This study contributes to the evaluation of $CO_2$ capture adsorbents by proposing models, methods, strategies, and tools helping the evaluation for both molecule-level and process-level analysis. For the molecule-level analysis, a new isotherm model is proposed to address the S-shaped isotherm data, which have received increasing attention because of its remarkable potential in $CO_2$ capture processes. By generalizing the model and deriving its spreading pressure, this model is improved in aspects of its applicability and computational efficiency. For the process-level evaluation, an ideal pressure swing adsorption (PSA) process is assumed, and the influence of isotherm parameters on the process is derived mathematically, which leads to a shortcut evaluation method. From the derived method, product $CO_2$ purity and energy efficiency are analytically formulated. This simple and fast evaluation method enables the comparative evaluation of many sorbents. For its practical use, several strategies are established by categorizing the situations where the adsorbents are employed in the PSA process. These strategies achieve significant improvement in the computational efficiency and stability of this evaluation work. With the molecular simulation results including isotherm data of thousands of adsorbents, an isotherm parameter library is also established. With this library, the method and strategies of this study are combined, and a software is developed with graphical user interface (GUI), which is named general adsorption library and evaluation (GALE). With this software, a variety of adsorbent evaluation with different situations can be carried out, and its results are provided with the sorbent rankings. This software is available on its website.
이 연구는 모델, 방법론, 전략 및 도구를 제시함으로써, 이산화탄소 흡착제의 평가에 기여하였다. 이는 분자 수준 및 공정 수준의 분석을 돕는다. 분자수준의 분석으로서, 현재 각광받고있는 S형 isotherm데이터를 설명할 수 있는 새로운 isotherm 모델이 제시되었다. 이를 일반화하 spreading pressure로 유도함으로써 이 모델의 적용 가능성과 계산 효율성을 증진시켰다. 반면, 공정 수준의 평가를 위해 이상적인 압력 스윙 흡착 (PSA) 공정을 가정하고, 흡착제가 이 공정에 미치는 영향을 수학적으로 유도하여 shortcut 평가 방법론을 얻을 수 있었다. 이 방법론은 이산화탄소의 순도와 에너지 효율을 공식으로 얻을 수 있도록 만들어졌다. 이 간단하고 빠른 평가방법은 많은 수의 흡착제를 비교 평가할 수 잇도록 해주었다. 또한 이를 잘 응용하기 위한 전략들 또한 수립되었는데, 이는 흡착제가 사용되는 상황들을 분류함으로써 평가에서의 계산 효율성과 계산 안정성을 향상시켜주었다. 또한, 수 천개의 흡착제에 대해 분자 시뮬레이션을 통해 isotherm 파라미터 데이터를 데이터베이스화 하였다. 위의 언급된 방법론, 전략 및 데이터베이스를 모두 사용할 수 있는 general adsorption library and evaluation (GALE) 이라는 소프트웨어를 개발하였다. 이 소프트웨어를 통해서 다양한 상황에 대한 흡착제 평가 수행될 수 있으며, 그 결과 흡착제 랭킹 값을 확인할 수 있다. 이 소프트웨어는 해당 웹사이트에서 이용 가능하다.
