KR20030012224A - A method for separation of carbon dioxide using a polyvinylidene difluoride hollow fiber membrane contactor - Google Patents
A method for separation of carbon dioxide using a polyvinylidene difluoride hollow fiber membrane contactor Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 폴리비닐리덴 디플루오라이드(PVDF) 중공사막 접촉기를 이용한 이산화탄소의 분리방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 상전이 공정의 습식방사를 통해 제조한 비대칭 미세다공성 PVDF 중공사막을 모듈로 제작하여 흡수모듈과 탈착모듈이 조합된 순환식 중공사막 접촉기 시스템과 흡수모듈과 열탈착기(thermal stripper)를 조합한 혼성시스템을 개발하고, 흡수제로는 물리적 흡수제인 물과 화학적 흡수제인 모노에탄올아민 등의 수용액을 사용함으로써, 기존의 대칭 다공성 구조를 갖는 PP 중공사막 접촉기를 흡수모듈 또는 탈착모듈에 도입한 경우에 비해 이산화탄소 분리ㆍ회수 성능이 우수한 PVDF 중공사막 접촉기를 이용한 이산화탄소의 분리방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for separating carbon dioxide using a polyvinylidene difluoride (PVDF) hollow fiber membrane contactor, and more particularly, to fabricate and absorb an asymmetric microporous PVDF hollow fiber membrane prepared by wet spinning in a phase transition process. We developed a hybrid hollow fiber membrane contactor system in which a module and a desorption module were combined, and a hybrid system in which an absorption module and a thermal stripper were combined.As an absorbent, aqueous solutions such as water as a physical absorbent and monoethanolamine as a chemical absorbent were used. The present invention relates to a method for separating carbon dioxide using a PVDF hollow fiber membrane contactor having superior carbon dioxide separation and recovery performance as compared with the case where a PP hollow fiber membrane contactor having a conventional symmetric porous structure is introduced into an absorption module or a desorption module.
Description
본 발명은 폴리비닐리덴 디플루오라이드(PVDF) 중공사막 접촉기를 이용한 이산화탄소의 분리방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 상전이 공정의 습식방사를 통해 제조한 비대칭 미세다공성 PVDF 중공사막을 모듈로 제작하여 흡수모듈과 탈착모듈이 조합된 순환식 중공사막 접촉기 시스템과 흡수모듈과 열탈착기(thermal stripper)를 조합한 혼성시스템을 개발하고, 흡수제로는 물리적 흡수제인 물과 화학적 흡수제인 모노에탄올아민 등의 수용액을 사용함으로써, 기존의 대칭 다공성 구조를 갖는 PP 중공사막 접촉기를 흡수모듈 또는 탈착모듈에 도입한 경우에 비해 이산화탄소 분리ㆍ회수 성능이 우수한 PVDF 중공사막 접촉기를 이용한 이산화탄소의 분리방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for separating carbon dioxide using a polyvinylidene difluoride (PVDF) hollow fiber membrane contactor, and more particularly, to fabricate and absorb an asymmetric microporous PVDF hollow fiber membrane prepared by wet spinning in a phase transition process. We developed a hybrid hollow fiber membrane contactor system in which a module and a desorption module were combined, and a hybrid system in which an absorption module and a thermal stripper were combined.As an absorbent, aqueous solutions such as water as a physical absorbent and monoethanolamine as a chemical absorbent were used. The present invention relates to a method for separating carbon dioxide using a PVDF hollow fiber membrane contactor having superior carbon dioxide separation and recovery performance as compared with the case where a PP hollow fiber membrane contactor having a conventional symmetric porous structure is introduced into an absorption module or a desorption module.
지구온난화 기체로서 온실효과 기여도가 전체기체의 약 55%로 가장 큰 이산화탄소의 발생은 에너지 수요 증가와 밀접한 관계가 있으며 화력발전소, 제철소, 시멘트 공장, 기타 화학관련 공장에서 배출하는 양이 이산화탄소 총배출량의 약 70 %를 차지하고 있다. 따라서 현재 전세계적으로 이산화탄소를 분리ㆍ회수하려는 노력이 다각적으로 이루어지고 있다.As the global warming gas, carbon dioxide generation, which contributes about 55% of the total gas, is closely related to the increase in energy demand, and the amount emitted from thermal power plants, steel mills, cement plants, and other chemical-related plants is equivalent to the total CO2 emissions. Accounting for about 70%. As a result, efforts are being made to diversify and recover carbon dioxide worldwide.
이산화탄소의 분리ㆍ회수기술에는 흡수법, 흡착법, 막분리법 및 심냉법 등 으로 나눌 수 있다. 이들 방법은 각각 그 특성 및 장ㆍ단점을 갖고 있어 실제사용하려고 하는 조건에 따라 선택되어지고 있다. 흡수법은 이산화탄소 분리에 응용되어지고 있는 공정 중 가장 오래된 분리공정으로 현재 화력발전소, 제철소 등에 적용된 예가 많다. 그러나 흡수액 재생에 따른 에너지 소비 과대, 흡수탑에서의 흡수액의 범람 및 편류 현상, 기-액간의 낮은 접촉면적 그리고 흡수액의 부식성 등 많은 문제점을 가지고 있다. 또한 흡착법은 다양한 흡착제의 연구와 함께 일부 기체 처리공정 등에 응용된 예가 있으나 큰 설비 규모, 비싼 흡착제의 가격, 예측하기 어려운 운전변수 및 정확한 공정설계의 어려움 등 이산화탄소 분리ㆍ회수공정에 적용하기에는 아직 해결해야할 문제점들이 많다.Carbon dioxide separation and recovery techniques can be classified into absorption method, adsorption method, membrane separation method and deep cooling method. Each of these methods has its characteristics, advantages and disadvantages, and is selected according to the conditions to be actually used. Absorption method is the oldest separation process applied to carbon dioxide separation and is currently applied to thermal power plants and steel mills. However, there are many problems such as excessive energy consumption due to the regeneration of the absorbent liquid, overflow and drift of the absorbent liquid in the absorption tower, low contact area between the gas and the liquid, and corrosiveness of the absorbent liquid. In addition, the adsorption method has been applied to some gas treatment processes along with the study of various adsorbents, but it has yet to be solved for the carbon dioxide separation and recovery process such as large equipment size, expensive adsorbent price, unpredictable operating variables and difficulty in accurate process design. There are many problems.
