알킬 사슬 길이가 다른 이미다졸리움 양이온을 포함한 이온성 액체와 이산화탄소 이성분 혼합물의 기포점 측정 = Bubble point measurement for binary mixture of CO2 and ionic liquids containing Imidazolium cation with different Alkyl chain length

국문 초록 (Abstract)

최근 환경에 대한 인식이 높아짐에 따라서 친환경적인 청정화학에 많은 관심과 노력을 기울이고 있다. 기후변화 대응을 위한 온실가스 배출을 줄이는 방법으로 여러 가지 CO2 포집기술을 연구하고 있다. 아민계 액상 흡수제를 이용한 흡수방법이 현재 가장 많이 이용되고 있는 기술이다. 하지만 아민은 부식성이고 많은 용매의 손실이 발생할 뿐만 아니라, 수용액을 사용할 때 에너지 측면에서의 단점이 존재한다. 그 대안으로 다양한 CO2 포집기술에 관한 연구가 진행되고 있는데 그 중 하나는 이온성 액체를 이용한 CO2 포집기술이다. 이온성 액체는 비휘발성, 무독성, 비가연성, 열적안정성 등 독특한 성질을 갖고 있어서 광범위한 화학분야에 응용될 수 있다. 다양한 분야에서 연구가 진행되고 있는 이온성 액체와 이산화탄소 계를 이해하기 위해서는 기본적으로 이산화탄소의 용해도 자료가 밑바탕 되어야 한다.
본 연구에서는 이온성 액체 1-Ethyl-3-methylimidazolium Tetrafluoro-
borate, 1-Hexyl-3-methylimidazolium Tetrafluoroborate, 1-Hexyl-2,3-dimethylimidazolium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide 그리고 1-Octyl-2,3-dimethylimidazolium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide와 이산화탄소 혼합물의 여러 가지 이산화탄소 몰분율에서 bubble point 압력을 측정하여 이온성 액체와 이산화탄소의 혼합물에서 이산화탄소의 상거동을 알아보았다.
또한 음이온을 Tetrafluoroborate로 고정하고 양이온을 1-Ethyl-3-methylimidazolium과 1-Hexyl-3-methylimidazolium로 변화릉 주어 알킬 사슬 길이가 다른 imidazolium양이온을 포함하는 이온성 액체가 이산화탄소 흡수에 미치는 영향을 알아보았다. 또 다른 실험으로 음이온을 bis(trifluoromethylsulfonyl)imide로 고정하고 양이온을 1-Hexyl-2,3-dimethylimidazolium과 1-Octyl-2,3-dimethylimidazolium으로 변화를 주어 알킬 사슬 길이가 다른 imidazolium양이온을 포함하는 이온성 액체가 이산화탄소 흡수에 미치는 영향을 알아보았다.
그 결과 음이온을 Tetrafluoroborate로 고정하였을 경우 HMIM[BF4]가 EMIM[BF4] 보다 용해도가 크게 나타난 것을 확인할 수 있었고 음이온을 bis(trifluoromethylsulfonyl)imide로 고정하였을 때 낮은 이산화탄소 몰분율에서는 [ODMIM] > [HDMIM] 순으로 이산화탄소 용해도가 크게 나타났으나 이산화탄소 몰분율 0.75이상에서는 [HDMIM] > [ODMIM] 순으로 이산화탄소 용해도가 크게 나타났다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Recently, as the environmental awareness has increased, there are much effort and interest in environmentally friendly clean chemistry and technology. As an area of clean chemistry, a variety of CO2 collection technologies are being researched as the means to reduce greenhouse gas emissions to react to climate changes. The absorption method using an amine-type liquid absorbent is the most widely used technology as of now. Amine, however, is corrosive and a large loss of solvent occurs along with energy-wise shortages when using aqueous solutions. Hence, as an alternative, There are researches on various CO2 collection technologies in progress including ionic liquids. Ionic liquid has unique characteristics such as non-volatility, non-toxicity, non-flammability, and thermal stability so that it can be applied to a wide area of chemistry. In order to understand this ionic liquid and carbon dioxide system for which studies are in progress in various areas, basically the phase behavior data of various ionic liquids and carbon dioxide is required.
