WO2020085658A1 - 디아민 수화물을 포함하는 이산화탄소 흡수제, 그로부터 제조된 이산화탄소 공급제 - Google Patents

디아민 수화물을 포함하는 이산화탄소 흡수제, 그로부터 제조된 이산화탄소 공급제 Download PDF

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hydrate
carbonate
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박지웅
최진순
김정빈
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Gwangju Institute of Science and Technology
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    • A—HUMAN NECESSITIES
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B01J20/22—Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof comprising organic material
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    • Y02C—CAPTURE, STORAGE, SEQUESTRATION OR DISPOSAL OF GREENHOUSE GASES [GHG]
    • Y02C20/00—Capture or disposal of greenhouse gases
    • Y02C20/40—Capture or disposal of greenhouse gases of CO2

Definitions

  • the present invention relates to a carbon dioxide absorbent and a diamine carbonate prepared therefrom, and more particularly, to a carbon dioxide absorbent comprising diamine hydrate and a diamine carbonate produced by reacting the diamine hydrate with carbon dioxide.
  • greenhouse gas emissions such as CO 2 , CH 4 and NO 2 have increased due to the use of a wide range of fossil fuels, and these greenhouse gas emissions have caused global warming.
  • the main cause of global warming is carbon dioxide, which accounts for more than 70% of greenhouse gases.
  • CCS carbon dioxide capture and storage
  • the absorption method is a method of selectively removing carbon dioxide by bringing a solution capable of absorbing carbon dioxide into a gas containing carbon dioxide, and among them, a wet amine method is typical.
  • the wet amine method generally absorbs carbon dioxide using an aqueous solution of MEA (monoethanolamine).
  • an embodiment of the present invention provides a carbon dioxide absorbent.
  • the carbon dioxide absorbent contains a diamine hydrate including a diamine compound represented by the following Chemical Formula 1 and water molecules, and the diamine hydrate forms a crystal structure by bonding the diamine compound and the water molecules to each other by hydrogen bonding to form a crystal structure. It is characterized by being solid.
  • R 1 , R 2 , R 3 are each independently a linear, branched or cyclic alkyl group having 2 to 10 carbon atoms.
  • the diamine compound is characterized in that it is N, N'-di-tert-butylethylenediamine (N, N'-Di-tert-butylethylenediamine, DBEDA).
  • the carbon dioxide absorbent is characterized by forming diamine carbonate by reacting with carbon dioxide at room temperature.
  • another embodiment of the present invention provides a carbon dioxide supply.
  • the carbon dioxide supply agent is characterized in that it comprises a diamine carbonate formed by further reacting carbon dioxide to the diamine hydrate formed by the reaction of the diamine compound represented by the formula (1) and water.
  • R 1 , R 2 and R 3 are each independently a linear, branched or cyclic alkyl group having 2 to 10 carbon atoms.
  • the diamine compound is protonated and bonded to the carbonate by hydrogen bonding, and is characterized in that it forms a crystal structure and is solid at room temperature.
  • the diamine compound is characterized in that N, N'-di-tert-butylethylenediamine (N, N'-Di-tert-butylethylenediamine, DBEDA).
  • the carbon dioxide supplying agent is characterized in that it releases carbon dioxide at the same time as melting during heat treatment, and crystallizes as a solid again at normal temperature after melting.
  • the carbon dioxide supply is characterized in that the melting is terminated at 60 ° C to 90 ° C during heat treatment.
  • another embodiment of the present invention provides a fire extinguisher system.
  • the fire extinguisher system is characterized in that it comprises a carbon dioxide supply according to another embodiment of the present invention.
  • the carbon dioxide absorbent exists as a solid at room temperature, and thus has advantages of lower renewable energy, less risk of evaporation and denaturation, and not causing corrosion of the device compared to the liquid carbon dioxide absorbent.
  • the absorber in the form of a liquid reactor can be manufactured in various forms compared to the liquid carbon dioxide absorbent that requires a reaction container, so it can be applied in various fields in miniaturization.
  • a fast reaction rate can be maintained by including a diamine compound having a very high reactivity to carbon dioxide.
  • a diamine carbonate and a carbon dioxide supplying agent using the same can be provided.
  • the carbon dioxide supply agent may completely release carbon dioxide by melting at a relatively low temperature of 60 ° C to 90 ° C, and may be crystallized as a solid again at room temperature after melting is completed.
  • 1 is a view showing a bonding relationship between the diamine compound and water molecules contained in the carbon dioxide absorbent according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a view showing a bonding relationship between a diamine compound and a carbonate contained in a carbon dioxide supplying agent according to another embodiment of the present invention.
  • 5 is a graph measuring the crystal structure before and after carbon dioxide absorption of N, N'-di-tert-butylethylenediamine hydrate.
  • FIG. 6 is a graph measuring heat generated during the production of N, N'-di-tert-butylethylenediamine hydrate according to temperature and molar ratio by a microreaction calorimeter.
  • TGA 7 is a thermogravimetric analysis (TGA) result for N, N'-di-tert-butylethylenediamine hydrate and N, N'-di-tert-butylethylenediamine carbonate.
  • DSC differential scanning calorimetry
  • 10 is a graph showing the amount of carbon dioxide absorbed over time in N, N'-di-tert-butylethylenediamine hydrate.
  • 11 is a graph showing the carbon dioxide absorption by temperature of N, N'-di-tert-butylethylenediamine carbonate.
  • 12 is a graph showing the carbon dioxide absorption according to the partial pressure of carbon dioxide of N, N'-di-tert-butylethylenediamine hydrate in a high pressure reactor.
  • a carbon dioxide absorbent according to an embodiment of the present invention will be described.
  • the carbon dioxide absorbent according to an embodiment of the present invention may contain a diamine compound represented by the following Chemical Formula 1 and a diamine hydrate including water molecules.
  • the diamine hydrate is characterized in that the diamine compound and the water molecule can be bonded to each other by a hydrogen bond, forms a crystal structure and is solid at room temperature.
  • the carbon dioxide absorbent according to an embodiment of the present invention exists in a solid state at room temperature, thereby compensating for the disadvantages of the carbon dioxide absorbent using the amine aqueous solution and maintaining a fast reaction rate, including a diamine compound having high reactivity to carbon dioxide.
  • the diamine hydrate may react with carbon dioxide at room temperature to form diamine carbonate, and by using these characteristics, the diamine hydrate may be used as a carbon dioxide absorber.
