The greenhouse gas emissions are known for main cause of global warming. The contributions of green-house gases (GHG) on global warming can be estimated by global warming potential (GWP), radiative forcing (RF), and the amount of greenhouse gas emission. Although CO2 has relatively small GWP value, the amount of CO2 emission is the greatest among GHG. Moreover, radiative forcing value of CO2 is also huge, so reduc-tion of CO2 is considered important for the solution of global warming. Several technologies are used for the reduction of CO2 emission, and chemical absorption is known for the most relevant process in large scale sepa-ration at low CO2 partial pressure. The most widely used absorbent for chemical absorption is alkanolamine solution. However, the degradation, corrosion and low absorption capacity have regarded as severe drawbacks. Therefore, the need for alternative solvent for chemical absorption has been emerged recently, and an aqueous NH3 is proposed as an appropriate absorbent for chemical absorption.. However, the vaporization of ammonia is known for the disadvantage in aqueous ammonia absorbent. Therefore, researches on ammonia loss reduction have been conducted to improve its disadvantage, and using additives in aqueous ammonia was proposed for relevant method to reduce NH3 vaporization.
However, the data of ammonia-based absorbent are not sufficient compared to that of alkanolamine, especially kinetic data in aqueous ammonia and modified aqueous ammonia absorbent are insufficient for industrial application. Therefore, the CO2 absorption kinetics in aqueous ammonia and modified aqueous ammonia was studied in this paper.
To investigate CO2 absorption kinetics, overall mass transfer and reaction rate constants were calculated with CO2 flux measured in wetted-wall column. The experiment was conducted by using 5~12.5wt% ammonia solution with CO2 loading 0.1, and 5~15% CO2 concentration at temperature range from 288K to 303K. The overall mass transfer coefficient was calculated from the plot of CO2 flux versus CO2 partial pressure based on the two film theory. The reaction rate constant was calculated on the basis of fast pseudo m,nth order approxi-mation, and it was obtained from the plot of CO2 flux versus CO2 partial pressure. In calculation of reaction rate constant, the effect of hydroxyl ion on CO2 absorption was considered. The calculated reaction rate con-stants were plotted with Arrhenius equation, and activation energies were obtained from Arrhenius plot.
With aqueous ammonia absorbent, the overall mass transfer coefficient was increased as temperature and concentration of ammonia solution increased.
The reaction rate constants between CO2 and NH3 were significantly affected by temperature, and in the range between 100 L mol-1 s-1 and 300 L mol-1 s-1. From reaction rate constant, activation energies were ob-tained as 45.71 kJ/mol, 44.87 kJ/mol, 44.82 kJ/mol in 5wt%, 10wt%, and 12.5 wt% solutions respectively.
With modified ammonia absorbent, overall mass transfer coefficient and reaction rate constants also in-creases as temperature increases. The reaction rate constants of modified absorbent showed higher values in lower temperature region, and showed lower values in higher temperature region that those of bare aqueous ammonia absorbent. This was due to higher activation energy of modified absorbent. The activation energy of absorbent with AMP in 12.5wt% ammonia solution was 49.45 kJ/mol and that with THAM was 53.88 kJ/mol. Therefore, temperature range should be taken into account, when using the modified absorbent for CO2 absorption.
온실가스 배출은 지구온난화의 주요인으로 알려져 있다. 온실가스가 지구온난화에 기여하는 정도는 온실가스의 방출량, 지구온난화지수, 그리고 복사강제력으로 예측할 수 있다. 이산화탄소의 지구온난화지수는 다른 온실가스 보다 작은 값을 가지긴 하나, 그 방출량이 다른 온실가스의 방출량에 비해 절대적으로 많아서 이산화탄소의 영향을 무시할 수 없다. 또한 다른 온실가스보다 이산화탄소의 복사강제력이 크다. 따라서 지구온난화 문제를 해결하기 위해서는 이산화탄소의 감축이 중요하다. 이에 따라, 이산화탄소 배출량을 줄이기 위한 많은 방법들이 개발되어 왔다. 그 중 화학적 흡수법은 낮은 분압의 이산화탄소를 대량으로 처리하기 위한 적절한 방법으로 알려져 있다. 화학적 흡수법에서 가장 대표적으로 쓰이는 흡수제는 알카놀 아민 계열의 흡수제이다. 그러나 알카놀 아민 계열의 흡수제는 열화, 부식 및 낮은 흡수 용량 등 여러 문제점을 가지고 있기 때문에, 아민 계열 흡수제를 대체할 만한 새로운 흡수제에 대한 관심이 늘고 있다. 최근 들어 암모니아수 흡수제가 주목 받았고, 암모니아수 흡수제의 가장 큰 단점인 기상손실을 개선하기 위한 연구도 진행되고 있다. 하지만 암모니아수를 실제 사용하기에는 물성에 관한 자료가 부족한 실정이다. 따라서 본 논문에서는 암모니아수 및 개선된 암모니아수 흡수제와 이산화탄소 간의 반응속도 도출에 대한 연구가 수행되었다.
이산화탄소 흡수 속도의 분석을 위해, 습벽탑에서 측정되는 이산화탄소 흡수 플럭스를 바탕으로 총괄전달계수 및 반응속도상수를 얻었다. 실험에 사용된 암모니아수 용액의 농도는 5%에서 12.5% 였고, 각 실험에서 이산화탄소 부하는 0.1이었다. 기상의 이산화탄소 농도범위는 5%에서 15% 였으며, 온도범위는 288K에서 303K 였다. 암모니아 흡수제와 이산화탄소간의 반응속도상수는 약 100L mol-1 s-1 에서 약 300L mol-1 s-1 사이의 값으로 측정되었고, 또한 온도와 이산화탄소 부하에 따른 영향이 큰 것으로 나타났다. 반응속도상수로부터 얻은 활성화에너지는 5wt%, 10wt%, 12.5wt%의 암모니아수에 대해 각각 45.70kJ/mol, 44.87kJ/mol, 44.82kJ/mol로 나타났으며, 본 연구에서 얻은 암모니아 흡수제와 이산화탄소간의 반응속도상수 및 활성화에너지는 모두 이전 관련연구 문헌의 결과값의 범위와 크게 다르지 않았다.
총괄전달계수는 반응온도, 암모니아수의 농도 및 이산화탄소 부하에 영향을 받는데, 개선된 암모니아수 흡수제에서의 총괄전달계수는 암모니아수 흡수제보다 온도의 영향을 더 많이 받는 것으로 나타났다. 낮은 온도범위에서 개선된 암모니아수 흡수제의 반응속도상수와 총괄전달계수는 암모니아 흡수제의 결과 값보다 높지만, 온도가 올라가면서 이 경향은 반대가 된다. 이는 개선된 암모니아 흡수제가 더 높은 활성화 에너지를 가지기 때문으로 판단된다. 실제로, AMP가 포함된 5wt%, 10wt%, 12.5wt%의 암모니아 흡수제의 활성화 에너지는 각각 48.47kJ/mol, 45.56kJ/mol, 45.61kJ/mol이었고, THAM이 포함된 암모니아 흡수제의 활성화 에너지는 각 농도에 따라 48.57kJ/mol, 42.35kJ/mol, 48.74kJ/mol로써, 이는 암모니아 흡수제의 결과와 비교했을 때 더 높은 값을 가진다. 따라서, 개선된 암모니아 흡수제를 사용할 때는 조업온도의 영향을 고려해야 함을 알 수 있다.
