[go: up one dir, main page]

KR102641427B1 - 폐 플라스틱 유래 다공성 탄소의 평가 방법 및 다공성 탄소 제조 방법 - Google Patents

폐 플라스틱 유래 다공성 탄소의 평가 방법 및 다공성 탄소 제조 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR102641427B1
KR102641427B1 KR1020210146937A KR20210146937A KR102641427B1 KR 102641427 B1 KR102641427 B1 KR 102641427B1 KR 1020210146937 A KR1020210146937 A KR 1020210146937A KR 20210146937 A KR20210146937 A KR 20210146937A KR 102641427 B1 KR102641427 B1 KR 102641427B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
porous carbon
pet6
waste plastic
evaluating
adsorption
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
KR1020210146937A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20230062058A (ko
Inventor
옥용식
임한권
보리스 브리글예비치
샹저우 유안
유동현
에스. 초프라 샤우라트
Original Assignee
고려대학교 산학협력단
울산과학기술원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 고려대학교 산학협력단, 울산과학기술원 filed Critical 고려대학교 산학협력단
Priority to KR1020210146937A priority Critical patent/KR102641427B1/ko
Priority to US17/975,237 priority patent/US20230134034A1/en
Publication of KR20230062058A publication Critical patent/KR20230062058A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102641427B1 publication Critical patent/KR102641427B1/ko
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
    • G01N15/08—Investigating permeability, pore-volume, or surface area of porous materials
    • G01N15/088—Investigating volume, surface area, size or distribution of pores; Porosimetry
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/30—Controlling by gas-analysis apparatus
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/02—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by adsorption, e.g. preparative gas chromatography
    • B01D53/04—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by adsorption, e.g. preparative gas chromatography with stationary adsorbents
    • B01D53/0462—Temperature swing adsorption
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/02—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by adsorption, e.g. preparative gas chromatography
    • B01D53/04—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by adsorption, e.g. preparative gas chromatography with stationary adsorbents
    • B01D53/047—Pressure swing adsorption
    • B01D53/0476—Vacuum pressure swing adsorption
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J20/00—Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof
    • B01J20/02—Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof comprising inorganic material
    • B01J20/20—Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof comprising inorganic material comprising free carbon; comprising carbon obtained by carbonising processes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J20/00—Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof
    • B01J20/28—Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof characterised by their form or physical properties
    • B01J20/28054—Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof characterised by their form or physical properties characterised by their surface properties or porosity
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J20/00—Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof
    • B01J20/30—Processes for preparing, regenerating, or reactivating
    • B01J20/3078—Thermal treatment, e.g. calcining or pyrolizing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J20/00—Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof
    • B01J20/30—Processes for preparing, regenerating, or reactivating
    • B01J20/34—Regenerating or reactivating
    • B01J20/345—Regenerating or reactivating using a particular desorbing compound or mixture
    • B01J20/3458—Regenerating or reactivating using a particular desorbing compound or mixture in the gas phase
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J20/00—Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof
    • B01J20/30—Processes for preparing, regenerating, or reactivating
    • B01J20/34—Regenerating or reactivating
    • B01J20/3483—Regenerating or reactivating by thermal treatment not covered by groups B01J20/3441 - B01J20/3475, e.g. by heating or cooling
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
    • C01B32/30—Active carbon
    • C01B32/312—Preparation
    • C01B32/318—Preparation characterised by the starting materials
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2253/00—Adsorbents used in seperation treatment of gases and vapours
    • B01D2253/10—Inorganic adsorbents
    • B01D2253/102—Carbon
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2256/00—Main component in the product gas stream after treatment
    • B01D2256/10—Nitrogen
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2257/00—Components to be removed
    • B01D2257/50—Carbon oxides
    • B01D2257/504—Carbon dioxide
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2220/00—Aspects relating to sorbent materials
    • B01J2220/40—Aspects relating to the composition of sorbent or filter aid materials
    • B01J2220/48—Sorbents characterised by the starting material used for their preparation
    • B01J2220/4812—Sorbents characterised by the starting material used for their preparation the starting material being of organic character
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02C—CAPTURE, STORAGE, SEQUESTRATION OR DISPOSAL OF GREENHOUSE GASES [GHG]
    • Y02C20/00—Capture or disposal of greenhouse gases
    • Y02C20/40—Capture or disposal of greenhouse gases of CO2

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Dispersion Chemistry (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Carbon And Carbon Compounds (AREA)

Abstract

본 발명은 폐 플라스틱 유래 다공성 탄소를 산업 규모로 적용할 수 있는지 여부를 평가할 수 있는 평가 방법으로, 5 단계 온도-진공 스윙 흡착(5-step temperature vacuum swing adsorption, TVSA) 프로세스를 이용하여 CO2 포집 성능을 평가하는 단계; 기술-경제 평가 (techno-economic assessment, TEA) 방법을 이용하여 산업에서의 경제적 지속가능성을 평가하는 단계; 및 게이트-투-게이트 수명 주기 평가(gate-to-gate life-cycle assessment, LCA)를 사용하여 다공성 탄소 생산 경로 및 지구 온난화 잠재력(global warming potential, GWP)을 정량화하는 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명의 다공성 탄소의 제조 방법은, 폴리에틸렌 테레프탈레이트 플라스틱을 탄화시키는 단계; 상기 탄화된 플라스틱을 CO2로 활성화하는 단계; 및 냉각하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

