초임계 이산화탄소를 이용한 글리콜 재생 공정에서 다공성 물질인 활성탄으로부터 탄화수소를 분리

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 19910(2022) 이 기사 인용

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활성탄은 산업 분야에 사용됩니다. 그 비용은 더 널리 적용되는 데 주요 장벽입니다. 활성탄의 재생은 운영 비용과 제품 낭비를 최소화하는 데 필수적입니다. 초임계 이산화탄소(SC-CO2)를 녹색 기술로 활용해 활성탄을 재생했습니다. 이 연구에서는 초임계 재생 공정을 최적화하고 압력(100~300bar), 온도(313~333K), 유속(2~6g/min)을 포함한 작동 매개변수의 효과를 평가하기 위해 반응 표면 방법론을 사용했습니다. ) 및 재생 수율에 대한 동적 시간(30-150분)입니다. 최대 재생 수율(93.71%)은 285 bar, 333 K, 4 g/min 및 147 min에서 달성되었습니다. 수학적 모델링은 실험 데이터와 잘 일치하는 두 개의 단일 매개변수 동역학 모델을 사용하여 수행되었습니다. 모델의 피팅 매개변수는 미분 진화 알고리즘을 사용하여 얻어졌습니다. 활성탄에서 추출된 물질의 화학적 조성을 가스크로마토그래피로 확인하였다. 결과는 SC-CO2에 의한 활성탄 재생이 기존 방법의 대체 방법이 될 수 있음을 보여주었습니다.

활성탄은 스프레이 코팅1, 식품 가공2, 바이오매스3, 제약4, 화학5, 폐수 처리6 석유7, 원자력 산업8 뿐만 아니라 유기 및 휘발성 유기 화합물(VOC) 제거를 위한 글리콜 처리에 널리 적용되는 흡착제 중 하나로 인식되었습니다. 천연가스 산업의 오염물질9. 활성탄은 아민 및 글리콜과 같은 유체를 사용하는 천연 가스 감미료 및 탈수 시스템에 사용됩니다10,11. 활성탄의 재생을 위한 기존 기술로는 열휘발12, 화학적 추출13, 초음파14, 마이크로파15, 전기화학적16 및 생물재생이 있습니다. 이들 방법은 탄소 손실, 다공성 구조의 손상, 배기가스 처리, 용매를 이용한 화학적 재생 등의 여러 가지 단점이 있으며, 추가적인 분리 및 환경 문제, 바이오 재생은 재생을 위한 긴 반응 시간이 필요하기 때문에 반드시 수용할 수는 없습니다. 최근 초임계유체(SCF)가 여러 분야에서 폭넓은 주목을 받고 있으며, 이 기술의 응용 중 하나로 활성탄 재생이 연구되고 있습니다17. SCF의 독특한 특성으로 인해 이러한 용매가 매력적으로 변했습니다. 특히, 용매 밀도와 그에 따른 용해 특성은 압력과 온도를 수정하여 제어할 수 있습니다. 게다가, 액체와 같은 밀도와 기체와 같은 점도는 액체보다 적어도 한 단계 더 높은 확산 계수와 결합되어 물질 전달 과정의 향상에 기여합니다. 다양한 물질 중에서 이산화탄소는 무독성, 높은 화학적 안정성 등의 장점을 지닌 친환경 용매이기 때문에 최선의 선택입니다.

SCF를 사용한 활성탄 재생은 여러 연구자에 의해 연구되었습니다. DeFilippiet al. 작동 온도와 압력이 각각 387K와 150atm 이상임에도 불구하고 초임계 재생이 경제적이라는 것을 관찰했습니다. 그들은 실험 데이터와 잘 맞는 국소 평형 모델(Freundlich 등온선)을 제안했습니다. 초임계 이산화탄소를 사용하여 페놀이 함유된 활성탄의 재생이 Kander와 Paulaitis25에 의해 연구되었습니다. 그들은 초임계 이산화탄소가 페놀이 포함된 탄소 재생에 큰 이점을 제공하지 않는다는 것을 발견했습니다. 그러나 그들은 활성탄에 강하게 흡착되지 않는 유기 화합물의 경우 초임계 이산화탄소가 강력한 흡착제가 될 것이라고 제안했습니다. Tan과 Liou는 에틸 아세테이트나 톨루엔이 포함된 활성탄의 초임계 이산화탄소에 의한 탈착을 조사했습니다. 그들은 이 재생 방법이 증기 재생 방법보다 더 나은 결과를 제공할 것이라고 제시했으며 이에 따라 실험 데이터에 매우 잘 맞는 선형 탈착 동역학 모델을 제시했습니다17,26.