계면활성제 및 이산화탄소 연속 주입을 활용한 탄소 저감 기술

강석구,정종원 한국지반환경공학회 2024 한국지반환경공학회논문집 Vol.25 No.3

이산화탄소 포집 및 지중 저장을 위해 유망한 지질학적 구조로는 대수층, 폐유전 및 가스전 등이 존재한다. 이 중 대수층은 다른 지질학적 구조에 비해 많은 양의 이산화탄소 저장이 가능한 것으로 판단됨에 따라 그 관심이 증가하고 있으며, 대수층의 특성을 반영하여 이산화탄소 저장 효율 향상을 위한 기술 개발이 필요한 실정이다. 따라서, 본 연구에서는 음이온성 계면활성제를 활용하여 공극수가 존재하는 마이크로모델 내 계면활성제 선 주입 후 초임계 이산화탄소 후속 주입에 따른 이산화탄소 저장 효율 평가를 수행하였다. 그 결과 선 주입되는 계면활성제 수용액의 농도가 증가함에 따라 이산화탄소 저장 효율이 개선되며, 농도가 낮을수록 이산화탄소 저장 효율 개선을 위한 더 많은 계면활성제의 주입이 필요한 것으로 나타난다. 또한 동일한 계면활성제 농도 조건에서 선행 연구의 계면활성제-초임계 이산화탄소 치환보다 계면활성제 선 주입 방식에서 이산화탄소 저장 효율은 약 30% 낮은 값을 나타내며, 본 연구의 최대 농도 조건에서 선행 연구와 유사한 이산화탄소 저장 효율을 나타낸다. 이러한 결과는 향후 대수층 내 이산화탄소 저장 효율 향상을 위한 계면활성제 적용 시 농도 결정에 활용될 것으로 기대된다. Promising geological structures for carbon dioxide capture and subsurface storage include aquifers, depleted reservoirs, and gas fields. Among these, aquifers are gaining attention due to their potential for storing significant amounts of carbon dioxide compared to other geological structures. Therefore, there is a growing interest in enhancing carbon dioxide storage efficiency by understanding the characteristics of aquifers and developing technologies tailored to their properties. In this study, the storage efficiency of carbon dioxide injection following surfactant pre-injection into porous micro-models was evaluated. The results indicate that as the concentration of the surfactant solution injected prior to carbon dioxide injection increases, storage efficiency improves. Conversely, lower concentrations require more surfactant injection to enhance storage efficiency. Furthermore, under identical surfactant concentration conditions, the storage efficiency from surfactant pre-injection prior to supercritical carbon dioxide injection is approximately 30% lower compared to surfactant-co-solvent substitution as observed in previous studies. However, under the maximum concentration conditions investigated in this study, similar storage efficiencies to those of previous studies were achieved. These findings are expected to guide concentration determinations for surfactant application aimed at enhancing carbon dioxide storage efficiency in aquifers in future studies.

초임계 염색 기술

김태완(Taewan Kim),박건환(Geonhwan Park),공원배(Wonbae Kong),이윤우(Youn-Woo Lee) 한국청정기술학회 2018 청정기술 Vol.24 No.1