폐 플라스틱 유래 다공성 탄소의 평가 방법 및 다공성 탄소 제조 방법{Evaluation method of porous carbon derived from waste plastic and method of manufacturing porous carbon for CO2 capture}
본 발명은 폐 플라스틱 유래 다공성 탄소의 평가 방법 및 다공성 탄소 제조 방법에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 폐 플라스틱 유래 다공성 탄소를 산업 규모로 적용할 수 있는지 여부를 평가할 수 있는 폐 플라스틱 유래 다공성 탄소의 평가 방법 및 CO2를 포집할 수 있는 다공성 탄소의 제조 방법에 관한 것이다.
오늘날 이산화탄소 배출이 온실 가스 효과에 의한 지구 온난화에 분명히 기여하기 때문에 대기 중 이산화탄소 농도의 증가가 인간에게 가장 중요한 문제 중 하나임은 의심의 여지가 없다.
현재 대기 중 이산화탄소 농도는 400 ppm을 넘으며, 증가하는 에너지 수요를 위해 엄청난 양의 화석 연료를 지속적으로 소비하면서 계속 증가하고 있다.
화석 연료는 여전히 발전소와 같은 산업 시설의 주요한 에너지 공급원이고 이러한 곳에서 배출되는 이산화탄소는 전체 이산화탄소 배출량의 약 1/3에 이르고 있다. 발전소에서 배출되는 가스에는 약 5~20%의 이산화탄소가 포함되어 있고, 40~70 °C의 온도로 배출이 된다.
온실가스 배출로 인한 지구 온난화 문제를 해결하기 위해, 이산화탄소 포집 및 저장 (Carbon dioxide capture and storage, CCS) 기술이 주목을 받고 있는데, 이는 연료의 연소 또는 산업 공정에서 발생하는 CO2를 포집할 수 있는 기술 및 기술 군을 지칭한다.
온실 가스를 분리 및 포집하기 위한 기술로는 흡수, 흡착, 막 분리 및 극저온 방법이 개발되었다. 이러한 포집 방법 중 흡착은 재생, 스케일 업 가능성 및 온화한 작동 조건에 대한 낮은 에너지 요구 사항의 이점을 나타내는 유망한 기술로 간주되고 있다.
흡착에 기초한 CO2포집을 위해, 활성탄, 제올라이트, 메조 기공 실리카 및 새로운 종류의 하이브리드 결정질 고체를 포함하는 여러 다공성 고체 흡착제가 개발되었다. 최근 기존의 다공성 고체 흡착제를 보다 낮은 비용으로 제조하기 위한 연구가 진행되고 있다.
한편, 플라스틱 폐기물의 처리는 전 세계적인 문제이며 플라스틱 폐기물을 재사용하거나 업그레이드하는 기술에 대한 수요가 증가하고 있다.
플라스틱은 가볍고 유연하며 내습성이 강하고 상대적으로 저렴하기 때문에 다양한 곳에서 사용되고 있다. 플라스틱 소모량의 증가는 포장, 건축, 자동차, 전기 및 전자 제품, 농업 분야의 주요 응용 분야와 함께 전통적인 플라스틱과 새로운 플라스틱 복합재에 모두 해당되고 있다.
2016 년에는 매년 5600 만톤의 폴리에틸렌 테레프탈레이트 (PET)가 생산되고 있다고 보고되었고, 대부분의 PET 제품은 매립이나 해양에서 폐기되었다고 추정된다.
PET는 생분해되지 않고 광분해만 되기 때문에 PET 폐기물은 시간이 지남에 따라 더 작은 미세플라스틱 파편으로 분해된다. PET 폐기물에서 유래한 마이크로 플라스틱은 수중 및 해양 생태계에 존재할 수 있으며 결국 사람을 포함한 생물에 섭취되어 축적될 수 있다.
따라서, CO2 포획을 위한 폐 플라스틱 유래 다공성 탄소는 이 두 가지 환경 문제에 대한 해결책을 제공할 수 있다. 그러나 이러한 새로운 접근방식이 전 세계적으로 산업 규모로 구현될지 여부는 여전히 불분명하다.
본 발명의 목적은 폐 플라스틱 유래 다공성 탄소를 산업 규모로 적용할 수 있는지 여부를 평가할 수 있는 평가 방법 및 다공성 탄소의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명은 폐 플라스틱 유래 다공성 탄소를 산업 규모로 적용할 수 있는지 여부를 평가할 수 있는 평가 방법으로, 5 단계 온도-진공 스윙 흡착(5-step temperature vacuum swing adsorption, TVSA) 프로세스를 이용하여 CO2 포집 성능을 평가하는 단계; 기술-경제 평가 (techno-economic assessment, TEA) 방법을 이용하여 산업에서의 경제적 지속가능성을 평가하는 단계; 및 게이트-투-게이트 수명 주기 평가(gate-to-gate life-cycle assessment, LCA)를 사용하여 다공성 탄소 생산 경로 및 지구 온난화 잠재력(global warming potential, GWP)을 정량화하는 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명의 다공성 탄소의 제조 방법은, 폴리에틸렌 테레프탈레이트 플라스틱을 탄화시키는 단계; 상기 탄화된 플라스틱을 CO2로 활성화하는 단계; 및 냉각하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 평가 방법을 이용하여, CO2 포집으로 기후 변화를 완화하고 폐 플라스틱의 재활용을 촉진할 수 있는 폐 플라스틱 유래 다공성 탄소에 대해 CO2 포집 성능, 경제적 지속가능성, 환경적 영향 및 산업 비용의 타당성 측면에서 다각도로 평가하고 비교하여 합리적으로 선택할 수 있다.
본 발명의 제조 방법으로 제조된 다공성 탄소는, 본 발명의 평가 방법으로 평가하였을 때, 가장 낮은 환경 영향과 산업 규모 적용에 대한 높은 경제적 편익을 모두 가지고 있음을 확인할 수 있다. 즉, CO2로 물리적 활성화한 다공성 탄소는 경제적으로 실현 가능하고 환경에 미치는 영향이 낮다.
도 1은 5 단계 온도-진공 스윙 흡착(5-step temperature vacuum swing adsorption, TVSA) 프로세스의 개략도이다.
도 2는 TVSA 프로세서의 시간에 따른 온도 및 압력 변화이다.
도 3의 a)는 실시예들에 따른 다공성 탄소의 SEM 이미지들이고, b)는 X선 광전자 스펙트럼 조사 결과이고, c)는 라만 스펙트럼(Raman spectrum)이고, d)는 N2 흡탈착 등온선이고, e)는 기공 크기(Pore size) 분포도이다.
도 4의 a)는 PET6-CO2-9, b)는 PET6-K7, c)는 PET6-KU7의 CO2 흡착 성능에 관한 그래프이고, d)는 이소스테릭 흡착열(Qst)에 관한 것이고, e)는 동적 CO2 흡착 시험 결과이고, f)는 30 °C 및 1 bar에서 열중력분석(TGA)을 이용한 10번의 주기적 CO2 흡착 시험 결과이다.
도 5의 a)는 환경 영향 카테고리별로 비교한 결과이고, b)는 완화된 환경을 고려한 결과이다.
도 6은 세가지 샘플들의 환경 영향 및 경제적 편익을 표시한 도면으로, 지구 온난화 잠재력(GWP)과 순현재가치(NPV)를 비교한 것이다.
도 7은 완화(Mitigated) GWP 및 방출(Released) GWP를 비교한 결과이다.
다른 식으로 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 모든 기술적 및 과학적 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 숙련된 전문가에 의해서 통상적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 일반적으로 본 명세서에서 사용된 명명법은 본 기술분야에서 잘 알려져 있고 통상적으로 사용되는 것이다.
이하에서 본 발명을 첨부 도면을 참고하여 더욱 상세하게 설명한다.
본 발명은 폐 플라스틱 유래 다공성 탄소의 평가 방법에 관한 것으로, 폐 플라스틱 유래 다공성 탄소를 산업 규모로 적용할 수 있는지, 지속 가능하고 경제적으로 실행 가능성이 있는지 그 타당성을 평가할 수 있는 방법에 관한 것이다.
구체적으로, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 폐 플라스틱 유래 다공성 탄소의 평가 방법은, 5 단계 온도-진공 스윙 흡착(5-step temperature vacuum swing adsorption, TVSA) 프로세스를 이용하여 CO2 포집 성능을 평가하는 단계; 기술-경제 평가 (techno-economic assessment, TEA) 방법을 이용하여 산업에서의 경제적 지속가능성을 평가하는 단계; 및 게이트-투-게이트 수명 주기 평가(gate-to-gate life-cycle assessment, LCA)를 사용하여 다공성 탄소 생산 경로 및 지구 온난화 잠재력(global warming potential, GWP)을 정량화하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 단계들이 순서에 구속받는 것을 아니고, 순서와 상관없이 평가될 수 있다.
먼저, 5 단계 온도-진공 스윙 흡착(TVSA) 프로세스를 이용하여 CO2 포집 성능을 평가하는 단계에서는, 도 1과 같은 프로세스로 진행될 수 있다. TVSA 프로세스는 낮은 등급의 열 태양 에너지에 의해 구동될 수 있는 흡착제 재생을 위한 마일드한 작동 조건이 요구되고, CO2 생산성이 높다는 장점에 있다.
구체적으로, 도 1 및 도 2를 참고하면, 5 단계 온도-진공 스윙 흡착 프로세스는, (1) 공급 가스(CO2/N2)가 일정한 속도(vf)로 흡착 챔버의 한 포트로 흐르는 가압(Pressurization) 단계; (2) 상기 공급 가스가 흡착 챔버의 한 포트에서 일정한 속도(vf)로 유입되고 다른 포트는 열려있는 흡착(Adsorption) 단계; (3) 탈착된 가스(CO2)는 흡착 챔버의 한 포트에서 유출되고 다른 포트는 닫히는 가열(Heating) 단계; (4) 탈착된 가스(CO2)는 흡착 챔버의 한 포트에서 진공 펌프에 의해 배출되고 다른 포트는 닫히는 진공(Vacuuming) 단계; (5) 두 포트가 모두 닫히고 흡착 챔버 내외부에 가스가 흐르지 않는 냉각(Cooling) 단계로 이루어질 수 있다.
(1) 가압(Pressurization) 단계에서, 다른 포트가 닫히면 챔버 내부의 압력이 낮은 값(PL)에서 높은 값(PH)으로 상승한다. 흡착열은 냉각 매체에 의해 제거되어 챔버가 일정한 온도(TL)로 유지된다.
(2) 흡착(Adsorption) 단계에서, 챔버 내부의 압력은 일정한 값(PH)으로 유지된다. 또한, 흡착열은 냉각 매체에 의해 제거되어 챔버가 일정한 온도(TL)로 유지된다.
(3) 가열(Heating) 단계에서, 챔버 내부의 압력은 일정한 값(PH)으로 유지된다. 또한, 흡착 챔버는 탈착 온도(TH)에 도달하기 위해 열매체에 의해 가열된다.
(4) 진공(Vacuuming) 단계에서, 진공 펌프의 지속적인 작동으로 인해 챔버 내부의 압력이 감소하여 진공 압력(Pvac)이 달성된다. 흡착 챔버의 온도는 약간 감소하고 일정한 온도(Tvac)로 유지된다.
(5) 냉각(Cooling) 단계에서, 온도가 떨어지면 폐쇄된 흡착 챔버 내부의 압력이 더 감소하여 탈착 압력(PL)을 달성한다. 흡착 챔버는 냉각 매체에 의해 냉각되어 흡착 온도(TL)에 도달한다.
이러한 TVSA 프로세스를 이용하여, 생산성(Productivity), 순도(Purity), 회수(Recovery), 특정 에너지 소비(Specific energy consumption) 및 엑서지 효율(Exergy efficiency)을 도출하여 평가할 수 있다.
이때, 특정 에너지 소비(Specific energy consumption)는, 하기 식에 의해 계산될 수 있다.
여기서, wvac(specific work consumption)은, (4) 진공(Vacuuming) 단계에서 진공 펌프에 의해 소모된 일로, 하기 식으로 계산된다.
여기서, k 및 ηvac은 각각 공기의 단열 계수와 진공 펌프의 효율이며 각각 1.4, 0.7이다.
여기서, qheat는 상기 (3) 가열(Heating) 단계에서 제공된 열로 다음과 같이 계산된다.
여기서, Cp,ad는 Bed heat capacity이고, Cp,w는 Chamber wall heat capacity이고, MCO2는 CO2의 몰질량이다.
