KR20240049297A - 탄소 포집을 위한 방법 및 조성물 - Google Patents

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Abstract

탄소 포집을 위한 용매 조성물이 제공된다. 바람직한 실시양태에 따르면, 탄소 포집을 위해 사용되는 용매는 다음의 것 중 적어도 2개를 포함한다: 디에틸아미노에탄올 (DEAE), 헥사메틸렌디아민 (HMDA), 및 폴리에틸렌이민 (PEI). 본원에 기재된 탄소 포집 용매 조성물을 사용하여 탄소 포집을 수행하는 방법이 또한 제공된다. 본원에 기재된 탄소 포집 조성물 및/또는 본원에 기재된 탄소 포집 방법을 사용하여 탄소 포집을 수행하기 위한 장치가 또한 제공된다.

Description

탄소 포집을 위한 방법 및 조성물
제시된 본 개시내용은 일반적으로 탄소 포집을 위한 방법 및 조성물에 관한 것이며, 보다 구체적으로, 탄소 포집에 사용되는 다양한 용매 및 이의 사용 방법이 개시된다.
화학적 반응에 아민 수용액을 사용하는 탄소 포집은 산업적 공정으로부터 배출되는 희석 및 저압 연도 가스를 처리하기 위해 적용되었다. 그러나, 현재 아민계 탄소 포집 공정은 여러 단점을 가진다. 하나의 단점은 CO2의 높은 흡수 및 탈착 속도를 제공하지 못한다는 것이다. 다른 단점은 매우 적은 열 부하(heat duty)를 소비하면서 높은 CO2 포집 능력을 달성하지 못한다는 것이다. 다른 단점은 사용되는 아민의 유형에 대해 특이적이라는 것이다.
예를 들어, 1차 아민 예컨대 모노에탄올아민 (MEA)은 그것의 분해 공정에서 높은 재생 에너지를 필요로 하는 CO2와 함께 매우 안정한 카바메이트를 형성한다. 다른 예로서, 2차 아민 예컨대 디에탄올아민 (DEA)은 화석 연료가 연소된 연도 가스에서의 일반적인 불순물인 NOX와 직접적으로 반응하여 오프-가스(off-gas)와 함께 잠재적으로 독성이 있는 니트로스아민을 방출할 수 있다. 3차 아민 예컨대 메틸디에탄올아민은 다른 아민과 비교하여 재생을 위해 더 적은 열을 필요로 하지만, 이는 여전히 CO2와의 반응의 속도가 느리다는 문제를 여전히 가지고 있으며, 이에 따라 동역학 측면에 있어서 포집 성능에 영향을 미친다. 폴리아민, 예컨대 피페라진 (PZ)은 그것이 니트로스아민 방출을 형성할 수 있는 2차 아민이기 때문에 위협이 된다.
또한, 분해에 의한 아민 손실, 오프-가스 방출, 아민 휘발, 아민 부식, 및 아민 발포(amine foaming)와 같은 문제점이 종종 탄소 포집 공정을 방해한다. 이러한 운행 문제점은 포집 플랜트가 본래의 설계 조건 및 성능 목표를 달성하는 것을 방해할 수 있다. 분해 생성물을 배출하면 계획에 없던 중단 시간의 가능성을 일으키거나 또는 심지어 너무 독성이 강하여 플랜트 운행을 지속할 수 없게 되어 플랜트를 불필요하게 강제로 폐쇄시킴으로써 아민계 CO2 포집 플랜트 자체가 위험에 놓이게 될 수 있다.
따라서, 탄소 포집시, 특히 산업적 공정으로부터 배출되는 희석 및 저압 연도 가스를 처리하기 위해 아민 및/또는 아민계 용액을 사용하는 것과 관련되는 효율을 개선할 필요가 있다. 특히, 다음의 바람직한 CO2 포집 특성 중 하나 이상을 갖는 신규한 아민 용매를 개발할 필요가 있다: 고흡수, 높은 순환 용량, 빠른 반응 동역학, 저부식, 저분해, 및 용매 재생을 위한 만족스러운 열 부하 요건.
발명의 요약
본 발명의 하나의 양태에 따르면, 탄소 포집을 위한 방법 및 조성물이 기재된다. 일부 실시양태에서, 상기 방법 및 조성물은 탄화수소 연소 배출물질의 배기 스트림으로부터 이산화탄소를 포집하기 위해 적용될 수 있다.
본 발명의 하나의 양태에 따르면, 가스 혼합물로부터 이산화탄소를 추출하기 위한 용매가 제공되며, 상기 용매는 디에틸아미노에탄올 (DEAE), 헥사메틸렌디아민 (HMDA), 및 물을 포함한다.
본 발명의 하나의 양태에 따르면, 가스 혼합물로부터 이산화탄소를 추출하기 위한 용매가 제공되며, 상기 용매는 DEAE, HMDA, 및 폴리에틸렌이민 (PEI)을 포함한다.
본 발명의 바람직한 실시양태에 따르면, DEAE는 2.0M 내지 4.0M의 범위의 몰 농도로 존재한다.
본 발명의 바람직한 실시양태에 따르면, HMDA는 0.1M 내지 1.0M의 범위의 몰 농도로 존재한다.
본 발명의 바람직한 실시양태에 따르면, PEI는 0.001M 내지 0.5M의 범위의 몰 농도로 존재한다.
본 발명의 바람직한 실시양태에 따르면, 용매의 총 몰 농도는 2.10M 내지 5.5M의 범위이다.
본 발명의 바람직한 실시양태에 따르면, 용매는 디에틸아미노에탄올 (DEAE), 헥사메틸렌디아민 (HMDA), 폴리에틸렌이민 (PEI), 및 물로 본질적으로 이루어진다.
가장 바람직하게는, 본 발명에서, DEAE는 3.6M의 몰 농도로 존재하고, HMDA는 0.4M의 몰 농도로 존재하고, PEI는 0.01M의 몰 농도로 존재한다.
본 발명의 바람직한 실시양태에 따르면, 용매는 160 kJ/mol CO2 미만의 열 부하를 갖는다.
보다 바람직하게는, 본 발명에서, 용매는 138.9 kJ/mol CO2 미만의 열 부하를 갖는다.
본 발명의 바람직한 실시양태에 따르면, 용매는 0.40 초과의 초기 흡수 속도를 갖는다.
보다 바람직하게는, 본 발명에서, 용매는 0.48 초과의 초기 흡수 속도를 갖는다.
본 발명의 바람직한 실시양태에 따르면, 용매는 18.0 초과의 초기 탈착 속도를 갖는다.
보다 바람직하게는, 본 발명에서, 용매는 20.40 초과의 초기 탈착 속도를 갖는다.
본 발명의 바람직한 실시양태에 따르면, 용매는 1.05 초과의 순환 용량을 갖는다.
보다 바람직하게는, 본 발명에서, 용매는 1.20 초과의 순환 용량을 갖는다.
본 발명의 바람직한 실시양태에 따르면, 용매는 110℃에서 0의 린 로딩(lean loading)을 갖는다.
본 발명의 바람직한 실시양태에 따르면, 용매는 30℃에서 10mPa·s 미만의 점도를 갖는다.
본 발명의 바람직한 실시양태에 따르면, 용매는 실온에서 9.5 내지 11.0 pKa의 범위의 알칼리도를 갖는다.
본 발명의 하나의 양태에 따르면, 가스 혼합물로부터 이산화탄소를 추출하기 위한 용매를 제공하며, 상기 용매는 DEAE, HMDA, 및 PEI를 포함하고, 여기서 DEAE는 3.6M 내지 4.5M의 범위의 몰 농도로 존재하고, HMDA는 0.15M 내지 0.5M의 범위의 몰 농도로 존재한다.
보다 바람직하게는, 본 발명에서, DEAE는 3.3M 내지 3.9M의 범위의 몰 농도로 존재하고, HMDA는 0.3M 내지 0.5M의 범위의 몰 농도로 존재하고, PEI는 0.005M 내지 0.015M의 범위의 몰 농도로 존재한다.
가장 바람직하게는, 본 발명에서, PEI는 0.01M의 몰 농도로 존재한다.
본 발명의 하나의 양태에 따르면, 연도 가스 배출 공급원으로부터 이산화탄소를 포함하는 연도 가스를 수집하는 단계, 및 상기 연도 가스에 존재하는 상기 이산화탄소 가스의 적어도 일부를 제거하기에 충분한 기간 동안 본 발명의 바람직한 실시양태에 따른 용매에 수집된 연도 가스를 노출시키는 단계를 포함하는, 탄소 포집을 수행하는 방법이 제공된다.
본 발명의 하나의 양태에 따르면, 연도 가스 배출 공급원으로부터의 이산화탄소를 포함하는 연도 가스를 수집하는 단계; 및 상기 연도 가스에 존재하는 상기 이산화탄소 가스의 적어도 일부를 제거하기에 충분한 기간 동안 본 발명의 바람직한 실시양태에 따른 용매에 수집된 연도 가스를 노출시키는 단계를 포함하는 탄소 포집을 수행하는 방법을 수행하도록 구성된 부품들을 포함하는 탄소 포집을 수행하기 위한 장치가 제공된다.
본 발명의 하나의 양태에 따르면, 연도 가스 배출 공급원으로부터의 이산화탄소를 포함하는 연도 가스를 수집하는 단계; 및 상기 연도 가스에 존재하는 상기 이산화탄소 가스의 적어도 일부를 제거하기에 충분한 기간 동안 본 발명의 바람직한 실시양태에 따른 용매에 수집된 연도 가스를 노출시키는 단계를 포함하는 탄소 포집을 수행하는 방법을 수행하도록 구성된 부품들을 포함하는 탄소 포집을 수행하기 위한 시스템이 제공된다.
본 발명의 하나의 양태에 따르면, 탄소 포집을 수행하기 위한 본 발명의 바람직한 실시양태에 따른 용매의 용도가 제공된다.
본 발명의 하나의 양태에 따르면, 가스 혼합물로부터 이산화탄소를 추출하기 위한 용매가 제공되며, 상기 용매는 다음의 것을 포함한다:
(a) (R1)(R2)N(CnH2n-OH)의 화학식을 갖는 3차 아민인, 2.0M 내지 4.0M의 범위의 몰 농도의 화합물 I로서, 상기 식에서, R1 및 R2는 독립적으로 1 내지 6의 탄소수를 갖는 선형 또는 분지형 알킬기이고, n은 1 내지 6의 정수인 화합물 I;
(b) NH2-(CmH2m)-NH2의 화학식을 갖는 2개의 1차 아미노기를 포함하는, 0.1M 내지 1.0M의 범위의 몰 농도의 화합물 II로서, 상기 식에서, m은 2 내지 10의 정수인 화합물 II;
(c) 0.001M 내지 0.5M의 범위의 몰 농도의 폴리에틸렌이민 (PEI); 및
(d) 물.
본 발명의 바람직한 실시양태에 따르면, 화합물 I은 (R1)(R2)N(CnH2n-OH)의 화학식을 갖는 3차 아민이고, 상기 식에서, R1 및 R2는 독립적으로 2 내지 4의 탄소수를 갖는 선형 또는 분지형 알킬기이다.
본 발명의 바람직한 실시양태에 따르면, 화합물 I은 (R1)(R2)N(CnH2n-OH)의 화학식을 갖는 3차 아민이고, 상기 식에서, R1 및 R2는 독립적으로 1 내지 6의 탄소수를 갖는 선형 또는 분지형 알킬기이고, n은 2 내지 4의 정수이다.
본 발명의 바람직한 실시양태에 따르면, 화합물 II는 NH2-(CmH2m)-NH2의 화학식을 갖는 2개의 1차 아미노기를 포함하고, 상기 식에서, m은 4 내지 8의 정수이다.
본 발명의 하나의 양태에 따르면, 가스 혼합물로부터 이산화탄소를 추출하기 위해 사용될 수 있는 용매가 제공된다. 본 발명의 바람직한 실시양태에 따르면, 용매는 디에틸아미노에탄올 (DEAE), 헥사메틸렌디아민 (HMDA), 폴리에틸렌이민 (PEI), 및 물 중 하나 이상을 포함한다.
일부 바람직한 실시양태에서, DEAE의 몰 농도는 2.0M 내지 4.0M의 범위이다. 일부 바람직한 실시양태에서, HMDA의 몰 농도는 0.1M 내지 1.0M의 범위이다. 일부 바람직한 실시양태에서, PEI의 몰 농도는 0.001M 내지 0.5M의 범위이다. 일부 바람직한 실시양태에서, 용매의 총 몰 농도는 2.101M 내지 5.5M의 범위이다. 본 기술분야의 당업자가 이해할 것인 바와 같이, 용매의 총 몰 농도는 물을 제외한, 용매를 형성하는 화합물의 농도를 지칭한다.
일부 바람직한 실시양태에서, 용매는 디에틸아미노에탄올 (DEAE), 헥사메틸렌디아민 (HMDA), 폴리에틸렌이민 (PEI), 및 물로 본질적으로 이루어진다. 일부 바람직한 실시양태에서, DEAE의 몰 농도는 3.6M이고, HMDA의 몰 농도는 0.4M이고, PEI의 몰 농도는 0.01M이다.
본 발명의 바람직한 실시양태에 따르면, PEI는 분지형 PEI이다. 본 발명의 바람직한 실시양태에 따르면, PEI의 몰 질량은 400g/mol 내지 1200g/mol의 범위이다. 바람직하게는, PEI의 몰 질량은 600g/mol 내지 1000g/mol의 범위이다. 일부 바람직한 실시양태에서, PEI에 대한 몰 질량은 대략 800g/mol이다.
