 제거장치 및 산성가스 제거방법{ACIDIC GAS ABSORBENT AND COMPOSITION FOR ABSORBING ACIDIC GAS COMPRISING SAME, AND APPARATUS AND METHOD FOR REMOVING ACID GAS}
본 발명은 산성가스와 빠른 반응 속도 및 높은 흡수능을 가지면서 재생에 많은 에너지를 필요로 하지 않고 산화에 강한 내구성을 가지며 휘발성을 대폭 감소시킨 산성가스 분리용 혼합 흡수제 및 이를 포함하는 산성가스 분리용 조성물, 이를 이용한 산성가스 제거장치 및 산성가스 제거방법에 관한 것이다.
산업화가 시작된 19세기 초반부터 에너지 산업에서 사용되는 석탄, 석유, LNG 등의 화석연료의 사용 증가로 인하여 대기 중에 CO2, CH4, H2S, COS 등의 산성 가스 농도가 증가하면서, 산업이 발달됨에 따라 20세기 중반이후에는 급속하게 산성 가스 농도가 증가되었다. 산업의 발달과 함께 이러한 산성 가스의 증가로 인한, 특히 이산화탄소의 대기 중 농도 증가로 인한 지구온난화현상이 가속화되면서, 각국마다 산성 가스의 배출 및 처리에 대한 규제가 엄격해지고 있다. 1992년 6월 브라질 리우에서 열린 환경과 개발에 관한 UN 회의를 통하여 지구온난화에 대한 국제적 관심이 점차로 높아지고 있으며, 미국과 일본을 포함한 선진국들은 2010년 지구온실가스 배출량을 1990년 대비 5.2% 감축하기로 합의하는 등 산성가스 저감방안에 대한 국제적 합의가 이루어지고 있다. 특히 지구온난화현상을 야기하는 산성가스 중 대부분을 차지하는 이산화탄소의 배출저감은 더욱 중요한 문제로 대두되고 있다. 그러므로 이에 대한 기술개발이 절실히 요구되고 있는 실정이다.
이산화탄소 증가를 억제하기 위한 기술로서는, 이산화탄소 배출감소를 위한 에너지절약기술, 배출 가스로부터 이산화탄소의 포집기술, 이산화탄소를 이용하거나 고정화시키는 기술, 이산화탄소를 배출하지 않는 대체에너지기술 등이 있다.
지금까지 연구된 이산화탄소의 포집기술로는 흡수법, 흡착법, 막분리법, 심냉법 등의 방법이 제시되고 있으며, 특히 흡수법은 대용량의 가스를 처리하는데 용이하고 저농도의 가스분리에 적합하기 때문에 대부분의 산업체 및 발전소에의 적용이 용이하여 에이비비 러머스 크레스트(ABB lummus Crest)사에서 제조한 모노에탄올아민(monoethanolamine, MEA)을 흡수제로서 사용하는 공정이 트로나(Trona, CA, USA) 및 쉐디 포인트(Shady Point, Oklahoma, USA)에서 운전되고 있다.
그러나 상기한 모노에탄올아민(이하, MEA라고도 함)을 흡수제로서 사용한 흡수공정은 빠른 반응속도를 가진 반면, 이산화탄소 분리에 다량의 에너지가 소모되고 흡수액의 사용량이 많으며, 흡수액에 의한 설비의 부식문제가 있어서 이를 해결해 줄 수 있는 새로운 첨가제 또는 흡수제의 개발이 절실히 요구되고 있다.
흡수법의 다른 일예로서, 알칸올아민 수용액과의 화학적 반응을 이용하여 제철소 및 화력발전소 등에서 배출되는 혼합가스 중의 CO2, H2S, COS 등의 산성 기체를 분리, 회수하는 방법이 많은 연구자들에 의해 연구되어 왔다. 기존에 널리 사용되던 알칸올아민은, 1차 계열의 모노에탄올아민(monoethanolamine, MEA), 2차 계열의 디에탄올아민(diethanolamine, 이하 DEA), 3차 계열의 트리에탄올아민(triethanolamine, TEA), N-메틸디에탄올아민(N-methyl diethanolamine, 이하 MDEA), 트리이소프로판올아민(TIPA) 등이 있다.
그러나 상기 모노에탄올아민(MEA)은 높은 반응속도를 갖는 장점 때문에 많이 사용되어 왔으나, 이들 화합물이 갖는 높은 부식성, 높은 재생에너지 및 열화 등의 문제 때문에 많은 어려움이 있는 것으로 알려져 있다. 또한, 상기 MDEA는 부식성과 재생열은 낮은 반면, 흡수속도가 느리다는 단점을 갖고 있다.
근래에 새로운 알칸올아민 계열 흡수제로서 입체장애 아민에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이들 입체장애 아민의 특징은 흡수용량 및 산성 가스의 선택도가 매우 높고, 재생에 필요한 에너지가 적다는 장점을 갖고 있는 반면, 상대적으로 흡수속도가 늦은 문제점이 있다.