엑서지 효율(Exergy efficiency)은, 에너지 레벨로써, 하기 식에 의해 계산될 수 있다.
여기서, W min은 CO2 분리를 위한 minimum separation work로써 깁스 자유 에너지(Gibbs free energy) 변화(△G)이고, 하기 식과 같이 계산된다.
CO2 분리를 위한 깁스 자유 에너지 변화(△Gsep)는 CO2 배출 플랜트에서 방출되는 CO2를 포함하는 flue gas의 깁스 자유 에너지(△GA), CO2 포집 플랜트를 통해 포획된 CO2 rich gas의 깁스 자유 에너지(△GB) 및 나머지 flue gas의 깁스 자유 에너지(△GC)로부터 계산된다. 한편, E는 앞서 설명한 특정 에너지 소비(Specific energy consumption)이다.
TEA 방법을 이용하여 산업에서의 경제적 지속가능성을 평가하는 단계에서는, 하기 식에 따른 다공성 탄소로부터 얻은 수익(RPC) 및 전기로부터 얻은 수익(RE)를 이용하여 평가하는 것을 특징으로 한다.
구체적으로, 다공성 탄소로부터 얻은 수익(RPC)은 다음과 같이 계산될 수 있다.
여기서, RPC는 다공성 탄소로부터 얻은 수익이고, QPC는 생산된 다공성 탄소의 양(톤)이며, SPPC는 톤당 다공성 탄소의 판매 가격(유로)이다.
전기로부터 얻은 수익(RE)은 다음과 같이 계산될 수 있다.
여기서, RE는 combined heat and power (CHP) plant에서 생산된 전기로부터 얻은 수익이고, UE는 열 손실을 고려한 후 전력 변환 비율에 대해 kWh 단위로 생산되는 전력의 수(1%, 10%, 20%, 50% 및 75%)이며, FiTE는 유럽의 전기 단위에 대한 공급 관세이다.
게이트-투-게이트 수명 주기 평가(gate-to-gate life-cycle assessment, LCA)를 사용하여 다공성 탄소 생산 경로 및 지구 온난화 잠재력(global warming potential, GWP)을 정량화하는 단계는, ReCiPe (H) impact assessment method를 이용할 수 있다.
본 발명에서는 TEA 및 LCA 평가를 통해 다공성 탄소 활성화 과정에서의 환경 영향과 산업 규모 적용에 대한 경제적 편익을 평가할 수 있다.
즉, 본 발명의 평가 방법을 이용하여, CO2 포집으로 기후 변화를 완화하고 폐 플라스틱의 재활용을 촉진할 수 있는 폐 플라스틱 유래 다공성 탄소에 대해 CO2 포집 성능, 경제적 지속가능성, 환경적 영향 및 산업 비용의 타당성 측면에서 다각도로 평가하고 비교하여 합리적으로 선택할 수 있다.
본 발명의 다공성 탄소의 제조 방법은, CO2 포집으로 기후 변화를 완화하고 폐 플라스틱의 재활용을 촉진할 수 있는 폐 플라스틱 유래 다공성 탄소를 제조할 수 있다. 구체적으로, 본 발명은 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 플라스틱을 탄화시키는 단계; 상기 탄화된 플라스틱을 CO2로 활성화하는 단계; 및 냉각하는 단계를 포함할 수 있다.
탄화시키는 단계에서는 PET를 작은 조각(약 5mm × 5mm)으로 절단하고, N2 분위기에서 30 분 내지 2 시간 동안 500 °C 내지 700 °C에서 탄화할 수 있다.
다음으로, 활성화하는 단계에서는 800 ℃ 내지 1000 ℃의 온도에서 100 mL/min 내지 300 mL/min의 유속의 CO2를 공급하여 활성화할 수 있다.
냉각하는 단계에서는, 상온까지 온도를 낮추어 냉각할 수 있다.
본 발명의 제조 방법으로 제조된 다공성 탄소는, 상술한 본 발명의 평가 방법으로 평가하였을 때, 가장 낮은 환경 영향과 산업 규모 적용에 대한 높은 경제적 편익을 모두 가지고 있음을 확인할 수 있다. 즉, CO2로 물리적 활성화한 다공성 탄소는 경제적으로 실현 가능하고 환경에 미치는 영향이 낮다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.
실시예 1: PET 플라스틱 유래 다공성 탄소의 제조
다공성 탄소의 원료로써, 폴리에틸렌 테레프탈레이트 페트병은 우리의 일상 환경(즉, 쓰레기통, 거리)에서 수거되었다. 탄화 및 활성화/개질을 수행하기 전에 병 뚜껑과 라벨을 제거하고 세척, 건조하고 작은 조각(약 5mm × 5mm)으로 절단하여 병을 전처리했다. 하나의 전체 PET 샘플은 수평 원통형 노를 사용하여 N2 분위기에서 1시간 동안 600°C에서 탄화되었다. 탄화된 샘플을 “PET6”로 명명하였고, 이를 서로 다른 활성화 방법을 사용하여 3개의 다공성 탄소로 준비하였다.
실시예１ -１： CO 2 를 이용한 물리적 활성화
5 g의 PET6을 수평 관형 반응기(내경 50mm)에 넣은 다음 반응기를 10 °C/min의 가열 속도로 900°C로 가열하고, 200 mL/min의 CO2 유속 하에서 900 °C에서 2 시간 동안 유지했다. 관형 반응기가 작동 온도에서 실온으로 냉각된 후, 수득한 샘플은 "PET6-CO2-9"로 명명하였다.
실시예１ -２： 수산화칼륨(KOH)을 이용한 화학적 활성화
5 g의 PET6과 10 g의 KOH의 혼합물(KOH:PET6의 질량비는 2:1)을 25 mL의 탈이온수에 60 °C에서 1 시간 동안 첨가한 다음 혼합물을 110 °C에서 밤새 건조시켜 물을 제거하였다. 이 건조된 혼합물을 수평 관형 반응기에서 10 ℃/min의 가열 속도로 700 ℃에서 1 시간 동안 N2 유속 200 mL/min으로 추가 활성화한 후, 0.5 N HCl 용액으로 처리하여 제거하였다. 110 °C에서 밤새 건조시킨 후 KOH로 활성화된 샘플을 수집하여 "PET6K7"이라고 명명하였다.
실시예１ -３： KOH/우레아를 이용한 동시 활성화
효과적인 N-도핑이 다른 가스에 비해 CO2의 흡수 및 선택성을 향상시킬 수 있다는 점을 감안하여, 원팟(one-pot) 합성을 통해 폐 PET 플라스틱 폐기물에서 파생된 N-도핑된 다공성 탄소를 준비했다. PET6 5 g, KOH 및 우레아(PET6:KOH:우레아의 질량비 1:2:1)를 증류수 25 mL에 혼합한 다음 혼합물을 110 °C에서 밤새 건조시켜 물을 제거했다. 건조된 혼합물을 200 mL/min의 N2 유속 하에 1시간 동안 10 ℃/min의 가열 속도로 700 ℃에서 활성화시켰다. 이전 활성화 방법과 동일한 세척 및 건조 처리를 적용했으며 최종 샘플은 "PET6KU7"로 명명하였다.
실시예 2: 다공성 탄소의 형태 분석
상기 실시예 1-1(PET6-CO2-9), 실시예 1-2(PET6K7) 및 실시예 1-3(PET6KU7)에 대해, SEM 이미지를 확인하였고, 그 결과 도 3의 a)를 참고하면, 세 종류의 다공성 탄소 사이에 명백한 형태학적 차이는 없는 것으로 확인하였다.
한편, 세 가지 다공성 탄소 샘플들에 대해, 조직 특성, 최종 분석 및 CO2 흡수를 비교하였고, 그 결과는 하기 표 1과 같다.
Samples SBET a Vtotal b Vmicro c Vmicro/Vtotal Atomic (%)d CO2 uptake
(mmol/g)e
m2/g cm3/g C O N 0 °C 25 °C 50 °C
PET6-CO2-9 1482 0.607 0.592 0.975 92.99 7.11 - 6.25 3.63 2.29
PET6-K7 1263 0.519 0.501 0.965 93.27 6.73 - 5.3 3.87 2.29
PET6-KU7 1165 0.469 0.46 0.981 77.97 18.8 3.23 6.23 4.58 2.82
a: Brunauer-Emmett-Teller model을 이용하여 계산.
b: Horvath-Kawazoe equation을 이용한 total pore volume at p/p0 = 0.99
c: Dubinin-Radushkevich Equation을 이용한 micropore volume.
d: X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) spectra의 피크 면적.
e: volumetric sorption analyzer를 이용하여 1 bar 미만에서 획득.
상기 표 1 및 도 3의 b)를 참고하면, 모든 샘플 중에서 PET6-KU7만이 3.23 wt.%의 N 함량을 나타내어 N-도핑 처리가 효과적임을 확인하였다. 도 3의 c)를 참고하면, 1350 cm-1의 D-피크와 1589 cm-1의 G-피크는 라만 스펙트럼에서 명확하게 관찰되었으며 D 및 G 밴드의 유사한 강도 비율(ID/IG = ~1.0 )은 세 가지 샘플 모두에 대해 얻어졌으며, 이는 샘플들의 흑연화 정도가 다른 활성화 경로에서 크게 다르지 않음을 나타낸다. 도 3의 d)를 참고하면, 모든 N2 흡탈착 등온선은 국제 순수 응용 화학 연맹 분류 시스템에 따라 유형 I로 분류되었으며, 이는 준비된 샘플이 전형적인 미세 다공성 탄소 재료임을 시사한다. 도 3의 e)와 같이 각 샘플에 대해 서로 다른 피크가 감지되었으며 모든 다공성 탄소에서 미세 기공이 잘 발달했음을 알 수 있다. 지배적인 기공 크기는 CO2 포집에 적합한 < 1.5 nm였다.
도 4의 a) 내지 c)를 참고하면, 0 °C, 25 °C 및 50 °C에서 1 bar 미만에서 3개의 다공성 탄소 샘플들의 CO2 흡착 성능을 평가했고, 그 결과는 상기 표 1과 같다. 도 4의 d)를 참고하면, 이등변성 흡착열(Qst)은 Clausius-Clapeyron 방정식을 사용하여 계산되었다. 각 샘플에 대해 0, 25 및 50°C에서 얻은 CO2 흡착 등온선에 대해 ln(P) 대 1/T를 표시했다. 도 4의 e)를 참고하면, 2 시간 이내의 동적 CO2 흡착은 30 °C 및 1bar에서 열중량 분석(TGA)을 사용하여 평가되었다. 각 샘플에 의한 총 CO2 흡수의 95% 이상이 처음 5분 이내에 달성되었으며, 이는 빠른 흡착 동역학을 나타낸다. 또한, 도 4의 f)를 참고하면, 각 샘플의 주기 안정성은 30 °C 및 1 bar에서 10번의 흡착-탈착 주기를 사용하여 평가되었다. 그 결과, CO2 흡착 및 탈착 과정의 동일한 사이클 곡선이 얻어졌다. 또한 PET6-CO2-9의 경우 2.68mmol/g, PET6-K7 15의 경우 3.03mmol/g, PET6-KU7 15의 경우 3.28mmol/g의 안정적인 작업 용량을 관찰했다. 이는 산업용 MEA(수성 모노에탄올아민)의 흡수량(1.5mmol/g)보다 훨씬 높은 수치이다. 특히 대상가스에서 N2로 Purge gas를 전환하여 쉽게 탈착할 수 있었다.
실시예 3: TVSA 프로세스 성능 평가
도 1 및 도 2의 5 단계 TVSA 프로세스를 이용한 주기적 성능 평가를 46번 실시하였다. CO2 가스는 온도 및 압력 구동 흡착 및 탈착 프로세스를 사용하여 혼합 가스에서 포획 및 분리되었다. CO2 흡착물과 가스가 포함된 흡착실을 단일 시스템으로 간주하여 MATLAB에서 수치 시뮬레이션 실행(MathWorks, USA)을 사용하여 공정을 정상 상태 프로세스로 간소화했다. 이는 1) 흡착실 내부의 가스는 이상적인 기체이며 2) 흡착실 전체의 압력 강하를 가정했다. 또한, 3) 고체와 가스상 간의 질량 전달 저항은 무시할 수 있으며 4) 흡착실의 온도는 균질하다고 가정하고, 5) 고려 대상 시스템의 물리적 특성(특정 열 용량, 밀도 및 보이드 분율)은 일정하게 유지된다고 가정했다.
한편, 산업 응용 및 에너지 소비 측면에서 최적의 CO2 포집 성능을 가진 다공성 탄소를 선택할 때 생산성(Productivity), 순도(Purity), 회수(Recovery), 특정 에너지 소비(Specific energy consumption) 및 엑서지 효율(Exergy efficiency)을 포함한 5가지 주요 지표를 고려했다. 자세한 작동 매개변수 및 시뮬레이션 결과는 하기 표 2와 같다.
Operation parameters Value Unit
Heating medium temperature, T heat 120 oC
Cooling medium temperature, T cool 25 oC