일부 바람직한 실시양태에서, PEI는 CAS 등록 번호 CAS #25987-06-8을 갖는다.
일부 바람직한 실시양태에서, 용매는 30℃에서 10mPa·s 미만의 점도를 갖는다. 일부 바람직한 실시양태에서, 용매는 실온에서 9.5 내지 11.0 pKa의 범위의 알칼리도를 갖는다.
유리하게는, 용매의 일부 바람직한 실시양태는 MEA의 것보다 약 3.85배 더 낮은 열 부하를 가질 수 있다. 예를 들어, 용매의 일부 바람직한 실시양태는 약 160 kJ/mol CO2 미만 (예를 들어, 약 138.9 kJ/mol CO2 미만)의 열 부하를 가질 수 있다. 이는 용매를 사용하는 탄소 포집 방법, 시스템 및/또는 장치에 대한 에너지 투입 비용 및 운행 비용을 크게 감소시킬 수 있다.
유리하게는, 용매의 일부 바람직한 실시양태는 MEA의 것보다 약 37% 더 높은 초기 흡수 속도를 가질 수 있다. 예를 들어, 용매의 일부 바람직한 실시양태는 약 0.45보다 더 큰 (예를 들어, 약 0.48보다 더 큰) 초기 흡수 속도 (단위 )를 가질 수 있다. 이는 용매를 사용하는 탄소 포집 시스템 및/또는 장치의 크기 및/또는 비용을 감소시킬 수 있다.
유리하게는, 용매의 일부 바람직한 실시양태는 MEA의 것보다 약 3.85배 더 높은 초기 탈착 속도를 가질 수 있다. 예를 들어, 용매의 일부 바람직한 실시양태는 약 18.0보다 더 큰 (예를 들어, 약 20.41보다 더 큰) 초기 탈착 속도 (단위 )를 가질 수 있다. 이는 용매를 사용하는 탄소 포집 시스템 및/또는 장치의 크기 및/또는 비용을 감소시킬 수 있다.
유리하게는, 용매의 일부 바람직한 실시양태는 MEA의 것보다 85% 더 높은 순환 용량을 가질 수 있다. 예를 들어, 용매의 일부 바람직한 실시양태는 1.15보다 더 큰 (예를 들어, 약 1.20보다 더 큰) 순환 용량 (단위 )을 가질 수 있다. 이는 탄소 포집 공정에 필요한 용매의 부피를 감소시킬 수 있고, 용매를 사용하는 탄소 포집 시스템 및/또는 장치의 크기 및/또는 비용을 감소시킬 수 있다.
유리하게는, 용매의 일부 바람직한 실시양태는 110℃에서 대략 0의 린 로딩을 가질 수 있다. 이는 더 낮은 상대 온도에서 포집된 CO2의 거의 완전한 방출을 달성하는 데 도움이 될 수 있고, 이는 용매를 사용하는 시스템 및/또는 장치의 에너지 요건을 추가로 감소시킬 것으로 예상된다.
본 발명의 바람직한 실시양태에 따르면, 용매는 하기 특성 중 어느 하나 이상을 가질 수 있다: 160 kJ/mol CO2 미만의 열 부하, 0.40 초과의 초기 흡수 속도, 18.0 초과의 초기 탈착 속도, 1.05 초과의 순환 용량, 110℃에서의 0의 린 로딩, 30℃에서의 10mPa·s 미만의 점도, 및 실온에서의 9.5 내지 11.0 pKa의 범위의 알칼리도.
본 발명의 바람직한 실시양태에 따르면, 용매는 하기 특성 중 어느 하나 이상을 가질 수 있다: 138.9 kJ/mol CO2 미만의 열 부하, 0.48 초과의 초기 흡수 속도, 20.40 초과의 초기 탈착 속도, 1.20 초과의 순환 용량, 110℃에서의 0의 린 로딩, 30℃에서의 10mPa·s 미만의 점도, 및 실온에서의 9.5 내지 11.0 pKa의 범위의 알칼리도.
본 발명의 다른 양태는 탄소 포집을 수행하는 방법에 관한 것이다. 상기 방법은 연도 가스 배출 공급원으로부터 연도 가스를 수집하는 단계, 및 수집된 연도 가스와 본원에 기재된 용매를 반응시키는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 양태는 탄소 포집을 수행하기 위한 시스템에 관한 것이다. 바람직하게는, 이러한 시스템은 본원에 기재된 용매를 사용하여 탄소 포집을 수행하는 방법을 수행하도록 구성된 부품들을 포함한다. 본 발명의 다른 양태는 탄소 포집을 수행하기 위한 장치에 관한 것이다. 바람직하게는, 이러한 장치는 본원에 기재된 용매를 사용하여 탄소 포집을 수행하는 방법을 수행하도록 구성된 부품들을 포함한다.
본 발명의 다른 양태는 연도 가스 배출 공급원으로부터 이산화탄소를 포함하는 연도 가스를 수집하고, 상기 연도 가스에 존재하는 상기 이산화탄소 가스의 적어도 일부를 제거하기에 충분한 기간 동안 상기 용매에 수집된 연도 가스를 노출시킴으로써 탄소 포집을 수행하기 위한 본 발명의 바람직한 실시양태에 따른 용매의 용도에 관한 것이다.
본 발명의 추가적인 양태는 다음의 설명의 관점에서 명백할 것이다.
본 발명의 실시양태의 특징 및 장점은 다음의 첨부된 도면과 조합하여 하기 상세한 설명으로부터 명백하게 될 것이다:
(a) 도 1은 본 발명의 바람직한 실시양태에 따른 탄소 포집의 방법을 도시하는 흐름도이다.
(b) 도 2는 본 발명의 다양한 예시적인 용매의 흡수 및 탈착 특성을 측정하기 위한 발명자들에 의해 사용되는 실험 셋업을 도시한다.
(c) 도 3a는 도 2의 실험 셋업을 사용하여 발명자들에 의해 수행되는 실험에 의해 생성된 5M MEA 용매의 흡수 프로파일을 도시한다.
(d) 도 3b는 도 2의 실험 셋업을 사용하여 발명자들에 의해 수행되는 실험에 의해 생성된 5M MEA 용매의 탈착 프로파일을 도시한다.
(e) 도 3c는 도 2의 실험 셋업을 사용하여 발명자들에 의해 수행되는 실험에 의해 생성된 3.6M DEAE + 0.4M HMDA + 0.01M PEI 용매의 흡수 프로파일을 도시한다.
(f) 도 3d는 도 2의 실험 셋업을 사용하여 발명자들에 의해 수행되는 실험에 의해 생성된 3.6M DEAE + 0.4M HMDA + 0.01M PEI 용매의 탈착 프로파일을 도시한다.
(g) 도 4는 기본 MEA 용매와 비교되는 본 발명의 다양한 예시적인 용매의 흡수 성능 및 탈착 성능의 플롯이다.
(h) 도 5는 본 발명의 다양한 예시적인 용매의 아민 분해 및 NH3 방출을 평가하기 위해 사용되는 실험 셋업을 도시한다.
(i) 도 6은 본 발명의 다양한 예시적인 용매의 실험적으로 측정된 NH3 방출 프로파일을 나타낸다.
(j) 도 7은 180시간 분해 후 다양한 용매의 시간당 평균화된 NH3 방출을 나타낸다.
(k) 도 8은 본 발명의 다양한 예시적인 용매의 실험적으로 측정된 분해 대 시간 프로파일을 나타낸다.
(l) 도 9는 본 발명의 다양한 예시적인 용매의 분해 속도를 비교하는 막대 그래프이다.
(m) 도 10a는 110℃에서 3.6M DEAE + 0.4M HMDA + 0.01M PEI 용매 및 MEA 용매의 온도 프로파일의 비교를 나타내는 그래프이다.
(n) 도 10b는 120℃에서 3.6M DEAE + 0.4M HMDA + 0.01M PEI 용매 및 MEA 용매의 온도 프로파일의 비교를 나타내는 그래프이다.
하기의 설명 및 본원에 기재된 실시양태는 본 발명의 원리의 특정 실시양태의 예 또는 예들의 예시로 제공된다. 본 발명의 하기의 설명에서, 여러 예들이 제공되며, 특정한 상세살명은 본 발명의 완전한 이해를 제공하기 위해 제한이 아닌 설명의 목적을 위해 제시된다. 본 기술분야의 당업자는 잘 알려진 방법, 절차 및/또는 성분이 논의되는 발명에 초점에 맞추어 기재되지 않을 수 있음을 쉽게 이해할 것이다. 따라서, 일부 경우에, 특정 구조 및 기술은 발명이 모호하게 되지 않도록 상세하게 기재되거나 나타내지 않았다.
탄소 포집 공정에서의 아민의 성능 (예를 들어, 아민 분해에 대한 그것의 내성 및 그에 따른 방출)은 아민의 작용기와 그것이 아민 구조에 배치되는 방식에 크게 좌우될 수 있다는 것으로 결정되었다. 상이한 아민에서의 상이한 작용기의 화학 구조 배치 및 CO2 흡수 속도 및 탈착 속도, CO2 순환 용량, 열 부하, 아민 분해, 오프-가스 방출 (특히 NH3), 부식, 및 발포에 대한 그것의 영향을 기록하고 평가하였다. 주어진 용매에서의 성분의 상호작용이 용매의 전반적인 성능에 영향을 미칠 수 있음을 주목하였다. 그것의 가능한 상호작용에 기반하여 주어진 탄소 포집 용매의 다양한 성분들을 신중하게 선별하여 탄소 포집에 사용되는 알려진 용매를 능가하는 신규한 용매 시스템을 개발하였다.
상기 사실의 관점과 본원의 임의의 곳에 보다 상세하게 기재된 바와 같이, 본 발명자들은 탄소 포집 응용분야에 사용되는 종래의 용매 (예를 들어, 5M MEA)를 실질적으로 능가하는 용매 조성물을 실시하기 위해 배합하고 감축시켰다. 맥락에서 달리 나타내지 않는 한, 이러한 용매 조성물은 본원에서 용매로서 지칭될 수 있다. 본원에 사용되는 바와 같은 용어 용매는 화합물 또는 복수의 화합물의 블렌드 또는 혼합물(즉, "용매 블렌드" 또는 "용매 혼합물")일 수 있다. 본원에 기재된 바와 같은 탄소 포집 용매는 통상적으로 "화합물 I"로서 본원에 지칭될 수 있는 제1 화합물, 및/또는 "화합물 II"로서 본원에 지칭될 수 있는 제2 화합물을 포함한다. 본 기술분야의 당업자는 또한 용매가 액체, 보다 바람직하게는 균질한 액체를 지칭하기 위한 것을 의미하는 것으로 이해할 것이다.
본 발명의 바람직한 실시양태에 따르면, 화합물 I은 (R1)(R2)N(CnH2n-OH)의 화학식을 갖는 3차 아민이고, 상기 식에서 R1 는 R2는 독립적으로 1 내지 6, 바람직하게는 2 내지 4의 탄소수를 갖는 선형 또는 분지형 알킬기이고, n은 1 내지 6, 바람직하게는 2 내지 4의 정수이다. 본 발명의 바람직한 실시양태에 따르면, 화합물 I은 예를 들어 디에틸아미노에탄올일 수 있다.
본원에 사용되는 바와 같이, 용어 "디에틸아미노에탄올" 또는 "DEAE"는 그것의 아미노 질소가 2개의 에틸기 및 하나의 에틸-아미노기에 연결되는 3차 아민을 지칭한다. 구체적으로, 2개(2)의 에틸 치환기는 분자의 아미노 질소에 추가 전자 밀도를 제공하는 전자 공여 특성을 갖는다. 아미노기 반응 중심에서의 풍부한 전자는 CO2와 아민 반응성을 향상시킬 수 있다. 이에 따라, DEAE의 아미노 질소에 공급된 추가적인 전자는 CO2와의 그것의 반응 흡수 속도를 증가시킨다. 유리하게는, DEAE의 흡수 속도는 그것의 분자가 더 약한 전자 공여성 메틸 치환기만을 함유하는 MDEA와 같은 종래의 3차 아민의 것보다 더 높다.
유리하게는, DEAE는 또한 빠른 CO2 탈착 속도를 갖는다. 빠른 탈착 속도는 또한 아민 구조에서의 2개의 에틸 치환기에 기인할 수 있다. DEAE가 3차 아민이기 때문에, 중탄산염 (HCO3 -) 및 탄산염 (CO3 2-)은 유일하게 흡수 반응으로부터 형성된다. 2개의 음이온성 생성물의 음전하로 인하여, 이는 또한 용액에서 또한 발생된 양성자화된 아민에 이끌려진다. 이러한 인력은 아민의 탈착 능력을 결정하고 이로써 하전된 종들 간의 정전기 인력이 약할수록 탈착 속도는 더 양호하고 더 빨라진다. DEAE의 경우, 전자 공여 특성을 갖는 2개(2)의 에틸 치환기의 존재는 이온성 인력을 약하게 한다. 2개(2)의 에틸 치환기에 의한 양성자화된 아민의 질소에 공급되는 전자는 HCO3 - 및 CO3 2를 밀어낸다. 반발력은 2개(2)의 이온성 종의 분자 분해로 이어지고, 이는 이후 CO2를 방출한다. 반면, 종래의 3차 아민 예컨대 MDEA는 그것의 양성자화된 구성요소와 2개(2)의 탄산염 간의 인력을 약하게 하는 동일한 능력을 가지지 않는다 (즉, 질소에 동일한 전자 밀도를 제공할 수 없는 덜 효율적인 메틸기로 인하여, 이에 따라 탈착 공정이 덜 효율적이다).