환경 오염에 대한 사회적 요구가 증가하고 염색 공정 폐수 배출에 대한 규제가 강화되면서 기존 수계 염색에서 발생하는 다량의 폐수와 에너지 낭비를 근본적으로 해결하기 위한 대안으로 초임계 염색 공정이 주목 받고 있다. 초임계 염색 공정에서는 기존 수계 염색에서 염색 용매인 물 대신 이산화탄소만을 사용하기 때문에 발생하는 폐수가 전혀 없고 미 고착 염료와 이산화탄소를 재사용 할 수 있다는 점에서 친환경적이다. 또한 염색 이후 추가적인 건조공정 없이 건조된 섬유를 얻을 수 있어 에너지 소비를 줄일 수 있다. 본 논문에서는 먼저 초임계 염색 공정의 발전배경과 현재 우리나라에서의 연구를 정리하였으며 초임계 염색의 원리와 기존 수계염색과의 장단점을 비교 설명하였다. 원리를 보다 자세히 설명하기 위해 초임계 이산화탄소와 염료 사이의 용해도를 비롯해 초임계 이산화탄소와 섬유에서 염료의 분배계수 및 물질전달 연구를 정리하였고, 현재 연구의 한계점과 연구방향을 제시하였다. 또한 초임계 염색 설비 내에서의 염료의 동적거동에 대하여 토의하였으며 전세계적으로 개발된 초임계 염색 설비를 정리하였다. 마지막으로 현재 초임계 염색 공정의 최적화와 폴리에스터를 제외한 다른 합성섬유와 천연섬유에 적용하기 위해 필요한 연구개발 방향을 제시하였다. As the social demands for environmental pollution increase and regulations on the dyeing process wastewater are strengthened, supercritical dyeing process has been attracting attention as an alternative technology to reduce wastewater and energy consumption. In the supercritical dyeing process where carbon dioxide is used as a solvent instead of water as a solvent, there is no wastewater generated. The unfixed dyes can be reused later which makes the process environment-friendly. Also, after dyeing process, dried textiles can be obtained without additional drying process, which makes the process energy efficient. In this article, we have summarized the development of the supercritical dyeing process along with the research in Korea today and compared the principle of supercritical dyeing process with conventional dyeing process. To further explain the principle, studies of the distribution factor and mass transfer of dyes in supercritical carbon dioxide and fibers, as well as solubility between supercritical CO2 and dyes are discussed. The dynamic behavior of dyes in supercritical dyeing apparatus and summary of the supercritical dyeing facilities developed around the world are also discussed. Finally, we suggest the direction of research and development for optimization of supercritical dyeing process and application to synthetic fibers and natural fibers except for polyester.

해양 지중저장층내 초임계 CO₂ 유동에 대한 전산모사

최항석(Hang Seok Choi) 大韓環境工學會 2011 대한환경공학회지 Vol.33 No.4

이산화탄소의 해양 지중저장에 대한 전산모사를 위해 실제 이산화탄소가 저장되는 해양 지중 저장층에 대한 3차원 전산모형을 개발하였다. 특히, 실제 저장층의 3차원 구조를 모사하기 위하여 공극의 크기를 불규칙(random)적으로 부여하는 수치적 방법을 고안하여 3차원 전산모형을 구성하였고, 이를 균일한 공극 구조의 경우와 비교하였다. 이렇게 구성된 3차원 공극모형 내의 초임계 이산화탄소 유동을 시뮬레이션하기 위하여 전산유체역학을 사용하였다. 이러한 초임계 이산화탄소의 시뮬레이션에는 실제 저장층의 환경 즉 온도 및 압력을 동일하게 모델링하여 적용하였다. 공극 구조가 CO₂의 유동에 미치는 영향을 살펴보기 위해, 세 가지 형태의 3차원 전산모형의 공극 구조 내부를 흐르는 초임계 이산화탄소 유동에 대한 수치해석을 수행하였으며, 특히 3차원 전산모형의 내부유동에 대한 압력강하 및 투수율을 계산하여 본 모형이 해양 지중저장의 전산모사에 적합한지를 판단하고, 이산화탄소 유량 증가에 따른 초임계 이산화탄소 유동의 특성을 살펴보았다. In the present study, a 3-dimensional (3D) numerical model was developed to mimic the micro porous structure of a geological CO₂ storage reservoir. Especially, 3D modeling technique assigning random pore size to a 3D micro porous structure was devised. Numerical method using CFD (computational fluid dynamics) was applied for the 3D micro porous structure to calculate supercritical CO₂ flow field. The three different configurations of 3D micro porous model were designed and their flow fields were calculated. For the physical conditions of CO₂ flow, temperature and pressure were set up equivalent to geological underground condition where CO₂ fluid was stored. From the results, the characteristics of the supercritical CO₂ flow fields were scrutinized and the influence of the micro pore configuration on the flow field was investigated. In particular, the pressure difference and consequent CO₂ permeability were calculated and compared with increasing CO₂ flow rate.

