As carbon dioxide ($CO_2$) emissions have increased rapidly since the industrial revolution, the concentration of carbon dioxide in the atmosphere has risen to 416 ppm in 2021, which has caused the average surface temperature of the earth to rise by 1.2 degrees compared to 1920. As a result, technologies for reducing the concentration of carbon dioxide in the atmosphere have been developed. In the past, carbon capture and storage technologies have been integrated into fossil fuels, steel and cement manufacturing facilities to stop the emission of $CO_2$. Recently, direct air capture (DAC) technology, which lowers the concentration of carbon dioxide in the atmosphere by directly removing carbon dioxide from air has been in the spotlight.
One of the main benefits of DAC technology is that the location of the DAC plant is not constrained due to the ubiquitous nature of carbon dioxide. However, DAC technology has an extremely high process cost when compared to other carbon dioxide removal technologies. Therefore, for an effective DAC process, the absorption and adsorption system have a strong $CO_2$ affinity in an a very low $CO_2$ partial pressure of about 400 ppm. DAC process handles a huge amount of air, so the mass transfer of the air within the system should be excellent, and the pressure drop must be kept to a minimum, which is possible to lower the fan cost of the system. Given that the adsorbent used in DACs has a significant affinity to carbon dioxide, the regeneration process must be carried out as an energy-efficient swing process, and the source of energy for regeneration should be taken into accounts. Additionally, the process cost of the DAC can be significantly decreased when the system for it can be mass-produced affordably.
The significance of carbon dioxide removal technology was discussed in Chapter 1, and the fiber sorbent employed in this study, the fabrication process, and structural benefits were introduced in Chapter 2. In Chapter 3, we concentrated on high $CO_2$ adsorption capacity and airflow optimization in the system under DAC conditions. a metal-organic framework, one of the best solid adsorbents for $CO_2$ adsorption at DAC conditions, was impregnated into a porous polymer support with the goal of creating high-performance fiber sorbent and optimizing air flow in the contact system. In Chapter 4, the electric-vacuum swing adsorption method was taken into consideration for effective solid sorbent regeneration in DAC conditions. A novel electrified fiber sorbent that was suitable for use with the swing process and capable of Joule heating was created by dip coating process of metal on surface of the fiber. The metal with exceptional conductivity such as silver (Ag) was used to maximize the Joule heating effect while requiring less energy. The issue with the supply of regeneration energy for DAC will finally be resolved thanks to the electrified fiber sorbent’s low-power regeneration drive, which raises the prospect of utilizing renewable energy sources like solar or wind power. In this study, to reduce the cost of the DAC process, the various fiber sorbents with a novel structure has been developed and the resulting high-performance fiber sorbents will introduce a new paradigm in the field of DAC technology.
산업 혁명 이래로 이산화탄소 배출량이 급격하게 증가하게 되면서, 2021년에는 대기 중의 이산화탄소 농도가 416 ppm까지 오르게 되었고, 이로 인해 지구의 평균 표면 온도는 1920년도 대비 1.2도 가량 오르게 되었다. 따라서, 공기 중 이산화 탄소의 농도를 줄이기 위한 기술이 발전되어왔는데, 기존에는 탄소 포집 및 저장 기술이 화석 연료, 철강 및 시멘트 공장에 접목되어 방출되는 이산화탄소를 막는 기술이 이루어졌다면, 최근에는 공기에 존재하는 이산화탄소를 직접적으로 제거함으로써 공기 중의 이산화탄소 농도를 낮추는 direct air capture (DAC) 기술에 관심이 집중되고 있다. 어디에나 존재하는 이산화탄소의 특성으로 인해서 DAC 플랜트의 위치적 제약이 없다는 것이 DAC 기술의 큰 장점이지만, 이 기술은 타 이산화탄소 제거 기술 대비 매우 높은 공정 비용이 소요된다. 따라서, 효율적인 DAC 공정을 위해서는 흡수 및 흡착 시스템이 약 400 ppm의 매우 낮은 분압의 이산화탄소와 강한 흡착력을 가져야 한다. 동시에 많은 양의 가스를 처리해야 해야 하기 때문에 팬 비용을 줄이기 위해서 시스템 내에서 공기의 물질 전달은 우수하며 압력 강하는 최소화되어야 한다. DAC에 적용되는 흡착제는 이산화탄소와 강한 인력을 가지고 있기 때문에 재생 공정은 에너지 효율적인 스윙 공정으로 진행되어야 하고, DAC 기술의 특성상 재생을 위한 에너지원의 출처가 반드시 고려되어야 한다. 또한, DAC를 위한 시스템이 값싸게 대량화 될 수 있다면 DAC의 공정 비용을 효율적으로 줄일 수 있다. Chapter 1에서는 이산화탄소 제거 기술에 대한 중요성이 언급되었고, chapter 2에서는 이 기술을 위해 본 연구에서 사용된 파이버 흡착제의 소개와 제작 방법 및 구조적인 이점이 소개되었다. Chapter 3에서는 DAC 조건에서 $CO_2$ 흡착능이 가장 우수한 고체 흡착제 중 하나인 금속-유기 골격체를 다공성의 고분자 지지체에 함침시킴으로써, 고성능의 파이버 흡착제의 제작과 시스템 내에서의 공기 흐름 최적화에 초점을 맞추었다. Chapter 4에서는 고체 흡착제의 효율적인 재생을 위해 전기-진공 스윙 흡착 공정을 도입하였고, 이 스윙 공정에 적용될 수 있는 줄 발열이 가능한 전기화된 파이버 흡착제를 제작하였다. 전도성이 우수한 금속을 이용하여 전기화된 파이버 흡착제를 제작함으로써 적은 전력을 이용하여 줄 발열 효과를 극대화하는 것을 목표로 연구를 진행하였고, 궁극적으로 합성된 파이버 흡착제의 저전력 재생 구동은 태양열이나 풍력 발전과 같은 신재생 에너지원을 이용한 재생 공정의 제시하고, 이는 궁극적으로 DAC의 재생 에너지원의 출처와 관련된 이슈를 해결할 수 있을 것이다. 따라서, 본 연구에서는 DAC 기술의 공정 비용을 최소화하기 위해서 새로운 구조의 파이버 흡착제를 개발하였고, 제작된 고성능의 파이버 흡착제는 DAC 기술 분야에 새로운 패러다임을 제시할 것이다.