  • 1 is a view showing a bonding relationship between the diamine compound and water molecules contained in the carbon dioxide absorbent according to an embodiment of the present invention.
  • a water molecule may be located between diamine compound molecules, wherein a hydrogen bond is formed between H bonded to a nitrogen atom of the diamine compound and O of the water molecule, and a nitrogen atom of another diamine compound And H of the water molecule can form a hydrogen bond.
  • the arrangement of the diamine compound and water molecules can be repeated periodically to form a crystal structure.
  • the carbon number of the R 1 alkyl group connecting the nitrogen atom in the diamine compound maintains a proper distance between nitrogen atoms to form a hydrogen bond between H bound to the nitrogen atom and O of the water molecule, and the diamine compound and water It would be sufficient if the arrangement of molecules can be repeated periodically to form a crystal structure.
  • the steric hindrance caused is small and water molecules are difficult to stably position between diamine compound molecules, which is not preferable in the practice of the present invention.
  • the steric hindrance caused is so large that there is a problem that a diamine compound and a water molecule cannot form a crystalline structure periodically arranged.
  • the number of carbon atoms of the R 1 , R 2 , and R 3 alkyl group may be independently 2 to 10, preferably 2 to 8, and more preferably 2 to 5.
  • the diamine compound is characterized by being N, N'-di-tert-butylethylenediamine (DBEDA).
  • DBEDA N, N'-di-tert-butylethylenediamine
  • the carbon dioxide absorbent according to an embodiment of the present invention may exist in a solid state at room temperature.
  • the carbon dioxide absorbent according to an embodiment of the present invention may react with carbon dioxide at room temperature to form diamine carbonate.
  • the solid carbon dioxide absorbent has advantages of lower renewable energy, less risk of evaporation and denaturation, and does not cause corrosion of the device compared to the liquid carbon dioxide absorbent.
  • the absorber in the form of a liquid reactor has a wider range to select the size and shape of the reaction vessel than the liquid type carbon dioxide absorbent requiring a reaction container, and thus can be applied to various fields.
  • the carbon dioxide absorbent according to another embodiment of the present invention is characterized in that it forms a crystal structure by forming a hydrogen bond between the diamine compound and the water molecule, and is present as a solid at room temperature.
  • the carbon dioxide absorbent exists as a solid at room temperature, and while possessing the above advantages of the solid absorbent, it reacts with carbon dioxide and is converted into a more stable diamine carbonate, thereby maintaining a fast reaction rate when absorbing carbon dioxide.
  • the carbon dioxide absorbent according to an embodiment of the present invention is characterized in that the molar ratio of the diamine compound to the water molecule is 1, and the diamine hydrate crystal in the solid state is 0.5 to 2 even when the molar ratio of the diamine compound to the water molecule is 0.5 to 2. It is characterized by being generated.
  • the molar ratio of the diamine compound to the water molecule is less than 0.5, a form in which the solid diamine hydrate is not dissolved and dispersed in water can be obtained, and if filtered, a solid diamine hydrate can be obtained.
  • the molar ratio of the diamine compound to the water molecule is more than 2, it is not preferable because the water forming the hydrate crystal by hydrogen bonding with the diamine is insufficient and the hydrate crystal cannot be formed.
  • the carbon dioxide supply agent may be produced by the reaction of the diamine hydrate and carbon dioxide.
  • the diamine hydrate may react with a mixed gas containing not only pure carbon dioxide but also carbon dioxide and one or more other gases to produce the carbon dioxide supply agent.
  • the carbon dioxide supply agent may include a diamine carbonate formed by further reacting carbon dioxide with a diamine hydrate formed by the reaction of the diamine compound represented by the following Chemical Formula 1 with water.
  • R 1 , R 2 , R 3 are each independently a linear, branched or cyclic alkyl group having 2 to 10 carbon atoms.
  • the diamine carbonate forms a crystal structure, and is characterized by being present as a solid at room temperature.
  • the diamine carbonate may release carbon dioxide at the same time as melting upon heat treatment, and may be crystallized again as a solid when cooled to room temperature after melting. Therefore, the diamine carbonate may be used as a carbon dioxide supplying agent by using the characteristics of carbon dioxide emission and recrystallization thereafter.
  • the diamine compound is characterized in that it is N, N'-di-tert-butylethylenediamine (N, N'-Di-tert-butylethylenediamine, DBEDA).
  • FIG. 2 is a diagram showing a bonding relationship between a diamine compound and a carbonate contained in a carbon dioxide supplying agent according to another embodiment of the present invention.
  • the carbon dioxide supplying agent may include a diamine compound represented by Chemical Formula 1 and a carbonate, wherein the diamine compound may be protonated and bound by hydrogen bonding with the carbonate.
  • the protonated diamine compound and carbonate may be aligned by hydrogen bonding to form a crystal structure, and the carbon dioxide supply agent may exist in a solid state at room temperature.
  • the carbon number of the R 1 alkyl group connecting the nitrogen atom in the diamine compound maintains a proper distance between nitrogen atoms to form a hydrogen bond between H bound to the protonated nitrogen atom in the diamine compound and O of carbonate, It would be sufficient if the crystal structure could be achieved by periodically repeating the arrangement of the protonated diamine compound and the carbonate.
  • the steric hindrance caused is small and the carbonate is difficult to stably locate between the protonated diamine compound molecules, which is not preferable for the practice of the present invention.
  • the number of carbon atoms of the R 2 R 3 alkyl group is too large, the steric hindrance caused is too large, and there is a problem that the protonated diamine compound and the carbonate are periodically arranged in a crystal structure.
  • the number of carbon atoms of the R 1 , R 2 , and R 3 alkyl group may be independently 2 to 10, preferably 2 to 8, and more preferably 2 to 5.
  • the carbon dioxide supply agent may release carbon dioxide at the same time as melting during heat treatment, and thus may serve as a carbon dioxide supply agent.
  • the carbon dioxide supply is characterized in that after the melting by the heat treatment, the crystallization is again solid at room temperature.
  • Figure 3 (A) is a diagram showing the reaction of the primary and secondary amine compounds and carbon dioxide and its products.
  • both carbamate salt, carbonate, and hydrogen carbonate may be generated by reacting with carbon dioxide.
  • the carbamate salt is stable compared to carbonate and hydrogen carbonate, and is difficult to decompose, and decomposes at a high temperature of 100 ° C. or higher and emits carbon dioxide.
