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금속-유기 골격계 다공성 흡착제의 이산화탄소 흡착성능과 압력순환흡착 공정 적용의 문제점
김문현(Moon Hyeon Kim),최상옥(Sang Ok Choi),추수태(Soo Tae Choo) 한국청정기술학회 2013 청정기술 Vol.19 No.4
본 논고에서는 가스 흡착·분리 산업에서 광범위하게 적용되고 있는 압력순환흡착(pressure swing adsorption, PSA) 기술의 전형적인 흡착조건인 15~40 ℃의 온도와 4~6 bar의 압력에서 금속-유기 골격체(metal-organic frameworks, MOF)와 제올라이트 이미다졸레이트 골격체(zeolite imidazolate frameworks, ZIF)의 CO₂ 흡착성능을 살펴보고 이들이 가지고 있는 장·단점을 분석해보고자 한다. CO₂는 H₂, CO, N₂ 및 CO₂와 같은 기체분자들에 비해 큰 분극률을 가지므로 동일한 세공크기라면 흡착제의 비표면적이 클수록 높은 흡착량을 보이며, CO₂의 분자크기(3.3 Å)보다 큰 세공으로 이루어진 흡착제라면 상기 흡착조건에서의 CO₂ 흡착성능은 세공크기에 크게 영향을 받는다. MOF와 ZIF의 CO₂ 흡착성능은 이들의 골격을 이루는 금속과 유기 링커의 종류, 세공크기, 비표면적, 흡착조건(온도와 압력) 등에 따라 달라질 수 있지만, 특히 흡착압력의 영향이 절대적이다. 다시 말하면, CO₂의 흡착압력이 비슷할 경우 MOF와 ZIF의 CO₂ 흡착량에 미치는 상기 인자들의 영향은 비교적 작다. 15 bar 이상의 CO₂ 흡착압력에서 이 흡착제들이 수 십 mmol/g의 흡착성능을 나타낸다고 할지라도, 전형적인 PSA 공정조건에서 이들의 CO₂ 흡착성능은 제올라이트, 활성탄과 같은 벤치마크 흡착제들의 성능과 유사하거나 오히려 낮을 뿐만 아니라, 이들의 가격은 벤치마크들에 비해 매우 높기 때문에 경제성 확보에 어려움이 있다. This review has shown the capability of MOFs and ZIFs materials to adsorb CO₂ under typical PSA temperatures and pressures. The usual operating conditions are adsorption temperatures of 15~40 ℃ and adsorption pressures of 4~6 bar based on numerous PSA processes which are widely employed in gases industry for adsorptive separation of CO₂. The extent of CO₂ adsorption on the microporous materials depends on the metal species and organic linkers existing in the frameworks. The pore size and the surface area, and the process variables are the key parameters to be associated with the efficiency of the adsorbents, particularly adsorption pressures if other variables are comparable each other. The MOFs and ZIFs materials require high pressures greater than 15 bar to yield significant CO₂ uptakes. They possess a CO₂ adsorption capacity which is very similar to or less than that of conventional benchmark adsorbents such as zeolites and activated carbons. Consequently, those materials have been much less cost-effective for adsorptive CO₂ separation to date because of very high production price and the absence of commercially-proven PSA processes using such new adsorbents.
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CO/CO<sub>2</sub> 분리를 위한 MOF 기반 흡착제 개발
김진수 한국공업화학회 2019 한국공업화학회 연구논문 초록집 Vol.2019 No.1
철강산업의 부생가스는 CO, CO<sub>2</sub>, N<sub>2</sub> 등이 주 성분이다. 부생가스 중 CO를 발전 및 열원으로 활용할 경우 발열량은 낮은대 비해 CO<sub>2</sub> 배출량은 매우 높아진다. 따라서, CO를 선택적으로 분리 회수할 경우 온실가스 배출을 저감할 뿐 아니라 다양한 화학제품의 원료로 사용이 가능하다. 현재 CO 분리회수에는 심냉법, 화학흡수법, VPSA 등이 응용되고 있으며, 기존 방법중 투자비, 운전비, 운전의 용이성 등을 고려하면 중간 규모 이하에서는 VPSA가 가장 경쟁력이 있다. 현재 CO/CO<sub>2</sub> 분리를 위한 흡착제 개발에 대한 연구는 초기 단계이며, 보고된 대부분 CO 선택적 흡착제는 제올라이트, 활성탄, 알루미나 등의 다공성 지지체에 Cu를 도핑하여 사용된다. 본 연구에서는 매우 큰 비표면적과 기공 구조 제어가 용이하고 다양한 기능성을 부여할 수 있는 MOF 재료를 기반으로 CO에 대한 흡착 선택성을 갖는 흡착제를 연구하였다. 적절한 기공 크기와 높은 비표면적을 갖는 MIL-100(Fe), MIL-101(Cr) 등의 MOF 재료를 합성하고, 이의 기공을 Cu로 함침하여 CO/CO<sub>2</sub> 흡착 분리 성능을 조사하였다.
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올레핀/파라핀 분리를 위한 유무기 하이브리드 다공체 기반 흡착제
배윤상 한국공업화학회 2019 한국공업화학회 연구논문 초록집 Vol.2019 No.1
올레핀/파라핀 분리는 산업적으로 매우 중요한 분리 이슈들 중의 하나이지만, 현재는 마땅한 대안의 부재로 인해 에너지 집약적인 극저온 증류 기술이 사용되고 있다. 따라서, 에너지 절약적인 흡착 분리 기술에 대한 관심이 오래 전부터 있어 왔지만, 현재까지는 선택도, 흡착용량, 상온/상압 재생, 안정성 등을 모두 갖춘 흡착제가 개발되지 못한 상황이다. 본 발표에서는 여러 흥미로운 성질들로 각광받고 있는 metal-organic framework (MOF) 기반 올레핀/파라핀 분리 흡착제 개발 연구들을 소개하고자 한다. 올레핀/파라핀 분자들의 크기 차이를 이용한 속도론적 분리를 위한 기공크기 조절 전략 및 올레핀/파라핀 분자들의 전자적 성질 차이를 이용한 열역학적 분리를 위한 기공 내 다양한 흡착 싸이트 도입 전략 등에 대한 최근 연구들을 발표하고자 한다.
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