The removal of acid gases from refinery and natural gases has been of great importance. Aqueous solutions of alkanolamines have been widely used to the gas treatment. Recently, the growing interest in aqueous solutions of sterically hindered amines for the use in gas treatment processes is due to the high cyclic capacity, and relatively high absorption rates at high $CO_2$ loadings. Because of the hindrance of the bulky group attached to the tertiary carbon atom, unstable carbamate ions are formed in the reaction of the aqueous solutions of hindered amine with carbon dioxide resulting in the theoretical loading capacity up to 1.0 mol of $CO_2$/mol of amine. Prior to the practical use of aqueous solutions of hindered amines, it is important to understand the thermodynamic and NMR spectroscopic characteristics of them as $CO_2$ absorbents.
In this work, aqueous solutions of 2-amino-2-ethyl-1,3-propanediol (AEPD)/2-amino-2-hydroxymethyl-1,3-propanediol (AHPD), sterically hindered amines, were proposed as potential $CO_2$ absorption agents. Density, viscosity, and solubility of carbon dioxide in aqueous AEPD/AHPD solutions were measured to estimate thermodynamic characteristics of the solutions. It is required to use physical properties such as density and viscosity of aqueous amine solutions for the determination of reaction kinetics and the design of appropriate acid gas treatment equipments. Equilibrium solubility data must be also essential to the design of gas treating process and the modeling of absorption phenomena.
$13^C$ NMR spectroscopy was used to identify the produced ions from the reactions of aqueous AHPD solutions with carbon dioxide and investigate the reaction mechanism.
온실 가스에 의한 지구 온난화 현상이 심각하게 대두되면서 이산화탄소를 제거하기 위한 연구가 활발히 진행되어 오고 있다. 최근 sterically hinered amine이라 새롭게 정의된 아민이 이산화탄소의 신흡수제로 개발되고 있는데 그 분자 구조의 특성 때문에 종전에 흡수제로 사용되던 아민 종류보다 이산화탄소를 흡수하는 능력이 더 뛰어나다. 본 연구에서는 sterically hindered amine으로 분류되는 두 종류의 아민 (2-amino-2-ethyl-1,3-propanediol과 2-amino-2-hydroxymethyl-1,3-propanediol)을 이산화탄소의 신흡수제로 선정하여 그 타당성을 규명하기 위한 연구를 수행하였다. 두 물질의 수용액에 대하여 이산화탄소의 흡수 공정을 디자인하기 위해 기본적으로 요구되는 밀도와 점도 등의 물성을 측정하였고, 이산화탄소의 흡수 능력을 평가할 수 있는 아민 수용액에 대한 이산화탄소의 용해도를 다양한 온도와 아민의 농도 조건 하에 측정하여 다른 아민 물질들의 성능과 비교하였다. 일반적으로 본 연구에서 채택된 AEPD와 AHPD의 수용액이 높은 이사화탄소의 부분압 조건에서는 뛰어난 이산화탄소 흡수 능력을 보였다. 그러나 저압에서는 낮은 흡수 능력을 나타내었는데, 이는 이론과 일치하지 않는 결과로 좀 더 정확한 규명을 위하여 이산화탄소와 아민 수용액의 평형 물질을 $13^C$ NMR spectroscopy를 이용하여 분석해 보았다. 이산화탄소와 아민 수용액의 평형 반응 시 존재하는 이온들 중 가장 주가 되는 것이 hydrogencarbonate와 carbamate인데 sterically hindered amine은 구조의 특성 때문에 carbamate이 불안정하여 거의 생기지 않고 대부분이 hydrogencarbonate으로 존재하게 된다. 이러한 반응에서 다시 아민이 생성되고 그 아민이 다시 이산화탄소를 흡수하여 전체 이산화탄소의 흡수 능력을 높여 주는 것이다. 그러나 저압에서는 이산화탄소와 반응성이 약해서 두 이온 모두를 만들어 내지 못하므로 낮은 흡수 능력을 보여주게 된다. Sterically hindered amine 수용액이 고압 뿐 아니라 저압에서도 높은 흡수력을 가질 수 있도록 하는 방법이 더 나아가 모색되어져야 하겠다.
