A successful transition to a future energy system that does not add extra $CO_2$ to the atmosphere, a net-zero emissions energy system, is likely to depend on a combination of known technologies enabled by scalable and modular devices. In this study, prominent technological opportunities and barriers are discussed for an integrated approach to carbon capture and utilization (CCU) that can simultaneously exploit both $CO_2$ and industrial wastes. It is shown that a hollow fiber module based on an ultrapermeable membrane synthesized with the polymers of intrinsic microporosity (PIM-1) has the potential to directly utilize $CO_2$ from the flue gas stack via a continuous solid carbonation reaction. By a quantitative comparative assessment on the continuous PIM-1 module performance for different testing conditions, feasible routes for large-scale $CO_2$ utilization were proposed. Surmountable hurdles, such as membrane stability and possible scale formation were also identified. An integrated approach of two parallel research streams, $CO_2$ capture and utilization, could provide reliable and cost-effective strategies for large-scale CCU.
대기 중으로 초과분의 이산화탄소를 추가하지 않는 미래 에너지 시스템으로의 성공적인 전환을 의미하는 순배출 없는 에너지 시스템은 가변적이고 모듈형의 장비에 의해 실현되는 기존 기술의 결합에 달려있다. 본 연구에서는 이산화탄소와 산업부산물을 동시에 활용할 수 있는 이산화탄소 포집 및 이용에 대한 통합적인 접근을 위해 중요한 기술적인 기회와 장벽에 대해 논하였다. 내재적 미세기공성 고분자로부터 제조된 초투과성의 중공사막을 이용해 만든 모듈은 배기 가스 연도의 이산화탄소를 연속적인 고체 탄산화 반응을 통해 직접적으로 이용할 수 있는 가능성을 나타냈다. 다양한 시험 조건에서의 연속적인 미세기공성 고분자 모듈 성능에 대한 양적인 비교평가를 통해 대규모의 이산화탄소 이용을 위한 실현가능한 방법이 제시된다. 막 안정성과 잠재적인 스케일 형성과 같은 극복가능한 문제점 또한 확인되었다. 이산화탄소의 포집과 이용이라는 두 가지의 병렬적인 연구 시류에 대한 통합적인 접근은 대규모 이산화탄소 포집 및 이용에 대한 신뢰적이고 비용 효과적인 전략을 제공할 수 있다.
