기획특집 : 이온성액체 백일현 정순관 박기태한국에너지기술연구원온실가스연구단 Developing Direction and Trend of Ionic Liquid Technology for Capturing Carbon Dioxide Il Hyun Baek, Soon Kwan Jeong, and Ki Tae Park Greenhous Gas Research Center, Korea Institute of Energy Research, 152 Gageong-ro, Yuseong-gu, Daejeon 305-600, Korea Abstract: 화석연료사용으로부터발생되는이산화탄소는지구온난화를유발시키고있으며이를저감하기위한방법으로이산화탄소포집및저장기술이이용되고있다. 본기술중이산화탄소포집은대부분의처리비용을차지하고있어이에대한혁신적인기술개발이필요하다. 이온성액체는화학적안정성, 낮은부식성, 낮은증기압, 높은이산화탄소용해도등으로인한차세대이산화탄소흡수제로대두되고있다. 따라서선진국을중심으로집중적인연구가수행되고있으며국내에서많은연구가수행되었다. 본고에서는이산화탄소포집용흡수제로부각되고있는이온성액체에대한국내외연구개발방향및동향에대하여살펴보고자한다. Keywords: ionic liquid, carbon dioxide, capture 1. 서론 1) 산업공정에서대량으로발생되는이산화탄소는지구온난화를유발시키는주범으로이에대한배출억제를통한지구의지속가능한발전이가능할것이다. 따라서이산화탄소배출을저감시키기위하여 Figure 1과같이크게 3가지기술분야로구분할수있다. 이산화탄소무배출및화석에너지를사용할때발생되는이산화탄소를줄이는이산화탄소저감기술과발생된이산화탄소를처리하는이산화탄소포집및저장 (CCS, Carbon dioxide capture & storage) 기술로구분된다. 그림에서보는바와같이저감기술중탄소함량을줄이는방법으로신재생에너지, 원자력, 저탄소원료사용을들수있으며, 또한에너지효율향상방법으로수요자와공급자간의에너지사용을절약하 주저자 (E-mail: ihbaek@kier.re.kr) 는기술이다. 이와같은이산화탄소저감기술이최상의온실가스저감기술이나본기술로는이산화탄소저감목표달성을위한기술적한계로인하여, 최종적으로화석연료를사용하고배출되는이산화탄소를대기로부터장기간격리시켜대기중농도를낮춤으로써지구온난화를완화시키는기술을적용하여야한다. 보다구체적으로, CCS 기술은 Figure 2와같이화석연료사용에따라발생된이산화탄소를분리하고회수하는포집과포집된이산화탄소를저장소까지이동하는수송기술및수송된이산화탄소를지중또는해양에주입하여격리시키고감시하는과정으로구분할수있다. CCS 처리의전체비용중에서이산화탄소포집비용이 75 85% 를차지하고있어, 저비용포집공정이 CCS 기술상용화에매우중요함을알수있다 [1]. 포집비용저감을위한기술개발로미국의 DOE (Department of energy) 에서는 Figure 3과같이이 2 공업화학전망, 제 16 권제 1 호, 2013
Figure 1. 이산화탄소저감을위한기술분야. Figure 2. 이산화탄소포집및저장방법 (Source : CO 2CRC). 산화탄소포집기술별개발방향을나타내고있다 [2,3]. 그림에서연소후, 연소전, 순산소연소, 압축으로구분할수있다. 연소후는 2020년까지화학흡수를기반으로한아민, 1세대및 2세대액상흡수, 2025년이후바이오공정, 고체흡착제기술이개발될예정이다. 연소전은물리흡수제가조기에개발될예정이며분리막, 산소제조분리막, 바이오, 고체흡착제기술이개발될것이다. 순산소연소에서많은비용이드는산소제조공정은심냉법 에서분리막을이용하는방법이개발될것이다. 특히, 2020년전까지대량의이산화탄소를처리하기위한흡수방법은현재석탄을이용한발전의대부분을차지하고있는미분탄연소발전에적용될연소후포집으로매우중요한기술로제시하고있다. 미국의차세대이산화탄소포집기술개발로드맵은 Figure 4와같으며, 그림에서보는바와같이연소후포집기술로 1세대아민에서 2세대, 3세대 KIC News, Volume 16, No. 1, 2013 3
