KR20240055026A - 산성 기체 포집을 위한 열 전도성 하이드로겔 - Google Patents

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콜린 우드
매튜 마이어스
카메론 화이트
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커먼웰쓰 사이언티픽 앤 인더스트리알 리서치 오거니제이션
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Abstract

본 개시내용은 일반적으로 열 전도성 하이드로겔에 관한 것이다. 특히, 본 개시내용은 기체 스트림 또는 대기로부터 하나 이상의 산성 기체를 포집하기 위해 사용될 수 있는, 하나 이상의 산성 기체 흡수제를 포함하는 열 전도성 하이드로겔에 관한 것이다. 본 개시내용은 또한 기체 스트림 또는 대기로부터 산성 기체를 포집하기 위한 열 전도성 하이드로겔을 포함하는 공정, 방법, 시스템, 용도 및 장치에 관한 것이다.

Description

산성 기체 포집을 위한 열 전도성 하이드로겔
본 개시내용은 일반적으로 열 전도성 하이드로겔에 관한 것이다. 특히, 본 개시내용은 기체 스트림 또는 대기로부터 하나 이상의 산성 기체를 포집하기 위해 사용될 수 있는 하나 이상의 산성 기체 흡수제를 포함하는 열 전도성 하이드로겔에 관한 것이다. 본 개시내용은 또한 기체 스트림 또는 대기로부터 산성 기체를 포집하기 위한 열 전도성 하이드로겔을 포함하는 공정, 방법, 시스템, 용도 및 장치에 관한 것이다.
이산화탄소(CO2), 황 기체(예를 들어 SO2, H2S)와 같은 산성 기체는 심각한 환경 오염 및 건강 위험을 초래할 수 있다. 이러한 오염물질에 의해 유발된 손상에 대한 우려가 높아지고 있으며, 이로 인해 CO2를 포함한 오염물질 배출을 줄여야 한다는 요구가 높아지고 있다.
액체 및 고체 기반 흡착제의 사용을 포함하여 산성 기체(예를 들어 CO2) 포집을 위해 다양한 접근 방식이 사용되었다. 전형적으로 사용되는 액체 기반 흡착제는 예를 들어 저농도 스트림으로부터 CO2를 포집할 수 있는 하이드록시드 용액을 포함하여, 산성 기체와 화학적으로 반응하는 기를 포함한다. 그러나 하이드록시드 액체 기반 흡착제를 재생하기 위한 흡수 속도 및 에너지 요구사항은 까다롭다. 또한, 액체 기반 흡착제 중 상당수는, 예를 들어 재생 동안, 산화되기 쉬우며, 이는 장기 안정성 측면에서 어려움을 제시하고, 부식성이 있어 산업적 적용 가능성을 제한한다.
이를 해결하기 위해, 다공성 지지체에 지지된 액체 흡착제 및 금속 유기 프레임워크와 같은 다공성 물질을 포함한 다양한 고체 물질이 제안되었다. 이러한 물질은 기본 하이드록시드 용액과 비교하여 재생 에너지가 낮지만, 합성 비용이 높을 수 있으며 대규모 생산을 방해할 수 있다. 추가로, 이들 액체 다공성 지지체 물질 중 다수는 산성 기체 흡수/탈착 동안 분해 및/또는 불량한 재생으로 인해 시간 경과에 따른 안정성 감소 및 기체 흡수 성능 감소를 실증한다. 또한, 이러한 고체 다공성 물질의 기체 흡수는 종종 발열성이며 고체 물질 내에서 상당하고 고르지 않은 온도 상승을 초래할 수 있다. 고체 다공성 물질 내의 발열 기체 흡수 반응으로 인한 이러한 연장된 및/또는 고르지 못한 열 노출은 열 분해로 인해 고체 다공성 물질의 수명을 제한할 수 있다.
산업상 적용을 위해 확장 가능하고 하나 이상의 흡수 및 탈착 사이클에 걸쳐 개선된 성능 및/또는 안정성(예를 들어 개선된 재생)을 갖는 산성 기체 포집에서 사용하기 위한 대안적인 또는 개선된 물질이 필요하다.
본원에 언급된 임의의 선행 기술 간행물은 이러한 문서 중 임의의 것이 호주 또는 임의의 다른 국가에서 해당 기술 분야의 일반적인 일반 지식의 일부를 형성한다는 인정을 구성하지 않음이 이해될 것이다.
본 발명자들은 하이드로겔 및 하이드로겔을 사용하여 기체 스트림으로부터 산성 기체를 제거하는 방법에 대한 연구 개발에 착수했다. 하이드로겔은 산성 기체 흡수 및 탈착(즉, 재생) 효율에 대한 제어를 제공하도록 맞춤화될 수 있다. 특히, 하이드로겔은 하이드로겔 내의 산성 기체를 흡수하여 이를 기체 스트림으로부터 제거함으로써 기체 스트림으로부터 산성 기체(예를 들어 CO2 또는 H2S)를 제거할 수 있다. 이어서 흡수된 산성 기체는 하이드로겔로부터 수확(예를 들어 탈착)될 수 있고, 재생된 하이드로겔은 기체 스트림으로부터 더 산성인 기체를 흡수하기 위해 재사용될 수 있다(예를 들어 재활용됨).
특히, 본 발명자들은 하이드로겔 상에 또는 내에 열 전도성 물질을 혼입함으로써, 산성 기체 흡수 효율에 대한 우수한 제어를 허용하는 하이드로겔의 열 전도도, 일부 구현예에서는 예를 들어 하이드로겔이 효율적으로 및/또는 균일하게 가열되도록 허용함으로써 더 빠른 재생을 포함하여 하이드로겔의 다양한 특성이 개선될 수 있음을 확인하였다. 본원에 기재된 적어도 일부 구현예 또는 예에 따르면, 이러한 개선된 및/또는 균일한 가열 성질은 또한 탈착을 위한 더 짧은 가열 사이클을 허용하고 그 결과 열 분해를 감소시킴으로써 하이드로겔의 수명을 개선할 수 있다. 본원에 기재된 본 개시내용은 또한 산업적 적용을 위해 확장 가능하며, 특히 천연 가스 스트림, 탄화수소원, 산업 배출 기체 스트림 및/또는 저농도 스트림(예를 들어 대기 또는 폐쇄된 루프 시스템)으로부터 산성 기체를 포집하는 데 있어서 용도를 찾을 수 있다. 본 발명의 하이드로겔은 액체의 장점(산성 기체에 대한 높은 선택성 및 저렴한 비용)과 고체의 장점(낮은 재생 에너지 및 높은 흡수 속도)을 조합할 수 있다.
본 개시내용의 하이드로겔은 열 전도성 물질을 포함한다. 열 전도성 물질은 열 전도성 미립자 물질일 수 있다. 열 전도성 물질은 하이드로겔 중 하나 또는 내에 산재될 수 있다. 하이드로겔은 가교된 친수성 중합체를 포함한다. 열 전도성 물질은 가교된 친수성 중합체 내에 산재될 수 있거나 하이드로겔의 표면 상에 산재될 수 있다. 하이드로겔은 기체 스트림 또는 대기로부터 산성 기체를 포집할 수 있는 하나 이상의 산성 기체 흡수제를 혼입할 수 있다. 하이드로겔은 미립자 형태일 수 있다.
한 측면에서, 가교된 친수성 중합체 및 열 전도성 미립자 물질을 포함하는 하이드로겔이 제공되며, 열 전도성 미립자 물질은 하이드로겔 상에 또는 내에 산재된다.
관련 측면에서, 가교된 친수성 중합체 및 열 전도성 미립자 물질을 포함하는 산성 기체의 포집을 위한 하이드로겔이 제공되며, 열 전도성 미립자 물질은 하이드로겔 상에 또는 내에 산재되고, 하이드로겔은 미립자 형태이고 하나 이상의 산성 기체 흡수제를 혼입한다.
한 구현예에서, 열 전도성 미립자 물질은 25℃에서 적어도 25 W/(m/K), 예를 들어 25℃에서 약 25 W/(m/K) 내지 2000 W/(m/K)의 벌크 열 전도도를 갖는다.
한 구현예에서, 하이드로겔은 하이드로겔의 전체 중량을 기준으로 약 10% w/w 내지 약 80% w/w의 열 전도성 미립자 물질을 포함한다. 일부 구현예에서, 열 전도성 미립자 물질은 탄소계 물질, 전도성 중합체, 금속, 금속 합금, 또는 준금속 또는 이의 염 중 하나 이상으로부터 선택되고, 예를 들어 흑연, 카본 블랙, 탄소 나노튜브 또는 탄소 섬유 중 하나 이상으로부터 선택될 수 있다.
한 구현예에서, 열 전도성 미립자 물질은 화학적으로 불활성이다. 관련 구현예에서, 열 전도성 미립자 물질은 하이드로겔의 가교된 친수성 중합체에 화학적으로 그래프팅되지 않는다. 관련 구현예에서, 열 전도성 미립자 물질은 산성 기체 흡수제에 화학적으로 그래프팅되지 않는다.
한 구현예에서, 가교된 친수성 중합체는 폴리아민, 폴리아크릴아미드, 폴리아크릴레이트, 폴리아크릴산, 또는 이의 공중합체로부터 선택되는 친수성 중합체를 포함한다.
구현예에서, 하이드로겔은 복수의 입자로서 제공된다. 즉, 하이드로겔은 미립자 형태이다. 한 구현예에서, 하이드로겔은 자가-지지형 하이드로겔이다(예를 들어, 하이드로겔은 지지 물질의 부재 하에 그 형태 및 흡수 용량을 유지할 수 있음).
구현예에서, 하이드로겔은 액체 팽윤제를 포함한다. 한 구현예에서, 액체 팽윤제는 하이드로겔 내에 산성 기체 흡수제를 혼입하기 위한 적어도 하나의 산성 기체 흡수제를 포함한다. 한 구현예에서, 적어도 하나의 산성 기체 흡수제는 하이드로겔 내에 흡수된 액체 팽윤제의 일부로서 하이드로겔 내에 혼입된다. 한 구현예에서, 액체 팽윤제는 화학적 공정에 의해 산성 기체에 결합할 수 있는 하나 이상의 작용기를 포함하거나 물리적 공정에 의해 산성 기체를 흡수할 수 있는 액체이다. 액체 팽윤제는 물 또는 비수성 용매, 예를 들어 극성 용매일 수 있다. 액체 팽윤제는 또한 산성 기체, 예를 들어 H2S 및/또는 CO2에 결합하거나 이를 용해시킬 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 가교된 친수성 중합체는 산성 기체(예를 들어 CO2 또는 H2S)에 결합할 수 있는 하나 이상의 작용기, 예를 들어 아민을 포함할 수 있다.
한 구현예에서, 적어도 하나의 산성 기체 흡수제는 산성 기체에 결합하기 위해 가교된 친수성 중합체 상의 하나 이상의 반응성 작용기로서 하이드로겔 내에 혼입된다.
또 다른 측면에서, 친수성 중합체를 가교시켜 하이드로겔을 형성하는 데 효과적인 조건 하에 친수성 중합체 및 가교 제제를 포함하는 용액을 혼합하는 단계를 포함하는, 상기 기재된 하이드로겔을 제조하는 방법이 제공되며, 방법은 하이드로겔 상에 또는 내에 미립자 물질을 산재시키는 데 효과적인 조건 하에 열 전도도를 갖는 미립자 물질을 친수성 중합체 및 가교 제제와 혼합하거나 하이드로겔을 미립자 물질과 접촉시키는 단계를 포함한다.
관련 측면에서, 친수성 중합체를 가교시켜 하이드로겔을 형성하는 데 효과적인 조건 하에 친수성 중합체, 열 전도도를 갖는 미립자 물질 및 가교 제제를 포함하는 용액을 혼합하는 단계를 포함하는, 상기 기재된 바와 같은 하이드로겔을 제조하는 방법이 제공되며, 미립자 물질은 하이드로겔 상에 또는 내에 산재된다.
또 다른 관련 측면에서, 친수성 중합체를 가교시켜 하이드로겔을 형성하는 데 효과적인 조건 하에 친수성 중합체 및 가교 제제를 포함하는 용액을 혼합하는 단계를 포함하는, 상기 기재된 바와 같은 하이드로겔을 제조하는 방법이 제공되며, 방법은 하이드로겔 상에 또는 내에 미립자 물질을 산재시키는 데 효과적인 조건 하에서 하이드로겔을 미립자 물질과 접촉시키는 단계를 포함한다.
한 구현예에서, 방법은 하이드로겔을 연삭/분쇄하여 미립자를 형성하는 단계를 추가로 포함한다. 추가 구현예에서, 하이드로겔은 열 전도성 미립자 물질의 접촉 전에 연삭/분쇄된다.
또 다른 측면에서, 친수성 중합체를 가교시켜 하이드로겔을 형성하는 데 효과적인 조건 하에 친수성 중합체 및 가교 제제를 포함하는 용액을 혼합하는 단계를 포함하는, 상기 기재된 바와 같은 하이드로겔을 제조하는 방법이 제공되며, 방법은 하이드로겔 상에 또는 내에 미립자 물질을 산재시키는 데 효과적인 조건 하에 열 전도도를 갖는 미립자 물질을 친수성 중합체 및 가교 제제와 혼합하거나 하이드로겔을 미립자 물질과 접촉시키는 단계를 포함하며, 방법은 하이드로겔을 연삭/분쇄하여 미립자를 형성하는 단계를 추가로 포함한다.
또 다른 측면에서, 기체 스트림 또는 대기를 본원에 기재된 바와 같은 하이드로겔과 접촉시켜 기체 스트림 또는 대기로부터 산성 기체 중 적어도 일부를 하이드로겔로 흡수시키는 단계를 포함하는, 기체 스트림 또는 대기로부터 산성 기체를 제거하는 방법이 제공된다.
한 구현예에서, 기체 스트림 또는 대기는 연소 연도(flue) 기체, 탄화수소 기체 혼합물, 시멘트 또는 강철 생산으로부터의 방출물, 바이오가스 및 주변 공기로 구성된 군으로부터 선택된다. 한 구현예에서, 산성 기체는 이산화탄소(CO2) 또는 황화수소(H2S)이다. 한 구현예에서, 기체 스트림 또는 대기는 탄화수소 기체이다. 한 구현예에서, 기체 스트림 또는 대기는 낮은 CO2 농도의 기체 스트림 또는 대기이다.
한 구현예에서, 방법은 하이드로겔로부터 흡수된 산성 기체를 탈착시키는 재생 회수 방법을 추가로 포함한다. 추가 구현예에서, 재생 회수 방법은 하이드로겔을 가열하여 하이드로겔로부터 흡수된 산성 기체를 탈착시키는 단계를 포함한다. 하이드로겔을 가열함으로써, 하이드로겔 상에 또는 내에 산재된 열 전도성 미립자 물질은 열 전달 속도를 증가시켜 더 효율적인 재생 및 더 낮은 온도로 전환될 수 있다. 열 전도성 입자는 또한 하이드로겔의 기계적 특성을 개선하고 압축을 방지하는 데 도움이 될 수 있다. 본원에 기재된 일부 구현예 또는 예에 따르면, 열 전도성 입자는 하이드로겔이 하나 이상의 흡수 및 탈착 사이클 동안 더 효율적으로 열 평형에 도달하도록 허용한다.
한 구현예에서, 방법은 하이드로겔을 둘러싸는 챔버를 제공하는 단계; 기체 스트림 또는 대기의 유동을 챔버에 통과시키고 하이드로겔과 접촉시켜 산성 기체 중 적어도 일부를 하이드로겔로 흡수시키는 단계; 및 임의로 하이드로겔을 하이드로겔로부터 흡수된 산성 기체를 탈착시키기 효과적인 온도로 가열하는 단계; 및 임의로 탈착된 산성 기체를 챔버로부터 플러시하는 단계를 포함한다.
또 다른 측면에서, 본원에 기재된 바와 같은 기체 스트림 또는 대기로부터 산성 기체를 포집하기 위해 하이드로겔을 둘러싸는 챔버를 포함하는 산성 기체 제거 장치가 제공되며, 챔버는 기체 스트림 또는 대기를 하이드로겔과 접촉시켜 산성 기체 중 적어도 일부를 하이드로겔로 흡수시킨다.
한 구현예에서, 챔버는 기체 스트림 또는 대기가 하이드로겔로 유동할 수 있는 입구 및 배출 기체 스트림 또는 대기가 하이드로겔로부터 흘러나올 수 있는 출구를 포함한다.
하이드로겔에 대해 본원에 기재된 임의의 하나 이상의 구현예 및 실시예가 하이드로겔을 제조하는 방법, 기체 스트림 또는 대기로부터 산성 기체를 제거하는 방법, 및/또는 본원에 기재된 장치에도 적용될 수 있음이 이해될 것이다. 본원의 모든 구현예는 구체적으로 언급되지 않는 한, 임의의 다른 구현예에도 준용하여 적용되는 것으로 간주되어야 한다. 하이드로겔, 공정, 방법 및/또는 장치의 다른 측면, 구현예 및 예가 본원에 기재됨이 또한 이해될 것이다.
또한, 본원에 기재된 바와 같은 일부 측면, 구현예 또는 예에서 확인된 하이드로겔, 공정, 방법 및/또는 장치의 일부 특징이 본원에 기재된 바와 같은 모든 측면, 구현예 또는 예에서 요구되지 않을 수 있음이 이해될 것이며, 본 명세서는 이런 맥락에서 읽어야 한다. 다양한 측면, 구현예 또는 예에서, 방법 또는 공정 단계의 순서는 필수적이지 않을 수 있고 변할 수 있음이 또한 이해될 것이다.
본 개시내용의 구현예는 첨부 도면을 참조하여, 단지 예로서, 하기와 같이 추가로 설명되고 예시된다:
도 1a: 하나 이상의 구현예에 따른 열 전도성 미립자 물질을 포함하는 하이드로겔의 제조 및 구조의 예시로서, 열 전도성 입자는 분쇄 전 친수성 중합체의 가교 동안 또는 분쇄 후 하이드로겔 입자에 첨가된다.
도 1b: 하이드로겔 상에 또는 내에 산재된 열 전도성 미립자 물질을 포함하거나(오른쪽 측면, 검은색) 열 전도성 미립자 물질을 포함하지 않는(왼쪽 측면, 흰색) 하이드로겔 입자의 사진.
도 2: 열 전도성 하이드로겔의 DAC 성능을 평가하기 위한 실험 설정의 모식도. 1. 공기 압축기 2. 기체 압력 게이지 3. 질량 유속 컨트롤러 4. 버블러 5. 샘플 컬럼 6. 동위원소 분석기.
도 3: 비교적 대규모로 DAC 성능을 평가하기 위한 실험 설정.
도 4: 흑연을 포함하지 않는 PEI 하이드로겔(상단), 흑연을 포함하는 PEI 하이드로겔(중간) 및 흑연을 포함하는 재생 하이드로겔(하단)의 컬럼을 통한 공기 유동에 의한 CO2 흡수 곡선.
도 5: 본 발명의 일부 구현예에 따른, 기체 스트림 또는 대기로부터 산성 기체를 포집하는 방법을 수행하기 위한 장치를 도시한다.
본 개시내용은 하이드로겔을 개발하기 위해 수행된 연구 및 하이드로겔을 사용하여 기체 스트림으로부터 산성 기체를 제거하는 방법에 관한, 하기 다양한 비제한적 구현예를 기재한다.
용어
하기 설명에서는 본원의 일부를 형성하고 몇몇 구현예를 예시로 나타내는 첨부 도면을 참조한다. 본 개시내용의 범위를 벗어나지 않으면서 다른 구현예가 활용될 수 있고 구조적 변화가 생성될 수 있음이 이해된다.
본원에 제공된 정의와 관련하여, 달리 언급되지 않거나 문맥으로부터 시사되지 않는 한, 정의된 용어 및 문구는 제공된 의미를 포함한다. 달리 명시적으로 언급되지 않거나 문맥에서 명백하지 않은 한, 아래의 용어 및 문구는 관련 분야의 당업자가 해당 용어 또는 문구에 대해 획득한 의미를 배제하지 않는다. 정의는 특정 구현예를 설명하는 데 도움을 주기 위해 제공되며, 본 발명의 범위는 청구범위에 의해서만 제한되기 때문에 청구된 발명을 제한하도록 의도되지 않는다. 또한, 문맥상 달리 요구되지 않는 한, 단수형 용어는 복수형을 포함하고, 복수형 용어는 단수형을 포함한다.
본원에서 논의된 및/또는 참조된 모든 간행물은 이의 전체가 본원에 포함된다.
본 명세서에 포함된 문서, 행위, 자료, 장치, 기사 등에 대한 임의의 논의는 오로지 본 개시내용에 대한 맥락을 제공하기 위한 것이다. 이는 이러한 사항 중 임의의 것 또는 전부가 선행 기술 기반의 일부를 형성하거나 본 출원의 각 청구항의 우선일 이전에 존재했던 본 개시내용과 관련된 분야의 일반적인 일반 지식이라는 인정으로 간주되어서는 안 된다.
본 개시내용에 걸쳐, 달리 구체적으로 언급되지 않거나 문맥상 달리 요구되지 않는 한, 단일 단계, 물질의 조성, 단계의 그룹 또는 물질의 조성의 그룹에 대한 언급은 하나 및 복수(즉, 하나 이상)의 이들 단계, 물질의 조성, 단계의 그룹 또는 물질의 조성의 그룹을 포괄하는 것으로 간주되어야 한다. 따라서, 본원에 사용된 바와 같이, 단수형 "a ", "an" 및 "the"는 문맥상 명확히 다르게 지정하지 않는 한 복수형 측면을 포함한다. 예를 들어, "a"에 대한 언급은 단일뿐만 아니라 둘 이상을 포함하고; "an"에 대한 언급은 단일뿐만 아니라 둘 이상을 포함하고; "the"에 대한 언급은 단일뿐만 아니라 두 개 이상을 포함하는 등이다.
당업자는 본원의 개시내용이 구체적으로 기재된 것 이외의 변화 및 변형이 가능함을 이해할 것이다. 본 개시내용은 이러한 모든 변화 및 변형을 포함함이 이해되어야 한다. 본 개시내용은 또한 본 명세서에서 개별적으로 또는 집합적으로 언급되거나 표시된 모든 실시예, 단계, 특징, 방법, 하이드로겔, 공정 및 조성물, 및 상기 단계 또는 특징 중 임의의 모든 조합 또는 임의의 2개 이상을 포함한다.
용어 "및/또는", 예를 들어 "X 및/또는 Y"는 "X 및 Y" 또는 "X 또는 Y"를 의미하는 것으로 이해되어야 하며 두 의미 모두 또는 두 의미 중 어느 하나에 대한 명시적 지지를 제공하는 것으로 간주되어야 한다.
달리 표시되지 않는 한, 용어 "제1", "제2" 등은 본원에서 단지 표지로만 사용되며, 이러한 용어가 언급하는 항목에 순서적, 위치적 또는 계층적 요구사항을 부과하도록 의도되지 않는다. 더욱이, "제2" 항목에 대한 언급은 낮은 번호의 항목(예를 들어 "제1" 항목) 및/또는 높은 번호의 항목(예를 들어 "제3" 항목)의 존재를 필요로 하거나 배제하지 않는다.
항목의 목록과 함께 사용될 때, 본원에 사용된 문구 "~중 적어도 하나"는 나열된 항목 중 하나 이상의 상이한 조합이 사용될 수 있고 목록의 항목 중 하나만 필요할 수 있음을 의미한다. 항목은 특정 개체, 사물 또는 범주일 수 있다. 즉, "적어도 하나"는 항목의 임의의 조합 또는 수의 항목이 목록으로부터 사용될 수 있지만, 목록의 모든 항목이 요구되지 않을 수 있음을 의미한다. 예를 들어, "항목 A, 항목 B, 항목 C 중 적어도 하나"는 항목 A, 항목 A 및 항목 B; 항목 B; 항목 A, 항목 B 및 항목 C; 또는 항목 B 및 항목 C를 의미할 수 있다. 일부 경우에, "항목 A, 항목 B, 및 항목 C 중 적어도 하나"는 예를 들어 비제한적으로 항목 A 2개, 항목 B 1개, 및 항목 C 10개; 항목 B 4개 및 항목 C 7개; 또는 일부 다른 적합한 조합을 의미할 수 있다.
본원에 사용된 용어 "약"은 반대로 언급되지 않는 한, 전형적으로 지정된 값의 +/- 10%, 예를 들어 +/- 5%를 지칭한다.
명확성을 위해 별도의 구현예의 맥락에서 본원에 기재된 특정 특징은 단한 구현예에서 조합으로 제공될 수도 있음이 이해되어야 한다. 반대로, 간결성을 위해, 단일 구현예의 맥락에서 기재된 다양한 특징이 또한 개별적으로 또는 임의의 하위 조합으로 제공될 수 있다.
본 명세서에 걸쳐, 본 발명의 다양한 측면 및 구성요소가 범위 형식으로 제시될 수 있다. 범위 형식은 편의를 위해 포함된 것이며 본 발명의 범위에 대한 융통성 없는 제한으로 해석되어서는 안 된다. 따라서, 범위에 대한 기재는 구체적으로 표시되지 않는 한, 가능한 모든 하위범위뿐만 아니라 해당 범위 내의 개별 수치값도 구체적으로 개시한 것으로 간주되어야 한다. 예를 들어, 1 내지 5와 같은 범위의 기재는 1 내지 3, 1 내지 4, 1 내지 5, 2 내지 4, 2 내지 5, 3 내지 5 등의 하위범위뿐만 아니라 정수가 요구되거나 문맥으로부터 시시되지 않는 한, 인용된 범위 내의 개별 수 및 분수(예를 들어 1, 2, 3, 4, 4.5 또는 5)를 구체적으로 개시한 것으로 간주되어야 한다. 이는 개시된 범위의 폭에 관계없이 적용된다. 특정 값이 요구되는 경우, 명세서에 표시될 것이다.
명세서에 걸쳐 단어 "포함하다" 또는 "포함한다" 또는 "포함하는"과 같은 변형은 언급된 요소, 정수 또는 단계, 또는 요소, 정수 또는 단계의 그룹을 포함하는 것을 시사하지만 임의의 다른 요소, 정수 또는 단계, 또는 요소, 정수 또는 단계의 그룹을 제외하는 것은 시사하지 않음이 이해될 것이다.
"실질적으로 없는"이라는 언급은 일반적으로 존재할 수 있는 임의의 미량 또는 불순물을 제외하고 하이드로겔, 기체 스트림 또는 대기에서 해당 화합물 또는 구성요소의 부재를 지칭하며, 예를 들어 이는 약 1%, 0.1%, 0.01%, 0.001% 또는 0.0001% 미만의 전체 하이드로겔, 기체 스트림 또는 대기 중 중량% 양일 수 있다. 본원에 기재된 바와 같은 하이드로겔, 기체 스트림 또는 대기는 또한 예를 들어 전체 조성물, 기체 스트림 또는 대기 중 약 5%, 4%, 3%, 2%, 1%, 0.5%, 0.1%, 0.01%, 0.001% 또는 0.0001% 미만의 중량% 양의 불순물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 이는 전체 기체 스트림 또는 대기 중 약 5%, 4%, 3%, 2%, 1%, 0.5%, 0.1%, 0.01%, 0.001% 또는 0.0001% 미만의 부피% 양일 수 있다. 예를 들어, 본원에 기재된 기체 스트림 또는 대기는 또한 예를 들어 전체 기체 스트림 중 약 5%, 4%, 3%, 2%, 1%, 0.5%, 0.1%, 0.01%, 0.001% 또는 0.0001% 미만의 부피% 양의 불순물을 포함할 수 있다. 이러한 불순물의 예는 공기 중 존재할 수 있는 메탄(CH4)의 양으로, 0.0005부피% 미만의 양으로 존재한다.
용어 "알킬" 또는 "알킬렌"은 직쇄, 분지형 및 고리형 알킬기를 포함하며 비치환 및 치환 알킬기를 둘 모두 포함한다. 한 예에서, 알킬기는 직쇄형 및/또는 분지형이고, 임의로 1-3개 고리형 알킬기에 의해 단속된다. 달리 표시되지 않는 한, 알킬기는 전형적으로 1 내지 30개 탄소 원자를 함유한다. 알킬기는 예를 들어 1 내지 20, 1 내지 15, 1 내지 12, 1 내지 10, 또는 1 내지 8개 탄소 원자를 함유할 수 있다. 본원에 사용된 바와 같은 "알킬"의 예는 메틸, 에틸, n-프로필. n-부틸, n-펜틸, 이소부틸, t-부틸, 이소프로필, n-옥틸, n-헵틸, 에틸헥실, 사이클로펜틸, 사이클로헥실, 사이클로헵틸, 아다만틸 및 노르보르닐 등을 포함하지만 이에 제한되지 않는다. 달리 주지되지 않는 한, 알킬기는 1가 또는 다가일 수 있다. 알킬기는 임의로 하나 이상의 헤테로원자에 의해 임의로 치환되고 및/또는 임의로 단속될 수 있다. 알킬기는 2가 또는 다가 연결기로 사용하는 것과 관련하여 "-알킬-"로 지칭될 수 있다.
용어 "사이클로알킬"은 약 3 내지 약 30개 탄소 원자의 모노-, 바이사이클릭 또는 트리사이클릭 고리 시스템, 예를 들어 사이클로프로필, 사이클로부틸, 사이클로펜틸, 사이클로헥실 또는 사이클로헵틸을 나타낸다. 사이클로알킬기는 2가 또는 다가 연결기로 사용하는 것과 관련하여 "-사이클로알킬-"로 지칭될 수 있다.
용어 "헤테로알킬"은 하나 이상의 헤테로원자를 포함하는 상기 정의된 바와 같은 알킬기를 나타내며, 예를 들어 알킬기는 하나 이상(예를 들어 1 내지 5개 또는 1 내지 3개) 헤테로원자로 단속된다. 헤테로원자는 O, N, S, 또는 Si를 포함할 수 있음이 이해될 것이다. 한 예에서 헤테로원자는 O이다. 헤테로알킬기는 2가 또는 다가 연결기로 사용하는 것과 관련하여 "-헤테로알킬-"로 지칭될 수 있다.
단독으로 사용되건 아릴알킬과 같은 복합어로 사용되건 용어 "아릴"은 (i) 페닐, 나프틸, 또는 트리페닐과 같은, 약 6 내지 약 30개 탄소 원자의 임의로 치환된 모노-, 바이사이클릭 또는 트리사이클릭 방향족 카보사이클릭 모이어티; 또는 (ii) 아릴과 사이클로알킬 또는 사이클로알케닐기가 함께 융합되어 테트라하이드로나프틸 고리와 같은 고리형 구조를 형성하는 임의로 치환된 부분 포화 바이사이클릭 카보사이클릭 방향족 고리 시스템을 나타낸다. 아릴기는 2가 또는 다가 연결기로 사용하는 것과 관련하여 "-아릴-"로 지칭될 수 있다.
용어 "아릴알킬"은 -R-아릴기를 나타내며, R기는 알킬기이고, 알킬 및 아릴기는 각각 상기 정의되어 있다. 아릴알킬기는 2가 또는 다가 연결기로 사용하는 것과 관련하여 "-아릴알킬-"로 지칭될 수 있다.
