이산화탄소 포획을 위한 Bio Char 기반 흡착제 Review

Biochar-based adsorbents for carbon dioxide capture: A critical review

P.D. Dissanayake, Siming You, A.D. Igalavithana ect (2020) Renewable and Sustainable Energy Reviews, 119, 109582

 

Chapter.1

- Bio Char

 산소가 제한된 조건에서 바이오매스를 열분해할 때 발생되는 고형의 탄화물질

 기존 흡착제의 1/10가격. 추가적 합성을 통해 흡착제로 활용

 저온(700under) + 에너지 요구량이 기존흡착제보다 낮음

 최근 공정을 물리화학적으로 바꿔가며 CO2 흡착량을 늘리려고 연구중

 흡착량은 표면적, 미세다공성, 방향성, 소수성, Basic Functional group의 존재 등에 영향을 받는다. 이때 Basic Functional group은 공급원료 타입과 생산조건에 영향을 받는다.

 그 중 미세공의 면적, 부피가 가장 큰 영향력을 나타냈다.

- CO2 Capture

 1. pre-combustion

 2. post-combustion
  ->low technological risk + better compatibility with current gas emission control

 3. oxy-fuel combustion

- Thesis says : adsorption is best choice

 reason 1. low energy consumption

 reason 2. can use at a wide range of temperatures and pressures

 reason 3. easy to regeneration without producing byproduct

- environmental friendly biochar feed stocks

  1 crop residues

 2 wood waste

 3 animal manure

 4 food waste

 5 municipal solid waste -> 경제성, 환경성 좋음

 6 sewage sludge

 

Chapter.2

Bio Char 제작 재료, 방법 및 조건에 따른 CO2흡수 성능현황. 

- 세부사항

  Basic nitrogen functional groups would enhance the basic sites on biochar and increase the uptake of acidic CO2

  이와 같은 특성을 이용해 CO2를 capture하는 연구들이 진행되어옴.

  But, 아민기가 Carbon표면에 결합하여 구멍을 막아 CO2흡착량을 오히려 줄이는 역효과도 관측됨.

  Pyrolysis 과정 high cost -> 다른 방법사용한 연구 소개

  CO2 탈착시 일부 Bio Char 자체에 내장된 metal들과 결합하여 mineralogical reaction(흡수와 비슷)

  각종 자연 산물, 폐기물을 활용하여 Bio Char 제작하려 연구중.

 

Chapter.3

물리화학적 환경 변화에 따른 CO2 흡수량/단위질량 연구현황

- 물리적 변화
  1) Specific Surface Area
   - 질량대비 표면적이 증가할수록 당연하게도 CO2 흡착량 증가
   - Feedstock의 종류에 따라 다른 표면적을 가지게 됨. metal을 많이 포함할수록 표면적이 방해받아 흡착량이 줄어듬.
   - 식물에 관련된 Bio Char은 동물에 관련된 Bio Char보다 표면적이 확연히 넓음.
   - 700℃이하에서는 pyrolysis 온도 상승시 표면적 증가
  2) Total pore volume and pore size
   - CO2 Capture능력은 지름1nm 이하의 micropore에 비례하는 영향받음
   - 저압-0.5nm이하, 고압-0.8nm이하 기공이 CO2 Capture에 큰 영향
   - 기공 부피에 영향을 주는 pyrolysis 온도는 500℃쯤에서 최대 기공부피를 보인다.
     이는 구성에 따라 다르지만, 특정 온도에서 최대를 보이고 그 이후 줄어든다.

- 화학적 변화
 1) Basic Functional Group
   - 질소, 산소 기반 feedstock이 surface basicity 향상에 기여
 2) Alkaline and alkaline earth metals
   - alkali metals, alkaline earth metals은 site를 늘려 흡착량을 증가시킴.
   - 하지만 Mg(NO3)2, MgO와 결합하게 되면 기공부피 및 면적이 줄어들어 흡착량 감소
 3) Hydrophobicity, polarity, and aromaticity
   - 습도 증가시 흡착량 감소
   - CO2흡착량 증가시키려면 소수성, 비극성 추천
   - O/C 비율 낮으면 소수성, 비극성 확률 높아져 CO2흡착량 증가
   - pyrolysis 온도를 올리면 O/C, H/C 감소

 Chapter.4

물리 화학적 변형에 따른 CO2 흡수량/단위질량 연구현황

- Alkali-modified biochar
 - KOH, NaOH로 ash나 lignin and cellulose같은 화합물을 용해시켜 활성화 시키면 산소함량 및 표면 염기도를 증가시킴
 - KOH활성화는 표면적도 증가시키며, K관련 화합물도 생성해 기공 폭을 넓히고 새 기공을 만듬
 - 이 두가지로 인해 KOH 활성화 과정은 CO2 adsorption에 큰 효과를 보임

- Amino-modified biochar
 - Ammonia modification, introduction of basic functional groups은 염기도를 증가시켜 흡착량을 높임
 - 활성화 온도가 특정온도 이상 높아지면 흡착량이 조금 감소하는 경향을 보임.
 - 다만 너무 심하게 도핑하면 기공이 오히려 더 막히는 경향을 보임

- Carbon dioxide activation of biochar
 - CO2 퍼징 후 활성화하면 micropore을 더 만들고, 능력을 향상시킨다
 - non modified나 amine modified 보다 훨씬 표면적도 넓고, 기공부피도 넓어진다. 이로 인해 흡착용량이 크게 증가함

- Steam-activated biochar
 - 부분가스화로 인해 결정도가 높아진다.
 - 기공 총 부피도 높고 산소 함량도 높지만, 재활용 능력이 떨어져서 상용화 힘듬

- Metal-impregnated biochar
 - Basic Site 증가시켜 흡착량 증가.
 - Mg도핑이 흡착에 매우 좋음을 보임.
 - 표면적이 넓다고 흡착이 항상 더 잘되는 것은 아님

 

Chapter.5

Bio Char를 이용한 흡착의 현재 문제 및 개선방향 

1 안정성과 견고성이 입증되지 않음

2 단순 시뮬레이션으로 구성된 간단한 가스조성으로 실험들이 이루어짐

3 재사용에 따른 재흡착, 탈착량을 분석하려면 재생과 폐기의 원리와 메커니즘을 연구해야함

4 생산과정이나, 사용과정에서 오염물질 및 중금속이 Bio Char에 붙게 된다.

5 랩스케일의 실험결과만 나왔을뿐, 실제 공정에서는 적용된적이 없음

6 각 사항(가격, 물성 등)에 관한 데이터베이스가 너무 부족