Applied Chemistry,
Vol. 14, No. 2, October 2010, 21-24
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1,2,3차 아민수용액으로부터 PDMS-PE 복합막 접촉기를 이용한 이산화탄소 감압탈거
김정훈*⋅박성률*⋅안효성⋅이수복⋅김정훈
한국화학연구원 환경자원연구센터, *과학기술연합대학원대학교 청정화학 및 생물학
Vacuum Stripping Process of CO
2from Aqueous Primary, Secondary, Tertiary Amine Solutions Using PDMS-PE Composite Membrane
Jeonghoon Kim*⋅Sung-Ryul Park*⋅Hyoseong Ahn⋅Soo-Bok Lee⋅Jeong-Hoon Kim Korea Research Institute of Chemical Technology, Environment and Resources Research Center
*University of Science and Technology, Green Chemistry and Environmental
Abstract
In this study, membrane vacuum stripping process was applied to desorption process for the purpose of the reduction of desorption energy in an amine absorption process. 30 wt%
of aqueous MEA (monoethanolamine), DEA (diethanolamine), TEA (triethanolamine) sol- ution were used as the absorbent and PE (polyethylene) was used as a support of compo- site membrane. PDMS (polydimethylsiloxane) knowing flaxable and high permeability was coated on the one side of PE support with desired thickness. The stripped CO2 fluxes were checked at various solution temperatures and vacuum pressures.
1. 서 론
최근 온실가스에 의한 기후변화 및 지구온난화 문제가 전 지구적 환경문제로 대두되면서 온실효과 기 여도의 60%를 차지하고 있는 이산화탄소를 처리, 저장하는 기술은 온실가스 저감을 위한 핵심 기술이 되고 있다. 그 중 대표적인 이산화탄소 처리 방법인 흡수공정의 기-액간의 접촉면적, 장치의 대형화 등 의 문제점을 보완하고자 흡수탑을 대신하여 PP막과 PVDF, PTFE 등을 이용한 막접촉기를 도입하는 연구가 활발히 이루어지고 있다[1-4]. 하지만 흡수공정에서 높은 운전비와 공정 에너지 소비의 대부분을 차지하는 탈거 분야의 분리막 적용 연구는 상당히 부족한 실정이다[5].
이에 본 연구에서는 알칸올 아민 수용액을 이용한 석탄화력발전소의 연소 후 CO2 회수 기술인 아민 흡수법 중 전체 운전비의 80% 가량을 차지하는 탈거에너지의 저감을 위해 새로운 탈거기술인 분리막을 이용한 감압탈거 기술을 제시하고자 한다. 막의 소재로는 소수성막인 PE (polyethylene)을 지지체로 하고 dense한 PDMS (polydimethylsiloxane)를 코팅하여 4 µm 두께의 복합막을 제조하여 본 실험에 적용하였다. 흡수액에 따른 탈거특성을 고찰하기 위하여 MEA (monoethanolamine), DEA (diethanolamine) 그리고 TEA (triethanolamine) 수용액을 사용하였으며 흡수용액의 CO2 함량(CO2 loading)에 따른 영향을 고찰하기 위하여 CO2 함량을 변화시켜 가며 실험을 진행하였고, 감압탈거 시의 진공측 압력은 60∼660 mmHg(abs)로 변화시키며 진공도에 따른 탈거특성을 연구하였다.
22 김정훈⋅박성률⋅안효성⋅이수복⋅김정훈
2. 실 험
충분한 CO2 공급상태를 유지하기 위하여 99% CO2 기체를 흡수챔버에 공급하여 원하는 CO2 흡수량 (loading)을 조절하였으며 흡수챔버에서 CO2를 흡수한 흡수액은 2개의 항온조를 거치며 원하는 탈거 온도로 조절하였다. 흡수액은 17.35 cm2(직경 4.7 cm)의 막면적을 갖는 분리막 모듈을 통과하며 CO2를 감압측으로 배출한 흡수액은 실온의 냉각수가 흐르는 열교환기를 거쳐 실온 근처까지 냉각된 후 다시 흡수챔버로 공급되도록 설계하였다.
Fig. 1. 감압탈거 분리막 실험 개략도.
분리막 모듈의 감압측으로 통과된 CO2는 0℃로 유지되는 트랩을 통과하며 함유된 물을 제거한 후 유 량계를 통과해 탈거되는 CO2의 유량을 확인한 후 GC를 통해 분석되었다. 감압측의 진공도는 진공조절 기를 사용하여 원하는 압력으로 조절되었다.