본 발명의 바람직한 실시양태에 따르면, 화합물 II는 NH2-(CmH2m)-NH2의 화학식을 갖는 2개의 1차 아미노기를 포함하고, 여기서 m은 2 내지 10, 바람직하게는 4 내지 8의 정수이다. 본 발명의 바람직한 실시양태에 따르면, 화합물 II는 예를 들어 헥사메틸렌디아민일 수 있다.
본원에 사용되는 바와 같이, 용어 "헥사메틸렌디아민" 또는 "HMDA"는 그것의 분자가 6개(6)의 탄소에 의해 서로 연결되는 2개(2)의 1차 아미노기를 포함하는 디아민을 지칭한다. HMDA 구조에서의 두 1차 아미노기는 CO2 흡수 반응이 일어나는 최대 2개(2)의 활성 부위를 제공할 수 있다. 이는 또한 HMDA의 1개(1)의 분자가 CO2의 최대 2개(2)의 분자를 취할 수 있다는 것을 의미한다. 종래의 1차 아민 예컨대 MEA와 비교하면, CO2는 MEA 분자 상의 반응성 반응 부위의 수에 대한 CO2 접근이 1개(1)로 제한되고, 이에 따라 흡수 반응은 1개(1)의 분자 CO2 기준으로 1개(1)의 분자 MEA에서만 일어난다. 그러므로, HMDA는 MEA로부터 얻어지는 것보다 사이클당 흡수되는 CO2 양을 증가시키는 데 도움이 된다.
본 발명의 바람직한 실시양태에 따르면, 본원에 기재된 탄소 포집 용매는 또한 상기 기재된 화합물 I 및/또는 화합물 II 이외에 하나 이상의 추가적인 화합물을 포함할수 있다. 예를 들어, 본원에 기재된 탄소 포집 용매는 폴리에틸렌이민을 포함할 수 있다.
본원에 사용되는 바와 같이, 용어 "폴리에틸렌이민" 또는 "PEI"는 그것의 구조가 다음의 것을 포함하는 중합체성 아민을 지칭한다: (a) 분지형 중합체성 구조에 둘러싸인 1차, 2차, 및 3차 아민의 복수의 기; (b) 분지형 중합체성 구조에 둘러싸인 1차 및 3차 아민의 복수의 기; 또는 (c) 선형 중합체성 구조에서의 2차 아민의 복수의 기. 1차, 2차, 3차 아미노기 모두를 갖는 분지형 폴리에틸렌이민이 본 발명의 일부 실시양태에서 바람직하다. PEI의 흡수 특성은 그것의 1차 및 2차 아미노기에 의해 유리하며 한편 2차 및 3차 아미노기는 CO2의 그것의 탈착을 용이하게 한다. 본 발명의 바람직한 실시양태에 따르면, PEI는 흡수 반응에서 CO2에 대한 친화성을 갖는 최대 15개(15)의 활성 아미노기를 갖는다. 이는 PEI의 아민 분자당 포집되는 CO2 양이 그것의 CO2 용량이 각각 0.5 및 1로 제한되는 것으로 알려진 MEA 및 MDEA와 같은 종래의 아민의 것을 훨씬 능가할 수 있다는 것을 의미한다. 따라서, PEI의 CO2 포집 용량은 단일 아민의 것보다 7배 더 클 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시양태에 따르면, 탄소 포집 용매는 디에틸아미노에탄올 (DEAE), 헥사메틸렌디아민 (HMDA), 및 폴리에틸렌이민 (PEI) 중 하나 이상을 포함한다. 예를 들어, 탄소 포집 용매 블렌드는 디에틸아미노에탄올 (DEAE), 헥사메틸렌디아민 (HMDA), 및 폴리에틸렌이민 (PEI) 중 하나 이상을 포함하는 수용액일 수 있다.
일부 실시양태에서, 용매는 2.0M 내지 4.0M의 범위의 몰 농도 (예를 들어, 2.0M, 2.05M, 2.10M, 2.15M, 2.20M, 2.25M, 2.30M, 2.35M, 2.40M, 2.45M, 2.50M, 2.55M, 2.60M, 2.65M, 2.70M, 2.75M, 2.80M, 2.85M, 2.90M, 2.95M, 3.00M, 3.05M, 3.10M, 3.15M, 3.20M, 3.25M, 3.30M, 3.35M, 3.40M, 3.45M, 3.50M, 3.55M, 3.60M, 3.65M, 3.70M, 3.75M, 3.80M, 3.85M, 3.90M, 3.95M, 4.00M, 또는 그 사이의 임의의 값)을 갖는 DEAE를 포함한다.
일부 실시양태에서, 용매는 0.10M 내지 1.00M의 범위의 몰 농도 (예를 들어, 0.10M, 0.15M, 0.20M, 0.25M, 0.30M, 0.35M, 0.40M, 0.45M, 0.50M, 0.55M, 0.60M, 0.65M, 0.70M, 0.75M, 0.80M, 0.85M, 0.90M, 0.95M, 1.00M, 또는 그 사이의 임의의 값)을 갖는 HMDA를 포함한다.
일부 실시양태에서, 용매는 0.005M 내지 0.50M의 범위의 몰 농도 (예를 들어, 0.005M, 0.01M, 0.015M, 0.02M, 0.025M, 0.03M, 0.035M, 0.04M, 0.045M, 0.05M, 0.10M, 0.15M, 0.20M, 0.25M, 0.30M, 0.35M, 0.40M, 0.45M, 0.50M, 또는 그 사이의 임의의 값)을 갖는 PEI를 포함한다.
일부 실시양태에서, 용매는 약 750 Da 내지 약 850 Da의 분자량 (예를 들어, 800 Da)을 갖는 PEI를 포함한다. 일부 실시양태에서, 용매에서의 PEI의 반복 단위의 수는 약 1.5이다. 일부 경우에, PEI의 몰 질량이 너무 높은 경우, 이는 용매의 점성을 매우 높아지게 하여, 일부 경우에 탄소 포집 응용분야에 대해 최적이 되지 못하게 할 수 있다.
일부 실시양태에서, 용매는 5.5M 또는 그 미만의 총 몰 농도를 갖는다 (즉, 이를 초과하면 침전 문제 및 상 분리 문제가 발생될 수 있다). 일부 실시양태에서, 용매는 약 4.0M (예를 들어, ±0.01M 이내)의 총 몰 농도를 갖는다. 일부 실시양태에서, 용매는 3.6M DEAE, 0.4M HMDA, 및 0.01M PEI (예를 들어, DEAE, HMDA, 및 PEI의 각각에 대해 ±0.001M 이내)를 포함한다.
일부 실시양태에서, 용매는 110℃에서 ~0의 린 로딩을 갖는다 (즉, 용매가 0에 가까운 린 로딩을 달성하면서 상대적으로 더 낮은 온도에서 사용될 수 있음을 의미함).
일부 실시양태에서, 용매는 30℃에서 10mPa·s 미만의 점도 (예를 들어, 30℃에서 9.5mPa·s, 9.0mPa·s, 8.5mPa·s, 8.0mPa·s, 7.5mPa·s, 7.0mPa·s, 6.5mPa·s, 6.0mPa·s, 5.5mPa·s, 5.0mPa·s, 4.5mPa·s, 4.0mPa·s, 3.5mPa·s, 3.0mPa·s, 2.5mPa·s, 2.0mPa·s, 1.5mPa·s, 1.0mPa·s, 또는 이들 사이의 임의의 값)을 갖는다.
일부 실시양태에서, 용매는 실온에서 9.5 내지 11.0 pKa의 범위의 알칼리도 (예를 들어, 실온에서 9.55pKa, 9.60pKa, 9.65pKa, 9.70pKa, 9.75pKa, 9.80pKa, 9.85pKa, 9.90pKa, 9.95pKa, 10.00pKa, 10.05pKa, 10.10pKa, 10.15pKa, 10.20pKa, 10.25pKa, 10.30pKa, 10.35pKa, 10.40pKa, 10.45pKa, 10.50pKa, 10.55pKa, 10.60pKa, 10.65pKa, 10.70pKa, 10.75pKa, 10.80pKa, 10.85pKa, 10.90pKa, 10.95pKa, 또는 이들 사이의 임의의 값)을 갖는다.
질소 반응성 부위 주변에서 전자 밀도를 증가시키는 작용기가 CO2 흡수 속도를 증가시킬 수 있음을 주목하였다. 일부 경우에, 복수의 아민기를 갖는 아민은 또한 이용 가능한 질소 반응성 부위의 증가된 수로 인하여 CO2 흡수 속도를 증가시키는 것이 인지되었다. 또한, 많은 수의 아미노기가 아민의 CO2 흡수 용량을 증가시켰음을 주목하였다. 이 사실에 기반하여, 용매 블렌드에 디아민 예컨대 HMDA를 포함시켜 빠른 CO2 흡수 동역학의 장점을 제공할 수 있는 것으로 평가되었다.
놀랍게도 그리고 예상 외로, PEI, 복수의 아민 중합체는, 용매 블렌드에 포함되는 경우, 탄소 포집 및 격리에 사용하기 위해 용매 품질을 실질적으로 개선시켰음을 발견하였다. 본 발명의 바람직한 실시양태에 따르면, 약 15개(15)의 아민기를 갖는 분지형 PEI는 용매 블렌드의 CO2 흡수 동역학 및 CO2 운반 용량을 증가시켰다. PEI는 높은 점성의 아민이고, 바람직하게는 약 0.3M 이하의 농도에서 사용될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시양태에 따라 그리고 용매 블렌드의 탈착 양태를 다루기 위해, 고성능 탈착 능력을 갖는 성분을 용매에 혼입하였다. 높은 탈착 성능을 갖는 것으로 통상적으로 알려진 3차 아민은 중심 질소 원자 상의 수소 원자의 부재로 인하여 낮은 흡수 성능을 가지는 것으로 인식되었다. 이러한 관점에서, 그것의 구조가 종래의 3차 아민보다 더 빠르게 CO2를 흡수할 수 있게 하는 3차 아민을 용매에 혼입하였다. 중심 질소 원자 상에서 치환된 2개의 에틸기의 존재는 그것의 전자 밀도와 이에 따른 CO2에 대한 그것의 반응성을 증가시키는 것으로 결정되었다. 이를 달성하기 위해, 매우 높은 스트리핑(stripping) 능력 및 적합한 구조를 갖는 화합물인 DEAE는 용매 블렌드의 일부로서 혼입되었다. 부분적으로 그것의 상대적으로 낮은 점성 특징으로 인해, DEAE는 그것의 독특한 특성에 기반하여 전체 혼합물에 대해 상승작용적 장점을 제공하기 위해 상대적으로 더 높은 농도로 사용될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시양태에 따르면, 본원에 기재된 용매는 탄소 포집 공정에 사용되는 종래의 용매에 비해 개선된 성능을 제공한다. 예를 들어, 본원에 기재된 일부 용매 블렌드는 종래의 MEA 용매의 것보다 최대 약 37% 더 높은 초기 CO2 흡수 속도를 제공한다 (예를 들어, 아래에 기재된 용매 23은 5M MEA보다 더 높은 초기 CO2 흡수 속도를 가졌다). 다른 예로서, 본원에 기재된 일부 용매 블렌드는 종래의 MEA 용매의 것보다 최대 약 3.85배 더 높은 초기 CO2 탈착 속도를 제공한다. 다른 예로서, 본원에 기재된 일부 용매 블렌드는 종래의 MEA 용매의 것보다 최대 약 85% 더 높은 순환 용량을 제공한다. 다른 예로서, 본원에 기재된 일부 용매 블렌드는 종래의 MEA 용매의 것보다 훨씬 더 낮은 NH3 방출 속도를 갖는다.
본원에 기재된 바람직한 용매에 의해 제공되는 다른 추가적인 비제한적인 장점은 다른 알려진 조성물의 하기 임의의 특정 특성을 참조하여 아래에 보다 상세하게 기재되어 있다:
· 해당 혼합물에서 일어나는 용해도 문제를 해결하고 이에 의해 더 많은 CO2를 흡수하기 위해 PZ에 대한 몰농도를 넓히는 데 HMDA가 도움이 되는 HMDA-PZ 용매와 비교하면, 본원에 기재된 용매는 촉진제로서 HMDA를 사용하고 이에 의해 흡수 속도를 증가시키고;
· DEAE가 촉진제로서 사용되는 다른 용매 배합물과 비교하면, DEAE는 CO2 흡수 용량을 증가시킬 뿐만 아니라 더 낮은 온도에서 제로에 근접하는 린 로딩이 달성되도록 탈착 성능을 향상시키기 위해 본원에 기재된 용매 블렌드의 주 성분으로서 사용되었고;
· DEAE에 의한 역할이 명확하게 정의되지 않은 다른 용매 배합물과 비교하면, 본원에 기재된 용매에서 DEAE의 역할은 CO2 흡수 용량을 증가시키고, 점도 저하제로서 역할을 하고, 더 낮은 온도에서 제로에 근접하는 린 로딩을 달성하기 위해 우수한 탈착 성능을 제공하는 역할을 하는 것이고;
· 1 bar 또는 그 초과에서 제공되는 흡수 공정 및/또는 0.01 bar 그리고 그 초과에서 제공되는 탈착 공정을 필요로 하는 다른 용매 배합물 (즉, 다른 용매 배합물은 가압된 CO2 포집 시스템을 필요로 할 수 있음)과 비교하면, 본원에 기재된 용매는 대기압 및 가압된 CO2 흡수 시스템 둘 모두에서 사용될 수 있고;
· CO2 흡수 속도를 증가시키기 위해 촉진제로서 DEAE를 사용하는 다른 용매 배합물 (예를 들어, DEAE, PZ 또는 그것의 유도체, 및 알칼리 염을 포함하는 용매 조성물)과 비교하면, 본원에 기재된 용매는 그것의 특유의 특성에 기반하여 전체 혼합물에 상승작용적 장점을 제공하는 HMDA 및/또는 PEI를 포함할 수 있다 (즉, 종래의 용매 혼합물에 대한 DEAE의 기여뿐만 아니라 다른 성분, PZ 및/또는 알칼리 염과의 그것의 상호작용은 종래에 사용되는 것과 2개의 전체적으로 상이한 용매를 포함하는 본원에 기재된 용매 혼합물에서의 것과 상이할 것이다).