기획특집 : 이온성액체 Figure 3. 이산화탄소포집기술개발방향. Figure 4. 미국의이산화탄소포집기술개발로드맵 [3]. 기술을지속적으로개발하고공정격상을추진하고있다. 또한 DOE/NETL에서이루어지고있는 Advanced CO 2 capture R&D program은 Table 1 과같으며공정연구와흡수제연구가동시에수행되고있다. 흡수제의경우에차세대흡수제인이온성액체에대한많은연구가수행되고있다. 더불어혁신적인기술개발을위한 DOE에서는 ARPA-E (Advanced research project agency-energy) 프로그램의일환으로 2007년부터 IMPACCT (Innovative materials and process for advanced carbon capture technologies) 프로젝트를추진하고있으며, 비수계흡수제인이온성액체를이용한이산화탄소포집기술이개발되고있다. 상기와같이현재 CCS 비용은 CO 2 톤당 23 92 $ 로매우높기때문에이를낮추기위한혁신적인이산화탄소포집기술을개발하고있는실정이다. 따라서이산화탄소포집비용을낮출수있는차세대용매로대두되고있는이온성액체에대 4 공업화학전망, 제 16 권제 1 호, 2013
Table 1. 미국의액상포집기술개발현황 과제명연구기관적용기술과제목표규모기간 Bench-Scale Development of a Hot Carbonate Absorption Process with Crystallization-Enables High Pressure Stirring for Post-Combustion CO 2 Capture Univ. of Illinois at Urbana- Champaign Hot carbonate absorption Process 고온탄산염공정의 scale-up 인자도출 2011.1.1 2013.12.31 Evaluation of Concentrated Piperazine for CO 2 Capture from Coal Fired Flue Gas URS Group PZ solvent with flash regeneration 농축 PZ 를이용한연속공정검증및정량화 2010.9.27 2014.3.31 Recovery Act: Slipstream Development and Testing of Siemens POSTCAP Capture and Separation Technology Siemens Energy, Inc. Amino acid salt Siemens Energy의 POSTCAP 공정실증 Pilotscale 2010.10.1 2013.10.31 Post-Combustion CO 2 Capture for Existing PC Boilers by Self-Concentrating Amine Absorbent 3H Company, LLC Non-aqueous, Amine-based solvent self-concentrating 특성을가지는흡수제기초실험 2010.10.1 2013.9.30 Advanced Low-Energy Enzyme Catalyzed Solvent for CO 2 Capture Akermin, Inc. Carbonic anhydrase-k 2CO 3 mixture 500 SLMP 이상 closed-loop bioreactor 제작 / 운전 2010.9.30 2012.9.30 Novel Solvent System for Post-Combustion CO 2 Capture ION Engineering Ionic liquid- Amine mixture bench-scale 포집장치의제작, 설치및운전 2010.10.1 2012.4.30 Novel High Capacity Oligomers for Low-Cost CO 2 Capture GE Global Research High-capacity oligomers CO 2 용해도가높은새로운올리고머흡수제디자인. 