In this study, ionic liquids of 1-ethyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate, 1-hexyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate, 1-hexyl-2,3-dimethylimidazolium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide, and 1-octyl-2,3-dimethylimidazolium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide and carbon dioxide mixtures were used for bubble point pressure measurement at various carbon dioxide mole fractions to find out phase behavior for the mixture of ionic liquids and carbon dioxide.
As far as the counterpart of cation is concerned, the anion was fixed to tetrafluoroborate and the cation was changed from 1-ethyl-3-methylimidazolium to 1-hexyl-3-methylimidazolium to find out the influence of ionic liquid containing imidazolium cation with different alkyl chain lengths on carbon dioxide absorption. For another experiment, the anion was fixed to bis(trifluoromethylsulfonyl)imide and the cation was changed from 1-hexyl-2,3-dimethylimidazolium to 1-octyl-2,3-dimethylimidazolium to find out the influence of ionic liquid containing imidazolium cation with different alkyl chain lengths on carbon dioxide absorption.
As a result when an anion was fixed to Tetrafluoroborate, HMIM[BF4] was showed higher solubility than EMIM[BF4], and when an anion was fixed to bis(trifluoromethylsulfonyl)imide, in low carbon dioxide mole fraction, carbon dioxide solubility was higher in the order of ODMIM[Tf2N] > HDMIM[Tf2N]. However, when carbon dioxide mole fraction was above 0.75, results were in order of HDMIM[Tf2N] > ODMIM[Tf2N], revealing high carbon dioxide solubility. The experiment was executed in the temperature range from 288K to 328K.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서 론 1
• 1.1 이산화탄소 포집기술 1
• 1.2 이산화탄소 포집 흡수법의 종류와 특성 4
• 1.2.1 물리적 흡수 4
• 1.2.2 화학적 흡수 5
• 1.2.3 이온성 액체 6
• 1.3 연구 배경 및 목적 10
• 2. 실 험 13
• 2.1 실험 재료 13
• 2.2 실험 장치 16
• 2.3 실험 방법 18
• 3. 결 과 및 토 의 19
• 3.1 이산화탄소와 EMIM[BF4] 혼합물에서 이산화탄소의 용해도 측정 19
• 3.1.1 이산화탄소와 EMIM[BF4] 혼합물에서 이산화탄소의 용해도 측정결과 21
• 3.2 이산화탄소와 HMIM[BF4] 혼합물에서 이산화탄소의 용해도 측정 26
• 3.2.1 이산화탄소와 HMIM[BF4] 혼합물에서 이산화탄소의 용해도 측정결과 28
• 3.3 이온성 액체 EMIM[BF4]와 HMIM[BF4]의 양이온에 따른 이산화탄소 용해 도 비교 31
• 3.4 이산화탄소와 HDMIM[Tf2N] 혼합물에서 이산화탄소의 용해도 측정 33
• 3.4.1 이산화탄소와 HDMIM[Tf2N] 혼합물에서 이산화탄소의 용해도 측정결과 35
• 3.5 이산화탄소와 ODMIM[Tf2N] 혼합물에서 이산화탄소의 용해도 측정 39
• 3.5.1 이산화탄소와 ODMIM[Tf2N] 혼합물에서 이산화탄소의 용해도 측정결과 41
• 3.6 이산화탄소와 HDMIM[Tf2N] ODMIM[Tf2N]의 양이온에 따른 이산화탄소 용해도 비교 45
• 3.7 이산화탄소와 EMIM[BF4],HMIM[BF4] 혼합물의 VLLE 상거동 측정 47
• 4. 결 론 49
• 5. 참고문헌 51
• 영 문 요 약 54
• 부 록 56
• 감사의 글 100