HMDA는 탄소 포집과 관련된 응용분야에 사용하기 위해 제안되었지만, 기존의 기술은 고체 흡착제와 관련하여 HMDA를 사용하고, 이상 세정 용액에서 HMDA를 사용하고, 클러스터 안정화제로서 HMDA를 사용하는 것으로 제한된다.
PEI는 탄소 포집과 관련된 응용분야에 사용하기 위해 제안되었지만, 기존의 기술은 CO2 흡착을 위한 아민 고체 흡착제에서 PEI를 사용하는 것 (예를 들어, 아민이 고체 물질 예컨대 그래핀 산화물 또는 비다공성 탄소에 대해 작용화되는 탄소 포집층의 일부로서 PEI를 사용하는 것)으로 제한된다.
본 발명의 다른 양태는 본원에 기재된 용매를 사용하는 탄소 포집 방법을 제공한다. 도 1은 바람직한 실시양태에 따른 탄소 포집을 수행하는 방법(100)을 도시하는 흐름도이다. 방법(100)은 단계(1000)에서 시작되고, 여기서 연도 가스는 하나 이상의 CO2 공급원 (예를 들어, 산업 시설, 플랜트, 기게, 엔진 등)으로부터 수집된다. 연도 가스는 단계(1000)에서 임의의 적합한 방법을 사용하여 수집될 수 있다. 단계(1000)에서 연도 가스를 수집한 후, 방법(100)은 단계(1100)으로 진행된다. 단계(1100)에서, 용매는 수집된 연도 가스와 반응되어 연도 가스의 나머지로부터 CO2를 분리한다. 용매는 본 발명에 따른 바람직한 용매 중 어느 하나인 것으로 이해된다. 일부 실시양태에서, 단계(1100)은 하기의 것 중 하나 이상을 포함하는 용매 블렌드와 수집된 연도 가스를 반응시키는 것을 포함한다: 디에틸아미노에탄올 (DEAE), 헥사메틸렌디아민 (HMDA), 및 폴리에틸렌이민 (PEI). 일부 실시양태에서, 단계(1100)은 디에틸아미노에탄올 (DEAE), 헥사메틸렌디아민 (HMDA), 및 폴리에틸렌이민 (PEI)을 포함하는 용매 블렌드와 수집된 연도 가스를 반응시키는 것을 포함한다. 일부 실시양태에서, 단계(1100)은 디에틸아미노에탄올 (DEAE), 헥사메틸렌디아민 (HMDA), 및 폴리에틸렌이민 (PEI)을 포함하는 수용액과 수집된 연도 가스를 반응시키는 것을 포함한다. 단계(1100)은 디에틸아미노에탄올 (DEAE), 헥사메틸렌디아민 (HMDA) 및/또는 폴리에틸렌이민 (PEI)을 포함하는 용매와 수집된 연도 가스를 반응시키는 것을 포함할 수 있고, 여기서 각각의 화합물은 임의의 적합한 농도 (예를 들어, 본원에 기재된 임의의 농도)를 가질 수 있다.
단계(1100)에서 용매와 수집된 연도 가스를 반응시킨 후, 방법(100)은, 일부 실시양태에서, 하기의 선택적인 단계 (나타내지 않음) 중 하나 이상으로 진행될 수 있다: 리치 용매(rich solvent)로부터 포집된 CO2를 스트리핑시켜 용매 블렌드를 재생시키는 단계, 대기로 깨끗한 연도 가스를 배출시키는 단계, 지질 형성물(geological formation)에 스트리핑된 CO2를 주입하는 단계 등.
본 발명의 다른 양태는 상기 기재된 종류의 탄소 포집 방법을 실행하도록 구성될 수 있는 시스템 및/또는 장치를 포함한다.
상기 기재된 예시적인 양태 이외에, 본 발명은 하기 실시예에 추가로 기재되며, 이는 본 발명의 이해에 도움이 되도록 제시되며, 하기에 후속되는 청구항에 정의된 발명의 범위를 임의의 방식으로 제한하는 것으로 해석되지 않아야 한다.
실시예
탄소 포집 공정에 사용하기 위한 상이한 용매의 이용 가능성을 평가하였다. 실험에서, 사전 결정된 질량의 아민/아민들을 탈이온수와 혼합하여 다양한 아민 수용액을 원하는 조건으로 제조하였다. 아민/아민들은 하기 화합물 중 하나 이상으로 이루어졌다: 2-디에틸아미노에탄올 (DEAE), 헥사메틸렌디아민 (HMDA), 폴리에틸렌이민 (PEI, 분지), 2-디메틸아미노에탄올 (DMAE), 및 모노에탄올아민 (MEA).
실험에서, 아민의 용액의 농도 및 용액의 CO2 로딩을 확인하기 위해 지시약으로서 메틸 오렌지를 사용하는 적정을 위해 1M 염산 (HCl, Fisher Chemical)을 사용하였다. 실험에서, 황산 (H2SO4, >67%, Fisher Chemical)을 사용하여 아민 분해 반응으로부터 방출된 오프-가스에서의 NH3의 수집을 위한 임핀저 용액을 제조하였다. 연구 등급의 100% CO2, 100% O2, 공기, 및 100% N2는 모두 산업적 등급이었고, Linde (캐나다 서스캐처원 리자이나 소재)로부터 공급받았다. 발명자들이 질량 유량계 (Cole-Parmer, 캐나다 소재)에 의해 조정되고 제어되는 이러한 실험을 위해 필요한 사전 결정된 체적 유량의 개별 가스들을 혼합함으로써 실험에 사용되는 원하는 공급 가스 농도를 얻었다. 혼합된 가스 스트림에서의 모든 성분들의 최종 농도는 적외선 기반 다중-가스 분석기 (Nova Analytical Systems, 캐나다 소재)를 사용하여 발명자들에 의해 확인되었다.
실험에 사용되는 용매의 조성은 아래의 표 1에 나타나 있다:
실시예 1 - 흡수 실험
용매의 CO2 흡수 속도를 평가하여 표 1에 열거하였다. 도 2에 나타난 장치를 사용하여 실험을 수행하여 CO2 흡수 속도를 평가하였다. 장치는 중간 목에 설치된 응축기, 아민 용액 온도 측정을 위한 하나의 목에서의 온도계, 및 가스의 공급을 위한 다른 목의 가스 분산 튜브를 가진 3목 둥근 바닥 플라스크를 가진다.
각각의 흡수 실험의 시작시, 플라스크에 포함된 150 ml의 제조된 아민 용액을 아민 용액이 40 ±℃의 온도에 도달되도록 오일 배스에 완전하게 담갔다. 가스 (4% CO2 및 96% N2)를 이후 300 ml/min (±2 정확도)의 일정한 유량에서 가스 분산 튜브를 통해 용액에서 버블링시켰다. 샘플을 이후 첫 번재 1 시간 동안 10분의 주기적인 간격으로, 이후 9시간의 종료까지 30분 간격으로 취하였다. 9시간차에 기록된 최종 로딩은 리치 로딩(rich loading)으로서 취하였다. 각 기간 동안 CO2 로딩을 얻기 위해 치틱(Chittick) 장치를 사용하여 샘플을 분석하였고, CO2 로딩 대 시간의 플롯은 데이터에 기반하여 일반화되었다.
흡수 프로파일의 선형 구간의 기울기를 사용하여 초기 흡수 속도 (mol CO2/L.solution)를 확립하였고, 이는 본질적으로 총 아민 농도가 곱해진 기울기이다. 초기 흡수 속도는 기울기에 아민 농도를 곱하여 계산된다. 예를 들어, 5M MEA의 흡수 프로파일은 도 3a에 나타나 있고, 이러한 용액의 초기 흡수 속도는 아래의 하기 식 (1)에 나타난 바와 같이 계산된다:
다양한 상이한 용매의 CO2 흡수 속도 및 리치 로딩은 아래의 표 2에 열겨되어 있다.
실시예 2 - 탈착 실험
용매의 CO2 탈착 속도는 또한 평가되어 표 1에 열거되어 있다. 탈착 실험에서, 흡수 실험으로부터 얻은 리치 아민 용액으로부터 주지된 부피 (76ml)를 측정하였다. 흡수 실험을 위해 사용되는 동일한 셋업을 이 실험에 대해 사용하였다. 그러나, 이 실험에서, 도 1에 나타난 가스 분산 튜브를 제거하고, 목을 밀봉하였다. 탈착 실험의 시작시, 플라스크를 전체적으로 예열된 오일 배스에 담그고, 110 ± 2℃의 탈착 온도에 도달되게 하였다. 가열 시간은 대략 5분이었다. 샘플을 ~4, 5, 7, 9, 12 및 20분 시점에 플라스크로부터 취하였다. 그 이후, 린 로딩을 얻기 위해 110℃에서 평형화에 이를 때까지 10분의 간격으로 샘플을 취하였다.
초기 탈착 속도를 탈착의 선형 구간의 기울기를 결정하여 계산하였고, 그 이유는 제거 가능한 CO2의 대부분이 이 구간 내에서 제거되었기 때문이다. 예를 들어, 5M MEA의 탈착 프로파일은 도 3b에 나타나 있고, 초기 탈착 속도는 아래의 하기 식 (2)에 나타난 아민 농도를 기울기에 곱하여 계산되었다:
다양한 상이한 용매의 CO2 탈착 속도는 아래의 표 2에 열거되어 있다.
실시예 3 - 열 부하 결정
표 1에 열거된 다양한 용매의 각각의 경우, 가열 속도 및 CO2 탈착 속도에 기반하여 용매의 열 부하를 결정하였다. 5분의 기간 (즉, 탈착 동역학 프로파일의 선형 부분)에 걸쳐 탈착 과정에서 제거된 CO2의 양에 대한 정상 상태 열 전달의 비율을 결정함으로써 열 부하를 결정하였다. 하기 식 (3)에 나타난 바와 같은 오일 배스로부터 공급되는 열을 계산하기 위해 분자 열 전달의 푸리에 식을 사용함:
상기 식에서, q는 J/s 단위의 정상 상태에서의 열 전달 속도이고, k는 W/m K 단위의 플라스크 물질에 대해 사용되는 Pyrex 유리의 열 전도도이고, A는 m2 단위의 열 흐름 방향에 대해 수직한 단면적이고, dT/dx는 온도 구배 (K-1 m-1)이다. 온도 차이인 dT는 오일 온도와 플라스크의 내벽 온도 사이의 차이로서 취하였고, 한편 dx는 유리 벽 두께이었다. 열 부하를 이후 하기 식 (4)를 사용하여 계산하였다:
예를 들어, 기본 5M MEA에 대한 열 부하를 다음과 같이 계산한다:
다양한 상이한 용매의 열 부하는 아래의 표 2에 열거되어 있다.
실시예 4 - 순환 용량 결정
표 1에 열거된 용매 각각에 대해, 리치 로딩, 린 로딩, 및 아민의 몰 농도에 기반하여 용매의 순환 용량을 결정하였다. 순환 용량은 얼마나 많은 CO2가 순환시 제거되었는지와 관련된다. 순환 용량을 하기 식 (5)를 사용하여 계산한다:
예를 들어, 5M MEA에 대한 순환 용량을 다음과 같이 계산한다:
다양한 상이한 용매 블렌드의 순환 용량은 아래의 표 2에 열거되어 있다.
이 실험에서 사용된 1차 성능 지표는 초기 흡수 속도, 순환 용량, 초기 탈착 속도 및 열 부하이다. 시험의 과정에서, 하기의 2개의 다른 인자를 추가하였다 - CO2가 로딩된 후의 아민 용액의 침전 및 상 분리. 이러한 2개의 추가적인 인자는 각각이 CO2 포집 공정 동안의 파이프 폐색, 장비 오염, 및 증가된 펌핑 전력 요건과 같은 운행 문제를 일으킬 수 있기 때문에 매우 중요하다.
실험으로부터, 용매 1, 3 및 4가 기본 MEA보다 더 높은 흡수 성능 (흡수 속도 및 리치 로딩)뿐만 아니라 더 높은 탈착 속도 및 더 낮은 열 부하를 가진 것이 관찰되었다. 전반적으로, 이러한 용매는 기본 MEA보다 더 양호한 성능을 가진다. 그러나, CO2가 로딩되고, 하루 동안 정치시킨 후, 용매 1, 3 및 4는 침전되었다.
