DFT를 통한 저수계 아민흡수제의 이산화탄소 포집 성능 평가 = DFT-Based Performance Evaluation of Water-Lean Amine Absorbents for CO2 Capture

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 DFT 를 기반으로 한 저수계 아민 흡수제의 이산화탄소 흡수 및 재생 성능을 평가한 연구이다. 이산화탄소(CO2) 포집을 위한 아민 흡수제는 우수한 흡수 성능을 나타내지만, 흡수제 재생과정에서 많은 에너지가 소비된다는 문제점이 있다. 본 연구에서는 이러한 재생에너지를 줄이기 위해 ether 가 포함된 아민 흡수제인 EDBEA 와 유기용매인 DEGMEE, 그리고 물을 혼합한 저수계 흡수제를 제안하였다. CO2 흡수 실험 결과, EDBEA 기반 흡수제의 CO2 흡수용량은 약 133gCO2/Lsolvent, 순환 흡수 용량은 약 121gCO2/Lsolvent 로 나타났다. 본 연구에서 제안한 흡수제의 실험결과를 산업적으로 널리 알려진 MEA 를 포함한 MAPA, AMP, DGA 와 비교하였다. 아울러 전자밀도를 기반으로 한 DFT 를 도입하여 아민 구조에 따른 흡수 및 재생 성능을 평가하였다. 우선, 아민의 흡수 성능을 평가하기 위해 ESP 분석을 통해 각 아민의 친핵성을 정량화 하였다. 아민과 CO2 의 반응은 산-염기 반응으로 아민의 친핵성이 높을수록 CO2 와의 반응성이 증가하여 흡수 성능이 높아진다. 또한, 아민과 CO2 의 중간 생성물인 양쪽성 이온(zwitter ion)과 염기로 작용하는 아민 사이의 양성자 전달이 이루어지는 지점을 식별하고, 그 지점에서의 전자 밀도와 에너지 밀도, 전자 국소화 정도를 정량적으로 비교하여 아민 흡수제 간의 흡수성능을 평가하였다. 추가로, 아민과 CO2 의 반응 경로에 따른 Relative gibbs energy 를 계산하여 카바메이트의 안정성을 비교하였 다. 아민과 CO2 의 최종산물인 카바메이트의 안정성이 높을수록 흡수제 재생과정에서 많은 에너지 가 소비되어 재생성능이 감소한다. 마지막으로, 재생성능을 평가하기 위한 방법으로 NCI 분석을 수행하였다. NCI 분석 방법은 수소결합, 분자간의 약한 인력을 나타 내는 반데르발스 힘, 척력을 나타내는 반발력 등 비공유 결합성 상호작용을 평가하고자 할 때 사용된다. 본 연구에서는 카바메이트 와 양성자화 된 아민이 존재하는 반응 최종단계에서 NCI 분석을 수행하여 비공유 결합성 상호작용을 시각화 하였다. 분석 결과, EDBEA 흡수제의 경우 CO2 와 반응하여 생성된 생성물들 내 또는 생성물들 간에 반데르발스 상호작용이 우세하게 나타남을 확인하였 다. 반데르발스 상호작용은 수소결합에 비해 약한 상호작용으로, 이는 생성물 단계에서 수소결합이 우세하게 나타나는 다른 흡수제에 비해 재생단계에서 더 적은 에너지로 분자 내 또는 분자 간 상호작 용을 끊어낼 수 있어 재생 성능이 높아질 수 있음을 의미한다. 결과적으로, EDBEA 에 존재하는 전기음성도가 큰 ether 의 산소 원자에 의해 질소원자 부근의 전자밀도가 감소하는 것을 확인하였다. 이는 CO2 와 반응하여 불안정한 카바메이트를 생성하고, 재생성능 향상에 기여함을 입증하였다.

목차 (Table of Contents)

• I. 서론 1
• 1. 이산화탄소 포집∙활용∙저장 기술 1
• 2. 아민을 이용한 이산화탄소 포집 공정 4
• 3. 아민 흡수제의 포집 특성 해석에 관한 DFT 선행 연구 11
• 4. 연구 목적 및 연구 범위 13
• II. 실험 장치 및 실험 방법 15
• 1. Materials 15
• 2. 실험 장치 및 실험 방법 19
• 3. 계산화학적 방법 21
• III. 실험결과 및 고찰 22
• 1. 아민 흡수제 CO2 흡수 및 재생 실험 결과 22
• 2. DFT 를 통한 흡수제의 CO2 흡수 성능 분석 26
• 2.1. ESP 분석 26
• 2.2. 전자 밀도 기반 양쪽성 이온의 양성자 전달 속도 비교 29
• 2.3. EDBEA 흡수제의 전자 밀도 분포 시각화 32
• 3. DFT 를 통한 흡수제의 CO2 재생 성능 분석 34
• 3.1. 상대적인 깁스 에너지 계산을 통한 재생 성능 평가 34
• 3.2. NCI(Non-Covalent Interaction) 분석 37
• 4. 13C NMR 분석을 통한 흡수제 내 카바메이트/바이카보네이트 정성 분석 42
• 5. EDBEA 가 포함된 저수계 아민 흡수제 제안 46
• IV. 결론 50