Global use of petroleum has reached its critical limit, and hazardous pollutants that are being released to atmosphere or surrounding affects at a global scale. With 90 million barrels of petroleum being used globally on a daily basis, the slightest increase in the efficiency in adsorption will greatly reduce the amount of global pollutants to environment. This study focuses on reducing the release of $CO_2$ to atmosphere, the release of various heavy metals such as copper, zinc, lead cadmium and nickel in wastewater effluent, and the release of mercury content from gas condensate.
One of the major $CO_2$ releasing process in the petroleum industries occur in steam methane reformer unit, converting hydrocarbon to $H_2$ and $CO_2$ . With high and low temperature $CO_2$ adsorption conditions in steam methane reformer unit, adsorbent for both conditions were investigated. $Li_4SiO_4/TiO_2$ nanotube complex was designed to be used for high temperature $CO_2$ adsorption in steam methane reformer. Lithium silicate, through a chemisorption mechanism, is a promising $CO_2$ adsorbent due to its large $CO_2$ capacity at high temperature and low materials cost. However, the conventional non-porous $Li_4SiO_4$ shows poor $CO_2$ adsorption kinetics. By using $TiO_2$ nanotube as a channel for lithium ion transfer in the $Li_4SiO_4$ structure, the complex receives significant enhancement in sorption kinetics. For low temperature $CO_2$ adsorption application, covalent organic polymer $(COP10_9)$ with TETA amine impregnation was developed. Amine impregnation increases the polymer’s affinity towards $CO_2$ for chemical adsorption in humid conditions through bicarbonate formation.
One of the most critical environmental concern arises from the heavy metal release due the petroleum extraction and refinery process of gas condensate. In the extraction process, heavy metals such as cadmium, lead, copper, zinc and nickel are combined with water effluents and bio-accumulates in large bodies of water. Thus, a disulfide linked porous covalent organic polymer, COP-63 was developed as a functionalized adsorbent that contains high surface area and selectivity towards heavy metal ions. For the application in mercury adsorption in gas condensate, disulfide linked swellable covalent organic polymer COP-65 was studied. After proving its effectiveness in mercury removal from gas condensate in the Saudi-Aramco’s R&D center, its scale-up production as well as pilot plant was designed for commercialization.
석유의 세계적인 사용은 한계에 이르렀고, 대기 또는 주변으로 방출되는 유해 오염 물질은 전세계적으로 많은 영향을 미치고있다. 세계적으로 9 천만 배럴의 석유가 매일 사용되고 있기때문에, 흡착제의 효율 증가는 유해 오염 물질의 양을 줄이는 데 크게 기여할 수 있다. 본 연구는 석유공업에서 사용되는 세 가지의 주요 과정에 핵심을 두며 각 주요과정에 특화된 흡착제를 사용함으로 개선되는 효율성과 방출되는 유해 오염물질의 차단성을 분석한다. 첫번째 주요 과정으로 메탄수증기 개질기에서의 이산화탄소 흡착의 효율 증가를 연구한다. 두번째 주요 과정은 원유 추출에 있어 유출되는 각종 중금속 흡착에 관하여 연구하며, 마지막으로 세번째 주요과정은 가스콘덴세이트에 포함된 수은에 대한 선택적 흡수에 대하여 연구한다.
제 2장에서 $Li_4SiO_4/TiO_2$ 나노 튜브 복합체는 메탄수증기 개질기에서 고온 $CO_2$ 흡착에 사용되도록 고안되었다. 화학적 흡착 메커니즘을 통한 $Li_4SiO_4$ 는 재료비가 낮으며 고온에서 이산화탄소 흡착 용량이 커서 유망한 이산화탄소 흡착제로 연구되어 왔다. 그러나, 종래의 비다공성 $Li_4SiO_4$ 는 $CO_2$ 흡수 속도가 낮으며 메탄수증기 개질기에서의 효율성을 감소시킨다. 본 연구에서는 $TiO_2$ 나노튜브를 리튬 이온 전달체로 이용한 $Li_4SiO_4/TiO_2$ 나노튜브 복합체를 만들어 흡탈착 속도를 크게 향상시킨다. 또한, 저온 $CO_2$ 흡착 응용을 위해, 아민 함침을 갖는 공유 결합 유기 중합체 (COP-109)가 개발되었다. 아민 함침은 중탄산염 형성을 통해 습식 조건에서의 화학적 흡착을 이용해 $CO_2$ 에 대한 친화력을 증가시켰다.
제 3장에서, 석유산업에서 유출되는 폐수에서 중금속을 흡착하기 위해 이황화 결합 된 다공성 공유 유기 폴리머 (COP-63)가 사용되었다. 이황화 결합 된 다공성 공유 유기 중합체를 합성하고 중금속 제거를 위한 흡착제로 분석하였다. 이황화 작용기를 포함하는 다공성 공유 유기 중합체는 높은 표면적뿐만 아니라 높은 선택성을 포함하고 있어, 중금속 제거에 뛰어난 효율을 보인다.
마지막으로 4 장에서, 디설파이드 결합 된 팽윤성 공유 유기 폴리머 (COP-65)는 가스콘덴세이트로부터 수은을 흡착하기 위해 사용되었다. 본 실험은 사우디아람코 R&D센터에서 실제 가스콘덴세이트를 사용하여 수은 제거에 대한 효과를 입증 한 후, 상용화를 위해 파일럿 플랜트 설계도가 제작되었다.
