CO2포집에 유용한 물질인 DES(깊은공융용매)

Deep eutectic solvents as attractive media for CO2 capture
Tushar J. Trivedi, Ji Hoon Lee, Hyeon Jeong Lee, You Kyeong Jeong, Jang Wook Choi(2016) Green Chemistry, 9

I. Intoroduction
CO2 + DES -> carbamate
IL(Ionic Liquid) 대규모에 비싸고, 점도 증가 문제 여전히 있음. 몰당 CO2흡수능 0.5이하. but 몰당 ILs 질량도 높음
DES가 IL보다 합성이 편하고, 재료비 낮고, 부산물 생성 없고, biodegradable 장점
암모늄 함유 des는 독성이 없음
DES몰당 0.02~0.14mol 최대, 최고값 7wt%
HBD로 EDA(ethylenediamine) 사용 -> 최고 30wt%

II. experiment
1. MEA+Cl
1) MEA + HCl 0℃ -> 60℃가열 3h
2) 증발기로 물 증발
3) acetone 혼합물로 여분 MEA, HCl 제거 -> 90%수율 흰색 고체
4) 진공건조

2. DES (MEA+Cl + EDA)
1) MEA.Cl + EDA 1:1 ~ 1:4 mol ratio
2) 30분 mix
3) 수분제거용 진공건조

3. CO2 absorption
1) CO2 10ml/min 2g DES에 넣음
2) CO2흡수 무게로 측정

III. Result
1. 비율당 비교
MEA.Cl + EDA 1:3에서 eutectic 최저(-16.8℃)
30℃ 1atm에서 DES 비율당 흡수 측정 - 1:3, 1:4가 제일 큼, 2.5min 후에 27.4wt%도달. 5min에 포화. 점점 증가하긴 함.
1:3과 1:4의 차이는 점도에 따라 다른 것으로 추측. 1:4 흡수율 최고, but 종합적으로 고려했을 때 1:3을 최고 효율의 비율로 설정. (기존 MEA scrubbing 공정 12wt% 최대)
DES 몰당 0.537, 0.528mol CO2 흡수 -> (why 1:2로 결합?)

2. HBA에 따라
HBA : HBD = 1:3으로 고정, TEA, UE, TAE, EDA 실험
-> 3시간 뒤 17.5 wt%, 11.7 wt%, 10.1 wt%, 31.5 wt% CO2흡수
-> 24시간 뒤 24.2 wt%, 17.8 wt%, 14.6 wt%
EDA가 다른 HBA들 보다 제일 효과적 (ex. TEA dielectric constant 감소->극성 감소->흡수율 감소)

3. 극성
EDA 흡수 잘하는 이유 = 높은 염기성
TEA는 hydroxyl 그룹의 수소결합이 dielectric constant 감소시켜 염기성과 극성 떨어트림
UE, TAE는 amine그룹 많지만, EDA를 protonate해서 CO2 흡수 site 비활성화시킴
염기성은 계속 변해서 추가조사 필요

4. 물 추가
DEA사용 1:3시 물 비율 0% to 5% to 7.5% to 10% to 20% 일 때, CO2흡수 25.2 wt%, 26.9 wt%, 27.3 wt%, 27.5 wt%, 28.1 wt%로 증가
물을 추가했을 때, 물이 DES 자체 결합 약화시켜 흡수율 증가 가능 -> 점도감소
물 10wt%추가시 CO2흡수 제일 잘함, 20wt%부터 이상현상 발생 -> 시간이 지날수록 오히려 감소
-> 물이 CO2와 반응하여 탄산 발생

5. 온도 및 재생 및 부식
DEA사용 1:3시 온도 30 °C, 50 °C, 70 °C, 90 °C 일 때 포화도 33.7 wt%, 30 wt%, 28.3 wt%, 25.4 wt%로 감소
온도 증가할수록 점도감소 but 포화도 감소 but CO2 흡수율은 증가
DES 흡수del H 작아서 재생에도 효율적
재생 테스트 – ethylene glycol에 희석
->100℃ 2.5h 0에 가까워짐, 휘발성도 없음

6. DES 부식
고농도(75wt%), 90℃. 강철용기 벽두께 감소 측정
-> DES, MEA, EDA -> 연당 0.124mm, 0.385mm, 0.448 mm 부식
-> DES 부식 거의 안보임. 실제로 더 좋을것으로 추측
MEACl-EDA = 1:3 DES는 더 부식 안함 -> 점도가 너무 높아 산소 침투 불가 -> 부식 불가