As the concentration of carbon dioxide ($CO_2$) in the atmosphere has been increased, $CO_2$ capture technology has attracted tremendous attention. Among the application fields of $CO_2$ uptake such as post- and pre-combustion, oxy-fuel process, and natural gas sweetening, the post-combustion plants with simple retrofitting has been studied the most. The flue gas has low $CO_2$ partial pressure as opposed to high $N_2$ content at ambient pressure and $40^oC$, thus $CO_2$ selectivity over $N_2$ becomes very important. In this thesis, we focused on increasing the affinity of adsorbents to $CO_2$ by impregnation of amines, particularly triethylenetetramine (TETA), into physisorptive covalent organic polymers (COPs), COP-1 and COP-109. First, silica nanoparticle was used for increasing pore volume through templation, rising the chance of amines loading. As a result, $CO_2$ uptake capacity (at 0.15 bar, 298 K) of silica templated COP-1 followed by impregnation of amine, Si-COP-1-TETA400, shows 4 times increased value than that of normal COP-1. Second, we synthesized a cost effective COP, COP-109, by using melamine and paraformaldehyde in the presence of dimethylsulfoxide followed by loading of TETA. We improved loading amount with interruption of shrinking structure by colloidal impregnation and freeze drying. The optimized polymer, COP-109-C-S-TETA-400fz, have 8 times increased $CO_2$ capture capacity over original COP-109. The amine-COP-109 composite shows the possibility of fitting the demands of industrial applications.
전 세계적으로 기후 변화의 심각성이 나날이 대두되고 있다. 그 원인으로 여러 가지가 있지만, 그 중 석탄, 석유의 사용으로 인한 온실 가스 배출이 큰 요인이다. 이를 줄이기 위해, 대체 에너지 개발이 절실하지만, 아직 그 기술이 상용화될 만큼 발전하지 못 하고 있다. 따라서 기존의 화석연료를 사용하면서 발생하는 온실 가스 감축에 대한 연구가 선행되어야 한다. 이산화탄소는 온실 가스 중에서 효과는 메탄보다 적지만, 그 양이 많아 실질적으로 가장 큰 영향을 끼치고 있다. 현재 이산화탄소를 감축하기 위한 기술로, 연소 후 포집, 연소 전 포집, 순산소 연소 기술 등이 있는데, 그 중에서 연소 후 포집 과정은 기존의 화석연료 발전소의 적용이 용이하여 이에 대한 연구가 많이 이루어지고 있다. 이산화탄소 포집제로 현재까지 상용화된 방법은 아민 스크러빙 (Amine scrubbing) 기술이다. 아민은 화학적 흡착을 하여 이산화탄소에 대한 친화도가 높지만, 재생산시 많은 열을 필요로 한다. 따라서 화학적 흡착을 이용하면서 흡착열을 줄일 수 있도록 물리적 흡착을 함께 응용한다면 선택도와 재생산성을 높일 수 있다. 본 연구진은 물리적 흡착을 하는 다공성 공유결합 유기 고분자(Covalent Organic Polymer, COP) 를 합성한 후, 이에 아민을 함침하여 그 흡착능과 선택도를 높였다. 우선, 기존의 작은 중공극을 가지고 있는 COP-1에 실리카 템플릿을 이용하여 공극의 크기를 늘림으로써, 아민 함침의 기회를 증대시켰다. 다음으로, 저비용 단량체로 이루어진 COP-109을 최적화하고, 콜로이드형 아민 함침 (Colloidal amine impregnation) 및 동결 건조를 통해 기공 구조의 수축을 방지함으로써, 연소 후 포집의 배기가스 조건에서 2분에 14 %, 15분 내로 17.5 wt. %로 포화되면서, 빠른 흡착능을 보이는 물질을 합성하였다. 이는 물질의 가격 경쟁력을 고려했을 때, 기존의 기술을 대체할 수 있는 가능성을 보여주었다.