따라서 최근에는 이러한 공정들의 문제점을 해결하고 보다 높은 효율을 얻기 위한 노력의 일환으로 기존의 공정들을 조합한 혼성시스템에 대한 연구들이 이루어지고 있다. 특히 흡수법과 분리막법의 혼성의 경우 경제성과 분리효율 및 조작의 용이성 등에 있어서 매우 우수하다는 연구결과들이 보고되어지고 있다. 흡수법과 분리막법의 혼성시스템은 흡수장치의 고정컬럼을 다공성의 소수성 고분자 중공사막 접촉기로 대체함으로써, 기존의 흡수법이 갖고 있는 기술적인 단점들을 극복할 수 있다. 이러한 기술적인 장점 외에도 고분자 분리막을 매개로 기체와 액체가 접촉하는 중공사막 접촉기는 단위 부피당 큰 유효면적으로 인해 매우 큰 기-액간의 접촉면적을 가지므로 전체 물질전달 속도가 빠르다는 장점을 갖고 있다. 반면 중공사막 접촉기는 분리막의 구조에 따라 막에 의한 물질전달 저항이 발생하여 물질전달 속도를 감소시킬 수 있으며, 중공사막의 기공 내에서 상(phase)사이의 경계가 존재하기 위해서는 임계압력차 이하에서 조업하여야 하는 문제점을 갖고 있다.Therefore, in recent years, researches on hybrid systems combining existing processes have been made in an effort to solve the problems of these processes and to obtain higher efficiency. In particular, research results have been reported that the hybrid of the absorption method and the membrane method is very excellent in terms of economy, separation efficiency, and ease of operation. The hybrid system of the absorption method and the membrane method can overcome the technical disadvantages of the existing absorption method by replacing the fixed column of the absorber with a porous hydrophobic polymer hollow fiber membrane contactor. In addition to these technical advantages, the hollow fiber membrane contactor, in which gas and liquid contact with each other through a polymer separation membrane, has a large total area of gas-liquid contact due to the large effective area per unit volume. On the other hand, the hollow fiber membrane contactor may reduce the material transfer rate by generating a material transfer resistance by the membrane depending on the structure of the membrane, and if there is a boundary between phases in the pores of the hollow fiber membrane, There is a problem to operate.
현재 중공사막 접촉기로 사용되어지고 있는 고분자 분리막으로는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)나 폴리프로필렌(PP) 중공사막 등을 들 수 있다. PTFE 나 PP 중공사막은 내화학성 및 기계적 물성이 우수하며 특히 소수성이 뛰어나 적절한 기공크기를 갖을 경우 임계압이 매우 높다는 장점을 갖고 있다. 그러나 이러한 PTFE 나 PP 중공사막의 경우 소재 및 제조 특성상 표면 스킨층과 하부 지지층이 동일한 구조인 대칭성 분리막으로서 투과물질에 대해 물질전달 저항이 크다. 따라서 이러한 막에 의한 물질전달 저항은 중공사막 접촉기의 가장 큰 장점이라 할 수 있는 단위 부피당 큰 유효면적으로 인한 빠른 전체 물질전달 속도를 부분적으로 상쇄시키는 단점을 갖고 있다.The polymer separator currently used as a hollow fiber membrane contactor includes polytetrafluoroethylene (PTFE), polypropylene (PP) hollow fiber membrane, and the like. PTFE and PP hollow fiber membranes are excellent in chemical resistance and mechanical properties, and particularly excellent in hydrophobicity and have a high critical pressure when they have an appropriate pore size. However, the PTFE or PP hollow fiber membrane is a symmetrical separator having the same structure as the surface skin layer and the lower support layer due to the material and manufacturing characteristics, and has a large material transfer resistance to the permeable material. Therefore, the material transfer resistance by the membrane has a disadvantage of partially canceling the fast overall material transfer rate due to the large effective area per unit volume, which is the biggest advantage of the hollow fiber membrane contactor.
따라서, 막 저항을 최소화할 수 있는 막 두께와 높은 표면 기공율을 갖는 중공사막이 요구되어진다. 막 두께에 관련되어 최근에 발표된 연구결과를 살펴보면 중공사막 접촉기를 이용한 탈용전 기체공정에서 비대칭 다공성 중공사막이 대칭 구조의 PP 중공사막에 비해 막 저항이 작기 때문에 물질전달 계수가 2 ∼ 8배 높다는 결과가 보고된 예가 있다[K.Li etc.Chemical Engineering Science. Vol. 53, No. 6, pp. 1111∼1119, 1998]. 또한 K.Li 등은 비대칭 다공성 PVDF 중공사막 접촉기와 흡수제로 10 % NaOH를 이용하여 폐가스 흐름으로부터 H2S를 선택적으로 분리하려는 연구를 통해 대칭 다공성 PP 중공사막과 비교한 결과 막 저항을 감소시킬 수 있었다[AIChE, Vol. 45, No.6, June 1999].Therefore, there is a need for a hollow fiber membrane having a film thickness and high surface porosity that can minimize the membrane resistance. Recently, the results of the researches related to the thickness of the membrane showed that the asymmetric porous hollow fiber membrane was 2-8 times higher in the demelting gas process using the hollow fiber membrane contactor than the symmetrical PP hollow fiber membrane. There is an example where the results have been reported [K.Li etc. Chemical Engineering Science . Vol. 53, No. 6, pp. 1111-1119, 1998]. In addition, K.Li et al., Through the study of selectively separating H 2 S from waste gas stream using 10% NaOH as an asymmetric porous PVDF hollow fiber membrane contactor and an absorber, can reduce membrane resistance as compared to symmetric porous PP hollow fiber membrane. [ AIChE , Vol. 45, No. 6, June 1999].
이에, 본 발명에서는 PTFE 나 PP와 같이 소수성과 내화학성이 우수한 비대칭 미세다공성 폴리비닐리덴 디플루오라이드(polyvinylidene fluoride,PVDF) 중공사막을 접촉기 장치에 도입하여 고효율 이산화탄소 분리ㆍ회수 시스템을 개발하기 위하여 연구하였다. 그 결과, 비대칭 미세다공성 PVDF 중공사막 접촉기로 이루어진 흡수모듈과 탈착모듈이 조합된 장치로서, 이산화탄소 흡수제가 두 모듈간을 연속적으로 순환하는 순환식 중공사막 접촉기 시스템(circulatory hollow fiber membrane contactor system)과 상기의 흡수모듈과 기존 흡수법에서 사용되어지고 있는 열탈착기(thermal stripper)를 조합하여 흡수제가 두 부분을 연속적으로 순환하는 혼성시스템(hybrid system) 구축하였다.Therefore, in the present invention, asymmetric microporous polyvinylidene fluoride (PVDF) hollow fiber membranes having excellent hydrophobicity and chemical resistance, such as PTFE or PP, are introduced into the contactor device to develop a high efficiency carbon dioxide separation and recovery system. It was. As a result, a combination of an absorption module and a desorption module consisting of an asymmetric microporous PVDF hollow fiber membrane contactor, a circulatory hollow fiber membrane contactor system in which a carbon dioxide absorbent is continuously circulated between the two modules, and A hybrid system is constructed in which the absorbent circulates two parts continuously by combining the absorption module and the thermal stripper used in the existing absorption method.
따라서, 본 발명은 비대칭 미세다공성 PVDF 중공사막으로 구성된 흡수 및 탈착모듈을 이용하여 순환식 중공사막 접촉기 시스템과 혼성시스템을 구축함으로써, 고효율 이산화탄소 분리ㆍ회수 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a highly efficient carbon dioxide separation and recovery system by constructing a hybrid system with a circulating hollow fiber membrane contactor using an absorption and desorption module composed of asymmetric microporous PVDF hollow fiber membranes.