  • FIG. 3 (B) is a diagram showing the reaction of a tertiary amine compound or an amine compound having a relatively large steric hindrance with carbon dioxide and its products.
  • a tertiary amine compound or an amine compound having a relatively large steric hindrance in the case of a tertiary amine compound or an amine compound having a relatively large steric hindrance, it may exist in the form of carbonate and hydrogen carbonate by reacting with carbon dioxide.
  • the carbonate and hydrogen carbonate are more unstable than the carbamate salt, and are easily decomposed, and thus, can be decomposed at a lower temperature than the carbamate salt to release carbon dioxide.
  • the carbon dioxide supply agent according to another embodiment of the present invention may release carbon dioxide simultaneously with melting during heat treatment, wherein melting is terminated at a temperature in the range of 60 ° C to 90 ° C.
  • the carbon dioxide supply agent is capable of producing carbonate and hydrogen carbonate as shown in FIG. 3 (B) when reacting with carbon dioxide by introducing an alkyl group having a relatively large steric hindrance to the nitrogen atom in the diamine compound represented by Formula 1 have. Therefore, the carbonate and hydrogen carbonate produced in this way can be decomposed at a lower temperature than the carbamate salt formed from the primary and secondary amine compounds of FIG. 3 (A) to release carbon dioxide.
  • a fire extinguisher system is characterized by including a carbon dioxide supply agent according to another embodiment of the present invention.
  • the carbon dioxide supply agent releases carbon dioxide at the same time as melting during heat treatment, and the carbon dioxide is completely released by melting at a temperature ranging from 60 ° C to 90 ° C, which is lower than the primary and secondary amine compound-based carbon dioxide supply agents. Therefore, when the carbon dioxide supply agent is applied to a fire extinguisher system, it has the advantage of being able to react quickly to temperature changes. Specifically, it can be applied to powder fire extinguishers, portable fire extinguishers, ceiling fire extinguisher systems, automatic diffusion fire extinguisher systems, and the like.
  • N, N'-di-tert-butylethylenediamine (hereinafter 'DBEDA') was reacted with water in a nitrogen-conditioned flask to produce a solid mixture.
  • the molar ratio of DBEDA and water was mixed to be 1: 1.
  • DBEDA hydrate was ground to prepare a carbon dioxide absorbent in powder form.
  • FIG. 4 is a photograph of a carbon dioxide absorbent in powder form prepared by Preparation Example 1.
  • DBEDA carbonate was prepared by reacting carbon dioxide with the DBEDA hydrate prepared according to Preparation Example 1. Thereafter, the crystal structures of the DBEDA hydrate and the DBEDA carbonate were compared through X-ray diffraction analysis (XRD).
  • 6 is a graph measuring heat generated when DBEDA hydrate is generated according to temperature and molar ratio.
  • the mass composition ratio rapidly decreases in the range of 60 ° C to 90 ° C during heat treatment. From this, it can be seen that the melting ends in the range of 60 ° C to 90 ° C to emit all of the carbon dioxide.
  • the mass composition ratio of carbon dioxide emitted due to melting is about 20 wt% of DBEDA carbonate, from which it can be seen that the molar ratio of DBEDA: water: carbon dioxide in DBEDA carbonate is 1: 1.
  • peaks are generated at around 60 ° C and around 90 ° C.
  • DBEDA carbonate at the peak around 60 ° C melts due to heat treatment and loses its crystal structure, and it can be seen that melting is terminated by releasing all of the carbon dioxide at the peak near 90 ° C.
  • the peak temperature measured during differential scanning calorimeter analysis is higher than the actual temperature, the DBEDA carbonate starts to melt at a temperature of 60 ° C or lower, and it can be determined that melting ends at 60 ° C to 90 ° C. have.
  • the result of FIG. 9 is a test result for a sealed sample cell, and as a result of using an unsealed cell, carbon dioxide is released at the same time as melting and carbon dioxide is released at a temperature of 90 ° C. or less.
  • 10 is a graph showing the amount of carbon dioxide absorbed over time of DBEDA hydrate.
  • the concentration of carbon dioxide starts to rapidly decrease at a temperature between 50 ° C and 60 ° C, and it can be seen that carbon dioxide is completely released when it reaches about 80 ° C.
  • the amount of carbon dioxide absorbed by DBEDA hydrate from the mixed gas reaches 0.9 mol or more with respect to 1 mol of DBEDA under a partial pressure of carbon dioxide of at least 1 atm.
  • the carbon dioxide absorption efficiency of the DBEDA hydrate maintains a value of about 1 even under a high partial pressure of carbon dioxide of 2 atm or more.

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Abstract

본 발명의 일 실시예는 디아민 수화물을 제공한다. 또한, 상기 디아민 수화물을 포함하는 이산화탄소 흡수제를 제공한다. 상기 디아민 수화물은 디아민 화합물 및 물분자를 포함하며, 상기 디아민 화합물 및 상기 물분자는 서로 수소결합으로 결합되어 결정구조를 이루고 상온에서 고체인 것을 특징으로 한다.

Description

디아민 수화물을 포함하는 이산화탄소 흡수제, 그로부터 제조된 이산화탄소 공급제
본 발명은 이산화탄소 흡수제 및 그로부터 제조된 디아민 탄산염에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 디아민 수화물을 포함하는 이산화탄소 흡수제 및 상기 디아민 수화물과 이산화탄소가 반응하여 생성된 디아민 탄산염에 관한 것이다.
산업혁명 이후 광범위한 화석연료의 사용에 따라 CO 2, CH 4 및 NO 2와 같은 온실가스의 배출이 증가하였으며, 이러한 온실가스의 배출은 지구 온난화 현상을 야기하였다. 특히, 지구 온난화를 일으키는 주요한 원인은 이산화탄소로, 이는 온실가스의 70% 이상을 차지한다.
이러한 지구 온난화의 주범으로 주목 받아온 이산화탄소를 감축시키기 위한 다양한 연구들이 진행되고 있다. 구체적으로 산화탄소 포집 및 저장 기술(CCS, Carbon Dioxide Capture & Storage)의 중요성이 강조되어 오고 있고, 이러한 이산화탄소를 분리하기 위한 CCS는 흡수법, 흡착법, 막분리법 및 심냉법 등이 있다.