용어 "헤테로아릴알킬"은 R기가 알킬기이고, 알킬 및 아릴기가 각각 상기 정의된 -R-아릴기를 나타내며, 이는 하나 이상의 헤테로원자에 의해 단속되고 본원에 기재된 바와 같이 임의로 치환된다. 헤테로아릴알킬기는 2가 또는 다가 연결기로 사용하는 것과 관련하여 "-헤테로아릴알킬-"로 지칭될 수 있다.
본원에 사용된 용어 "할로" 또는 "할로겐"은 단독으로 사용되건 할로알킬과 같은 복합어로 사용되건, 불소, 염소, 브롬 또는 요오드를 의미한다.
본원에 사용된 용어 "할로알킬"은 적어도 하나의 할로겐 치환기를 갖는 알킬기를 의미하며, 용어 "알킬" 및 "할로겐"은 상기 개략된 의미를 갖는 것으로 이해된다. 유사하게, 용어 "모노할로알킬"은 단일 할로겐 치환기를 갖는 알킬기를 의미하고, 용어 "디할로알킬"은 2개의 할로겐 치환기를 갖는 알킬기를 의미하며, 용어 "트리할로알킬"은 3개의 할로겐 치환기를 갖는 알킬기를 의미한다. 모노할로알킬기의 예는 플루오로메틸, 클로로메틸, 브로모메틸, 플루오로메틸, 플루오로프로필 및 플루오로부틸기를 포함하고; 디할로알킬기의 예는 디플루오로메틸 및 디플루오로에틸기를 포함하며; 트리할로알킬기의 예는 트리플루오로메틸 및 트리플루오로에틸기를 포함한다.
본원에 사용된 용어 "하이드록실"은 -OH 모이어티를 나타낸다.
본원에 사용된 용어 "카복실"은 C=O 모이어티를 나타낸다.
본원에 사용된 용어 "카복실산"은 -CO2H 모이어티를 나타낸다.
본원에 사용된 용어 "니트로"는 -NO2 모이어티를 나타낸다.
본원에 사용된 용어 "알칸올아민"은 알칸 골격 상에 하이드록실(-OH) 및 아미노(예를 들어 1차 -NH2, 2차 -NHR 및/또는 -3차 -NR2) 작용기를 둘 모두 함유하는 화학적 화합물을 나타낸다.
본원에 사용된 용어 "폴리아민"은 2개 이상의 아민(예를 들어 1차 -NH2, 2차 -NHR 및/또는 3차 -NR2 아민) 작용기를 갖는 화합물을 나타낸다.
용어 "폴리알킬렌이민"은 하나 이상의 H 원자가 아미노(예를 들어 1차 -NH2, 2차 -NHR 및/또는 -3차 -NR2) 작용기로 치환된 알킬렌 골격을 포함하는 화합물을 나타내며, 이의 공중합체 또는 유도체를 포함한다.
용어 "폴리아크릴아미드"는 2개 이상의 아크릴아미드 단량체를 포함하는 중합체를 나타내고, 이의 공중합체 또는 유도체, 예를 들어 폴리(아크릴아미드-코-아크릴산)을 포함한다.
용어 "아크릴아미드"는 화학식 CH2=CHCNH2의 화합물을 나타내며, 이의 유도체, 예를 들어 메타크릴아미드를 포함한다.
용어 "아크릴산"은 화학식 CH2=CHCOOH의 화합물을 나타내며, 이의 유도체, 예를 들어 메타크릴산을 포함한다.
용어 "폴리아크릴산"은 2개 이상의 아크릴산 단량체를 포함하는 중합체를 나타내고, 이의 공중합체 또는 유도체, 예를 들어 폴리(메타크릴산)을 포함한다.
용어 "아크릴레이트"는 아크릴산의 염, 에스테르 또는 공액 염기를 나타낸다. 아크릴레이트 이온은 음이온 CH2=CHCOO-이다. 예는 메틸 아크릴레이트, 포타슘 아크릴레이트 및 소듐 아크릴레이트, 및 메틸 메타크릴레이트를 포함한다.
용어 "폴리아크릴레이트"는 2개 이상의 아크릴레이트 단량체를 포함하는 중합체를 나타내고, 이의 공중합체 또는 유도체, 예를 들어 폴리(2-하이드록시에틸메타크릴레이트)를 포함한다.
용어 "글리콜"은 2개 이상의 하이드록실(-OH)기를 포함하는 화합물 클래스를 나타내며, 하이드록실기는 상이한 탄소 원자에 부착된다.
용어 "폴리올"은 2개 이상의 하이드록실(-OH)기를 함유하는 화합물을 나타낸다.
용어 "피페리딘"은 화학식 (CH2)5NH를 갖는 화합물을 나타낸다.
용어 "임의로 치환된"은 작용기가 임의의 이용 가능한 위치에서 치환되거나 치환되지 않음을 의미한다. 상기 또는 본원에 언급된 용어 "치환"은 할로겐, 하이드록실, 아민, 에폭시드, 니트로, 카복실, 카복실산과 같은 기 또는 모이어티를 포함할 수 있지만 이에 제한되지 않는다.
용어 "임의로 단속된"은 알킬 사슬과 같은 사슬이 사슬의 임의 위치에서 아민, 에폭시드, 카복실, 카복실산과 같은 하나 이상의(예를 들어 1 내지 3개) 작용기 및/또는 N, S, Si 또는 O와 같은 하나 이상의 헤테로원자에 의해 단속되어, 예를 들어 헤테로알킬기를 제공할 수 있음을 의미한다. 한 예에서, "임의로 단속된"은 알킬 사슬과 같은 사슬이 N, S 또는 O와 같은 하나 이상의(예를 들어 1 내지 3개) 헤테로원자에 의해 단속됨을 의미한다.
하이드로겔
본 개시내용은 일부 구현예에서 가교된 친수성 중합체 및 열 전도성 미립자 물질을 포함하는, 산성 기체의 포집을 위한 하이드로겔을 제공하며, 열 전도성 미립자 물질은 하이드로겔 상에 또는 내에 산재되고, 하이드로겔은 미립자 형태이며 하나 이상의 산성 기체 흡수제를 혼입한다. 한 구현예에서, 적어도 하나의 산성 기체 흡수제는 산성 기체에 대한 결합을 위해 가교된 친수성 중합체 상의 하나 이상의 반응성 작용기로서 하이드로겔 내에 혼입되거나 적어도 하나의 산성 기체 흡수제는 하이드로겔 내에 흡수되는 액체 팽윤제의 일부로서 하이드로겔 내에 혼입된다.
용어 "하이드로겔"는 개별 친수성 중합체 사슬의 화학적 또는 물리적 가교로 인해 구조를 유지하면서 많은 양의 물 및 다른 액체를 팽윤시키고 보유할 수 있는 가교된 친수성 중합체의 3차원(3D) 고체 네트워크를 지칭한다. 하이드로겔은 가교된 친수성 중합체를 포함한다. 흡수된 물/액체는 압착에 의해 유체가 제거될 수 있는 기공에 함유되지 않고 수소 결합을 통해 하이드로겔의 가교된 친수성 중합체 매트릭스로 흡수된다. 제올라이트 또는 금속 유기 프레임워크(MOF)와 같은 다른 더 복잡한 무기 스캐폴드 및 지지체와는 달리, 용매를 제거한 후 하이드로겔은 측정 가능한 건조 상태 다공성을 유지하지 않는다.
한 구현예에서, 하이드로겔은 낮은 다공성을 갖는다. 한 구현예에서, 하이드로겔은 측정 가능한 건조 상태 다공성을 갖지 않는다. 예를 들어, 하이드로겔은 건조 상태에서 본질적으로 비다공성일 수 있다. 액체 팽윤제로 팽윤될 때, 하이드로겔은 초기 건조 상태 기공 부피를 넘어 팽윤될 수 있다. 결과적으로, 팽윤된 하이드로겔의 다공성이 증가한다(즉, 하이드로겔은 "액체" 기반 다공성을 가짐). 본원에 기재된 일부 구현예 또는 예에 따르면, 액체로 팽윤될 때, 하이드로겔 내에 액체의 마이크로 채널이 생성되어 산성 기체 확산 거리를 상당히 감소시켜 흡착제 흡수 동역학/효율을 향상시켜 성능을 개선한다. 액체가 하이드로겔로부터 제거되는 경우(예를 들어 동결 건조에 의해), 하이드로겔은 측정 가능한 건조 상태 다공성을 유지하지 않는다. 대조적으로, 실리카 지지체는 액체를 흡수할 것이지만 건조 상태 기공 부피를 넘어 팽윤되지 않는다.
하이드로겔은 탄성 계수를 특징으로 할 수 있다. 예를 들어, 하이드로겔은 약 0.1 Pa 내지 약 12,000 Pa의 탄성 계수를 가질 수 있다. 일부 구현예에서, 하이드로겔의 탄성 계수는 적어도 약 0.1, 10, 30, 50, 100, 200, 500, 1,000, 2,000, 5,000, 8,000, 10,000 또는 12,000 Pa일 수 있다. 일부 구현예에서, 하이드로겔의 탄성 계수는 약 12,000, 10,000, 8,000, 5,000, 2,000, 1,000, 500, 200, 100, 50, 30, 10, 또는 0.1 Pa 미만일 수 있다. 다양한 범위를 형성하기 위한 이들 탄성 계수 값의 조합이 또한 가능하며, 예를 들어 하이드로겔의 탄성 계수는 약 100 Pa 내지 약 5,000 Pa일 수 있다. 하이드로겔은 약 2,000 내지 약 5,000 Pa의 탄성 계수를 가질 수 있다. 다른 구현예에서, 하이드로겔의 탄성 계수는 적어도 약 0.1, 10, 30, 50 또는 100 Pa일 수 있다. 다양한 구현예에서, 하이드로겔의 탄성 계수는 약 12,000, 10,000, 8000, 또는 6000 Pa 미만일 수 있다. 일부 구현예에서, 하이드로겔의 탄성 계수는 약 0.2 Pa 내지 약 12000 Pa, 약 0.2 Pa 내지 약 10000 Pa, 약 0.2 Pa 내지 약 5000 Pa, 약 1 Pa 내지 약 12000 Pa, 또는 약 1 Pa 내지 약 10,000 Pa일 수 있다. 일부 구현예에서, 하이드로겔의 탄성 계수는 약 10 Pa 내지 약 12000 Pa, 약 10 Pa 내지 약 10,000 Pa, 또는 약 100 Pa 내지 약 10,000 Pa일 수 있다. 다른 구현예에서, 하이드로겔의 탄성 계수는 약 0.1 Pa 내지 약 10,000 Pa, 약 0.1 Pa 내지 약 5000 Pa, 약 0.1 Pa 내지 약 1000 Pa, 약 1 Pa 내지 약 12,000 Pa, 약 1 Pa 내지 약 10,000 Pa, 약 100 Pa 내지 약 12,000 Pa, 약 500 Pa 내지 약 12000 Pa, 또는 약 1000 Pa 내지 약 12,000 Pa일 수 있다. 다른 구현예에서, 하이드로겔의 탄성 계수는 약 1 Pa 내지 약 5000 Pa, 약 10 Pa 내지 약 5000 Pa, 또는 약 100 Pa 내지 약 5000 Pa일 수 있다. 일부 구현예에서, 하이드로겔의 탄성 계수는 약 9,000, 5,000 또는 4000 Pa 미만이다.
탄성 계수는 레오미터, 예를 들어 HR-3 디스커버리 하이브리드 레오미터(TA Instruments)를 사용하는 것을 포함하는, 여러 적합한 기술에 의해 결정될 수 있다. 레오미터는 전단 응력 또는 전단 변형을 제어하고/하거나 신장 응력 또는 신장 변형을 적용하여 이의 탄성 계수를 포함하는 하이드로겔의 기계적 특성을 결정하기 위해 사용될 수 있다.
하이드로겔은 약 0.1 내지 50 m2/g, 약 25 m2/g, 또는 2 내지 10 m2/g의 표면적을 가질 수 있다. 표면적(m2/g 단위)은 적어도 약 0.1, 0.5, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 또는 45일 수 있다. 표면적(m2/g 단위)은 약 50, 45, 40, 35, 30, 25, 20, 15, 10, 9, 8, 7, 6, 5, 4, 3, 2, 또는 1 미만일 수 있다. 표면적은 이들 상한값 및/또는 하한값 중 임의의 2개에 의해 제공되는 범위일 수 있다. 표면적은 습식 또는 건조 상태의 하이드로겔에 대해 제공될 수 있다. 표면적은 입자 크기에 의존할 것임이 이해될 것이다. 표면적은 질소를 사용한 기체 흡착 또는 현미경을 통한 입자 크기 분석을 사용하여 측정될 수 있다.
하이드로겔은 광범위한 형태로 제공될 수 있다. 적합한 형태의 예시적인 예는 입자, 비드, 시트/층, 주조 블록, 실린더, 디스크, 다공성 막 및 모노리쓰를 포함할 수 있다. 예를 들어, 하이드로겔은 필름/코팅층, 예를 들어 기체 스트림이 그 위로 또는 층을 통해 유동하는 겔 층으로 제공될 수 있다. 이러한 층은 압연 시트로 제공될 수 있다. 대안적으로, 하이드로겔 층은 또한 이를 통해 기체 스트림이 유동하는, 복수의 다공성 채널을 포함하는 모노리쓰로 제공될 수도 있다. 다른 층 또는 코팅 형태 및 기하구조도 적용 가능하다.
한 구현예에서, 하이드로겔은 복수의 입자를 포함할 수 있다, 즉 하이드로겔은 미립자 형태이다. 용어 "입자" 또는 "미립자"는 별개의 고체 단위의 형태를 지칭한다. 단위는 플레이크, 섬유, 응집체, 과립, 분말, 구체, 분쇄된 물질 등뿐만 아니라 이의 조합의 형태를 취할 수 있다. 입자는 입방형, 막대형, 다면체형, 구형 또는 반구형, 원형 또는 반원형, 각진형, 불규칙형 등을 포함하지만 이에 제한되지 않는 임의의 원하는 형상을 가질 수 있다. 입자 형태는 광학 현미경과 같은 임의의 적합한 수단에 의해 결정될 수 있다. 한 구현예에서, 하이드로겔은 복수의 구형 또는 실질적으로 구형 비드를 포함할 수 있다.
하이드로겔 입자는 임의의 적합한 크기 및/또는 형상 및/또는 형태를 가질 수 있다. 구형 하이드로겔 입자의 경우, 입자 크기는 입자의 직경이다. 비구형 하이드로겔 입자의 경우, 입자 크기는 입자의 가장 긴 단면 치수이다. 일부 구현예에서, 하이드로겔 입자는 약 0.01 μm 내지 약 10,000 μm, 예를 들어 약 0.1 μm 내지 약 5000 μm 범위의 입자 크기를 가질 수 있다. 하이드로겔 입자는 적어도 약 0.01, 0.1, 1, 10, 20, 50, 100, 200, 300, 400, 500, 700, 1000, 1500, 2000, 5000, 7000, 또는 10,000 μm의 입자 크기를 가질 수 있다. 다른 구현예에서, 하이드로겔 입자는 약 10,000, 7000, 5000, 2000, 1500, 1000, 700, 500, 400, 300, 200, 100, 50, 20, 10, 1, 0.1 또는 0.01 μm 미만의 입자 크기를 가질 수 있다. 다양한 범위를 형성하기 위한 이러한 입자 크기 값의 조합도 가능하며, 예를 들어 하이드로겔 입자는 약 0.1 μm 내지 약 10,000 μm, 약 1 μm 내지 약 2000 μm, 약 10 μm 내지 약 2000 μm, 약 10 μm 내지 약 500 μm, 약 100 μm 내지 약 400 μm, 예를 들어 약 200 μm 내지 약 300 μm의 입자 크기를 가질 수 있다.
하이드로겔 입자는 약 0.01 μm 내지 약 5000 μm 사이의 입자 크기(D50)를 가질 수 있다. 하이드로겔 입자는 적어도 약 0.01, 0.1, 1, 10, 20, 50, 100, 200, 300, 400, 500, 700, 1000, 1500, 2000 또는 5000 μm의 입자 크기(D50)를 가질 수 있다. 하이드로겔 입자는 약 5000, 2000, 1500, 1000, 700, 500, 400, 300, 200, 100, 50, 20, 10, 1, 0.1 또는 0.01 μm 미만의 입자 크기(D50)를 가질 수 있다. 다양한 범위를 형성하기 위한 이러한 D50 입자 크기 값의 조합도 가능하며, 예를 들어 하이드로겔 입자는 약 0.1 μm 내지 약 2000 μm 또는 약 10 μm 내지 약 500 μm의 입자 크기(D50)를 가질 수 있다. D50 입자 크기는 입자의 50부피%가 d50 입자 크기보다 작은 크기를 갖는 입자로 존재하도록 정의된다.
입자 크기는 전자 현미경(SEM 또는 TEM), 동적 광 산란, 광학 현미경 또는 크기 배제 방법(예컨대 눈금 체)과 같은 당업자에게 알려진 임의의 수단에 의해 결정될 수 있다. 하이드로겔 입자는 제어된 입자 크기를 가질 수 있으며 예를 들어 기체 스트림 및/또는 습하거나 건조 환경과의 접촉 동안, 상이한 환경 및 전단 조건 범위에서 이의 형태를 유지할 수 있다.
한 구현예에서, 하이드로겔은 자가-지지형일 수 있다. 본원에 사용된 용어 '자가-지지형'은 다공성 실리카, 제올라이트 또는 금속 유기 프레임워크(MOF)와 같은 지지체 물질(예를 들어 스캐폴드)의 부재 하에 그 형태를 유지하는 하이드로겔의 능력을 지칭한다. 예를 들어, 하이드로겔은 복수의 입자를 포함할 수 있으며, 입자는 스캐폴드 지지체의 부재 하에 이의 형태를 유지한다. 하이드로겔의 자가-지지형 성질은 특정 장점을 제공할 수 있으며, 예를 들어 유동층 반응기를 사용하여 하이드로겔 입자가 기체 스트림과 접촉되도록 허용할 수 있다. 따라서, 한 구현예에서, 하이드로겔은 별도의 다공성 지지체 구조와 같은 별도의 지지체 구조를 포함하지 않는다. 이는 예를 들어 액체 팽윤제로 팽윤될 때, 하이드로겔 자체가 성질상 다공성인 것을 배제하지 않는다. 따라서, 하이드로겔이 "자가-지지형"인 경우, 하이드로겔에 외인성인 지지체 물질(예를 들어 스캐폴드)이 없음이 이해될 것이다.
관련 구현예에서, 하이드로겔 입자는 유동성(즉, 건조한 분말상 특성을 나타냄)이어서 지나치게 끈적이거나 단단하지 않고 느슨한 미립자로서 유동하도록 허용한다. 유리하게는, 하이드로겔 입자는 건조한 자유-유동 분말의 형태로, 즉 산성 기체가 흡수될 때 입자 외부로 액체 팽윤제(존재하는 경우)의 실질적 탈출 없이 유지된다. 하이드로겔 미립자는 전형적으로 건조한 자유-유동 분말이기 때문에, 흡수 동안 벌크 액체상이 존재하지 않는다. 하이드로겔 입자의 자유-유동 성질은 특정 장점을 제공할 수 있으며, 예를 들어 유동층 반응기를 사용하여 하이드로겔 입자가 기체 스트림 또는 대기와 접촉되도록 허용할 수 있다.
일부 구현예에서, 하이드로겔은 컬럼 내의 층으로 제공될 수 있으며, 기체 스트림 또는 대기는 컬럼을 통해 유동하고 하이드로겔 층을 통과한다. 층은 임의의 특정 하이드로겔 형태로 제한되지 않는다. 한 예에서, 적합한 컬럼은 복수의 하이드로겔 입자로 충전되어 기체의 유동을 허용하도록 인접한 입자 사이에 충분한 틈새 공간을 갖는 충전층을 형성할 수 있다. 대안적으로, 하이드로겔은 기체 스트림과의 유동에서 제공될 수 있다(예를 들어 유동층 반응기).
일부 구현예 또는 예에서, 하이드로겔은 기재 상의 코팅 조성물로 제공될 수 있다. 일부 구현예 또는 예에서, 기재는 평면, 예를 들어 평면 시트일 수 있다. 특정 예에서, 기재는 가요성 시트일 수 있다. 평면 기재는 그 위로 하이드로겔 코팅 조성물이 적용될 수 있는 양 측면 요소를 제공한다. 각각의 기재는 2개의 대향 측면 상에서 하이드로겔 코팅 조성물로 코팅될 수 있다. 평면 기재는 임의의 구성을 가질 수 있다. 일부 구현예 또는 예에서, 평면 기재는 편평한 고체 표면을 포함할 수 있다. 다른 구현예 또는 예에서, 평면 기재는 기재를 통과하고 기재 주위에서 기체 유동을 보조하도록, 설계된 하나 이상의 구멍을 포함할 수 있다. 특정 구현예 또는 예에서, 기재는 메쉬, 예를 들어 마이크로 와이어 메쉬를 포함할 수 있다. 메쉬의 사용은 다수의 구멍(예를 들어 마이크로 크기 구멍)을 제공하여 그 위에 하이드로겔 코팅 조성물이 적용될 수 있는 큰 표면적을 제공하는 반면, 또한 다른 구성, 예를 들어 충전층과 비교하여(메시의 크기 및 구성에 따라) 기재에 걸쳐 합리적으로 낮은 압력 강하를 갖는 적합한 유동 경로를 제공한다. 하이드로겔은 다수의 입자로 연삭/분쇄될 수 있다.
액체 팽윤제
하이드로겔은 그 질량에 비해 많은 양의 액체 팽윤제(예컨대 물 또는 비수성 용매)를 흡수하고 유지할 수 있다. 일부 구현예에서, 하이드로겔은 유체 중 그 자체 중량의 적어도 5배 내지 유체 중 그 자체 중량의 300배까지 흡수할 수 있다. 하이드로겔의 팽윤 정도에 따라 하이드로겔 내의 표면적이 증가될 수 있다. 예를 들어, 하이드로겔은 하이드로겔의 친수성 중합체 네트워크를 친수성 중합체 상의 및/또는 액체 팽윤제 상의 반응성 작용기에 대한 산성 기체(예를 들어 CO2 또는 H2S)의 접근 가능성을 증가시킬 수 있는 액체-충전 기공을 갖는 보다 개방된 이동성 구조로 팽윤시키는 액체 팽윤제(예컨대 물 또는 알칸올아민)를 포함할 수 있다. 또한 하이드로겔은 본질적으로 하이드로겔의 팽윤 한계를 정의하는, 팽윤 용량(때때로 최대 팽윤 용량으로도 지칭됨)을 갖는다.
상기 논의된 바와 같이, 하이드로겔은 팽윤 용량을 가질 수 있다(즉 액체를 흡수할 수 있음). 이를 결정하는 전형적인 방법은 건조한 알려진 중량의 하이드로겔을 취하고 특정된 시기(전형적으로 48시간) 동안 과량의 액체에서 팽윤시키는 것이다. 이 시간 후 과량의 액체가 여과에 의해 제거되고 하이드로겔 중량이 기록되어 팽윤 비를 결정한다. 예로서, 하이드로겔의 팽윤 용량을 결정하기 위해, 알려진 질량(g)의 건조 하이드로겔이 액체 팽윤제(예컨대 물)에 실온에서 48시간 동안 분산된 후, 임의의 흡수되지 않은 유리 액체가 제거되고, 팽윤된 하이드로겔이 칭량된다. 하이드로겔의 건조 상태와 팽윤 상태 사이의 질량 차이는 흡수된 액체의 양에 해당하며, 이는 하이드로겔 1 g당 액체의 그램(g/g)으로 계산된다.
일부 구현예에서, 하이드로겔은 적어도 약 1, 5, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100, 150 또는 200 g/g의 팽윤 용량을 가질 수 있다. 다른 구현예에서, 하이드로겔은 약 200, 150, 100, 90, 80, 70, 60, 50, 40, 30, 20, 10, 5 또는 1 g/g 미만의 팽윤 용량을 가질 수 있다. 다양한 범위를 형성하기 위한 이들 팽윤 용량 값의 조합도 가능하며, 예를 들어 하이드로겔은 약 20 g/g 내지 약 100 g/g의 팽윤 용량을 가질 수 있다. 팽윤 용량은 백분율로 제공될 수도 있으며, 예를 들어 0.5 g/g의 팽윤 용량은 50%와 같다(즉, 하이드로겔이 50% 팽윤됨).
하이드로겔의 팽윤 용량은 또한 액체 팽윤제에 따라 변할 수 있다. 예를 들어, 하이드로겔은 액체 팽윤제인 글리세롤과 비교하여 액체 팽윤제인 물과 상이한 팽윤 용량을 가질 수 있다. 예를 들어, 하이드로겔은 약 1 g/g 내지 약 200 g/g, 예를 들어 약 20 g/g 내지 약 200 g/g 물의 팽윤 용량을 가질 수 있다. 일부 구현예에서, 하이드로겔은 적어도 약 1, 5, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100, 150 또는 200 g/g 물의 팽윤 용량을 가질 수 있다. 다른 구현예에서, 하이드로겔은 약 200, 150, 100, 90, 80, 70, 60, 50, 40, 30, 20, 10, 5 또는 1 g/g 물 미만의 팽윤 용량을 가질 수 있다. 다양한 범위를 형성하기 위한 이들 팽윤 용량 값의 조합도 가능하며, 예를 들어 하이드로겔은 약 20 g/g 내지 약 100 g/g 물의 팽윤 용량을 가질 수 있다.
또 다른 예에서, 하이드로겔은 약 1 g/g 내지 약 200 g/g, 예를 들어 약 20 g/g 내지 약 200 g/g 글리세롤의 팽윤 용량을 가질 수 있다. 일부 구현예에서, 하이드로겔은 적어도 약 0.5, 1, 5, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100, 150, 또는 200 g/g 글리세롤의 팽윤 용량을 가질 수 있다. 다른 구현예에서, 하이드로겔은 약 200, 150, 100, 90, 80, 70, 60, 50, 40, 30, 20, 10, 5 1, 또는 0.5 g/g 글리세롤 미만의 팽윤 용량을 가질 수 있다. 다양한 범위를 형성하기 위한 이러한 팽윤 용량 값의 조합도 가능하며, 예를 들어 하이드로겔은 약 1 g/g 내지 약 200 g/g, 또는 약 20 g/g 내지 약 100 g/g 글리세롤의 팽윤 용량을 가질 수 있다. 팽윤 용량은 백분율로 제공될 수도 있으며, 예를 들어 0.5 g/g의 팽윤 용량은 50%와 같다(즉, 하이드로겔이 50% 팽윤됨).
일부 구현예에서, 하이드로겔은 액체 팽윤제로 하이드로겔 팽윤 용량의 약 60% 내지 약 99%까지 팽윤된다. 예를 들어, 하이드로겔은 하이드로겔 팽윤 용량의 적어도 약 60, 70, 80, 90, 95, 98, 또는 99%까지 팽윤될 수 있다. 하이드로겔은 하이드로겔 팽윤 용량의 약 99, 98, 95, 90, 80, 70, 또는 60% 미만까지 팽윤될 수 있다. 다양한 범위를 형성하기 위한 이들 % 값의 조합도 가능하며, 예를 들어 하이드로겔은 하이드로겔 팽윤 용량의 약 70% 내지 약 98%, 예를 들어 하이드로겔 팽윤 용량의 약 80% 내지 약 95%까지 팽윤될 수 있다.
한 구현예에서, 하이드로겔 내에 흡수된 액체 팽윤제의 양은 하이드로겔의 팽윤 용량을 초과하지 않는다. 일부 구현예 또는 예에 따르면, 하이드로겔 팽윤 용량을 초과하지 않고 및/또는 그 미만으로 작동함으로써, 하이드로겔은 "건조" 및 "분말" 특성을 나타내며, 미립자 형태일 때, 내부에 흡수된 액체 팽윤제의 존재 하에서도 유동할 수 있다. 흡수된 액체의 양 및 사용할 때 또한 흡수될 수 있는 기체 스트림으로부터의 임의의 수분이 하이드로겔 팽윤 용량이거나 그 근처이면서도 이를 초과하지 않도록 함으로써, 각 입자 내 액체의 양을 최대화하여 하이드로겔의 "건조" 및 "분말" 특성을 유지하면서 산성 기체 흡수를 증가시키도록 허용할 수 있다.
하이드로겔은 하이드로겔 내에 흡수된 액체 팽윤제를 팽윤시키고 유지할 수 있다. 하이드로겔은 하이드로겔의 전체 중량(예를 들어, 하이드로겔 및 내부에 흡수된 임의의 액체 팽윤제의 중량)을 기준으로 약 0.5중량% 내지 약 99중량%의 액체 팽윤제를 팽윤시키고 유지할 수 있다. 액체 팽윤제는 하이드로겔 내의 가교된 친수성 중합체 네트워크에 강하게 또는 약하게 결합될 수도 있고, 결합되지 않을 수도 있다. 하이드로겔 내의 액상 팽윤제의 양은 하이드로겔의 팽윤 또는 탈수 정도에 따라 변할 수 있다. 예를 들어, 하이드로겔은 하이드로겔의 전체 중량을 기준으로 0.5중량% 내지 약 99중량%의 액체 팽윤제를 포함할 수 있다.
일부 구현예에서, 하이드로겔은 하이드로겔의 전체 중량을 기준으로 적어도 약 0.5, 1, 5, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 또는 99중량%의 액체 팽윤제를 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 하이드로겔은 하이드로겔의 전체 중량을 기준으로 약 99, 90, 80, 70, 60, 50, 40, 30, 20, 10, 5, 1, 또는 0.5중량% 미만의 액체 팽윤제를 포함할 수 있다. 다양한 범위를 형성하기 위한 이들 중량% 값의 조합도 가능하며, 예를 들어 하이드로겔은 하이드로겔의 전체 중량을 기준으로 약 40중량% 내지 약 99중량%의 액체 팽윤제를 포함할 수 있다.
일부 구현예에서, 하이드로겔은 하이드로겔의 전체 중량을 기준으로 약 50중량% 내지 약 99중량%의 액체 팽윤제를 포함한다. 일부 구현예에서, 하이드로겔은 하이드로겔의 전체 중량을 기준으로 적어도 약 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85, 90, 95 또는 99중량%의 액체 팽윤제를 포함한다. 다른 구현예에서, 하이드로겔은 하이드로겔 t의 전체 중량을 기준으로 약 99, 95, 90, 85, 80, 75, 70, 65, 60, 55, 또는 55중량% 미만의 액체 팽윤제를 포함한다. 다양한 범위를 형성하기 위한 이들 중량% 값의 조합도 가능하며, 예를 들어 하이드로겔은 하이드로겔의 전체 중량을 기준으로 약 85중량% 내지 약 98중량%의 액체 팽윤제를 포함한다. 적합한 액체 팽윤제가 본원에 기재된다.