2008.10.1 2010.9.30 Development and Evaluation of a Novel Integrated Vacuum Carbonate Absorption Process Illinois Sate Geological Survey Integrated vacuum carbonate absorption process Modified-IVCAP SO 2/CO 2 동시처리공정개발 2008.9.26 2012.4.30 Reversible Ionic Liquids as Double-Action Solvents for Efficient CO 2 Capture Georgia Tech Research Corp. Ionic liquids 이온성액체합성및점도최소화 2008.10.1 2011.9.30 Development of Chemical Additives for CO 2 Capture Cost Reduction Lawrence Berkeley National Lab. Mixed solvent Amine, K 2CO 3, ammonium 혼합흡수제개발 2008.6.1 2013.5.31 Ionic Liquid: Breakthrough Absorption Technology for Post-Combustion CO 2 Capture Univ. of Notre Dame Ionic liquids 저비용의새로운이온성액체및공정개발 2007.2.28 2012.2.29 CO 2 Capture from Flue Gas by Phase Transitional Absorption Hampton Univ. Phase transitional absorption 상전이흡수반응의메카니즘규명및흡수성능평가 2005.6.15 2009.6.30 하여많은연구가수행되고있다. KIC News, Volume 16, No. 1, 2013 5
기획특집 : 이온성액체 Figure 5. 일반적인이온성액체의구조. 2. 이산화탄소포집을위한이온성액체의기술개발방향 화석연료를이용한연소및합성가스생산시발 생되는이산화탄소를분리하기위하여이용되고있는흡수방법에는흡수제의특성에따라화학및물리흡수방법으로구별될수있으며다음과같은특징을가지고있다. 첫째, 화학흡수방법은재생반응시흡수제와흡수된이산화탄소와의강한화학적결합을끊기위해서는많은재생에너지가필요하다. 즉, MEA (Mono ethanol amine) 와같은흡수제는이산화탄소와결합력이매우강하여빠른흡수속도를가지는장점을가지고있으나흡수된이산화탄소를분리하기위하여많은에너지가소비된다는단점을가지고있다. 또한흡수제의손실과부반응이문제발생으로, 배가스내에존재하는산소와재생열에의한부반응생성, 전단의 FGD (Flue gas desulfurization) 를통과하고도잔류한미량 SO 2 에의한화학부반응손실의문제점이있어열화된흡수제를재생하기위한별도의장치인 Reclaimer가필요하며이역시추가적인에너지를필요로한다. 흡수제에의한장치부식문제가발생으로, 이산화탄소흡수처리양을늘리기위해알카놀아민흡수제의농도가높으면장치부식문제를일으킬수있으므로알카놀아민의농도를낮추거나부식방지제를첨가해야하는문제점이있다. 둘째로화학적흡수법에대응하는방법으로물리적방법을들수있다. 이와같은방법은이산화탄소를재생하는경우에열을이용한재생탑을이용하는대신에압력을연속적으로낮추어이산화탄소를재생하는플래시탑을이용하며, 이는재생시소요되는에너지가낮다는장점을가지고있다. 그러나물리흡수법역시다음과같은몇가지문제점을내포하고있다. 낮은이산화탄소흡수능으로아민법에비해낮은이산화탄소회수효율을보이므로높은순환속도 (high circulating rate) 로인하여분리장치가크다는단점을가지고있다. 즉, 일반적으로물리흡수법은아민흡수법보다 2 배이상의순환속도를요구하기때문에높은시설비와유지비가요구된다. 기존화학및물리흡수법의단점을보완하기위한신용매로이온성액체를들수있다. 이온성액체란일반적으로 100 이하에서액체로존재하는이온성염으로서대표적인형태는 Figure 5 와같은일반적인구조를가지고있다. 이온성액체의독특한물리적, 화학적성질들은이온성액체의양이온과음이온의구조에따라크게영향을받으며, 따라서사용자의활용목적에따라다양한용도로이용할수있다. 이온성액체는낮은증기압과높은열적안정성및높은이온전도도를갖는독특한특징이있어서청정용매라불리는데, 21세기의패러다임인환경친화적인공정의개발이라는관점에서친환경용매로최근들어많은관심을받고있다. 또한이온성액체의용해도, 점 6 공업화학전망, 제 16 권제 1 호, 2013