또한, 용매 10, 11, 12, 14 및 15가 모든 측면에서 기본 MEA를 능가하는 것이 관찰되었다. 표 2에 나타난 바와 같이, 이러한 용매는 MEA와 비교할 때 더 높은 흡수 속도, 더 높은 리치 로딩, 더 높은 탈착 속도, 더 높은 순환 용량 및 더 낮은 열 부하를 가졌다. 이러한 용매가 양호한 성능을 나타내었지만, 흡수 실험의 종료 후 리치-로딩된 용액의 상 분리가 관찰되었다.
용매 2, 5, 6, 7 및 8의 경우, 이러한 카테고리에서 용매에 대한 흡수 속도는 발명자들에 의해 MEA에 대한 것과 유사하거나 더 낮은 것으로 관찰되었다. 용매 6을 제외하고, 이러한 용매에 대한 리치 로딩은 MEA의 것과 유사하거나 더 높았다. 이러한 용매에 대한 탈착 속도, 순환 용량 및 열 부하는 모두 MEA보다 낮았고, 용매 5를 제외하고, MEA의 것보다 더 높은 탈착 속도 및 순환 용량뿐만 아니라 더 낮은 열 부하를 가졌다 (예를 들어, 표 2 참조). 이러한 카테고리에서의 용매는 DMAE를 포함하였고, 이의 비점은 133℃이다. 이 실험에 대해 사용되는 탈착 온도뿐만 아니라 탈착의 통상적인 운행 온도(110℃-120℃)를 고려하여, DMAE를 사용하면 그것의 비점으로 인해 높은 아민 손실을 초래할 수 있는 것으로 가정하였다.
용매 9는 MEA보다 상대적으로 더 낮은 성능을 가지는 것으로 관찰되었다. 다른 한편, 용매 13은 표 2에 나타난 바와 같이 기본 MEA보다 더 양호한 성능을 가지는 것으로 관찰되었다. 이러한 그룹에서의 용매는 2M-3M의 범위의 총 농도를 가졌다. 낮은 아민 농도를 사용하는 것은 더 높은 용매 순환 속도가 요구될 것이다.
MEA보다 더 낮은 리치 로딩을 가지는 것 이외에도, 용매 20 및 21은 MEA보다 상당하게 더 높은 탈착 속도, 순환 용량 및 상당하게 더 낮은 열 부하를 가지는 것이 관찰되었다 (예를 들어, 표 2 참조). 높은 리치 로딩은 아민이 상당한 양의 CO2를 더 쉽게 탈착시킬 수 있는 경우에 유용하게 된다. 이 그룹에서의 용매들이 MEA보다 더 낮은 리치 로딩을 가졌지만, 그것의 높은 스트리핑 능력으로 인해, 제거되는 CO2의 양은 MEA의 것보다 더 높고, 그의 리치 로딩은 높지만, 그것의 CO2 탈착 속도/스트리핑 능력이 더 낮다는 것은 언급할 가치가 있는 것이다.
용매 16은 MEA보다 더 낮은 리치 로딩을 가지는 것이 관찰되었다. 그러나, 다른 성능 지표의 관점에서, 이러한 용매는 MEA를 능가하였다. 흡수 속도의 관점에서, 용매 16은 MEA보다 37% 더 높은 흡수 속도를 가졌다. 순환 용량의 경우, 용매 16은 MEA보다 66% 더 높았다. 탈착 속도의 관점에서, 용매 16은 MEA의 것의 ~3.7배이었고, 반면 이러한 용매에 대한 열 부하는 MEA보다 ~3.7배 더 낮았다 (예를 들어, 표 2 참조). 이러한 용매에 대해 얻은 린 로딩은 MEA에 대한 것과 달리 제로에 매우 근접하였다.
용매 17은 흡수 속도를 향상시키기 위해 배합물에서 HMDA의 기여도를 증가시키도록 조정되었다. PEI를 첨가하여 흡수 용량뿐만 아니라 흡수 속도를 증가시켰다. 결과는 이러한 용매에 대한 흡수 속도는 MEA보다 14% 더 높았음을 나타낸다. 그러나, 그것의 리치 로딩은 MEA보다 더 낮았다. 탈착과 관련하여, 그것의 탈착 속도는 MEA의 것의 ~3.8배이었다. 열 부하와 관련하여, 그것의 열 부하는 MEA의 것의 ~3.8배 더 낮았다. 대략 제로의 린 로딩의 경우, 그것의 순환 용량은 MEA의 것보다 76% 더 높았다 (예를 들어, 표 2 참조). HMDA 및 PEI의 기여도는 명확하게 현저하지 않았고, 주로 농도가 더 높았다는 사실로 인하여, 이에 의해 물질 전달 제한 또한 증가되었다. 그러나, 배합물에서의 DEAE의 농도를 증가시키는 것은 탈착 속도뿐만 아니라 순환 용량을 향상시켰다.
용매 18은 5M의 총 농도 및 9의 DEAE/HMDA 비를 유지하면서 PEI의 농도를 증가시키기 위해 조정되었다. 이러한 조정은 흡수를 지원하지 않지만, 오히려 용매 17과 비교할 때, 탈착 성능을 감소시켰음을 주목하였다. 이러한 용매에 대한 결과는 여전히 기본 용매 MEA보다 더 높은 성능을 나타낸다. 흡수 속도와 관련하여, 용매 18은 MEA보다 14% 더 높고, 탈착 속도는 MEA의 것의 ~3.5배이고, 그것의 열 부하는 MEA보다 ~3.5배 더 낮을 뿐만 아니라 그것의 순환 용량은 MEA의 것보다 76% 더 높다 (예를 들어, 표 2 참조).
용매 19는 5M의 총 농도 및 9의 DEAE/HMDA 비를 유지하면서 PEI의 농도를 추가로 증가시키기 위해 조정되었다. 이러한 조정은 흡수를 지원하지 않지만, 오히려 용매 17과 비교할 때, 탈착 성능을 감소시켰음을 주목하였다. 이러한 용매에 대한 결과는 여전히 기본 용매 MEA보다 더 높은 성능을 나타낸다. 다른 한편, 순환 용량은 용매 18과 비교할 때, 약간 증가하였다. 흡수 속도와 관련하여, 용매 19는 MEA보다 14% 더 높고, 탈착 속도는 MEA의 것의 ~3.6배이고, 그것의 열 부하는 MEA보다 ~3.6배 더 낮을 뿐만 아니라 그것의 순환 용량은 MEA의 것보다 85% 더 높다 (예를 들어, 표 2 참조).
용매 22는 3.85M DEAE, 0.15M HMDA 및 0.015M PEI로 이루어졌다. 상당한 개선을 없었다. 결과는 용매 22가 MEA보다 14% 더 높은 흡수 속도, MEA의 ~3.6배의 탈착 속도, MEA보다 ~3.6배 더 낮은 열 부하, MEA보다 66% 더 높은 순환 용량을 가졌음을 나타낸다 (예를 들어, 표 2 참조).
용매 23은 3.6M DEAE, 0.4M HMDA 및 0.01M PEI로 이루어졌다. 이 용매에서 확립된 DEAE/HMDA 비는 용매 17, 18 및 19에서의 비의 것과 유사하다. 물질 전달 제한을 감소시키기 위해, 그리고 블렌드에서 성분들의 상승작용적 장점을 알아 볼 수 있도록 농도를 4M로 감소시켰다. 결과는 용매 23이 모든 다른 용매뿐만 아니라 기본 MEA에 비해 모든 측면에서 가장 높은 성능을 가졌음을 나타낸다. 초기 흡수 속도의 경우, 용매 23은 MEA보다 37% 더 높았고; 초기 탈착 속도의 경우, 그것은 MEA의 것의 ~3.85배이었고; 순환 용량의 경우, 그것은 MEA보다 85% 더 높았고, 열 부하는 MEA보다 ~3.85배 더 낮았다 (예를 들어, 표 2 참조).
용매 24는 3.6M DEAE, 0.4M HMDA 및 0.015M PEI로 이루어졌다. 블렌드에서의 PEI의 농도는 용매 23과 비교하여 0.01M로부터 0.015M까지 증가되었다. 결과는 PEI의 농도를 증가시키는 것은 성능을 개선시키지 못하였음을 나타낸다. 초기 흡수 속도의 경우, 용매 24는 MEA보다 37% 더 높았고; 초기 탈착 속도의 경우, 그것은 MEA의 것의 ~3.64배이었고; 순환 용량의 경우, 그것은 MEA보다 85% 더 높았고, 열 부하는 MEA보다 ~3.64배 더 낮았다 (예를 들어, 표 2 참조).
용매 25는 3.6M DEAE 및 0.4M HMDA로 이루어졌다. 초기 흡수 속도의 경우, 용매 25는 MEA보다 26% 더 높았고; 초기 탈착 속도의 경우, 그것은 MEA의 것의 ~3.77배이었고; 순환 용량의 경우, 그것은 MEA보다 85% 더 높았고, 열 부하는 MEA보다 ~3.77배 더 낮았다 (예를 들어, 표 2 참조).
다양한 용매의 성능을 측정하는 방법을 개발하였다. 상기 방법은 흡수 성능뿐만 아니라 탈착 성능을 설명할 수 있는 흡수 파라미터와 탈착 파라미터와 다양한 성능 기준을 조합하는 것을 포함한다. 흡수 파라미터는 흡수 속도 (10-2 mol CO2/L.soltn)로서 정의되었다. 탈착 파라미터는 하기 식 (6)에 제시된 바와 같은 탈착 속도, 순환 용량 및 열 부하의 조합으로서 정의되었다:
도 4는 표 1에 열거된 용매에 대한 탈착 성능에 대해 플롯팅된 흡수 성능 (즉, 흡수 파라미터 및 탈착 파라미터에 기반함)을 나타낸다. 우측 상단 모서리의 용매는 높은 흡수 성능뿐만 아니라 높은 탈착 성능 둘 모두를 갖는 용매이다. 차트는 시험되는 모든 아민의 흡수 및 탈착 성능을 요약하고 있다. 차트로부터, 용매 23은 가장 높은 흡수 및 탈착 성능을 가진다. 이러한 2개의 파라미터에 기반하여, 이러한 용매는 실제 CO2 포집 조건하에서의 파일럿 플랜트에서의 추가의 분해 및 방출 시험을 위해 선택되었다.
실시예 5 - 아민 분해 및 암모니아 (NH 3 ) 방출 시험
표 1에 열거된 여러 용매의 암모니아 방출을 평가하기 위해 실험을 실시하였다. 도 5는 아민 분해 및 NH3 방출을 평가하기 위한 실험 셋업을 도시하는 개략도이다. 도 5에 도시된 실험 셋업을 사용하여 수행되는 실험에서, 사전 결정된 질량의 원하는 아민 성분과 탈이온수를 혼합함으로써 원하는 농도 및 CO2 로딩의 원하는 아민 용액 250 mL를 준비하였다. 원하는 CO2 로딩 (각 아민 용액의 원하는 CO2 로딩은 리치 및 린 CO2 로딩의 평균이었음)이 얻어질 때까지 CO2 가스를 아민 용액을 통해 버블링시켰다. 아민의 CO2 로딩값의 확인을 1 kmol/m3 HCl의 표준 용액에 대한 적정에 의해 실시하였고, 이에 의해 CO2는 유리되었고, NaCl/NaHCO3/메틸 오렌지 혼합물을 대체하여 그것의 양에 대해 측정하였다. 로딩을 1몰 아민당 mol CO2 기준으로 계산하였다. 250 mL 아민 용액을 반응 플라스크에 배치하였고, 제어 온도 수조에서 60±2℃까지 가온시켰다. 유입구 공급 가스의 온도와 그것의 유출구의 온도가 동등하게 제어되도록 설계된 응축기를 반응 플라스크 개구 중 하나에 연결하였다. 이는 아민/물이 증발 및 공급-가스 캐리-오버(carry-over)에 의해 손실되는 것을 방지하는 데 도움이 되었다. 용액이 설정 온도에 도달되었을 때, 로터미터 (AaLBORG, 0-500 ml/min ± 1.5% 오차의 범위를 갖는 모델 GFC-17)에 의해 200±2 mL/min의 유량으로 설정된 10% O2 (나머지 N2)를 포함하도록 예비 혼합된 공급 가스를 가스 확산기를 통해 물 포화기에서, 마지막으로 반응 플라스크에서의 용액에서 순차적으로 버블링시켰다. 4주 동안 반응이 지속적으로 진행되도록 유지시키고 그 동안 분해된 아민 샘플을 매일 수집하였고, GC/MS 및 HPLC에 아민 농도 분석을 위해 이송시켰고, 이 둘 모두는 분해에 대해 시험하기 위해 캐나다 소재의 Agilent Technologies로부터 구입하였다.
아민의 오프-가스 방출을 평가하기 위해, 반응으로부터 발생한 기체 NH3를 또한 가능한 분해 반응으로부터 생성된 오프-가스로부터 수집하였다. 반응 플라스크에 직접적으로 부착된 응축기의 유출구는 아민 분해 반응으로부터 형성된 NH3를 포집하기 위해 50 mL의 0.05 M H2SO4로 채워진 임핀저 병(impinger bottle)의 유입구에 연결되었다. 임핀저 병을 샘플링 과정 전체 시간 동안 얼음 배스에서 유지시켜 방출된 모든 NH3가 임핀저 용액에 완전하게 수집되는 것을 보장하였다. 임핀저의 유출구는 또한 로터미터에 연결되고 그리고 이후 공급 가스 유량에 대해 설정된 것과 유사하게 200±2 mL/min로 설정된 진공 펌프에 연결되었다. 2개(2)의 유량의 일치는 NH3가 과소/과다 샘플링되는 것을 방지하기 위해 필요하였다. 샘플링을 한 시간 동안 지속하였고 그 이후 임핀저를 응축기 유출구와 완전하게 분리시켰다. 임핀저 용액을 이후 100 mL 체적 플라스크로 이송시켰다. 새로운 0.05M H2SO4 용액을 또한 사용하여 임핀저 병을 세정하고 이를 이후 100 mL 플라스크에 다시 부었다. 플라스크에 마지막으로 100 mL 표시까지 H2SO4를 채웠다. NH3를 1시간차, 3시간차, 5시간차, 24시간차 및 27시간차에 시작하여 상이한 시간 간격으로 수집하였고, 그 이후 수집을 14일 동안 1일 1회 실행하였다. 암모니아/질산염 분석기 (Timberline 모델 TL-2800)을 사용하는 분석을 위해 이송시키기 전에 냉장고에 수집된 샘플을 배치하였다.