Heat transfer temperature difference 5 oC
Adsorption pressure, P H 1 bar
Vacuuming pressure, P vac 0.1 bar
Performance indicators PET6-CO2-9 PET6-K7 PET6-KU7 　
Productivity 32.88 27.03 44.23 kg/t h
Purity 70.52 71.57 77.73 %
Recovery 89.88 84.93 90.02 %
Specific energy consumption, E 1.04 1.44 0.97 GJ/t
Exergy efficiency, E ex 7.21 5.06 8.94 %
상기 표 2를 참고하면, PET6-CO2-9 및 PET6-K7과 비교하여 PET6-KU7이 산업 응용 및 에너지 소비의 관점에서 CO2 포집을 위한 가장 유망한 후보로 간주되는 것으로 나타났다.
실시예 4: TEA 방법을 이용하여 산업에서의 경제적 지속가능성 평가
상기 실시예 1-1(PET6-CO2-9), 실시예 1-2(PET6K7) 및 실시예 1-3(PET6KU7)에 대해, 스케일업 공정 모델링을 위해 발생하는 총자본투자(total capital investment, TCI), 연간 운영 비용(Yearly Operation Cost, YOC) 및 수익을 고려하여 평가하였다.
먼저, 총자본투자(TCI)를 도출하기 위해, 다공성 탄소를 제조하는 데 드는 비용의 합계를 추정하였고, 이는 전처리, 열분해, 탄소 활성화 공정, 발전, 연도 가스 처리, 기타 비용 및 인프라 비용과 같은 다양한 프로세스로 세분화되었고, 이는 하기 표 3과 같다.
Equipment cost Capacity Cost Reference or Source
PET6 -CO 2 -9 PET6 -K7 PET6 -KU7 PET6 -CO 2 -9 PET6 -K7 PET6 -KU7
Waste PET Pre-treatment Cost
Weighbridges 50 t € 21,500.00 S27
Feedstock store 1500 t € 5,680.50 S28
Belt conveyer system 10 m € 1,700.00 *
Shredder 1 t € 7,682.40 S29
Trommel screen with conveyers 1 t € 18,000.00 *
Loading shovels 0.5 t € 11,250.00 *
Excavator 0.5 t € 11,250.00 *
Sub-total: 1 (ST1) € 77062.90 -
Pyrolysis Unit
Auger screw-flue gas heated pyrolizer with vapour collection 1 t/h € 799,044.80 S30
Auger conveyor belt 5 m € 840.00 *
Horizontal belt conveyors motors 3 motors 5 motors € 360.00 € 600.00 *
Sub-total: 2 (ST2) € 800,244.80 € 800,484.80 -
Carbon Activation Process
Activation reactor 0.11 t € 3,200.00 *
KOH solution storage tank 15 t € 780.00 *
Urea solution storage tank 6 t € 320.00 *
HCL solution storage tank 20 t € 1,040.00 *
Mixing tank - 1 t 2 t - € 3,500.00 € 7,000.00 *
Dryer 2 - € 8,000.00 *
Washer - 1 - € 5,000.00 *
Silo/Bin (Porous carbon storage) 2.5 t € 1,600.00 *
Sub-total: 3 (ST3) € 6,940.00 € 23,440.00 € 26,940.00 -
Power Generation
High pressure turbine 306.6 kW € 246,636.00 S27
Medium pressure turbine 347.8 kW € 280,326.80 S27
Low pressure turbine 614.6 kW € 495,367.50 S27
Organic Rankine cycle turbine 95.4 kW + 5 t (Working fluid) € 571,323.62 S31,S32,*a
Water chiller unit 5 t/h € 5,725.00 *
Cold water storage tank 150 t € 30,750.00 *
Sub-total: 4 (ST4) 1341. 97 kW € 1,630,128.92 -
Flue gas treatment € 20,388.62
Pressure swing adsorption unit and associated components 1 unit (20 kg/h to 300 kg/h) € 203,950.00 *
Sub-total: 5 (ST5) € 203,950.00 -
Miscellaneous expenses
Additional machinery - € 82,950.00 S33
Sub-total: 6 (ST6) € 82,950.00 -
Infrastructure costs
Land cost 12,000 m2 at €93.60/m2 € 1,123,200.00 Estimated
Office and laboratory equipment - € 400,000.00 S33
Buildings - € 200,000.00 Estimated
Sub-total: 7 (ST7) € 1,723,200.00 -
Total Capital Investment ( TCI ) = ST1+ST2+ST3+ST4+ST5+ST6+ST7 - € 4,524,476.62 € 4,541,186.62 € 4,544,716.62 -
*는 https://www.alibaba.com/의 데이터를 나타낸다. 모든 값은 RMB에서 유로로 환산하여 환산율 RMB 1 = € 0.13(a는 작동 유체의 비용 가치)을 나타낸다.
표 3을 참고하면, 상기 실시예 1-1(PET6-CO2-9), 실시예 1-2(PET6K7) 및 실시예 1-3(PET6KU7)에 대한 총자본투자(TCI)는 유사한 것으로 확인되었다.
한편, 연간 운영 비용(YOC)은 실시예 1-1(PET6-CO2-9), 실시예 1-2(PET6K7) 및 실시예 1-3(PET6KU7) 제조 시 필요한 원료 투입을 고려한 후 추정되었다. 생산단위가 유지되도록 필요한 탄소 및 기타 인프라 오버헤드 반복 비용은 하기 표 4에 제시되어 있다. 프로세스 요구 사항에 따라 운영 데이터를 확보하였다. 에너지 소비량은 가장 일반적으로 필요한 입력량이었으며, CHP 공장을 통해 내부적으로 공급되었다. CHP 시스템의 순 에너지 효율은 에너지 소비와 관련된 비용을 무시할 수 없을 정도로 낮았다. 소모품 관련 비용 데이터, 특히 활성화 프로세스에 사용된 비용 데이터는 공급업체와 장기 계약이 체결된 인터넷 회사인 알리바바를 통해 입수되었다.
발전 공정에 필요한 용수는 매월 톈진 공업용수 공급업체로부터 RMB 7.9/t(가격 모니터링 센터, NDRC) S34의 가격에 공급받았다. 연간 운영 비용의 경우, 배출된 CO2 배출량을 포착하는 데 수반되는 비용도 구입한 다공성 탄소에 대한 비용 값을 고려하여 책정되었다.
Equipment cost Capacity Cost Reference or Source
PET6 -CO 2 -9 PET6 -K7 PET6 -KU7 PET6 -CO 2 -9 PET6 -K7 PET6 -KU7
Carbon Activation Process
CO2 gas 1.05 t/h - - 0.00 a - - -
KOH - 0.421 t/h - € 232.00 *
Urea - - 0.23 t/h - - € 57.00 *
HCL - 0.8 t/h - € 174.67 *
Sub-total: 8 (ST8) c Estimated per year - € 3,253,360.00 € 3,709,360.00 -
Power Generation
Water 3.9 t/h € 3.89 S34
Sub-total: 9 (ST9) c Estimated per year € 31,120.00 -
Flue Gas Treatment
Energy Energy from the combined heat and power plant within the system boundary
Capture cost for plant emission b 76 t 66 t 46 t € 95,852.16 € 83,005.56 € 57,852.36 Estimated
Sub-total: 10 (ST10) € 95,852.16 € 83,005.56 € 57,852.36 -
Human Resource
Workforce includes plant operators, administrative team etc. Salaries and other expenses for 15 people per year € 126,096.17 Estimated
Sub-total: 11 (ST11) c Estimated per year € 126,096.17 -
Miscellaneous Expenses c
Maintenance 6% of TCI € 271,468.59 € 272,471.19 € 272,682.99 35
Insurance 2.5% of TCI € 113111.92 € 113,529.67 € 113,617.92 36
Contingencies 5% of TCI € 226223.83 € 227,059.33 € 227,235.83 37
ICT infrastructure cost Per year € 5,000.00 Estimated
Sub-total: 12 (ST12) Estimated per year € 615,804.34 € 618, 060.19 € 618,536.74
First Year Operation Cost (FYOC)= ST8+ST9+ST10+ST11+S12 Estimated per year (first year) € 868,872.67 € 4,111,641.92 € 4,542,965.27 -
Yearly Operation Cost ( YOC )= ST8+S9+ST11+S12 Estimated per year (Second year onwards) € 773,020.51 € 4,028,636.36 € 4,485,112.91 -
물리적 활성화에 필요한 CO2는 압력 스윙 흡착(PSA) 단위에서 얻었으며, 첫 해에 1회 비용, * 연간 비용, *는 https://www.alibaba.com/;에서 얻은 데이터를 나타낸다. 모든 값은 RMB 1 = 0.13 유로로 환산되었다.
표 4를 참고하면, 연간 운영 비용은 실시예 1-1(PET6-CO2-9)이 가장 낮은 것으로 평가되었다.
다음으로, 수익을 평가하기 위해, 시장에서 다공성 탄소를 판매함 얻는 수익과 전기를 판매하여 얻은 수익을 하기식에 따라 계산하였다.
여기서, RPC는 다공성 탄소로부터 얻은 수익이고, QPC는 생산된 다공성 탄소의 양(톤)이며, SPPC는 톤당 다공성 탄소의 판매 가격(유로)이다.
여기서, RE는 combined heat and power (CHP) plant에서 생산된 전기로부터 얻은 수익이고, UE는 열 손실을 고한 후 전력 변환 비율에 대해 kWh 단위로 생산되는 전력의 수(1%, 10%, 20%, 50% 및 75%)이며, FiTE는 유럽의 전기 단위에 대한 공급 관세이다.
TR은 다공성 탄소와 전기를 판매하여 얻은 총 수익으로, 하기 식을 사용하여 계산된다.
한편, 다공성 탄소의 판매를 통한 수익 창출(유로 단위)은 하기 표 5와 같다.
Year Porous carbon (ton) Revenue (when sold at the minimum price) Revenue (when sold at an average price) Revenue (when sold at the maximum price)