또한, 최근 기존의 알칸올 아민류와는 화합물 조성이 다른 아미노산 염을 흡수제로 사용하는 방법이 대한민국 공개특허 제2005-0007477호에서 제시되었다. 그러나 상기 공개특허 제2005-0007477호에서 흡수제로 사용된 칼륨 타우레이트는 이산화탄소와의 반응 후 침전물을 발생시켜 침전물을 처리하여야 하는 부수적인 환경 및 경제적인 문제점을 발생시킨다. 또한, 상기 칼륨 타우레이트는 기존 흡수제와 비교하여 이산화탄소 흡수반응속도가 늦고, 입체장애를 가지지 않는 1급 아미노산 염 형태의 흡수제이기 때문에 이산화탄소를 분리할 때 많은 에너지를 필요로 하는 단점이 있다.
또한, MDEA 또는 모노에틸모노에탄올아민 수용액을 사용하여 합성가스에 포함되어 있는 이산화탄소를 고압(40기압) 조건하에서 정제하는 기술이 알려져 있으나, 이는 이산화탄소와의 흡수반응속도가 늦을 뿐만 아니라 고압의 조건을 필요로 한다는 단점이 있다.
또한, 아민이 3차 탄소 원자에 결합되어 입체장애가 큰 2-아미노-2-메틸프로판올(이하 AMP) 또는 (2-아미노에틸)에탄올 등과 같은 2차 아민에 피페라진 유도체를 반응촉진제로 사용한 기술이 알려져 있으나, 주 흡수제로 사용된 AMP 또는 (2-아미노에틸)에탄올 등과 같은 2차 아민의 입체장애로 인하여 이산화탄소와의 반응속도가 빠르지 못하다는 단점이 있다.
대한민국 공개특허 제2005-0007477호
상기와 같은 점을 감안한 본 발명은 분자내 1개의 1차 아민 및 수산화기(-OH)를 가진 알킬 알코올기 2개를 동시에 결합된 화합물과 선형 또는 환형 아민을 적절히 혼합 사용함에 의해 기존 흡수제의 장점인 이산화탄소를 포함한 산성가스와의 높은 결합력 및 빠른 반응속도는 유지시키고 단점인 탈거 시 탈거율이 높아 흡수제 재생 에너지의 소비를 획기적으로 줄일 수 있을 뿐만 아니라 흡수제 산화 또는 휘발을 대폭 감소시킬 수 있는 고효율 산성가스 분리용 혼합 흡수제 및 이를 포함하는 산성가스 분리용 조성물을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 상기 산성가스 분리용 혼합 흡수제를 이용한 산성가스 제거장치 및 산성가스 제거 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 산성가스 분리용 혼합 흡수제는 하기 화학식 1로 표시되는 제1 화합물을 포함하고, 하기 화학식 2로 표시되는 제2 화합물 및 하기 화학식 3으로 표시되는 제3 화합물 중에서 선택되는 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 한다.
[화학식 1]
NH2C((CH2)nCH3)((CH2)mOH)2
상기 화학식 1에서, n은 0 내지 2의 정수이고, m은 1 내지 10의 정수이다.
[화학식 2]
상기 화학식 2에서, 상기 a는 탄소수 0 내지 1의 탄화수소기이고, 상기 b는 탄소수 1 내지 3의 탄화수소기이고, 상기 c는 탄소수 0 내지 3의 탄화수소기이고, 상기 R1 및 R2는 -CH-(CH3)2, -C-(CH3)3, -(CH2)e-H, -(CH2)e-NH2 중에서 선택된 어느 하나로, e는 0 내지 5의 실수이며, 상기 X는 -CH2, -CH-OH, NH, -O, 4-메틸사이클로헥실기 중에서 선택된 어느 하나이다.
[화학식 3]
상기 화학식 3에서, 상기 d는 탄소수 0 내지 2의 탄화수소기이고, 상기 R3, R4, R5, R6은 H, -CH-(CH3)2, -C-(CH3)3, -(CH2)e-H -(CH2)e-NH2 중에서 선택된 어느 하나로, e는 0 내지 5의 실수이며, 상기 Y는 -CH2, NH, -O, -SH 중에서 선택된 어느 하나이다.