도 6은 하기 용매 블렌드의 NH3 방출 프로파일을 나타낸다: 5 mol/L MEA, 3.6 mol/L DEAE + 0.4 mol/L HMDA + 0.01 mol/L PEI, 3.6 mol/L DEAE + 0.4 mol/L HMDA + 0.015 mol/L PEI, 3.6 mol/L DEAE + 0.4 mol/L HMDA, 1 mol/L HMDA, 및 1 mol/L DEAE.
도 6은 방출되는 가장 많은 양의 NH3는 O2 분해의 결과로서 MEA 용액으로부터 기인한 것임을 나타낸다. 도 6에 기반하면, MEA는 용액이 720시간 (30일) 동안 O2에 의해 분해된 후 112 내지 360 ppmv의 범위의 NH3를 방출하였다. 3.6 mol/L DEAE + 0.4 mol/L HMDA + 0.01 mol/L PEI 혼합 용매 (용매 23)의 분해 반응으로부터 유래된 NH3의 방출이 또한 도 6에 나타나 있다. 혼합된 용매 (용매 23)은 720시간 동안 8 내지 22 ppmv의 범위의 NH3를 방출하였다. 혼합된 용매 (용매 23)의 방출은 MEA의 것보다 적어도 한(1) 자릿수(order of magnitude) 적은 것임이 분명하다. 이는 용매가 분해에 대해 양호한 저항성을 갖고/갖거나 산화적 분해로부터 발생된 NH3를 액상으로 유지시킬 수 있음을 나타낸다. 3.6 mol/L DEAE + 0.4 mol/L HMDA + 0.015 mol/L PEI 혼합 용매는 도 6에 또한 나타난 바와 같이 용매 23 혼합물 (0.01 mol/L PEI를 가짐)의 것과 유사한 범위의 NH3 방출을 나타내었다.
3.6 mol/L DEAE + 0.4 mol/L HMDA만을 포함하는 혼합물은 4 내지 22 ppmv의 NH3를 방출하였고, 이는 또한 이 실험에서 시험된 블렌딩된 아민의 것과 동일하였다. 1 mol/L HMDA 및 1 mol/L DEAE를 포함하는 단일 아민을 또한 도 6에 포함된 그것의 NH3 방출 프로파일을 사용하여 시험하였다. 2개의 단일 아민의 방출 범위는 각각 13 내지 134 ppmv 및 2 내지 10 ppmv이었다.
도 7은 도 6의 용매 블렌드의 시간당 평균화된 NH3 방출을 나타낸다. 블렌딩된 아민의 경우, 3.6 mol/L DEAE + 0.4 mol/L, 3.6 mol/L DEAE + 0.4 mol/L HMDA + 0.010 mol/L PEI, 및 3.6 mol/L DEAE + 0.4 mol/L HMDA + 0.05 mol/L PEI의 방출은 각각 10, 12, 및 11 ppmv인 평균화된 방출과 같았다. 모든 블렌딩된 아민은 그것의 시간당 방출된 평균 NH3가 233 ppmv인 5 mol/L MEA의 것보다 더 낮은 방출을 가졌다. 1 mol/L HMDA 및 1 mol/L DEAE는 또한 도 7에 포함된 그것의 NH3 방출 프로파일을 사용하여 시험하였다. 도 7에 또한 포함된 1 mol/L HMDA 및 1 mol/L DEAE의 평균화된 방출은 각각 73 및 4 ppmv이었다.
도 8은 5M MEA, 1M HMDA, 1M DEAE, 3.6 mol/L DEAE + 0.4 mol/L, 3.6 mol/L DEAE + 0.4 mol/L HMDA + 0.010 mol/L PEI, 및 3.6 mol/L DEAE + 0.4 mol/L HMDA + 0.05 mol/L PEI인 모든 시험되는 용매의 분해 - 시간 프로파일을 나타낸다. 도 8에 기반하면, 그래프의 기울기는 MEA가 720시간 분해 시간 내에 5M로부터 대략 3.4M까지 감소되는 그것의 농도로 가장 빠른 속도로 분해되었음을 나타낸다. 3.6 mol/L DEAE + 0.4 mol/L, 3.6 mol/L DEAE + 0.4 mol/L HMDA + 0.010 mol/L PEI, 및 3.6 mol/L DEAE + 0.4 mol/L HMDA + 0.05 mol/L PEI의 모든 블렌딩된 아민은 덜 가파른 분해 - 시간 프로파일 기울기로부터 분명하게 알 수 있는 바와 같이 더 느린 속도로 분해되었다. 1M DEAE는 블렌드의 것과 유사한 속도로 분해되었고, 한편 1M HMDA는 본 연구에서 시험되는 모든 아민과 비교하여 가장 느린 속도로 분해되었다.
도 9는 720시간 동안 O2 가스와 접촉된 후 모든 용매의 전체 분해 속도를 비교한다. 블렌딩된 용매는 그들 모두가 MEA의 것보다 60 - 75% 더 느린 속도로 분해되므로 벤치마크 MEA를 능가하였음이 분명하다. 도 9에 기반하면, MEA, 3.6 mol/L DEAE + 0.4 mol/L, 3.6 mol/L DEAE + 0.4 mol/L HMDA + 0.010 mol/L PEI, 및 3.6 mol/L DEAE + 0.4 mol/L HMDA + 0.05 mol/L PEI의 분해 속도는 각각 0.0032, 0.0008, 0.0013, 및 0.0011 M/h이다. 1M HMDA 및 1M DEAE의 분해 속도는 또한 비교를 위해 동일한 도면에 포함된다. 1M HMDA 및 1M DEAE에 대한 속도는 각각 0.0002 및 0.0013 M/h이다.
실시예 6 - 점도, 밀도, 열전도도, 열 용량
아래의 표 3-5에 나타난 바와 같이 30℃ - 50℃의 온도 범위에서 로딩되지 않은, 로딩된 그리고 중간 로딩된 샘플에 대한 상이한 용매 (즉, 고성능 용매)에 대해 점도, 밀도, 열전도도, 및 열 용량을 측정하였다.
Digital Anton Paar 마이크로 점도계 모델 (Lovis-2000 M/ME)를 사용하여 mPas 단위의 점도를 측정하였다. 이러한 마이크로 점도계는 볼이 액체로 채워진 모세관을 통과하는 데 소요되는 시간을 측정하기 위해 3개의 유도 센서를 이용하는 롤링 볼 원리(rolling ball principle)를 사용하여 작동한다. 고품질 탈이온수를 사용하여 각 실행 후 장비를 보정하였다. 각각의 측정 이전에, 설정 온도가 평형 조건에 도달될 때까지 샘플을 점도계 내에 유지시켰다. 정확도는 점도에 대해 0.5% 이내이고 그리고 온도에 대해 ±0.02℃ 이내이었다.
밀도에 대해 0.00001 g/cm3 및 온도에 대해 0.01℃의 정확도를 갖는 Anton Paar로부터의 DMA 4500M을 사용하여 밀도를 측정하였다. 측정을 위한 장비를 사용하기 전에, 장비를 검증하고 보정하기 위해 공기 및 물 점검을 실시하였다. 고품질 탈이온수를 사용하여 각 실행 후 장비를 보정하였다. 각각의 측정 이전에, 설정 온도가 평형 조건에 도달될 때까지 샘플을 점도계 내에 유지시켰다.
박형 백금 와이어를 아민 샘플에 함침시키고, 와이어의 내열성 프로파일이 시간과 관련되는지 여부를 측정하였다. 아민 샘플의 온도-시간 프로파일을 일반화하였다. 이러한 플롯을 사용하여 열전도도, 열확산도 및 열 용량을 결정하였다. 열전도도 및 확산도를 온도가 안정화될 때 초기에 구체적으로 측정한 후, 이후 열확산도 및 열 용량 (D= K / (ρ Cp))의 보정을 사용하여, 열 용량은 상이한 시간 간격으로 계산될 것이다. 열 용량의 측정은 상이한 온도에서 열 용량의 후속 계산을 위해 밀도-온도 프로파일을 플롯팅할 수 있는 소프트웨어에 대한 3-4개의 온도에서의 샘플의 사전 결정된 밀도 값의 입력을 필요로 한다는 것을 유의하여야 한다. 이는 밀도 측정으로부터 얻은 밀도 데이터를 사용하여 제공되었다. 열 특성의 적어도 3개의 반복된 측정값을 각 샘플에 대해 취하였고, 이의 그것의 평균화된 값을 사용하고 기록하였다.
아래의 표 3은 30℃, 40℃ 및 50℃에서 다양한 아민 용매의 밀도를 나타낸다.
표 4는 30℃, 40℃ 및 50℃에서 다양한 용매의 점도를 나타낸다.
표 5는 30℃, 40℃ 및 50℃에서 다양한 용매의 열전도도, 확산도 및 열 용량을 나타낸다.
실시예 7 - 물질 전달 계수
일반적으로 사용되는 용매인 MEA에 대한 본 발명의 바람직한 실시양태에 따른 용매의 성능을 평가할 수 있도록 파일럿 플랜트 시험을 실시하였다. 용매 23 (3.6M DEAE + 0.4M HMDA + 0.01M PEI) 및 MEA를 파일럿 플랜트에서 전체 사이클로 실행하여 실제 조건에 근사하게 모사하였다.
3.6M DEAE + 0.4M HMDA + 0.01M PEI 용매의 CO2 포집 성능의 결과를 전체 흡수-탈착 사이클 파일럿 플랜트로부터 얻었다. 3.6M DEAE + 0.4M HMDA + 0.01M PEI 용매에 대한 성능 실행을 110℃ 및 120℃에서 수행하였고, 5 MEA 용매와 비교하여 또한 3.6M DEAE + 0.4M HMDA + 0.01M PEI 용매에 대해 사용되는 것과 동일한 파일럿 플랜트 및 조건을 사용하여 실행하였다. MEA의 이러한 시험을 수행하였고 이로써 그것의 성능은 동일한 온도에서 3.6M DEAE + 0.4M HMDA + 0.01M PEI 용매와 비교하기 위해 사용될 수 있었다.
각 실시의 초기에, 원하는 농도 및 유량의 아민 용액을 가변 속도 기어 펌프를 통해 저장 탱크로부터 흡수기(absorber)의 상단으로 펌핑한다. 한편, 히터를 켜고 탈착기(desorber)로 유입되기 전에 흡수기로부터 리치 아민을 가열시키기 위해 사용되는 원하는 온도 설정점으로 설정하였다. 아민 용매 순환이 설정되었을 때, 선택된 CO2 분압 및 농도에서의 CO2, N2 및 공기 가스의 혼합물을 이후 가스 흐름을 개별적으로 제어하는 가스 흐름 미터(gas flow meter)를 통해 흡수기 컬럼의 하단으로 주입시킨다.
이는 향류 방식으로 아래로 흐르는 액체 아민에 가스가 접촉될 수 있게 한다. 처리된 가스는 컬럼의 상단에서 배출되고, 한편 리치 아민 용매는 흡수기 하단에서 배출되어, CO2의 탈착을 위해 탈착기로 재유입되기 전에 (탈착기의 하단에서 나오는) 고온의 린 아민 스트림에 의해 예열된다. CO2는 히터 (리보일러)로부터 공급되는 열에 의해 탈착기에서 리치 아민으로부터 탈착된다. 탈착기의 하단으로부터 현재 배출되는 린 아민은 린-리치 열 교환기 및 냉각기에 의해 냉각되고, 지속되는 사이클 동안 흡수기 컬럼으로 공급된다.
탈착기의 상단에서의 CO2 생성물 가스를 응축기에 의해 냉각시켜 임의의 동반된 물/아민을 제거하고, 공기로 배기되기 전에 건조시킨다. 시스템이 정상 상태에 도달되었을 때, 적정 및 CO2 대체 기술을 사용하여 CO2 로딩 분석을 위해 리치 및 린 아민 샘플 둘 모두를 취한다. 컬럼의 높이에 따라 설치된 J-유형 열전대를 사용하는 흡수기 컬럼의 높이에 따라 온도 프로파일 판독값을 또한 취한다. 실행에 사용되는 용매의 성능은 CO2 생성 속도, 흡수기 효율, 열 부하, 가스 및 액체 물질 전달 계수의 관점에서 표시된다.