일부 구현예에서, 흡수된 액체 팽윤제 대 하이드로겔의 중량비%는 적어도 약 1:5, 1:4, 1:3, 1:2, 1:1, 1.5:1, 2:1, 2:5:1, 3:1, 3.5:1, 4:1, 4.5:1 또는 5:1일 수 있다. 일부 구현예에서, 흡수된 액체 팽윤제 대 하이드로겔의 중량비%는 약 5:1, 4.5:1, 4:1, 3.5:1, 3:1, 2.5:1, 2:1, 1.5:1, 1:1, 1:2, 1:3, 1:4 또는 1:5 미만일 수 있다. 흡수된 액체 팽윤제 대 하이드로겔의 중량비(%)는 이들 상한값 및/또는 하한값 중 임의의 2개에 의해 제공되는 범위, 예를 들어 약 1:1 내지 약 5:1일 수 있다. 일부 구현예 또는 예에 따르면, 이 비는 하이드로겔의 분말 "건조" 특성을 유지하면서 산성 기체의 포집을 위한 반응성 작용기의 양을 최대화하는(예를 들어 하이드로겔의 친수성 중합체 네트워크를 친수성 중합체 상의 및/또는 액체 팽윤제 상의 반응성 작용기에 대한 산성 기체(예를 들어 CO2 또는 H2S)의 접근 가능성을 증가시킬 수 있는 액체-충전 기공을 갖는 보다 개방된 이동성 구조로 팽윤시킴) 것을 포함하는 하나 이상의 장점을 제공하며, 이는 미립자 형태일 때 이들이 예를 들어 유동층 반응기에서 유동하도록 허용한다.
대안적으로, 하이드로겔은 흡수된 액체 팽윤제의 일부가 제거되거나 증발되는 건조한 또는 탈수된 상태일 수 있다. 건조 하이드로겔(탈수된 하이드로겔로도 알려짐)은 하이드로겔의 전체 중량을 기준으로 약 0.01% 내지 약 20%의 액체 팽윤제, 예를 들어 하이드로겔의 전체 중량을 기준으로 약 0.5중량% 내지 약 10중량%의 액체 팽윤제를 포함할 수 있다.
한 구현예에서, 액체 팽윤제는 분자량이 500 g/mol 미만인 비중합체성 액체이다. 이러한 물질은 고체이거나 고점도 액체이기 때문에 다량의 중합체 액체 팽윤제를 하이드로겔에 로딩하는 것이 어렵다. 더욱이, 산성 기체의 하이드로겔 조성물로의 확산은 중합체성 액체 팽윤제의 상대적으로 낮은 로딩에서도 CO2 흡수 용량을 제한한다. 따라서 일부 구현예에서, 액체 팽윤제의 분자량은 500 g/mol 미만, 바람직하게는 200 g/mol 미만이다.
액상 팽윤제는 낮은 휘발성을 가질 수 있다. 예를 들어, 액체 팽윤제는 적어도 약 100, 120, 140, 160, 200, 220, 240, 260, 280, 또는 300℃의 비점을 가질 수 있다. 액체 팽윤제는 약 300, 280, 260, 240, 220, 200, 160, 140, 120, 또는 100℃ 미만의 비점을 가질 수 있다. 다양한 범위를 제공하기 위한 이들 비점의 조합도 가능하며, 예를 들어 액체 팽윤제는 약 100℃ 내지 약 300℃의 비점을 갖는다. 액체 팽윤제의 비점은 액체 팽윤제에 따라 변할 수 있고, 예를 들어 물은 약 100℃의 비점을 갖고, 글리세롤은 약 290℃의 비점을 갖고, 모노에틸렌 글리콜(MEG)은 약 198℃의 비점을 갖는다. 본원에 기재된 적어도 일부 구현예 또는 예에 따르면, 고비점 용매는 액체 팽윤제로 용해된 하이드로겔이 재생(예를 들어 증기로 가열)을 거쳐 포집된 산성 기체(예를 들어 CO2 또는 H2S)를 제거할 때 용매의 증발 손실을 더 낮출 수 있어서, 용매가 증발하기 전에 산성 기체가 선택적으로 제거될 수 있도록 한다.
액체 팽윤제는 물, 비수성 용매, 또는 이의 조합일 수 있다. 한 구현예에서, 액체 팽윤제는 비수성 용매이다. 비수성 용매는 극성 용매일 수 있다. 한 구현예에서, 액체 팽윤제는 산성 기체(예를 들어 CO2 또는 H2S), 예를 들어 아민에 결합할 수 있는 하나 이상의 작용기를 포함할 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 액체 팽윤제는 산성 기체(예를 들어 CO2 또는 H2S)를 용해시키는 데 도움을 줄 수 있는 기, 예를 들어 하이드록실기를 포함할 수 있다.
한 구현예에서, 적어도 하나의 산성 기체 흡수제는 하이드로겔 내에 흡수된 액체 팽윤제의 일부로서 하이드로겔 내에 혼입된다. 예를 들어, 액체 팽윤제는 하이드로겔 내에 적어도 하나의 산성 기체 흡수제를 혼입하기 위한 산성 기체 흡수제를 포함한다. 한 구현예에서, 액체 팽윤제는 화학적 공정에 의해 산성 기체에 결합할 수 있는 하나 이상의 작용기를 포함하거나 물리적 공정에 의해 산성 기체를 흡수할 수 있는 액체이다.
한 구현예에서, 액체 팽윤제는 화학적 공정에 의해, 예를 들어 액체 팽윤제에 존재하는 하나 이상의 작용기(예를 들어 아민)를 통해 산성 기체에 결합함으로써 산성 기체에 결합할 수 있는 하나 이상의 작용기를 포함한다. 용어 "화학 공정에 의한"은 전하가 전달되는 화학 반응에 의한, 예를 들어 액체 팽윤제에 존재하는 하나의 작용기(예를 들어 아민)를 통한 산성 기체에 대한 결합에 의한, 기체 스트림 또는 대기로의 액체 팽윤제의 우선적 흡수를 의미한다. 화학 공정에 의해 산성 기체를 흡수할 수 있는 적합한 액체는 본원에 기재된 바와 같이, 알칸올아민, 알킬아민 및 알킬옥시아민을 포함하는 아민, 피페리딘 및 그 유도체, 피페라진 및 그 유도체, 피리딘 및 그 유도체, 및 이들의 혼합물을 포함하지만 이에 제한되지 않는다.
적합한 아민의 예는 모노에탄올아민, 에틸렌디아민, 2-아미노-2-메틸프로판올, 2-아미노-2-메틸-에탄올아민 및 벤질아민과 같은 1차 아민; N-메틸에탄올아민, 피페라진, 피페리딘 및 치환 피페리딘, 2-아미노-1-프로판올(AP)의 N-알킬 유도체, 특히 2-N-메틸아미노-1-프로판올(MAP), 2-N-메틸아미노 -2-메틸-1-프로판올(MAMP)뿐만 아니라 2개 이상의 하이드록실기를 갖는 유도체 및/또는 에테르 유도체, 디에탄올아민, 디글리콜아민 및 디이소프로판올아민과 같은 2차 아민; 및 N-메틸디에탄올 아민 및 타우린, 사르코신, 알라닌과 같은 아미노산, 2-아미노-2-메틸-1-프로판올(AMP), 3-피페리딘메탄올, 3-피페리딘에탄올, 2-피페리딘메탄올, 2-피페리딘에탄올, N-피페리딘메탄올, N-피페리딘에탄올, 2-메틸아미노에탄올, N,N-디메틸아미노에탄올 및 3-퀴누클리디놀. 모노에탄올아민, 디에탄올아민, 아미노에틸에탄올아민, 디글리콜아민, 피페라진, N-아미노에틸피페라진, N-(2-하이드록시에틸)피페라진 및 모르폴린과 같은 3차 아민을 포함한다.
액체 팽윤제는 물, 알코올, 폴리올 화합물, 글리콜, 아민(예를 들어, 알칸올아민, 알킬아민, 알킬옥시아민), 피페리딘, 피페라진, 피리딘, 피롤리돈, 및 이의 유도체 또는 조합으로 구성된 군으로부터 선택될 수 있다. 적합한 알칸올아민은 모노에탄올아민, 디에탄올아민, 메틸디에탄올아민, 디이소프로판올아민, N-에틸모노에탄올아민 및 아미노에톡시에탄올을 포함할 수 있다. 적합한 알킬아민은 에틸렌아민, 예를 들어 테트라에틸펜타민(TEPA)을 포함할 수 있다. 적합한 글리콜은 에틸렌 글리콜, 모노에틸렌 글리콜, 디에틸렌 글리콜, 트리에틸렌 글리콜, 프로필렌 글리콜, 프로판디올, 부틸렌 글리콜, 트리에틸렌 글리콜, 폴리에틸렌 글리콜 및 디글림을 포함할 수 있다. 적합한 알코올은 2-에티옥시에탄올, 2-메톡시에탄올을 포함할 수 있다. 적합한 폴리올 화합물은 글리세롤을 포함할 수 있다. 적합한 피페리딘은 피페리딘, 2-메틸피페리딘, 3-메틸피페리딘, 4-메틸피페리딘, 2-피페리딘에탄올(PE), 3-피페리딘메탄올 및 4-피페리딘메탄올을 포함한다. 액체 팽윤제는 상기 액체 중 임의의 하나 이상을 포함할 수 있다. 한 구현예에서, 액체 팽윤제는 알킬아민, 알칸올아민, 및 글리콜, 및 이의 조합으로 구성된 군으로부터 선택된다.
일부 구현예에서, 액체 팽윤제는 물, 모노에탄올아민, 디에탄올아민, 메틸디에탄올아민, 디이소프로판올아민, N-에틸모노에탄올아민, 아미노에톡시에탄올, 에틸렌 글리콜, 트리에틸렌 글리콜, 모노에틸렌 글리콜, 디에틸렌 글리콜, 트리에틸렌 글리콜, 프로필렌 글리콜, 프로판디올, 부틸렌 글리콜, 폴리에틸렌 글리콜, 글리세롤, 디글림, 2-에티옥시에탄올, 2-메톡시에탄올, 글리세롤, 2-메틸피페리딘, 3-메틸피페리딘, 4-메틸피페리딘, 2-피페리딘에탄올(PE), 3-피페리딘메탄올, 및 4-피페리딘메탄올로 구성된 군으로부터 선택될 수 있다.
한 구현예에서, 액체 팽윤제는 물리적 공정에 의해 산성 기체를 흡수할 수 있는 액체이다. 용어 "물리적 공정에 의해"는 화학 반응이 아닌 물리적 특성에 의한 기체 스트림 또는 대기로부터의 산성 기체의 흡수를 의미한다(예를 들어 액체 팽윤제는 산성 기체에 화학적으로 결합하지 않지만 이를 용해시킬 수 있음). 물리적 공정(예를 들어 산성 기체에 화학적으로 결합하지 않지만 이를 용해시킬 수 있음)에 의해 산성 기체(예를 들어 CO2 또는 H2S)를 흡수할 수 있는 적합한 액체는 폴리에틸렌 글리콜, 폴리에틸렌 글리콜의 알킬 에테르 및 특히 폴리에틸렌 글리콜의 디메틸 에테르와 같은 디알킬 에테르, N-메틸피롤리돈, 프로필렌 카보네이트, 메탄올, 설폴란(테트라하이드로티오펜디옥시드), 에스타솔반(트리부틸 포스페이트), 이미다졸, 이온성 액체, 1차 아민, 2차 아민, 3차 아민, 입체 장애 아민 및 이들의 혼합물을 포함하지만 이에 제한되지 않는다. 상업적으로 이용 가능한 물리적 용매의 구체적인 예는 SELEXOL 공정에서 사용되는 폴리에틸렌 글리콜의 디메틸 에테르(DEPG)(UOP LLC, Des Plaines, IL); RECTISOL® 공정에서 사용되는 메탄올(Lurgi AG, Frankfurt, Germany); RECTISOL® n-메틸-2-피롤리돈(NMP)(Lurgi AG); 및 FLUOR SOLVENT 공정에서 사용되는 프로필렌 카보네이트(PC)(Fluor Corp)를 포함한다.
한 구현예에서, 액체 팽윤제는 물, 모노에틸렌 글리콜, 폴리에틸렌 글리콜, 글리세롤, 2-메톡시에탄올, 2-에톡시에탄올, 모노에탄올아민, 디에탄올아민, 메틸디에탄올아민, 디이소프로판올아민 및 아미노에톡시에탄올, 및 이의 조합으로 구성된 군으로부터 선택된다. 한 구현예에서, 액체 팽윤제는 물, 글리세롤, 모노에탄올아민, 디에탄올아민, 2-피페리딘에탄올, 에틸렌 글리콜, 트리에틸렌 글리콜, 또는 모노에틸렌글리콜(MEG) 또는 이의 조합이다.
일부 구현예에서, 액체 팽윤제는 기체 스트림 또는 대기와 접촉될 때 산성 기체(예를 들어 CO2 또는 H2S)를 흡수할 수 있다. 산성 기체(예를 들어 CO2 또는 H2S)를 흡수할 수 있는 적합한 액체 팽윤제는 본원에 기재된 액체 팽윤제 중 하나 이상을 포함한다. 일부 구현예에서, 액체 팽윤제는 화학적 또는 물리적 공정에 의해 산성 기체(예를 들어 CO2 또는 H2S)를 흡수할 수 있다. 일부 구현예에서, 액체 팽윤제는 산성 기체(예를 들어 CO2 또는 H2S)에 결합할 수 있는 작용기를 포함한다. 예를 들어, 액체 팽윤제는 1차 아민(-NH2) 또는 2차 아민기(-NH-)와 같은 하나 이상의 아민기를 포함할 수 있다. 이러한 아민기는 H2S 및 CO2-친화성이며 H2S 및 CO2와 쉽게 반응하고 결합한다. 일부 구현예에서, 액체 팽윤제는 알칸올아민과 같은 하나 이상의 아민기 아민을 포함한다. 또 다른 예에서, 액체 팽윤제는, 예를 들어 본원에 기재된 글리콜, 폴리올 또는 디메틸 에테르 산성 기체(예를 들어 CO2 또는 H2S)를 물리적으로 용해시킬 수 있는 2개 이상의 (-OH)기를 포함한다.
일부 구현예에서, 하이드로겔은 적어도 약 0.5, 1, 5, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 또는 99중량%의 물을 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 하이드로겔은 약 99, 90, 80, 70, 60, 50, 40, 30, 20, 10, 5, 1, 또는 0.5중량% 미만의 물을 포함할 수 있다. 다양한 범위를 형성하기 위한 이들 중량% 값의 조합도 가능하며, 예를 들어 하이드로겔은 약 40중량% 내지 약 99중량% 물을 포함할 수 있다. 물은 일정 정도의 염도를 가질 수 있으며, 예를 들어 소금물 또는 염수일 수 있다.
일부 구현예에서, 하이드로겔은 적어도 약 0.5, 1, 5, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 또는 99중량%의 글리세롤을 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 하이드로겔은 약 99, 90, 80, 70, 60, 50, 40, 30, 20, 10, 5, 1, 또는 0.5중량% 미만의 글리세롤을 포함할 수 있다. 다양한 범위를 형성하기 위한 이들 중량% 값의 조합도 가능하며, 예를 들어 하이드로겔은 약 40중량% 내지 약 99중량%의 글리세롤을 포함할 수 있다.
일부 구현예에서, 하이드로겔은 적어도 약 0.5, 1, 5, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 또는 99중량%의 모노에틸렌글리콜(MEG)을 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 하이드로겔은 약 99, 90, 80, 70, 60, 50, 40, 30, 20, 10, 5, 1, 또는 0.5중량% 미만의 모노에틸렌글리콜(MEG)을 포함할 수 있다. 다양한 범위를 형성하기 위한 이들 중량% 값의 조합도 가능하며, 예를 들어 하이드로겔은 약 40중량% 내지 약 99중량% 모노에틸렌글리콜(MEG)을 포함할 수 있다.
일부 구현예에서, 하이드로겔은 적어도 약 0.5, 1, 5, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 또는 99중량%의 알칸올아민을 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 하이드로겔은 약 99, 90, 80, 70, 60, 50, 40, 30, 20, 10, 5, 1, 또는 0.5중량% 미만의 알칸올아민을 포함할 수 있다. 다양한 범위를 형성하기 위한 이들 중량% 값의 조합도 가능하며, 예를 들어 하이드로겔은 약 40중량% 내지 약 99중량%의 알칸올아민을 포함할 수 있다. 적합한 알칸올아민이 본원에 기재된다.
일부 구현예에서, 하이드로겔은 적어도 약 0.5, 1, 5, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 또는 99중량%의 글리콜을 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 하이드로겔은 약 99, 90, 80, 70, 60, 50, 40, 30, 20, 10, 5, 1, 또는 0.5중량% 미만의 글리콜을 포함할 수 있다. 다양한 범위를 형성하기 위한 이들 중량% 값의 조합도 가능하며, 예를 들어 하이드로겔은 약 40중량% 내지 약 99중량%의 글리콜을 포함할 수 있다. 적합한 글리콜이 본원에 기재된다.
일부 구현예에서, 하이드로겔은 적어도 약 0.5, 1, 5, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 또는 99중량%의 피페리딘을 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 하이드로겔은 약 99, 90, 80, 70, 60, 50, 40, 30, 20, 10, 5, 1, 또는 0.5중량% 미만의 피페리딘을 포함할 수 있다. 다양한 범위를 형성하기 위한 이들 중량% 값의 조합도 가능하며, 예를 들어 하이드로겔은 약 40중량% 내지 약 99중량%의 피페리딘을 포함할 수 있다. 적합한 피페리딘이 본원에 기재된다.
액체 팽윤제는 아미노산 염을 추가로 포함할 수 있다. 액체 팽윤제 내 아미노산 염의 혼입은 산성 기체 흡수를 개선할 수 있다. 아미노 작용기의 존재로 인해, CO2는 아미노산 염과 결합하여 CO2 흡수를 증가시킬 수 있다. 아미노산 염은 임의의 적합한 아미노산 또는 이의 유도체, 예를 들어 글리신, 프롤린, 사르코신 또는 타우린을 포함할 수 있다. 아미노산 염은 암모늄 염, 알칼리 금속 염, 예를 들어 포타슘 및 소듐 염, 알칼리 토금속 염, 예를 들어 칼슘 및 마그네슘 염을 포함하는 임의의 적합한 염을 포함할 수 있다. 아미노산 염은 포타슘 글리시네이트, 포타슘 사르코시네이트, 포타슘 프롤린, 또는 이소프로필 글리시네이트일 수 있다. 한 구현예에서, 아미노산 염은 포타슘 사르코네이트이다.
액체 팽윤제는 또한 하이드로겔의 열 전도도를 증가시킬 수 있다. 하이드로겔의 열 전도도를 증가시키는 하나 이상의 장점이 본원에 기재된다.
하이드로겔은 킬레이터(즉, 킬레이트제)를 추가로 포함할 수 있다. 킬레이터는 친수성 중합체 내에 존재할 수 있는 임의의 잔류 금속, 예를 들어 납 또는 구리와 같은 하나 이상의 오염물질을 킬레이트함으로써 하이드로겔의 안정성을 개선할 수 있다. 킬레이터는 포스페이트 염, 예를 들어 포타슘 포스페이트 또는 소듐 포스페이트일 수 있다. 한 구현예에서, 킬레이터는 소듐 포스페이트이다. 다른 적합한 킬레이터는 EDTA, 데페록사민 메실레이트 염, 크롬 피콜리네이트, 아연 피콜리네이트 및 펜테트산을 포함할 수 있다.
하이드로겔의 흡수 용량은 가교된 친수성 중합체의 일부 및/또는 액체 팽윤제의 일부로 또는 하이드로겔로 흡수되는 별도의 수용액으로 흡습성 염을 하이드로겔에 혼입함으로써 향상될 수 있다. 흡습성 염은 리튬 클로라이드, 리튬 브로마이드 또는 소듐 클로라이드와 같은 1가 염, 또는 칼슘 클로라이드, 칼슘 설페이트와 같은 2가 염일 수 있다. 흡습성 염은 이의 포화까지 임의의 양으로 가교된 중합체 네트워크에 존재할 수 있다.
하이드로겔이 비수성 용매 액체 팽윤제를 포함하는 경우, 하이드로겔은 분산 매질로 비수성 용매를 사용하여 제조될 수 있다(예를 들어, 친수성 중합체가 비수성 액체 팽윤제에 분산되고, 내부에서 가교되어 하이드로겔을 형성함). 대안적으로, 하이드로겔은 물을 분산 매질로 사용하여 제조된 후, 건조/탈수되어 흡수된 물을 제거하고, 이어서 비수성 용매가 하이드로겔에 첨가되어 내부에 흡수된다. 예를 들어, 건조된 하이드로겔이 비수성 용매에 침지된 후, 일정 시기 동안 방치되어 비수성 용매를 주입하거나 흡수시킬 수 있다. 대안적으로, 하이드로겔은 상업적으로 이용 가능한 하이드로겔(예를 들어 Bio-Gel® P 폴리아크릴아미드 비드)일 수 있으며, 이후 액체 팽윤제에 첨가되어 내부에 흡수된다.
열 전도성 미립자 물질
하이드로겔은 열 전도성 미립자 물질을 포함한다. 열 전도성 미립자 물질은 하이드로겔 상에 또는 내에 산재될 수 있다. 예를 들어, 열 전도성 미립자 물질은 하이드로겔을 형성하는 가교된 친수성 중합체 내에 산재될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 열 전도성 미립자 물질은 하이드로겔의 표면 상에 또는 내에 산재될 수 있다.
일부 구현예에서, 하이드로겔 상에 또는 내에 산재된 열 전도성 미립자 물질에는 다음 중 적어도 하나가 제공될 수 있다:
a) 하이드로겔 내에 삽입되거나, 산재되거나, 포매된 열 전도성 미립자 물질;
b) 하이드로겔의 표면에 삽입되거나, 산재되거나, 포매됨; 및
c) 하이드로겔 표면 상의 추가 코팅.
일부 구현예에서, 열 전도성 미립자 물질은 하이드로겔의 가교된 친수성 중합체에 화학적으로 그래프팅되지 않는다(즉, 친수성 중합체 매트릭스와 열 전도성 미립자 물질 사이에 화학적 결합이 없음).
한 구현예에서, 열 전도성 미립자 물질은 하이드로겔의 가교된 친수성 중합체 상의 하나 이상의 반응성 작용기에 화학적으로 그래프팅되지 않는다. 예를 들어, 하이드로겔이 가교된 폴리아민(예컨대 가교된 폴리에틸렌이민)을 포함하는 경우, 일부 구현예에서 열 전도성 미립자 물질은 가교된 폴리에틸렌이민 상의 하나 이상의 아민기에 화학적으로 그래프팅되지 않는다. 일부 구현예 또는 예에 따르면, 화학적 그래프팅의 결여는 부분적으로 화학적으로 불활성인 열 전도성 미립자 물질로 인해 발생할 수 있다. 예를 들어, 흑연은 화학적으로 불활성이며, 가교된 친수성 중합체 상의 아민과 같은 하나 이상의 작용기에 화학적으로 그래프팅할 수 있는 반응기가 없다. 대조적으로, 그래핀 옥시드는 반응성 에폭시드 및 아민기와 반응할 수 있는 카복실산기를 포함한다. 유리 아민기에 대한 이러한 화학적 그래프팅은 산성 기체(예를 들어 CO2 또는 H2S)에 결합하고 이를 포집하기 위해 이용 가능한 반응성 아민기의 수를 감소시키기 때문에 하이드로겔의 산성 기체 흡수 용량을 감소시킬 수 있을 것으로 예상된다.
관련 구현예에서, 열 전도성 미립자 물질은 아민과 같은 하나 이상의 작용기에 화학적으로 그래프팅할 수 있는 반응기가 없다는 점에서, 화학적으로 불활성이다. 또 다른 관련 구현예에서, 열 전도성 미립자 물질은 산성 기체 흡수제(산성 기체에 결합하기 위해 가교된 친수성 중합체 상의 하나 이상의 반응성 작용기(예를 들어 아민)로 및/또는 하이드로겔 내에 흡수된 액체 팽윤제의 일부로 하이드로겔 내에 혼입될 수 있음)에 화학적으로 그래프팅되지 않는다. 본원에 기재된 일부 구현예 또는 예에 따르면, 열 전도성 미립자 물질을 가교된 중합체/산성 기체 흡수제에 화학적으로 그래프팅하지 않음으로써 개선된 산성 기체 흡수 성능이 얻어질 수 있다.
한 구현예에서, 열 전도성 미립자 물질은 순수 물질(즉, 외인성 물질로 작용화되거나 가교되지 않은, 예를 들어 단일 화합물 또는 단일 요소를 포함하는 순수한 물질)로 제공된다. 또 다른 구현예에서, 열 전도성 미립자 물질은 그래핀 옥시드를 포함하지 않는다.
하이드로겔 상에 또는 내에 열 전도성 미립자 물질의 산재는 분광측정 및 현미경 검사 방법, 예를 들어 주사 전자 현미경을 포함하는 다양한 기기 및 방법에 의해 결정될 수 있음이 이해될 것이다.
물질의 열 전도도는 열을 전도하는 그 능력의 측정이다. 열 전도도가 높은 물질보다 열 전도도가 낮은 물질에서 열 전달이 더 낮은 속도로 발생한다. 본원에 사용된 용어 "열 전도성 미립자 물질"은 미립자 물질을 포함하지 않는 하이드로겔과 비교하여 더 빠른 속도로 가열될 때 하이드로겔에 걸쳐 열을 전도하고 전달할 수 있는 열 전도도를 갖는 미립자 물질을 지칭한다. 이러한 열 전도성 특성은 예를 들어 더 낮은 온도에서 포집된 산성 기체를 제거하기 위한 재생에서 도움이 될 수 있다. 미립자 물질은 하이드로겔 상에 또는 내에 균질하게 분산될 수 있다. 예를 들어, 미립자 물질은 가교된 친수성 중합체에 걸쳐 균일하게 분산될 수 있고/있거나 하이드로겔의 표면 상에 균일하게 분산될 수 있다. 이는 합성 동안(예를 들어 현장에서) 또는 가교된 중합체를 열 전도성 입자와 배합하여 중합체가 형성된 후에(예를 들어 현장 외부에서) 열 전도성 입자를 첨가함으로써 달성될 수 있다(도 1).
미립자 물질의 열 전도도는 임의의 적합한 기술에 의해, 예를 들어 ASTM E1225에 따라 측정될 수 있다. 열 전도도를 측정하기 위해, 미립자 물질을 포함하는 하이드로겔이 용해되어 미립자 물질을 분리하고 얻을 수 있으며(예를 들어 원심분리를 통해) 이어서 열 전도도 측정을 거칠 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 미립자 물질은 하이드로겔에 혼입되기 전에 측정된 그 열 전도도를 가질 수 있다.
열 전도성 미립자 물질은 벌크 열 전도도를 가질 수 있다. 당업자에게 이해되는 바와 같이, 미립자 물질의 벌크 열 전도도는 미립자 물질의 입자 크기와 무관하다.
열 전도성 미립자 물질은 약 20 내지 약 2000의 벌크 열 전도도(25℃에서 W/(m/K) 단위)를 가질 수 있다. 미립자 물질은 적어도 약 20, 25, 50, 100, 150, 200, 250, 300, 500, 700, 1000, 1200, 1500, 1700 또는 2000의 벌크 열 전도도(25℃에서 W/(m/K) 단위)를 가질 수 있다. 미립자 물질은 약 2000, 1700, 1500, 1200, 1000, 700, 500, 300, 250, 200, 150, 100, 50, 25 또는 20 미만의 벌크 열 전도도(25℃에서 W/(m/K) 단위)를 가질 수 있다. 벌크 열 전도도는 이들 상한값 및/또는 하한값 중 임의의 2개에 의해 제공되는 범위, 예를 들어 25℃에서 약 20 내지 약 1000, 약 20 내지 약 500, 약 100 내지 약 500, 또는 약 100 내지 약 200 W/(m/K)일 수 있다.
산재된 열 전도성 미립자 물질을 포함하는 하이드로겔은 또한 열 전도도(예를 들어 하이드로겔 및 미립자 물질을 둘 모두 포함하는, 하이드로겔의 불균질한 성질로 인해 겉보기 열 전도도라고도 지칭됨)를 가질 수 있음이 이해될 것이다. 하이드로겔의 열 전도도는 미립자 물질 자체의 열 전도도보다 낮을 수 있지만, 본원에 기재된 일부 예에 따르면, 임의의 열 전도성 미립자 물질을 포함하지 않는 동일한 하이드로겔의 열 전도도보다 크다. 본원에 기재된 미립자 물질을 포함하는 하이드로겔은 예를 들어 ASTM E 1225 또는 ASTM D5470에 개략된 시험 방법을 사용하여 측정되어 그 열 전도도를 결정할 수 있다. 한 구현예에서, 하이드로겔의 열 전도도는 ASTM D5470에 개략된 시험 방법을 사용하여 측정된다.
일부 구현예에서, 열 전도성 미립자 물질을 포함하는 하이드로겔은 25℃에서 약 0.1 내지 2000 W/(m/K)의 열 전도도를 갖는다. 한 구현예에서, 하이드로겔의 열전도도는 하이드로겔 상에 또는 내에 열 전도성 미립자 물질의 산재 후 적어도 인수 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 또는 10만큼 증가될 수 있다. 예를 들어, 하이드로겔 단독의 열 전도도는 약 0.1 W/(m/K) 미만일 수 있는 반면, 하이드로겔 상에 또는 내에 산재된 열 전도성 미립자 물질을 포함하는 하이드로겔은 0.1 W(m/K) 초과의 열 전도도를 가질 수 있다.
본원에 기재된 적어도 일부 구현예 또는 예에 따라, 본 발명자들은 놀랍게도 하이드로겔 내에 다양한 유형의 탄소계 미립자 물질(예를 들어 흑연, 카본 블랙)을 혼입함으로써, 유효 열 전도도가 개선되는 동시에 우수한 재생을 유지할 수 있음을 확인했다. 추가적으로, 본원에 기재된 액체 팽윤제로 하이드로겔을 팽윤시키는 것이 또한 하이드로겔 열 전도도를 개선할 수 있다.
열 전도성 미립자 물질은 하이드로겔이 가열될 때 하이드로겔에 걸쳐 열을 전도하고 전달하는 데 효과적인 양으로 제공될 수 있다. 일부 구현예에서, 하이드로겔은 하이드로겔의 전체 중량을 기준으로 약 10% w/w 내지 약 80% w/w의 미립자 물질을 포함한다. 일부 구현예에서, 하이드로겔은 하이드로겔의 전체 중량을 기준으로 적어도 약 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 또는 80% w/w의 미립자 물질을 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 하이드로겔은 하이드로겔의 전체 중량을 기준으로 약 80, 70, 60, 50, 40, 30, 20 또는 10% w/w 미만의 미립자 물질을 포함할 수 있다. 하이드로겔은 이들 상한값 및/또는 하한값 중 임의의 2개에 의해 제공되는 범위, 예를 들어 하이드로겔의 전체 중량을 기준으로 약 20% w/w 내지 약 70% w/w, 또는 약 30% w/w/약 50% w/w의 미립자 물질을 포함할 수 있다.