본 발명의 산성가스 분리용 혼합 흡수제에서 상기 제1 화합물은 2-아미노-2-메틸-1,3-프로판디올(2-Amino-2-methyl-1,3-propanediol), 2-아미노-2-에틸-1,3-프로판디올(2-Amino-2-ethyl-1,3-propanediol), 2-아미노-2-프로필-1,3-프로판디올(2-Amino-2-propyl-1,3-propanediol) 중에서 선택되는 어느 하나 이상인 것을 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명의 산성가스 분리용 혼합 흡수제에서 상기 제2 화합물은 1,4-다이아미노부탄(1,4-Diaminobutane), 디에틸렌트리아민(Diethylenetriamine), 1,3-디아미노-2-프로판올(1,3-Diamino-2-propanol), 1,5-디아미노-3-펜탄올(1,5-Diamino-2-pentanol), 펜타메틸렌디아민(Pentamethylenediamine), 헥사메틸렌디아민(Hexamethylenediamine), 비스(3-아미노프로필)아민(Bis(3-aminopropyl)amine), 테트라에틸렌펜타아민(Tetraethylenepentamine), N-이소프로필에틸렌디아민(N-Isopropylethylenediamine), N-이소프로필-1,3-프로판디아민(N-Isopropyl-1,3-propanediamine), 1,8-디아미노-파라-멘탄(1,8-Diamino-p-menthane) 중에서 선택된 어느 하나 이상을 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명의 산성가스 분리용 혼합 흡수제에서 상기 제3 화합물은 피페라진(Piperazine), 1,4-디메틸피페라진(1,4-Dimethylpiperazine), 1,4-디에틸피페라진(1,4-Diethylpoperazine), 1,4-디프로필피페라진(1,4-Dipropylpiperazine), 1,4-디이소프로필피페라진(1,4-diisopropylpiperazine), 1-(1-하이드록실메틸)피페라진(1-(1-hydroxymethyl)piperazine), 1-(2-하이드록실에틸)피페라진(1-(2-hydroxyethyl)piperazine), 1-(3-하이드록실프로필)피페라진(1-(3-hydroxypropyl)piperazine), 1,4-비스(1-아미노메틸)피페라진(1,4-Bis(1-aminomethyl)piperazine), 1,4-bis(2-아미노에틸)피페라진(1,4-Bis(2-aminoethyl)piperazine), 1,4-bis(3-아미노프로필)피페라진(1,4-Bis(3-aminopropyl)piperazine) 중에서 선택된 어느 하나 이상을 사용하는 것이 바람직하다.
다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 산성가스 분리용 조성물은 상기 산성가스 분리용 혼합 흡수제를 5 w/v% 내지 60 w/v% 농도로 포함하는 수용액인 것을 특징으로 한다.
또 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 산성가스 제거장치는 흡수탑을 포함하고, 상기 흡수탑의 내부에 수용되는 흡수제는 상기 산성가스 분리용 조성물에 포함된 산성가스 분리용 혼합 흡수제인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 산성가스 제거방법은 산성가스를 포함하는 가스와 상기 산성가스 분리용 조성물에 포함된 산성가스 분리용 혼합 흡수제가 접촉하여, 상기 가스 중에서 산성가스만 선택적으로 흡수하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 산성가스 분리용 혼합 흡수제는 기존의 이산화탄소 흡수제의 단점인 강한 결합력에 의한 과다한 에너지 사용을 억제하면서 산성가스의 분리를 쉽게 하여 흡수제 재생 에너지를 획기적으로 줄이는 것이 가능하므로, 흡수제 분자구조에 기인해 휘발성을 대폭 절감할 수 있어 실제공정 적용에 있어 효율적으로 사용이 가능하다.
또한, 본 발명의 산성가스 분리용 혼합 흡수제는 흡수제의 열화 및 이로 인한 설비의 부식과 휘발성 문제로 흡수제의 농도를 일정수준 이상 높일 수 없었던 기존 흡수제의 문제점이 해결됨으로써, 고농도의 흡수제 사용으로 이산화탄소 제거능력이 향상되고, 이로 인해 전체 산성가스 제거 공정의 운전비 절감과 설비의 소형화가 가능하다.
또한, 본 발명에서 제시한 산성가스 분리용 혼합 흡수제의 경우 습식 흡수제를 이용한 흡수법으로, 종래 흡수제에 배해 고효율, 저에너지형 흡수제로 성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 산성가스 분리용 혼합 흡수제는 열화도를 현저히 저하시켜 수명을 연장하여 경제성을 향상시키고 공정의 신뢰성을 더욱 향상시킬 수 있다.
본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 산성가스 제거장치를 통한 가스 중 산성가스 흡수 및 탈거 공정도이다.
본 발명의 산성 분리용 혼합 흡수제는 분자 내 존재하는 4차 탄소가 1개의 1차 아민, 1개의 알킬기 및 2개의 알킬 알코올기와 동시에 결합된 하기 화학식 1로 표시되는 제1 화합물을 포함하고, 분자 내에 2개 이상의 아민을 가지는 하기 화학식 2로 표시되는 제2 화합물 및 고리 내에 적어도 1개 이상의 아민을 가지는 하기 화학식 3으로 표시되는 제3 화합물 중에서 선택되는 어느 하나 이상을 포함한다.
[화학식 1]
NH2C((CH2)nCH3)((CH2)mOH)2
상기 화학식 1에서, n은 0 내지 2의 정수이고, m은 1 내지 10의 정수이다.
[화학식 2]
상기 화학식 2에서, 상기 a는 탄소수 0 내지 1의 탄화수소기, 상기 b는 탄소수 1 내지 3의 탄화수소기, 상기 c는 탄소수 0 내지 3의 탄화수소기이고, 상기 R1 및 R2는 -CH-(CH3)2, -C-(CH3)3, -(CH2)e-H, -(CH2)e-NH2 중에서 선택된 어느 하나로, e는 0 내지 5의 실수이며, 상기 X는 -CH2, -CH-OH, NH, -O, 4-메틸사이클로헥실기 중에서 선택된 어느 하나이다.