도 1은 상전이 공정의 습식방사를 통해 제조한 비대칭 미세다공성 폴리비닐리덴 디플루오라이드(PVDF) 중공사막 단면의 주사전자현미경(SEM) 사진이다.1 is a scanning electron microscope (SEM) photograph of a cross-section of an asymmetric microporous polyvinylidene difluoride (PVDF) hollow fiber membrane prepared by wet spinning in a phase transition process.
도 2는 흡수/탈착모듈로 사용한 비대칭 미세다공성 폴리비닐리덴 디플루오라이드(PVDF) 중공사막 모듈의 사진이다2 is a photograph of an asymmetric microporous polyvinylidene difluoride (PVDF) hollow fiber membrane module used as an absorption / desorption module.
도 3은 흡수모듈과 탈착모듈이 조합된 순환식 중공사막 접촉기 시스템의 개략도이다.3 is a schematic diagram of a circulating hollow fiber membrane contactor system in which an absorption module and a detachment module are combined.
도 4는 흡수모듈과 열탈착기를 조합한 혼성시스템의 개략도이다.4 is a schematic diagram of a hybrid system combining an absorption module and a thermal desorber.
[도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명][Description of Symbols for Main Parts of Drawing]
1 : 중공사막 접촉기2 : 열탈착기(stripper)1: hollow fiber membrane contactor 2: thermal stripper
3 : 냉각기4 : 리보일러(reboiler)3: cooler 4: reboiler
5 : 펌프6 : 진공 펌프5: pump 6: vacuum pump
7 : 유량조절기(Mass flow controller, MFC)7: Mass flow controller (MFC)
8 : 가스 크로마토그래피(GC)8: gas chromatography (GC)
본 발명은 비대칭 미세다공성 폴리비닐리덴 디플루오라이드 중공사막을 이용한 기체 분리방법에 있어서,The present invention is a gas separation method using an asymmetric microporous polyvinylidene difluoride hollow fiber membrane,
1) 폴리비닐리덴 디플루오라이드 9 ∼ 17 중량%, 염화리튬 0.1 ∼ 20 중량%, 염화아연 또는 디에틸렌글리콜디메틸에테르 0.1 ∼ 20 중량% 및 용매 70 ∼ 90 중량%를 함유하는 방사용액을 제조한 다음, 상전이법의 습식방사에 의해 비대칭 미세다공성 폴리비닐리덴 디플루오라이드 중공사막을 제조하는 단계;1) A spinning solution containing 9 to 17% by weight of polyvinylidene difluoride, 0.1 to 20% by weight of lithium chloride, 0.1 to 20% by weight of zinc chloride or diethylene glycol dimethyl ether, and 70 to 90% by weight of a solvent was prepared. Next, asymmetric microporous polyvinylidene difluoride hollow fiber membranes are prepared by wet spinning in a phase transfer method;
2) 상기 제조된 중공사막을 사용하여 모듈을 제조한 다음, 이를 이산화탄소 분리 시스템에 장착하는 단계; 그리고2) preparing a module using the manufactured hollow fiber membrane, and then mounting it on a carbon dioxide separation system; And
3) 상기 시스템에 물리적 흡수제로서 물(H2O)과; 화학적 흡수제로서 알칼리금속탄산염, 알칼리금속수산화물 및 알칸올아민 중에서 선택된 것과; 이산화탄소가 포함된 혼합기체를 공급하여 이산화탄소를 분리하는 단계3) water (H 2 O) as a physical absorbent in the system; As the chemical absorbent selected from alkali metal carbonates, alkali metal hydroxides and alkanolamines; Separation of carbon dioxide by supplying a mixed gas containing carbon dioxide
를 포함하는 것을 특징으로 하는 폴리비닐리덴 디플루오라이드 중공사막 접촉기를 이용한 이산화탄소의 분리방법을 특징으로 한다.Characterized in that the carbon dioxide separation method using a polyvinylidene difluoride hollow fiber membrane contactor comprising a.
이와 같은 본 발명을 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.The present invention will be described in more detail as follows.
1) 중공사막의 제조1) Preparation of Hollow Fiber Membrane
폴리비닐리덴 디플루오라이드 9 ∼ 17 중량%, 염화리튬 0.1 ∼ 20 중량%, 염화아연 또는 디에틸렌글리콜디메틸에테르 0.1 ∼ 20 중량% 및 용매 70 ∼ 90 중량%를 함유하는 방사용액을 제조한 다음, 상전이법의 습식방사에 의해 비대칭 미세다공성 폴리비닐리덴 디플루오라이드 중공사막을 제조하는 단계를 수행한다.A spinning solution containing 9 to 17% by weight of polyvinylidene difluoride, 0.1 to 20% by weight of lithium chloride, 0.1 to 20% by weight of zinc chloride or diethylene glycol dimethyl ether, and 70 to 90% by weight of a solvent was prepared. A step of preparing an asymmetric microporous polyvinylidene difluoride hollow fiber membrane by wet spinning of a phase transition method is performed.
이러한 비대칭 미세다공성 폴리비닐리덴 디플루오라이드 중공사막의 제조방법을 공정별로 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.The manufacturing method of such an asymmetric microporous polyvinylidene difluoride hollow fiber membrane will be described in detail by process.
먼저, 폴리비닐리덴 디플루오라이드 9 ∼ 17 중량%, 염화리튬 0.1 ∼ 20 중량%, 염화아연 또는 디에틸렌글리콜디메틸에테르 0.1 ∼ 20 중량% 및 용매 70 ∼ 90 중량%가 함유된 방사용액을 제조한다.First, a spinning solution containing 9 to 17% by weight of polyvinylidene difluoride, 0.1 to 20% by weight of lithium chloride, 0.1 to 20% by weight of zinc chloride or diethylene glycol dimethyl ether, and 70 to 90% by weight of a solvent is prepared. .
상기 폴리비닐리덴 디플루오라이드는 중공사막의 재질로써, 디메틸아세트아미드, 디메틸포름아미드, 메틸피롤리돈, 및 아세톤과 같은 비양자성 용매에는 용해되고, 내산화성 및 무기산과 유기산, 지방족 및 방향족 탄화수소, 알코올, 및 할로겐화 용매 등에 대한 내구성이 우수하며 -50 ∼ 140 ℃에서 우수한 물리적 성질을 나타낸다. 이러한 폴리비닐리덴 디플루오라이드는 전체 방사용액 중 9 ∼ 17 중량% 함유하는 것이 바람직하며, 만일 그 함유량이 9 중량% 미만이면 기공크기가 조절범위 이상으로 커진다는 문제가 있고, 17 중량%를 초과하면 기공율이 낮아지는 문제가 있다. 또한, 상기 폴리비닐리덴 디플루오라이드는 분자량 200,000 ∼ 800,000인 것이 바람직하며, 엘프 오토켐(Elf Autochem, USA)사의 키나(Kynar) 761(Mw 520,000), 760(Mw 444,000), 721(Mw 275,000), 720(Mw 245,000) 등을 사용할 수 있다.The polyvinylidene difluoride is a material of the hollow fiber membrane, and is dissolved in aprotic solvents such as dimethylacetamide, dimethylformamide, methylpyrrolidone, and acetone, and is resistant to oxidation and inorganic acids, organic acids, aliphatic and aromatic hydrocarbons, It has excellent durability against alcohol, halogenated solvent and the like, and shows excellent physical properties at -50 to 140 ° C. Such polyvinylidene difluoride is preferably contained 9 to 17% by weight of the total spinning solution, if the content is less than 9% by weight there is a problem that the pore size is larger than the control range, exceeding 17% by weight There is a problem that the porosity is lowered. In addition, the polyvinylidene difluoride preferably has a molecular weight of 200,000 to 800,000, Kynar 761 (Mw 520,000), 760 (Mw 444,000), 721 (Mw 275,000) manufactured by Elf Autochem, USA. , 720 (Mw 245,000) and the like can be used.
