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표제지

목차

제1장 서론 9

제1절 연구의 개요 9

1. 지구 온난화 9

2. CCS (CO₂ Capture and Storage) 11

제2절 연구의 필요성 13

1. 기-액 접촉 분리막 13

2. 연구의 동향 14

3. 연구의 목적 15

제2장 이론적 배경 17

제1절 기-액 접촉 분리막에서의 물질전달 17

제2절 기-액 접촉 분리막 공정 모델링 19

1. 총괄 물질전달계수 20

2. 액상 개별 물질전달계수 21

3. 분리막 개별 물질전달계수 23

4. 기상 개별 물질전달계수 26

5. 화학 반응 및 향상인자 28

6. 헨리 상수 30

7. 라플라스-영 방정식 31

제3장 실험 장치 및 방법 33

제1절 분리막 제조 33

1. 중공사막 방사 33

2. 소수성 코팅 38

제2절 분리막 특성 분석 40

1. 중공사막 구조적 특성 분석 40

2. 소수성 개질 특성 분석 40

제3절 이산화탄소 흡수 실험 43

1. 실험장치 제작 및 구성 43

2. 세라믹 중공사 접촉 분리막 CO₂ 흡수 실험 48

제4장 결과 및 고찰 50

제1절 분리막 특성 분석 결과 50

1. 중공사막 구조적 특성 50

2. 소수성 개질 특성 60

제2절 이산화탄소 흡수 실험 결과 77

1. 수계 흡수 특성 77

2. 화학 흡수 특성 84

3. 단일/혼합 아민 흡수제의 흡수 특성 99

4. 모델링 결과 109

제5장 결론 120

참고문헌 122

ABSTRACT 138

표목차

〈표 2-1〉 분리막 shell side에서의 물질전달 관계식 27

〈표 3-1〉 도프용액의 조성과 중공사막 방사 조건 35

〈표 3-2〉 중공사막 소결 조건 36

〈표 3-3〉 중공사막과 모듈의 특징과 사이즈 46

〈표 4-1〉 알루미나 중공사막 평균 기공 크기 및 기공도 분석 59

〈표 4-2〉 혼합 기체 조건에서 접촉막 공정의 CO₂ 수계 흡수 특성 비교 81

〈표 4-3〉 단일 기체 조건에서 접촉막 공정의 CO₂ 수계 흡수 특성 비교 82

〈표 4-4〉 본 실험에 사용한 단일, 혼합 아민의 종류와 조성 101

〈표 4-5〉 세라믹 중공사 접촉 분리막에서의 모델 파라미터 111

그림목차

[그림 2-1] (a) 기존 흡수공정과 (b) 기-액 접촉 분리막 공정(비젖음... 18

[그림 3-1] 세라믹 중공사막 제조 과정 37

[그림 3-2] 소수성 코팅 메커니즘 39

[그림 3-3] 기체 투과도 측정 장치 도면 및 사진 42

[그림 3-4] 분리막 모듈 (a) Sus 튜브, (b) 아크릴, (c) 분리막 교체/오링 씰링형 44

[그림 3-5] 접촉 분리막 흡수 장치 도면 및 사진 45

[그림 3-6] 단일 분리막 흡수장치의 액체/기체 흐름 49

[그림 4-1] 내부 응고제 유량 변화에 따른 알루미나 중공사막 green body의 SEM 결과... 51

[그림 4-2] 방사 압력 변화에 따른 알루미나 중공사막 green body의 SEM 결과... 52

[그림 4-3] 에어갭 변화에 따른 알루미나 중공사막 green body의 SEM 결과... 53

[그림 4-4] 내부 응고제 유량 변화에 따라 제조한 중공사막을 1300 ℃에서 4시간 소결한 후 SEM 결과... 54

[그림 4-5] 방사 압력 변화에 따라 제조한 중공사막을 1300 ℃에서 4시간 소결한 후 SEM 결과... 55

[그림 4-6] 에어갭 변화에 따라 제조한 중공사막을 1300 ℃에서 4시간 소결한 후 SEM 결과... 56

[그림 4-7] 알루미나 중공사막 기공크기 분포 58

[그림 4-8] SEM 이미지: 코팅 전 중공사막의 (a) 바깥쪽 표면, (b)... 61

[그림 4-9] 알루미나 분말, 코팅전 분리막 소결체, FAS 코팅... 62

[그림 4-10] 알루미나 중공사막 표면 FAS 코팅 전, 후... 64

[그림 4-11] 소수성 표면 개질 (a) 전, (b) 후 접촉각 측정 결과 66

[그림 4-12] 소수성 표면 개질 전, 후 TGA 측정 결과 67

[그림 4-13] MEA 농도에 따른 접촉각 측정 결과 68

[그림 4-14] CO₂ 단일 가스 투과도 72