[화학식 3]
상기 화학식 3에서, 상기 d는 탄소수 0 내지 2의 탄화수소기이고, 상기 R3, R4, R5, R6은 H, -CH-(CH3)2, -C-(CH3)3, -(CH2)e-H -(CH2)e-NH2 중에서 선택된 어느 하나로, e는 0 내지 5의 실수이며, 상기 Y는 -CH2, NH, -O, -SH 중에서 선택된 어느 하나이다.
상기 화학식 1로 표현되는 제1 화합물의 구체적인 예로는 2-아미노-2-메틸-1,3-프로판디올(2-Amino-2-methyl-1,3-propanediol), 2-아미노-2-에틸-1,3-프로판디올(2-Amino-2-ethyl-1,3-propanediol), 2-아미노-2-프로필-1-프로판디올(2-Amino-2-propyl-1-propanediol) 중에서 선택되는 어느 하나 이상일 수 있다. 바람직하게는 이중에서 2-아미노-2-메틸-1,3-프로판디올(2-Amino-2-methyl-1,3-propanediol) 및 2-아미노-2-에틸-1,3-프로판디올(2-Amino-2-ethyl-1,3-propanediol)을 사용할 수 있다.
상기 화학식 2로 표현되는 제2 화합물의 구체적인 예로는 1,3-디아미노-2-프로판올(1,3-Diamino-2-propanol), 1,4-다이아미노부탄(1,4-Diaminobutane), 디에틸렌트리아민(Diethylenetriamine), 1,5-디아미노-3-펜탄올(1,5-Diamino-2-pentanol), 펜타메틸렌디아민(Pentamethylenediamine), 헥사메틸렌디아민(Hexamethylenediamine), 비스(3-아미노프로필)아민(Bis(3-aminopropyl)amine), 테트라에틸렌펜타아민(Tetraethylenepentamine), N-이소프로필에틸렌디아민(N-Isopropylethylenediamine), N-이소프로필-1,3-프로판디아민(N-Isopropyl-1,3-propanediamine), 1,8-디아미노-파라-멘탄(1,8-Diamino-p-menthane) 중에서 선택된 어느 하나 이상일 수 있다. 바람직하게는 1,3-디아미노-2-프로판올(1,3-Diamino-2-propanol) 및 1,4-다이아미노부탄(1,4-Diaminobutane)을 사용할 수 있다.
상기 화학식 3으로 표현되는 제3 화합물의 구체적인 예로는 피페라진(Piperazine), 1,4-디메틸피페라진(1,4-Dimethylpiperazine), 1,4-디에틸피페라진(1,4-Diethylpoperazine), 1,4-디프로필피페라진(1,4-Dipropylpiperazine), 1,4-디이소프로필피페라진(1,4-diisopropylpiperazine), 1-(1-하이드록실메틸)피페라진(1-(1-hydroxymethyl)piperazine), 1-(2-하이드록실에틸)피페라진(1-(2-hydroxyethyl)piperazine), 1-(3-하이드록실프로필)피페라진(1-(3-hydroxypropyl)piperazine), 1,4-비스(1-아미노메틸)피페라진(1,4-Bis(1-aminomethyl)piperazine), 1,4-bis(2-아미노에틸)피페라진(1,4-Bis(2-aminoethyl)piperazine), 1,4-bis(3-아미노프로필)피페라진(1,4-Bis(3-aminopropyl)piperazine) 중에서 선택된 어느 하나 이상일 수 있다. 바람직하게는 피페라진(Piperazine)을 사용할 수 있다.
본 발명의 산성가스 분리용 조성물은 산성가스 분리용 혼합 흡수제 및 잔량의 용매로 물을 포함하는 것으로, 상기 산성가스 분리용 혼합 흡수제를 5 w/v% 내지 60 w/v% 농도로 포함하는 수용액이다. 여기서 w/v% 조성물 부피 기준으로 산성가스 분리용 혼합 흡수제의 무게를 퍼센트로 환산한 값을 나타낸 것이다.
만약 상기 산성가스 분리용 조성물에서 산성가스 분리용 혼합 흡수제의 농도가 5 w/v% 미만인 경우에는 적은양의 흡수제로 인해 흡수되는 산성가스의 흡수량이 적어 산성가스 흡수성이 저하되고, 이와 반대로 산성가스 분리용 혼합 흡수제의 농도가 60 w/v% 이상인 경우는 산성가스 흡수 능력과 흡수속도는 우수하지만 흡수제 사용량 대비 산성가스 흡수 향상은 미미하여 효율적인 측면에서 좋지 못하다.
산성가스 분리용 조성물에서 산성가스 분리용 혼합 흡수제가 제1 화합물 및 제2 화합물로 구성될 경우에는 산성가스 분리용 조성물 전체 100 중량%에 대하여, 상기 제1 화합물은 20 중량% 내지 40 중량%, 및 상기 제2 화합물은 10 중량%를 포함할 수 있으며, 상기 제1 화합물 및 상기 제2 화합물의 중량비는 20:10 내지 40:10의 중량비를 갖는 것이 바람직하다.