부분 유입 노즐을 적용한 초임계 이산화탄소 발전용 초고속 터보발전기 개발 연구

조준현(Junhyun Cho),신형기(Hyung-ki Shin),강영석(Young-Seok Kang),김병휘(Byunghui Kim),이길봉(Gilbong Lee),백영진(Young-Jin Baik) 대한기계학회 2017 大韓機械學會論文集B Vol.41 No.4

초임계 이산화탄소 발전사이클의 다양한 특성을 분석하기 위하여 Sub-kWe급의 소형 실험장치를 설계, 제작하였으며, 터보발전기를 개발하였다. 초임계 이산화탄소 발전용 터빈에서는 팽창비가 작고, 유량이 작기 때문에 터보발전기의 회전수가 높아지게 되고, 이에 따라 회전 부품의 선정, 터빈 공력설계, 축력 및 회전체 동역학 설계가 어려워지게 된다. 이에 터보발전기의 회전수를 줄이기 위하여 노즐의 여러 채널 중 1개의 노즐만 사용하는 부분유입 방법을 세계 최초로 초임계 이산화탄소 발전용 터보발전기에 적용하였으며, 회전체의 진동을 측정하여 부분유입 노즐을 적용함에도 회전체 안정성은 허용 범위내에 있음을 확인하였다. A Sub-kWe small-scale experimental test loop was manufactured to investigate characteristics of the supercritical carbon dioxide power cycle. A high-speed turbo-generator was also designed and manufactured. The designed rotational speed of this turbo-generator was 200,000 rpm. Because of the low expansion ratio through the turbine and low mass flowrate, the rotational speed of the turbo-generator was high. Therefore, it was difficult to select the rotating parts and design the turbine wheel, axial force balance and rotor dynamics in the lab-scale experimental test loop. Using only one channel of the nozzle, the partial admission method was adapted to reduce the rotational speed of the rotor. This was the world’s first approach to the supercritical carbon dioxide turbo-generator. A cold-run test using nitrogen gas under an atmospheric condition was conducted to observe the effect of the partial admission nozzle on the rotor dynamics. The vibration level of the rotor was obtained using a gap sensor, and the results showed that the effect of the partial admission nozzle on the rotor dynamics was allowable.

디클로로메탄과 초임계 이산화탄소의 혼합용매에서 Simvastatin 약물의 상거동과 초임계 역용매 공정을 이용한 Simvastatin 약물 미세입자의 제조

오동준(Dong-Joon Oh),이병철(Byung-Chul Lee) 한국청정기술학회 2007 청정기술 Vol.13 No.1

고지혈증 치료제로 잘 알려져 있는 난용성 약물인 심바스타틴(simvastatin)을 대상으로 디클로로메탄을 용매로 사용하고 초임계 이산화탄소를 역용매로 사용하는 초임계 역용매 재결정법에 의해 약물 미세입자를 제조할 때, 운전 조건을 설정하는데 활용될 수 있는 가이드 라인을 제공하기 위하여 simvastatin/디클로로메탄/초임계 이산화탄소 3성분계 혼합물의 상거동을 연구하였다. 가변부피 투시 셀이 장착된 고압 상평형 장치를 사용하여 여러 가지 조건에서 3성분계 혼합물의 구름점(cloud point)을 측정함으로서 디클로로메탄과 초임계 이산화탄소의 혼합용매에서 simvastatin의 용해도를 온도, 압력, 용매 조성의 함수로 결정하였다. 주어진 온도에서 Simvastatin 약물의 용해도는 디클로로메탄의 조성과 압력이 증가할수록 온도가 감소할수록 증가하였다. 상거동 데이터를 바탕으로 교반기가 설치된 실린더 모양의 고압 용기에서 초임계 역용매 재결정 공정을 이용해 simvastatin 약물을 미세입자로 제조하는 연구를 수행하였다. 운전 조건인 압력 (8~12 ㎫), 온도 (303.15 K, 313.15 K), 이산화탄소 공급 속도, 교반 속도 (최대 3,000 rpm)를 변화시키면서 simvastatin 미세입자를 제조함으로써 재결정되는 약물 입자의 크기와 모양에 미치는 공정 변수들의 영향을 관찰하였다. Phase behavior of the ternary systems of water-insoluble simvastatin drug, which is well known to be effective drugs for hypercholesterolemia therapy, in solvent mixtures of dichloromethane and supercritical carbon dioxide was investigated to present a guideline of establishing operating conditions in the particle formation of the drugs by a supercritical anti-solvent recrystallization process utilizing clichloromethane as a solvent and carbon dioxide as an anti-solvent. The solubilities of simvastatin in the mixtures of clichloromethane and carbon dioxide were determined as functions of temperature, pressure and solvent composition by measuring the cloud points of the ternary mixtures at various conditions using a high-pressure phase equilibrium apparatus equipped with a variable-volume view cell. The solubility of the drug increased as the dichloromethane composition in solution and the system pressure increases at a fixed temperature. A lower solubility of the drug was obtained at a higher temperature. The second half of this work is focused on the particle formation of the simvastatin drug by a supercritical anti-solvent recrystallization process in a cylindrical high-pressure vessel equipped with an impeller. Microparticles of the simvastatin drug were prepared as functions of pressure (8 ㎫ to 12 ㎫), temperature (303.15 K, 313.15 K), feed flow rate of carbon dioxide, and stirring speed (up to 3000 rpm), in order to observe the effect of those process parameters on the size and shape of the drug microparticles recrystallized.