PET6 -CO 2 -9 PET6 -K7 PET6 -KU7 PET6 -CO 2 -9 PET6 -K7 PET6 -KU7 PET6 -CO 2 -9 PET6 -K7 PET6 -KU7 PET6 -CO 2 -9 PET6 -K7 PET6 -KU7
1 704 800 720 201,555.20 229,040.00 206,136.00 1,107,494.08 1,259,716.00 1,133,744.40 2,015,544.96 2,290,392.00 2,061,352.80
2 704 800 720 201,555.20 229,040.00 206,136.00 1,107,494.08 1,259,716.00 1,133,744.40 2,015,544.96 2,290,392.00 2,061,352.80
3 704 800 720 201,555.20 229,040.00 206,136.00 1,107,494.08 1,259,716.00 1,133,744.40 2,015,544.96 2,290,392.00 2,061,352.80
4 704 800 720 201,555.20 229,040.00 206,136.00 1,107,494.08 1,259,716.00 1,133,744.40 2,015,544.96 2,290,392.00 2,061,352.80
5 704 800 720 201,555.20 229,040.00 206,136.00 1,107,494.08 1,259,716.00 1,133,744.40 2,015,544.96 2,290,392.00 2,061,352.80
6 704 800 720 201,555.20 229,040.00 206,136.00 1,107,494.08 1,259,716.00 1,133,744.40 2,015,544.96 2,290,392.00 2,061,352.80
7 704 800 720 201,555.20 229,040.00 206,136.00 1,107,494.08 1,259,716.00 1,133,744.40 2,015,544.96 2,290,392.00 2,061,352.80
8 704 800 720 201,555.20 229,040.00 206,136.00 1,107,494.08 1,259,716.00 1,133,744.40 2,015,544.96 2,290,392.00 2,061,352.80
9 704 800 720 201,555.20 229,040.00 206,136.00 1,107,494.08 1,259,716.00 1,133,744.40 2,015,544.96 2,290,392.00 2,061,352.80
10 704 800 720 201,555.20 229,040.00 206,136.00 1,107,494.08 1,259,716.00 1,133,744.40 2,015,544.96 2,290,392.00 2,061,352.80
11 704 800 720 201,555.20 229,040.00 206,136.00 1,107,494.08 1,259,716.00 1,133,744.40 2,015,544.96 2,290,392.00 2,061,352.80
11 704 800 720 201,555.20 229,040.00 206,136.00 1,107,494.08 1,259,716.00 1,133,744.40 2,015,544.96 2,290,392.00 2,061,352.80
13 704 800 720 201,555.20 229,040.00 206,136.00 1,107,494.08 1,259,716.00 1,133,744.40 2,015,544.96 2,290,392.00 2,061,352.80
14 704 800 720 201,555.20 229,040.00 206,136.00 1,107,494.08 1,259,716.00 1,133,744.40 2,015,544.96 2,290,392.00 2,061,352.80
15 704 800 720 201,555.20 229,040.00 206,136.00 1,107,494.08 1,259,716.00 1,133,744.40 2,015,544.96 2,290,392.00 2,061,352.80
Lifetime 10,560 t 12,000 t 10,800 t € 3,023,328.00 € 3,435,600.00 € 3,092,040.00 € 16,612,411.20 € 18,895,740.00 € 17,006,166.00 € 30,233,174.40 € 34,355,880.00 € 30,920,292.00
전기를 판매하여 얻은 수익은 하기 표 6와 같이 열 손실 시나리오를 고려하여 추정되었다.
Parameters PET6 -CO 2 -9 PET6 -K7 PET6 -KU7
Total Q loss; % 1.00 10.00 20.00 50.00 75.00 1.00 10.00 20.00 50.00 75.00 1.00 10.00 20.00 50.00 75.00
Tfg (Rankine in); C 1202.00 1185.00 1167.00 1113.00 1067.00 1259.00 1243.00 1225.00 1170.00 1125.00 1245.00 1228.00 1208.00 1150.00 1100.00
Rankine H2O; kg/h 4010.00 3915.00 3810.00 3490.00 3220.00 3925.00 3845.00 3750.00 3460.00 3220.00 3850.00 3760.00 3655.00 3345.00 3085.00
Net; kW 706.56 678.25 646.97 551.55 470.99 706.56 682.80 654.53 568.00 496.50 703.35 676.60 645.25 552.84 475.31
Act Q; MJ/h -581.42 -581.42 -581.42 -581.42 -581.42 -252.89 -252.89 -252.89 -252.89 -252.89 -486.0596 -486.06 -486.06 -486.06 -486.06
Pyro Q; MJ/h -2859.14 -2859.14 -2859.14 -2859.14 -2859.14 -2859.14 -2859.14 -2859.14 -2859.14 -2859.14 -2859.136 -2859.14 -2859.14 -2859.14 -2859.14
Cooling water; kg/h 4043.00 3971.00 3878.00 3623.00 3403.00 3983.00 3910.00 3831.00 3600.00 3411.00 3799.00 3712.00 3639.00 3385.00 3175.00
Act Q Loss; MJ/h -5.81 -58.14 -116.28 -290.71 -436.07 -2.53 -25.28 -50.578 -126.45 -189.68 -4.86 -48.61 -97.22 -243.03 -364.55
Pyro Q Loss; MJ/h -28.60 -285.91 -571.83 -1429.57 -2144.35 -28.60 -285.91 -571.83 -1429.57 -2144.35 -28.59 -285.91 -571.83 -1429.57 -2144.35
전기 판매에 의한 수익 창출 계산 결과는 하기 표 7과 같다.
Sample Lifetime varying different heat loss percentage
0% 1% 10% 20% 50% 75%
PET6-CO 2 -9 85,200,000 84,787,200 81,390,000 77,636,400 66,186,000 56,518,800
PET6-K7 87,988,800 84,787,200 81,936,000 78,543,600 68,160,000 59,580,000
PET6-KU7 87,988,800 84,402,000 81,192,000 77,430,000 66,340,320 57,036,960
그 결과 PET6-CO2-9 생산이 가장 실현 가능한 공정으로 나타났고 PET6-K7 및 PET6-KU7 생산이 그 뒤를 이었다. TEA 결과에 따르면 이 세 가지 경로 모두 다공성 탄소를 생산할 수 있으며, 공정 중 에너지 손실이 20%이고 최저 시장 가격(유로 200/t)으로 제품을 판매할 수 있다.
실시예 5: 수명주기평가(LCA) 방법 평가
상기 실시예 1-1(PET6-CO2-9), 실시예 1-2(PET6K7) 및 실시예 1-3(PET6KU7)에 대해, gate-to-gate LCA를 평가하였다. 하기 표 8의 환경 영향 카테고리에 대해 SimaPro(v8.5.2) 소프트웨어의 ReCiPe(H) Midpoint 방법을 사용하여 계산되었다.
Impact category Unit
Global warming kg CO2 eq
Stratospheric ozone depletion kg CFC11 eq
Ionising radiation kBq Co-60 eq
Ozone formation, human health kg NOx eq
Fine particulate matter formation kg PM2.5 eq
Ozone formation, terrestrial ecosystems kg NOx eq
Terrestrial acidification kg SO2 eq
Freshwater eutrophication kg P eq
Marine eutrophication kg N eq
Terrestrial ecotoxicity kg 1,4-DCB
Freshwater ecotoxicity kg 1,4-DCB
Marine ecotoxicity kg 1,4-DCB
Human carcinogenic toxicity kg 1,4-DCB
Human non-carcinogenic toxicity kg 1,4-DCB
Land use m2a crop eq
Mineral resource scarcity kg Cu eq
Fossil resource scarcity kg oil eq
Water consumption m3
그 결과, 도 5의 a)를 참고하면, 실시예 1-3(PET6KU7)인 KOH/우레아 화학적 활성화 경로가 18 개의 환경 영향 카테고리 거의 모두에서 더 큰 환경 영향을 가짐을 보여주었다. 즉, 실시예 1-3(PET6KU7)은 실시예 1-1(PET6-CO2-9)인 CO2 물리적 활성화 경로보다 약 200% 더 높았고, 실시예 1-2(PET6K7)인 KOH 화학적 활성화 경로보다 -1.74% ~ 125% 더 높았다. 도 5의 b)는 완화된 환경을 고려한 결과이다.
한편, 모든 영향 범주 중에서 GWP가 가장 중요하다. 도 6 및 도 7을 참고하면, 실시예 1-1(PET6-CO2-9)인 CO2 물리적 활성화 경로는 GWP가 가장 낮았고 실시예 1-3(PET6KU7)인 KOH/우레아 화학적 활성화 경로는 GWP가 가장 높았다.
도 6을 참고하면, 순 현재 가치(Net present value, NPV)는 다공성 탄소의 열-전력 변환 손실과 판매 가격을 변경하여 다양한 시나리오에서 각 다공성 탄소의 생산에 대해 계산되었다. 각 시나리오에는 공장에 대한 자본 투자, 15년 동안의 운영 비용 및 공정에서 생산된 다공성 탄소 및 전기 판매로 얻은 이익이 설명되어있다. 그 결과 PET6-CO2-9 생산이 가장 실현 가능한 공정인 것으로 나타났고, PET6-K7 및 PET6-KU7 생산이 그 뒤를 이었다. 앞선 실시예 4에서 평가한 TEA 결과와 실시예 5의 LCA 결과를 통합하여 평가하였을 때, 실시예 1-1(PET6-CO2-9)인 CO2 물리적 활성화 경로가 가장 낮은 환경 영향과 산업 규모 적용에 대한 높은 경제적 편익을 모두 가지고 있음을 확인하였다. 즉, 실시예 1-1(PET6-CO2-9)이 경제적으로 실현 가능하고 환경에 미치는 영향이 낮음을 확인하였다.
이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술한 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시 양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.