한 구현예에서, 하이드로겔은 건조 또는 탈수된 하이드로겔일 수 있다. 이 구현예에서, 건조 또는 탈수된 하이드로겔은 탈수된 하이드로겔의 전체 중량을 기준으로 약 30중량% 내지 약 80중량%의 미립자 물질을 포함할 수 있다. 건조 또는 탈수된 하이드로겔은 탈수된 하이드로겔의 전체 중량을 기준으로 적어도 약 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75 또는 80중량%의 미립자 물질을 포함할 수 있다. 건조 또는 탈수된 하이드로겔은 탈수된 하이드로겔의 전체 중량을 기준으로 약 80, 75, 70, 65, 60, 55, 50, 45, 40, 35, 또는 30중량% 미만의 미립자 물질을 포함할 수 있다. 건조 또는 탈수된 하이드로겔은 이들 상한값 및/또는 하한값 중 임의의 2개에 의해 제공되는 범위의 미립자 물질을 포함할 수 있다.
미립자 물질은 하이드로겔이 가열될 때 하이드로겔에 걸쳐 열을 전도하고 전달하는 데 효과적인 열 전도도를 갖는 임의의 적합한 물질일 수 있다. 일부 구현예에서, 열 전도성 미립자 물질은 탄소계 물질, 전도성 중합체, 금속 또는 금속 합금, 또는 준금속 또는 이의 염 중 하나 이상으로부터 선택된다.
일부 구현예에서, 탄소계 물질은 흑연, 카본 블랙, 탄소 나노튜브, 또는 탄소 섬유로 구성된 군으로부터 선택될 수 있다. 한 구현예에서, 열 전도성 미립자 물질은 흑연이다. 임의의 적합한 흑연, 예를 들어 결정질, 반결정질, 열분해, 플레이크 및/또는 비정질 흑연이 사용될 수 있다. 한 구현예에서, 열 전도성 미립자 물질은 비정질 흑연이다. 흑연은 25℃에서 약 20 내지 500, 예를 들어 약 100 내지 약 200의 벌크 열 전도도(W/(m/K) 단위)를 가질 수 있다.
한 구현예에서, 열 전도성 미립자 물질은 하이드로겔 상의 또는 내의 산재 전에 박리될 수 있다. 예를 들어, 흑연이 박리될 수 있고 이는 친수성 중합체와 흑연 사이의 우수한 접촉을 촉진할 수 있다.
일부 구현예에서, 전도성 중합체는 폴리플루오렌, 폴리펜틀렌, 폴리피렌, 폴리아줄렌, 폴리나프탈렌, 폴리피롤, 폴리카브졸, 폴리운돌, 폴리아제핀, 폴리아닐린, 폴리티오펜, 폴리(3,4-에틸렌디아옥시티오펜, 폴리(p-페닐렌 설피드), 폴리아세틸렌 또는 폴리(p-페닐렌 비닐렌) 및 이의 공중합체로부터 선택될 수 있다. 전도성 중합체는 통상적인 방법에 의해 제조될 수 있으며, 일부 구현예에서는 미분화되어 미립자 전도성 중합체를 형성할 수 있다. 한 구현예에서, 열 전도성 미립자 물질은 폴리아닐린, 폴리티오펜 또는 폴리피롤, 또는 이의 공중합체이다.
일부 구현예에서, 열 전도성 미립자 물질은 은, 구리, 철, 금, 알루미늄, 마그네슘, 리튬, 몰리브덴, 니켈, 팔라듐, 백금, 로듐, 붕소, 카드뮴, 베릴륨, 탄소, 텅스텐 및 아연 중 하나 이상으로부터 선택된 금속, 또는 본원에 기재된 하나 이상의 금속을 포함하는 금속 산화물 또는 금속 합금일 수 있다. 금속 합금은 황동, 강철, 또는 청동 중 하나 이상으로부터 선택될 수 있다. 금속 산화물은 아연 옥시드 알루미나 또는 구리 옥시드일 수 있다. 준금속은 붕소 니트라이드 또는 알루미늄 니트라이드일 수 있다.
열 전도성 미립자 물질은 임의의 형태일 수 있으며, 예를 들어 플레이크, 섬유, 응집체, 과립, 분말, 구체, 분말화된 물질 등뿐만 아니라 이의 조합의 형태를 취할 수 있다. 열 전도성 미립자 물질은 입방형, 막대형, 다면체형, 구형 또는 반구형, 원형 또는 반원형, 각진형, 불규칙형 등을 포함하지만 이에 제한되지 않는 임의의 원하는 형상을 가질 수 있다. 한 구현예에서, 열 전도성 미립자 물질은 1.0 내지 10.0, 1.0 내지 5.0, 또는 1.0 내지 2.0의 종횡비(즉, 길이 및 폭이 서로 수직으로 측정되고, 길이는 가장 긴 선형 측정 치수를 지칭하는, 길이 대 폭의 비)를 갖는다. 한 구현예에서, 열 전도성 미립자 물질은 약 1.0 내지 2.0, 예를 들어 약 1.0, 1.1, 1.2, 1.3, 1.4, 1.5, 1.6, 1.7, 1.8, 1.9, 또는 2.0의 종횡비를 가질 수 있다.
열 전도성 미립자 물질은 열 전도성 미립자 물질이 하이드로겔 상에 또는 내에 산재되도록 허용하는 입자 크기를 가질 수 있다. 예를 들어, 열 전도성 물질의 미립자는 하이드로겔의 제조 동안(예를 들어 가교 동안) 최소 침강을 가지며 충분히 현탁된 채 유지되어 열 전도성 미립자 물질이 내부에 산재된 가교된 하이드로겔을 생성할 수 있다. 또한, 열 전도성 물질 미립자는 큰 표면적을 갖고 이는 증가된 열 전도도를 초래할 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 열 전도성 물질의 미립자는 미리 형성된 하이드로겔의 표면에 충분히 포매될 수 있다.
입자 크기는 열 전도성 미립자 물질에 걸쳐 가장 긴 단면 직경으로 간주된다. 비구형 미립자 물질의 경우, 입자 크기는 입자에 걸쳐 가장 긴 단면 치수에 해당하는 거리로 간주된다. 일부 구현예에서, 미립자 물질은 약 1 μm 내지 약 500 μm의 입자 크기를 갖는다. 일부 구현예에서, 미립자 물질은 적어도 약 1, 2, 5, 10, 25, 50, 100, 150, 200, 250, 300, 350, 400, 450 또는 500 μm의 입자 크기를 갖는다. 일부 구현예에서, 미립자 물질은 약 500, 450, 400, 350, 300, 250, 200, 150, 100, 50, 250, 10, 5, 2, 또는 1 μm 미만의 입자 크기를 갖는다. 입자 크기는 이들 상한값 및/또는 하한값 중 임의의 2개 값에 의해 제공되는 범위, 예를 들어 약 10 내지 약 200 μm일 수 있다.
미립자 물질은 입자 크기 분포를 가질 수 있으며, 미립자의 100%(D100)는 약 500, 450, 400, 350 또는 300 μm 미만의 입자 크기를 갖거나, 미립자의 80%(D80)는 약 400, 350, 300, 250 또는 200 μm 미만의 입자 크기를 가지며, 미립자의 50%(D50)는 약 300, 250, 200, 150 또는 100 μm 미만의 입자 크기를 갖거나, 하이브리드 전극 미립자의 20%(D20)는 약 200, 150, 100 또는 50 μm 미만의 입자 크기를 갖거나, 미립자의 10%(D10)는 약 100, 50, 25 또는 10 μm 미만의 입자 크기를 갖는다. 일부 구현예에서, 미립자는 적어도 약 10, 20, 50, 70, 100, 120, 150, 170, 200, 220, 250, 270 또는 300 μm의 (D50) 입자 크기를 갖는다. 일부 구현예에서, 미립자는 약 300, 270, 250, 220, 200, 170, 150, 120, 100, 70, 50, 20 또는 10 μm 미만의 (D50) 입자 크기를 갖는다. D50 입자 크기 분포는 이들 상한값 및/또는 하한값 중 임의의 2개 값에 의해 제공되는 범위이다.
입자 크기 및/또는 입자 크기 분포는 임의의 표준 방법, 예를 들어 하이드로겔에 혼입 전 미립자 물질의 현미경 검사 또는 크기 배제 방법(예컨대 메쉬 스크린, 체 또는 필터)에 의해 측정될 수 있다. 미립자 물질의 크기를 결정하기 위한 다른 방법은 미립자 물질, 하이드로겔 내에 혼입 전 미립자 물질 및/또는 하이드로겔로부터 얻어진(예를 들어, 용해 및 원심분리를 통해) 미립자 물질을 포함하는 하이드로겔의 전자 현미경 검사(예를 들어 TEM, SEM, 저온 -TEM 또는 저온-SEM), 또는 하이드로겔에 혼입 전 미립자 물질의 동적 광 산란을 포함한다. 한 구현예에서, 입자 크기 및/또는 입자 크기 분포는 산업 표준 ISO 13320:2020에 따른 현미경 검사(예를 들어 SEM 또는 TEM), 크기 배제 방법(예컨대 메쉬 스크린, 체 또는 필터) 또는 레이저 회절, 또는 하이드로겔에 혼입 전 미립자 물질을 사용하여 측정될 수 있다.
일부 구현예에서, 상이한 입자 크기 및/또는 형상을 갖는 열 전도성 미립자 물질을 혼입하는 것은 우수한 열 전달 특성을 제공할 수 있다.
일부 구현예에서, 하이드로겔 내의 미립자 물질의 밀도는 약 10 내지 100개 입자/하이드로겔 cm3이다. 일부 구현예에서, 하이드로겔 내의 미립자 물질의 밀도는 적어도 약 10, 15, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90 또는 100개 입자/하이드로겔 cm3이다. 일부 구현예에서, 하이드로겔 내의 미립자 물질의 밀도는 약 100, 90, 80, 70, 60, 50, 40, 30, 20, 15 또는 10개 입자/하이드로겔 cm3 미만이다. 밀도는 이들 상한값 및/또는 하한값 중 임의의 2개에 의해 제공되는 범위이다.
일부 구현예에서, 미립자 물질은 하이드로겔의 전체 부피의 약 40% 내지 약 90%를 차지한다. 일부 구현예에서, 미립자 물질은 하이드로겔의 전체 부피의 적어도 약 40, 45, 50, 55, 60, 67, 70, 75, 80, 85 또는 90%를 차지한다. 부피%는 이들 상한값 및/또는 하한값 중 임의의 2개에 의해 제공되는 범위일 수 있다.
친수성 중합체
친수성 중합체는 또한 하이드로겔에 적합한 기계적 및 화학적 특성을 제공하도록 선택될 수 있다. 예를 들어, 일부 구현예에서, 하이드로겔은 기체 스트림 및/또는 건조 또는 습윤/습한 환경과 접촉할 때와 같은 다양한 전단 및 응력 환경을 견딜 수 있어야 할 수 있다. 일부 구현예에서, 하이드로겔은 또한 예를 들어 열 재생을 거칠 때 넓은 온도 범위를 견뎌야 할 수 있다. 일부 구현예에서, 하이드로겔은 또한 미립자 물질의 유동으로 다양한 기체 유동선에 도입될 수 있도록 또는 미립자 물질이 인접한 입자 사이에 이를 통한 기체(예를 들어 주변 공기)의 유동을 허용하도록 충분한 틈새 공간을 갖는 충전층에 제공될 수 있도록 물리적으로 견고해야 할 수도 있다. 일부 구현예에서, 가교된 친수성 중합체는 또한 화학적으로 불활성이다. 따라서, 이들 특성 중 하나 이상이 친수성 중합체의 적절한 선택에 의해 제공될 수 있다.
일부 구현예에서, 하이드로겔은 하이드로겔의 전체 중량을 기준으로 약 0.05중량% 내지 약 50중량%의 친수성 중합체를 포함한다. 일부 구현예에서, 하이드로겔은 하이드로겔의 전체 중량을 기준으로 적어도 약 0.01, 0.05, 0.1, 0.2, 0.5, 1, 2, 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 또는 50중량%의 친수성 중합체를 포함한다. 다른 구현예에서, 하이드로겔은 하이드로겔의 전체 중량을 기준으로 약 50, 45, 40, 35, 30, 25, 20, 15, 10, 5, 2, 1, 0.5, 0.2, 0.1, 0.05 또는 0.01중량% 미만의 친수성 중합체를 포함한다. 다양한 범위를 형성하기 위한 이러한 친수성 중합체 농도의 조합도 가능하며, 예를 들어 하이드로겔은 하이드로겔의 전체 중량을 기준으로 약 0.01중량% 내지 약 50중량%, 약 0.05중량% 내지 약 50중량%, 약 1중량% 내지 약 50중량%, 약 0.05중량% 내지 약 25중량%, 약 10중량% 내지 약 50중량%, 약 10중량% 내지 약 40중량%, 또는 약 30중량% 내지 약 50중량%의 친수성 중합체를 포함한다.
한 구현예에서, 하이드로겔은 건조 또는 탈수된 하이드로겔일 수 있다. 이 구현예에서, 건조 또는 탈수된 하이드로겔은 탈수된 하이드로겔의 전체 중량을 기준으로 약 80중량% 내지 약 99중량%의 친수성 중합체를 포함할 수 있다.
일부 구현예에서, 친수성 중합체는 약 100 g/mol 내지 약 500,000 g/mol, 예를 들어 약 1,000 g/mol 내지 약 2,500,000 g/mol 범위의 중량 평균 분자량(Mw)을 갖는다. 일부 구현예에서, 친수성 중합체는 적어도 약 1,000, 5,000, 10,000, 50,000, 100,000, 150,000, 200,000, 250,000 또는 500,000 g/mol의 중량 평균 분자량(Mw)을 갖는다. 다른 구현예에서, 친수성 중합체는 약 500,000, 250,000, 200,000, 150,000, 100,000, 50,000, 10,000, 5,000 또는 1,000 g/mol 미만의 중량 평균 분자량(Mw)을 갖는다. 다양한 범위를 형성하기 위한 이들 분자량의 조합도 가능하며, 예를 들어 친수성 중합체는 약 1,000 내지 약 250,000 g/mol, 약 5,000 내지 약 50,000 g/mol, 또는 10,000 내지 약 30,000 g/mol의 중량 평균 분자량(Mw)을 갖는다. 일부 구현예에서, 친수성 중합체는 약 25,000 g/mol의 중량 평균 분자량(Mw)을 갖는다. 이들 중량 평균 분자량은 가교 전에 친수성 중합체에 대해 제공됨이 이해될 것이다. 친수성 중합체의 중량 평균 분자량은 하이드로겔을 제조하기 위해 사용되는 유형에 따라 변할 수 있음이 이해될 것이다. 한 구현예에서, 친수성 중합체는 단독중합체 또는 공중합체를 포함할 수 있다. 중량 평균 분자량은 당업자에게 알려진 다양한 적합한 기술, 예를 들어 겔 투과 크로마토그래피(GPC), 크기 배제 크로마토그래피(SEC) 및 광 산란을 사용하여 결정될 수 있다. 한 구현예에서, 중량 평균 분자량은 크기 배제 크로마토그래피(SEC)로 결정된다.
한 구현예에서, Mw는 친수성 중합체의 용액을 분자 크기(즉, 분자량과 상관될 수 있는 유체역학적 부피)에 기반하여 친수성 중합체를 분리하는 겔을 포함하는 적합한 컬럼에 통과시킴으로써 크기 배제 크로마토그래피(SEC)를 사용하여 결정되고, 더 큰 크기의 분자(더 큰 Mw)가 먼저, 이어서 더 작은 크기의 분자(더 작은 Mw)가 용출된다. 이는 적합한 유기 용매 중에 또는 수성 매질 중에 수행될 수 있다. Mw는 전형적으로 일련의 알려진 중합체 표준물질에 대해 또는 몰 질량에 민감한 검출기를 사용하여 결정된다. 친수성 중합체의 분자량을 결정하기 위해 적합한 프로토콜은 본원에 참조로 포함된, 문헌("Size-exclusion Chromatography of Polymers" Encyclopaedia of Analytical Chemistry, 2000, pp 8008-8034)에 개략되어 있다.
일부 구현예에서, 친수성 중합체는 폴리아민, 폴리아크릴아미드, 폴리아크릴레이트, 폴리아크릴산, 또는 이의 공중합체를 포함한다. 일부 구현예에서, 하이드로겔은 가교된 폴리아민, 가교된 폴리아크릴아미드, 또는 가교된 폴리아크릴레이트, 이의 유도체 또는 공중합체를 포함한다.
일부 구현예에서, 하이드로겔은 폴리(메타크릴아미드), 폴리(디메틸아크릴아미드), 폴리(에틸아크릴아미드), 폴리(디에틸아크릴아미드), 폴리(이소프로필아크릴아미드), 폴리(메틸메타크릴아미드), 폴리(에틸메타크릴아미드), 폴리아크릴아미드, 폴리(아크릴아미드-코-아크릴산), 폴리(아크릴아미드-코-소듐 아크릴레이트), 폴리(아크릴아미드-코-포타슘 아크릴레이트), 폴리(아크릴아미드-코-아크릴산) 부분 포타슘 염, 폴리(아크릴아미드-코-아크릴산) 부분 소듐 염 및 폴리(아크릴아미드-코-메틸렌비스아크릴아미드), 폴리에틸렌이민, 폴리프로필렌이민, 폴리알릴아민, 폴리(2-하이드록시에틸메타크릴레이트) 또는 폴리(2-하이드록시에틸 아크릴레이트), 또는 이의 유도체 또는 공중합체로 구성된 군으로부터 선택되는 가교된 친수성 중합체를 포함한다.
일부 구현예에서, 하이드로겔은 폴리아민, 폴리아크릴레이트, 폴리아크릴산, 폴리아크릴아미드 또는 폴리아크릴아미드-코-아크릴산, 폴리아크릴아미드-코-아크릴산 부분 소듐 염, 폴리아크릴아미드-코-아크릴산 부분 포타슘 염, 폴리(아크릴산-코-말레산), 폴리(N-이소프로필아크릴아미드), 폴리에틸렌 글리콜, 폴리에틸렌이민, 폴리프로필렌이민, 폴리알릴아민 및 비닐피롤리돈, 또는 이의 유도체 또는 공중합체로 구성된 군으로부터 선택되는 가교된 친수성 중합체를 포함한다. 대안적으로, 하이드로겔은 가교된 천연 친수성 중합체, 예를 들어 다당류, 키틴, 폴리펩티드, 알기네이트 또는 셀룰로스를 포함할 수 있다.
다른 적합한 가교된 친수성 중합체, 예를 들어 폴리아민, 폴리아크릴레이트, 폴리아크릴산 또는 폴리아크릴아미드, 이의 유도체 또는 공중합체가 본원에 기재된다.
산성 기체(예를 들어 CO2 또는 H2S)는 하이드로겔로 흡수되어 기체 스트림으로부터 제거될 수 있다. 예를 들어, 산성 기체는 화학적 또는 물리적 공정에 의해 하이드로겔로 흡수될 수 있다. 일부 구현예에서, 가교된 친수성 중합체는 산성 기체에 결합할 수 있는 작용기를 포함한다. 예를 들어, 액체 팽윤제(산성 기체 흡수제를 포함할 수 있거나 포함하지 않을 수 있음)로 팽윤될 때 그 다공성 성질로 인해, 하이드로겔과 접촉 시, 산성 기체를 포함하는 기체 스트림 또는 대기는 하이드로겔 내의 틈새 기공을 통과할 수 있고 산성 기체는 친수성 중합체 상의 작용기와 반응하고 이에 결합할 수 있다.
한 구현예에서, 적어도 하나의 산성 기체 흡수제가 가교된 친수성 중합체 상의 산성 기체에 결합할 수 있는 하나 이상의 작용기로 하이드로겔 내에 혼입된다. 즉, 친수성 중합체는 산성 기체에 결합할 수 있는 하나 이상의 작용기를 포함할 수 있다. 예를 들어, 친수성 중합체는 1차 아민(-NH2) 또는 2차 아민기(-NH-)와 같은 하나 이상의 아민기를 포함할 수 있다. 이러한 아민기는 CO2- 및 H2S-친화성 이며 CO2 및 H2S와 쉽게 반응하고 이에 결합한다. 따라서 일부 구현예에서, 친수성 중합체는 폴리아민이다. 한 구현예에서, 적어도 하나의 산성 기체 흡수제는 아민이다. 한 예에서, 하이드로겔은 가교된 폴리에틸렌이민(PEI) 하이드로겔일 수 있으며, 가교된 네트워크는 기체 스트림과 접촉 시 산성 기체(예를 들어 CO2 또는 H2S)와 반응하고 이에 결합할 수 있는 복수의 1차 및 2차 아민 작용기를 포함한다. 한 구현예에서, 적어도 하나의 산성 기체 흡수제는 가교된 친수성 중합체 상의 산성 기체에 결합할 수 있는 하나 이상의 아민 작용기로 하이드로겔 내에 혼입된다.
폴리아민
한 구현예에서, 친수성 중합체는 폴리아민, 이의 유도체 또는 공중합체를 포함할 수 있다. 당분야에서 이해되는 바와 같이, 폴리아민은 2개 이상의 아민기(예를 들어 1차 -NH2, 2차 -NHR 및/또는 3차 -NR2 아민기)를 갖는 유기 화합물이다.
일부 구현예에서, 친수성 중합체는 선형, 분지형 또는 수지상 폴리아민, 이의 유도체 또는 공중합체를 포함할 수 있다. 선형 폴리아민은 1차 아민, 2차 아민만 함유하거나, 1차 아민과 2차 아민을 둘 모두 함유하는 것으로 정의된다. 단지 예시적인 예로서, 가교 전 하나의 가능한 선형 폴리아민의 구조가 화학식 1로 아래에 제공된다:
[화학식 1]
식 중 n은 1 내지 10,000일 수 있다. 다른 예에서, n은 적어도 1, 10, 100, 200, 500 또는 1000일 수 있다. 다른 예에서, n은 10,000, 9,000, 8,000, 7,000, 6,000, 5,000, 4,000, 3,000, 2,000, 1,000, 500, 200, 또는 100 미만일 수 있다. 다른 예에서, n은 이들 상한값 및/또는 하한값 중 임의의 2개에 의해 제공되는 범위, 예를 들어 1 내지 1000, 10 내지 5,000, 또는 100 내지 2000일 수 있다.
화학식 1의 선형 폴리아민에서 2차 대 1차 아민의 비는 약 0.1 내지 100일 수 있다. 화학식 1의 선형 폴리아민에서 2차 대 1차 아민의 비는 적어도 약 0.1, 0.5, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85, 90 또는 95일 수 있다. 화학식 1의 선형 폴리아민에서 2차 대 1차 아민의 비는 약 100, 95, 90, 85, 80, 75, 70, 65, 60, 55, 50, 45, 40, 35, 30, 25, 20, 15, 10, 9, 8, 7, 6, 5, 4, 3, 2, 1, 또는 0.5 미만일 수 있다. 비는 이들 상한값 및/또는 하한값 중 임의의 2개에 의해 제공되는 범위일 수 있다.
분지형 폴리아민은 임의의 수의 1차(-NH2), 2차(-NH-) 및 3차 아민()을 함유하는 것으로 정의된다. 단지 예시적인 예로서, 가교 전 하나의 가능한 분지형 폴리아민의 구조가 하기와 같이 화학식 2로 아래에 제공된다:
[화학식 2]
식 중, n은 1 내지 10,000일 수 있다. 다른 예에서, n은 적어도 1, 10, 100, 200, 500, 또는 1000일 수 있다. 다른 예에서, n은 10,000, 9,000, 8,000, 7,000, 6,000, 5,000, 4,000, 3,000, 2,000, 1,000, 500, 200, 또는 100 미만일 수 있다. 다른 예에서, n은 이들 상한값 및/또는 하한값 중 임의의 2개에 의해 제공되는 범위, 예를 들어 1 내지 1000, 10 내지 5,000, 또는 100 내지 2000일 수 있다.
분지형 폴리아민에서 1차 대 2차 대 3차 아민기의 비는 약 10:80:10 내지 60:10:30, 약 60:30:10 내지 30:50:20, 또는 약 45:45:10 내지 35:45:20일 수 있다. 당업자는 분지형 폴리아민의 구조가 존재하는 3차 아민기의 수에 따라 크게 변할 수 있음을 이해할 것이다.
수지상 폴리아민은 1차(-NH2) 및 3차 아민()만 함유하는 것으로 정의되며, 반복 단위의 기는 폴리아민의 중심(코어)을 통해 적어도 하나의 평면에서 반드시 대칭인 방식으로 배열되고, 각 중합체 분지는 1차 아민에 의해 종결되며, 각 분기점은 3차 아민이다. 수지상 폴리아민에서 1차 아민기 대 3차 아민기의 비는 약 1 대 3일 수 있다. 단지 예시적인 예로서, 가교 전 하나의 가능한 수지상 폴리아민의 구조는 하기와 같이 화학식 3으로 아래에 제공된다:
[화학식 3]
친수성 중합체는 고분지형 폴리아민, 이의 유도체 또는 공중합체를 포함할 수 있다. 고분지형 폴리아민은 수지상 폴리아민과 유사한 구조를 갖지만, 대칭형 수지상 구조 대신 무작위 구조를 제공하는 방식으로, 2차 아민(-NH-) 형태의 결함(예를 들어 분지형 폴리아민에 존재할 바와 같은 선형 하위섹션)을 함유하는 것으로 정의된다. 고분지형 구조에서, 1차 대 2차 대 3차 아민 아민의 비는 약 65:5:30 내지 30:10:60일 수 있다.
한 구현예에서, 폴리아민, 이의 유도체 또는 공중합체는 약 10몰% 내지 70몰%의 1차 아민(-NH2)기, 예를 들어 적어도 약 10, 20, 30, 40, 50몰%의 1차 아민기를 포함할 수 있다. 폴리아민, 이의 유도체 또는 공중합체는 약 10몰% 내지 70몰%의 2차 아민(-NH-)기, 예를 들어 적어도 약 10, 20, 30, 40, 50몰%의 2차 아민기를 포함할 수 있다. 폴리아민, 이의 유도체 또는 공중합체는 약 1몰% 내지 약 10몰%의 3차 아민()기, 예를 들어 적어도 약 1, 2, 5몰%의 3차 아민기를 포함할 수 있다. 폴리아민, 이의 유도체 또는 공중합체에서 1차 대 2차 대 3차 아민기의 비는 약 10:80:10 내지 60:10:30, 약 60:30:10 내지 30:50:20, 또는 약 45:45:10 내지 35:45:20일 수 있다. 한 구현예에서, 폴리아민은 적어도 하나 이상의 지방족 아민기(예를 들어, 방향족 고리기가 아민의 질소 원자에 직접 결합되지 않은 아민)를 포함할 수 있다.
한 구현예에서, 친수성 중합체는 분지형 폴리아민, 이의 유도체 또는 공중합체를 포함한다. 폴리아민, 이의 유도체 또는 공중합체는 본원에 기재된 하나 이상의 가교 제제에 의해 가교될 수 있다.
한 구현예에서, 폴리아민, 이의 유도체 또는 공중합체는 폴리알킬렌이민이다. 한 구현예에서, 폴리아민은 폴리알킬렌이민이다. 폴리알킬렌이민은 폴리에틸렌이민, 폴리프로필렌이민 및 폴리알릴아민, 이의 유도체 또는 공중합체로 구성된 군으로부터 선택될 수 있다. 하이드로겔을 형성하기 위해 사용될 수 있는 적합한 폴리아민은 폴리에틸렌이민, 폴리프로필렌이민 및 폴리알릴아민을 포함할 수 있다. 한 구현예에서, 친수성 중합체는 폴리에틸렌이민 또는 이의 공중합체를 포함한다. 가교된 폴리아민(예컨대 폴리에틸렌이민)을 포함하는 하이드로겔을 사용함으로써, 하이드로겔은 산성 기체를 포함하는 기체 스트림 또는 대기와 접촉 시 산성 기체(예를 들어 CO2 또는 H2S)와 반응하고 이에 결합할 수 있는 복수의 1차 및 2차 아민 작용기를 포함한다.
한 구현예에서, 적어도 하나의 산성 기체 흡수제는 산성 기체에 결합하기 위해 가교된 친수성 중합체 상의 하나 이상의 반응성 작용기로 하이드로겔 내에 혼입된다. 한 구현예 또는 예에서, 가교된 폴리아민 및 열 전도성 미립자 물질을 포함하는 산성 기체의 포집을 위한 하이드로겔이 제공되며, 열 전도성 미립자 물질은 하이드로겔 상에 또는 내에 산재되고, 하이드로겔은 미립자 형태이며 하나 이상의 산성 기체 흡수제를 혼입한다.
한 구현예 또는 예에서, 하이드로겔은 가교된 폴리에틸렌이민(PEI) 하이드로겔일 수 있으며, 가교된 네트워크는 기체 스트림과 접촉 시 산성 기체와 반응하고 이에 결합할 수 있는 복수의 1차 및 2차 아민 작용기를 포함한다. 한 구현예 또는 예에서, 가교된 폴리에틸렌이민(PEI) 및 열 전도성 미립자 물질을 포함하는 산성 기체를 포집하기 위한 하이드로겔이 제공되며, 열 전도성 미립자 물질은 하이드로겔 상에 또는 내에 산재되고, 하이드로겔은 미립자 형태이며 하나 이상의 산성 기체 흡수제를 혼입한다. 일부 구현예에서, 가교된 폴리아민은 본원에 기재된 바와 같은 하나 이상의 액체 팽윤제, 예를 들어 알코올, 폴리올 화합물, 글리콜, 아민(예를 들어 알칸올아민, 알킬아민, 알킬옥시아민), 피페리딘, 피페라진, 피리딘, 피롤리돈, 및 이의 유도체 또는 조합으로 팽윤된다. 적합한 알칸올아민은 모노에탄올아민, 디에탄올아민, 메틸디에탄올아민, 디이소프로판올아민, N-에틸모노에탄올아민 및 아미노에톡시에탄올을 포함할 수 있다. 적합한 글리콜은 에틸렌 글리콜, 트리에틸렌 글리콜, 모노에틸렌 글리콜, 디에틸렌 글리콜, 프로필렌 글리콜, 프로판디올, 부틸렌 글리콜, 폴리에틸렌 글리콜 및 디글림을 포함할 수 있다. 적합한 알코올은 2-에티옥시에탄올, 2-메톡시에탄올을 포함할 수 있다. 적합한 폴리올 화합물은 글리세롤을 포함할 수 있다. 적합한 피페리딘은 피페리딘, 2-메틸피페리딘, 3-메틸피페리딘, 4-메틸피페리딘, 2-피페리딘에탄올(PE), 3-피페리딘메탄올 및 4-피페리딘메탄올을 포함한다. 액체 팽윤제는 상기 액체 중 임의의 하나 이상을 포함할 수 있다.