산성가스 분리용 조성물에서 산성가스 분리용 혼합 흡수제가 제1 화합물, 제2 화합물 및 제3 화합물로 구성될 경우에는 산성가스 분리용 조성물 전체 100 중량%에 대하여, 상기 제1 화합물은 20 중량% 내지 30 중량%, 상기 제2 화합물은 5 중량% 내지 20 중량%, 및 상기 제3 화합물은 5 중량% 내지 10 중량%를 포함할 수 있으며, 상기 제1 화합물, 상기 제2 화합물 및 상기 제3 화합물의 중량비는 20:5:5 내지 30:20:10의 중량비를 갖는 것이 바람직하다.
만약 상기 산성가스 분리용 혼합 흡수제에서 상기 제1 화합물, 제2 화합물 및 제3 화합물의 조성 함량은 상기 제시된 함량 미만인 경우 산성가스의 흡수가 제대로 이루어지지 못하고, 반대로 상기 제1 화합물, 제2 화합물 및 제3 화합물의 조성 함량을 초과하는 경우는 사용량 대비 산성가스 흡수 능력의 향상 효과가 미미하여 경제성 측면에서 좋지 못하다.
상기 산성가스 분리용 조성물은 열화방지제 및 산화방지제를 더 포함할 수 있다.
상기 열화방지제는 고온의 산성가스 장치 내에서 산성가스 분리용 혼합 흡수제의 열화를 방지하는 역할을 한다.
상기 열화방지제는 구체적인 예로 티아디아졸(thiadiazole)계 물질로 예를 들면, 2,5-디머갑토-1,3,4-티아디아졸(2,5-Dimercapto-1,3,4-thiadiazole), 2-머캅토-5-하이드로카르빌티오-1,3,4-티아디아졸(2-mercapto-5-hydrocarbylthio-1,3,4-thiadiazol)e, 2-머캅토-5-하이드로카르빌디티오-1,3,4-티아디아졸(2-mercapto-5-hydrocarbyldithio-1,3,4-thiadiazole), 2,5-비스(하이드로카르빌티오)-1,3,4-티아디아졸(2,5-bis (hydrocarbylthio)-1,3,4-thiadiazole) 및 2,5-비스(하이드로카르빌디티오)-1,3,4-티아디아졸(2,5-bis (hydrocarbyldithio) -1,3,4-thiadiazole) 중에서 선택된 어느 하나 이상인 것을 사용하는 것이 바람직하다.
상기 산화방지제는 산성가스용 혼합 흡수제가 산화를 억제하거나 방지하여 산성가스용 혼합 흡수제의 물성을 유지시키도록 한며, 당 기술분야의 통상적인 산화방지제라면 그 사용이 특별이 한정되지 않는다.
본 발명의 산성가스 분리용 조성물에서 상기 열화방지제는 산성가스 분리용 혼합 흡수제 100 중량%에 대하여 5 중량% 이하로 포함할 수 있다.
상기 산성가스 분리용 혼합 흡수제는 산성가스 흡수온도가 0℃ 내지 60℃이고, 탈거 온도는 70℃ 내지 200℃인 것이다.
상기 산성가스 분리용 혼합 흡수제는 이산화탄소(CO2), 황화수소(H2S), 이산화황(SO2), 이산화질소(NO2), 황화카르보닐(COS) 중에서 선택된 어느 하나 이상의 산성가스를 흡수할 수 있다.
이하 본 발명을 실시예 및 비교예를 통하여 상세히 설명하며, 이는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명이 하기 설명에 한정되는 것은 아니다.
하기 표 1과 같은 조성을 갖는 산성가스 분리용 혼합 흡수제를 정제된 물에 혼합하여 수용액 상태의 산성가스 분리용 조성물을 제조하였다.
하기 표 1에서 AMPD는 2-Amino-2-methyl-1,3-propanediol, AEPD는 2-Amino-2-ethyl-1,3-propanediol, IPAE는 Isopropylaminoethanol, IPDEA는 Isopropylaminodiethanolamine, Pz는 Piperazine, DEA는 Diethanol-amine, 2MP는 2-methyl-piperazine을 나타낸다.
하기 실시예들에서는 제1 화합물로 AMPD(2-Amino-2-methyl-1,3-propanediol)와 AEPD(2-Amino-2-ethyl-1,3-propanediol)을 사용하고, 제2 화합물로 1,3-디아미노-2-프로판올(1,3-Diamino-2-propanol)와 1,4-다이아미노부탄(1,4-Diaminobutane)를 사용하고, 제3 화합물로 피페라진(Piperazine)을 사용하였다.