15% CO2를 포함하는 공급 가스의 25 SLPM의 유량에 대해 플랜트를 설계하였다. 아민의 액체 유량을 50 mL/min로 설정하였다. 두 실행 온도에 대해 사용되는 조건은 25 SLPM의 공급 가스 유량 및 50 mL/min의 액체 아민 유량이었다. 연도 가스에서의 CO2 농도는 4%이었고, 이는 플랜트를 설계하기 위해 사용되는 CO2 농도의 1/4이었다. 이용 가능한 아민의 부피는 컬럼 높이에 기반하여 4%에서 모든 CO2를 흡수할 수 있음을 의미한다. 이에 따라, 일부 기준의 경우, MEA 및 3.6M DEAE + 0.4M HMDA + 0.01M PEI 용매의 성능을 명확하게 분리하는 것이 쉽지 않을 수 있다 (대부분의 기상 파라미터 예컨대 오프-가스 농도 및 흡수기 효율이 영향을 받을 것이다). 셋업 및 가열 매체와 같은 다양한 제한을 고려하기 위해, 110℃의 탈착 온도에서 실행되는 경우에 탈착기 중의 5 psi의 압력으로 그리고 120℃에서 실행되는 경우에 탈착기 중의 10 psi의 압력으로 실험을 수행하였다. 두 재생 온도에 대한 상이한 운행 압력으로 인해, 추가되는 추가 파라미터인 압력에 기인하여 각 용매의 성능에 대한 온도의 실제 영향을 비교하는 것이 부적절하다. 더 높은 탈착 압력에서의 운행은 탈착 공정을 제한하고, 그 결과, 이러한 영향은 110℃와 비교할 때 120℃에서 더 높은 압력에서 3.6M DEAE + 0.4M HMDA + 0.01M PEI 용매 및 MEA 둘 모두에서 관찰되는 전반적으로 더 낮은 성능을 초래한다. 이에 따라, 본 연구의 이 범위 내에서, 동일한 온도에서의 3.6M DEAE + 0.4M HMDA + 0.01M PEI 용매와 MEA 사이의 비교로 비교가 제한되었다. 표 6은 시험을 위해 사용되는 실행 조건을 나타낸다.
표 6은 3.6M DEAE + 0.4M HMDA + 0.01M PEI 및 MEA 용매에 대한 실행 조건의 요약을 나타낸다.
표 7은 110℃에서 3.6M DEAE + 0.4M HMDA + 0.01M PEI 및 MEA 용매를 비교하기 위해 사용되는 성능 실행 파라미터를 요약하고 있다. 이 온도에서의 3.6M DEAE + 0.4M HMDA + 0.01M PEI 용매에 대한 값은 2회 반복한 실행으로부터의 평균화된 값이었고, 한편 MEA에 대한 값은 하나의 시험으로부터 얻었다. 3.6M DEAE + 0.4M HMDA + 0.01M PEI 용매에 대한 120℃에서의 결과는 또한 표 8에 주어진다.
각 시험을 24시간 초과 동안 실행하였다. 이는 실행이 안정적이고, 임의의 측정값을 취하기 전에 평형에 도달되는 것을 보장하기 위한 것이었다. 이 조건은 두 용매에 대해 보장되었다. 표 7 및 8은 각각 3.6M DEAE + 0.4M HMDA + 0.01M PEI 및 MEA 용매에 대해 110℃ 및 120℃에 대한 성능 실행 파라미터를 요약하고 있다.
표 7은 3.6M DEAE + 0.4M HMDA + 0.01M PEI 및 MEA에 대한 110℃에서의 성능 실행 파라미터의 요약을 나타낸다.
표 8은 3.6M DEAE + 0.4M HMDA + 0.01M PEI 및 MEA에 대한 120℃에서의 성능 실행 파라미터의 요약을 나타낸다.
흡수기 효율은 가스 및 액체 측정값 둘 모두에 기반하여 정확하게 계산될 수 있다. 가스측 효율은 흡수기에 유입되고 그리고 배출되는 CO2의 양의 차이 백분율에 의해 나타난다. 다른 한편, 액체측 효율은 흡수기에 유입되는 공급 가스로부터의 총 CO2 양과 비교되는 아민 용매로부터 흡수되고 그리고 배출되는 CO2의 양 (리치 및 린 CO2 로딩)에 기반하여 결정된다. 두 계산 방법이 사용될 수 있지만, 110℃ 및 120℃에서의 모든 3.6M DEAE + 0.4M HMDA + 0.01M PEI 용매 및 MEA 실행의 흡수기 효율은 정확한 액체측 측정값에서만 취하였다. 두 용매에 대한 가스측 효율로부터의 직접 측정값은 계산을 위해 흡수기에서 배출되는 CO2의 양을 얻기 위해 사용되는 오프-가스 CO2 농도의 불충분한 데이터 포인트로 인하여 포함되지 않았다. 이러한 데이터가 흡수기 효율을 결정하기 위해 사용되는 경우, 얻은 값에서 불확실성이 매우 높았다. 따라서, 직접 가스 측정값에 기반하여 결정되는 흡수기 효율을 사용하지 않았다. 흡수기 효율을 하기 식 (7)을 사용하여 계산하였다:
상기 식에서, , 리치 로딩, mol CO2/mol 아민
, 린 로딩, mol CO2/mol 아민
[아민], 아민 농도, mol 아민/L.soltn
아민, 아민 순환/유량, L/min
, CO2 농도, %
, 공급 가스 유량, L/min
표 7에 기반하여, 110℃에서의 3.6M DEAE + 0.4M HMDA + 0.01M PEI 및 MEA의 흡수기 효율은 93.90% 및 83.71%이다. 이는 3.6M DEAE + 0.4M HMDA + 0.01M PEI 용매를 MEA 용매와 비교할 경우 흡수기 효율의 12% 증가를 나타낸다. 3.6M DEAE + 0.4M HMDA + 0.01M PEI 용매에 대해 얻은 더 높은 흡수기 효율은 MEA를 사용한 것보다 더 짧은 흡수기를 사용하는 큰 기회를 가지는 것을 의미한다. 표 8로부터, 120℃에서의 3.6M DEAE + 0.4M HMDA + 0.01M PEI 용매 및 MEA의 흡수기 효율은 86.32% 및 76.11%이고; 이는 MEA 용매와 비교시 3.6M DEAE + 0.4M HMDA + 0.01M PEI 용매가 사용된 경우 흡수기 효율의 13% 증가를 나타낸다.
물질 전달 계수는 액체 및 가스 상 둘 모두에 기반하여 계산되었다. 기상 물질 전달 계수 (KGav) 계산은 흡수기 컬럼에 유입하는 (공급 가스 농도로부터의) 그리고 배출되는 (흡수기 오프-가스로부터의) CO2의 것인 두 CO2 농도 데이터 포인트에 기반하여 실시된다. 다른 한편, 액상 물질 전달 계수 (KLav)는 아민 용매로부터 흡수되는 그리고 탈착되는 CO2의 양에 기반하여 (리치 및 린 CO2 로딩으로부터) 결정된다. 앞서 언급한 바와 같이, 흡수기 오프-가스 CO2 농도 데이터는 KGav가 직접적으로 정확하게 계산되는 것이 가능하도록 충분하게 높지 않았다. 3.6M DEAE + 0.4M HMDA + 0.01M PEI 용매 및 MEA 둘 모두의 KGav 값을 정확하게 계산하기 위해, 3.6M DEAE + 0.4M HMDA + 0.01M PEI 및 MEA에 대해 각각 결정되는 액상 흡수기 효율을 우선 사용하여 두 용매에 대해 흡수기 오프-가스에서의 상응하는 평균 CO2 농도를 얻었다. 오프-가스 CO2 농도를 이후 KGav의 값을 계산하기 위해 시험으로부터 직접적으로 측정된 모든 다른 데이터와 함께 추가로 사용하였다.
표 7에 보여지는 바와 같이, 액체측 효율에 기반하여 결정된 3.6M DEAE + 0.4M HMDA + 0.01M PEI 용매 및 MEA 용매의 KGav는 110℃에서 각각 0.79 및 0.47 kmol/hr.m3.kPa이다. 이는 MEA에 비해 3.6M DEAE + 0.4M HMDA + 0.01M PEI 용매의 68% 향상을 나타낸다. 표 8로부터, 3.6M DEAE + 0.4M HMDA + 0.01M PEI 용매 및 MEA의 KGav는 120℃에서 각각 0.55 및 0.38 kmol/hr.m3.kPa이다. 이는 MEA에 비해 3.6M DEAE + 0.4M HMDA + 0.01M PEI 용매의 45% 향상을 나타낸다. 미니 플랜트 시험으로부터의 향상은 또한 (이전 보고서에 주어지는) 스크리닝 시험에서 MEA에 대비되는 3.6M DEAE + 0.4M HMDA + 0.01M PEI 용매를 평가하기 위해 이전에 사용된 흡수 파라미터의 향상과 일치한다. MEA의 것보다 더 높은 3.6M DEAE + 0.4M HMDA + 0.01M PEI 용매의 KGav는 CO2를 보다 효과적으로 그리고 신속하게 제거하는 3.6M DEAE + 0.4M HMDA + 0.01M PEI 용매의 능력을 나타낸다. 이는 또한 주어진 높이의 흡수기 타워의 경우 3.6M DEAE + 0.4M HMDA + 0.01M PEI 용매가 MEA보다 더 빠르게 더 많은 CO2를 제거할 수 있어야 한다는 것을 의미한다. 이는 또한 3.6M DEAE + 0.4M HMDA + 0.01M PEI 용매가 MEA가 더 긴 흡수기 컬럼에서 제거되는 것과 동일한 양의 CO2를 제거하기 위해 더 짧은 흡수기 컬럼을 필요로 한다는 것을 시사한다.
다른 한편, 3.6M DEAE + 0.4M HMDA + 0.01M PEI 용매의 KLav는 MEA의 것보다 압도적으로 더 크며, 그 값은 표 7 및 8에서 알 수 있는 바와 같이 110℃에서 2.72 hr- 및 0.52 hr- 그리고 2.33 hr- 및 0.49 hr-이다. MEA와 대비되는 3.6M DEAE + 0.4M HMDA + 0.01M PEI 용매로부터 얻은 KLav 향상은 현저하게 크며, 이는 110℃ 및 120℃에서 각각 426% 및 325%이다. KGav와 유사하게, 3.6M DEAE + 0.4M HMDA + 0.01M PEI 용매에 의해 생성된 동일한 크기 정도의 KLav 향상이 스크린 시험으로부터 또한 관찰되었다. 이는 분명하게 MEA가 동일한 정도를 가지지 않는, 3.6M DEAE + 0.4M HMDA + 0.01M PEI 용매의 우수한 CO2 흡수 및 탈착 능력을 나타낸다. 이 결과는 CO2 플랜트가 MEA 시스템에 대해 1개의 탈착기당 4개의 흡수기를 갖도록 설계되는 경우, 3.6M DEAE + 0.4M HMDA + 0.01M PEI 용매를 사용하면, 동일한 1개의 탈착기는 MEA를 처리할 것인 흡수기의 4배의 수를 취급할 수 있고, 이는 동일한 1개의 유닛 탈착기와 함께 3.6M DEAE + 0.4M HMDA + 0.01M PEI 용매는 대신 16개의 흡수기를 취급할 수 있음을 시사한다. KGav 및 KLav에 대해 사용되는 식은 다음의 식, 식 (8) 및 식 (9)로 나타난다:
상기 식에서, G1은 몰 불활성-가스 유량 (kmol/hr)이고,
P는 컬럼 압력 (kPa)이고,
yCO2, 벌크 가스에서의 CO2의 몰 분율
y*CO2, 벌크 액체와 평형을 이룬 벌크 가스에서의 CO2의 몰 분율
YCO2in, 유입 CO2의 몰비
YCO2out, 유출 CO2의 몰비
상기 식에서, 은 평균 액체 몰 플럭스 (kmol/m2hr)이고,
xAL_T는 탈착기 상단으로 유입되는 벌크 액체에서의 CO2의 몰 분율이고,
xAL_B는 탈착기 하단에서 배출되는 벌크 액체에서의 CO2의 몰 분율이고,
Z는 컬럼 높이 (단위 m)이고,
CAL, 벌크 액체에서의 평균 CO2 농도, kmol/m3
xAL은 벌크 액체에서의 CO2의 평균 몰 분율임
CA*, 벌크 가스와 평형을 이룬 액체에서의 CO2 농도
CO2 생산량은 가스 및 액체 측정값에 기반하여 계산될 수 있다. 가스측 계산은 공급 가스와 흡수기 오프-가스 사이의 CO2 농도 차이 및 가스의 유량에 기반하여 일반적으로 계산된다. 흡수기 효율 및 가스측 물질 전달 분석과 유사하게, 가스측에서의 직접 측정은 데이터가 충분하지 않았다. 이에 따라, 액체측 효율은 흡수기 오프-가스에서의 평균화된 CO2 농도를 우선 얻기 위해 사용되었고, 이는 이후 CO2 생산량 계산에 사용되었다. 액체측 CO2 생산량 계산은 간단하며, 아민 유량과 리치 및 린 CO2 로딩 간의 차이를 사용하여 결정된다. 3.6M DEAE + 0.4M HMDA + 0.01M PEI 및 MEA 용매의 가스 및 액체 측으로부터의 CO2 생산량은 110℃에서 각각 131 및 117 g/hr 그리고 120℃에서 112.5 및 99.4 g/hr이고, 이는 12% 향상을 나타낸다. 이는 마찬가지로 탈착 공정 동안 용매가 CO2를 거의 완전하게 배출할 수 있게 하는 3.6M DEAE + 0.4M HMDA + 0.01M PEI 용매의 탈착 능력에 기인한다. 심지어 110℃의 온도에서, 3.6M DEAE + 0.4M HMDA + 0.01M PEI 용매는 대략적으로 제로에 가까운 린 로딩을 가졌다는 것은 언급할 가치가 있다. 더 높은 온도인 120℃에서 운행으로는 어떠한 방식으로도 3.6M DEAE + 0.4M HMDA + 0.01M PEI 용매의 린 로딩에 영향을 미치지 못하였다. 따라서, 에너지 절약이 제시되는 110℃에서의 운행이 권장된다.