초임계 이산화탄소 이중 브레이튼 사이클 개발 연구

백영진(Young-Jin Baik),나선익(Sun Ik Na),조준현(Junhyun Cho),신형기(Hyung-Ki Shin),이길봉(Gilbong Lee) 대한기계학회 2016 大韓機械學會論文集B Vol.40 No.10

초임계 이산화탄소 사이클은 소형화 및 효율 향상에 대한 잠재력 때문에 최근 관심이 증가하고 있으며, 원자력, 태양열(CSP) 및 화력 발전 분야에서 활발히 연구되고 있다. 이와 관련하여, 본 논문에서는 한국에너지기술연구원(KIER)의 초임계 이산화탄소 동력 사이클 연구 내용과 현황을 소개하였다. 1 단계 연구에서는 단순 초임계 브레이튼 사이클 실험 루프를 제작 및 시운전 하였으며, 현재 진행중인 2 단계 연구에서는 두개의 터빈과 두개의 재생기를 갖는 초임계 이중(dual) 브레이튼 사이클을 설계 및 제작하고 있다. 최적 설계를 위한 초임계 이중 브레이튼 사이클 모델링 및 시뮬레이션 결과, 본 연구에서 고려한 조건하에서, 사이클의 순출력을 극대화시키는 설계 변수가 존재함을 확인하였다. Because of the growing interest in supercritical carbon dioxide power cycle technology owing to its potential enhancement in compactness and efficiency, supercritical carbon dioxide cycles have been studied in the fields of nuclear power, concentrated solar power (CSP), and fossil fuel power generation. This study introduces the current status of the research project on the supercritical carbon dioxide power cycle by Korea Institute of Energy Research (KIER). During the first phase of the project, the un-recuperated supercritical Brayton cycle test loop was built and tested. In phase two, researchers are designing and building a supercritical carbon dioxide dual Brayton cycle, which utilizes two turbines and two recuperators. Under the simulation condition considered in this study, it was confirmed that the design parameter has an optimal value for maximizing the net power in the supercritical carbon dioxide dual cycle.