이 중 흡수법은 이산화탄소를 흡수할 수 있는 용액을 이산화탄소를 포함하는 가스에 접촉시켜 선택적으로 이산화탄소를 제거하는 방법이며, 그 중 습식아민법이 대표적이다. 습식아민법은 일반적으로 MEA(monoethanolamine) 수용액을 사용하여 이산화탄소를 흡수한다.
이와 같이 아민 수용액을 이용한 액체 형태의 이산화탄소 흡수제의 경우 고온 조건에서 재생되기 때문에 아민 수용액의 증발이나 변성으로 인해 흡수 성능이 감소하며, 장치의 부식을 유발하고, 높은 재생 에너지로 인해 운용비용이 높아 대형공정에서만 사용될 수 있는 문제가 있다.
<선행기술문헌> 대한민국 등록특허 제 10-1571062 호
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 고체 디아민 수화물 및 이를 이용한 고체형 이산화탄소 흡수제를 제공하는 것이다.
또한, 상기 고체 디아민 수화물에 이산화탄소를 추가로 반응시켜 형성된 디아민 탄산염 및 이를 이용한 이산화탄소 공급제를 제공하는 것이다.
또한, 상기 이산화탄소 공급제를 포함하는 소화기 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예는 이산화탄소 흡수제를 제공한다.
이때, 상기 이산화탄소 흡수제는 하기 화학식 1 로 표시되는 디아민 화합물 및 물분자를 포함하는 디아민 수화물을 함유하고, 상기 디아민 수화물은 상기 디아민 화합물 및 상기 물분자가 서로 수소결합으로 결합되어 결정구조를 이루고 상온에서 고체인 것을 특징으로 한다.
Figure PCTKR2019012401-appb-img-000001
상기 화학식 1에서, R 1, R 2, R 3은 각각 독립적으로 탄소수 2 내지 10의 선형, 분지형 또는 고리형 알킬기이다.
또한, 상기 디아민 화합물은 N,N'-다이-터트-뷰틸에틸렌디아민(N,N'-Di-tert-butylethylenediamine, DBEDA)인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 이산화탄소 흡수제는 상온에서 이산화탄소와 반응하여 디아민 탄산염을 형성하는 것을 특징으로 한다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 다른 실시예는 이산화탄소 공급제를 제공한다.
이때, 상기 이산화탄소 공급제는 하기 화학식 1로 표시되는 디아민 화합물과 물의 반응으로 형성된 디아민 수화물에 이산화탄소를 추가로 반응시켜 형성된 디아민 탄산염을 포함하는 것을 특징으로 한다.
Figure PCTKR2019012401-appb-img-000002
상기 화학식 1에서,
R 1, R 2, R 3은 각각 독립적으로 탄소수 2 내지 10의 선형, 분지형 또는 고리형 알킬기이다.
이때, 상기 디아민 화합물은 양성자화되어 상기 탄산염과 수소결합에 의해 결합되고, 결정구조를 이루며 상온에서 고체인 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 디아민 화합물은 N,N'-다이-터트-뷰틸에틸렌디아민(N,N'-Di-tert-butylethylenediamine, DBEDA)인 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 이산화탄소 공급제는 열처리시 융해와 동시에 이산화탄소를 방출하고, 융해 종료 후 상온에서 다시 고체로 결정화되는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 이산화탄소 공급제는 열처리시 60 °C 내지 90 °C에서 융해가 종료되는 것을 특징으로 한다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 또 다른 실시예는 소화기 시스템을 제공한다.
이때, 상기 소화기 시스템은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이산화탄소 공급제를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 고체 디아민 수화물 및 이를 이용한 고체형 이산화탄소 흡수제를 제공할 수 있다. 상기 이산화탄소 흡수제는 상온에서 고체로 존재하여 액체형 이산화탄소 흡수제에 비해 재생에너지가 낮고 증발 및 변성의 위험이 적으며 장치의 부식을 유발하지 않는 장점이 있다. 또한, 액체반응기 형태의 흡수제 반응용기를 필요로 하는 액체형 이산화탄소 흡수제에 비해 다양한 형태로 제작이 가능하여 소형화 및 여러 분야에 적용이 가능하다. 또한, 이산화탄소에 대한 반응성이 매우 높은 디아민 화합물을 포함하여 빠른 반응속도를 유지할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 디아민 탄산염 및 이를 이용한 이산화탄소 공급제를 제공할 수 있다. 상기 이산화탄소 공급제는 비교적 낮은 온도인 60 °C 내지 90 °C 범위에서 융해가 종료되어 이산화탄소를 완전히 방출할 수 있으며, 융해가 종료된 후 상온에서 다시 고체로 결정화될 수 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이산화탄소 흡수제에 포함된 상기 디아민 화합물 및 물분자의 결합관계를 나타낸 그림이다.
도 2는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이산화탄소 공급제에 포함된 디아민 화합물 및 탄산염의 결합관계를 나타낸 그림이다.
도 3은 아민 화합물과 이산화탄소의 반응 메커니즘 및 이에 따른 생성물을 나타내었다.
도 4는 제조예 1에 의해 제조된 분말 형태의 이산화탄소 흡수제의 사진이다.
도 5는 N,N'-다이-터트-뷰틸에틸렌디아민 수화물의 이산화탄소 흡수 전, 후의 결정구조를 측정한 그래프이다.
도 6은 온도 및 몰비에 따른 N,N'-다이-터트-뷰틸에틸렌디아민 수화물 생성시 발생하는 열을 마이크로 반응 열량계에 의해 측정한 그래프이다.
도 7은 N,N'-다이-터트-뷰틸에틸렌디아민 수화물 및 N,N'-다이-터트-뷰틸에틸렌디아민 탄산염에 대한 열중량 분석(TGA) 결과이다.
도 8은 N,N'-다이-터트-뷰틸에틸렌디아민 탄산염을 FT-IR 분광법에 의해 측정한 그래프이다.
도 9는 N,N'-다이-터트-뷰틸에틸렌디아민 탄산염의 열처리시 발생하는 열 흐름을 시차주사열량분석법(DSC)에 의해 측정한 그래프이다.
도 10은 N,N'-다이-터트-뷰틸에틸렌디아민 수화물의 시간에 따른 이산화탄소 흡수량을 나타낸 그래프이다.
도 11은 N,N'-다이-터트-뷰틸에틸렌디아민 탄산염의 온도별 이산화탄소 흡수량을 나타낸 그래프이다.
