CO2 capture via a direct mineralization and potential applications

Abstract

이 연구의 목적은 이산화탄소 포집 및 전환 공정을 개발하기 위한 것으로서, 직o간접적인 방법을 통하여 이산화탄소의 수준을 낮추고 얻어진 물질의 화학, 환경 공정에 적용하고자 하였다. 직접적인 이산화탄소 광물화는 기체상의 이산화탄소를 무기재료 중 하나인 탄산칼슘으로 전환하는 방법을 제시하였으며, 간접적인 이산화탄소 광물화는 이산화탄소 포집제를 도입하는 방안을 도입하고자 하였다. 첫째로, 기체상의 이산화탄소를 금속 필로실리케이트를 이용하여 탄산칼슘으로 전환하고, 특성분석을 수행하였다. 둘째로, 탄산나트륨을 활용하기 위한 방안으로 바이오매스를 유용 산물로 전환하는데 이용하고자 하였으며 이를 자원순환과 왕겨의 통합적 활용에 주안을 두었다. 셋째로, 암모니아를 이용하여 이산화탄소를 이용하되 이를 탄산암모늄으로 전환하여 연료전지 테스트를 수행하였으며, 다양한 촉매 조성을 개발하여 귀금속 함량을 낮춤과 동시에 전기화학적인 활성을 개선하고자 하였다. 본 논문은 이산화탄소 광물화와 이산화탄소의 산업 분야로의 이용과 같이 2 분야로 나뉠 수 있다. Chapter 2 에서는, 이산화탄소를 탄산이온으로 전환가능한 탄산화 촉매인 마그네슘 필로실리케이트 (Mg-APTES)를 개발하였으며, 이의 이용 가능성을 탐색하였다. 표면 특성 분석을 통하여 라멜라 구조를 가짐과 동시에 이산화탄소를 포집할 수 있는 아민기를 가지고 있으며, 제조된 마그네슘 필로실리케이트는 기체상의 이산화탄소를 탄산수소이온으로 전환하는 것을 확인하였다. 또한, 칼슘 이온이 공급됨에 따라 탄산칼슘이 형성되는 것을 확인하였다. 이 연구결과는 새로운 형태의 탄산화 물질로서, 이산화탄소 포집에 사용될 수 있는 좋은 후보 촉매로 제시될 수 있다. 한편, 마그네슘 필로실리케이트의 이용가능성을 증대시키기 위하여, 천과 나일론을 선정하여 이산화탄소 전환 성능을 가지는 물질의 고정가능성을 시험하였다. 졸-겔법에 의하여 직물 표면에 고정된 금속 필로실리케이트에 대한 메커니즘 설명하였으며, 특성 분석을 수행하였다. 결과적으로, 얻어진 결과는 이산화탄소의 광물화가 이산화탄소를 포집하는데 유용한 옵션이 될 수 있음을 나타내며, 특히 신축성 소재에 고정하여도 이용할 수 있음을 제시하였다. Chapter 3 에서는, 전기투석 공정으로부터 유래된 탄산나트륨을 바이오매스 처리 촉매로 이용하는 것을 나타내었다. 왕겨는 자원 순환의 관점에서 바이오매스로 도입되었으며, 연속적인 이산화탄소 포집 및 담수화 과정으로부터 얻어지는 탄산나트륨을 이용하였다. 왕겨는 대표적인 탈곡 과정에서 얻어지는 목질계 바이오매스 자원으로서 적절한 처리를 통하여 포도당, 바이오오일, 실리카로 전환하였다. 처음에, 왕겨는 탄산나트륨을 이용하여 전처리를 수행하였으며, 탄산나트륨 농도 (1-3%), 온도 (100-160 ºC), 반응 시간 (15-45 분)과 같은 반응 조건에 대해 평가를 수행하였다. 낮은 당화 효율을 극복하기 위한 방안으로, 리퀴팩션 공정을 당화에 참여하지 않은 잔여 왕겨에 대하여 수행하였으며, 페놀계 화합물, 에스테르 및 산을 포함하는 바이오오일을 제조하였다. 왕겨에 축적된 실리카를 회수하기 위하여, 리퀴팩션으로부터 얻어지는 잔여 고형분에 대하여 600 ºC에서 탄화시켜 잔여 탄소 성분을 제거하였다. 왕겨를 구성하는 유기, 무기 성분을 적절한 형태로 전환하였으며, 이러한 결과는 왕겨가 적절한 전처리, 리퀴팩션 및 직접 탄화에 의하여 유용한 산물로 전환될 수 있음을 의미한다. Chapter 4 에서는, 암모니아를 이산화탄소 포집제로 활용하였으며, 얻어진 화합물을 대체 수소 에너지 자원으로 활용하고자 하였다. 이로부터 이동성 향상을 위한 에너지 밀도를 개선시켰으며, 저장 안정성을 증대시켰다. 이 연구에서는, 암모니아와 이산화탄소 포집 반응으로부터 얻어질 수 있는 여러 화합물의 전기화학적 특성을 다양한 금속 촉매 (Pt, Pd, Ag, Au, Ir 및 Ru) 에 대하여 반전지 테스트를 수행하여 평가하였다. 탄산 암모늄은 암모니아와 비교하였을 때 약 75% 정도의 활성도를 나타내었다 (질산암모늄과 동일한 정도). 이러한 개선의 관점에서, 탄산 암모늄은 암모니아가 갖는 고유의 문제점인 이동성, 유출 가능성을 이산화탄소 포집의 방법을 통하여 해결할 수 있다...