리보일러 부하(reboiler duty)는 리보일러에 유입되고 그리고 배출되는 실리콘 오일 온도 간의 차이, 열 용량 (CP), 및 유량으로부터 결정되었다. 2개의 용매 실행에 기반하여, 그것의 리보일러 부하는 대략 동일하였고, 이에 따라 평균을 취하여 두 용매의 열 부하 계산에 대해 사용하였다. 표 7 및 8에서의 열 부하 (액체측에 기반함)로서 기록된 열 손실이 없는 열 부하는 액체 분석으로부터 얻은 공급 가스로부터 제거된 각각의 아민의 CO2 양 (리치 및 린 CO2 로딩)으로 나누어지는 리보일러 부하에 기반하여 계산되었다. 3.6M DEAE + 0.4M HMDA + 0.01M PEI 용매 및 MEA의 열 부하는 110℃에서 각각 15.1 및 16.93 GJ/톤 CO2 그리고 120℃에서 20.41 및 18.03 GJ/톤 CO2이다. 이들 값은, 3.6M DEAE + 0.4M HMDA + 0.01M PEI 용매가 MEA 대신 사용되는 경우, (두 온도에 대해) 열 부하의 11% - 12% 감소에 상응한다. (직접 측정값에 기반하는) 가스측에 대한 열 부하는 앞서 설명된 부적절한 CO2 오프-가스 농도 데이터로 인하여 기록되지 않았다.
각각의 아민이 실제 상업적 포집 공정에 실제로 제공될 수 있는 실제 열 부하 값에 더 근접하게 값이 반영되도록 초기에 기재된 열 부하를 조절할 수 있게 하기 실험 과정에서의 열 손실을 측정하려 하였다. 그러나, 시험의 이 단계에서, 리보일러 주변의 열 손실만이 허용 가능한 정확도로 추정될 수 있다. 다른 영역의 열 손실은 수행하지 못하였다. 표 7 및 9에서 알 수 있는 바와 같이, 리보일러와 관련된 열 손실은 110℃ 및 120℃에서 각각 1079 kJ/hr 및 2111 kJ/hr인 것으로 추정되었다. 열 손실을 이후 사용하여 이에 따라 3.6M DEAE + 0.4M HMDA + 0.01M PEI 용매 및 MEA 용매의 열 부하 요건을 조정하였다. 다른 영역으로부터의 열 손실이 또한 열 부하 계산에 포함된다면, 이는 심지어 그것의 실제 값에 더 근접할 것인 두 아민에 대한 작은 열 부하를 초래할 것이다. 리보일러 부하 및 열 부하는 다음의 식, 식 (10) 및 식 (11)에 기반하여 계산되었다:
리보일러 부하,
상기 식에서, m은 오일의 질량 유량 (단위 kg/hr)임
Cp는 오일의 열 용량 (단위 kJ/kg℃)임
Toil in은 오일 유입구 온도 (단위 ℃)임
Toil in은 오일 유입구 온도 (단위 ℃)임
도 10a는 110℃에서 3.6M DEAE + 0.4M HMDA + 0.01M PEI 용매 및 MEA 용매의 온도 프로파일의 비교를 나타낸다. 3.6M DEAE + 0.4M HMDA + 0.01M PEI 용매 프로파일은 2회 반복된 실행의 평균에 기반하여 얻었고, 한편 MEA의 것은 단일 실행으로부터 얻었다. 두 용매에 대한 온도 증강(temperature bulge)으로 보여지는 바와 같이 컬럼의 하부 절반부에서 반응 대부분이 일어나는 것이 명확하다. 3.6M DEAE + 0.4M HMDA + 0.01M PEI 용매와 MEA 사이의 반응 온도 간의 작은 차이만이 있음을 주목하였고, 이 중 후자의 것이 몇도 더 높았다. 이는 가능하게는 3.6M DEAE + 0.4M HMDA + 0.01M PEI 용매의 것보다 더 높은 MEA의 반응 열에 기인한 것이다.
도 10b는 120℃에서 3.6M DEAE + 0.4M HMDA + 0.01M PEI 용매의 온도 프로파일을 나타낸다. 110℃에서의 실행의 것과 유사하게 컬럼의 두 번째 절반부에서 반응 대부분이 여전히 일어났다는 것이 분명하다. 그러나, 차이점은 온도 증강의 최고점이 대략 38-39℃에서 보여진다는 것이며, 이는 110℃ 실행에서 관찰된 것보다 더 낮다.
본원에서 사용된 실시예 및 상응하는 다이어그램은 단지 예시적인 목적을 위한 것이다. 평형 해리 상수의 결정과 관련하여 본원에 논의된 원리는 다른 시스템 및 장치에서 구현될 수 있다. 상이한 구성 및 용어는 본원에 표현된 원리로부터 벗어나지 않고 사용될 수 있다. 예로서, 단계, 장비, 부품, 및 모듈은 이 원리들을 벗어나지 않고 추가, 삭제, 변형 또는 재배열될 수 있다.
맥락이 명확하게 달리 요구되지 않는 한, 설명 및 청구항 전반에서: "포함하다", "포함하는" 등은 배타적인 또는 완전한 의미와 반대인 포괄적인 의미; 즉, "포함하지만, 이에 제한되지 않는"의 의미로 해석되어야 한다. 본 명세서를 기술하기 위해 사용되는 경우 "본원에서", "상기에서", "아래에서" 및 유사한 의미의 단어는 본 명세서의 임의의 특정 부분이 아닌 전체로서의 본 명세서를 언급할 것이다. 2개 이상의 항목의 목록과 관련되는 "또는"은 단어의 다음의 해석 모두를 포괄한다: 목록에서의 항목들 중 어느 하나, 목록에서의 항목들 모두, 및 목록에서의 항목들 중 임의의 조합. 단수 형태 "a", "an", 및 "the"는 또한 임의의 적절한 복수 형태의 의미를 포함한다.
성분이 상기에 언급되는 경우, 달리 나타내지 않는 한, 이 성분에 대한 언급은 이 성분의 균등물, 기재된 성분의 기능을 수행하는 임의의 성분 (즉, 이는 기능적으로 균등함)을 포함하고, 본 발명의 설명된 예시적인 구현에서 기능을 수행하는 개시된 구조 도는 조성에 대해 구조적으로 또는 조성적으로 균등하지 않은 성분을 포함하는 것으로 해석되어야 한다.
조성물, 시스템, 방법 및 장치의 특정 예는 예시 목적을 위해 본원에 기재되었다. 이들은 단지 예시이다. 여러 변경, 변형, 추가, 생략 및 순열은 본 발명의 실시 내에서 가능하다. 본 발명은 특징, 구성요소 및/또는 화학 화합물을 균등한 특징, 구성요소 및/또는 화학 화합물로 대체하는 것; 상이한 실시예로부터의 특징, 구성요소 및/또는 화학 화합물을 혼합하고 일치시키는 것; 본원에 기재된 실시예로부터의 특징, 구성요소 및/또는 화학 화합물을 다른 기술의 특징, 구성요소 및/또는 화학 화합물과 조합하는 것; 기재된 실시예로부터의 특징, 구성요소 및/또는 화학 화합물을 생략하고/하거나 조합하는 것에 의해 얻어지는 변화를 포함하는 숙련가에게 자명할 것인 기재된 조성물에 대한 변형을 포함한다.
따라서, 다음의 첨부된 청구항 및 이후에 소개되는 청구항은 합리적으로 추론될 수 있는 모든 이러한 수정, 순열, 추가, 생략 및 하위-조합을 포함하도록 해석되는 것으로 의도된다. 청구항의 범위는 실시예에 제시된 바람직한 실시양태에 의해 제한되지 않아야 하며, 그러나 전체적으로 설명과 일치되는 가장 넓은 해석이 주어져야 한다.

Claims (17)

  1. 가스 혼합물로부터 이산화탄소를 추출하기 위한 용매로서, 디에틸아미노에탄올 (DEAE), 헥사메틸렌디아민 (HMDA), 및 물을 포함하는 용매.
  2. 제1항에 있어서, 폴리에틸렌이민 (PEI)을 추가로 포함하는 용매.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 다음의 것: DEAE가 2.0M 내지 4.0M의 범위의 몰 농도로 존재하는 것, HMDA가 0.1M 내지 1.0M의 범위의 몰 농도로 존재하는 것, 또는 PEI가 0.001M 내지 0.5M의 범위의 몰 농도로 존재하는 것 중 어느 하나 이상이 존재하는 용매.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 용매의 총 몰 농도는 2.10M 내지 5.5M의 범위인 용매.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 디에틸아미노에탄올 (DEAE), 헥사메틸렌디아민 (HMDA), 폴리에틸렌이민 (PEI), 및 물로 본질적으로 이루어지는 용매.
  6. 제5항에 있어서, DEAE는 3.6M의 몰 농도로 존재하고, HMDA는 0.4M의 몰 농도로 존재하고, PEI는 0.01M의 몰 농도로 존재하는 용매.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 다음의 특성: 160 kJ/mol CO2 미만의 열 부하, 0.40 초과의 초기 흡수 속도, 18.0 초과의 초기 탈착 속도, 1.05 초과의 순환 용량, 110℃에서의 0의 린 로딩, 30℃에서의 10mPa·s 미만의 점도, 및 실온에서의 9.5 내지 11.0 pKa의 범위의 알칼리도 중 어느 하나 이상을 갖는 용매.
  8. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 다음의 특성: 138.9 kJ/mol CO2 미만의 열 부하, 0.48 초과의 초기 흡수 속도, 20.40 초과의 초기 탈착 속도, 1.20 초과의 순환 용량, 110℃에서의 0의 린 로딩, 30℃에서의 10mPa·s 미만의 점도, 및 실온에서의 9.5 내지 11.0 pKa의 범위의 알칼리도 중 어느 하나 이상을 갖는 용매.
  9. 가스 혼합물로부터 이산화탄소를 추출하기 위한 용매로서, 용매는 디에틸아미노에탄올 (DEAE), 헥사메틸렌디아민 (HMDA), 및 폴리에틸렌이민 (PEI)을 포함하고, 여기서 DEAE는 3.6M 내지 4.5M의 범위의 몰 농도로 존재하고, HMDA는 0.15M 내지 0.5M의 범위로 몰 농도로 존재하는 용매.
  10. 제9항에 있어서, DEAE는 3.3M 내지 3.9M의 범위의 몰 농도로 존재하고, HMDA는 0.3M 내지 0.5M의 범위의 몰 농도로 존재하고, PEI는 0.005M 내지 0.015M의 범위의 몰 농도로 존재하는 용매.
  11. 제9항 또는 제10항에 있어서, PEI는 0.01M의 몰 농도로 존재하는 용매.
  12. 가스 혼합물로부터 이산화탄소를 추출하기 위한 용매로서,
    (a) (R1)(R2)N(CnH2n-OH)의 화학식을 갖는 3차 아민인, 2.0M 내지 4.0M의 범위의 몰 농도의 화합물 I로서, 상기 식에서, R1 및 R2는 독립적으로 1 내지 6의 탄소수를 갖는 선형 또는 분지형 알킬기이고, n은 1 내지 6의 정수인 화합물 I;
    (b) NH2-(CmH2m)-NH2의 화학식을 갖는 2개의 1차 아미노기를 포함하는, 0.1M 내지 1.0M의 범위의 몰 농도의 화합물 II로서, 상기 식에서, m은 2 내지 10의 정수인 화합물 II;
    (c) 0.001M 내지 0.5M의 범위의 몰 농도의 폴리에틸렌이민 (PEI); 및
    (d) 물
    을 포함하는 용매.
  13. 제12항에 있어서, 화합물 I은 (R1)(R2)N(CnH2n-OH)의 화학식을 갖는 3차 아민이고, 상기 식에서 R1 및 R2는 독립적으로 2 내지 4의 탄소수를 갖는 선형 또는 분지형 알킬기인 용매.
  14. 제12항 또는 제13항에 있어서, 화합물 I은 (R1)(R2)N(CnH2n-OH)의 화학식을 갖는 3차 아민이고, 상기 식에서 R1 및 R2는 독립적으로 1 내지 6의 탄소수를 갖는 선형 또는 분지형 알킬기이고, n은 2 내지 4의 정수인 용매.
  15. 제12항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 화합물 II는 NH2-(CmH2m)-NH2의 화학식을 갖는 2개의 1차 아미노기를 포함하고, 상기 식에서 n은 4 내지 8의 정수인 용매.
  16. 탄소 포집을 수행하는 방법으로서,
    (a) 연도 가스 배출 공급원으로부터 이산화탄소를 포함하는 연도 가스를 수집하는 단계; 및
    (b) 상기 연도 가스에 존재하는 상기 이산화탄소 가스의 적어도 일부를 제거하기에 충분한 기간 동안 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항의 용매에 수집된 연도 가스를 노출시키는 단계
    를 포함하는 탄소 포집을 수행하는 방법.
  17. 연도 가스 배출 공급원으로부터 이산화탄소를 포함하는 연도 가스를 수집하고, 상기 연도 가스에 존재하는 상기 이산화탄소 가스의 적어도 일부를 제거하기에 충분한 기간 동안 상기 용매에 수집된 연도 가스를 노출시킴으로써 탄소 포집을 수행하기 위한 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 청구된 용매의 용도.
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