상기 PVDF는 소수성이 매우 강한 물질이므로 상전이 공정 중 응고제와 용매의 상호교환이 원활하게 일어나지 않아 기공형성이 잘 되지 않으므로, 이러한 문제점을 해결하기 위해 본 발명에서는 기공 형성제로 염화리튬(LiCl)을 사용할 수 있으며, 전체 방사용액 중 0.1 ∼ 20 중량% 함유하는 것이 바람직하며, 만일 그 함유량이 0.1 중량% 미만이면 기공율이 낮은 문제가 있고, 20 중량%를 초과하면 기공율은 증가하나 기공크기가 함께 증가하는 문제가 있다.Since the PVDF is a very hydrophobic material, it is difficult to form pores because the coagulation agent and the solvent are not easily exchanged during the phase transition process. Thus, in order to solve this problem, lithium chloride (LiCl) may be used as a pore-forming agent. It is preferable to contain 0.1 to 20% by weight of the total spinning solution, and if the content is less than 0.1% by weight, there is a problem of low porosity, and if it exceeds 20% by weight, the porosity increases but the pore size increases together. There is.
본 발명에서 기공율 변화에 관계없이 기공크기를 일정범위 내에서 조절하는역할을 하는 기공성장 억제제는 염화아연 또는 디에틸렌글리콜디메틸에테르를 사용할 수 있으며, 전체 방사용액 중 0.1 ∼ 20 중량% 함유하는 것이 바람직하며, 만일 그 함유량이 0.1 중량% 미만이면 기공율은 증가하나 기공크기가 함께 증가하는 문제가 있고, 20 중량%를 초과하면 기공율인 낮은 문제가 있다.In the present invention, the pore growth inhibitor, which serves to control the pore size within a certain range regardless of the porosity change, may use zinc chloride or diethylene glycol dimethyl ether, and preferably contain 0.1 to 20% by weight of the total spinning solution. If the content is less than 0.1% by weight, the porosity increases but the pore size increases together, and if the content exceeds 20% by weight, there is a low porosity problem.
본 발명은 기공 형성제와 기공성장 억제제를 함께 사용하는데 그 특징이 있는바, 상기 기공 형성제와 기공성장 억제제는 본 발명에 따른 PVDF 중공사막에서 각각 고분자 물질 또는 용매와 상호작용을 통하여 중공사막의 기공율을 높이고 표면 스킨층의 기공크기를 미세하게 하는 잇점이 있다.The present invention is characterized by using a pore former and a pore growth inhibitor together. The pore former and the pore growth inhibitor are formed in the PVDF hollow fiber membrane according to the present invention by interacting with a polymer material or a solvent, respectively. There is an advantage of increasing the porosity and making the pore size of the surface skin layer fine.
그리고, 상기 용매는 디메틸아세트아미드(N,N-dimethylacetamide, DMAc), 디메틸포름아미드(N,N-dimethylformamide, DMF), 디메틸설폭사이드(dimethlsulphoxide, DMSO), 메틸피롤리돈(N-methyl-2-pyrrolidone, NMP), 트리에틸포스페이트(triethyl phosphate, TEP), 아세톤(acetone), 메틸에틸케톤(methylethyl ketone) 및 테트라하이드로퓨란(tetrahydrofuran, THF) 중에서 선택된 단독 또는 2종 이상의 혼합용매를 사용할 수 있으며, 전체 방사용액 중 70 ∼ 90 중량% 함유하는 것이 바람직하며, 만일 그 함유량이 70 중량% 미만이면 기공크기와 함께 기공율이 크게 감소하는 문제가 있고, 90 중량%를 초과하면 이와 반대로 기공크기와 기공율이 일정범위 이상으로 커지는 문제가 있다.The solvent is dimethylacetamide (N, N-dimethylacetamide, DMAc), dimethylformamide (N, N-dimethylformamide, DMF), dimethyl sulfoxide (DMSO), methylpyrrolidone (N-methyl-2 single or two or more mixed solvents selected from -pyrrolidone (NMP), triethyl phosphate (TEP), acetone, methylethyl ketone and tetrahydrofuran (THF) It is preferable to contain 70 to 90% by weight of the total spinning solution, and if the content is less than 70% by weight, there is a problem that the porosity is greatly reduced along with the pore size. There is a problem that grows beyond this certain range.
그런 다음, 상기 제조된 방사용액을 튜브인올리피스(tube-in-orifice) 형태의 노즐을 이용한 습식 또는 건습식 방사법을 통해 비대칭 미세다공성 PVDF 중공사막을 제조한다. 상기 상전이 공정은 내부 응고제와 외부 응고제로 물 또는 물/유기용매 혼합 수용액을 사용할 수 있으며, 상기 유기용매는 알코올, 디메틸아세트아미드, 디메틸포름아미드, 메틸피롤리돈 또는 아세톤을 사용할 수 있다.Then, the prepared asymmetric microporous PVDF hollow fiber membrane is prepared by a wet or dry spinning method using a nozzle in the form of a tube-in-orifice. The phase transition process may use water or a water / organic solvent mixed aqueous solution as an internal coagulant and an external coagulant, and the organic solvent may be alcohol, dimethylacetamide, dimethylformamide, methylpyrrolidone or acetone.
마지막으로, 폴리비닐리덴 디플루오라이드 중공사막의 후처리하는바, 상기 폴리비닐리덴 디플루오라이드 중공사막을 상온에서 7일간 물속에 보관한 후 40 ℃ ∼ 90 ℃의 열수를 이용하여 1 시간 ∼ 24 시간동안 열수처리하여 막 내부에 잔존하고 있는 유기용매, 기공형성제 및 기공성장 억제제 등을 추출한다. 그 후, PVDF 중공사막을 상온에서 1일간 물속에 보관한 다음 1 ∼ 100% 에틸알코올에 1초 ∼ 1시간 침지시킨 후, 상대습도 10 ∼ 60%, 온도 10 ∼ 50℃에서 1시간 ∼ 7일동안 건조시켜 최종 PVDF 중공사막을 제조한다.Finally, the post-treatment of the polyvinylidene difluoride hollow fiber membrane, the polyvinylidene difluoride hollow fiber membrane was stored in water for 7 days at room temperature and then used for 1 hour to 24 hours using hot water of 40 ℃ to 90 ℃ By hydrothermal treatment for a period of time to extract the organic solvent, pore-forming agent and pore growth inhibitor remaining in the membrane. After that, the PVDF hollow fiber membrane was kept in water for 1 day at room temperature, and then immersed in 1 to 100% ethyl alcohol for 1 second to 1 hour, and then 10 to 60% relative humidity for 1 hour to 7 days at a temperature of 10 to 50 ° C. To dry to form the final PVDF hollow fiber membrane.