도 12는 고압반응기 내에서 N,N'-다이-터트-뷰틸에틸렌디아민 수화물의 이산화탄소 부분 압력에 따른 이산화탄소 흡수량을 나타낸 그래프이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 흡수제에 대해 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 흡수제는 하기 화학식 1 로 표시되는 디아민 화합물 및 물분자를 포함하는 디아민 수화물을 함유할 수 있다.
Figure PCTKR2019012401-appb-img-000003
이때, 상기 디아민 수화물은 상기 디아민 화합물 및 상기 물분자는 서로 수소결합으로 결합될 수 있으며, 결정구조를 이루고 상온에서 고체인 것을 특징으로 한다.
종래 아민 수용액을 이용한 이산화탄소 흡수제의 경우 이산화탄소 흡수 후의 탄산염이 용액 상태로 존재하여 고온 조건에서 물의 증류와 함께 재생이 필요하므로 에너지 소모가 크고, 고온에서 아민의 변성으로 인해 흡수 성능이 감소하며, 장치의 부식을 유발하는 문제가 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 흡수제는 상온에서 고체 상태로 존재하여 상기 아민 수용액을 이용한 이산화탄소 흡수제의 단점을 보완하고, 이산화탄소에 대한 반응성이 높은 디아민 화합물을 포함하여 빠른 반응속도를 유지할 수 있다.
상기 디아민 수화물은 상온에서 이산화탄소와 반응하여 디아민 탄산염을 형성할 수 있으며, 이러한 특성을 이용하여 상기 디아민 수화물은 이산화탄소 흡수제로 이용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 흡수제에 포함된 상기 디아민 화합물 및 물분자의 결합관계를 나타낸 그림이다.
도 1을 참조하면, 디아민 화합물 분자들 사이에 물분자가 위치할 수 있으며, 이때 상기 디아민 화합물의 질소 원자에 결합된 H와 상기 물분자의 O간에 수소결합을 형성하고, 다른 디아민 화합물의 질소 원자와 물 분자의 H 간에 수소결합을 형성할 수 있다. 또한, 상기 디아민 화합물 및 물분자의 배열이 주기적으로 반복되어 결정구조를 이룰 수 있다.
이때, 상기 디아민 화합물 내 질소 원자를 연결하는 R 1 알킬기의 탄소수는 질소 원자간의 적당한 거리를 유지하여 상기 질소원자에 결합된 H와 상기 물분자의 O 간의 수소결합을 형성하고, 상기 디아민 화합물과 물분자의 배열이 주기적으로 반복되어 결정구조를 이룰 수 있는 것이라면 충분할 것이다.
또한, 상기 디아민 화합물의 말단에 위치한 R 2, R 3 알킬기의 탄소수는 적절한 입체장애를 유발하여 상기 물분자가 상기 디아민 화합물 분자들 사이에 안정적으로 위치하도록 하는 것이라면 충분할 것이다.
예를 들어, 상기 상기 R 2, R 3알킬기의 탄소수가 너무 작은 경우, 유발되는 입체장애가 작아 물분자가 디아민 화합물 분자들 사이에 안정적으로 위치하기 어려워 본 발명의 실시에 바람직하지 않다. 상기 R 2, R 3알킬기의 탄소수가 너무 큰 경우, 유발되는 입체장애가 너무 커 디아민 화합물 및 물분자가 주기적으로 배열된 결정구조를 이룰 수 없는 문제가 있다.
이러한 관점에서, 상기 R 1, R 2, R 3알킬기의 탄소수는 각각 독립적으로 2 내지 10일 수 있으며, 바람직하게는 2 내지 8일 수 있고, 보다 바람직하게는 2 내지 5일 수 있다.
예를 들어, 상기 디아민 화합물은 N,N'-다이-터트-뷰틸에틸렌디아민(N,N'-Di-tert-butylethylenediamine, DBEDA)인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 흡수제는 상온에서 고체 상태로 존재할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 흡수제는 상온에서 이산화탄소와 반응하여 디아민 탄산염을 형성할 수 있다.
종래의 아민 수용액을 이용한 액체형 이산화탄소 흡수제의 경우, 이산화탄소의 방출이 100 oC 이상의 고온에서 물이 끓으며 이루어지므로 아민 수용액의 증발이나 변성으로 인해 흡수 성능이 감소하며, 장치의 부식을 유발하고, 높은 재생 에너지로 인해 운용비용이 높아 대형공정에서만 사용될 수 있는 문제가 있다. 반면, 고체형 이산화탄소 흡수제의 경우 액체형 이산화탄소 흡수제에 비해 재생에너지가 낮고 증발 및 변성의 위험이 적으며 장치의 부식을 유발하지 않는 장점이 있다. 또한, 액체반응기 형태의 흡수제 반응용기를 필요로 하는 액체형 이산화탄소 흡수제에 비해 반응 용기의 크기와 모양을 선택할 폭이 넓으므로 여러 분야에 적용이 가능하다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 이산화탄소 흡수제는 디아민 화합물 및 물분자간에 수소결합을 형성하여 결정구조를 이루고, 상온에서 고체로 존재하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 이산화탄소 흡수제는 상온에서 고체로 존재하여 고체 흡수제의 상기 장점들을 지니는 동시에, 이산화탄소와 반응하며 더 안정한 디아민 탄산염으로 전환되므로 이산화탄소 흡수 시 빠른 반응속도를 유지할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 흡수제는 물분자에 대한 디아민 화합물의 몰비가 1인 수화물 결정인 것을 특징으로 하며, 물분자에 대한 디아민 화합물의 몰비가 0.5내지 2에서도 고체 상태의 디아민 수화물 결정이 생성되는 것을 특징으로 한다.
물분자에 대한 디아민 화합물의 몰비가 0.5미만인 경우, 물에 고체 디아민 수화물이 녹지 않고 분산되어 있는 형태를 얻을 수 있으며, 이를 여과하면 고체 디아민 수화물을 얻을 수 있다. 물분자에 대한 디아민 화합물의 몰비가 2를 초과하는 경우, 디아민과 수소결합으로 수화물 결정을 이루는 물이 부족하여 수화물 결정을 이룰 수 없으므로 바람직하지 않다.
이하에서는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이산화탄소 공급제에 대해 설명한다.
상기 이산화탄소 공급제는 상기 디아민 수화물과 이산화탄소의 반응으로 생성될 수 있다. 이때, 상기 디아민 수화물은 순수한 이산화탄소뿐만 아니라 이산화탄소와 1종 이상의 다른 기체를 포함하는 혼합기체와 반응하여 상기 이산화탄소 공급제를 생성할 수 있다.