일부 구현예에서, 하이드로겔은 폴리에틸렌이민, 폴리프로필렌이민 및 폴리알릴아민으로 구성된 군으로부터 선택된 가교된 폴리알킬렌이민, 또는 이의 공중합체를 포함하고, 물, 모노에탄올아민, 디에탄올아민, 메틸디에탄올아민, 디이소프로판올아민, N-에틸모노에탄올아민, 아미노에톡시에탄올, 에틸렌 글리콜, 모노에틸렌 글리콜, 디에틸렌 글리콜, 트리에틸렌 글리콜, 프로필렌 글리콜, 프로판디올, 부틸렌 글리콜, 폴리에틸렌 글리콜, 글리세롤, 디글림, 2-에티옥시에탄올, 2-메톡시에탄올, 글리세롤, 2-메틸피페리딘, 3-메틸피페리딘, 4-메틸피페리딘, 2-피페리딘에탄올(PE), 3-피페리딘메탄올 및 4-피페리딘메탄올, 또는 이들의 혼합물으로 구성된 군으로부터 선택되는 액체 팽윤제로 팽윤된다.
폴리아크릴아미드
일부 구현예 또는 예에서, 친수성 중합체는 폴리아크릴아미드, 이의 유도체 또는 공중합체를 포함할 수 있다. 당분야에서 이해되는 바와 같이, 폴리아크릴아미드, 유도체 또는 공중합체는 2개 이상의 아크릴아미드 단위를 갖는 유기 화합물이다. 일부 구현예 또는 예에서, 폴리아크릴아미드, 이의 유도체 또는 공중합체는 적어도 2개의 아크릴아미드 또는 아크릴아미드 유도체를 포함하는 공중합 가능 친수성 단량체를 포함하여 폴리아크릴아미드, 이의 유도체 또는 공중합체를 형성할 수 있다. 또 다른 구현예 또는 예에서, 폴리아크릴아미드 공중합체는 적어도 하나의 아크릴아미드 또는 아크릴아미드 유도체 및 적어도 하나의 카복실산 유도체를 포함하는 공중합 가능 친수성 단량체를 포함하여 폴리아크릴아미드 공중합체를 형성할 수 있다.
아크릴아미드 유도체는 N-알킬, N-하이드록시알킬, 또는 N,N-디알킬 치환 아크릴아미드 또는 메타크릴아미드로부터 선택될 수 있다. 일부 구현예 또는 예에서, 폴리아크릴아미드 유도체는 N-아크릴아미드, 메틸아크릴아미드, N-에틸아크릴아미드, N-이소프로필아크릴아미드(NiPAAm), N-옥틸아크릴아미드, N-사이클로헥실아크릴아미드, N-메틸-N-에틸아크릴아미드, N-메틸메타크릴아미드, N-에틸메타크릴아미드, N-이소프로필메타크릴아미드, N,N-디메틸아크릴아미드, N,N-디에틸아크릴아미드, N,N-디메틸메타크릴아미드, N,N-디에틸메타크릴아미드, N,N-디사이클로헥실아크릴아미드, N-메틸-N-사이클로헥실아크릴아미드, 또는 이의 조합을 포함하는 군으로부터 선택될 수 있다. 한 구현예 또는 예에서, 아릴아미드 유도체는 메타크릴아미드, 디메틸아크릴아미드, N-이소프로필아크릴아미드, N,N'-메틸렌-비스-아크릴아미드, N-2-하이드록시에틸아크릴아미드, 또는 이의 조합으로부터 선택될 수 있다.
카복실산 유도체는 아크릴산, 메타크릴산, 메틸 메타크릴레이트, 소듐 아크릴레이트, 포타슘 아크릴레이트, 소듐 메타크릴레이트, 포타슘 메타크릴레이트, 2-하이드록시에틸 메타크릴레이트(HEMA), 또는 이의 조합을 포함하는 군으로부터 선택될 수 있다.
한 구현예 또는 예에서, 폴리아크릴아미드 또는 폴리아크릴아미드 유도체의 제조에서 사용되는 아크릴아미드 또는 아크릴아미드 유도체는 동일할 수 있다. 또 다른 구현예 또는 예에서, 폴리아크릴아미드 공중합체의 제조에서 사용되는 아크릴아미드 또는 아크릴아미드 유도체는 상이할 수 있다. 또 다른 구현예에서, 적어도 하나의 아크릴아미드 또는 아크릴아미드 유도체 및 적어도 하나의 카복실산 유도체가 폴리아크릴아미드 공중합체의 제조에서 사용될 수 있다.
일부 구현예 또는 예에서, 폴리아크릴아미드, 이의 유도체 또는 공중합체는 폴리아크릴아미드, 폴리(메타크릴아미드), 폴리(N-2-하이드록시에틸)아크릴아미드, 폴리(디메틸아크릴아미드), 폴리(에틸아크릴아미드), 폴리(디에틸아크릴아미드), 폴리(이소프로필아크릴아미드), 폴리(메틸메타크릴아미드), 폴리(에틸메타크릴아미드), 폴리(아크릴아미드-코-아크릴산), 폴리(아크릴아미드-코-소듐 아크릴레이트), 폴리(아크릴아미드-코-포타슘 아크릴레이트), 폴리(아크릴아미드-코-아크릴산) 부분 포타슘 염, 폴리(아크릴아미드-코-아크릴산) 부분 소듐 염 및 폴리(아크릴아미드-코-메틸렌비스아크릴아미드)를 포함하거나 이로 구성된 군으로부터 선택될 수 있다.
일부 구현예 또는 예에서, 폴리아크릴아미드, 이의 유도체 또는 공중합체는 폴리아크릴아미드, 폴리(메타크릴아미드), 폴리(디메틸아크릴아미드), 폴리(이소프로필아크릴아미드), 폴리(아크릴아미드-코-아크릴산), 폴리(아크릴산-코-말레산), 폴리(아크릴아미드-코-소듐 아크릴레이트), 폴리(아크릴아미드-코-포타슘 아크릴레이트), 폴리(아크릴아미드-코-아크릴산) 부분 포타슘 염, 폴리(아크릴아미드-코-아크릴산) 부분 소듐 염 및 폴리(아크릴아미드-코-메틸렌비스아크릴아미드)를 포함하거나 이로 구성된 군으로부터 선택될 수 있다. 일부 구현예 또는 예에서, 폴리아크릴아미드 공중합체는 폴리(아크릴아미드-코-아크릴산), 폴리(아크릴아미드-코-소듐 아크릴레이트), 폴리(아크릴아미드-코-포타슘 아크릴레이트), 폴리(아크릴아미드-코-아크릴산) 부분 포타슘 염, 폴리(아크릴아미드-코-아크릴산) 부분 소듐 염 및 폴리(아크릴아미드-코-메틸렌비스아크릴아미드)를 포함하거나 이로 구성된 군으로부터 선택될 수 있다.
일부 구현예에서, 폴리아크릴아미드, 이의 유도체 또는 공중합체는 하기와 같이 화학식 4로 아래에서 제공되는 폴리(아크릴아미드-코-아크릴산)이다:
[화학식 4]
식 중,
각각의 R은 수소, 소듐 또는 포타슘으로 구성된 군으로부터 독립적으로 선택되고;
m 및 n은 중합체에서 일정 비로 제공되며, m 대 n의 비는 약 10:1 내지 1:10, 약 8:1 내지 1:8, 약 6:1 내지 1:6, 약 4:1 내지 1:4, 또는 약 2:1 내지 약 1:2이다. 일부 구현예에서 m 대 n의 비는 약 1:2 내지 4:1, 예를 들어 약 4:1이다.
일부 구현예에서, 폴리아크릴아미드, 이의 유도체 또는 공중합체는 폴리(아크릴아미드-코-아크릴산), 폴리(아크릴아미드-코-소듐 아크릴레이트), 폴리(아크릴아미드-코-포타슘 아크릴레이트), 폴리(아크릴아미드-코-아크릴산) 부분 포타슘 염, 폴리(아크릴아미드-코-아크릴산) 부분 소듐 염, 및 폴리(아크릴아미드-코-메틸렌비스아크릴아미드)이다. 한 구현예에서, 폴리아크릴아미드, 이의 유도체 또는 공중합체는 폴리(아크릴 아미드-코-아크릴산)이다.
폴리아크릴아미드, 이의 유도체 또는 공중합체는 본원에 기재된 바와 같은 하나 이상의 가교 제제에 의해 가교될 수 있다. 예를 들어, 폴리아크릴아미드는 자유 라디칼 개시 비닐 중합 메커니즘을 통해 N,N-메틸렌비스아크릴아미드 또는 에틸렌글리콜 디메타크릴레이트와 가교될 수 있다. 한 구현예에서, 가교된 친수성 중합체는 폴리(아크릴아미드-코-메틸렌비스아크릴아미드) 또는 폴리(아크릴아미드-코- 에틸렌글리콜 디메타크릴레이트)이다. 폴리아크릴아미드, 이의 유도체 또는 공중합체는 또한 알데히드, 예를 들어 포름알데히드 또는 글루타르알데히드와 가교될 수 있다.
일부 구현예에서, 가교된 폴리아크릴아미드, 이의 유도체 또는 공중합체를 포함하는 하이드로겔은 하나 이상의 금속 염을 추가로 포함할 수 있다. 적합한 금속 염은 소듐 염 또는 포타슘 염을 포함한다.
일부 구현예에서, 하이드로겔은 기체 스트림과 접촉 시 산성 기체(예를 들어 CO2 또는 H2S)와 반응하거나, 이에 결합하거나, 이를 용해시킬 수 있는 액체 팽윤제로 팽윤된 가교된 폴리아크릴아미드, 이의 유도체 또는 공중합체를 포함한다. 예를 들어, 가교된 폴리아크릴아미드 하이드로겔은 본원에 기재된 바와 같은 하나 이상의 액체 팽윤제, 예를 들어 알코올, 폴리올 화합물, 글리콜, 아민(예를 들어 알칸올아민, 알킬아민, 알킬 옥시아민), 피페리딘, 피페라진, 피리딘, 피롤리돈 및 이의 유도체 또는 조합으로 팽윤될 수 있다. 적합한 알칸올아민은 모노에탄올아민, 디에탄올아민, 메틸디에탄올아민, 디이소프로판올아민, N-에틸모노에탄올아민 및 아미노에톡시에탄올을 포함할 수 있다. 적합한 글리콜은 에틸렌 글리콜, 모노에틸렌 글리콜, 디에틸렌 글리콜, 트리에틸렌 글리콜, 프로필렌 글리콜, 프로판디올, 부틸렌 글리콜, 폴리에틸렌 글리콜 및 디글림을 포함할 수 있다. 적합한 알코올은 2-에티옥시에탄올, 2-메톡시에탄올을 포함할 수 있다. 적합한 폴리올 화합물은 글리세롤을 포함할 수 있다. 적합한 피페리딘은 피페리딘, 2-메틸피페리딘, 3-메틸피페리딘, 4-메틸피페리딘, 2-피페리딘에탄올(PE), 3-피페리딘메탄올 및 4-피페리딘메탄올을 포함한다. 액체 팽윤제는 상기 액체 중 임의의 하나 이상을 포함할 수 있다.
일부 구현예에서, 하이드로겔은 물, 모노에탄올아민, 디에탄올아민, 메틸디에탄올아민, 디이소프로판올아민, N-에틸모노에탄올아민, 아미노에톡시에탄올, 에틸렌 글리콜, 모노에틸렌 글리콜, 디에틸렌 글리콜, 트리에틸렌 글리콜, 프로필렌 글리콜, 프로판디올, 부틸렌 글리콜, 폴리에틸렌 글리콜, 글리세롤, 디글림, 2-에티옥시에탄올, 2-메톡시에탄올, 글리세롤, 2-메틸피페리딘, 3-메틸피페리딘, 4-메틸피페리딘, 2-피페리딘에탄올(PE), 3-피페리딘메탄올, 및 4-피페리딘메탄올, 및 이의 조합으로 구성된 군으로부터 선택되는 액체 팽윤제로 팽윤된, 가교된 폴리아크릴아미드, 이의 유도체, 또는 공중합체를 포함한다. 한 구현예에서, 액체 팽윤제는 물, 글리세롤, 모노에탄올아민, 디에탄올아민, 2-피페리딘에탄올, 에틸렌 글리콜, 트리에틸렌 글리콜, 또는 모노에틸렌글리콜(MEG) 또는 이의 조합이다.
한 구현예에서, 가교된 폴리아크릴아미드, 이의 유도체 또는 공중합체를 포함하는 하이드로겔은 알칸올아민, 예를 들어 모노에탄올아민, 디에탄올아민, 메틸디에탄올아민, 디이소프로판올아민, N-에틸모노에탄올아민 및 아미노에톡시에탄올 중 하나 이상으로 팽윤된다. 한 구현예에서, 가교된 폴리아크릴아미드, 이의 유도체 또는 공중합체를 포함하는 하이드로겔은 피페리딘, 예를 들어 피페리딘, 2-메틸피페리딘, 3-메틸피페리딘, 4-메틸피페리딘, 2-피페리딘에탄올(PE), 3-피페리딘메탄올, 및 4-피페리딘메탄올로 팽윤된다. 한 구현예에서, 가교된 폴리아크릴아미드, 이의 유도체 또는 공중합체를 포함하는 하이드로겔은 글리콜, 예를 들어 에틸렌 글리콜, 모노에틸렌 글리콜, 디에틸렌 글리콜, 트리에틸렌 글리콜, 프로필렌 글리콜, 프로판디올, 부틸렌 글리콜, 폴리에틸렌 글리콜, 및 디글림으로 팽윤된다. 한 구현예에서, 가교된 폴리아크릴아미드, 이의 유도체 또는 공중합체를 포함하는 하이드로겔은 알칸올아민과 글리콜, 예를 들어 디에탄올아민과 에틸렌 글리콜, 또는 피페리딘과 글리콜, 예를 들어 2-피페리딘에탄올 및 에틸렌 글리콜을 포함하는 혼합물로 팽윤된다.
한 구현예에서, 가교된 폴리아크릴아미드, 이의 유도체 또는 공중합체를 포함하는 하이드로겔은 알칸올아민과 물, 예를 들어 디에탄올아민과 물, 또는 피페리딘과 물, 예를 들어 2-피페리딘에탄올과 물을 포함하는 혼합물로 팽윤된다.
한 구현예에서, 하이드로겔은 가교된 폴리아크릴아미드, 이의 유도체 또는 공중합체를 포함하고, 폴리(아크릴아미드-코-아크릴산), 폴리(아크릴아미드-코-소듐 아크릴레이트), 폴리(아크릴아미드-코-포타슘 아크릴레이트), 폴리(아크릴아미드-코-아크릴산) 부분 포타슘 염, 폴리(아크릴아미드-코-아크릴산) 부분 소듐 염, 및 폴리(아크릴아미드-코-메틸렌비스아크릴아미드)로 구성된 군으로부터 선택되고, 물, 모노에탄올아민, 디에탄올아민, 메틸디에탄올아민, 디이소프로판올아민, N-에틸모노에탄올아민, 아미노에톡시에탄올, 에틸렌 글리콜, 모노에틸렌 글리콜, 디에틸렌 글리콜, 트리에틸렌 글리콜, 프로필렌 글리콜, 프로판디올, 부틸렌 글리콜, 폴리에틸렌 글리콜, 글리세롤, 디글림, 2-에티옥시에탄올, 2-메톡시에탄올, 글리세롤, 2-메틸피페리딘, 3-메틸피페리딘, 4-메틸피페리딘, 2-피페리딘에탄올(PE), 3-피페리딘메탄올, 및 4-피페리딘메탄올, 또는 이들의 혼합물로 구성된 군으로부터 선택되는 액체 팽윤제로 팽윤된다.
폴리아크릴레이트
일부 구현예 또는 예에서, 친수성 중합체는 폴리아크릴레이트, 이의 유도체 또는 공중합체를 포함할 수 있다. 당분야에서 이해되는 바와 같이, 폴리아크릴레이트, 유도체 또는 공중합체는 2개 이상의 아크릴레이트 단위를 갖는 유기 화합물이다. 일부 구현예 또는 예에서, 폴리아크릴레이트, 이의 유도체 또는 공중합체는 적어도 2개의 아크릴레이트 또는 아크릴레이트 유도체를 포함하는 공중합 가능 친수성 단량체를 포함하여 폴리아크릴레이트, 이의 유도체 또는 공중합체를 형성할 수 있다.
아크릴레이트 유도체는 아크릴레이트, 소듐 아크릴레이트, 포타슘 아크릴레이트, 메타크릴레이트, 소듐 메타크릴레이트, 포타슘 메타크릴레이트, 메틸 메타크릴레이트, 2-하이드록시에틸 메타크릴레이트(HEMA), 2-하이드록시에틸 아크릴레이트(HEA), N-이소프로필아크릴아미드, 또는 이의 조합으로부터 선택될 수 있다.
일부 구현예에서, 폴리아크릴레이트, 이의 유도체 또는 공중합체는 폴리(2-하이드록시에틸 메타크릴레이트)(pHEMA), 폴리(2-하이드록시에틸 아크릴레이트)(pHEA), 또는 폴리(소듐 아크릴레이트)를 포함하거나 이로 구성된 군으로부터 선택될 수 있다. 한 구현예에서, 폴리아크릴레이트, 이의 유도체 또는 공중합체는 폴리(2-하이드록시에틸 메타크릴레이트)(pHEMA) 또는 폴리(2-하이드록시에틸 아크릴레이트)(pHEA)를 포함하거나 이로 구성된 군으로부터 선택될 수 있다. 한 구현예에서, 폴리아크릴레이트, 이의 유도체 또는 공중합체는 폴리(2-하이드록시에틸 메타크릴레이트)(pHEMA)이다. 한 구현예에서, 폴리아크릴레이트, 이의 유도체 또는 공중합체는 폴리(2-하이드록시에틸 아크릴레이트)(pHEA)이다.
일부 구현예에서, 하이드로겔은 기체 스트림 또는 대기와 접촉 시 산성 기체와 반응하거나, 이에 결합하거나, 이를 용해시킬 수 있는 액체 팽윤제로 팽윤된, 가교된 폴리아크릴레이트, 이의 유도체 또는 공중합체를 포함한다. 예를 들어, 가교된 폴리아크릴레이트 유도체 또는 이의 공중합체는 본원에 기재된 바와 같은 하나 이상의 액체 팽윤제, 예를 들어 알코올, 폴리올 화합물, 글리콜, 아민(예를 들어 알칸올아민, 알킬아민, 알킬옥시아민), 피페리딘, 피페라진, 피리딘, 피롤리돈, 및 이의 유도체 또는 조합으로 팽윤될 수 있다. 적합한 알칸올아민은 모노에탄올아민, 디에탄올아민, 메틸디에탄올아민, 디이소프로판올아민, N-에틸모노에탄올아민 및 아미노에톡시에탄올을 포함할 수 있다. 적합한 글리콜은 에틸렌 글리콜, 모노에틸렌 글리콜, 디에틸렌 글리콜, 트리에틸렌 글리콜, 프로필렌 글리콜, 프로판디올, 부틸렌 글리콜, 폴리에틸렌 글리콜 및 디글림을 포함할 수 있다. 적합한 알코올은 2-에티옥시에탄올, 2-메톡시에탄올을 포함할 수 있다. 적합한 폴리올 화합물은 글리세롤을 포함할 수 있다. 적합한 피페리딘은 피페리딘, 2-메틸피페리딘, 3-메틸피페리딘, 4-메틸피페리딘, 2-피페리딘에탄올(PE), 3-피페리딘메탄올 및 4-피페리딘메탄올을 포함한다. 액체 팽윤제는 상기 액체 중 임의의 하나 이상을 포함할 수 있다.
일부 구현예에서, 하이드로겔은 물, 모노에탄올아민, 디에탄올아민, 메틸디에탄올아민, 디이소프로판올아민, N-에틸모노에탄올아민, 아미노에톡시에탄올, 에틸렌 글리콜, 모노에틸렌 글리콜, 디에틸렌 글리콜, 트리에틸렌 글리콜, 프로필렌 글리콜, 프로판디올, 부틸렌 글리콜, 폴리에틸렌 글리콜, 글리세롤, 디글림, 2-에티옥시에탄올, 2-메톡시에탄올, 글리세롤, 2-메틸피페리딘, 3-메틸피페리딘, 4-메틸 피페리딘, 2-피페리딘에탄올(PE), 3-피페리딘메탄올, 및 4-피페리딘메탄올, 및 이의 조합으로 구성된 군으로부터 선택되는 액체 팽윤제로 팽윤된, 가교된 폴리아크릴레이트, 이의 유도체, 또는 공중합체를 포함한다. 한 구현예에서, 액체 팽윤제는 물, 글리세롤, 모노에탄올 아민, 디에탄올아민, 2-피페리딘에탄올, 에틸렌 글리콜, 트리에틸렌 글리콜, 또는 모노에틸렌글리콜(MEG) 또는 이의 조합이다.
한 구현예에서, 가교된 폴리아크릴레이트, 이의 유도체 또는 공중합체를 포함하는 하이드로겔은 알칸올아민, 예를 들어 모노에탄올아민, 디에탄올아민, 메틸디에탄올아민, 디이소프로판올아민, N-에틸모노에탄올아민 및 아미노에톡시에탄올 중 하나 이상으로 팽윤된다. 한 구현예에서, 가교된 폴리아크릴레이트, 이의 유도체 또는 공중합체를 포함하는 하이드로겔은 피페리딘, 예를 들어 피페리딘, 2-메틸피페리딘, 3-메틸피페리딘, 4-메틸피페리딘, 2-피페리딘에탄올(PE), 3-피페리딘메탄올 및 4-피페리딘메탄올로 팽윤된다. 한 구현예에서, 가교된 폴리아크릴레이트, 이의 유도체 또는 공중합체를 포함하는 하이드로겔은 글리콜, 예를 들어 에틸렌 글리콜, 모노에틸렌 글리콜, 디에틸렌 글리콜, 트리에틸렌 글리콜, 프로필렌 글리콜, 프로판디올, 부틸렌 글리콜, 폴리에틸렌 글리콜, 및 디글림으로 팽윤된다. 한 구현예에서, 가교된 폴리아크릴레이트, 이의 유도체 또는 공중합체를 포함하는 하이드로겔은 알칸올아민과 글리콜, 예를 들어 디에탄올아민과 에틸렌 글리콜, 또는 피페리딘과 글리콜, 예를 들어 2-피페리딘에탄올과 에틸렌 글리콜의 혼합물로 팽윤된다.
한 구현예에서, 가교된 폴리아크릴레이트, 이의 유도체 또는 공중합체를 포함하는 하이드로겔은 알칸올아민과 물, 예를 들어 디에탄올아민과 물, 또는 피페리딘과 물, 예를 들어 2-피페리딘에탄올과 물을 포함하는 혼합물로 팽윤된다.
폴리아크릴산
일부 구현예 또는 예에서, 친수성 중합체는 폴리아크릴산, 이의 유도체 또는 공중합체를 포함할 수 있다. 당분야에서 이해되는 바와 같이, 폴리아크릴산, 유도체 또는 공중합체는 2개 이상의 아크릴산 단위를 갖는 유기 화합물이다. 일부 구현예 또는 예에서, 폴리아크릴산, 이의 유도체 또는 공중합체는 적어도 2개의 아크릴산 또는 아크릴산 유도체를 포함하는 공중합 가능 친수성 단량체를 포함하여 폴리아크릴산, 이의 유도체 또는 공중합체를 형성할 수 있다.
아크릴산 유도체는 아크릴산 또는 메타크릴산으로부터 선택될 수 있다. 일부 구현예에서, 폴리아크릴산, 이의 유도체 또는 공중합체는 폴리(아크릴산) 또는 폴리(메타크릴산)일 수 있다.
일부 구현예에서, 하이드로겔은 기체 스트림 또는 대기와 접촉 시 산성 기체와 반응하거나, 이에 결합하거나, 이를 용해시킬 수 있는 액체 팽윤제로 팽윤된, 가교된 폴리아크릴산, 이의 유도체 또는 공중합체를 포함한다. 예를 들어, 가교된 폴리아크릴산 유도체 또는 이의 공중합체는 본원에 기재된 바와 같은 하나 이상의 액체 팽윤제, 예를 들어 알코올, 폴리올 화합물, 글리콜, 아민(예를 들어 알칸올아민, 알킬아민, 알킬옥시아민), 피페리딘, 피페라진, 피리딘, 피롤리돈, 및 이의 유도체 또는 조합으로 팽윤될 수 있다. 적합한 알칸올아민은 모노에탄올아민, 디에탄올아민, 메틸디에탄올아민, 디이소프로판올아민, N-에틸모노에탄올아민 및 아미노에톡시에탄올을 포함할 수 있다. 적합한 글리콜은 에틸렌 글리콜, 모노에틸렌 글리콜, 디에틸렌 글리콜, 트리에틸렌 글리콜, 프로필렌 글리콜, 프로판디올, 부틸렌 글리콜, 폴리에틸렌 글리콜 및 디글림을 포함할 수 있다. 적합한 알코올은 2-에티옥시에탄올, 2-메톡시에탄올을 포함할 수 있다. 적합한 폴리올 화합물은 글리세롤을 포함할 수 있다. 적합한 피페리딘은 피페리딘, 2-메틸피페리딘, 3-메틸피페리딘, 4-메틸피페리딘, 2-피페리딘에탄올(PE), 3-피페리딘메탄올 및 4-피페리딘메탄올을 포함한다. 액체 팽윤제는 상기 액체 중 임의의 하나 이상을 포함할 수 있다.
일부 구현예에서, 하이드로겔은 물, 모노에탄올아민, 디에탄올아민, 메틸디에탄올아민, 디이소프로판올아민, N-에틸모노에탄올아민, 아미노에톡시에탄올, 에틸렌 글리콜, 모노에틸렌 글리콜, 디에틸렌 글리콜, 트리에틸렌 글리콜, 프로필렌 글리콜, 프로판디올, 부틸렌 글리콜, 폴리에틸렌 글리콜, 글리세롤, 디글림, 2-에티옥시에탄올, 2-메톡시에탄올, 글리세롤, 2-메틸피페리딘, 3-메틸피페리딘, 4-메틸피페리딘, 2-피페리딘에탄올(PE), 3-피페리딘메탄올, 및 4-피페리딘메탄올, 및 이의 조합으로 구성된 군으로부터 선택되는 액체 팽윤제로 팽윤된, 가교된 폴리아크릴산 또는 이의 공중합체를 포함한다. 한 구현예에서, 액체 팽윤제는 물, 글리세롤, 모노에탄올아민, 디에탄올아민, 2-피페리딘에탄올, 에틸렌 글리콜, 트리에틸렌 글리콜, 또는 모노에틸렌글리콜(MEG) 또는 이의 조합이다.
한 구현예에서, 가교된 폴리아크릴릭, 이의 유도체 또는 공중합체를 포함하는 하이드로겔은 알칸올아민, 예를 들어 모노에탄올아민, 디에탄올아민, 메틸디에탄올아민, 디이소프로판올아민, N-에틸모노에탄올아민 및 아미노에톡시에탄올 중 하나 이상으로 팽윤된다. 한 구현예에서, 가교된 폴리아크릴산, 이의 유도체 또는 공중합체를 포함하는 하이드로겔은 피페리딘, 예를 들어 피페리딘, 2-메틸피페리딘, 3-메틸피페리딘, 4-메틸피페리딘, 2-피페리딘에탄올(PE), 3-피페리딘메탄올 및 4-피페리딘메탄올로 팽윤된다. 한 구현예에서, 가교된 폴리아크릴산, 이의 유도체 또는 공중합체를 포함하는 하이드로겔은 글리콜, 예를 들어 에틸렌 글리콜, 모노 에틸렌 글리콜, 디에틸렌 글리콜, 트리에틸렌 글리콜, 프로필렌 글리콜, 프로판디올, 부틸렌 글리콜, 폴리에틸렌 글리콜, 및 디글림으로 팽윤된다. 한 구현예에서, 가교된 폴리아크릴산, 이의 유도체 또는 공중합체를 포함하는 하이드로겔은 알칸올아민과 글리콜, 예를 들어 디에탄올아민과 에틸렌 글리콜, 또는 피페리딘과 글리콜, 예를 들어 2-피페리딘에탄올과 에틸렌 글리콜을 포함하는 혼합물로 팽윤된다.
한 구현예에서, 가교된 폴리아크릴산, 이의 유도체 또는 공중합체를 포함하는 하이드로겔은 알칸올아민과 물, 예를 들어 디에탄올아민과 물, 또는 피페리딘과 물, 예를 들어 2-피페리딘에탄올과 물을 포함하는 혼합물로 팽윤된다.
가교제 및 가교 제제
하이드로겔은 가교된 친수성 중합체를 포함한다. 하이드로겔을 형성하기 위해 친수성 중합체의 어느 정도의 가교가 요구됨이 이해될 것이다. 하이드로겔의 강성 및 탄성은 가교 정도를 변경하여 조정될 수 있다. 가교제는 3D 중합체 네트워크의 형성을 촉진하여 이를 불용성으로 만든다. 불용화된 가교된 중합체 네트워크는 물 및 다른 액체의 채택 및 보유를 허용한다. 가교된 하이드로겔의 개요는 문헌(Maitra et al., American Journal of Polymer Science, 2014, 4(2), 25-31)에 논의되어 있으며, 본원에 참조로 포함된다.
본원에 사용된 용어 "가교하다, "가교된" 또는 "가교"는 3차원 매트릭스, 즉 하이드로겔의 형성을 초래하는 하이드로겔-형성 중합체 내의 또는 사이의 상호작용의 형성을 지칭한다. 예를 들어, 폴리아민은 1,3-부타디엔 디에폭시드(BDDE) 또는 트리글리시딜 트리메틸올프로판 에테르(TTE 또는 TMPTGE)에 의해 가교되어 가교된 폴리아민 하이드로겔을 형성할 수 있다.
한 구현예에서, 하이드로겔은 화학적으로 가교된 친수성 중합체를 포함한다. 화학적으로 가교된 하이드로겔은 친수성 중합체 사이의 공유 가교에 의해 형성된다. 이러한 화학적 가교는 본원에 기재된 가교 제제를 포함하여, 하이드로겔의 형성을 초래하는 친수성 중합체 내의 또는 사이의 공유 결합 상호작용을 형성할 수 있는 가교 제제를 사용함으로써 달성된다. 폴리아민과 같은 친수성 중합체를 화학적으로 가교할 수 있는 가교 제제의 예는 에폭시드이다. 이는 화학적으로 가교된 하이드로겔과 달리 성질상 가역적인(즉, 영구적이지 않은) 가교의 유형을 지칭하는 "물리적으로 가교된" 친수성 중합체와 대조된다. 물리적 가교의 예는 하이드로겔-형성 중합체의 분자 얽힘, 이온 상호작용, 수소 결합형성 및 소수성 상호작용을 포함한다.
일부 구현예에서, 친수성 중합체는 약 0.01몰% 내지 약 50몰%의 가교 제제를 포함한다. 친수성 중합체는 적어도 약 0.01, 0.1, 1, 2, 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 또는 50몰%의 가교 제제를 포함할 수 있다. 친수성 중합체는 약 50, 45, 40, 35, 30, 25, 20, 15, 10, 5, 2, 1, 0.1 또는 0.01몰% 미만의 가교 제제를 포함할 수 있다. 다양한 범위를 형성하기 위한 이들 몰% 값의 조합도 가능하며, 예를 들어 친수성 중합체는 약 0.01몰% 내지 약 50몰%, 약 0.01몰% 내지 약 20몰%, 또는 약 0.01몰% 내지 약 10몰%의 가교 제제를 포함할 수 있다.