Figure 6. 이온성액체의이산화탄소흡수능. 도, 밀도, 소수성등물리화학적성질들이많은양이온과음이온의조합으로부터쉽게조절할수있어서다양하게설계가능한용매로부각되고있으며, 이론상으로 10 18 가지이상의합성이가능하므로용매로서의다양성으로인해차세대청정용매로써많은연구와개발이수행되고있다 [4-6]. 현재까지의연구결과는이온성액체의이산화탄소에대한용해도측정및각이온의교환을통한용해도증진실험이이루어지고있다. 또한분자모사를통하여이산화탄소흡수메커니즘에대한연구가진행중이며이를통한효율적인이온성액체를제조하고자하고있다. 현재수행되고있는이산화탄소분리용이온성액체는기존보다제조비가저렴하며분리효율이우수한차세대용매를개발하는데주안점을두고있다. 따라서이를위해분자모델링 (Molecular modeling), 물성측정 (Property measurement) 및공정엔지니어링 (Process engineering) 을수행하고있다. 특히, 기존이산화탄소포집용흡수제를대체할수있는개선된흡수제로이온성액체를활용하려면다음과같은물리화학적성능이향상되어야한다 [7]. 1 높은 CO 2 흡수능 (High CO 2 solubility) 2 높은 CO 2 선택도 (High CO 2 selectivity) 3 재생하기가쉬운 (Ease of regeneration) 용액의낮은엔탈피 (Low enthalpy of solution) 물에대한낮은용해도 (Low solubility with water) 낮은열용량 (Low heat capacity) 4 안정성 (Stability) 열적안정성 (Thermal) SO 2 등다른가스에대한안정성 (other gases <e.g., SO 2 >)) 5 낮은점도 (Low viscosity) 6 가격이저렴함 (Inexpensive) 이온성액체는 Figure 6에서보는바와같이, 여러가지가스중이산화탄소에대하여흡수능이우수함을보이고있다. 또한이온성액체의특성에이산화탄소흡수능도다양하게차이가있음을 Figure 7에서나타내고있다. 특히, 음이온의변화에따라흡수능이크게변화되고있음을알수있으며, 물리흡수제는압력이증가함에따라흡수능도증가하고있음을나타내고있다. 이온성액체에대한분자모사와흡수능성능평가를수행한결과에따르면물리흡수에의한이산화탄소흡수능은낮기때문에화학흡수기능을추가하면흡수능이향상될수있다. 양이온에아민기를치환함으로써물리흡수제인이온성액체에화학흡수기능을부가할수있다. Figure 8에서보는바와같이 [hmin][tf 2 N]( 표시 ) 에서양이온에 KIC News, Volume 16, No. 1, 2013 7
기획특집 : 이온성액체 Figure 7. 음이온변화에따른이온성액체의이산화탄소흡수성능. Figure 8. 양이온변화에따른이온성액체의이산화탄소흡수능비교. 아민기를부착함으로써 [H 2 NC 3 H 6 min][tf 2 N]( 표시 ) 로전환되었으며이로인한흡수능도향상되었음을보이고있다. 이온성액체에대한화학적기능을부가함으로써이산화탄소흡수능을증가시키는방법이제시되고있는데, 이와같은방법을 Figure 9에제시하고있다. 그림에서 2몰의아민과 1몰의이산화탄 소가반응한다 [2mol amine + CO 2 carbamate + ammonium]. 그러나이산화탄소흡수능을향상시키기위하여 1몰의이온성액체에 1몰의이산화탄소를흡수할수있는이온성액체의개발이필요하다. Figure 10은화학적기능기를부여한이온성액체와이산화탄소의반응특성을보여주고있다. 그림에서보는바와같이이온성액체의설계방법에 8 공업화학전망, 제 16 권제 1 호, 2013
Figure 9. 이온성액체와이산화탄소의반응메커니즘. Figure 10. 화학기능기를부여한이온성액체의이산화탄소반응특성. 따라이온성액체 : 이산화탄소와의반응몰비를 2 : 1 또는 1:1로할수있음을알수있다. Figure 11은 TSIL (Task-specific ionic liquid) 의물리적흡수능을계산한결과로서, 이온성액체에화학적기능을부가함에따라상대적으로물리적흡수능이떨어지고있음을알수있다. 따라서적용공정의특성에따라이온성액체에대한물리적, 화학적기능을어떻게부여하는것이중요한문제임을알수있다. 이산화탄소를분리하기위한이온성액체의설 계시에다양한조건을고려하여야한다. 예로서 Figure 12와같이이산화탄소분리용이온성액체설계의기본방향을제시하고있다. 즉, 점도 (Viscosity) 와안정성 (Stability) 문제를고려하여양이온을선정하고, 양이온의구조를변화시키는접근법은가격을고려하지않는다. 또한음이온선택은염기도 (Basicity) 를조절하여적합한음이온선정으로 CO 2-3, OH -, PhO - 등을선정하였으며, 용해도문제를고려하여전하를일정하게고정하고, 탈거및양이온과의반응을고려하여염기도 KIC News, Volume 16, No. 1, 2013 9