이때 제조된 PVDF 중공사막은 기체투과측정법을 이용하여 70 %이상의 표면 유효 기공율과 0.001 ㎛에서 0.005 ㎛정도의 기공크기를 갖는 것을 확인하였다.At this time, the PVDF hollow fiber membrane was confirmed to have a surface effective porosity of more than 70% and a pore size of about 0.001 ㎛ to 0.005 ㎛ by using a gas permeation measurement.
2) 순환식 중공사막 접촉기 시스템 또는 혼성시스템에 도입2) Introduction to circulating hollow fiber membrane contactor system or hybrid system
상기 제조된 중공사막을 흡수모듈과 탈착모듈로 이루어진 순환식 중공사막 접촉기 시스템에 도입하거나, 또는 흡수모듈과 열탈착기로 이루어진 혼성시스템에 도입한다.The prepared hollow fiber membrane is introduced into a circulating hollow fiber membrane contactor system composed of an absorption module and a desorption module, or is introduced into a hybrid system composed of an absorption module and a thermal desorber.
즉, 상기 제조된 중공사막을 이용하여 흡수모듈 및 탈착모듈용 접촉기를 제조한 다음, 흡수모듈과 탈착모듈이 조합된 장치로서 이산화탄소 흡수제가 두 모듈간을 연속적으로 순환하는 순환식 중공사막 접촉기 시스템(circulatory hollowfiber membrane contactor system)과, 상기의 흡수모듈 및 기존 흡수법에서 사용되는 열탈착기를 조합하여 흡수제가 두 부분을 연속적으로 순환하는 혼성시스템(hybrid system)을 구축할 수 있다.That is, the manufactured hollow fiber membrane contactor is manufactured using the manufactured hollow fiber membrane, and then the absorption module and the desorption module are combined devices in which a carbon dioxide absorbent continuously circulates between the two modules. A circulatory hollowfiber membrane contactor system) and the above-described absorption module and the thermal desorber used in the existing absorption method can be used to construct a hybrid system in which the absorbent continuously circulates two parts.
상기 흡수모듈 및 탈착모듈은 중공사막을 길이 250 ㎜, 내경 20 ㎜인 아크릴튜브의 양단에 접착제를 이용하여 고정시키는 방법으로 제조할 수 있다. 이때, 사용되는 폴리비닐리덴 디플루오라이드 중공사막의 기공율과 기공크기는 각각 10 ∼ 90 % 및 0.001 ∼ 1 ㎛ 범위가 바람직하다. 상기 순환식 중공사막 접촉기 시스템에서 흡수모듈 및 탈착모듈과 혼성시스템에서 흡수모듈의 중공사막 배열의 형태는 모듈과 평형(parallel) 배열 또는 직물(fabric) 배열이 바람직하다. 그리고, 상기 순환식 중공사막 접촉기 시스템에서 흡수모듈 및 탈착모듈과 혼성시스템에서 흡수모듈의 중공사막 충진밀도는 0.1 ∼ 0.8로 함이 바람직하다.The absorbent module and the detachable module may be manufactured by fixing the hollow fiber membrane using adhesives at both ends of an acrylic tube having a length of 250 mm and an inner diameter of 20 mm. At this time, the porosity and pore size of the polyvinylidene difluoride hollow fiber membrane used are preferably in the range of 10 to 90% and 0.001 to 1 μm, respectively. The hollow fiber membrane arrangement of the absorbent module and the desorption module in the circulating hollow fiber membrane contactor system and the hybrid module is preferably in a parallel or fabric arrangement with the module. In the circulating hollow fiber membrane contactor system, the absorbent module and the desorption module and the hybrid system preferably have a hollow fiber membrane filling density of 0.1 to 0.8.
3) 이산화탄소의 분리3) Separation of Carbon Dioxide
상기 순환식 중공사막 접촉기 시스템이나 혼성시스템에 물리적 흡수제 및 화학적 흡수제와, 이산화탄소가 포함된 혼합기체를 공급하여 이산화탄소를 분리한다.The carbon dioxide is separated by supplying a physical gas absorbent, a chemical absorbent, and a mixed gas containing carbon dioxide to the circulating hollow fiber membrane contactor system or hybrid system.
상기 물리적 흡수제로는 순수 물(H2O)을 사용할 수 있으며, 상기 화학적 흡수제로는 알칼리금속탄산염인 포타슘카본에이트(K2CO3), 알칼리금속수산화물인 소듐하이드록사이드(NaOH), 포타슘하이드록사이드(KOH), 알칸올아민류인 모노에탄올 아민(MEA), 디에탄올아민(DEA), 트리에탄올아민(TEA), 디아민오아이소프로판올(DAIP)및 메틸디에탄올아민(MDEA) 등을 사용할 수 있다.Pure water (H 2 O) may be used as the physical absorbent, and the chemical absorbent may be potassium carbonate (K 2 CO 3 ), which is an alkali metal carbonate, sodium hydroxide (NaOH), or potassium hydroxide, which is an alkali metal hydroxide. The hydroxide (KOH), monoethanol amine (MEA) which is alkanolamines, diethanolamine (DEA), triethanolamine (TEA), diamine oisopropanol (DAIP), methyl diethanolamine (MDEA), etc. can be used.
상기 순환식 중공사막 접촉기 시스템은 흡수제와 혼합기체가 흡수모듈 및 탈착모듈을 연속적으로 순환하는 원리이다. 상기 탈착모듈에서 흡수제는 중공사막 내부(tube-side)로 흐르게 하고 모듈 동체측(shell-side)은 감압하는 방법으로 운전하거나, 또는 흡수제는 모듈 동체측(shell-side)으로 흐르게 하고, 중공사막 내부(tube-side)는 감압하는 방법으로 운전할 수 있다. 탈착모듈에서 탈착 구동력은 진공 또는 스윕(sweep)가스를 통해 발생시킨다.The cyclic hollow fiber membrane contactor system is a principle that the absorbent and the mixed gas continuously circulate through the absorbent module and the desorption module. In the desorption module, the absorbent flows to the inside of the hollow fiber membrane (tube-side) and the module shell-side is operated by reducing the pressure, or the absorbent flows to the module shell-side, and the hollow fiber membrane The tube-side can be operated by reducing the pressure. Desorption drive force in the desorption module is generated through vacuum or sweep gas.
한편, 상기 혼성시스템은 흡수제와 혼합기체가 흡수모듈 및 열탈착기를 연속적으로 순환하는 원리이다. 열탈착기로는 기존 흡수장치에서 사용하는 듀얼컬럼(dual column)을 사용할 수 있다.In the hybrid system, the absorbent and the mixed gas continuously circulate the absorbent module and the thermal desorber. As a thermal desorber, dual columns used in existing absorbers can be used.