구분 화합물 조성 농도
실시예 1 AMPD + 1,3-Diamino-2-propanol 30 중량%
(20:10)
실시예 2 AMPD + 1,3-Diamino-2-propanol 50 중량%
(40:10)
실시예 3 AEPD + 1,3-Diamino-2-propanol 30 중량%
(20:10)
실시예 4 AEPD + 1,3-Diamino-2-propanol 50 중량%
(40:10)
실시예 5 AMPD + AEPD + 1,3-Diamino-2-propanol 30 중량%
(10:10:10)
실시예 6 AMPD + 1,4-Diaminobutane 30 중량%
(20:10)
실시예 7 AMPD + 1,3-Diamino-2-propanol + 1,4-Diaminobutane 30 중량%
(20:5:5)
실시예 8 AEPD + 1,4-Diaminobutane 30 중량%
(20:10)
실시예 9 AEPD + 1,3-Diamino-2-propanol + 1,4-Diaminobutane 30 중량%
(20:5:5)
실시예 10 AMPD + AEPD + 1,3-Diamino-2-propanol + Pz 30 중량%
(10:10:5:5)
실시예 11 AMPD + AEPD + 1,4-Diaminobutane + Pz 50 중량%
(15:15:10:10)
실시예 12 AMPD + 1,3-Diamino-2-propanol + Pz 50 중량%
(20:20:10)
실시예 13 AMPD + 1,4-Diaminobutane + Pz 50 중량%
(20:20:10)
비교예 1 IPAE +IPDEA + Pz + DEA 50 중량%
(14:6:15:15)
상기와 같이 제조된 실시예 및 비교예의 산성가스 분리용 혼합 흡수제를 포함한 산성가스 분리용 조성물의 산상기와 같이 제조된 실시예 및 비교예의 산성가스 분리용 혼합 흡수제를 포함한 산성가스 분리용 조성물의 산성가스 제거 성능을 하고자 다음과 같은 실험을 수행하였다.
온도가 40℃가 되도록 설정한 항온수조 내에 유리로 만든 반응 용기를 담근 후, 반응 용기 내에 상기 실시예와 비교예에서 제조한 흡수제를 충진하였다. 반응 용기 내부로 유리관을 통해 대기압 하에서 이산화탄소 15%, 질소 85% 조성을 가지는 기체를 주입 분산시켜 흡수제로부터 이산화탄소의 흡수량을 30 분간 측정하였고, 흡수제가 이산화탄소에 의해 포화가 된 일정 시점(약 90분) 정도에 반응기를 미리 70℃로 준비된 항온수조로 옮겨 흡수제로부터 탈거된 이산화탄소의 탈거량을 30 분간 측정하였다. 이때 측정된 이산화탄소 탈거량과 이산화탄소 흡수량을 통해 이산화탄소 탈거율은 (이산화탄소 탈거량/이산화탄소 흡수량) 백분율로 측정하였다.
또한, 휘발도는 흡수제 조성물에 이산화탄소를 흡수 반응 시키는 과정에서 휘발된 흡수제의 농도로 비교예 1의 휘발도를 기준 값 1.0로 설정하여 이와 비교 값을 나타내었으며, 그 결과는 하기 표 2에 나타내었다.
구분 CO2 흡수량(g)
(30분, 40℃)		 CO2 탈거량(g)
(30분, 70℃)		 탈거율
(탈거량/흡수량)		 휘발도
실시예 1 68 25 0.35 0.6
실시예 2 114 50 0.44 0.7
실시예 3 67 24 0.36 0.6
실시예 4 111 51 0.46 0.7
실시예 5 68 25 0.35 0.5
실시예 6 70 23 0.33 0.9
실시예 7 68 22 0.32 0.6
실시예 8 67 23 0.34 0.9
실시예 9 67 24 0.36 0.6
실시예 10 65 24 0.37 0.5
실시예 11 125 48 0.38 0.4
실시예 12 141 51 0.36 0.3
실시예 13 148 49 0.33 0.5
비교예 1 94 30 0.32 1.0
상기 표 2에 나타낸 바와 같이, 모든 실시예는 비교예 1와 비교하였을 때, 이산화탄소 탈거율을 살펴보았을 때, 동일하거나 이상의 값을 나타내 우수한 것을 알 수 있다. 휘발도 측면에서 살펴보았을 때, 모든 실시예는 휘발도가 비교예 1보다 현저히 낮은 것을 확인할 수 있다. 특히 실시예 중에서 실시예 12에 따른 산성가스 분리용 조성물의 휘발도가 0.3으로 가장 낮은 휘발도 나타내었고, 탈거율에서도 비교예 1의 0.32보다 높은 0.36를 나타냄을 확인하였다.
따라서 산성가스 분리용 혼합 흡수제는 산성가스와 빠른 반응 속도 및 높은 탈거율을 가지는 것을 알 수 있다. 또한 휘발성이 대폭 감소되는 바 재생에 많은 에너지를 필요로 하지 않고 산화에 강한 내구성을 가지며 휘발성을 대폭 감소시킨 것을 특징으로 한다.
도 1은 본 발명의 산성가스 제거장치를 통한 가스 중 산성가스 흡수 및 탈거 공정도이다.