구체적으로, 상기 이산화탄소 공급제는 하기 화학식 1로 표시되는 디아민 화합물과 물의 반응으로 형성된 디아민 수화물에 이산화탄소를 추가로 반응시켜 형성된 디아민 탄산염을 포함할 수 있다.
Figure PCTKR2019012401-appb-img-000004
이때, 상기 화학식 1에서 R 1, R 2, R 3은 각각 독립적으로 탄소수 2 내지 10의 선형, 분지형 또는 고리형 알킬기이다.
상기 디아민 탄산염은 결정구조를 이루며, 상온에서 고체로 존재하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 디아민 탄산염은 열처리시 융해와 동시에 이산화탄소를 방출할 수 있으며, 융해 종료 후 상온으로 냉각되면 다시 고체로 결정화될 수 있다. 따라서, 이와 같은 이산화탄소 방출 및 이후 재결정되는 특성을 이용하여 상기 디아민 탄산염은 이산화탄소 공급제로 이용될 수 있다.
상기 디아민 화합물은 N,N'-다이-터트-뷰틸에틸렌디아민(N,N'-Di-tert-butylethylenediamine, DBEDA)인 것을 특징으로 한다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이산화탄소 공급제에 포함된 디아민 화합물 및 탄산염의 결합관계를 나타낸 그림이다.
도 2를 참조하면, 상기 이산화탄소 공급제는 상기 화학식 1로 표시되는 디아민 화합물 및 탄산염을 포함할 수 있으며, 이때 상기 디아민 화합물은 양성자화되어 상기 탄산염과 수소결합에 의해 결합될 수 있다.
또한, 상기 양성자화된 디아민 화합물 및 탄산염은 수소결합에 의해 정렬되어 결정구조를 형성할 수 있으며, 상기 이산화탄소 공급제는 상온에서 고체 상태로 존재할 수 있다.
이때, 상기 디아민 화합물 내 질소 원자를 연결하는 R 1 알킬기의 탄소수는 질소 원자간의 적당한 거리를 유지하여 상기 디아민 화합물 내 양성자화된 질소원자에 결합된 H와 탄산염의 O 간의 수소결합을 형성하고, 상기 양성자화된 디아민 화합물과 탄산염의 배열이 주기적으로 반복되도록 하여 결정구조를 이룰 수 있는 것이라면 충분할 것이다.
또한, 상기 디아민 화합물의 말단에 위치한 R 2, R 3 알킬기의 탄소수는 적절한 입체장애를 유발하여 상기 탄산염이 상기 양성자화된 디아민 화합물 분자들 사이에 안정적으로 위치하도록 하는 것이라면 충분할 것이다.
예를 들어, 상기 R 2, R 3알킬기의 탄소수가 너무 작은 경우, 유발되는 입체장애가 작아 상기 탄산염이 상기 양성자화된 디아민 화합물 분자들 사이에 안정적으로 위치하기 어려워 본 발명의 실시에 바람직하지 않다. 상기 R 2 R 3알킬기의 탄소수가 너무 큰 경우, 유발되는 입체장애가 너무 커 상기 양성자화된 디아민 화합물 및 상기 탄산염이 주기적으로 배열된 결정구조를 이룰 수 없는 문제가 있다.
이러한 관점에서, 상기 R 1, R 2, R 3알킬기의 탄소수는 각각 독립적으로 2 내지 10일 수 있으며, 바람직하게는 2 내지 8일 수 있고, 보다 바람직하게는 2 내지 5일 수 있다.
상기 이산화탄소 공급제는 열처리시 융해와 동시에 이산화탄소를 방출할 수 있으며, 따라서 이산화탄소 공급제의 역할을 수행할 수 있다.
또한, 상기 이산화탄소 공급제는 열처리에 따른 융해 종료 후 상온에서 다시 고체로 결정화되는 것을 특징으로 한다.
도 3 (A)는 1, 2차 아민 화합물과 이산화탄소의 반응 및 그 생성물을 나타낸 그림이다.
도 3 (A)를 참조하면, 1, 2차 아민 화합물의 경우 이산화탄소와 반응하여 카바메이트염, 탄산염 및 탄산수소염을 모두 생성할 수 있다.
이때, 카바메이트염은 탄산염, 탄산수소염에 비해 안정하여 분해되기 어려우며, 100°C 이상의 고온에서 분해되어 이산화탄소를 방출하는 단점을 갖는다.
도 3 (B)는 3차 아민 화합물 또는 비교적 큰 입체장애를 갖는 아민 화합물과 이산화탄소의 반응 및 그 생성물을 나타낸 그림이다.
도 3 (B)를 참조하면, 3차 아민 화합물 또는 비교적 큰 입체장애를 갖는 아민 화합물의 경우 이산화탄소와 반응하여 탄산염 및 탄산수소염의 형태로 존재할 수 있다.
이때, 상기 탄산염 및 탄산수소염은 카바메이트염에 비해 불안정하여 분해되기 쉬우며, 따라서 카바메이트염에 비해 낮은 온도에서 분해되어 이산화탄소를 방출할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 이산화탄소 공급제는 열처리시 융해와 동시에 이산화탄소를 방출할 수 있으며, 이때 융해는 60 °C 내지 90 °C 범위의 온도에서 종료되는 것을 특징으로 한다.
구체적으로, 상기 이산화탄소 공급제는 상기 화학식 1로 표시되는 디아민 화합물 내 질소 원자에 비교적 큰 입체장애를 갖는 알킬기를 도입함으로, 이산화탄소와 반응 시 도 3 (B)와 같이 탄산염 및 탄산수소염을 생성할 수 있다. 따라서 이렇게 생성된 탄산염 및 탄산수소염은 도3 (A) 의 1, 2차 아민 화합물로부터 형성된 카바메이트염에 비해 낮은 온도에서 분해되어 이산화탄소를 방출할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 소화기 시스템에 대해 설명한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 소화기 시스템은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이산화탄소 공급제를 포함하는 것을 특징으로 한다.
