습식 및 낙하막 막 접촉기를 통한 효율적인 CO2 흡수: 모델링 및 시뮬레이션을 통한 통찰력

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 10994(2023) 이 기사 인용

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이 기사에 대한 저자 수정 사항은 2023년 7월 24일에 게시되었습니다.

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과도한 이산화탄소(CO2)가 대기 중으로 방출되면 전 지구적 작업에 기여하므로 지구상의 다양한 종의 안녕에 잠재적인 위협이 됩니다. 따라서 CO2 배출을 완화하기 위한 적절한 조치를 취하는 것이 필요합니다. 중공사막 접촉기는 분리 공정과 화학적 흡수의 장점을 결합한 새로운 기술입니다. 이 연구에서는 모노에탄올아민(MEA) 수용액에서 CO2 흡수를 향상시키는 습식 및 낙하 필름 막 접촉기(FFMC)의 효능을 조사합니다. 멤브레인 표면적, 가스 유속, 액체 유입 유속, 가스-액체 접촉 시간 및 용매 로딩과 같은 요소를 분석하여 두 접촉기의 CO2 흡수 과정을 조사합니다. 우리의 결과는 습식 멤브레인의 60%에 비해 인상적인 85%의 CO2 제거 효율을 달성하는 FFMC의 분명한 이점을 보여줍니다. 우리는 COMSOL Multiphysics 6.1 시뮬레이션 소프트웨어와 유한 요소 분석을 사용하여 연구 결과를 검증하고 평균 상대 오차가 약 4.3%로 예측 값과 실험 값 사이의 긴밀한 일치를 보여줍니다. 이러한 발견은 CO2 포집 분야에 대한 FFMC의 중요한 가능성을 강조합니다.

가스 흡수 공정에 사용되는 분리 장치의 물질 전달 및 유체역학적 성능은 몇 가지 중요한 요소의 영향을 받습니다. 이러한 요소에는 기체-액체 접촉 면적, 물질 전달 계수 및 압력 강하1가 포함됩니다. 멤브레인 접촉기(MC)는 파일럿 및 산업 규모, 특히 탄소 포집2에서 주목을 받아 에너지 소비와 비용을 절감합니다. 과제에는 기공 습윤, 용매 선택, 잠재적 솔루션 오염 등이 포함됩니다. 검토에서는 작동 원리, 가스 분리와의 비교, 모듈 설계 및 상업적 구현을 ​​강조합니다3,4,5. 이는 기체상과 액체상 사이의 물리적 장벽 역할을 하는 다공성 막으로 구성되어 두 상의 혼합을 방지하면서 기체의 선택적 전달을 허용합니다. 이 독특한 구조는 물질 전달 속도 및 공정 효율성6과 관련하여 여러 가지 이점을 제공합니다. MC는 상당한 계면 영역을 제공하여 효율적인 물질 전달을 촉진하고 가스 흐름에서 CO2 및 H2S와 같은 특정 불순물을 효과적으로 제거할 수 있습니다.

또한 MC는 낮은 압력 강하를 보여 에너지 소비 및 운영 비용을 감소시킵니다7,8. MC는 탄소 포집 및 이산화황 제거 응용 분야에서 기존의 충전 컬럼을 대체하기 위해 연구되었습니다9. 전반적으로 MC의 사용은 다양한 산업에서 기체-액체 질량 전달을 위한 유망한 접근 방식을 나타내며 성능과 상업적 생존 가능성을 최적화하기 위해서는 추가 연구가 필요합니다. 폴리프로필렌, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드와 같은 소수성 고분자 물질은 CO2 흡수 공정에 사용되는 가장 일반적인 소수성 막입니다14. 여러 개의 중공 섬유로 조립된 멤브레인 접촉기는 비표면적이 커서 기액 접촉을 위한 높은 인터페이스 영역을 제공합니다. 소수성 막을 이용한 막 흡수 공정에서, 흡수되는 기체는 먼저 벌크 기체상에서 기체-막 경계로 이동한 다음 막 기공을 통해 흡수가 일어나는 기체-액체 경계면으로 확산됩니다. 전체 물질 전달 과정에는 기체상 저항, 막 저항, 액체 저항이라는 세 가지 저항이 직렬로 포함됩니다. 이상적으로는 멤브레인 기공이 가스로 채워져 있고 액체 투과를 거부하여 낮은 물질 전달 저항을 보장합니다. 그러나 막 흡수에 사용되는 대부분의 고분자 막은 장기간 작동 시 젖는 경향이 있어 성능에 부정적인 영향을 미칠 수 있습니다20.