메탄 하이드레이트 생성 억제제로서의 이온성 액체

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Methane hydrate is formed under the low temperature and high-pressure conditions of deep-sea gas field environments, which causes pipeline plugging （flow assurance） problems during natural gas production and transportation. Various methane hydrate inhibitors have been used to solve this problem. However, conventional inhibitors have limitations such as high dosage requirements and environmental persistence. Therefore, the development of methane hydrate inhibitors that can simultaneously satisfy effective inhibition performance and environmental compatibility is required.
Various ionic liquids with different characteristics were compared in terms of their methane hydrate inhibition performance, and a natural polymer-based inhibitor was developed. The methane hydrate inhibition performance of various ionic liquids with hydrophilic and hydrophobic characteristics was compared, and the relationship between the structural characteristics of ionic liquids and inhibition performance was analyzed. In addition, surface modified ionic cellulose was synthesized using hydrophilic ionic liquids, and its applicability as an eco-friendly methane hydrate inhibitor was suggested.
The results suggested that hydrophilic ionic liquids provided superior inhibition performance compared with hydrophobic ionic liquids. Ionic liquids containing Cl⁻ as the anion showed better inhibition performance than ionic liquids containing BF₄⁻ as the anion, which is considered to be due to the stronger interaction with water molecules, effectively interfering with the hydrogen bonding required for methane hydrate formation. In addition, it was confirmed that the alkyl chain length of the cation also affects inhibition performance.
Surface modified ionic cellulose showed a methane hydrate formation delay effect compared with the pure water system. Although it showed lower inhibition performance than the representative commercial inhibitor PVCap （polyvinylcaprolactam）, the advantage of being a natural polymer-based material with high environmental compatibility was confirmed.
This study confirmed that the hydrophilicity resulting from the structural characteristics of ionic liquids is an important factor affecting methane hydrate inhibition performance and suggested the possibility that natural polymer-based materials utilizing these characteristics can be applied as environmentally friendly methane hydrate inhibitors.

국문 초록 (Abstract)

심해 가스전 환경인 저온·고압 조건으로 인해 메탄 하이드레이트가 생성되며, 이는 천연가스 생산 및 수송 과정에서 배관 막힘（flow assurance） 문제를 유발한다. 이러한 문제를 해결하기 위해 다양한 메탄 하이드레이트 억제제를 사용하고 있으나, 기존 억제제는 많은 사용량, 환경적 잔류 가능성과 같은 한계가 존재한다. 따라서 우수한 억제 성능과 환경친화성을 동시에 만족할 수 있는 신규 메탄 하이드레이트 억제제 개발이 요구된다.
다양한 특성의 이온성 액체의 메탄 하이드레이트 억제 성능을 비교하고, 천연 고분자 기반의 억제제를 개발하고자 하였다. 이를 위해 친수성 및 소수성 특성을 갖는 다양한 이온성 액체의 메탄 하이드레이트 억제 성능을 비교하였으며, 이온성 액체의 구조적 특성과 억제 성능 간의 상관관계를 분석하였다. 또한 친수성 이온성 액체를 활용하여 표면 개질 셀룰로오스（surface modified ionic cellulose, SMIC）를 합성하고, 친환경 메탄 하이드레이트 억제제로서의 적용 가능성을 평가하였다.
실험 결과, 친수성 이온성 액체가 소수성 이온성 액체 대비 우수한 억제 성능을 나타내었다. Cl⁻ 을 음이온으로 갖는 이온성 액체는 BF₄⁻ 을 음이온으로 갖는 이온성 액체보다 더 우수한 억제 성능을 보였으며, 이는 물 분자와의 강한 상호작용을 통해 메탄 하이드레이트 형성에 필요한 수소결합을 효과적으로 방해하였기 때문으로 판단된다. 또한 양이온의 alkyl chain 길이 역시 억제 성능에 영향을 미치는 것을 확인할 수 있었다.
표면 개질 셀룰로오스는 순수 물 시스템 대비 메탄 하이드레이트 생성 지연 효과를 나타내었다. 비록 대표적인 상용 억제제인 PVCap （polyvinylcaprolactam） 대비 낮은 억제 성능을 보였으나, 천연 고분자 기반 소재로서 높은 환경친화성을 가진다는 장점을 확인하였다.
본 연구는 이온성 액체의 구조적 특성에 따른 친수성이 메탄 하이드레이트 억제 성능에 중요한 인자임을 확인하였으며, 이를 활용한 천연 고분자 기반 물질이 친환경 메탄 하이드레이트 억제제로 활용될 수 있는 가능성을 제시하였다.

목차 (Table of Contents)

• I. 서 론 1
• 1. 연구 배경 1
• 2. 연구 목적 및 범위 4
• II. 문헌 고찰 5
• 1. 메탄 하이드레이트 5
• 2. 메탄 하이드 레이트 생성 억제제 8
• 2.1. 열역학적 억제제(Thermodynamic Hydrate Inhibitors (THIs)) 11
• 2.2. 미량 하이드레이트 억제제(Low Dosage Hydrate Inhibitor(LDHI)) 14
• 2.3. 신규 메탄 하이드레이트 억제제 개발의 필요성 17
• 3. 이온성 액체 19
• 3.1. 이온성 액체의 구조 19
• 3.2 이온성 액체의 특징 및 응용분야 22
• 3.3. 메탄 하이드레이트 억제제로서의 이온성 액체 24
• 4. 메탄 하이드레이트 억제제로서의 셀룰로오스 26
• III. 실험 및 결과 고찰 28
• 1.이온성 액체의 메탄 하이드레이트 억제 성능 평가 28
• 1.1. 이온성 액체 합성 28
• 1.2. 이온성 액체의 메탄 하이드레이트 억제 실험 40
• 2. 표면 개질 셀룰로오스의 메탄 하이드레이트 억제 성능 평가 50
• 2.1. 표면 개질 셀룰로오스 합성 50
• 2.2. 표면 개질 셀룰로오스의 메탄 하이드레이트 억제 실험 57
• I V. 결 론 65
• 참 고 문 헌 67