[그림 4-15] FAS 코팅 중공사막의 EDS 라인 스캐닝 결과 73

[그림 4-16] FAS 코팅 및 기체 확산 메커니즘 74

[그림 4-17] FAS 코팅 시간이 다른 중공사막의 TGA 결과 75

[그림 4-18] FAS 코팅 시간에 따른 중공사막 접촉각 측정 결과 76

[그림 4-19] 액체 유량에 따른 수계 CO₂ 흡수 특성 79

[그림 4-20] 기체 유량에 따른 수계 CO₂ 흡수 특성 80

[그림 4-21] 수계 CO₂ 흡수 실험 후 중공사막 특성 83

[그림 4-22] 코팅 조건이 다른 분리막의 기체 유량에 따른 흡수 특성 86

[그림 4-23] 코팅 조건이 다른 분리막의 액체 유량에 따른 흡수 특성 87

[그림 4-24] GTS/LTS 운전 모드에 따른 CO₂ 흡수 특성 89

[그림 4-25] 기체 조성에 따른 투과량 90

[그림 4-26] 기체 조성에 따른 제거 효율 91

[그림 4-27] 온도에 따른 투과량 93

[그림 4-28] 온도에 따른 제거효율 94

[그림 4-29] MEA 농도에 따른 투과량 95

[그림 4-30] MEA 농도에 따른 제거효율 96

[그림 4-31] SEM 이미지: 실험 전 중공사막의 (a) 안쪽 표면, (b)... 97

[그림 4-32] MEA 흡수 장기 실험 (long-term test) 98

[그림 4-33] (a) 세라믹 접촉 분리막에서의 단일 아민 흡수 특성,... 103

[그림 4-34] 세라믹 접촉 분리막에서의 MDEA 혼합 아민 특성 105

[그림 4-35] 세라믹 접촉 분리막에서의 AMP 혼합 아민 흡수 특성 106

[그림 4-36] 세라믹 접촉 분리막에서의 PZ 혼합 아민 흡수 특성 107

[그림 4-37] 흡수 특성이 높은 단일/혼합 아민의 CO₂ 흡수 결과 비교 108

[그림 4-38] 실험 결과와 모델링 결과 비교 111

[그림 4-39] 모델식을 이용한 액상 유량에 따른 접촉 분리막 특성 분석 113

[그림 4-40] 기체 유량에 따른 기상, 분리막, 액상 개별 물질전달저항 115

[그림 4-41] 기공 크기와 기공도에 따른 총괄 물질전달계수 117

[그림 4-42] 기공 크기와 소수성에 따른 최소침투압력 119

초록보기

Membrane contactor process is a synegistic combination of hydrophobic membrane with a chemical or physical absorption process. In recent years, various hydrophobic polymeric hollow fiber membranes working with aqueous alkanol amine absorbents have been widly studied in the field of membrane contactor for chemical absorption of CO₂ from different gas mixtures. The novel idea of this study is combining advanced ceramic-type Al₂O₃ hollow fiber membrane, properly surface hydrophobic functionalized, with aqueous mono ethanol amine (MEA)-based chemical CO₂ absorption technology. Al₂O₃ hollow fiber membranes prepared by a phase-inversion/sintering technique were assembled into a membrane contactor system to separate CO₂ from a model gas mixture of the flue gas at elevated gas, liquid flow rate. Our results indicated that hydrophobic Al₂O₃ hollow fiber membrane may be possible candidates for the development of new gas-liquid membrane contactors for CO₂ capture.

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