일부 구현예에서, 하이드로겔은 하이드로겔의 전체 중량을 기준으로 약 0.1중량% 내지 약 20중량%의 가교 제제를 포함한다. 일부 구현예에서, 하이드로겔은 하이드로겔의 전체 중량을 기준으로 적어도 약 0.1, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 8, 10, 15 또는 20중량%의 가교 제제를 포함한다. 다른 구현예에서, 하이드로겔은 하이드로겔의 전체 중량을 기준으로 약 20, 15, 20, 15, 10, 8, 6, 5, 3, 2, 1, 또는 0.1중량% 미만의 가교 제제를 포함한다. 다양한 범위를 형성하는 이들 중량% 값의 조합도 가능하며, 예를 들어 하이드로겔은 하이드로겔의 전체 중량을 기준으로 약 1중량% 내지 약 20중량%, 약 10중량%, 또는 약 1중량% 내지 약 6중량%의 가교 제제를 포함한다. 본원에 기재된 일부 구현예 또는 예에 따르면, 더 많은 양의 가교 제제(예를 들어 1중량% 이상)를 포함하는 하이드로겔은 우수한 재생 특성을 실증했다.
따라서, 일부 구현예에서, 하이드로겔은 하이드로겔의 전체 중량을 기준으로 약 0.05중량% 내지 약 50중량%의 가교된 친수성 중합체를 포함한다. 일부 구현예에서, 하이드로겔은 하이드로겔의 전체 중량을 기준으로 적어도 약 0.01, 0.05, 0.1, 0.2, 0.5, 1, 2, 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 또는 50중량%의 가교된 친수성 중합체를 포함한다. 다른 구현예에서, 하이드로겔은 하이드로겔의 전체 중량을 기준으로 약 50, 45, 40, 35, 30, 25, 20, 15, 10, 5, 2, 1, 0.5, 0.2, 0.1, 0.05 또는 0.01중량% 미만의 가교된 친수성 중합체를 포함한다. 다양한 범위를 형성하기 위한 이들 가교된 친수성 중합체의 조합도 가능하며, 예를 들어 하이드로겔은 하이드로겔의 전체 중량을 기준으로 약 0.01중량% 내지 약 50중량%, 약 0.05중량% 내지 약 50중량%, 약 1중량% 내지 약 50중량%, 약 0.05중량% 내지 약 25중량%, 약 10중량% 내지 약 50중량%, 약 10중량% 내지 약 40중량%, 또는 약 30중량% 내지 약 50중량%의 가교된 친수성 중합체를 포함한다.
한 구현예에서, 건조 또는 탈수된 하이드로겔은 탈수된 하이드로겔의 전체 중량을 기준으로 약 80중량% 내지 약 99.9중량%의 가교된 친수성 중합체를 포함할 수 있다.
하이드로겔의 팽윤 용량은 가교된 친수성 중합체의 성질 및 하이드로겔을 팽윤시키는 용매에 의존한다. 예를 들어, 긴 친수성 가교를 갖는 하이드로겔은 더 짧은 소수성 가교를 갖는 유사한 가교된 중합체 네트워크보다 더 많이 팽윤할 수 있다.
가교 제제는 가교된 친수성 중합체에서 알킬 가교제, 헤테로알킬 가교제, 사이클로알킬 가교제, 아릴알킬 가교제, 또는 헤테로아릴알킬 가교제를 제공하도록 선택될 수 있으며, 이들 각각은 본원에 기재된 바와 같이 임의로 치환되고 및/또는 임의로 단속될 수 있다. 가교 제제는 약 1 내지 30개 탄소 원자를 포함할 수 있고, 본원에 기재된 바와 같이 임의로 치환되고 및/또는 임의로 단속될 수 있다.
일부 구현예에서, 가교 제제는 가교된 친수성 중합체에서 알킬 가교제를 제공하도록 선택된다. 알킬 가교제는 알킬, 할로, 할로알킬, 하이드록실 또는 아민으로부터 선택되는 하나 이상의 작용기로 임의로 치환될 수 있고, 하나 이상의 O, N, Si 또는 S로 임의로 단속될 수 있다. 한 예에서, 가교제는 하나 이상의 하이드록실기로 치환된다. 적어도 본원에 기재된 일부 예에 따르면, 가교제 상의 하나 이상의 하이드록실기의 존재는 하이드로겔에서 산성 기체(예를 들어 CO2)의 결합 및 흡수를 추가로 개선할 수 있다.
일부 구현예에서, 가교 제제는 가교된 친수성 중합체에서 C1-20 알킬 가교제를 제공하도록 선택될 수 있다. C1-20 알킬 가교제는 1 내지 20개 원자 사슬을 갖는 상기 또는 본원에 기재된 바와 같은 임의의 알킬에 의해 제공될 수 있음이 이해될 것이다. 예를 들어, C1-20 알킬 가교제는 적어도 알킬, 할로, 할로알킬, 하이드록실 또는 아민으로부터 선택되는 하나 이상의 작용기로 임의로 치환될 수 있고, 하나 이상의 O, N, Si 또는 S로 임의로 단속될 수 있다. 다른 예에서, 가교 제제는 본원에 기재된 바와 같은 임의의 예에 따라, C2-C20 알킬, C5-C20 알킬, C10-C20 알킬, 또는 C12-C10 알킬일 수 있다.
일부 구현예에서, 가교 제제는 가교된 친수성 중합체에서 C1-10 알킬 가교제를 제공하도록 선택될 수 있다. C1-10 알킬 가교제는 1 내지 10개 원자 사슬을 갖는 상기 또는 본원에 기재된 바와 같은 임의의 알킬에 의해 제공될 수 있음이 이해될 것이다. 예를 들어, C1-10 알킬 가교제는 적어도 알킬, 할로, 할로알킬, 하이드록실 또는 아민으로부터 선택된 하나 이상의 작용기로 임의로 치환될 수 있고, 하나 이상의 O, N, Si 또는 S로 임의로 단속될 수 있다. 다른 예에서, 가교 제제는 본원에 기재된 바와 같은 임의의 예에 따라, C2-C10 알킬, C3-C10 알킬, C4-C10 알킬 또는 C5-C10 알킬일 수 있다.
가교 제제는 가교된 친수성 중합체에서 헤테로알킬 가교제를 제공하도록 선택될 수 있다. 헤테로알킬기는 본원에 기재된 바와 같은 알킬 또는 이의 임의의 예에 의해 제공될 수 있으며, 이는 하나 이상의 헤테로원자(예를 들어 1 내지 3개)에 의해 단속된다. 헤테로원자는 O, N, C, S 중 임의의 하나 이상으로부터 선택될 수 있다.
가교 제제는 가교된 친수성 중합체에서 사이클로알킬 가교제를 제공하도록 선택될 수 있다. 사이클로알킬 가교제는 알킬, 할로, 할로알킬, 하이드록실 또는 아민으로부터 선택되는 하나 이상의 작용기로 임의로 치환될 수 있고, 하나 이상의 O, N, Si 또는 S로 임의로 단속될 수 있다. 사이클로알킬기는 예를 들어 알킬사이클로알킬기일 수 있다. 사이클로알킬기는 함께 연결된 및/또는 융합된 1-3개 고리형 기를 가질 수 있다.
가교 제제는 가교된 친수성 중합체에서 아릴알킬 가교제를 제공하도록 선택될 수 있다. 아릴알킬 가교제는 할로, 할로알킬, 하이드록실, 카복실 또는 아민 중 임의의 하나 이상으로부터 선택된 하나 이상의 작용기로 임의로 치환될 수 있고, 임의의 하나 이상의 O, N, Si 또는 S에 의해 임의로 단속될 수 있다. 아릴알킬 가교제는 1 내지 3개 아릴기를 가질 수 있고, 예를 들어 이들 각각은 함께 연결될 및/또는 융합될 수 있다.
가교 제제는 가교된 친수성 중합체에서 헤테로아릴알킬 가교제를 제공하도록 선택될 수 있다. 헤테로아릴알킬은 하나 이상의 헤테로원자에 의해 단속된 임의의 아릴알킬기일 수 있음이 이해될 것이다. 헤테로원자는 O, N, Si, S 중 임의의 하나 이상으로부터 선택될 수 있다.
일부 구현예에서, 가교 제제는 에폭시드이다(즉, 에폭시드 가교제). 예를 들어, 에폭시드는 가교된 친수성 중합체에서 2가 또는 다가 연결기를 제공할 수 있으며, 이는 에폭시드기와 친수성 중합체의 반응으로부터 발생하는 하나 이상의 하이드록실기를 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 가교 제제는 적어도 1, 2, 3, 4 또는 5개 에폭시드를 포함한다. 일부 구현예에서, 가교 제제는 2개 에폭시드를 포함한다. 한 구현예에서, 가교 제제는 에폭시드이다. 한 구현예에서 에폭시드는 디에폭시드이다(예를 들어 2개의 에폭시드기를 포함함, 예를 들어 BDDE). 한 구현예에서, 에폭시드는 트리에폭시드이다(예를 들어, 3개의 에폭시드기를 포함함, 예를 들어 TTE). 한 구현예에서, 가교 제제는 1,3-부타디엔 디에폭시드(BDDE) 또는 트리글리시딜 트리메틸올프로판 에테르(TTE 또는 TMPTGE)이다. 일부 구현예에서, 하이드로겔은 가교된 폴리아민 또는 이의 공중합체를 포함한다. 일부 구현예에서, 하이드로겔은 가교된 폴리아크릴아미드 또는 이의 공중합체를 포함한다. 일부 구현예에서, 하이드로겔은 가교된 폴리아민 또는 가교된 폴리아크릴아미드, 또는 이의 공중합체를 포함한다.
가교 제제는 트리글리시딜 트리메틸올프로판 에테르(TTE 또는 TMPTGE)(트리메틸올프로판 트리글리시딜 에테르로도 지칭됨), 디글리시딜 에테르, 레소르시놀 디글리시딜 에테르(CAS 번호: 101-90-6), 비스페놀 A 디글리시딜 에테르, 1,3-부타디엔 디에폭시드, 디글리시딜 1,2-사이클로헥산디카복실레이트, 디글리시딜 헥사하이드로프탈레이트, 폴리(에틸렌글리콜) 디글리시딜에테르 에테르 평균(<Mn 1000), 글리세롤 디글리시딜 에테르, 1,4-부탄디올 디글리시딜에테르, 비스페놀 F 디글리시딜 에테르, 비스페놀 A 프로폭실레이트 디글리시딜 에테르, 비스페놀 A 프로폭실레이트 디글리시딜 에테르 PO/페놀 1, N,N-디글리시딜-4-글리시딜옥시아닐린, N,N-디글리시딜-4-글리시딜옥시아닐린, 폴리(디메틸실록산), 디글리시딜 에테르 말단(Mn<1000), 네오펜틸 글리콜 디글리시딜 에테르, 2,2-비스[4-(글리시딜옥시)페닐]프로판, 4,4'-이소프로필리덴디페놀 디글리시딜 에테르, BADGE, 비스페놀 A 디글리시딜 에테르, D.E.R.™ 332, 비스[4-(글리시딜옥시)페닐]메탄, 트리스(4-하이드록시페닐)메탄 트리글리시딜 에테르, 트리스(2,3-에폭시프로필) 이소시아누레이트, 4,4'-메틸렌비스(2-메틸사이클로헥실아민)으로 구성된 군으로부터 선택될 수 있다.
다른 적합한 가교 제제는 또한 하나 이상의 이소티오시아네이트, 이소시아네이트, 아실 아지드, NHS 에스테르, 설포닐 클로라이드, 알데히드, 글리옥살, 에폭시드, 옥시란, 카보네이트, 아릴 할라이드, 이미도에스테르, 카보디이미드, 무수물, 아크릴레이트, 아크릴아미드, 디아민, 및 플루오로페닐 에스테르기를 포함할 수 있다.
가교 제제는 알데히드기, 예를 들어 적어도 1개, 2개 또는 3개 알데히드기를 포함할 수 있다. 예를 들어, 가교 제제는 포름알데히드 또는 글루타르알데히드일 수 있다. 한 구현예에서, 친수성 중합체는 알데히드, 예를 들어 포름알데히드 또는 글루타르알데히드와 가교된 폴리아크릴아미드, 이의 유도체 또는 공중합체이다.
가교 제제는 2개 이상의 비닐기(-C=CH2)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 가교 제제는 N,N-메틸렌비스아크릴아미드 또는 에틸렌글리콜 디메타크릴레이트와 같은 디비닐 가교 제제일 수 있다. 일부 구현예에서, 친수성 중합체는 예를 들어 폴리(아크릴아미드-코-메틸렌비스아크릴아미드) 하이드로겔 또는 공유 결합에 의해 함께 유지되는 폴리(N-2-하이드록시에틸)아크릴아미드 하이드로겔을 형성하기 위해 자유 라디칼 개시 비닐 중합 메커니즘을 통해 N,N-메틸렌비스아크릴아미드로 가교된 폴리아크릴아미드, 이의 유도체 또는 공중합체이다.
일부 구현예에서, 라디칼 중합을 개시/촉매하기 위해 자유 라디칼 개시제 및/또는 촉매가 첨가될 수 있다. 적합한 촉매는 N,N,N',N'-테트라메틸디아미노메탄, N,N,N',N'-테트라에틸메탄디아민, N,N,N',N'-테트라메틸-1,3-프로판디아민, 또는 N,N,N',N'-테트라메틸-1,4-부탄디아민과 같은 디아민을 포함한다. 적합한 개시제는 퍼옥시설페이트, 퍼옥시포스페이트, 퍼옥시카보네이트, 알킬 퍼옥시드, 아실 퍼옥시드, 하이드로퍼옥시드, 케톤 퍼옥시드, 페에스테르, 아조 화합물, 아지드 등, 예를 들어 디에틸 퍼옥시디카보네이트, 암모늄 퍼설페이트, 포타슘 퍼설페이트, 포타슘 퍼옥시포스페이트, t-부틸 퍼옥시드, 아세틸 퍼옥시드, t-부틸 하이드로퍼옥시드, 메틸 에틸 케톤 퍼옥시드, 디메틸퍼옥살레이트, 아조-비스(이소부티로니트릴), 벤젠설포닐아지드, 2-시아노-2-프로필-아조-포름아미드, 아조-비스이소부티르아미딘 디하이드로클로라이드(또는 유리 염기), 아조비스-(N,N'-디메틸렌이소부티르아미딘-디하이드로클로라이드(또는 유리 염기) 및 4,4'-아조-비스(4-시아노펜탄산)을 포함한다.
일부 구현예에서, 가교 제제는 다이아크릴레이트 또는 디아크릴아미드이다.
적합한 가교 제제의 다른 예는 에틸렌 글리콜 디메타크릴레이트, 피페라진 디아크릴아미드, PEG 디아크릴레이트, 에틸렌글리콜 디메타크릴레이트, 디에틸렌글리콜 디아크릴레이트, 트리에틸렌글리콜 디아크릴레이트를 포함한다.
한 구현예에서, 가교된 친수성 중합체는 1-에틸-3-(3-디메틸아미노프로필)카보디이미드(EDC) 및 N-하이드록시숙신이미드(NHS) 및 다작용성 아민으로 가교된, 폴리(아크릴아미드-코-아크릴산) 또는 이의 부분 소듐 염 또는 포타슘 염을 포함한다.
친수성 중합체는 이온적으로 가교될 수 있다(예를 들어, 이온 상호작용(즉, 반대로 하전된 이온 사이의 정전기적 인력)에 의해 연결됨). 예를 들어, 이온 가교는 친수성 중합체와 링커로서 반대로 하전된 분자 사이의 전하 상호작용일 수 있다. 이러한 하전된 소분자는 다가 양이온 또는 음이온일 수 있다. 반대로 하전된 분자는 또한 중합체일 수 있다. 이온-가교는 또한 반대 전하의 2개의 하이드로겔 형성 중합체 사이에 있을 수 있다. 일부 구현예에서, 친수성 중합체는 금속성 가교 제제, 예를 들어 다가 양이온에 의해 가교된다. 용어 "다가 양이온"은 +2 이상의 양전하를 갖는 양이온을 지칭한다. 일부 구현예에서, 하이드로겔은 2가 양이온 또는 3가 양이온, 또는 이들의 혼합물에 의해 이온적으로 가교된다. 일부 구현예에서, 다가 양이온은 2가 양이온이다. 본원에 사용된 용어 "2가 양이온"은 +2의 원자가를 갖는 양으로 하전된 원소, 원자 또는 분자를 의미하도록 의도된다. 2가 양이온은 Ca2+, Mg2+, Sr2+, Ba2+, Zn2+, 또는 Be2+ 중 하나 이상, 및 이들 양이온의 염 형태(예를 들어 CaCl2)로부터 선택될 수 있다. 다른 구현예에서, 다가 양이온은 3가 양이온이다. 본원에 사용된 용어 "3가 양이온"은 +3의 원자가를 갖는 양으로 하전된 원소, 원자 또는 분자를 의미하도록 의도된다. 3가 양이온은 Fe3+, Cr3+, Al3+ 또는 Mn3+ 중 하나 이상, 및 이들 양이온의 염 형태(예를 들어 AlCl3)로부터 선택될 수 있다. 일부 구현예에서, 가교 제제는 2가 및 3가 양이온 둘 모두의 혼합물이며, 둘 모두 본원에 기재된 바와 같은 양이온으로부터 선택될 수 있다.
한 구현예에서, 적어도 하나의 산성 기체 흡수제는 산성 기체에 결합하기 위해 가교된 친수성 중합체 상의 하나 이상의 반응성 작용기로 하이드로겔 내에 혼입되고, 적어도 하나의 산성 기체 흡수제는 하이드로겔 내에 흡수되는 액체 팽윤제의 일부로서 하이드로겔 내에 혼입된다.
한 구현예에서, 하이드로겔이 산성 기체에 결합하기 위해 가교된 친수성 중합체 상의 하나 이상의 반응성 작용기로 산성 기체 흡수제를 혼입하고 하이드로겔 내에 흡수된 액체 팽윤제의 일부로 산성 기체 흡수제를 혼입하는 경우, 산성 기체 흡수제는 동일하다(예를 들어 하이드로겔은 산성 기체에 결합할 수 있는 하나 이상의 아민 작용기를 갖는 가교된 친수성 중합체를 포함할 수 있고 액체 아민으로 팽윤되며, 예를 들어 하이드로겔은 디에탄올아민 액체 팽윤제로 팽윤된 가교된 폴리에틸렌이민을 포함함).
또 다른 구현예에서, 하이드로겔이 산성 기체에 결합하기 위해 가교된 친수성 중합체 상의 하나 이상의 반응성 작용기로 산성 기체 흡수제를 혼입하고 하이드로겔 내에 흡수된 액체 팽윤제의 일부로서 산성 기체 흡수제를 혼입하는 경우, 산성 기체 흡수제는 상이하다(예를 들어, 하이드로겔은 산성 기체에 결합할 수 있는 하나 이상의 아민 작용기를 갖는 가교된 친수성 중합체를 포함하고, 메탄올과 같은 물리적 공정에 의해 산성 기체를 흡수할 수 있는 액체 팽윤제로 팽윤됨).
하이드로겔을 제조하는 방법
본 개시내용은 또한 본원에 기재된 하이드로겔을 제조하는 방법을 제공한다.
방법은 친수성 중합체를 가교하여 하이드로겔을 형성하는 데 효과적인 조건 하에 친수성 중합체 및 가교 제제를 포함하는 용액을 혼합하는 단계를 포함할 수 있고, 방법은 열 전도도를 갖는 미립자 물질을 친수성 중합체 및 가교 제제와 혼합하거나 하이드로겔 상에 또는 내에 미립자 물질을 산재시키는 데 효과적인 조건 하에 하이드로겔을 미립자 물질과 접촉시키는 단계를 포함한다.
한 구현예에서, 방법은 친수성 중합체를 가교시켜 하이드로겔을 형성하는 데 효과적인 조건 하에 친수성 중합체, 열 전도도를 갖는 미립자 물질 및 가교 제제를 포함하는 용액을 혼합하는 단계를 포함하며, 미립자 물질은 하이드로겔 상에 또는 내에 산재된다. 일부 구현예에서, 미립자 물질은 가교 제제의 첨가 전에 친수성 중합체 용액을 포함하는 용액과 혼합된다.
일부 구현예에서, 미립자 물질은 친수성 중합체 용액에 첨가 전에 가교 제제와 혼합된다. 대안적인 구현예에서, 방법은 1) 친수성 중합체를 포함하는 용액을 제조하는 단계; 2) 열 전도성 물질을 친수성 중합체를 포함하는 용액과 혼합하는 단계, 및 3) 친수성 중합체를 가교하여 하이드로겔을 형성하는 데 효과적인 조건 하에 가교 제제를 포함하는 용액을 친수성 중합체 및 열 전도성 물질을 포함하는 혼합물에 첨가하는 단계를 포함하며, 열 전도성 물질은 하이드로겔 상에 또는 내에 산재된다.
한 구현예에서, 방법은 1) 친수성 중합체를 포함하는 용액을 제조하는 단계; 2) 열 전도성 물질을 가교 제제를 포함하는 용액과 혼합하는 단계, 및 3) 친수성 중합체를 가교시켜 하이드로겔을 형성하는 데 효과적인 조건 하에 가교 제제 및 열 전도성 미립자 물질을 포함하는 용액을 친수성 중합체 용액에 첨가하는 단계를 포함하며, 열 전도성 물질은 하이드로겔 상에 또는 내에 산재된다.
관련 구현예에서, 하이드로겔 상의 또는 내의 열 전도성 미립자 물질의 산재는 현장에서(즉, 친수성 중합체의 가교 동안) 발생할 수 있고, 열 전도성 미립자 물질은 가교된 친수성 중합체 내에 또는 하이드로겔 표면 상에 산재될 수 있다. 본원에 기재된 일부 구현예 또는 예에 따르면, 친수성 중합체의 가교 동안 열 전도성 미립자 물질의 현장 산재는 하이드로겔에 걸쳐 미립자 물질의 균일한 분산을 제공하고 개선된 열 전달 특성을 제공할 수 있다.
대안적으로, 방법은 친수성 중합체를 가교시켜 하이드로겔을 형성하는 데 효과적인 조건 하에 친수성 중합체 및 가교 제제를 포함하는 용액을 혼합하는 단계를 포함할 수 있고, 방법은 하이드로겔 상에 또는 내에 미립자 물질을 산재시키는 데 효과적인 조건 하에 하이드로겔을 미립자 물질과 접촉시키는 단계를 포함한다.
한 구현예에서, 방법은 1) 친수성 중합체를 포함하는 용액을 제조하는 단계; 2) 하이드로겔을 형성하는 데 효과적인 조건 하에 가교 제제를 포함하는 용액을 친수성 중합체 용액에 첨가하는 단계; 및 3) 하이드로겔을 열 전도성 미립자 물질과 접촉시키는 단계를 포함하며, 미립자 물질은 하이드로겔의 표면 상에 또는 내에 산재된다.
관련 구현예에서, 하이드로겔 상의 또는 내의 열 전도성 미립자 물질의 산재는 현장 외부에서(즉, 친수성 중합체의 가교에 대한 별도 단계로서) 발생할 수 있고, 열 전도성 미립자 물질은 하이드로겔의 표면 상에 산재될 수 있다.
열 전도성 미립자 물질은 하이드로겔 표면 상에, 예를 들어 하이드로겔 표면 상의 미립자 층으로 산재될 수 있다. 한 구현예에서, 하이드로겔은 복수의 입자 형태이고, 적어도 일부의 입자는 입자 코팅층으로 입자의 표면 상에 산재된(예를 들어, 표면 상으로 삽입되거나 포매된) 열 전도성 미립자 물질을 포함한다. 이론에 구애됨이 없이, 미립자 물질은 하이드로겔의 표면에 부착하여 하이드로겔의 표면에 위치하는 하나 이상의 틈새 공극에 혼입되거나 포매될 수 있는 것으로 여겨진다.
친수성 중합체를 가교시켜 하이드로겔을 형성하고/하거나 하이드로겔 상에 또는 내에 미립자 물질을 산재시키는 데 효과적인 조건이 본원에 기재된다. 열 전도성 입자가 하이드로겔 상에 또는 내에 어떻게 산재되는지(예를 들어 현장에서 또는 현장 외부에서)와 관계없이, 열 전도성 미립자 물질이 하이드로겔 상에 또는 내에 산재됨이 이해될 것이다. 친수성 중합체, 가교 제제 및 열 전도성 물질이 본원에 기재된다.
일부 구현예에서, 열 전도성 미립자 물질은 가교 제제 및 친수성 중합체와 혼합하기 전에(예를 들어 현장 산재) 또는 하이드로겔과 접촉하기 전에(예를 들어 현장 외부 산재) 크기가 감소된다.
친수성 중합체 및 가교 제제를 친수성 중합체를 가교시켜 하이드로겔을 형성하는 데 효과적인 적합한 온도에서 혼합될 수 있다. 한 구현예에서, 친수성 중합체 및 가교 제제는 친수성 중합체를 가교시켜 하이드로겔을 형성하기 위해 약 10℃내지 약 50℃의 온도에서 혼합될 수 있다. 친수성 중합체 및 가교 제제는 친수성 중합체를 가교시켜 하이드로겔을 형성하기 위해 적어도 약 10, 12, 15, 17, 20, 22, 25, 28, 30, 35, 40, 45 또는 50℃의 온도에서 혼합될 수 있다. 친수성 중합체 및 가교 제제는 친수성 중합체를 가교시켜 하이드로겔을 형성하기 위해 약 50, 45, 40, 35, 30, 28, 25, 22, 20, 17, 15, 12 또는 10℃ 미만의 온도에서 혼합될 수 있다. 혼합 온도는 이들 상한값 및/또는 하한값 중 임의의 2개에 의해 제공되는 범위일 수 있다. 일부 구현예에서, 혼합 온도는 친수성 중합체를 가교시켜 하이드로겔을 형성하기 위해 약 약 10, 12, 15, 17, 20, 22, 25, 28, 30, 35, 40, 45 또는 50℃이다.
친수성 중합체 및 가교 제제는 친수성 중합체를 가교시켜 하이드로겔을 형성하는 데 효과적인 시간 동안 혼합될 수 있다. 한 구현예에서, 친수성 중합체 및 가교 제제를 친수성 중합체를 가교시켜 하이드로겔을 형성하기 위해 약 5분 내지 약 60분의 시기 동안 혼합된다. 일부 구현예에서, 친수성 중합체 및 가교 제제는 친수성 중합체를 가교시켜 하이드로겔을 형성하기 위해 약 5분 내지 약 60분 중 적어도 약 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 또는 60분의 시기 동안 혼합된다. 친수성 중합체 및 가교 제제는 친수성 중합체를 가교시켜 하이드로겔을 형성하기 위해 약 60, 55, 50, 45, 40, 35, 30, 25, 20, 15, 또는 10분 미만의 시기 동안 혼합될 수 있다. 혼합 시간은 이들 상한값 및/또는 하한값 중 임의의 2개에 의해 제공되는 범위일 수 있다. 일부 구현예에서, 친수성 중합체를 가교시켜 하이드로겔을 형성하기 위한 혼합 시간은 약 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 또는 60분이다.
일부 구현예에서, 예를 들어 본원에 기재된 바와 같은 개시제 및/또는 촉매를 포함하는 하나 이상의 다른 첨가제가 친수성 중합체 및 가교 제제에 첨가될 수 있다. 예를 들어, 하이드로겔을 형성하는 데 효과적인 조건이 자유 라디칼 중합을 포함하는 경우, 개시제(예를 들어 포타슘 퍼설페이트) 및/또는 촉매(예를 들어 N,N,N',N'-테트라메틸디아미노메탄)가 첨가되어 친수성 중합체(예를 들어 PHEAA 하이드로겔)의 중합 및 가교를 개시/촉매할 수 있음이 이해될 것이다. 대안적으로, 다른 구현예에서, 친수성 중합체의 가교는 개시제 및/또는 촉매의 존재를 필요로 하지 않는다(예를 들어 가교된 PEI 하이드로겔).
본원에 기재된 하이드로겔 상에 또는 내에 열 전도성 미립자 물질의 현장 산재의 경우, 하이드로겔 상에 또는 내에 미립자 물질을 산재시키는 데 효과적인 조건은 친수성 중합체를 가교시켜 하이드로겔을 형성하는 데 효과적인 조건과 동일할 수 있다.
본원에 기재된 하이드로겔 상에 또는 내에 열 전도성 미립자 물질의 현장외부 산재를 위해, 미립자 물질은 미립자 물질을 하이드로겔 상에 또는 내에 산재시키는 데 효과적인 조건 하에 하이드로겔과 혼합될 수 있다. 한 구현예에서, 열 전도성 미립자 물질은 하이드로겔 상에 또는 내에 미립자 물질을 산재시키는 데 효과적인 시기 동안 하이드로겔과 혼합된다. 한 구현예에서, 미립자 물질 및 하이드로겔은 미립자 물질을 하이드로겔 상에 또는 내에 산재시키기 위해 적어도 약 0.5, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 12, 15, 20, 30, 60, 90, 120 또는 180분 동안 혼합된다. 한 구현예에서, 미립자 물질 및 하이드로겔은 미립자 물질을 하이드로겔 상에 또는 내에 산재시키기 위해 적어도 약 180, 120, 90, 60, 30, 20, 15, 12, 10, 9, 8, 7, 6, 5, 4, 3, 2, 1 또는 0.5분 동안 혼합된다. 범위는 이러한 상한값 및/또는 하한값 중 임의의 2개에 의해 제공될 수 있다. 혼합은 임의의 적합한 공정, 예를 들어 배합, 연삭 또는 분쇄를 포함할 수 있다.
한 구현예에서, 방법은 하이드로겔을 연삭/분쇄하여 복수의 하이드로겔 입자(즉, 미립자)를 형성하는 단계를 추가로 포함한다. 예를 들어 막자사발 및 공이를 사용하여, 임의의 적합한 기술이 하이드로겔을 연삭하기 위해 사용될 수 있다. 하이드로겔은 본원에 기재된 바와 같은 입자 크기를 가질 수 있다. 하이드로겔은 열 전도성 미립자 물질과 접촉 전에 연삭/분쇄될 수 있다. 대안적으로, 열 전도성 미립자 물질을 포함하는 하이드로겔은 연삭/분쇄될 수 있다.
본원에 기재된 하이드로겔은 하이드로겔의 표면 상에 또는 내에 미립자 물질의 산재를 촉진할 수 있는 향상된 표면적을 제공할 수 있는 조면화 또는 질감화 표면을 가질 수 있다. 일부 구현예에서, 열 전도성 미립자 물질은 하이드로겔 입자 조면화 표면 상에 또는 내에 산재될 수 있다(예를 들어, 하이드로겔 입자의 조면화 표면에 삽입되거나, 산재되거나, 포매됨). 표면 조도는 하이드로겔을 입자로 연삭/분쇄함으로써 제공될 수 있으며, 입자는 조면화 표면을 포함한다.
일부 구현예에서, 친수성 중합체 및/또는 가교 제제를 포함하는 용액은 수용액, 액체 팽윤제, 또는 이들의 혼합물로부터 선택된다. 친수성 중합체를 포함하는 용액은 가교 제제를 포함하는 용액과 동일하거나 상이할 수 있다.