도 1에 도시된 바와 같이 이산화탄소 등 산성 가스를 포함하고 있는 배기가스와 같은 가스(4)를 산성가스 분리용 혼합 흡수제가 포함하는 산성가스 분리용 조성물(2)이 내부에 수용되어 있는 흡수탑(1)에 공급하여, 산성가스만을 선택적으로 수용액 상태의 산성가스 분리용 조성물(2)에 흡수시킨다. 이때 산성가스와 산성가스 분리용 조성물의 접촉은 대기압 조건에서 약 0℃ 내지 70℃의 온도범위에서 진행되어, 가스 내의 이산화탄소 등 산성가스만을 산성가스 분리용 조성물에 포함된 산성가스 분리용 혼합 흡수제에 흡수시킨다. 그리고 흡수탑(1)의 상부에 가스 배출라인(5)을 통해 상기 산성가스 분리용 혼합 흡수제에 흡수되지 못한 가스가 일부 배출한다.
그 다음 상기 흡수탑(1)에서 방출되는 산성가스 분리용 조성물로 즉, 이산화탄소를 포함하는 산성가스 분리용 조성물은 리보일러(8)를 거쳐 70℃ 내지 200℃의 온도범위에서 가열 처리된 후 재생탑(15)으로 보내져 산성가스 분리용 조성물의 산성가스 분리용 혼합 흡수제로부터 이산화탄소 등의 산성가스를 탈거하여 탈거된 산성가스는 상기 재생탑(15)의 상부로 배출되고, 산성가스가 회수되어 재생된 산성가스 분리용 조성물은 열교환기(25)와 냉각기(26)를 순서대로 거쳐 냉각되어 재생된 흡수제 공급라인(6)을 통해 다시 새로운 산성가스를 흡수하기 위해 흡수탑(1)으로 다시 공급되는 순환과정을 거친다.
상기 재생탑(15) 상부로 방출된 산성가스는 냉각기(23)를 거쳐 기액분리장치(21)로 공급되어 기액분리장치(21)에서 응축된 물은 재생탑(15)로 재순환되고, 응축되지 않은 수증기와 이산화탄소 등의 산성가스는 배출라인(22)으로 산성가스를 배출한다.
상기와 같은 산성가스 제거장치를 이용하여 산성가스 제거방법은 흡수탑 내부에서 산성가스를 포함하는 가스와 산성가스 분리용 조성물에 포함된 산성가스 분리용 혼합 흡수제가 접촉하여 상기 가스 중에서 산성가스만 선택적으로 흡수하는 단계를 포함하여 진행할 수 있다.
그 다음 상기 산성가스를 흡수한 산성가스 분리용 혼합 흡수제는 재생탑으로 이동하여 상기 산성가스를 흡수한 산성가스 분리용 혼합 흡수제에서 산성가스를 회수 및 배출시키면서 산성가스 분리용 혼합 흡수제를 재생시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
앞서 살펴본 바와 같이 본 발명은 대용량 이산화탄소 포집에 가장 적합하다고 알려진 습식법 중 아민계 흡수제 사용을 특징으로 하는 기술로, 흡수제 재생 시 과다한 에너지 사용을 억제하면서 산성가스의 분리를 쉽게 하여 흡수제 재생 에너지를 획기적으로 줄이는 것이 가능할 뿐만 아니라 흡수제에 분자구조를 살펴보았을 때 흡수제에 존재하는 복수의 알코올기로 인해 휘발손실을 대폭 저감시켜 이로부터 흡수제의 열화도를 현저히 저하시키고 흡수제의 수명을 연장시켜 효율적으로 산성가스를 제거할 수 있다.
1 : 흡수탑
2 : 산성가스 분리용 조성물
4 : 가스
5 : 가스 배출라인
6 : 재생된 흡수제 공급라인
8 : 리보일러
15 : 재생탑
21 : 기액분리장치
22 : 배출라인
23, 26 : 냉각기
25 : 열교환기

Claims (17)

  1. 하기 화학식 1로 표시되는 제1 화합물;을 포함하고,
    하기 화학식 2로 표시되는 제2 화합물 및 하기 화학식 3으로 표시되는 제3 화합물; 중에서 선택되는 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 산성가스 분리용 혼합 흡수제.