상기 각 시스템의 흡수모듈에서 혼합기체와 흡수제의 흐름은 향류(countercurrent)이고, 흡수모듈에서 혼합기체와 흡수제의 압력차는 1 기압 이하로 유지하며, 흡수모듈과 탈착모듈의 운전온도는 1 ∼ 80 ℃가 바람직하다. 흡수제를 흡수모듈과 탈착모듈 또는 흡수모듈과 열탈착기 간을 순환시키기 위해서는 맥동이 없는 기어펌프를 사용하며, 흡수모듈에 주입되는 혼합기체의 유속은 유량조절기를 이용하여 조절한다.In the absorption module of each system, the flow of the mixed gas and the absorbent is countercurrent, and the pressure difference between the mixed gas and the absorbent in the absorbent module is maintained at 1 atm or less, and the operating temperature of the absorbent module and the desorption module is 1 to 80 ° C. Is preferred. A pulsation-free gear pump is used to circulate the absorbent between the absorption module and the desorption module or between the absorption module and the thermal desorption device. The flow rate of the mixed gas injected into the absorption module is controlled using a flow controller.
또한, 탈착모듈에서는 진공펌프와 진공압조절기를 이용하여 1 ∼ 500 torr를 유지하며, 열탈착기의 온도는 20 ∼ 150 ℃로 운전한다. 혼성시스템에서 열탈착기와 흡수모듈 사이에는 열교환기를 설치하여 흡수제를 감온시킨 다음 흡수모듈에 주입한다. 이산화탄소 제거율은 흡수모듈의 기체 주입부와 배출부에서 각각가스크로마토그래프(GC)를 이용하여 측정할 수 있다.In addition, the desorption module maintains 1 to 500 torr using a vacuum pump and a vacuum pressure regulator, and the temperature of the thermal desorber is operated at 20 to 150 ° C. In the hybrid system, a heat exchanger is installed between the heat desorber and the absorbent module to reduce the absorbent and inject it into the absorbent module. Carbon dioxide removal rate can be measured by using a gas chromatograph (GC) at the gas inlet and outlet of the absorption module, respectively.
본 발명에 의해서 개발된 비대칭 미세다공성 PVDF 중공사막 접촉기를 이용한 순환식 중공사막 접촉기 시스템 및 혼성 시스템과 기존의 상품화된 대칭 다공성 PP(Memtech사) 중공사막을 본 시스템에 도입한 결과를 비교하고, 또한 기존의 흡수장치, 즉 고정컬럼과 열탈착기를 조합하여 이산화탄소 분리ㆍ회수 실험을 수행한 결과를 비교 분석한 결과, 본 발명에 따른 이산화탄소의 분리 효율이 보다 우수함을 알 수 있었다.The results of introducing the circulating hollow fiber membrane contactor system and hybrid system using the asymmetric microporous PVDF hollow fiber membrane contactor developed by the present invention and the conventional commercialized symmetric porous PP (Memtech) hollow fiber membrane into the system, As a result of comparing and analyzing the results of the carbon dioxide separation and recovery experiment by combining the conventional absorption device, that is, the fixed column and the thermal desorber, it was found that the separation efficiency of carbon dioxide according to the present invention is better.
이하, 본 발명을 다음의 실시예에 의거하여 더욱 구체화하여 설명하겠는바, 본 발명이 실시예의 의하여 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail based on the following examples, but the present invention is not limited to the examples.
제조예 1: PVDF 중공사막의 제조Preparation Example 1 Preparation of PVDF Hollow Fiber Membrane
폴리비닐리덴 디플루오라이드(PVDF, 엘프 오토켐(Elf Autochem, USA)사의 Kynar 761(Mw=520,000)) 15 중량%와 염화리튬(LiCl) 3.75 중량%, 염화아연(ZnCl2) 1.25 중량%를 디메틸아세트아미드(DMAc) 80 중량%에 용해시켜 방사용액을 제조하였다. 제조된 방사용액을 튜브인올리피스(tube-in-orifice) 형태의 노즐을 이용한 습식방사공정을 통해 비대칭 미세다공성 PVDF 중공사막을 제조하였다. 이때 내부응고제와 외부응고제로는 비용매인 물을 사용하였다. 제조된 PVDF 중공사막은 상온에서 7일간 물 속에 보관한 후 60 ℃의 열수를 이용하여 6시간 동안 열수처리하여 막 내부에 잔존하고 있는 유기용매, 기공형성제 및 기공성장 억제제 등을추출하였다. 이러한 후처리 공정을 거친 PVDF 중공사막을 상온에서 1일간 물속에 보관한 다음 100% 에탄올에 20초간 침지시킨 후 상온에서 2일간 건조시켜 폴리비닐리덴 디플루오라이드 중공사막을 얻었다.15 wt% of polyvinylidene difluoride (PVDF, Kynar 761 (Mw = 520,000) from Elf Autochem, USA), 3.75 wt% of lithium chloride (LiCl), 1.25 wt% of zinc chloride (ZnCl 2 ) A spinning solution was prepared by dissolving in 80% by weight of dimethylacetamide (DMAc). An asymmetric microporous PVDF hollow fiber membrane was prepared through a wet spinning process using the prepared spinning solution using a tube-in-orifice nozzle. At this time, non-solvent water was used as the internal coagulant and the external coagulant. The PVDF hollow fiber membranes were stored in water at room temperature for 7 days and then treated with hot water for 60 hours using hot water at 60 ° C. to extract organic solvents, pore formers, and pore growth inhibitors remaining in the membrane. After the PVDF hollow fiber membrane subjected to the post-treatment process was stored in water for 1 day at room temperature, immersed in 100% ethanol for 20 seconds and dried at room temperature for 2 days to obtain a polyvinylidene difluoride hollow fiber membrane.