Claims (9)

  1. 5 단계 온도-진공 스윙 흡착(5-step temperature vacuum swing adsorption, TVSA) 프로세스를 이용하여 CO2 포집 성능을 평가하는 단계;
    기술-경제 평가 (techno-economic assessment, TEA) 방법을 이용하여 산업에서의 경제적 지속가능성을 평가하는 단계;
    게이트-투-게이트 수명 주기 평가(gate-to-gate life-cycle assessment, LCA)를 사용하여 다공성 탄소 생산 경로 및 지구 온난화 잠재력(global warming potential, GWP)을 정량화하는 단계;를 포함하는 폐 플라스틱 유래 다공성 탄소의 평가 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 5 단계 온도-진공 스윙 흡착 프로세스는,
    (1) 공급 가스(CO2/N2)가 일정한 속도(vf)로 흡착 챔버의 한 포트로 흐르는 가압(Pressurization) 단계;
    (2) 상기 공급 가스가 흡착 챔버의 한 포트에서 일정한 속도(vf)로 유입되고 다른 포트는 열려있는 흡착(Adsorption) 단계;
    (3) 탈착된 가스(CO2)는 흡착 챔버의 한 포트에서 유출되고 다른 포트는 닫히는 가열(Heating) 단계;
    (4) 탈착된 가스(CO2)는 흡착 챔버의 한 포트에서 진공 펌프에 의해 배출되고 다른 포트는 닫히는 진공(Vacuuming) 단계;
    (5) 두 포트가 모두 닫히고 흡착 챔버 내외부에 가스가 흐르지 않는 냉각(Cooling) 단계로 이루어지고,
    상기 5 단계 온도-진공 스윙 흡착 프로세스를 이용하여 생산성(Productivity), 순도(Purity), 회수(Recovery), 특정 에너지 소비(Specific energy consumption) 및 엑서지 효율(Exergy efficiency)을 도출하여 평가하는 것을 특징으로 하는 폐 플라스틱 유래 다공성 탄소의 평가 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 특정 에너지 소비(Specific energy consumption)는, 하기 식에 의해 계산되는 것을 특징으로 하는 폐 플라스틱 유래 다공성 탄소의 평가 방법.