기획특집 : 이온성액체 Figure 11. TSIL 의물리적흡수능계산. Figure 12. 이산화탄소분리용이온성액체설계기본방향. 10 공업화학전망, 제 16 권제 1 호, 2013
를조절한다 [12]. 이온성액체를이용한이산화탄소흡수에있어서두가지방향을설정해서접근할수있다. 첫번째는이를단순히용매로생각하는접근법으로이온성액체의자유부피 (Free volume) 를이용한물리흡수를이용하는것이다. 이와같은경우가장문제가되는것은이온성액체의점도이다. 물리흡수를하는다른유기용매에비해서점도가크기때문에이를최소화할필요가있다. 따라서 BF - 4, PF - 6, Tf 2N - 과같은불화물음이온 (Fluorinated anion) 을포함하는이온성액체를사용하여야한다. 이온성액체의경우에다른유기용매에비해증기압이없기때문에손실이적은장점이있으나흡수력이그렇게뛰어나지않고가격이상당히비싸기때문에경쟁력이없다 [5]. 두번째는이를단순한용매가아닌화학흡수를할수있는물질로디자인하여사용하는것이다. 소위 TSIL라불리는물질들로서맨처음이러한접근법을사용하고명명한사람은알라바마대학의 James H. Davis 교수이다. 아이디어는 MEA 처럼아민기를양이온에도입함으로써이아민기가이산화탄소와반응하여카바메이트 (Carbamate) 를형성하게하는것이다. 이경우에이온성액체자체가용매겸화학흡수제이므로 MEA처럼물을용매로사용할필요가없다. 따라서흡수된이산화탄소를재생하기위하여온도를올릴때물을가열함으로써많은에너지가소비되는데이와같은단점을극복할수있다. 그러나한분자의이산화탄소를흡수하기위해두분자의아민이여전히필요하고비록침전이일어나지는않으나카바메이트를만들면이온성액체의점도가급격히증가하므로탈기가상당히어려워진다. 따라서이와같은방법은상용화를위하여많은문제점을해결하여야한다. 따라서상기와같은접근법에의거하여이산화탄소분리성능이우수한이온성액체에대한연구방향으로, 물리흡수제와비슷한점도를가지면서화학흡수제와비슷한세기로이산화탄소를흡수하여야하며, 합성하기쉽고가격이저렴한것을 개발하기위한다양한접근이진행되고있다 [7]. 3. 국내외기술개발동향세계각국에서는차세대청정분리용매인이온성액체에대하여다양한분야에활용하기위하여기술개발을수행하고있다. 특히이산화탄소흡수능의향상과더불어저가의제조방법에대하여지속적으로연구를추진하고있다. 제조방법으로다양한작용기를부착시키는방법, 양이온과음이온을변화시키는방법, 음이온구조변화를통한염기도변화를조절하는방법등이개발되고있다. 국내외연구개발동향은다음과같다. 3.1. 국외현황미국의 South Alabama 대학은 James Davis Jr, 교수 [8] 를중심으로연구를수행하고있으며, 2002 년에 TSIL을제시하여이온성액체로아민과유사한화학흡수를할수있는방법을발표하였으며, 본발표에서제시한 1세대 TSIL는 0.5 mol/il mol 정도의흡수능을가지며합성단계가복잡하여경제성이많이떨어진다. 따라서이를극복하기위하여 Sulfonated ionic liquid 형태의 2세대이온성액체에대하여제시하고개발하고있다. 현재본기술을바탕으로 Chevron 등과공동연구를수행하고있다. 미국 Notre Dame 대학의 Brennecke 교수 [9] 의 1999년 Nature 저널에게재된이온성액체에대한분자열역학은본분야에새로운장을열었으며, 이후이와같은기본학문을응용한이온성액체를이용한이산화탄소포집연구를수행하고있다. 본대학은 Brennecke 교수와더불어 Maginn 교수가미국 DOE 지원하에이산화탄소포집을위한이온성액체제조및공정을개발하였다. 연구내용으로비휘발성, 높은안정성을가진이온성액체의음이온과양이온의다양한변화에따른물리 화학적특성의조절등을통한이산화탄소포집용분리매체로활용하고자하였다. 모델링을통하여설계된이온성액체에대하여합성하였 KIC News, Volume 16, No. 1, 2013 11