한 구현예에서, 방법은 하이드로겔을 탈수시켜 용액(예를 들어 친수성 중합체, 가교 제제 및 열 전도성 물질을 혼합하기 위해 사용되는 수용액)을 제거하는 단계를 추가로 포함한다. 추가 구현예에서, 탈수된 하이드로겔은 본원에 기재된 액체 팽윤제 중 하나 이상으로 팽윤될 수 있다. 대안적으로, 하이드로겔은 본원에 기재된 액체 팽윤제 중 하나 이상을 사용하여 제조될 수 있다.
기체 스트림 및 대기
본 개시내용의 하이드로겔은 산성 기체를 함유하는 기체 스트림 또는 대기로부터 산성 기체를 제거할 수 있고, 탄화수소 기체로부터와 같이 연소 전 공정으로부터 산성 기체의 제거, 연소 기체로부터 산성 기체의 제거, 제품 제조에서 생성되는 산성 기체의 감소와 같은 다양한 산업 공정에서 산성 기체의 흡수에서 사용될 수 있거나, 주변 공기의 산성 기체 함량을 줄이기 위해 사용될 수 있다. 산성 기체(예를 들어 CO2 또는 H2S)는 하이드로겔에 흡수되어 기체 스트림 또는 대기로부터 제거될 수 있다. 예를 들어, 산성 기체는 화학적 또는 물리적 공정에 의해 하이드로겔에 흡수될 수 있다. 일부 구현예에서, 가교된 친수성 중합체는 산성 기체에 결합할 수 있는 하나 이상의 작용기를 포함한다. 대안적으로 또는 추가적으로, 하이드로겔은 액체 팽윤제를 포함할 수 있으며, 액체 팽윤제는 산성 기체를 흡수한다. 산성 기체는 탄화수소 기체 스트림의 오염물질일 수 있다. 한 구현예에서, 산성 기체는 CO2, 또는 H2S, 또는 이들의 혼합물이다. 한 구현예에서, 산성 기체는 질소 산화물 기체(예를 들어 NOx)이다. NOx는 전형적으로 산소를 사용하는 연소 공정 동안 생성되는 전체 질소 산화물 패밀리를 표시한다. NOx 오염물질은 일산화질소(NO), 이산화질소(NO2), 삼산화이질소(N2O3) 등을 포함한다. 한 구현예에서, 산성 기체는 이산화탄소(CO2), 이산화황(SO2), 황화수소(H2S) 및 질소 산화물(NOx), 또는 이들의 혼합물로 구성된 군으로부터 선택된다.
산성 기체는 상당한 양의 산성 기체, 즉 H2S 또는 CO2를 함유하는 천연 가스 혼합물인 것으로 이해되는 산성 기체와 같은 천연 가스의 구성요소일 수 있다. 산성 기체는 상당한 양의 H2S를 함유하는 특정 유형의 산성 기체인 사워(sour) 가스일 수 있다. 한 구현예에서, 산성 기체는 탄화수소 기체의 오염물질일 수 있다. 용어 '탄화수소 기체'는 일반적으로 천연 가스를 지칭하지만, 이 용어가 석탄층 기체, 수반 기체, 비통상적 기체, 매립지 기체, 바이오가스 및 연도 기체에도 동일하게 적용될 수 있음이 당업자에게 이해될 것이다. 대안적으로, 산성 기체는 주위 공기와 같은 더 낮은 산성 기체 농도의 기체 스트림 또는 대기의 구성요소일 수 있다.
기체 스트림 또는 대기는 스트림 또는 대기로부터 하나 이상의 산성 기체의 분리가 요망되는 임의의 스트림 또는 대기일 수 있다. 스트림 또는 대기의 예는 예를 들어 석탄 기화 플랜트, 개질기, 연소 전 기체 스트림, 연도 기체와 같은 연소 후 기체 스트림(인라인 연소 후 기체 스트림 포함), 화석 연료 연소 발전소로부터 발생하는 배기 스트림, 사워 천연 가스, 연소 후, 소각로로부터의 방출물, 산업용 기체 스트림, 차량 배기 가스, 잠수함과 같은 밀폐된 환경으로부터의 배기 가스 등으로부터의 제품 기체 스트림을 포함한다. 한 구현예에서, 기체 스트림 또는 대기는 연소 연도 기체, 탄화수소 기체 혼합물, 시멘트 또는 강철 생산으로 인한 방출물, 바이오가스 및 주변 공기로 구성된 군으로부터 선택된다.
일부 구현예에서, 기체 스트림 또는 대기는 약 200,000 백만분율(ppm) 미만의 산성 기체 농도를 가질 수 있다. 한 구현예에서, 기체 스트림 또는 대기는 150,000, 100,000, 75,000, 50,000, 25,000, 10,000, 5,000, 4,000, 1,000, 900, 800, 700, 600, 500, 400, 300, 200 또는 100 ppm 미만의 산성 기체 농도를 가질 수 있다. 또 다른 구현예에서, 기체 스트림 또는 대기는 약 100 ppm 내지 100,000 ppm, 약 100 ppm 내지 약 10,000 ppm, 또는 약 100 ppm 내지 약 5,000 ppm의 산성 기체 농도를 가질 수 있다. 1 ppm은 0.0001부피%와 동일함이 이해될 것이다. 예를 들어, 약 100,000 ppm 미만의 산성 기체 농도를 갖는 기체 스트림 또는 대기는 기체 스트림에서 10.0부피%의 산성 기체와 같다.
낮은 CO 2 농도의 기체 스트림 또는 대기.
본 개시내용의 하이드로겔은 낮은 CO2 농도의 기체 스트림 또는 대기로부터 CO2를 제거할 수 있다. 예를 들어, 이 공정은 낮은 CO2 농도의 기체 스트림 또는 대기로부터 CO2를 제거할 수 있다. 저농도 기체 스트림 또는 대기의 예는 대기(예를 들어 주변 공기), 환기된 공기(예를 들어 에어컨 장치 및 건물 환기), 및 호흡 공기를 재활용하는 부분 폐쇄 시스템(예를 들어 잠수함 또는 재호흡기)을 포함한다. 일부 구현예에서, 낮은 CO2 농도의 기체 스트림 또는 대기는 약 200,000 백만분율(ppm) 미만의 CO2 농도를 가질 수 있다. 한 구현예에서, 낮은 CO2 농도의 기체 스트림 또는 대기는 150,000, 100,000, 75,000, 50,000, 25,000, 10,000, 5,000, 4,000, 1,000, 900, 800, 700, 600, 500, 400, 300, 200 또는 100 ppm 미만의 CO2 농도를 가질 수 있다. 또 다른 구현예에서, 낮은 CO2 농도의 기체 스트림 또는 대기는 약 100 ppm 내지 100,000 ppm, 약 100 ppm 내지 약 10,000 ppm, 약 100 ppm 내지 약 5,000 ppm, 약 100 ppm 내지 약 1,000 ppm 또는 약 100 ppm 내지 약 500 ppm의 CO2 농도를 가질 수 있다. 한 구현예에서, 낮은 CO2 농도의 기체 스트림 또는 대기는 약 200 ppm 내지 약 500 μm, 예컨대 약 400 내지 450 ppm의 CO2 농도를 가질 수 있다.
일부 구현예에서, 낮은 CO2 농도의 기체 스트림 또는 대기는 약 20, 15, 10, 7.5, 5, 2.5, 1, 0.5, 0.1, 0.09, 0.08, 0.07, 0.06, 0.05, 0.04, 0.03, 0.02 또는 0.01부피% 미만의 CO2 농도를 가질 수 있다. 또 다른 구현예에서, 낮은 CO2 농도의 기체 스트림 또는 대기는 약 0.01부피% 내지 약 10부피%, 약 0.01부피% 내지 약 1부피%, 약 0.01부피% 내지 약 0.1부피%, 또는 0.01부피% 내지 약 0.05부피%의 CO2 농도를 가질 수 있다. 한 구현예에서, 낮은 CO2 농도의 기체 스트림 또는 대기는 약 0.02부피% 내지 약 0.05부피%, 예컨대 약 0.04부피%의 CO2 농도를 가질 수 있다.
한 구현예에서, 낮은 CO2 농도의 기체 스트림 또는 대기는 주변 공기(예를 들어, 대기)와 동일한 CO2 농도를 가질 수 있다. 따라서 한 구현예에서, 낮은 CO2 농도의 기체 스트림 또는 대기는 세계 대부분의 위치에서 주변 공기와 같은 약 400 ppm 내지 450 ppm CO2, 예를 들어 약 400 ppm 내지 415 ppm의 CO2 농도를 가질 수 있다. 따라서, 한 구현예에서 공정은 직접 공기 포집(DAC)을 위한 것이다.
한 구현예 또는 예에서, 공정은 실내 밀봉 환경(DACi)에서 직접 공기 포집을 위한 것이다. 따라서, CO2 농도 기체 스트림 또는 대기는 최대 2,000 ppm의 CO2 농도를 가질 수 있다.
한 구현예 또는 예에서, 공정은 외부 발전소(DACex)에서 직접 공기 포집을 위한 것이다. 따라서, CO2 농도 기체 스트림 또는 대기는 약 3,000 ppm 내지 약 150,000 ppm의 CO2 농도를 가질 수 있다.
한 구현예 또는 예에서, 기체 스트림 또는 대기는 100 ppm(즉, 0.01부피%) 미만의 탄화수소 기체를 포함할 수 있다. 한 구현예에서, 기체 스트림 또는 대기는 10, 8, 5, 2, 1, 0.5, 0.1 또는 0.01부피% 미만의 탄화수소 기체를 포함할 수 있다. 한 구현예에서, 기체 스트림 또는 대기는 100 ppm(즉, 0.01부피%) 미만의 탄화수소 기체를 포함할 수 있다. 예를 들어, 기체 스트림 또는 대기는 약 100, 75, 50, 25, 20, 15, 10, 5, 4, 3, 또는 2 ppm 미만의 탄화수소 기체를 포함할 수 있다. 용어 '탄화수소 기체'는 메탄, 에탄, 에틸렌, 프로판 및 다른 C3+ 탄화수소를 포함하지만 이에 제한되지 않는 탄화수소 화합물의 기체 혼합물을 지칭함이 이해될 것이다. 예를 들어, 당업자에게는 주변 공기가 메탄을 소량의 불순물(예를 들어 2 ppm/0.0002부피%)로 포함하고 따라서 주변 공기가 3 ppm 미만의 탄화수소 기체를 포함할 수 있음이 이해될 것이다. 낮은 CO2 농도의 기체 스트림 또는 대기는 기체 스트림의 주요 부피%를 차지하는 질소를 주로 포함할 수 있다. 예를 들어, 낮은 CO2 농도의 기체 스트림 또는 대기는 적어도 약 50부피%의 질소, 예를 들어 적어도 약 70부피%의 질소를 포함할 수 있다. 한 구현예에서, 낮은 CO2 농도의 기체 스트림은 약 78부피%의 질소(예를 들어 주변 공기)를 포함한다.
낮은 CO2 농도의 기체 스트림 또는 대기는 일정량의 물을 포함할 수 있다(예를 들어, 기체 스트림은 습하거나 습윤하며, 예를 들어 습한 기체 스트림임). 예를 들어, 낮은 CO2 농도의 기체 스트림 또는 대기는 약 1부피% 내지 약 10부피%의 물을 포함할 수 있다. 대안적으로, 낮은 CO2 농도의 기체 스트림 또는 대기는 건조 기체 스트림일 수 있다.
대안적인 구현예에서, 공정은 높은 CO2 농도의 기체 스트림 또는 대기로부터 CO2를 포집할 수 있다. 예를 들어, 높은 CO2 농도의 기체 스트림 또는 대기는 925 mbar(100부피%)의 CO2 농도를 가질 수 있다.
일부 구현예에서, 기체 스트림 또는 대기는 환기 시스템, 예를 들어 건물 환기 또는 에어컨으로부터 유래된다. 다른 구현예에서, 기체 스트림 또는 대기는, 예를 들어 잠수함, 우주선 또는 항공기에서 호흡 기체를 재활용하도록 설계된 폐쇄되거나 적어도 부분적으로 폐쇄된 시스템으로부터 유래된다. 본 개시내용의 하이드로겔이 또한 더 높은 CO2 농도를 갖는 기체 스트림 또는 대기로부터 CO2를 흡수할 수 있어서, 광범위한 공기 포집 적용을 위한 하이드로겔의 다양성을 강조함이 이해될 것이다. 일례에서, 본 발명자들이 특히 놀라운 것으로 발견한 것은 비교적 낮은 농도(예를 들어 400 ppm)에서 CO2를 포집하는 하이드로겔의 능력이다.
낮은 CO2 농도의 기체 스트림 또는 대기가 하이드로겔과 접촉된다. 기체 스트림 또는 대기는 하이드로겔과 접촉(예를 들어 통과)하기 적합한 유속을 가질 수 있다. 대안적으로, 기체 스트림 또는 대기는 임의의 배압 또는 유속이 적용되지 않고 하이드로겔과 접촉할 수 있다(예를 들어, 기체 스트림은 접촉 시 하이드로겔에 유기적으로 확산될 수 있음). 일부 구현예에서, 기체 스트림 또는 대기는 하이드로겔을 둘러싸는 대기, 예를 들어 낮은 CO2 농도 대기일 수 있다. 일부 구현예에서, 기체 스트림 또는 대기는 하이드로겔을 통과하거나(예를 들어 하이드로겔의 제1 측면 또는 면으로부터 들어가고 상이한 측면 또는 면으로부터 나감), 예를 들어 하이드로겔이 주변 공기와 같은 대기에 배치될 때, 하이드로겔로 단순 확산할 수 있다. 따라서, 일부 구현예에서는 예를 들어 건물 환기 시스템으로 구성될 때와 같이, 기체 스트림이 본질적으로 하이드로겔을 "통과"하도록 강제하기 위해 기체 스트림에 배압이 적용될 필요가 없음이 이해될 것이다. 한 구현예에서, 기체 스트림(예를 들어 대기)은 하이드로겔과 접촉 시 하이드로겔로 확산된다.
일부 구현예에서, 기체 스트림 또는 대기는 유속을 갖지 않는다(예를 들어 0 m3/시간). 일부 구현예 또는 예에서, 기체 스트림은 약 0.01 m3/hr 내지 약 50,000 m3/hr의 유속을 갖는다. 유속은 적어도 0.01, 0.05, 0.1, 0.5, 1, 5, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900 1,000, 2,000, 3,000, 4,000, 5,000, 6,000, 7,000, 8,000, 9,000, 10,000, 15,000, 17,000, 20,000, 30,000, 40,000, 또는 50,000시간당 입방 미터(m3/hr)일 수 있다. 일부 구현예에서, 기체 스트림은 50,000, 40,000, 30,000, 20,000, 17,000, 15,000, 10,000, 9,000, 8,000, 7,000, 6,000, 5,000, 4,000, 3,000, 2,000, 1,000, 900, 800, 700, 600, 500, 400, 300, 200, 100, 90, 80, 70, 60, 50, 40, 30, 20, 10, 5, 1, 0.5, 0.1, 0.05, 또는 0.01 m3/hr 미만의 유속을 갖는다. 이들 유속의 조합, 예를 들어 약 0.01 m3/hr 내지 약 1500 m3/hr, 약 5 m3/hr 내지 약 1000 m3/hr, 약 10 m3/hr 내지 약 500 m3/hr, 약 20 m3/hr 내지 약 200 m3/hr, 약 60 m3/hr 내지 약 1000 m3/hr, 약 0.01 m3/hr 내지 약 5,000 m3/hr, 약 5,000 m3/hr 내지 약 40,000 m3/hr, 약 7,000 m3/hr 내지 약 30,000 m3/hr, 또는 약 10,000 m3/hr 내지 약 20,000 m3/hr도 가능하다.
일부 구현예에서, 기체 스트림 또는 대기는 더 높은 유속을 갖는다. 일부 구현예에서, 기체 스트림은 적어도 1, 5, 10, 20, 50, 100, 500, 1,000, 5,000, 7,000, 10,000, 15,000, 17,000, 20,000, 30,000, 40,000, 또는 50,000시간당 입방 미터(m3/hr)의 유속을 갖는다. 일부 구현예에서, 기체 스트림 또는 대기는 50,000, 40,000, 30,000, 20,000, 17,000, 15,000, 10,000, 7,000, 5,000, 1,000, 500, 100, 50, 20, 10, 5, 또는 1 m3/hr 미만의 유속을 갖는다. 이들 유속의 조합, 예를 들어 약 5,000 m3/hr 내지 약 40,000 m3/hr, 약 7,000 m3/hr 내지 약 30,000 m3/hr, 또는 약 10,000 m3/hr 내지 약 20,000 m3/hr도 가능하다. 위에서 기재된 더 낮은 유속의 다른 조합, 예를 들어 약 100 cm3/분(0.006 m3/hr) 내지 약 50,000 m3/hr 또는 100,000 cm3/분(6 m3/hr) 내지 약 20,000 m3/hr도 가능하다.
한 구현예에서, 공정은 하이드로겔에 걸쳐 배압을 필요로 하지 않는다.
일부 구현예에서, 하이드로겔과 접촉할 때 기체 스트림 또는 대기의 유속을 증가시키면 하이드로겔에서의 CO2 흡수 및 포집 속도가 더 빨라진다. 산업 규모 적용의 경우, 기체 스트림의 유속은 최대 1000 m3/hr일 수 있다. 일부 구현예에서, 기체 스트림은 유속을 갖지 않는다(예를 들어 주변 대기).
낮은 CO2 농도의 기체 스트림 또는 대기는 하이드로겔과 접촉하기 전에 기체 스트림에 존재하는 적어도 일부의 수분(H2O)을 제거하기 위해 적어도 부분적으로 건조될 수 있다. 예를 들어, 기체 스트림은 10%, 8%, 6%, 4% 또는 2% 미만의 습도, 또는 이들 값 중 임의의 2개 사이, 예를 들어 약 1% 내지 약 10%, 약 1% 내지 약 5%, 약 1% 내지 약 3%의 습도로 건조될 수 있다. 기체 스트림 또는 대기는 임의의 통상적인 수단(예를 들어 흡습성 물질을 통과시키거나 열원과 접촉됨)에 의해 건조될 수 있으며 그 습도는 본원에 기재된 프로토콜을 통해 측정된다.
일부 구현예에서, 낮은 CO2 농도의 기체 스트림 또는 대기는 하이드로겔과 접촉하기 전 초기 CO2 농도를 갖고, 하이드로겔과 접촉한 후 최종 CO2 농도(본원에서는 배출 기체 스트림 및/또는 배출 CO2 농도로도 지칭됨)를 갖는다. CO2가 기체 스트림으로부터 하이드로겔로 흡수됨에 따라, 배출 스트림에서 CO2의 농도는 하이드로겔과 접촉(예를 들어 통과)하기 전의 기체 스트림 또는 대기의 초기 CO2 농도보다 낮을 것임이 이해될 것이다.
기체 스트림 또는 대기에서 CO2 농도는 임의의 적합한 수단, 예를 들어 동위원소 분석기(예를 들어 G2201-i 동위원소 분석기(PICARRO) 및/또는 적외선 분광계(예를 들어 인라인 검정 공동 링-다운 IR 분광계)에 의해 측정될 수 있다. 기체 스트림 또는 대기의 CO2 농도는 임의의 적합한 수단, 예를 들어 0-100% 범위를 포괄하는 SprintIR ®-6S 및 0-1% CO2 범위를 포함하는 K30 주변 센서에 의해 모니터링될 수 있다.
산성 기체 포집/방출 및 하이드로겔의 재생 방법
산성 기체(예를 들어 CO2)는 하이드로겔로 흡수되어 기체 스트림 또는 대기로부터 제거될 수 있다. 따라서, 기체 스트림 또는 대기를 하이드로겔과 접촉시켜 기체 스트림 또는 대기로부터 산성 기체 중 적어도 일부를 하이드로겔로 흡수시키는 단계를 포함하는, 기체 스트림 또는 대기로부터 산성 기체를 제거하는 방법이 또한 제공된다.
한 구현예 세트에서, 하이드로겔은 미립자 물질의 유동으로서 기체 유동선에 도입될 수 있다. 하이드로겔 미립자는 기체가 통과하도록 허용하기 위해 인접한 입자 사이에 충분한 틈새 공간을 갖는 충전층에 제공될 수 있다.
하이드로겔은 전형적으로 하이드로겔을 함유하는 챔버를 통해 산성 기체를 포함하는 기체 스트림 또는 대기를 통과시킴으로써 산성 기체를 흡수하기 위해 사용될 것이다. 산성 기체는 전형적으로 일정 온도에서 기체 스트림 또는 대기로부터 흡수되며, 온도 및/또는 압력을 변화시켜, 특히 온도를 증가시켜 하이드로겔로부터 회수될 수 있다.
따라서, 추가 구현예 세트에서, 하이드로겔을 둘러싸는 챔버를 제공하는 단계; 기체 스트림 또는 대기의 유동을 챔버에 통과시키고 하이드로겔과 접촉시켜 산성 기체 중 적어도 일부를 하이드로겔로 흡수시키는 단계; 및 임의로 하이드로겔로부터 흡수된 산성 기체를 탈착시키기 효과적인 온도로 하이드로겔을 가열하는 단계; 및 임의로 탈착된 산성 기체를 챔버로부터 플러시하는 단계를 포함하는, 기체 스트림 또는 대기로부터 산성 기체를 포집하는 방법이 제공된다.
일부 구현예에서, 하이드로겔은 하이드로겔 g당 약 10 mg(mg/g)의 산성 기체 내지 약 300 mg/g의 산성 기체를 흡수할 수 있다. 일부 구현예에서, 하이드로겔은 적어도 약 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100, 120, 150, 200, 250 또는 300 mg/g 산성 기체를 흡수할 수 있다. 다른 구현예에서, 하이드로겔은 약 300, 250, 200, 150, 120, 100, 90, 80, 70, 60, 50, 40, 30, 20 또는 10 mg/g 미만의 산성 기체를 흡수할 수 있다. 이들 흡수 값의 조합이 가능하며, 예를 들어 하이드로겔은 약 10 mg/g 내지 약 80 mg/g의 산성 기체, 약 20 mg/g 내지 약 70 mg/g, 또는 약 100 mg/g 내지 약 300 mg/g, 또는 약 200 mg/g 내지 약 300 mg/g의 산성 기체를 흡수할 수 있다.
일부 구현예에서, 하이드로겔은 약 1중량% 내지 약 20중량%의 산성 기체를 흡수할 수 있다. 일부 구현예에서, 하이드로겔은 적어도 약 1, 2, 3, 4, 5, 7, 10, 12, 14, 16, 18 또는 20중량%의 산성 기체를 흡수할 수 있다. 일부 구현예에서, 하이드로겔은 약 20, 18, 16, 14, 12, 10, 7, 5, 4, 3, 2 또는 1중량% 미만의 산성 기체를 흡수할 수 있다. 이들 흡수 값의 조합, 예를 들어 약 1중량% 내지 10중량%의 산성 기체가 가능하다. 본 발명자들은 놀랍게도 본 개시내용의 알칸올 작용화된 하이드로겔이 알칸올로 작용화되지 않은 하이드로겔과 비교하여 더 높은 중량%의 산성 기체를 흡수할 수 있음을 확인했다. 이는 특히 작용화(예를 들어 1차 아민의 2차 아민으로의 전환, 및 2차 아민의 3차 아민으로의 전환)의 결과 반응성 아민 부위의 수가 감소하므로 놀랍다.
일부 구현예에서, 적어도 약 10% 이상의 산성 기체가 기체 스트림 또는 대기로부터 제거된다(예를 들어, 적어도 약 10%의 CO2가 기체 스트림 또는 대기로부터 하이드로겔로 흡수됨). 일부 구현예에서, 적어도 약 10%, 25%, 50%, 75%, 90%, 또는 95%의 산성 기체가 기체 스트림 또는 대기로부터 제거된다.
기체 스트림은 하이드로겔과 접촉하여(예를 들어, 하이드로겔을 포함하는 층을 통과하여) 하이드로겔과 접촉 후 배출 기체 스트림을 생성한다. 전술된 바와 같이, 하이드로겔과의 접촉 전에, 기체 스트림은 초기 산성 기체 농도를 갖는다. 하이드로겔과의 접촉 후, 배출 기체 스트림은 배출 산성 기체 농도를 갖는다. 하이드로겔과의 접촉 후 배출 기체 스트림에서 산성 기체의 농도가 측정되어 기체 스트림에 남아 있는 산성 기체의 농도를 결정할 수 있다.
일부 구현예에서, 시간이 지남에 따라, 하이드로겔과의 접촉 후 배출 기체 스트림에서 산성 기체의 농도는 증가할 수 있으며, 기체 스트림과 하이드로겔의 접촉 시 산성 기체 흡수가 감소되거나 더 이상 발생하지 않음을 표시한다(예를 들어, 하이드로겔이 "포화"(예를 들어 소비)되어 산성 기체 흡수가 거의 또는 전혀 발생하지 않음을 표시함). 이는 산성 기체 포집을 계속하기 위해 하이드로겔을 교체 및/또는 재생하는 지표로 역할을 할 수 있다. 배출 기체 스트림에서 산성 기체의 농도는 임의의 적합한 수단, 예를 들어 인라인 검정된 공동 링-다운 IR 분광계를 사용하여 측정될 수 있다.
일부 구현예에서, 하이드로겔은 적합한 챔버에 봉입될 수 있으며, 챔버는 기체 스트림이 흘러 내부에 봉입된 하이드로겔과 접촉할 수 있는 하나 이상의 입구, 및 배출물 스트림이 챔버로부터 흘러나올 수 있는 하나 이상의 출구를 포함한다. 대안적으로, 하이드로겔은 이를 통해 기체 스트림이 확산되어(예를 들어 배압/유속의 부재 하에) 내부에 봉입된 하이드로겔과 접촉할 수 있는 하나 이상의 개구를 포함하는 적합한 챔버에 봉입될 수 있다. 기체 스트림이 하이드로겔에 접근할 수 있는 한, 챔버가 여러 형태를 취할 수 있음이 이해될 것이다. 한 구현예에서, 챔버는 본원에 기재된 충전층 컬럼일 수 있다.
일부 구현예에서, 하이드로겔은 층으로 제공될 수 있으며, 기체 스트림 또는 대기를 하이드로겔과 접촉시키는 단계는 기체 스트림을 하이드로겔을 포함하는 층에 통과시키는 것을 포함한다. 한 구현예에서, 하이드로겔은 충전층 반응기로 제공된다. 다른 구현예에서, 기체 스트림 또는 대기를 하이드로겔과 접촉시키는 단계는, 예를 들어 유동층 반응기를 사용하여, 하이드로겔의 유동을 기체 스트림 또는 대기에 도입하는 것을 포함한다. 한 구현예에서, 챔버는 하이드로겔의 충전층 또는 유동층을 포함한다.
하이드로겔은 임의의 적합한 시기 동안, 예를 들어 하이드로겔이 소비되고 더 이상 산성 기체 흡수가 발생하지 않을 때까지 기체 스트림과 접촉될 수 있다. 한 구현예에서, 하이드로겔은 배출 기체 스트림에서 산성 기체의 농도가 기체 스트림의 산성 기체의 초기 농도와 동일할 때까지 기체 스트림과 접촉된다. 일부 구현예에서, 하이드로겔은 적어도 약 5, 10, 30, 60초(1분), 10, 15, 20, 30, 45, 60분(1시간), 2, 5, 10, 24, 48 또는 36시간 동안 기체 스트림과 접촉된다.
일부 구현예에서, 하이드로겔은 다양한 속도의 산성 기체 흡수를 제공한다. 한 구현예에서, 산성 기체 흡수 속도는 시간에 따른 배출 기체 스트림의 산성 기체 농도를 모니터링함으로써 측정될 수 있다. 예를 들어, 배출 기체 스트림에서 산성 기체의 농도는 하이드로겔과의 접촉 약 20분 후 초기 산성 기체 농도의 약 50% 미만일 수 있다. 일부 예에서, 배출 기체 스트림에서 산성 기체의 농도는 하이드로겔과의 접촉 약 100초 후 초기 산성 기체 농도의 약 5% 미만일 수 있다(즉, 산성 기체의 적어도 약 95%가 100초 후 기체 스트림으로부터 제거됨). 다른 산성 기체 흡수 속도도 가능하다.
산성 기체는 특정 적용 및/또는 기체 스트림/대기에 따라 광범위한 온도에서 하이드로겔로 흡수될 수 있다. 일반적으로 산성 기체의 흡수는 70℃ 이하, 예컨대 60℃ 이하의 온도에서 수행된다. 산성 기체는 예를 들어 가열된 기체 스트림을 사용하여 입자를 가열함으로써 하이드로겔로부터 탈착될 수 있다. 전형적으로, 하이드로겔은 적어도 80℃, 예컨대 80℃ 내지 110℃ 또는 80℃ 내지 100℃, 예컨대 80℃ 내지 95℃ 또는 80℃ 내지 90℃의 온도로 가열될 것이다. 하이드로겔의 가열은 공기, 증기와 같은 가열된 기체를 사용하거나 열 복사와 같은 다른 가열 방법을 사용하여 수행될 수 있다.
하이드로겔로 흡수 후 산성 기체는 산성 기체와 아민기 사이의 결합(예를 들어 CO2와 아민 사이의 결합)을 끊음으로써 방출될 수 있다. 이는 온도(가열을 통해) 또는 압력(진공을 통해)을 사용하여 달성될 수 있다. 이는 하이드로겔을 함유한 컬럼을 가열하거나 고온 기체 스트림(예를 들어 증기) 또는 고온 공기를 통과시키는 것이 관여될 수 있다. 이러한 탈착은 하이드로겔 내로 흡수된 산성 기체 중 적어도 일부를 탈착시킬 수 있는 하이드로겔과 접촉하거나 이를 둘러싸는 가열 환경(예를 들어 온도) 또는 가압 환경(예를 들어 진공을 통해), 또는 이의 조합을 제공할 수 있는 임의의 적합한 환경에 의해 제공될 수 있다. 이러한 탈착 환경은 "켜짐" 또는 "꺼짐" 상태로 작동할 수 있다. 예를 들어, 하이드로겔과의 접촉 후 배출 기체 스트림에서 산성 기체의 농도가 감소된 산성 기체 흡수 또는 더 이상 산성 기체 흡수가 발생하지 않음을 표시하는 수준으로 증가하면, 탈착 환경이 "켜짐"으로 전환되어 하이드로겔로부터 산성 기체를 탈착시킬 수 있다.
일부 구현예에서, 적어도 70%, 80%, 85%, 90%, 95%, 97%, 98% 또는 99%의 흡수된 산성 기체가 하이드로겔로부터 탈착된다.