구체적으로, 상기 이산화탄소 공급제는 열처리시 융해와 동시에 이산화탄소를 방출하고, 1, 2차 아민 화합물 기반 이산화탄소 공급제에 비해 낮은 온도인 60 °C 내지 90 °C 범위에서 융해가 종료되어 이산화탄소를 완전히 방출할 수 있으며, 따라서 상기 이산화탄소 공급제를 소화기 시스템에 적용 시 온도 변화에 빠르게 반응할 수 있는 장점을 갖는다. 구체적으로, 분말 소화기, 휴대용 소화기, 천장용 소화기 시스템, 자동확산 소화기 시스템 등에 적용될 수 있다.
이하에서는 제조예 및 실험예를 통해 본 발명에 대해 보다 상세하게 설명한다. 하지만 본 발명이 제조예 및 실험예에 한정되는 것은 아니다.
<제조예 1: 디아민 화합물 및 물의 반응을 통해 고체 결정 디아민 수화물 및 이를 이용한 이산화탄소 흡수제 제조>
질소 조건의 플라스크 내에서 N,N'-다이-터트-뷰틸에틸렌디아민(이하 'DBEDA')과 물을 반응시켜 고체 형태의 혼합물을 생성하였다. 이때, 상기DBEDA 및 물의 몰비가 1:1이 되도록 혼합하였다. 생성된 상기 고체 혼합물을 녹인 후 상온에서 재결정하여 DBEDA 수화물을 제조하였다. 상기 DBEDA 수화물을 그라인딩(grinding)하여 분말 형태의 이산화탄소 흡수제를 제조하였다.
도 4는 상기 제조예 1에 의해 제조된 분말 형태의 이산화탄소 흡수제의 사진이다.
<실험예 1: 고체 결정 디아민 수화물의 이산화탄소 흡수 전/후의 결정구조 확인>
고체 결정 디아민 수화물의 이산화탄소 흡수 전/후에 따른 결정구조 변화 유무를 확인하는 실험을 진행하였다. 이를 위해 상기 제조예 1에 따라 제조된 DBEDA 수화물에 이산화탄소를 반응시켜 DBEDA 탄산염을 제조하였다. 이후 X-ray 회절분석법(XRD)를 통해 상기 DBEDA 수화물 및 상기 DBEDA 탄산염의 결정구조를 비교하였다.
도 5 (A), (B)는 각각 DBEDA 수화물의 이산화탄소 흡수 전, 후의 결정구조를 측정한 그래프이다.
도 5 (A) 및 (B)를 참조하면, DBEDA 수화물의 흡수 전, 후 모두 단사정계(monoclinic) 결정구조를 이루는 것으로 판단할 수 있다.
또한, 도 5 (A) 및 (B)의 peak를 분석한 결과, DBEDA 수화물의 이산화탄소 흡수 전에 비해 이산화탄소 흡수 후 결정 부피가 증가한 것을 확인할 수 있다.
<실험예 2: 온도 조건 및 몰비에 따른 결정구조 확인>
온도 조건에 따른 디아민 화합물 및 물의 반응에 의한 고체 결정의 생성 여부를 확인하는 실험을 진행하였다. 30°C, 50°C, 90°C의 조건에서 DBEDA와 물을 반응시켜 DBEDA 수화물을 생성하였으며, 이 때 발생하는 열을 측정하였다. 또한, 각 온도 조건 하에서 DBEDA 및 물의 몰비를 달리하여 실험을 진행하였다.
도 6은 온도 및 몰비에 따른 DBEDA 수화물 생성시 발생하는 열을 측정한 그래프이다.
도 6을 참조하면, 30°C 조건 하에서 DBEDA 대비 물의 몰비가 증가할수록 발생하는 열이 증가하며 약 1:1의 몰비 이후 더 이상 증가하지 않는 것을 확인할 수 있다. 이를 통해 DBEDA : 물의 몰비가 약 1 : 1인 고체 결정을 형성하는 것을 알 수 있다.
한편, 50°C, 90°C 조건 하에서는 DBEDA 수화물의 생성시 발생하는 열이 측정되지 않았으며, 이는 DBEDA 수화물의 녹는점(47.6°C )보다 높은 온도 조건으로 인해 결정 구조를 이룰 수 없기 때문인 것으로 파악된다.
<실험예 3: 고체 결정 디아민 수화물의 이산화탄소 흡수 용량 확인>
고체 결정 디아민 수화물의 이산화탄소 흡수 용량을 확인하기 위한 실험을 진행하였다. 이를 위해 상기 제조예 1에 따른 DBEDA 수화물 및 이에 이산화탄소를 반응시켜 생성된 DBEDA 탄산염의 온도에 따른 질량 조성비를 측정하여 도 7에 도시하였다.
도 7을 참조하면, DBEDA 탄산염의 경우 열처리 시 60°C 내지 90°C 범위에서 질량 조성비가 급격히 감소하는 것을 확인할 수 있다. 이로부터 60°C내지 90°C범위에서 융해가 종료되어 이산화탄소를 모두 방출한다는 것을 알 수 있다.
또한, 융해로 인해 방출되는 이산화탄소의 질량 조성비는 DBEDA 탄산염의 약 20 wt%인 것을 확인할 수 있으며, 이로부터 DBEDA 탄산염 내 DBEDA : 물 : 이산화탄소의 몰비가 1 : 1 : 1인 것을 알 수 있다.
<실험예 4: 고체 결정 디아민 수화물 및 물의 반응에 의해 생성되는 고체 결정 디아민 탄산염 확인>
고체 결정 디아민 수화물 및 물의 반응으로 인해 고체 결정 디아민 탄산염을 생성하는 실험을 진행하였다. 이를 위해 제조예 1에 따라 제조된 DBEDA 수화물과 이산화탄소를 반응시켜 DBEDA 탄산염을 생성하였고, 상기 DBEDA 탄산염을 FT-IR 분광법에 의해 측정하여 그 결과를 도 8에 도시하였다.
도 8을 참조하면, DBEDA 탄산염의 FT-IR peak는 CO 3 -를 나타내는 1375 cm -1, HCO 3 -를 나타내는 1390 cm -1, C=O결합을 나타내는 1648 cm -1 부근에서 발생하는 것을 확인할 수 있으며, 이를 통해 상기 DBEDA 수화물은 이산화탄소와 반응하여 탄산염을 형성하는 것을 알 수 있다.