    여기서, wvac(specific work consumption)은, 상기 (4) 진공 단계에서 진공 펌프에 의해 소모된 일로, 하기 식으로 계산된다.

    여기서, k 및 ηvac은 각각 공기의 단열 계수와 진공 펌프의 효율이며 각각 1.4, 0.7이다.
    여기서, qheat는 상기 (3) 가열 단계에서 제공된 열로 다음과 같이 계산된다.

    여기서, MCO2는 CO2의 몰질량이다.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 엑서지 효율(Exergy efficiency)은, 하기 식에 의해 계산되는 것을 특징으로 하는 폐 플라스틱 유래 다공성 탄소의 평가 방법.

    여기서, W min은 CO2 분리를 위한 minimum separation work로써, 깁스 자유 에너지(Gibbs free energy) 변화(△G)이고, E는 특정 에너지 소비(Specific energy consumption)이다.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 TEA 방법을 이용하여 산업에서의 경제적 지속가능성을 평가하는 단계에서는,
    하기 식에 따른 다공성 탄소로부터 얻은 수익(RPC) 및 전기로부터 얻은 수익(RE)를 이용하여 평가하는 것을 특징으로 하는 폐 플라스틱 유래 다공성 탄소의 평가 방법.


    여기서, RPC는 다공성 탄소로부터 얻은 수익이고, QPC는 생산된 다공성 탄소의 양(톤)이며, SPPC는 톤당 다공성 탄소의 판매 가격(유로)이다.