산성 기체 제거 장치
도 5는 일부 구현예 또는 예에 따라 기체 스트림 또는 대기로부터 산성 기체의 포집 방법을 수행하기 위한 장치(500)를 도시한다. 장치(500)는 챔버(511), 기체 입구(512) 및 기체 출구(514)를 포함하는 제1 컬럼(510), 및 챔버(521), 기체 입구(522) 및 기체 출구(524)를 포함하는 제2 컬럼(520)을 포함한다. 각 컬럼의 챔버는 예를 들어 충전층 또는 유동층으로, 하이드로겔 미립자(530)가 로딩된다. 하이드로겔 미립자(530)는 본원에 개시된 바와 같이 산성 기체 흡수제 및 소수성을 포함하는 입자의 건조 자유 유동 분말이다. 컬럼(510 및 520)은 기체 매니폴드(544 및 546)를 통해 기체 스트림 또는 대기(540) 또는 플러시 기체(542)와 함께 각각의 기체 입구를 통해 공급되도록 구성된다. 이의 각각의 기체 출구를 통해 컬럼에서 나오는 기체 배출물은 기체 매니폴드(564 및 566)를 통해 산성 기체 희박 기체의 경우 전달 라인(560), 또는 산성 기체 농축 기체의 경우 전달 라인(562) 중 하나로 유도된다.
사용 시, 기체 스트림 또는 대기(540)는 매니폴드(544, 546)를 통해 컬럼(510)으로 유도되고, 여기서 챔버(511)를 통해 유동하고 내부의 하이드로겔 미립자(530)와 접촉한다. 기체 스트림 또는 대기(540)는, 예를 들어 포집될 산성 기체로 CO2를 함유할 수 있다. 산성 기체는 하이드로겔 미립자로 흡수된다. 따라서 컬럼(510)을 떠나는 기체 배출물은 적어도 일부의 산성 기체가 고갈되고, 추가 처리 또는 대기 방출을 위해 산성 기체 희박 기체(처리된 기체 스트림 또는 대기(540))를 보내는 전달 라인(560)으로 기체 매니폴드(564, 566)에 의해 유도된다.
일정 시기 후, 컬럼(510)의 산성 기체 흡수 미립자(530)의 흡수 용량은 그 최대치에 도달할 것이며, 물질은 허용할 수 없는 산성 기체의 파과를 피하기 위해 재생되어야 한다. 따라서, 기체 스트림 또는 대기(540)는 매니폴드(544, 546)를 통해 컬럼(520)으로 재유도되고, 여기서 챔버(521)를 통해 유동하고 내부의 산성 기체 흡수 미립자(530)와 접촉한다. 따라서 컬럼(520)을 떠나는 기체 배출물은 적어도 일부의 산성 기체가 고갈되고, 기체 매니폴드(564, 566)에 의해 전달 라인(560)으로 유도된다.
기체 스트림 또는 대기(540)가 컬럼(520)에서 처리되는 동안, 컬럼(510)의 조성물(530)은 입자로부터 산성 기체를 탈착시키기 충분한 온도로 하이드로겔 미립자를 가열함으로써 재생된다. 이어서 탈착된 산성 기체는 플러시 기체(542)로 컬럼(510)의 챔버(511)로부터 플러시된다. 하이드로겔 미립자는 플러시 기체(552)로 가열될 수 있으며, 이는 적절하게 높은 온도에서 및/또는 컬럼의 미립자를 가열하는 다른 통상적인 수단에 의해 조성물과 접촉하기 위해 공급된다. 따라서 컬럼(510)을 떠나는 기체 배출물은 산성 기체가 풍부하고, 기체 매니폴드(564, 566)에 의해 저장 또는 추가 처리를 위해 산성 기체 농축 기체를 보내는 전달 라인(562)으로 유도된다. 이러한 방식으로 컬럼을 흡수 모드와 탈착 모드 사이에서 순차적으로 전환함으로써, 산성 기체(540)가 연속적으로 처리되어 이로부터 산성 기체의 전부 또는 일부를 포집할 수 있다.
따라서 본 개시내용은 또한 본원에 기재된 구현예 또는 예 중 임의의 하나에 따라 정의되고/되거나 본원에 기재된 구현예 또는 예 중 임의의 하나에 따라 제조된 하이드로겔을 둘러싸는 챔버를 포함하는 산성 기체 제거 장치를 제공하며, 챔버는 산성 기체 중 적어도 일부를 하이드로겔로 흡수시키기 위해 기체 스트림 또는 대기를 하이드로겔과 접촉시킨다.
한 구현예에서, 산성 기체 제거 장치의 챔버는 하이드로겔의 충전층 또는 유동층을 포함할 수 있다.
한 구현예에서, 챔버는 기체 스트림 또는 대기가 하이드로겔로 유동할 수 있는 입구 및 배출 기체 스트림이 하이드로겔로부터 흘러나올 수 있는 출구를 포함한다. 하이드로겔은 챔버의 입구와 출구 사이에 위치할 수 있다.
일부 구현예 또는 예에서, 장치는 기체 스트림과 평행하게 연결된 각 챔버에서 하이드로겔을 둘러싸는 2개 이상의 챔버를 포함할 수 있다. 장치는 각 챔버에서 하이드로겔을 둘러싸는 적어도 3개의 챔버를 포함할 수 있으며, 각 챔버는 기체 스트림과 평행하게 연결될 수 있다. 적어도 3개의 챔버 내에 둘러싸인 하이드로겔은 흡수 및 재생 사이클의 상이한 구획에서 작동되어 배출 기체 스트림의 연속적 유동을 생성할 수 있다.
유체 유동은 전형적으로 챔버 입구로부터 봉입된 하이드로겔을 거쳐 출구를 통해 챔버 밖으로 기체 스트림을 이동시키기 위해 요구된다. 유체 유동은 장치의 입구에서 출구까지 유체 유동을 구동하는 적어도 하나의 유체 유동 장치에 의해 구동될 수 있다. 여러 상이한 유체 유동 장치가 사용될 수 있다. 일부 구현예 또는 예에서, 유체 유동 장치는 적어도 하나의 팬(fan) 또는 펌프를 포함한다. 일부 구현예 또는 예에서, 입구를 통해 하이드로겔을 거쳐 들어오는 기체 스트림의 유속은 약 0.01 m3/hr 내지 약 50,000 m3/hr일 수 있다. 유속은 적어도 0.01, 0.05, 0.1, 0.5, 1, 5, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900 1,000, 2,000, 3,000, 4,000, 5,000, 6,000, 7,000, 8,000, 9,000, 10,000, 15,000, 17,000, 20,000, 30,000, 40,000, 또는 50,000시간당 입방 미터(m3/hr)일 수 있다. 일부 구현예에서, 기체 스트림은 50,000, 40,000, 30,000, 20,000, 17,000, 15,000, 10,000, 9,000, 8,000, 7,000, 6,000, 5,000, 4,000, 3,000, 2,000, 1,000, 900, 800, 700, 600, 500, 400, 300, 200, 100, 90, 80, 70, 60, 50, 40, 30, 20, 10, 5, 1, 0.5, 0.1, 0.05, 또는 0.01 m3/hr 미만의 유속을 갖는다. 이들 유속의 조합, 예를 들어 약 0.01 m3/hr 내지 약 5,000 m3/hr, 약 5,000 내지 약 40,000 m3/hr, 약 7,000 m3/hr 내지 약 30,000 m3/hr, 또는 약 10,000 m3/hr 내지 약 20,000 m3/hr도 가능하다. 챔버를 통과하고 하이드로겔을 거치는 기체 스트림의 유속은 실질적으로 하이드로겔을 통해 또는 거쳐 측정 가능한 배압이 없이 달성될 수 있다. 대안적 구현예 또는 예에서, 압력 변화 또는 흡입이 장치를 통해 기체 스트림의 유체 유동을 유도하기 위해 사용될 수 있다. 산업 규모 적용의 경우, 기체 스트림의 유속은 최대 1000 m3/hr일 수 있다.
챔버는 임의의 적합한 구성을 가질 수 있다. 일부 구현예 또는 예에서, 챔버는 한쪽 끝에 입구 및 반대쪽 끝에 출구를 포함한다. 한 구현예 또는 예에서, 본원에 기재된 바와 같은 기재는 해당 부피 내의 표면적을 증가시키기 위해 압축된 방식으로 챔버 내에 배치되거나 충전될 수 있다.
장치는 단일 또는 다중 챔버를 포함할 수 있으며, 각 챔버는 본원에 기재된 바와 같이 하이드로겔을 둘러쌀 수 있다. 일부 구현예 또는 예에서, 장치는 기체 스트림과 평행하게 연결된 각 챔버에서 하이드로겔을 둘러싸는 2개 이상의 챔버를 포함할 수 있다. 또 다른 구현예 또는 예에서, 장치는 각 챔버에서 하이드로겔을 둘러싸는 적어도 3개의 챔버를 포함할 수 있으며, 각 챔버는 기체 스트림과 평행하게 연결될 수 있다. 일부 구현예 또는 예에서, 적어도 3개의 챔버 내에 둘러싸인 하이드로겔은 흡수 및 재생 사이클의 상이한 구획에서 작동되어 배출 기체 스트림의 연속적 유동을 생성할 수 있다.
일부 구현예 또는 예에서, 공정은 챔버에 의해 둘러싸인 하이드로겔의 산성 기체를 흡수하는 단계 및 반복적 사이클로 적어도 하나의 탈착 배열의 작동을 통해 산성 기체를 방출하는 단계가 연속적으로 배출 기체 스트림을 생성되도록 하는 순환적 방법일 수 있다. 사이클 시간은 장치의 구성, 챔버(들)의 구성, 탈착 배열의 유형, 하이드로겔의 조성, 파과점, 포화점 및 하이드로겔의 특성, 온도, 압력 및 다른 공정 조건에 의존할 수 있다. 일부 구현예 또는 예에서, 사이클 시간은 약 10, 15, 20, 30, 45, 60분(1시간), 2, 5, 10, 24, 48 또는 36시간일 수 있다.
일부 구현예 또는 예에서, 탈착 배열은 열 및/또는 감압이 사용되는지 여부에 따라 임의의 여러 형태를 취할 수 있다. 일부 구현예 또는 예에서, 장치는 압력 변동 흡수를 위해 설계되며, 탈착은 예를 들어 진공 펌프를 사용하여 압력을 감소시켜 하이드로겔을 둘러싸는 챔버 주위로부터 기체를 배출시킴으로써 달성된다. 다른 구현예 또는 예에서, 하이드로겔로부터 산성 기체를 수집하기 위해 온도 변동 흡수가 수행된다. 이는 직접적 가열 방법을 사용하여 달성될 수 있다.
일부 구현예 또는 예에서, 탈착 배열은 하이드로겔이 가열되는 온도 변동 흡수 배열을 포함할 수 있다. 예를 들어, 적어도 하나의 탈착 배열을 작동시키면 하이드로겔이 약 20 내지 140℃의 온도로 가열된다.
본 개시내용은 본원에 기재된 바와 같이, 일정 농도의 산성 기체를 함유하는 기체 스트림이 하이드로겔과 흡수성 접촉으로 공급되는 공정을 제공한다. 하이드로겔에 일정량의 산성 기체가 충전된 후, 탈착 배열이 활성화되어 적어도 일부의 산성 기체가 하이드로겔로부터 방출되도록 강제한다. 탈착된 하이드로겔은 2차 공정을 사용하여 수집될 수 있다.
즉, 출구로부터의 배출 기체 스트림은 다양한 2차 공정으로 유동할 수 있다. 예를 들어, 이산화탄소 포집을 위해, 본 개시내용의 장치는 액화기 및/또는 필요에 따라 드라이아이스를 제공하기 위해 드라이아이스 펠릿화기와 통합될 수 있다. 또 다른 예에서, 본 개시내용의 장치는 이산화탄소(CO2)를 메탄으로 전환하기 위한 수소화 장치와 통합될 수 있다. 또 다른 예에서, 본 개시내용의 장치는 이산화탄소(CO2)를 흡착하고 이를 상이한 시간에서의 사용을 위해 저장하기 위해 사용될 수 있다. 이는 CO2가 특정 시간에 흡수되로 상이한 시간에 사용되는 온실 유형 환경에서 적용 가능하다. 또 다른 예에서, 본 발명의 흡착 장치는 특히 제한된 공간에서의 CO2에 적용 가능하다. 예를 들어, 잠수함, 우주선, 항공기 또는 방과 같은 다른 제한된 공간 내부에서 장치가 CO2를 제거하기 위해 사용될 것이고, 장치는 연속적 사이클로 CO2를 흡수 및 탈착할 수 있다.
본 개시내용의 장치는 유리하게는 콤팩트하고 최종 사용자에게 훨씬 더 가까이 위치할 수 있어서, 상당한 공급 기회 및 더 우수한 고객 가치를 허용할 수 있다.
본 출원은 2021년 9월 1일에 출원된 AU2021902835로부터의 우선권을 주장하며, 그 전체 내용이 본원에 참조로 포함된다.
실시예
본 개시내용이 보다 명확하게 이해될 수 있도록, 본 발명의 특정 구현예를 하기의 비제한적인 실험 물질, 방법론 및 실시예를 참조하여 아래에서 더 상세히 기재한다.
일반 물질
모든 화학물질은 상업적 공급처로부터 구입하고 공급된 대로 사용한다. 분지형 PEI(Mw 약 800), 분지형 PEI(Mw 약 25,000) PEI 용액(Mw 약 750,000, H2O 중 50중량%), 모노에틸렌 글리콜(MEG), 트리글리시딜 트리메틸올프로판 에테르(TMPTGE 또는 TTE, 가교제), 1,3-부타디엔 디에폭시드(BDDE, 가교제) N-2-하이드록시에틸(아크릴아미드)(1000 ppm MEHQ 안정화제 포함 97%), N,N'-메틸렌 비스(아크릴아미드)(99%) N,N,N',N'-테트라메틸디아미노메탄(99%) 및 포타슘 퍼설페이트(99%)는 Sigma-Aldrich에서 입수했다. 분지형 PEI(Mw 약 1,800) 및 분지형 PEI(Mw 약 10,000)는 Alfa Aesar에서 얻었다. 증류수를 PEI 용액 제조에 사용했다. 직접적 공기 포집 연구를 위해 주변 공기를 사용하였다.
실시예 1: 열 전도성 PEI 하이드로겔의 제조
열 전도성 폴리에틸렌이민 하이드로겔 입자("PEI 스노우")를 제조하기 위해, 10중량% 내지 50중량% 범위의 농도를 갖는 9 g의 PEI 수용액을 20 mL 플라스틱 샘플 바이알에 첨가하였다. 이어서, 용액에 흑연을 첨가하고 교반하였다. 흑연 입자(Sigma Aldrich, 합성 분말 <20 μm)를 전형적으로 최대 4.5 g의 양으로 첨가했다. 그 후, 다양한 농도를 갖는 1 g의 BDDE 가교 용액을 또한 동일한 바이알에 첨가하여 상온에서 PEI 가교를 개시하였다. 가교 반응은 PEI 유형 및 가교제(BDDE)의 양에 따라 30분 내에 종료하였으며 결국 가교된 PEI 하이드로겔 내에 산재된 흑연 입자를 포함하는 벌크 PEI 겔을 생성하였다. 이후 PEI 겔을 유리 교반봉을 사용하여 격렬하게 연삭하여 평균 입자 크기가 200 내지 300 μm인 눈 유사 물질을 얻었다.
대부분의 측정에서, 열 전도성 PEI 하이드로겔은 사용 전 사전 처리 또는 건조 없이 흡수 측정을 위해 제조된 대로 적용하였다. 그 결과, 제조된 대로의 열 전도성 PEI 하이드로겔은 물로 팽윤된다. 열 전도성 PEI 하이드로겔 조제물의 모식도는 도 1에서 볼 수 있다.
액체 팽윤제로서 물을 함유하지 않는 물질의 경우, 위와 동일한 절차를 따랐지만, 대안적 액체 팽윤제를 다음에 의해 첨가하였다:
(1) 진공 오븐을 사용하여 수성 PEI를 건조시키고 표적 용매에서 재팽윤시키거나;
(2) 대안적 용매에서 중합체를 합성하여 출발 물질을 표적 용매에 용해시킴.
위에서 제조된 수성 PEI 스노우를 진공 오븐에서 건조하여 수성 액체 팽윤제를 제거함으로써 건조 열 전도성 PEI 하이드로겔(즉, 액체 팽윤제 없음)을 제조했다.
실시예 2: 열 전도성 PHEAA 하이드로겔의 제조
N-2-하이드록시에틸(아크릴아미드)(Aldrich, 1000 ppm MEHQ 안정화제 포함 97%), N,N'-메틸렌비스(아크릴아미드)(Aldrich, 99%) N,N,N',N'-테트라메틸디아미노메탄(Aldrich, 99%) 및 포타슘 퍼설페이트(Aldrich, 99%)를 공급업체로부터 받은 대로 사용했다. 본원에 기재된 폴리아크릴아미드/아크릴산 기반 하이드로겔의 경우, 흑연을 자유 라디칼 중합체 개시제 및/또는 촉매의 첨가 전에 격렬하게 교반하며 단량체/가교제 수용액에 첨가할 수 있다.
N-2-하이드록시에틸아크릴아미드(600 g, 5.21 mol) 및 N,N'-메틸렌비스(아크릴아미드)(120 g, 1.03 mol)fmf 물(1800 ml)에 용해시켰다. 용해 후, 최대 360 g의 흑연 분말을 첨가한다. 격렬하게 교반하au, 질소 하에, N,N,N',N'-테트라메틸디아미노메탄(1 ml, 6.68 mmol)을 첨가한 후, 포타슘 퍼설페이트(1 g, 3.7 mmol)를 첨가하여 중합을 개시하였다. 이어서, 질소 스트림을 제거하고 혼합물을 24시간 동안 80℃ 오븐에서 건조하고, 분말로 연삭하고, 48 시간 동안 추가로 건조한 후, 다시 연삭하고 425-마이크론 금속 체를 통해 체질하였다.
이어서 이 PHEAA/흑연 하이드로겔을 예를 들어, 알칸올아민(예를 들어, 디에탄올아민)을 포함하는 여러 액체 팽윤제와 조합하여 CO2 포집 흡착제를 형성할 수 있다. 흑연 로딩 및 체질 후 흡착제 분말 크기에 따라, 흑연 입자가 없는 하이드로겔의 열 전도도와 비교하여 3 내지 8의 열 전도도 증가를 측정할 수 있다.
실시예 3: 미리 형성된 하이드로겔에 대한 흑연의 후-첨가.
열 전도성 미립자 물질을 하이드로겔의 표면 상에 삽입하거나, 산재시키거나, 포매할 수 있다. 이는 미리 형성된 하이드로겔 입자(예를 들어, 가교 전에 용액에 흑연을 첨가하지 않고 실시예 1 또는 2의 공정을 사용함) 및 흑연을 고속 블렌더에서 몇 분 동안 혼합함으로써 달성할 수 있다. 하이드로겔 입자 단독의 유효 열 전도도는 0.05 내지 0.06 W/mK로 예상되는 반면, 이후 혼합으로 20% 로딩의 흑연 첨가는 0.15 W/mK의 유효 열 전도도를 산출할 수 있다.
실시예 4: CO2를 포집 기체로 사용한 시험
하이드로겔 내의 아민기(친수성 중합체의 일부 및/또는 액체 팽윤제의 일부임)은 CO2와 반응하여 카바메이트, 카밤산, 카보네이트/바이카보네이트 종의 조합을 생성하여 이를 고정화하고 물질에 그 흡착제 특성을 제공할 수 있다. 그런 다음 CO2는 가열(즉, 온도 변동)에 의해 농축되어 흡착제로부터의 그 방출을 선호할 수 있다. 본원에 기재된 바와 같이 하이드로겔의 열 전도도를 개선함으로써, 하이드로겔에 요구되는 시간을 단축할 수 있다. 이러한 개선은 하이드로겔에 걸쳐 균일한 열 전달로 인해 탈착이 보다 균일하게 발생하도록 보장하여 열 순환 시간의 단축을 허용하는 것과 같은 하나 이상의 장점을 제공할 수 있다. 열 순환 시간을 개선하는 것은 또한 흡착제의 처리량을 증가할 수 있을 뿐만 아니라 수명(즉, 흡착제의 수명 주기에 걸친 전체 흡수량)도 개선할 수 있다.
도 4를 참조하면, 그래프는 파과가 발생할 때까지 물질을 통해 유동하는 기체에 대해 CO2의 출구 농도가 0으로 감소하였음을 예시한다. 열 전도성 PEI(중간)에 대한 CO2 흡수는 흑연을 포함하지 않는 PEI 하이드로겔(상단)과 비교하여 출구 CO2 농도가 더 빨리 기준선으로 돌아가면서 더 빠르게 포화된다. 열 전도성 하이드로겔을 12시간 동안 오븐에서 90℃에서 재생하고 흡수를 다시 측정했으며(하단) 흡수 프로파일은 이전과 동일하여 흑연의 존재가 흡수를 실질적으로 변화시키지 않음을 실증한다.
당업자는 본 개시내용의 광범위한 일반적 범위를 벗어나지 않고, 위에서 기재된 구현예에 대해 여러 변화 및/또는 변형이 이루어질 수 있음을 이해할 것이다. 그러므로, 본 구현예는 모든 측면에서 예시적이고, 제한적인 것이 아닌 것으로 간주되어야 한다.

Claims (41)

  1. 가교된 친수성 중합체 및 열 전도성 미립자 물질을 포함하는 산성 기체를 포집하기 위한 하이드로겔로서, 열 전도성 미립자 물질이 하이드로겔 상에 또는 내에 산재되며, 하이드로겔은 미립자 형태이고 하나 이상의 산성 기체 흡수제를 혼입하는, 하이드로겔.
  2. 제1항에 있어서, 열 전도성 미립자 물질은 25℃에서 약 25 W/(m/K) 내지 2000 W/(m/K)의 벌크 열 전도도를 갖는, 하이드로겔.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 하이드로겔은 하이드로겔의 전체 중량을 기준으로 약 10% w/w 내지 약 80% w/w의 열 전도성 미립자 물질을 포함하는 하이드로겔.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 열 전도성 미립자 물질은 탄소 계 물질, 전도성 중합체, 금속, 금속 합금, 또는 준금속 또는 이의 염 중 하나 이상으로부터 선택되는, 하이드로겔.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 열 전도성 미립자 물질은 흑연, 카본 블랙, 탄소 나노튜브 또는 탄소 섬유로 구성된 군으로부터 선택되는 탄소계 물질인, 하이드로겔.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 열 전도성 미립자 물질은 흑연인, 하이드로겔.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 열 전도성 미립자 물질은 화학적으로 불활성인, 하이드로겔.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 열 전도성 미립자 물질은 약 1 μm 내지 약 500 μm의 입자 크기를 갖는, 하이드로겔.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 하이드로겔에서 열 전도성 미립자 물질의 밀도는 약 10 내지 100개 입자/하이드로겔 cm3인, 하이드로겔.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 열 전도성 미립자 물질은 하이드로겔 전체 부피의 약 40% 내지 약 90%를 차지하는, 하이드로겔.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 하나의 산성 기체 흡수제는 산성 기체에 결합하기 위해 가교된 친수성 중합체 상의 하나 이상의 반응성 작용기로서 하이드로겔 내에 혼입되는, 하이드로겔.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 친수성 중합체는 폴리아민, 폴리아크릴아미드, 폴리아크릴레이트, 폴리아크릴산, 또는 이의 공중합체를 포함하는, 하이드로겔.
  13. 제12항에 있어서, 폴리아민은 폴리알킬렌이민인, 하이드로겔.
  14. 제13항에 있어서, 폴리알킬렌이민은 폴리에틸렌이민, 폴리프로필렌이민 및 폴리알릴아민, 또는 이의 공중합체로 구성된 군으로부터 선택되는, 하이드로겔.
  15. 제12항에 있어서, 폴리아크릴아미드는 폴리아크릴아미드, 폴리(디메틸아크릴아미드), 폴리(N-2-하이드록시에틸)아크릴아미드, 폴리(2-하이드록시 에틸아크릴아미드), 폴리(이소프로필아크릴아미드), 폴리(아크릴아미드-코-아크릴산), 폴리(아크릴산-코-말레산), 폴리(아크릴아미드-코-소듐 아크릴레이트), 폴리(아크릴아미드-코-포타슘 아크릴레이트), 폴리(아크릴아미드-코-아크릴산) 부분 포타슘 염, 폴리(아크릴아미드-코-아크릴산) 부분 소듐 염 및 폴리(아크릴아미드-코-메틸렌비스아크릴아미드)로 구성된 군으로부터 선택되는, 하이드로겔.
  16. 제15항에 있어서, 폴리아크릴레이트는 폴리(2-하이드록시에틸메타크릴레이트) 또는 폴리(2-하이드록시에틸 아크릴레이트)인, 하이드로겔.
  17. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 하이드로겔은 하이드로겔의 전체 중량을 기준으로 약 1중량% 내지 약 20중량%의 가교 제제를 포함하는 하이드로겔.
  18. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 하이드로겔은 자가-지지형 하이드로겔인 하이드로겔.
  19. 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 하이드로겔은 액체 팽윤제를 포함하는 하이드로겔.
    [청구항 19]
    제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 하이드로겔은 약 20 g/g 내지 약 100 g/g 액체 팽윤제의 팽윤 용량을 갖는 하이드로겔.
  20. 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 하이드로겔은 하이드로겔의 전체 중량을 기준으로 약 40중량% 내지 약 99중량%의 액체 팽윤제를 포함하는 하이드로겔.
  21. 제1항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서, 액체 팽윤제는 물 또는 비수성 용매, 또는 이의 조합인, 하이드로겔.
  22. 제1항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서, 액체 팽윤제는 하이드로겔 내에 적어도 하나의 산성 기체 흡수제를 혼입하기 위한 산성 기체 흡수제를 포함하는, 하이드로겔.
  23. 제22항에 있어서, 액체 팽윤제는 화학적 공정에 의해 산성 기체에 결합할 수 있는 하나 이상의 작용기를 포함하거나 물리적 공정에 의해 산성 기체를 흡수할 수 있는 액체인, 하이드로겔.
  24. 제1항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서, 액체 팽윤제는 물, 알코올, 폴리올 화합물, 글리콜, 알칸올아민, 알킬아민, 알킬옥시아민, 피페리딘, 피페라진, 피리딘, 피롤리돈, 및 이의 조합으로 구성된 군으로부터 선택되는, 하이드로겔.
  25. 제1항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서, 액체 팽윤제는 알킬아민, 알칸올아민, 및 글리콜, 및 이의 조합으로 구성된 군으로부터 선택되는, 하이드로겔.
  26. 제1항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서, 액체 팽윤제는 물, 모노에틸렌 글리콜, 폴리에틸렌글리콜, 글리세롤, 2-메톡시에탄올, 2-에톡시에탄올, 모노에탄올아민, 디에탄올아민, 메틸디에탄올아민, 디이소프로판올아민, 및 아미노에톡시에탄올, 및 이의 조합으로 구성된 군으로부터 선택되는, 하이드로겔.
  27. 제1항 내지 제26항 중 어느 한 항의 하이드로겔을 제조하는 방법으로서, 친수성 중합체를 가교시켜 하이드로겔을 형성하는 데 효과적인 조건 하에 친수성 중합체 및 가교 제제를 포함하는 용액을 혼합하는 단계를 포함하고,
    상기 방법은 열 전도도를 갖는 미립자 물질을 친수성 중합체 및 가교 제제와 혼합하거나, 미립자 물질을 하이드로겔 상에 또는 내에 산재시키는 데 효과적인 조건 하에 하이드로겔을 미립자 물질과 접촉시키는 단계를 포함하며,
    상기 방법은 하이드로겔을 연삭/분쇄하여 미립자를 형성하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  28. 제27항에 있어서, 열 전도성 미립자 물질은 가교 제제의 첨가 전에 친수성 중합체를 포함하는 용액과 혼합되거나, 열 전도성 미립자 물질이 친수성 중합체 용액으로의 첨가 전에 가교 제제와 혼합되는, 방법.
  29. 제27항 또는 제28항에 있어서, 하이드로겔은 열 전도성 미립자 물질과 접촉하기 전에 연삭/분쇄되는, 방법.
  30. 제27항 내지 제29항 중 어느 한 항에 있어서, 친수성 중합체를 포함하는 용액은 액체 팽윤제를 포함하는, 방법.
  31. 기체 스트림 또는 대기로부터 산성 기체를 제거하는 방법으로서, 기체 스트림 또는 대기를 제1항 내지 제26항 중 어느 한 항의 하이드로겔과 접촉시켜 기체 스트림 또는 대기로부터 산성 기체 중 적어도 일부를 하이드로겔로 흡수시키는 단계를 포함하는, 방법.
  32. 제31항에 있어서, 산성 기체는 이산화탄소(CO2), 이산화황(SO2), 황화수소(H2S) 및 질소 산화물(NOx), 또는 이들의 혼합물로 구성된 군으로부터 선택되는, 방법.
  33. 제31항 또는 제32항에 있어서, 기체 스트림 또는 대기는 연소 연도(flue) 기체, 탄화수소 기체, 또는 하이드로 혼합물, 시멘트 또는 강철 생산으로부터의 방출물, 바이오가스 및 주변 공기로 구성된 군으로부터 선택되는, 방법.
  34. 제31항 내지 제33항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 방법은 직접 공기 포집(DAC)인 방법.
  35. 제31항 내지 제34항 중 어느 한 항에 있어서, 기체 스트림 또는 대기를 하이드로겔과 접촉시키는 단계는 기체 스트림 또는 대기를 하이드로겔을 포함하는 층에 통과시키는 것을 포함하는, 방법.
  36. 제31항 내지 제34항 중 어느 한 항에 있어서, 기체 스트림 또는 대기를 하이드로겔과 접촉시키는 단계는 하이드로겔의 유동을 기체 스트림 또는 대기에 도입하는 것을 포함하는, 방법.
  37. 제31항 내지 제36항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 방법은 하이드로겔로부터 흡수된 산성 기체를 탈착시키는 재생 회수 방법을 추가로 포함하는 방법.
  38. 제31항 내지 제37항 중 어느 한 항에 있어서, 방법은
    하이드로겔을 둘러싸는 챔버를 제공하는 단계;
    기체 스트림 또는 대기의 유동을 챔버에 통과시키고 하이드로겔과 접촉시켜 산성 기체 중 적어도 일부를 하이드로겔로 흡수시키는 단계; 및
    임의로 하이드로겔을 하이드로겔로부터 흡수된 산성 기체를 탈착시키기 효과적인 온도로 가열하는 단계; 및
    임의로 챔버로부터 탈착된 산성 기체를 플러시하는 단계
    를 포함하는 방법.
  39. 산성 기체 제거 장치로서, 제1항 내지 제26항 중 어느 한 항의 기체 스트림 또는 대기로부터 산성 기체를 포집하기 위한 하이드로겔을 둘러싸는 챔버를 포함하며, 상기 챔버가 기체 스트림 또는 대기를 하이드로겔과 접촉시켜 산성 기체 중 적어도 일부를 하이드로겔로 흡수시키는, 산성 기체 제거 장치.
  40. 제39항에 있어서, 챔버는 기체 스트림 또는 대기가 하이드로겔로 유동할 수 있는 입구 및 배출 기체 스트림 또는 대기가 하이드로겔로부터 흘러나올 수 있는 출구를 포함하는, 산성 기체 제거 장치.
  41. 제39항 또는 제40항에 있어서, 챔버는 하이드로겔의 충전층 또는 유동층을 포함하는, 산성 기체 제거 장치.
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