3. 결과 및 토론
도입 흡수제의 CO2 부하의 변화가 탈거 Flux에 미치는 영향을 알아보기 위하여 loading 값을 변화시 켜 탈거량을 측정하여 보았다.
0 100 200 300 400 500 600 700 0 10 20 30 40 50 60 70 8090 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200
60oC 80oC
vacuum pressure (torr, abs)
0 100 200 300 400 500 600 700 CO2 flux (mol/m2hr)
0 10 20 30 40 50 60 70 8090 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200
25oC 40oC 60oC 80oC
(a) CO2 loading 0.3 (b) CO2 loading 0.5 FIg. 3. 진공도에 따른 PDMS-PE 복합막을 통과한 CO2 플럭스.
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1,2,3차 아민수용액으로부터 PDMS-PE 복합막 접촉기를 이용한 이산화탄소 감압탈거
Fig. 3은 흡수제로 MEA 30% 수용액을 사용하고 CO2 부하량을 0.3과 0.5로 변화 시켜 측정한 결과를 나타내어 주고 있는데, loading 값이 커짐에 함에 따라 탈거량은 상당히 증가함을 확인 할 수 있다. 이는 부하량이 증가할수록 반응한 아민의 형태(RNH3+)가 증가하고 미반응된 아민(RNH2)은 감소하며 이에 따라 벌크 액상에서 CO2는 반응형태(HCO3-, CO3-)와 미반응 형태(CO2)모두가 증가하지만 미반응 형 태가 더 빠르게 증가하여 벌크액상의 CO2 농도가 증가하므로 물질 전달의 구동력이 커지게 되고 높은 이산화탄소 Flux로 나타나게 되는 것으로 판단된다.
vacuum pressure (torr, abs)
0 100 200 300 400 500 600 700 CO2 flux (mol/m2hr)
0 10 2030 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200
25oC 40oC 60oC 80oC
vacuum pressure (torr, abs)
0 100 200 300 400 500 600 700 CO2 flux (mol/m2hr)
0 10 2030 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200
25oC 40oC 60oC 80oC
(a) DEA 20% CO2 loading 0.5 (b) TEA 20% CO2 loading 0.5 Fig. 4. 진공도에 따른 PTFE 단일막을 통과한 CO2 플럭스
동일한 조건하에서 아민의 종류가 변화함에 따라서 PDMS-PE 복합막의 탈거능을 비교하기 위하여 흡수액으로 MEA, DEA, TEA 30 (wt%)을 사용하고, 30% 조건하에서 각각의 아민 수용액상의 온도 별 분압이 가장 높다고 알려져 있는 TEA를 사용할 경우 가장 높은 탈거 거동을 보이는 것을 확인할 수 있었다.
4. 결 론
흡수공정에서 탈거측에 막분리 공정을 도입한 결과, 이산화탄소 loading이 클수록 높은 탈거 성능을 보였으며 아민별 특성으로는 가장 탈거능이 우수 하다고 알려진 TEA가 막 탈거 공정에서 역시 가장 높은 이산화탄소 Flux를 보였으며 DEA, MEA 순으로 우수한 탈거능을 가지는 것을 확인할 수 있었다.
감사의 글
본 연구는 지식경제부의 지원을 받아 한국전력공사가 주관으로 하는 전력산업원천기술 개발사업 ‘습식 알카놀아민을 이용한 석탄화력 발전의 연소 후 CO2 분리회수 기술 개발’의 과제의 지원 아래 연구를 수행 하였습니다.
참고문헌
1. A. Mansourizadeh and A.F.Ismail, “Hollow fiber gas-liquid membrane contactors for acid gas capture:
A review”, Journal of Hazardous Materials 171, 2009, 38-53.
24 김정훈⋅박성률⋅안효성⋅이수복⋅김정훈
2. David deMontigny, Paitoon Tontiwachwuthikul and Amit Chakma, “Using polypropylene and poly- tetrafluoroethylene membranes in a membrane contactor for CO2 absorption”, Journal of Membrane Science 277, 2006, 99-107.
3. N.Nishikawa, M.Ishibashi, H.Ohata and N.Akutsu, “CO2 Removal by hollow fibers gas-liquid con- tactor”, Energy Convers. Manage 36, 1995, 415-418.
4. D.Wang, W.K, Teo and K.Li, “Selective removal of trace H2S from gas streams containing CO2 using hollow fiber modules/contactors”, Sep. purif. Technol 35, 2004, 125-131.
5. Sirichai Koonaphapdeelert, Zhentao Wu and K. Li, “Carbon dioxide stripping in ceramic hollow fiber membrane contactors”, Chemical Engineering Science, 64, 2009, 1-8.
