Part I. Synthesis, characterization and applications of solid adduct from various amines and carbon dioxide Part II. Development of CO2 absorbent based on aqueous hydrazine
- 발행기관 서강대학교 일반대학원
- 지도교수 허남회
- 발행년도 2016
- 학위수여년월 2016. 2
- 학위명 박사
- 학과 및 전공 일반대학원 화학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/sogang/000000058924
- 본문언어 한국어
- 저작권 서강대학교 논문은 저작권보호를 받습니다.
초록/요약
이 논문은 크게 두 개의 장으로 이루어져 있다. 첫 번째 장은 이산화탄소와 다양한 아민이 초임계 이산화탄소 하에서 반응하여 얻는 생성물인 solid addcuts 의 합성과 응용에 관한 내용이다. 다양한 종류의 solid addcuts 는 고압반응기에서 liquid 아민과 초임계 이산화탄소와의 반응으로 합성하며, 이렇게 합성된 solid adducts 는 상온에서 장기간 안정하며, 유독한 liquid 아민을 대체할 수 있는 유용한 물질로 기대가 된다. 이런 solid adducts 중 하나는 히드라진과 이산화탄소로부터 얻을 수 있는데, 이 물질은 NH3+NHCO2- 의 식을 가지며 최초로 히드라진과 이산화탄소와의 solid adducts를 밝혀냈다. 이 물질은 하얀 결정을 나타내며 상온에서 안정하며, liquid hydrazine 과 유사한 반응성을 나타낸다. Solid addcuts의 반응성을 확인해보기 위해서 mortar 와 pestle를 이용해서 aldehyde 혹은 graphene oxide를 solid addcuts 와 solid-state grinding 방법으로 반응하여 >97% 이상의 생성물을 선택적으로 얻을 수 있었다. 상온에서도 하루 안에 100%의 전환율을 보였으며, 반응 온도를 높였을 때 반응 속도가 급격하게 빨라지는 것을 확인할 수 있었다. 이와는 반대로, 용매 존재하 혹은 직접 반응으로 liquid amines 과 aldehyde 및 graphene oxide 와 반응을 했을 시, 다른 부생성물들이 생기거나 생성물의 특성이 떨어지는 결과를 얻을 수 있었다. 두 번째 장은 수화 히드라진이 새로운 이산화탄소 흡수제로서의 가능성을 제시한 내용이다. 히드라진(hydrazine, N2H4)은 32 g/mol 의 분자량을 갖는 가장 작은 다이아민(diamine)으로, absorption capacity, overall mass transfer coefficient, cyclic capacity, thermal stability 그리고 점도 등의 실험 및 분석을 통해서 히드라진의 새로운 이산화탄소 흡수제로서의 가능성을 제시했다. 히드라진은 작은 분자량으로 때문에 높은 absorption capacity를 보였다. 또한 수화 히드라진 (32 wt%)의 overall mass transfer coefficient 는 이산화탄소 흡수제로 가장 많이 사용되고 있는 monoethanolamine (MEA, 30 wt%, 이하 MEA) 보다 약 2.9배 정도 큰 값을 가졌고, 이는 수화 히드라진의 이산화탄소 흡수 속도가 상당히 빠르다는 것을 설명해주는 결과이다. 게다가, 수화 히드라진의 cyclic capacity 는 MEA와 견줄만한 결과를 보였고, 3번 연속 사이클 실험(흡수-탈착 3번 반복) 후에도 성능에 큰 차이가 없는 것을 봤을 때 열적으로도 안정하다는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 이점들은 결국 전기 비용을 줄일 수 있는 결과를 가져올 것으로 예상할 수 있었다. 이러한 결과들을 바탕으로 수화 히드라진이 연소-후 이산화탄소 포집 공정에서 전도유망한 흡수제로서 가능함을 확인할 수 있었다.
more초록/요약
This thesis is composed of two chapters. In the first chapter, synthesis and application of solid adducts with respect to CO2 utilization, by definition, is a reaction with various amines and CO2. Various solid adducts were prepared from the reactions of liquid amines with supercritical carbon dioxide in an autoclave and these carbamates were used as stable, efficient alternatives for toxic liquid amines. One of solid adducts is composed of hydrazine and CO2. The product, formulated as NH3+NHCO2-, is a white crystalline powder that is quite stable but is as reactive as liquid hydrazine. Solid-state grindings of addcuts and aldehydes or graphene oxide, using a mortar and pestle, produced imines or reduced graphene oxide as the sole products in greater than 97% yields. Complete conversions were generally accomplished within a day at 25 oC with outusing solvents or additives. Reaction rates were drastically enhanced upon increasing reaction temperatures. In contrast, reactions of aldehydes or graphene oxide with liquid amines in the presence of solvent or in neat conditions afforded products in moderate yields along with byproducts. The second chapter deals with aqueous hydrazine as a promising candidate for capturing carbon dioxide. Hydrazine (N2H4), which is the simplest diamine, was investigated for its viability of aqueous hydrazine in terms of its absorption capacity, overall mass transfer coefficient, cyclic capacity, thermal stability, and viscosity. It has a high CO2 absorption capacity due to its low molecular weight. The overall mass transfer coefficient of aqueous hydrazine (32 wt %) is about 2.9 times higher than that of the benchmark monoethanolamine (MEA, 30 wt %), indicating that the absorption rate of CO2 in aqueous hydrazine is remarkably fast. Furthermore, the cyclic capacity of aqueous hydrazine is comparable to that of MEA. Aqueous hydrazine has demonstrated the ability to capture and release CO2 for three cycles without changing its absorption capacity. In addition, aqueous hydrazine does not show any indication of thermal degradation up to 90 oC. These advantages could lead to a substantial reduction of the cost of electricity, making aqueous hydrazine a promising new sorbent for post-combustion CO2 capture applications.
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