기획특집 : 이온성액체 Figure 13. 아민과이온성액체혼합시스템. 1 세대 TSIL RTIL- 아민조합 으며, 열역학적설계에대한확인을하고있으며 ( 엔탈피, 흡수능, 물에대한용해도 ), 이온성액체의중요한물성 ( 열적안정성, 부식, 점도 ) 에대하여측정하고, 실험실규모장치를설계하고제작한후제조된시료에대하여성능평가를수행하고있다. 한편, 이온성액체의이산화탄소분리성능을향상시키기위하여이온성액체의물리적특성에화학적기능기를부가하였다. 이를위해분자설계, 제조, 성능평가를수행하였으며, 특히 in-situ IR를이용하여이온성액체의이산화탄소흡수시물리, 화학적특성을파악하였다. 현재다양한물질을제시하고있으며, 특성을파악하기위하여추가적인실험을수행하고있다. Notre Dame 대학은 2000 년대초부터이온성액체에대한물성자료확보를위한연구를수행하여현재많은물성자료를확보하고있는실정이다. 미국의 Georgia Technology Institute 대학의 Charles A. Eckert 교수는 2008년부터 DOE 자금으로이온성액체를이용한이산화탄소포집용흡수제를개발하고있다. 이온성액체흡수제는기존의아민과이산화탄소와의반응을응용한기술로서 1급아민화합물이이산화탄소와반응시생성되는카바메이트염 (Carbamate salt) 이이온성액체의형태를취하고있고, 이화합물의알킬그룹을다양하게치환함에따라 100 이하에서녹을수있는형태이며, 이산화탄소가가역적으로반응할수있으므로 Reversible IL라하였다. 미국의콜로라도대학의 Richard D. Noble 교수 [10] 는선행연구를통해분리기술에관한연구인 프라가잘갖춰져있으며, 이를기반으로한이온성액체를이용한이산화탄소포집용멤브레인및흡수제에관한연구를수행하고있다. 고분자합성및유기합성전공자와멤브레인전공자들간의유기적인협조가잘이루어져이온성액체를이용한 CO 2 /CH 4 및 CO 2 /N 2 분리에관한우수한결과를발표하였다. 또한 [Rmim]Tf 2 N+amine solution system 연구로 Figure 13에서나타내고있듯이, 기존이산화탄소흡수제로사용되었던 MEA, DEA (Di ethanol amine) 등의아민계흡수제의여러단점을해소하고이온성액체가가지고있는장점을최대화하기위해고안된아이디어로서 [Rmim]Tf 2 N과같은 RTIL (Room temperature ionic liquid) 에 MEA, DEA 등의알카놀아민을녹인이산화탄소포집시스템이다. MEA는 [Rmim]Tf 2 N과잘섞이나, DEA의경우용해도가낮아잘섞이지않게되는데이런경우에는이온성액체의 R그룹을알코올기로치환하게되면용해도가증가하게되어두화합물이잘섞이게됨으로써문제를해결할수있다. 이러한장점으로써이온성액체에용해되어있는알카놀아민은아주낮은압력 ( 0.1 psia) 에서도이산화탄소를효과적으로포집이가능하며기존물기반시스템의문제점을해결하여재생시소모되는에너지를낮출수있는장점이있다. 상기와같은연구결과를토대로 Noble 교수와함께연구해온연구자들이기술상용화를위하여 ION ENG. 회사 [11] 를설립하였다. 본회사의주요전략은이온성액체와기존아민을조합한기술로서이를상용화기술로발전시키기위해 R&D 12 공업화학전망, 제 16 권제 1 호, 2013
Figure 14. ION ENG 의연구범위. 를가장중점적으로추진하고있으며, Figure 14에연구범위를요약하였다. 미국의로렌스리버모어국립연구소 (LLNL, Lawrence Livermore National Laboratory) 는이산화탄소를연소배가스로부터포집하기위해물의끓는점인 100 이하에서용융염 (Molten salt) 을액체화하는이온성액체를개발하고있다. LLNL 의과학자인아미테스마이티 (Amitesh maiti) 에따르면, 이온성액체를기액분리용흡수제로사용하는것은전통적인흡수제에비해특별한장점을지니고있으며주요장점으로는높은화학적안정성, 낮은부식성, 거의제로에가까운증기압, 분리막으로응용가능성, 이산화탄소용해도를최적화할수있는이온선택에있어서의높은자유도를포함하고있다. 마이티의연구는높은이산화탄소포집을위해이온성액체를궨텀화학기반의열역학 (Quantum-chemistry-based thermodynamic) 방법을이용하여설계하고있다. 일본은이온성액체를이용한이산화탄소포집연구를수행하고있는연구기관으로 AIST ( 産業技術總合硏究所, Advanced industrial science and technology) 를들수있다. AIST의 Kanakubo 박 사팀은이미다졸을기반으로한이온성액체를제조하고있으며, 다양한음이온변화에의한성능향상을하고자하였다. 