    여기서, RE는 combined heat and power (CHP) plant에서 생산된 전기로부터 얻은 수익이고, UE는 열 손실을 고려한 후 전력 변환 비율에 대해 kWh 단위로 생산되는 전력의 수(1%, 10%, 20%, 50% 및 75%)이며, FiTE는 유럽의 전기 단위에 대한 공급 관세이다.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 게이트-투-게이트 수명 주기 평가(gate-to-gate life-cycle assessment, LCA)를 사용하여 다공성 탄소 생산 경로 및 지구 온난화 잠재력(global warming potential, GWP)을 정량화하는 단계는, ReCiPe (H) impact assessment method를 이용하는 것을 특징으로 하는 폐 플라스틱 유래 다공성 탄소의 평가 방법.


  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
KR1020210146937A 2021-10-29 2021-10-29 폐 플라스틱 유래 다공성 탄소의 평가 방법 및 다공성 탄소 제조 방법 Active KR102641427B1 (ko)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020210146937A KR102641427B1 (ko) 2021-10-29 2021-10-29 폐 플라스틱 유래 다공성 탄소의 평가 방법 및 다공성 탄소 제조 방법
US17/975,237 US20230134034A1 (en) 2021-10-29 2022-10-27 Method for evaluating waste plastic-derived porous carbon and method for manufacturing porous carbon

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020210146937A KR102641427B1 (ko) 2021-10-29 2021-10-29 폐 플라스틱 유래 다공성 탄소의 평가 방법 및 다공성 탄소 제조 방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20230062058A KR20230062058A (ko) 2023-05-09
KR102641427B1 true KR102641427B1 (ko) 2024-02-27

Family

ID=86144930

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020210146937A Active KR102641427B1 (ko) 2021-10-29 2021-10-29 폐 플라스틱 유래 다공성 탄소의 평가 방법 및 다공성 탄소 제조 방법

Country Status (2)

Country Link
US (1) US20230134034A1 (ko)
KR (1) KR102641427B1 (ko)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006031558A (ja) 2004-07-20 2006-02-02 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 環境負荷評価方法及び装置並びに評価を実行するコンピュータ読み取り可能な記録媒体
KR101559698B1 (ko) 2015-03-26 2015-10-13 한양대학교 에리카산학협력단 콘크리트의 성능 평가를 이용한 환경부하 예측 방법
JP2016065351A (ja) 2014-09-19 2016-04-28 東レ株式会社 多孔質炭素繊維および炭素繊維強化複合材料
KR101794440B1 (ko) * 2016-03-08 2017-11-07 한국과학기술원 코팅된 다공성 재료의 제조방법, 코팅된 다공성 재료 및 코팅된 다공성 재료를 포함하는 전극
JP6610255B2 (ja) 2014-06-23 2019-11-27 東レ株式会社 多孔質炭素材料

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101554168B1 (ko) * 2014-01-09 2015-09-21 한국산업기술시험원 이산화탄소 포집제 성능평가장치
KR102197821B1 (ko) * 2018-10-05 2021-01-04 고려대학교 산학협력단 플라스틱으로부터 제조된 다공성 탄소 및 이의 제조 방법

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006031558A (ja) 2004-07-20 2006-02-02 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 環境負荷評価方法及び装置並びに評価を実行するコンピュータ読み取り可能な記録媒体
JP6610255B2 (ja) 2014-06-23 2019-11-27 東レ株式会社 多孔質炭素材料
JP2016065351A (ja) 2014-09-19 2016-04-28 東レ株式会社 多孔質炭素繊維および炭素繊維強化複合材料
KR101559698B1 (ko) 2015-03-26 2015-10-13 한양대학교 에리카산학협력단 콘크리트의 성능 평가를 이용한 환경부하 예측 방법
KR101794440B1 (ko) * 2016-03-08 2017-11-07 한국과학기술원 코팅된 다공성 재료의 제조방법, 코팅된 다공성 재료 및 코팅된 다공성 재료를 포함하는 전극

Also Published As

Publication number Publication date
US20230134034A1 (en) 2023-05-04
KR20230062058A (ko) 2023-05-09

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Wang et al. Waste polyethylene terephthalate (PET) plastics-derived activated carbon for CO 2 capture: a route to a closed carbon loop
Karimi et al. Carbon dioxide separation and capture by adsorption: a review
Yuan et al. Sustainability-inspired upcycling of waste polyethylene terephthalate plastic into porous carbon for CO 2 capture
CN103275777B (zh) 一种干馏炉荒煤气制备氢气及液化天然气的方法
Dion et al. Review of CO2 recovery methods from the exhaust gas of biomass heating systems for safe enrichment in greenhouses
Muradov Low-carbon production of hydrogen from fossil fuels
Zhu et al. Reutilization of biomass pyrolysis waste: Tailoring dual-doped biochar from refining residue of bio-oil through one-step self-assembly
CN102125802B (zh) 粗苯加氢精制生产中的废气回收、净化方法
CN103626177A (zh) 用于处理温室气体的系统和方法
CN102757803B (zh) 废轮胎流化床蒸气低温干馏系统及方法
Peredo-Mancilla et al. Surface-modified activated carbon with a superior CH4/CO2 adsorption selectivity for the biogas upgrading process
Law et al. Effect of pressure equalization on methane enrichment from stranded natural gas using PSA with amorphous Kenaf and microporous palm kernel shell adsorbents
Gong et al. Study on preparation of an oil sludge-based carbon material and its adsorption of CO2: Effect of the blending ratio of oil sludge pyrolysis char to KOH and urea
Khan et al. Nitrogen-rich mesoporous carbon for high temperature reversible CO2 capture
KR102641427B1 (ko) 폐 플라스틱 유래 다공성 탄소의 평가 방법 및 다공성 탄소 제조 방법
Kumar et al. CO2 capture from flue gas on a pilot scale using porous carbon prepared from cotton stalk crop residues through an industrially viable activation process
Norouzi et al. Technologies for the production of renewable natural gas from organic wastes and their opportunities in existing Canadian pipelines
Wijeyawardana et al. Assessing the life cycle and economic impact of cement-modified biochar compared to conventional adsorbents for heavy metal removal in stormwater
KR102092693B1 (ko) 염분함유 음식물 쓰레기 처리장치 및 처리방법
CN106903135A (zh) 处理生活垃圾的系统和方法
Mwacharo et al. Biogas drying and purification methods
Deng et al. Biogas cleaning and upgrading
Wang et al. Biogas upgrading with scalable synthesis TIFSIX-3-Co in water via vacuum temperature swing adsorption for Co-producing high-purity biomethane and CO2
Chikri et al. DECARBONISATION OPTIONS FOR THE DUTCH ACTIVATED CARBON INDUSTRY
Carstensen et al. CO2 ADSORPTION ON CHAR FROM RICH-PROTEIN ANIMAL WASTES AND PURE PROTEINS. A COMPARATIVE STUDY

Legal Events

Date Code Title Description
PA0109 Patent application

Patent event code: PA01091R01D

Comment text: Patent Application

Patent event date: 20211029

PA0201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
PE0902 Notice of grounds for rejection

Comment text: Notification of reason for refusal

Patent event date: 20230323

Patent event code: PE09021S01D

PG1501 Laying open of application
E90F Notification of reason for final refusal
PE0902 Notice of grounds for rejection

Comment text: Final Notice of Reason for Refusal

Patent event date: 20230608

Patent event code: PE09021S02D

E902 Notification of reason for refusal
PE0902 Notice of grounds for rejection

Comment text: Notification of reason for refusal

Patent event date: 20230911

Patent event code: PE09021S01D

E701 Decision to grant or registration of patent right
PE0701 Decision of registration

Patent event code: PE07011S01D

Comment text: Decision to Grant Registration

Patent event date: 20231207

GRNT Written decision to grant
PR0701 Registration of establishment

Comment text: Registration of Establishment

Patent event date: 20240222

Patent event code: PR07011E01D

PR1002 Payment of registration fee

Payment date: 20240222

End annual number: 3

Start annual number: 1

PG1601 Publication of registration