에테르계 유기용매를 도입한 저수계 상분리 흡수제의 이산화탄소 흡수 특성 = Absorption Characteristics of Carbon Dioxide by ether-Based Water-Lean Biphasic Absorbents

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 에테르계 유기용매를 도입한 저수계 상분리 흡수제의 스크리닝 및 이산화탄소 흡수 성능에 관한 연구이다. 산업 활동으로 인한 인위적인 CO2 배출 증가는 지구 온난화의 주요 원인으로 기후 변화에 큰 영향을 미치고 있다. 아민 기반 화학 흡수를 이용한 연소 후 CO2 포집 기술은 높은 포집 효율과 기술적 성숙도로 인해 가장 유망한 CO2 저감 대안으로 평가된다. 그러나 기존 아민 수용액은 흡수제 재생 과정에서 상당한 에너지가 요구된다는 한계가 있다. 본 연구에서는 이러한 문제를 개선하기 위해서 물의 일부를 유기용매로 대체한 저수계 상분리 흡수제를 개발하였다. 주 흡수제로는 MEA (Monoethanolamine)를 사용하였고 서로 다른 극성을 가진 5종의 에테르계 유기용매를 첨가하여 상분리 거동과 CO2 흡수 특성을 평가하였다. CO2 흡수 전에는 단일상이지만 CO2 흡수 후 액-액 상분리가 발생하는 흡수제 중에서 CO2 흡수 특성과 성능을 고려하여 DEGMBE (Diethylene glycol monobutyl ether)를 최적의 상분리 유도제로 선정하였다. MEA와 CO2의 반응으로 생성된 카바메이트는 물에 대한 용해도는 높지만 DEGMBE에 대한 용해도가 낮아 CO2가 풍부한 CO2 농축상과 CO2가 희박한 CO2 희박상으로 구분되는 상분리가 발생하였다. CO2 농축상인 하부상에서는 CO2 흡수가 진행됨에 따라 카바메이트가 가수분해되어 바이카보네이트로 전환되는 현상이 13C NMR 분석을 통해 확인되었다. 저수계 상분리 흡수제는 CO2 농축상만을 탈거탑으로 이송하여 재생되므로, 탈거탑으로 유입되는 흡수제의 유량이 감소하고 CO2 농축 및 바이카보네이트 전환을 통해 높은 흡수 용량을 가질 수 있다. 최적의 조성인 30 wt% MEA/50 wt% DEGMBE/H2O 흡수제는 약 40 cP의 낮은 점도를 유지하면서 30 wt% MEA 수용액 대비 2.1배 높은 CO2 흡수 용량과 약 52% 낮은 재생에너지를 나타내었다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Anthropogenic CO2 emissions from industrial activities are a major driver of global warming and strongly impact climate change. Post-combustion CO2 capture using amine-based chemical absorption is considered one of the most promising technologies due to its high capture efficiency and technological maturity. However, the substantial energy demand for solvent regeneration remains a critical limitation. In this study, a water-lean biphasic solvent system was developed by partially replacing water with an organic solvent to mitigate the high regeneration energy of conventional amine solutions. MEA (Monoethanolamine) was used as the primary absorbent, and five ether-based organic solvents with varying polarity were introduced to investigate their phase separation behavior and CO2 absorption characteristics. Among these, DEGMBE (Diethylene glycol monobutyl ether) was identified as the optimal phase separation inducer based on CO2 absorption performance and viscosity. The carbamate generated from MEA-CO2 reaction showed high solubility in water but limited solubility in DEGMBE, thereby inducing phase splitting into a CO2-rich lower phase and a CO2-lean upper phase. 13C NMR analysis confirmed that carbamate species formed by the reaction of MEA and CO2 were subsequently hydrolyzed into bicarbonate in the CO2-rich phase. Since only the CO2-rich phase is sent to the stripper for regeneration, the circulation flow rate of the absorbent is reduced, leading to higher absorption capacity through CO2 enrichment and bicarbonate formation. The optimized 30 wt% MEA/50 wt% DEGMBE/H2O absorbent maintained a low viscosity of approximately 40 cP and achieved a CO2 absorption capacity 2.1 times higher than that of 30 wt% MEA aqueous solution, while reducing the regeneration energy by approximately 52%.

목차 (Table of Contents)

• I. 서론 1
• 1. 연구 배경 1
• 2. 연구 목적 및 연구 범위 7
• II. 이론적 배경 8
• 1. 아민 기반 흡수제 8
• 2. 상분리 흡수제 13
• III. 실험 물질 및 실험 방법 17
• 1. 실험에 사용된 물질 17
• 2. 실험 장치 20
• 3. 실험 방법 22
• IV. 연구 결과 및 고찰 23
• 1. 상분리 흡수제 스크리닝 23
• 2. MEA/DEGMBE/H2O 흡수제의 CO2 흡수 성능 28
• 2.1. CO2 흡수 평형 28
• 2.2. 반응 생성물 및 상분리 메커니즘 35
• 2.3. 재생에너지 계산 39
• V. 결론 43