실시예 1Example 1
상기 제조예 1에서 얻은 비대칭 미세다공성 PVDF 중공사막을 길이 250㎜, 내경 20㎜인 아크릴튜브의 양단에 접착제를 이용하여 고정시키는 방법으로 흡수 및 탈착모듈을 제조하였으며 중공사막 충진밀도는 0.4였다. 제조된 흡수 및 탈착모듈을 이용하여 순환식 중공사막 접촉기 시스템을 구축하였으며 혼합기체는 질소 및 이산화탄소가 각각 80 %, 20 % 씩 혼합되어 있는 모사기체로 유량조절기를 이용하여 유속을 조절하였다. 흡수제는 화학적 흡수제인 5 중량% 모노에탄올아민(MEA)으로 흡수모듈과 탈착모듈 간을 순환시키기 위해 맥동이 없는 기어펌프를 사용하였으며 흡수모듈과 탈착모듈의 온도는 모두 30 ℃로 고정시켰다. 흡수모듈에서 기체와 흡수제의 압력차는 1기압 이하로 유지하였고, 흐름은 서로 향류로 흐르게 하였으며, 탈착모듈에서는 진공펌프와 진공압 조절기를 이용하여 50 torr를 유지하였다. 흡수모듈에서 혼합기체와 흡수제는 각각 중공사막 내부(tube-side)와 모듈 동체측(shell-side)로 흐르게 하였으며 탈착모듈에서는 이산화탄소가 함유된 흡수제를 중공사막 내부(tube-side)로 흐르게 하였으며 모듈 동체측(shell-side)은 감압하였다. 또한 흡수모듈에서 혼합기체와 흡수제의 유속은 각각 450 cc/min과 20 cc/min으로 운전하였으며, 이산화탄소 제거율은 흡수모듈의 기체 주입부와 배출부에서 각각 가스크로마토그래프(GC)를 이용하여 측정하였다.Absorption and desorption modules were prepared by fixing the asymmetric microporous PVDF hollow fiber membrane obtained in Preparation Example 1 using an adhesive to both ends of an acrylic tube having a length of 250 mm and an inner diameter of 20 mm, and the hollow fiber membrane packing density was 0.4. The circulating hollow fiber membrane contactor system was constructed using the manufactured absorption and desorption modules, and the mixed gas was a simulated gas in which nitrogen and carbon dioxide were mixed by 80% and 20%, respectively, and the flow rate was controlled by using a flow controller. Absorbent was chemically absorbent, 5 wt% monoethanolamine (MEA), and a pulsation-free gear pump was used to circulate between the absorbent module and the desorption module. The pressure difference between the gas and the absorbent in the absorption module was kept below 1 atm, the flows flowed countercurrently, and the desorption module was maintained at 50 torr using a vacuum pump and a vacuum pressure regulator. In the absorption module, the mixed gas and the absorbent were flowed into the tube-side and the shell-side of the hollow fiber membrane, respectively. In the desorption module, the absorbent containing carbon dioxide was flowed into the tube-side of the hollow fiber membrane. The shell-side was depressurized. In addition, the flow rates of the mixed gas and the absorbent in the absorption module were operated at 450 cc / min and 20 cc / min, respectively, and the carbon dioxide removal rate was measured using gas chromatograph (GC) at the gas inlet and outlet of the absorption module, respectively. .
실시예 2Example 2
탈착모듈에서 이산화탄소가 함유된 흡수제를 모듈 동체측(shell-side)으로 흐르게 하였으며 중공사막 내부(tube-side)를 감압한 것 외에는 모든 실험조건을 실시예 1과 같이 하여 이산화탄소 흡/탈착 실험을 수행하였다.In the desorption module, carbon dioxide-containing absorbents were flowed to the shell-side of the module, and carbon dioxide adsorption / desorption experiments were carried out in the same manner as in Example 1 except that the inside of the hollow fiber membrane was depressurized. It was.
실시예 3Example 3
흡수제를 물리적 흡수제인 물을 사용한 것 외에는 모든 실험조건을 실시예 1과 같이 하여 이산화탄소 흡/탈착 실험을 수행하였다.Carbon dioxide adsorption / desorption experiments were carried out in the same manner as in Example 1 except that water absorbent was used as water as a physical absorbent.
실시예 4Example 4
실시예 1과 같은 방법으로 흡수모듈을 제조하였으며 제조된 흡수모듈과 열탈착기를 조합하여 혼성 시스템을 구축하였다. 혼합기체는 질소 및 이산화탄소가 각각 80 %, 20 % 씩 혼합되어 있는 모사기체로 유량조절기를 이용하여 유속을 조절하였다. 흡수제는 화학적 흡수제인 5 중량% 모노에탄올아민(MEA)으로 흡수모듈과 열탈착기 간을 순환시키기 위해 맥동이 없는 기어펌프를 사용하였으며 흡수모듈과 열탈착기의 온도는 각각 30 ℃, 130 ℃로 고정시켰다. 흡수모듈에서 기체와 흡수제의 압력차는 1기압 이하로 유지하였고, 흐름은 서로 향류로 흐르게 하였으며 열탈착기와 흡수모듈 사이에 열교환기를 설치하여 흡수제를 감온시킨 다음 흡수모듈에 주입하였다. 흡수모듈에서 혼합기체와 흡수제는 각각 중공사막 내부(tube-side)와 모듈 동체측(shell-side)로 흐르게 하였으며 혼합기체와 흡수제의 유속은 각각 450 cc/min과 20 cc/min으로 운전하였다. 이산화탄소 제거율은 흡수모듈의 기체 주입부와 배출부에서 각각 가스크로마토그래프(GC)를 이용하여 측정하였다.An absorption module was manufactured in the same manner as in Example 1, and a hybrid system was constructed by combining the manufactured absorption module and the thermal desorber. The mixed gas was a simulated gas in which nitrogen and carbon dioxide were mixed by 80% and 20%, respectively, and the flow rate was controlled by using a flow controller. The absorbent is a 5% by weight monoethanolamine (MEA), a chemical absorbent. A pulsation-free gear pump is used to circulate between the absorbent module and the thermal desorber. The temperature of the absorbent module and the thermal desorber is fixed at 30 ℃ and 130 ℃, respectively. . The pressure difference between the gas and the absorbent in the absorbent module was kept below 1 atm, the flows flowed countercurrently, and the heat absorber was installed between the thermal desorber and the absorbent module to reduce the absorbent and then injected into the absorbent module. In the absorption module, the mixed gas and the absorbent were flowed into the tube-side and the shell-side of the hollow fiber membrane, respectively, and the flow rates of the mixed gas and the absorbent were operated at 450 cc / min and 20 cc / min, respectively. The carbon dioxide removal rate was measured using gas chromatograph (GC) at the gas inlet and outlet of the absorption module, respectively.
실시예 5Example 5
흡수제를 물리적 흡수제인 물을 사용한 것 외에는 모든 실험조건을 실시예 4와 같이 하여 이산화탄소 흡/탈착 실험을 수행하였다.Carbon dioxide adsorption / desorption experiments were carried out in the same manner as in Example 4 except that the water absorbent was used as water as a physical absorbent.
비교예 1Comparative Example 1
대칭 다공성 PP 중공사막(Memtech사 제품, 기공크기 : 0.02 ∼ 0.05 ㎛, 기공율 : 70 %)을 이용하여 실시예 1과 같이 중공사막 접촉기를 제조하여 흡수모듈로 사용하였다. 그 외에는 모든 실험조건을 실시예 1과 같이 하여 이산화탄소 흡/탈착 실험을 수행하였다.Using a symmetric porous PP hollow fiber membrane (Memtech, pore size: 0.02 ~ 0.05 ㎛, porosity: 70%) as in Example 1 to prepare a hollow fiber membrane contactor was used as an absorption module. Otherwise, all the experimental conditions were performed in the same manner as in Example 1 to conduct carbon dioxide adsorption / desorption experiments.
비교예 2Comparative Example 2
흡수제를 물리적 흡수제인 물을 사용한 것 외에는 모든 실험조건을 비교예 1과 같이 하여 이산화탄소 흡/탈착 실험을 수행하였다.Carbon dioxide adsorption / desorption experiments were carried out under the same conditions as in Comparative Example 1 except that water absorbents were used as water absorbents.
비교예 3Comparative Example 3
비교예 1과 같은 방법으로 제조된 흡수모듈을 이용하여 흡수모듈과 열탈착기를 조합한 혼성 시스템을 구축하였다. 그 외에는 모든 실험조건을 실시예 4와 같이 하여 이산화탄소 흡/탈착 실험을 수행하였다.Using the absorption module manufactured in the same manner as in Comparative Example 1 to build a hybrid system combining the absorption module and the thermal desorber. Otherwise, all the experimental conditions were carried out in the same manner as in Example 4 to conduct a carbon dioxide adsorption / desorption experiment.