    [화학식 1]
    NH2C((CH2)nCH3)((CH2)mOH)2
    (상기 화학식 1에서, n은 0 내지 2의 정수이고, m은 1 내지 10의 정수 임)
    [화학식 2]

    (상기 화학식 2에서, 상기 a는 탄소수 0 내지 1의 탄화수소기이고, 상기 b는 탄소수 1 내지 3의 탄화수소기이고, 상기 c는 탄소수 0 내지 3의 탄화수소기이고, 상기 R1 및 R2는 -CH-(CH3)2, -C-(CH3)3, -(CH2)e-H, -(CH2)e-NH2 중에서 선택된 어느 하나로, e는 0 내지 5의 실수이고, 상기 X는 -CH2, -CH-OH, NH, -O, 4-메틸사이클로헥실기 중에서 선택된 어느 하나 임)
    [화학식 3]

    (상기 화학식 3에서, 상기 d는 탄소수 0 내지 2의 탄화수소기이고, 상기 R3, R4, R5, R6은 H, -CH-(CH3)2, -C-(CH3)3, -(CH2)e-H -(CH2)e-NH2 중에서 선택된 어느 하나로, e는 0 내지 5의 실수이며, 상기 Y는 -CH2, NH, -O, -SH 중에서 선택된 어느 하나 임)
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 화합물은 2-아미노-2-메틸-1,3-프로판디올, 2-아미노-2-에틸-1,3-프로판디올, 2-아미노-2-프로필-1,3-프로판디올 중에서 선택되는 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 산성가스 분리용 혼합 흡수제.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2 화합물은 1,3-디아미노-2-프로판올, 1,4-다이아미노부탄, 디에틸렌트리아민, 1,5-디아미노-3-펜탄올, 펜타메틸렌디아민, 헥사메틸렌디아민, 비스(3-아미노프로필)아민, 테트라에틸렌펜타아민, N-이소프로필에틸렌디아민, N-이소프로필-1,3-프로판디아민, 1,8-디아미노-파라-멘탄 중에서 선택된 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 산성가스 분리용 혼합 흡수제.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제3 화합물은 피페라진, 1,4-디메틸피페라진, 1,4-디에틸피페라진, 1,4-디프로필피페라진, 1,4-디이소프로필피페라진, 1-(1-하이드록실메틸)-피페라진, 1-(2-하이드록실에틸)-피페라진, 1-(3-하이드록실프로필)-피페라진, 1,4-비스(1-아미노메틸)피페라진, 1,4-bis(2-아미노에틸)피페라진, 1,4-bis(3-아미노프로필)피페라진 중에서 선택된 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 산성가스 분리용 혼합 흡수제.
  5. 제1항의 산성가스 분리용 혼합 흡수제를 5 w/v% 내지 60 w/v% 농도로 포함하는 수용액인 것을 특징으로 하는 산성가스 분리용 조성물.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 산성가스 분리용 조성물 전체 100 중량%에 대하여,
    상기 제1 화합물은 20 중량% 내지 40 중량%; 및
    상기 제2 화합물은 10 중량%;를 포함하는 것을 특징으로 하는 산성가스 분리용 조성물.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1 화합물 및 상기 제2 화합물은 20:10 내지 40:10 중량비를 갖는 것을 특징으로 하는 산성가스 분리용 조성물.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 산성가스 분리용 조성물 전체 100 중량%에 대하여,
    상기 제1 화합물은 20 중량% 내지 30 중량%;
    상기 제2 화합물은 5 중량% 내지 20 중량%; 및
    상기 제3 화합물은 5 중량% 내지 10 중량%;를 포함하는 것을 특징으로 하는 산성가스 분리용 조성물.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1 화합물, 상기 제2 화합물 및 상기 제3 화합물은 20:5:5 내지 30:20:10의 중량비로 포함하는 것을 특징으로 하는 산성가스 분리용 조성물.
  10. 제5항에 있어서,
    상기 산성가스 분리용 조성물은 열화방지제 및 산화방지제를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 산성가스 분리용 조성물.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 열화방지제는 티아디아졸계 물질인 것을 특징으로 하는 산성가스 분리용 조성물.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 티아디아졸계 물질은 2,5-디머갑토-1,3,4-티아디아졸, 2-머캅토-5-하이드로카르빌티오-1,3,4-티아디아졸, 2-머캅토-5-하이드로카르빌디티오-1,3,4-티아디아졸, 2,5-비스(하이드로카르빌티오)-1,3,4-티아디아졸 및 2,5-비스(하이드로카르빌디티오)-1,3,4-티아디아졸 중에서 선택된 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 산성가스 분리용 조성물.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 열화방지제는 산성가스 분리용 혼합 흡수제 100 중량%에 대하여 5 중량% 이하인 것을 특징으로 하는 산성가스 분리용 조성물.
  14. 제5항에 있어서,
    상기 산성가스 분리용 혼합 흡수제는 산성가스 흡수온도가 0℃ 내지 60℃이고,
    탈거 온도는 70℃ 내지 200℃인 것을 특징으로 하는 산성가스 분리용 조성물.
  15. 제5항에 있어서,
    상기 산성가스 분리용 혼합 흡수제는 이산화탄소(CO2), 황화수소(H2S), 이산화황(SO2), 질소(NO2), 황화카르보닐(COS) 중에서 선택된 어느 하나 이상의 산성가스를 흡수하는 것을 특징으로 하는 산성가스 분리용 조성물.
  16. 산성가스 제거장치에 있어서,
    상기 산성가스 제거장치는 흡수탑을 포함하고,
    상기 흡수탑의 내부에 수용되는 흡수제는 제5항 내지 제15항 중 어느 한 항의 산성가스 분리용 조성물에 포함된 산성가스 분리용 혼합 흡수제인 것을 특징으로 하는 산성가스 제거장치.
  17. 산성가스 제거방법에 있어서,
    산성가스를 포함하는 가스와 제5항 내지 제15항 중 어느 한 항의 산성가스 분리용 조성물에 포함된 산성가스 분리용 혼합 흡수제가 접촉하여, 상기 가스 중에서 산성가스만 선택적으로 흡수하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 산성가스 제거방법.
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