이산화탄소에대한이온성액체의물리적흡수방법을이용하는것으로서, Trifluorosulfonamide (Tf 2 N) 혹은 Hexafluorophosphate를음이온으로한화합물을이용하고있다. 또한이온성액체자체의점도를낮추는방법과저점도용매와의브렌딩을통한낮추는방법을고려하고있다. 본연구팀은이온성액체의제조, 구조파악, 물리화학적특성파악, 이산화탄소흡수시특성변화파악등과같은기초연구를수행하고있다. 3.2. 국내현황국내에서이온성액체를이용한이산화탄소포집기술개발은한국에너지기술연구원, KIST, 경희대, 군산대등을중심으로수행하였다. 한국에너지기술연구원에서는연소배가스중이산화탄소를분리하기위한연소후및석탄가스화로부터배출되는합성가스로부터이산화탄소를분리하는연소전기술을개발하였다. 추진과제로는교육과학부의 21세기프론티어사업으로이온 KIC News, Volume 16, No. 1, 2013 13
기획특집 : 이온성액체 성액체를이용한연소전이산화탄소포집기술개발 (2008.4 2012.3) 을수행하였다 [12]. 본연구에서는페놀레이트 (Phenolate) 계, 셀파이트 (Sulfite) 계, 설포네이트 (Sulfonate) 계와양이온에다양한아민을부가하여이산화탄소흡수기능을향상시킨아민기능성 (Amine-function) 계등에대한이온성액체를설계, 합성및공정적용을수행하였다 [13-16]. 구체적으로이미다졸계열의이온성액체에대한설계및제조한후흡수평형장치를이용한이산화탄소흡수능을측정하였다. 또한이온성액체는이산화탄소흡수시점도가증가되는데이를감소시키기위하여다양한연구를추진하고있다. 특히음이온변화를통한이산화탄소흡수능을향상시키고자하였다. 또한이산화탄소분리성능을향상시키기위하여멤브레인에이온성액체를부가하는연구를수행하여우수한분리성능을나타내었다 [17,18]. KIST에서는 2007년도부터 3년동안이온성액체를이용한이산화탄소분리기술개발을수행하였다. 본연구에서는이온성액체를이용한이산화탄소흡수분리기술개발로서, 이산화탄소의제거를위한함불소및비이미다졸륨계이온성액체계흡수제개발과이온성액체의이산화탄소흡수메커니즘을규명하고이를이용한이산화탄소흡수기술을개발하였다. 고있다. 이산화탄소포집용으로활용하기위한이온성액체에대한주요연구방향으로는물리흡수제와비슷한점도를가지면서화학흡수제와비슷한세기로이산화탄소를흡수할수있으며, 합성하기쉽고가격이저렴한흡수제를개발하기위한다양한접근이수행되고있다. 국외에서미국의 Davis 교수는이온성액체를아민과유사한화학흡수를할수있는방법인 TSIL 을제시하였으며, Brennecke 교수는분자열역학을적용한이온성액체해석, Eckert 교수는이산화탄소가가역적으로반응할수있는 Reversible IL 연구, Noble 교수는이온성액체를이용한이산화탄소포집용멤브레인및흡수제등에관한연구를수행하였다. 국내에서도한국에너지기술연구원, KIST, 경희대등에서기능성이온성액체를제조하여이산화탄소포집용으로활용하고자하였다. 향후기후변화대응그린시장을선점하기위하여선진국을중심으로이온성액체를이용한이산화탄소포집연구개발을집중적으로추진하고있으며, 본기술이상용화될경우에기존물을기반으로한재래식흡수기술을혁신적으로개선할수있을것으로예상된다. 감사의글 4. 맺음말이산화탄소포집및저장 (CCS) 기술은에너지원이화석에너지에서수소와같은무탄소에너지로이동하는과정에서화석에너지이용시지구온난화를완화하기위한중요한기술로대두되고있으나처리비용이높다는문제점을가지고있다. 이를해결하기위하여 CCS 기술중대부분을차지하고있는이산화탄소포집에있어서혁신적인차세대흡수제개발은매우중요하다. 이온성액체는높은화학적안정성, 낮은부식성, 낮은증기압, 높은이산화탄소용해도등과같은장점을가지고있어차세대이산화탄소분리용흡수제로대두되 본연구는교육과학기술부의 21세기프론티어연구개발사업인이산화탄소저감및처리기술개발사업단의연구비지원으로수행되었습니다. 참고문헌 1. 백일현, 연소전이산화탄소포집기술, 나이스, 151 (2009). 2. NETL, DOE/NETL carbon dioxide capture R&D program (2010). 3. NETL, DOE/NETL advanced carbon dioxide capture R&D program: Technology update (2011). 14 공업화학전망, 제 16 권제 1 호, 2013
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