비교예 4Comparative Example 4
흡수제를 물리적 흡수제인 물을 사용한 것 외에는 모든 실험조건을 비교예 3과 같이 하여 이산화탄소 흡/탈착 실험을 수행하였다.Carbon dioxide adsorption / desorption experiments were carried out under the same conditions as in Comparative Example 3 except that water absorbents were used as water absorbents.
상기 실시예 1 내지 5에서 구축한 이산화탄소 분리ㆍ회수를 위한 순환식 중공사막 접촉기 및 혼성 시스템은 높은 분리효율을 나타내었으며, 그 결과를 다음 표 1에 제시하였다.The cyclic hollow fiber membrane contactor and hybrid system for carbon dioxide separation and recovery constructed in Examples 1 to 5 exhibited high separation efficiency, and the results are shown in Table 1 below.
표 1에서 알 수 있듯이, 흡수제로 물리적 흡수제인 물을 사용한 경우 화학적 흡수제인 MEA에 비해 매우 낮은 이산화탄소 제거효율을 보였다. 비교예에서와 같이 기존의 상품화된 대칭 다공성 PP 중공사막으로 제조한 흡수모듈을 상기의 시스템에 도입하여 이산화탄소 분리ㆍ회수실험을 실시한 결과, 막의 저항으로 인해 비대칭 미세다공성 PVDF 중공사막을 이용한 흡수모듈에 비해 이산화탄소 분리효율이 감소하였다.As can be seen from Table 1, when water, a physical absorbent, was used as the absorbent, the carbon dioxide removal efficiency was much lower than that of the chemical absorbent MEA. As in the comparative example, the absorption module prepared from the conventional commercialized symmetric porous PP hollow fiber membrane was introduced into the above system, and the carbon dioxide separation and recovery experiments were conducted. In comparison, the carbon dioxide separation efficiency was reduced.
시험예 : 기존의 이산화탄소 흡수장치Test Example: Existing Carbon Dioxide Absorber
고정컬럼과 열탈착기로 이루어진 기존의 이산화탄소 흡수장치를 사용하여 이산화탄소 분리효율을 측정하였다. 글라스 재질의 1/2 인치 라스치그 링(raschig ring)을 충진제로 사용한 고정컬럼을 사용하였으며, 고정컬럼의 부피는본 발명에서 개발한 비대칭 미세다공성 PVDF 중공사막 흡수모듈에 비해 1.5 배 크게 제작하였다. 또한 열탈착기는 실시예 4에서 사용한 열탈착기를 그대로 사용하였으며 흡수제는 물리적 흡수제인 물과 화학적 흡수제인 5 % 모노에탄올아민(MEA) 수용액을 사용하였다. 다음 표 2는 기존의 흡수장치(고정컬럼+열탈착기)의 이산화탄소 분리효율을 나타낸 것이다.Carbon dioxide separation efficiency was measured using a conventional carbon dioxide absorber consisting of a fixed column and a thermal desorber. A fixed column using a glass 1/2 inch raschig ring as a filler was used, and the volume of the fixed column was 1.5 times larger than that of the asymmetric microporous PVDF hollow fiber membrane absorbing module developed in the present invention. In addition, the thermal desorber was used as it is in the thermal desorber used in Example 4, the absorbent was used as a water absorbing agent and 5% monoethanolamine (MEA) aqueous solution of the chemical absorbent. Table 2 shows the carbon dioxide separation efficiency of the existing absorber (fixed column + thermal desorption unit).
상기 표 2의 결과로부터, 기존의 흡수장치가 본 발명에서 개발한 순환식 중공사막 접촉기 시스템이나 혼성시스템에 비해 이산화탄소 제거효율이 떨어짐을 알 수 있다.From the results of Table 2, it can be seen that the existing absorber is less carbon dioxide removal efficiency than the cyclic hollow fiber membrane contactor system or hybrid system developed in the present invention.
이상의 결과로부터 본 발명에서 개발된 방법인 고효율 이산화탄소 분리ㆍ회수 시스템, 즉 비대칭 미세다공성 PVDF 중공사막 접촉기를 이용한 순환식 중공사막 접촉기 시스템 및 혼성 시스템은 기존의 대칭 다공성 PP 중공사막을 도입한 경우에 비해 막의 물질전달 저항의 크게 감소함으로 인해 분리효율이 크게 향상되었음을 알 수 있다. 또한 기존의 흡수장치에 비해서도 매우 우수한 이산화탄소 분리효율을 나타내었다. 따라서 본 발명에서 개발한 비대칭 미세다공성 PVDF 중공사막을 이용한 고효율 이산화탄소 분리ㆍ회수 시스템은 기존의 분리공정에 비해 우수한 분리성능이 기대된다.From the above results, the high-efficiency carbon dioxide separation and recovery system developed in the present invention, that is, the cyclic hollow fiber membrane contactor system and hybrid system using asymmetric microporous PVDF hollow fiber membrane contactor, were compared with the case of introducing the conventional symmetric porous PP hollow fiber membrane. It can be seen that the separation efficiency is greatly improved due to the significant decrease in the mass transfer resistance of the membrane. In addition, the carbon dioxide separation efficiency was excellent compared to the existing absorber. Therefore, the highly efficient carbon dioxide separation and recovery system using the asymmetric microporous PVDF hollow fiber membrane developed in the present invention is expected to have excellent separation performance compared to the conventional separation process.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 폴리비닐리덴 디플루오라이드(PVDF) 중공사막 접촉기를 이용한 이산화탄소의 분리방법은 상전이 공정의 습식방사를 통해 제조한 비대칭 미세다공성 PVDF 중공사막을 모듈로 제작하여 흡수모듈과 탈착모듈이 조합된 순환식 중공사막 접촉기 시스템과 흡수모듈과 열탈착기(thermal stripper)를 조합한 혼성시스템을 구축하고, 흡수제로는 물리적 흡수제인 물과 화학적 흡수제인 모노에탄올아민 등의 수용액을 사용함으로써, 기존의 대칭 다공성 구조를 갖는 PP 중공사막 접촉기를 흡수모듈 또는 탈착모듈에 도입한 경우에 비해 이산화탄소 분리ㆍ회수 성능이 우수한 효과가 있어 지구온난화 기체로서 온실효과 기여도가 높은 이산화탄소의 제거에 널리 응용될 수 있다.As described above, in the carbon dioxide separation method using the polyvinylidene difluoride (PVDF) hollow fiber membrane contactor according to the present invention, an asymmetric microporous PVDF hollow fiber membrane prepared by wet spinning in a phase-transfer process is produced as a module for absorption. Circulating hollow fiber membrane contactor system combined with and desorption module and hybrid system combining absorber module and thermal stripper.Aqueous solutions such as water as physical absorbent and monoethanolamine as chemical absorbent are used as absorbent. As a result, the PP hollow fiber membrane contactor having a symmetrical porous structure has an excellent effect of separating and recovering carbon dioxide compared to the case of introducing a PP hollow fiber membrane contactor into an absorption module or a desorption module. Can be.
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