초임계 이산화탄소 및 유기용매를 이용하여 추출된붕장어(Conger myriaster) 오일의 품질특성

박진석,조연진,정유린,전병수 한국청정기술학회 2019 청정기술 Vol.25 No.4

In this study, the extraction of Conger myriaster oil by using supercritical carbon dioxide (SC-CO2) and organic solventwas investigated. The extraction conditions conducted for SC-CO2 varied for pressure (25, 30 MPa) and temperature (45, 55 ℃),while the SC-CO2 flow rate was kept constant during the experiment (27 g min-1) and hexane was used as a conventional organicsolvent. The extraction yield indicated that the best extraction condition would be SC-CO2 at 55 ℃ and 30 MPa, resulting in thehighest yield of 37.73 ± 0.14%. The oils were characterized for their fatty acid (FAs) composition using gas chromatography, whileit was revealed that the major FAs were mystric acid, palmitoleic acid, oleic acid, electroosapentaenoic acid (EPA), anddocosahexaenoic acid (DHA). The oxidation stability of the extracted C. myriaster oil was evaluated by measuring the acid value,peroxide value, and free fatty acid. The best oxidative stability was obtained from SC-CO2 extracted oil at 30 MPa and 55 ℃. There was a significant difference in the color properties of the SC-CO2 and hexane extracted oils, with the SC-CO2 extractedoil showing better chromaticity than the oil extracted using hexane. Extracting oils from C. myriaster with SC-CO2 could bringbetter economic benefits than using organic solvents. When supercritical carbon dioxide was used, there was no post-treatmentprocess; thus, it was confirmed that this is a more environmentally friendly oil extraction method. 본 연구는 초임계 이산화탄소 및 유기용매를 이용하여 동결건조된 붕장어로부터 초임계 이산화탄소 및 유기용매를 이용하여 오일을 추출하고 그 특성을 파악하였다. 초임계 이산화탄소의 경우 압력(25, 30 MPa) 및 온도(45, 55 ℃) 조건을 변화시켜실험을 수행하였으며, 초임계 이산화탄소의 유량(27 g min-1)은 실험 중 일정하게 유지되었다. 유기용매로는 헥산(hexane)을사용하였다. 오일 추출 수율의 경우 55 ℃, 30 MPa에서 추출한 오일이 37.73 ± 0.14%로 가장 높은 수율을 나타내었다. 추출된 오일의 지방산 조성은 가스 크로마토그래피를 이용하여 분석하였으며, mystric acid, palmitic acid, palmitoleic acid, oleicacid, eicosapentaenoic acid (EPA), docosahexaenoic acid (DHA)가 붕장어 오일의 주요 지방산으로 확인되었다. 산가, 과산화물가 및 유리지방산을 측정함으로써 추출된 붕장어 오일의 산화 안정성을 평가하였으며, 55 ℃, 30 MPa에서 추출한 오일로부터 최상의 산화 안정성을 확인하였다. 소비자들의 선호도에 직접적인 영향을 끼치는 색도의 경우는 초임계 이산화탄소를통해 추출된 오일이 유기용매를 이용하여 추출된 오일보다 뛰어난 색도를 나타냄을 확인할 수 있었다. 붕장어로부터 초임계 이산화탄소를 이용하여 오일을 추출하게 되면 유기용매를 사용한 방법보다 더 나은 경제적 이익을 가져올 수 있으며, 초임계 이산화탄소를 이용할 경우 후처리 공정이 없기 때문에 더 친환경적인 오일의 추출법임을 확인하였다.

세계 최초 축류형 초임계 이산화탄소 터빈 발전기 시험운전

백영진(Young-Jin Baik),조준현(Junhyun Cho),신형기(Hyung-Ki Shin),조종재(Jongjae Cho),노철우(Chul Woo Roh),이길봉(Gilbong Lee),이범준(Beomjoon Lee),최봉수(Bongsoo Choi),강영석(Youngseok Kang),허재성(Jaesung Huh) 대한기계학회 2018 대한기계학회 논문집. Transactions of the KSME. C, 산업기술과 혁신 Vol.6 No.2

초임계 이산화탄소(sCO2) 발전기술은 소형화 및 고효율 잠재력 때문에 최근 관심이 증가하고 있으며, 화력, 원자력 및 태양열(CSP) 등 재생에너지 발전 분야에서 활발히 연구되고 있다. 한국에너지기술연구원은 향후 재생에너지 분산발전 적용을 목표로 지난 2013 년 연구에 착수, 3 기의 터빈과 2 기의 시험 루프를 개발하였으며, 특히 최근에는 축류형 sCO2 터빈 발전기를 개발 및 시험운전 하였다. 기존연구와는 달리, 본 연구에서는 터빈을 축류 충동형으로 설계하여 축력을 줄이고자 하였으며, 마찰손실 감소를 위하여 씰과 누설 관리 시스템을 도입하였다. 시험운전 결과, 205℃/100 bar 입구 조건에서 터빈운전이 가능함을 확인하였으며, 최대 11 kWe 의 출력을 얻었다. 이것은 초임계 이산화탄소를 작동유체로 하는 축류형 터빈으로서는 세계 최초의 실험 결과이다. Because of the growing interest in supercritical carbon dioxide power cycle technology owing to its potential enhancement in compactness and efficiency, supercritical carbon dioxide (sCO2) power generation technology has been studied in the fields of fossil fuel power, nuclear power, and renewable power generation such as concentrated solar power (CSP). Targeting renewable distributed power generation applications, Korea Institute of Energy Research (KIER) has been developing three sCO2 turbines and two test loops, since 2013. Recently, KIER built and tested an axial sCO2 turbine generator. In contrast to previous studies, KIER designed the turbine as an axial impulse type to reduce the axial force and introduced a mechanical seal and leakage management system to reduce windage loss. Initial test results showed that the turbine can be operated at the inlet conditions of 205℃/100 bar while the maximum power output of 11 kWe was obtained, which is the world"s first test result of an axial turbine in the area of sCO2 technology.

