Solid adsorbents such as amine-included materials and zeolites have been widely investigated for post-combustion $CO_2$ capture. Amine-included porous materials have shown promising $CO_2$ uptake in a wet flue gas, but suffer from amine deactivation due to urea formation under a desorption condition (e.g., desorption under pure $CO_2$ at the temperature higher than $130^\circ C$) of temperature swing adsorption (TSA) cycles. In contrast, purely inorganic zeolites are thermochemically stable but do not adsorb $CO_2$ from a wet flue gas because of the preferential $H_2O$ adsorption. In the present work, we synthesized an amine-grafted Y zeolite, which can synergistically combine the strengths of both adsorbent systems. The amine groups can effectively capture $CO_2$ in a wet flue gas, while the strongly co-adsorbed $H_2O$ within the hydrophilic zeolite micropores suppresses urea formation. Because the adsorbent is prepared from a commercially available zeolite, it is also cost efficient and suitable for mass production.
연소 후 포집 공정에서의 건식 이산화탄소 흡착제로 아민 기반의 흡착제와 제올라이트에 관한 연구가 국내외에서 활발히 진행되어 왔다. 하지만 아민 기반 고분자의 경우 온도교대흡착 공정의 탈착조건인 고온(> $130^\circ C$)의 건조된 이산화탄소에 노출될 경우 요소(urea)의 형성으로 인해 심각한 비활성화를 겪는 문제가 있다. 또한, 제올라이트는 마이크로 기공 내부의 전기장을 통해 이산화탄소와 강한 상호작용을 보이지만 물리적 상호작용에 의한 흡착으로 인해 수분이 존재할 경우 물과 이산화탄소 분자 간의 경쟁으로 인해 이산화탄소에 대한 흡착 선택도가 급격히 줄어드는 단점이 있다. 이에 본 연구에서는 두 가지 흡착제의 장점을 모두 지니는 아민-제올라이트 복합체를 개발하였다. 기존의 무기 제올라이트 흡착제와 달리 선택적 이산화탄소 흡착이 가능한 아민 작용기를 기공 내부에 접목시킴으로써 수분이 존재하는 조건에서도 우수한 이산화탄소 흡착능을 보이며, 마이크로 기공에 강하게 흡착되어 있는 수분으로 인해 고온의 탈착 조건 하에서도 요소 형성이 억제되어 기존의 아민 기반 흡착제에 비해 재생 안정성이 비약적으로 증진되었다. 이렇게 개발된 흡착제는 상용 Y 제올라이트를 기반으로 한 물질이며 제조 방법이 간단하기 때문에 대량 생산이 용이하며 제조 단가가 저렴하여 연소 후 이산화탄소 포집 공정으로의 상용화 가능성이 높다.
