Al2O3 첨가에 의한 Li4SiO4계 CO2 흡수제의 특성변화 연구
A Study on the properties of Al2O3 added Li4SiO4 CO2 sorbent
- 주제(키워드) 도움말 Carbon dioxide , CO2 capture and storage , Post-combustion capture , Solid sorbents , High-temperature sorbents , Lithium silicate , Lithium aluminate
- 발행기관 서강대학교 일반대학원
- 지도교수 윤경병
- 발행년도 2016
- 학위수여년월 2016. 2
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 화학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/sogang/000000059020
- 본문언어 한국어
- 저작권 서강대학교 논문은 저작권보호를 받습니다.
초록/요약
에너지 소비의 80%가 화석연료에 의존하고 있으며 화석연료의 연소 시에 발생되는 CO2는 지구 전체의 온난화 문제를 야기하고 있으므로 CO2 포집 및 저장을 위한 기술이 필요한 시점이다. CO2 포집을 위하여 에너지 교환형 다단 CO2 포집공정에 적용 가능한 고온용 건식흡수제 개발연구가 수행되고 있으나 CaO는 재생온도가 900℃ 이상으로 높고, Li2Zr2O3는 흡수속도가 매우 낮다는 문제점이 있다. 반면, Li4SiO4는 CO2 흡수능이 높고 흡수속도가 빠르며, 재생온도가 750℃ 이하로 낮기 때문에 고온영역 CO2 흡수제로 적합하다고 판단되어지나 합성된 Li4SiO4 성형흡수제는 마모강도가 낮고 CO2 흡수∙탈착 실험이 반복될수록 응집현상이 심해지며 소결이 진행되어 재생안정성이 낮다는 문제점이 있다. 따라서, 본 연구에서는 Li4SiO4에 Al2O3를 첨가하여 CO2는 흡수하지 않지만 구조적 틀로 작용할 수 있는 LiAlO2 생성을 유도하였다. 이때 구형의 SiO2-Al2O3 입자에 Li2CO3를 확산시키는 방법을 사용하였으며, Li2CO3 : SiO2 : Al2O3 mole ratio = 1.6+X : 1 : X의 조성으로 Al2O3 몰 비율을(X = 1.37, 0.59, 0.25) 조절하여 합성하였다. Al2O3를 첨가한 Li4SiO4 흡수제의 물리∙화학적 특성변화를 XRD, SEM, TGA, BET, CO2 흡수∙탈착 반복실험, Attrition장치 등을 사용하여 분석하였다. Al2O3 첨가로 인해 Li4SiO4 입자 사이에 LiAlO2가 생성되므로 반복적인 CO2 흡수∙탈착 실험이 진행되어도 흡수제의 소결현상이 개선되며, 흡수능에 큰 변화 없이 높은 재생안정성을 갖고 있음을 확인하였다. 또한, Al2O3의 몰 비율이 증가할수록 생성되는 LiAlO2 양이 많아지므로 입자간의 응집현상과 마모강도가 개선되었다. 그러나, CO2 흡수∙탈착 온도영역이 500-750℃인 기존의 Li4SiO4 흡수제와 달리 Al2O3를 첨가한 흡수제는 500-850℃의 넓은 온도범위로 바뀌며 Al2O3 몰 비율이 증가할수록 전체 흡수제에 차지하는 LiAlO2의 비율이 많아지고 Li4SiO4의 비율이 감소하기 때문에 흡수능이 낮아지는 경향성을 보였다.
more초록/요약
Current world’s energy consumption largely depends on fossil fuels. In fact, about 80% of the total consumption comes from fossil fuels and a immense amount of CO2 produced from the heavy use is causing the global warming. Therefore, it is important to develop a CO2 sorption and storage technology. Although many high temperature sorbents are under development for applications in CO2 capture technology using energy exchangeable fluidized-bed, these sorbents have limitations such as a high regeneration temperature above 900℃ for CaO and a very slow sorption rate for Li2Zr2O3. On the other hand, Li4SiO4 has features suitable for a high temperature CO2 sorbent including a high CO2 sorption capacity, a fast sorption rate, and a lower regeneration temperature below 750℃. However, synthesized Li4SiO4 shaped sorbent also has problems like low attrition resistance and low regeneration stability caused by aggregation and sintering after repeated sorption/desorption cycles. In this study, we added Al2O3 to Li4SiO4 to form LiAlO2 which acts as a structural framework. During the synthesis, we dispersed Li2CO3 on spherical SiO2-Al2O3 particles with various mole ratios of Li2CO3 : SiO2 : Al2O3 to be 1.6+X : 1 : X (X=1.37, 0.59, 0.25). Then we analyzed physical and chemical properties of Al2O3 added Li4SiO4 sorbent with XRD, SEM, TGA, BET, CO2 absorption and desorption cycles, and attrition tester. We confirmed that the addition of Al2O3 resulted in LiAlO2 formation in between Li4SiO4 particles and the formed LiAlO2 suppressed the sintering even after repeated sorption/desorption cycles. We observed that as the Al2O3 mole ratio increased, aggregation between particles decreased and the attrition resistance was improved while the sorption capacity decreased due to the increased amount of LiAlO2. Also after the Al2O3 addition, the sorption/desorption temperature range was widened from 500-750℃ to 500-850℃. In conclusion, by adding Al2O3 to Li4SiO4, we successfully developed a CO2 sorbent with high regeneration stability which has stable sorption capacity during repeated sorption/desorption cycles.
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