저농도 이산화탄소 포집용 흡착제 제조 및 등온흡착 모델식 연구 = Preparation of solid sorbents and Isotherm adsorption modeling for low level CO2

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In this work, a commercial zeolite was physically impregnated with alkali hydroxides(LiOH, NaOH and KOH) for adsorption of low concentration carbon dioxide. The adsorption amount of carbon dioxide in a PSA process was evaluated under various experiment conditions. Adsorption test was performed with different CO2 inlet concentrations (3000, 6000, 7500, 9000 ppm) and temperatures(298, 305, 313, 328 K). Adsorption amount of Li-Ze and Na-Ze was larger than K-Ze and raw zeolite 13X for low level carbon dioxide. The adsorption amount of the sorbents was higher at increasing CO2 concentration and at low temperature. The adsorption amount of modified sorbents was evaluated by using a few isotherm models such as Lanmuir, Freundlich, Sips, Toth equation. Amongst them, Sips equation was found to be the best fit to the experimental data, of which model would show heterogeneous adsorption characteristics on the sorbent surface. However, a large deviation from the experimental values was seen in a low pressure region. In order to simplify the calculation, qm could be a function of gas concentration and temperature, so that the equation variables were reduced and thereby the final form because a linear function. such a transformation would lower the errors in a low pressure region.

국문 초록 (Abstract)

실내공기 중 이산화탄소의 농도가 증가하게 되면 두통, 호흡곤란 등의 인체에 영향을 미치기 때문에 실내공기질을 판단하는 중요한 지표가 되고 있다. 본 연구에서는 저농도 이산화탄소를 흡착제어하기 위한 방법으로 기존의 상용제올라이트와 알칼리금속 수산화물(LiOH, NaOH, KOH)를 물리적 함침법으로 개질하였다. 이 시료를 이용하여 PSA공정을 통하여 흡착조건별 이산화탄소 흡착량을 산정하였다.
흡착은 상온에서 농도를 조절하여 공기와 혼합한 이산화탄소의 농도가 3000ppm, 6000ppm, 7500ppm, 9000ppm일 때와 3000ppm에서 혼합가스의 온도가 298K, 305K, 313K, 328K일 때로 조절하여 실험 하였다. 실험결과 흡착조건에서 LiOH와 NaOH를 혼합한 시료가 KOH와 상용 제올라이트 13X보다 저농도 이산화탄소의 흡착효율이 높은 것을 나타났다. 그리고 농도가 증가함에 따라 고압부의 흡착량 증가가 크게 일어나는 것을 확인하였으며, 온도의 증가에 따라서는 흡착량이 감소하는 것을 관찰하였다.
이 실험 결과값과 Langmuir, Freundlich, Sips, Toth 등온흡착식을 이용하여 개질된 제올라이트의 흡착량을 산정해 보았다. 그 결과 불균질 흡착표면에서의 흡착 특성을 나타내는 Sips 식이 실험값과 가장 유사함을 보였다. 그러나 Sips식과의 대입결과 저압부에서 오차가 많이 발생하였다.
이를 개선하기 위하여 Sips 식의 3가지 변수중에서 단일 흡착점에서 최대 흡착량을 나타내는 qm값을 온도에 관련된 함수 형태로 변형시켰다. 이를 통하여 식의 변수를 2개로 즐어들게 함으로써 선형방정식으로 변형이 가능해 졌으며, 저압부에서 오차도 줄일 수 있었다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ.서 론 1
• 1.1 연구배경 1
• 1.1.1 실내공기 중 이산화탄소 1
• 1.1.2 이산화탄소 제어기술 3
• 1.2 연구목적 및 연구방향 7
• 1.2.1 흡착제 개질 7
• 1.2.2 PSA 공정에서의 흡착능 평가 8
• 1.2.3 개질된 흡착제의 흡착량 예측을 위한 등온흡착식 개선 9
• Ⅱ. 이론적 배경 11
• 2.1 가스 흡착제의 특성 11
• 2.2 등온흡착식 18
• 2.3 PSA 공정 24
• 2.4 기기분석 27
• Ⅲ. 실험방법 및 장치 31
• 3.1 시험용 흡착제 제조 31
• 3.2 CO2 유입농도에 따른 흡착능 산정 34
• 3.3 반응온도에 따른 흡착능 산정 36
• Ⅳ. 결과 및 고찰 37
• 4.1 흡착제 물성분석 및 고찰 37
• 4.2 CO2 흡착능 평가 43
• 4.2.1 함침이온에 따른 흡착능 비교 43
• 4.2.2 유입가스 농도영향 45
• 4.2.3 유입가스 온도영향 65
• 4.3 등온흡착 modeling 연구 80
• Ⅴ. 결 론 90
• Ⅵ. 부호설명 93
• Ⅶ. 참고문헌 94
• 부록 101
• Abstract 115