수평관 내에서 이산화탄소 초임계가스냉각 과정의 열전달 및 압력강하 특성에 관한 실험적 연구

최이철,강병하,김석현 대한설비공학회 2004 설비공학 논문집 Vol.16 No.5

The heat transfer and pressure drop characteristics associated with the gas cooling of the supercritical carbon dioxide in a horizontal tube have been investigated experimentally. This problem is of particular interest in the design of a gas cooler of cooling systems using CO2 refrigerant. The test section is consisted of 6 series of 455 mm in length, 4.15 mm ID copper tube, respectively. The effects of the inlet temperature, pressure and mass flow rate on the heat transfer and pressure drop of CO2 in a horizontal tube is studied in detail. The heat transfer coefficient of CO2 is varied by temperature, inlet pressure, and mass flow rate of CO2. This has maximum value at near the pseudocritical temperature. The pressure drop is changed by inlet pressure and mass flow rate of CO2. The results have been compared with those of previous work. The heat transfer correlation at the supercritical gas cooling process is also suggested.

초임계 이산화탄소를 이용한 2-Hydroxypropyl-β-Cyclodextrin 미립자와 이부프로펜과의 포접복합체 제조

유종훈(Jong-Hoon Ryu) 한국청정기술학회 2013 청정기술 Vol.19 No.3

초임계 이산화탄소를 역용매로 이용하는 aerosol solvent extraction system (ASES) 방법을 사용하여 HP-β-CD 미립자를 제조하였으며, 공정변수가 입자의 크기와 형태에 미치는 영향을 조사하였다. 또한, 초임계 이산화탄소를 이용하여 이부프로펜과 HP-β-CD의 포접복합체를 제조하였으며, ASES 공정에 의해 변형된 HP-β-CD의 입자 형상이 포접효율에 미치는 영향에 대해 고찰하였다. ASES 공정으로 제조된 HP-β-CD 미립자는 50~200 nm 크기의 나노 입자들이 응집된 입자 형상을 나타내었다. 에탄올 수용액을 HP-β-CD의 용매로 사용한 경우 구형의 입자가 제조되었으며, 물의 양이 증가함에 따라 입자의 크기가 증가하였다. 초임계 이산화탄소를 이용해 고체상태에서 이부프로펜/HP-β-CD 포접복합체를 제조하는 경우 초임계 ASES 방법에 의한 미세입자화 공정을 통해 포접효율을 향상시킬 수 있는 가능성을 확인하였다. The microparticles of 2-hydroxypropyl-β-cyclodextrin (HP-β-CD) were prepared using aerosol solvent extraction system (ASES) by employing supercritical carbon dioxide as an antisolvent, The effects of various process parameters such as temperature, pressure, solution concentration and solution flow rate on the formation of HP-β-CD microparticles were investigated. The HP-β-CD microparticles prepared by the ASES process were observed to consist of agglomerates of nano-sized (50-200 nm) particles. When an aqueous solution of ethanol was used as a solvent for HP-β-CD, the HP-β-CD particles were found to be spherical in shape and to become larger as the water content increased. It was confirmed that the micronization of HP-β-CD using the ASES process could enhance the inclusion efficiency of ibuprofen/HP-β-CD complexes significantly.