<실험예 5: 고체 결정 디아민 탄산염의 열처리에 따른 이산화탄소 방출 확인>
고체 결정 디아민 탄산염에 열처리시 융해에 따른 이산화탄소의 방출을 확인하기 위한 실험을 진행하였다. 이를 위해 상기 제조예 1에 따른 DBEDA 수화물에 이산화탄소를 반응시켜 DBEDA 탄산염을 제조하였다. 이후 상기 DBEDA탄산염의 열처리시 발생하는 변화를 시차주사열량분석법(DSC)에 의해 측정하여 그 결과를 도 9에 나타내었다.
도 9를 참조하면, 60°C 부근 및 90°C 부근에서 peak가 발생하는 것을 확인할 수 있다. 구체적으로, 60°C 부근의 peak에서 DBEDA 탄산염은 열처리로 인해 융해되어 결정구조를 잃는 것을 알 수 있으며, 90°C 부근의 peak에서 이산화탄소를 모두 방출하여 융해가 종료되는 것을 알 수 있다. 시차주사열량계 분석 시 측정되는 peak의 온도가 실제 온도보다 높게 측정되는 것을 고려하면 상기 DBEDA 탄산염은 60°C 이하의 온도에서 융해되기 시작하여 60°C 내지 90°C에서 융해가 종료된다고 판단할 수 있다. 또한, 도 9의 결과는 밀봉된 시료셀에 대한 시험 결과이며, 밀봉되지 않은 셀을 사용하여 확인한 결과 융해 동시에 이산화탄소가 방출되며 90°C 이하의 온도에서 모두 방출되는 결과를 얻었다.
<실험예 6: 고체 결정 디아민 수화물의 이산화탄소 흡수 속도 확인>
고체 결정 디아민 수화물의 이산화탄소 흡수 속도를 확인하기 위한 실험을 진행하였다. 이를 위해 30°C 의 온도 조건 하에서 상기 제조예 1에 따른 DBEDA 수화물에 이산화탄소를 반응시켜 시간에 따른 이산화탄소 흡수량을 측정하였다.
도 10은 DBEDA 수화물의 시간에 따른 이산화탄소 흡수량을 나타낸 그래프이다.
도 10을 참조하면, DBEDA 수화물 및 이산화탄소의 반응 시작 후 약 10분 이내에 DBEDA 수화물의 이산화탄소 최대 흡수 용량의 약 50%가 흡수되는 것을 확인할 수 있다. 또한, 반응 시작 후 1시간 이내에 이산화탄소 최대 흡수 용량의 약 90%가 흡수되는 것을 확인할 수 있다.
<실험예 7: 고체 결정 디아민 탄산염의 이산화탄소 방출 온도범위 확인>
고체 결정 디아민 탄산염의 이산화탄소 방출 온도범위를 확인하기 위한 실험을 진행하였다. 이를 위해 상기 제조예 1에 따른 DBEDA 수화물에 이산화탄소를 반응시켜 DBEDA 탄산염을 생성하였다. 이후 DBEDA 탄산염에 열처리하여 온도에 따른 DBEDA 대비 이산화탄소의 몰수를 측정하여 도 11에 나타내었다.
도 11을 참조하면, 50°C 내지 60°C 사이의 온도에서 이산화탄소의 농도가 급격히 감소하기 시작하며, 약 80°C에 이르러서는 이산화탄소가 완전히 방출되는 것을 확인할 수 있다.
<실험예 8: 이산화탄소 부분 압력에 따른 고체 결정 디아민 수화물의 이산화탄소 흡수율 측정>
이산화탄소 부분 압력에 따른 고체 결정 디아민 수화물의 이산화탄소 흡수율을 측정하기 위한 실험을 진행하였다. 이를 위해 상기 제조예 1에 따른 DBEDA 수화물을 고압 반응기 내에서 이산화탄소 15 vol% 및 질소 85 vol%로 이루어진 혼합기체와 반응시켰으며 그 결과를 도 12에 나타내었다.
도 12를 참조하면, 상기 혼합기체로부터 DBEDA 수화물이 흡수하는 이산화탄소의 양은 1 atm 이상의 이산화탄소 분압 조건 하에서 1몰의DBEDA에 대하여 0.9몰 이상까지 도달하는 것을 확인할 수 있다. 또한, DBEDA 수화물의 이산화탄소 흡수효율은 2 atm 이상의 높은 이산화탄소 분압 하에서도 1 전후의 값을 유지하는 것을 확인할 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (9)

  1. 하기 화학식 1 로 표시되는 디아민 화합물 및 물분자를 포함하는 디아민 수화물을 함유하고,
    상기 디아민 수화물은 상기 디아민 화합물 및 상기 물분자가 서로 수소결합으로 결합되어 결정구조를 이루고 상온에서 고체인 것을 특징으로 하는 이산화탄소 흡수제:
    Figure PCTKR2019012401-appb-img-000005
    상기 화학식 1에서,
    R 1, R 2, R 3은 각각 독립적으로 탄소수 2 내지 10의 선형, 분지형 또는 고리형 알킬기이다.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 디아민 화합물은 N,N'-다이-터트-뷰틸에틸렌디아민(N,N'-Di-tert-butylethylenediamine, DBEDA)인 것을 특징으로 하는 이산화탄소 흡수제.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 이산화탄소 흡수제는 상온에서 이산화탄소와 반응하여 디아민 탄산염을 형성하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 흡수제.
  4. 하기 화학식 1로 표시되는 디아민 화합물과 물의 반응으로 형성된 디아민 수화물에 이산화탄소를 추가로 반응시켜 형성된 디아민 탄산염을 포함하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 공급제:
    Figure PCTKR2019012401-appb-img-000006
    상기 화학식 1에서,
    R 1, R 2, R 3은 각각 독립적으로 탄소수 2 내지 10의 선형, 분지형 또는 고리형 알킬기이다.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 디아민 화합물은 양성자화되어 상기 탄산염과 수소결합에 의해 결합되고, 결정구조를 이루며 상온에서 고체인 것을 특징으로 하는 이산화탄소 공급제.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 디아민 화합물은 N,N'-다이-터트-뷰틸에틸렌디아민(N,N'-Di-tert-butylethylenediamine, DBEDA)인 것을 특징으로 하는 이산화탄소 공급제.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 이산화탄소 공급제는 열처리시 융해와 동시에 이산화탄소를 방출하고, 융해 종료 후 상온에서 다시 고체로 결정화되는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 공급제.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 이산화탄소 공급제는 열처리시 60 °C 내지 90 °C에서 융해가 종료되는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 공급제.
  9. 제 4항의 이산화탄소 공급제를 포함하는 것을 특징으로 하는 소화기 시스템.
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