4A의 효율성 향상

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 12533(2023) 이 기사 인용

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이 연구는 테트라에틸렌펜타민(TEPA) 및 디에탄올아민(DEA) 함침을 통한 구조적 변형을 사용하여 카올린에서 합성된 4A-제올라이트의 CO2 흡착 용량을 최적화하는 데 중점을 둡니다. 이러한 수정의 효과를 평가하기 위해 다양한 분석 기술이 활용되었습니다. 데이터 분석 및 작동 변수 최적화를 위해 설계 전문가 소프트웨어 및 반응 표면 방법론(RSM)이 사용되어 변형된 제올라이트의 CO2 흡착 성능이 향상되었습니다. 변형된 제올라이트의 흡착 용량은 테스트 장치를 사용하여 다양한 온도, 압력 및 아민 농도에서 평가되었습니다. 4A-DEA 흡착제의 최적 흡착 용량은 579.468mg/g인 것으로 나타났으며, 최적 작동 변수는 온도 25.270°C, 압력 8.870bar, 아민 농도 11.112wt%를 포함합니다. 분석에 따르면 흡착 과정에는 물리흡착과 화학흡착이 모두 포함되며 가장 좋은 동역학 모델은 부분 인자 모델입니다.

대기 중 CO2 수준의 상승은 지구 기후 변화와 환경 위험에 대한 중요한 관심사입니다. 2100년에는 연간 260억 톤으로 증가할 수 있습니다. 결과적으로 이 예측은 환경적 관점에서 CO2 포집과 흡착을 우선시하는 것이 중요하다는 점을 강조했습니다1. 대기 중으로 CO2가 지속적으로 방출되면서 기온 상승, 해수면 상승, 기상 이변의 빈번한 발생 등 지구 기후에 장기적인 변화가 발생했습니다. CO2 분리를 위한 4가지 기본 방법인 흡수, 흡착, 극저온 및 막 기술이 등장했습니다2,3. 적합한 CO2 포집 기술의 선택은 CO2의 출처, 포집 프로세스의 규모, 포집된 CO2에 대한 원하는 순도 수준, 포집된 CO24의 계획된 적용을 포함하는 여러 요소에 따라 달라집니다. 현재 CO2 포집을 위해 흡수 및 흡착이 널리 사용되는 방법인 반면, 극저온 및 막 기술은 아직 초기 개발 단계에 있습니다5. 연구자들은 배출을 완화하는 수단으로 CO2를 흡수하는 다양한 방법론을 조사하는 데 적극적으로 참여하고 있습니다6. CO2를 흡착하기 위해 제올라이트7, 실리카8, MOF9, 탄소10, 폴리머11과 같은 다공성 물질이 사용되어 왔으며, 각각의 장점과 단점이 있습니다.

제올라이트는 자연적으로 발생하거나 합성될 수 있는 결정 구조를 가진 물질입니다12. 알루미노실리케이트 미네랄을 함유하고 있으며 잘 조직된 기공과 채널을 가진 독특한 3차원 골격을 나타냅니다. 제올라이트는 TO4(여기서 T는 실리카 및 알루미늄일 수 있음)로 형성된 기공과 채널을 포함하는 견고한 프레임워크를 갖춘 결정 구조를 가지고 있습니다. 알루미늄 원자는 산소를 끌어당겨 양이온 전달을 위한 탁월한 장소를 생성합니다13. 제올라이트 구조의 양이온은 CO2를 제올라이트로 끌어당길 수 있기 때문에 CO2 포집에 중요한 역할을 합니다6. 제올라이트는 높은 표면적, 적절한 기공 크기, 우수한 열적 및 화학적 안정성을 갖춘 유망한 CO2 흡착제입니다14. 다양한 유형의 제올라이트가 산업 공정에서 생성된 CO2 가스를 흡착하는 잠재력을 평가하기 위해 철저한 조사를 거쳤습니다. Zeolite 4A15, zeolite 13X16, ZK-517, ZSM-518, β-zeolite19 및 Na-X20은 CO2 포집과 관련된 응용 분야에서 잠재력을 입증한 제올라이트 유형 중 하나입니다. 이러한 제올라이트는 독특한 기공 구조, 상당한 표면적 및 탁월한 열 안정성을 갖고 있어 CO2 흡착에 매우 바람직한 선택이 됩니다. Zeolite 13X는 CO221에 대해 탁월한 선택성을 보여주었습니다. ZK-5는 CO222에 대한 흡착 특성을 향상시키기 위해 변형될 수 있는 독특한 새장형 구조를 가지고 있습니다. 유사하게, ZSM-523과 β-zeolite24는 연구에서 상당한 CO2 흡착 능력을 나타냈습니다. 또한 Na-X는 우수한 안정성과 재생 특성을 보여주었습니다. Zeolite 4A는 골격 내에 알루미늄 원자가 존재하기 때문에 흡착 부위가 상당히 집중되어 있는 것이 특징입니다. 이러한 사이트는 CO2 분자에 대한 강력한 친화력을 나타내어 가스의 효과적인 포집 및 보유를 촉진합니다.