소개
주요 온실가스인 이산화탄소(CO2)는 발전소 등의 화석 연료 연소로 인한 지구 온난화 및 기후 변화와 밀접한 관련이 있습니다.CO2가 환경에 미치는 영향을 줄이기 위해 필요한 조치를 취해야 합니다.
화석 연료에서 발생하는CO2는 주로 350°C 이상의 고온에서 연소 가스를 통해 방출됩니다. 가스의 온도가 높기 때문에 온도가 높아지면 물리적 흡착력이 감소하기 때문에 기존의 물리적 흡착제는 대부분 사용할 수 없습니다. 연도 가스 내CO2의 온도를 낮추면 물리적 흡착제를 사용할 수 있지만 탈착 주기가 길어집니다.
이러한 한계를 극복하기 위해서는 고온에서 화학 흡착제(액체 또는 고체)를 사용하는 것이 핵심이 될 수 있습니다. 이러한 물질은 고온에서CO2를 직접 흡수하므로 가스를 냉각할 필요가 없으며 가스 혼합물의 효율적인 분리를 실현할 수 있습니다.
일반적인 고온CO2 화학 흡착제에는 주로 암모니아 흡착제, 칼슘 기반 흡착제 및 리튬 기반 흡착제가 포함됩니다 [1]. 리튬 기반 흡착제는CO2를 기체 상태에서 고체 상태로 전환하는 반응 과정으로 인해CO2를 저장 및 수송할 수 있는 가능성을 제공합니다 [2].
이러한 알칼리 금속 세라믹 흡착제 중 알칼리 금속 그룹에 속하는 Na2ZrO3는 제조 비용이 저렴하고 흡착 능력이 빠르며 흡착 온도가 높습니다. 따라서 Na2ZrO3에 대한 연구는 많은 연구자들의 관심을 끌었습니다.
Na2ZrO3와CO2의 흡착 반응 과정은 다음 식 (1) [4-7]에 나와 있습니다:
Na2ZrO3 +CO2 ⇆ Na2CO3 + ZrO2 (1)
Na2ZrO3에 의한CO2의 흡착 온도는 400°C~800°C 범위입니다 [4-6]. 온도가 800°C보다 낮으면 반응이 자발적으로 진행되어 생성물의 측면으로 이동하고 Na2ZrO3는CO2와 반응하여 Na2CO3를 형성합니다. 반대로 온도가 800°C보다 높으면 반응이 반대 방향으로 진행되어 Na2CO3가 분해되면서CO2를 방출하고 Na2ZrO3가 다시 형성됩니다. 이 가역적 반응은 주기적으로CO2의 흡착과 탈착을 가능하게 합니다.
본 연구에서는CO2에 대한 Na2ZrO3의 흡착-탈착 특성을 조사하고 Na2ZrO3의 제조 방법에 따른 효과를 비교했습니다.
실험적
CO2 순환 흡착-탈착 성능(그림 1의 측정 프로그램)은 STA 2500 Regulus 을 사용하여 알루미나 도가니에 약 10mg의 흡착제를 넣고 순수한 N2 분위기(가스 유량 100 ml/min)에서 20 K/min의 가열 속도로 실온에서 850°C까지 가열하고 10분 동안 등온을 유지하여 샘플의 불순물을 제거한 다음 20 K/min으로 650°C까지 냉각하는 방식으로 테스트했습니다. 온도가 650°C에 도달하면CO2가 15% 포함된 N2/CO2 혼합물로 대기를 전환했습니다.

흡착 반응은 등온 세그먼트에서 30분 동안 수행되었습니다. 그 후, 대기를 순수한 N2로 다시 전환하고 시료를 20K/min으로 850°C로 가열했습니다. 850°C에서 10분 동안 등온 세그먼트에서 탈착을 특성화했습니다. 흡착제의 안정성은 해당 온도 프로그램을 10회 수행하여 테스트했습니다.
Na2ZrO3에 대한 다양한 시료 준비 가능성은 표 1에 나와 있습니다.
표 1: Na2ZrO3의 샘플 준비.
샘플 | 합성 방법 | 건조 방법 |
---|---|---|
WM-HD | 습식 혼합 방법(WM) | 가열 건조 방식(HD) |
WM-FD | 습식 혼합 방식(WM) | 동결 건조(FD) |
SG-HD | 솔-겔 방식(SG) | 가열 건조(HD) |
SG-FD | 솔-겔 방식(SG) | 동결 건조(FD) |
결과 및 토론
그림 2는 다양한 방법으로 합성된 다양한 Na2ZrO3 샘플의 TGA 곡선을 보여줍니다.CO2가 반응 파트너로 존재하는 동안 각 곡선의 질량이 크게 증가했음을 알 수 있습니다.CO2가 시스템에서 제거된 후 질량은 다시 감소했습니다. 반응이 8번째 주기에 도달했을 때, 네 가지 흡착제의 흡착 성능은 안정화되어 9번째 및 10번째 주기와 비슷한 수준을 유지했습니다. 습식 혼합법 (WM-HD, 녹색; 및 WM-FD, 빨간색)으로 얻은 Na2ZrO3가 졸-겔 방법으로 합성 된 샘플보다 흡착 성능이 더 우수하다는 것을 알 수 있습니다. 네 가지 흡착제의 흡착량은 가장 큰 것부터 가장 작은 것까지 다음과 같은 순서로 나타났습니다: WM-HD (18.7%) > WM-FD (17.1%) > SG-FD (16.6%) > SG-HD (15.7%) 순이었습니다.
그림 2와 같이 TGA 곡선을 도출하면 온도/시간에 따른 무게 변화율의 변화를 나타내는 질량 손실률 또는 DTG 곡선을 얻을 수 있습니다. 이 곡선은 Na2ZrO3의 다양한 합성 조건에 대한CO2 흡착률을 나타냅니다.

그림 3은 8번째 사이클에서 네 가지 흡착제의CO2 흡착에 대한 DTG 곡선을 보여줍니다. 그림에서 흡착제의 흡착률은 일반적으로 동일한 추세를 보이고 있음을 알 수 있습니다. 그러나 SG-FD는 다른 세 가지 샘플에 비해 가장 높은 흡착률을 보입니다. 그 외에 SG-HD와 WM-HD의 흡착률은 비슷하고 WM-FD 샘플이 가장 낮은 흡착률을 보입니다. Na2ZrO3 흡착제는 습식 혼합 및 졸-겔 방법으로 합성한 후 동결 건조 및 가열 건조를 거쳤습니다. 졸-겔 혼합 및 동결 건조 방법이 다공성 구조 형성에 더 적합하며이 합성 방법을 통해 더 높은 비 표면적을 얻을 수 있다고 추측 할 수 있습니다.

결론
NETZSCH STA 2500 Regulus 은 다양한 물질의 흡착 특성을 조사하는 데 사용할 수 있습니다. 이 예에서는 네 가지 다른 합성 Na2ZrO3 샘플을 조사하고CO2 흡착 특성을 특성화했습니다. 졸-겔 방법을 사용한 합성 경로와 후속 동결 건조가 표면 반응성을 상당히 높인다고 가정할 수 있습니다.
합성과 흡착 특성 간의 관계를 이해함으로써 개별 응용 분야에 대한 최적의 흡착 성능을 고려하고 그에 따라 조정할 수 있습니다.