As increasing concerns of the impact of greenhouse gases on global warming and climate change, the scientific community is making significant concerted efforts to develop efficient technologies for the reduction of CO$_2$ emissions. Post-combustion carbon capture and storage (CCS) based on retrofitting the existing energy infrastructure has attracted extensive attention as a practical short-term solution to control CO$_2$ levels. Among various post-combustion CO$_2$ capture technologies, amine-based solid adsorbents have been the most widely investigated due to their CO$_2$ chemisorption ability from humid flue gas containing low-concentration CO$_2$. By introducing high-loading amines into large-porosity supports, adsorbents with large CO$_2$ uptake/selectivity could be readily prepared. However, these materials are known to degrade via various chemical pathways including urea formation under CO$_2$-rich atmosphere at elevated temperatures, steam-induced degradation of porous supports, and oxidative degradation of amines. In the present thesis, I focused on not only the incremental CO$_2$ uptake/selectivity of the adsorbents but also other important engineering aspects such as efficient regeneration enabling purified separation of CO$_2$, various thermochemical stabilities (e.g., resistance against urea formation, steam degradations, oxidative degradations), and minimization of heat required for adsorbent regeneration. I successfully proposed various solutions for suppressing aforementioned degradation pathways. Also, I rigorously investigated energy efficiency of the adsorbents for rational design of amine-based adsorbent. Thus, this study provides important guidelines to design energy-efficient and stable CO$_2$ adsorbents in the viewpoint of commercial implementation.
CO$_2$ 배출로 인한 지구온난화 등의 기후변화는 범지구적 환경문제로 대두되고 있으며, 이에 따라 CO$_2$ 배출 감축 및 저감을 위한 이산화탄소 포집 및 저장 기술 개발이 활발히 진행되고 있다. 그 중에서도, 아민 화합물을 다공성 담체에 고정한 복합체로 대표되는 아민 기반 고체 흡착제는 이산화탄소와 아민 간의 강한 화학결합을 통해 이산화탄소의 흡착이 이루어지기 때문에 높은 이산화탄소 흡착능 및 선택도를 가지게 되어 최근 큰 주목을 받고 있다. 하지만 기존에 학계에서 연구되어 온 아민 기반의 흡착제는 이산화탄소를 흡착하는 성능은 뛰어나지만 탈착이 어려워 재생 안정성이 떨어지고, 반복적으로 사용하면 화학적 변성으로 인해 그 성능이 떨어지는 장기 안정성 문제가 있다. 실제로, 재생조건인 고온에서 이산화탄소에 노출될 경우 요소 형성이 일어나 심각한 비활성을 겪게 되고, 수분의 존재 하에서 많은 지지체들의 기공 구조가 무너지면서 이산화탄소의 확산이 크게 저하되는 것으로 알려져 있으며, 산소가 존재하는 배가스에 노출될 경우에는 아민은 산화분해를 일으키는 것으로 알려져 있다. 본 학위논문에서는 단순히 이산화탄소 흡착능을 높이는 데 초점을 맞춰 진행되어오던 기존의 연구 흐름과는 달리, 흡착제가 실제 공정 조건에서 겪을 수 있는 각종 비활성화에 대한 해결책을 차례로 해결해오면서 이산화탄소 흡착제의 각종 화학적 안정성을 증진시키는 각 요소 기술들의 개발에 관하여 연구를 수행하였다. 최종적으로 신속한 이산화탄소 흡탈착 특성, 높은 재생/수열/산화 안정성, 재생에 필요한 열에너지 계산을 바탕으로 한 경제성, 대량 생산성 등의 모든 공학적 요구 조건을 만족하는 이산화탄소 흡착제를 설계하여 실공정에 적용가능한 아민 기반 고체 흡착제를 개발하였다.
