Optimization of reverse electrodialysis process with carbon absorption for electro-chemical power generation and bicarbonate recovery

Abstract

지구 온난화가 기후 변화에 기여하는 명백한 증거가 있다. 온실가스의 배출은 지구 온난화의 주요 원인이며 석탄 및 기타 화석 연료를 사용하면서 막대한 양의 온실가스가 인간 활동에 의해 배출된다. 특히 이산화탄소는 가장 높은 누적 배출량을 보이며 세계 이산화탄소 배출은 2022 년 기준 36.8 Gt 으로 최근 10 년간 빠른 증가 추세에 있다. 따라서 지속 가능한 지구를 위한 미래 에너지 기술이 주목받고 있는 상황이다. 지속 가능한 발전을 위해서는 가까운 미래에 신재생 에너지원이 개발되고 활용되어야 하는데 이를 위해서는 안정적이고 실현 가능한 에너지원의 개발이 필수적이다. 농도차 발전(Salinity gradient power)은 날씨의 변동에 제한을 받지 않고 에너지 잠재력, 적용 가능성, 지속 가능성 측면에서 국내에 적합한 신재생 에너지원이다. CO2-to-Power 기술은 상대적인 CO2 농도차에 따른 엔탈피 변화를 이용해서 전기에너지를 직접 생산하는 기술이다. 이는 기후 위기 극복을 위한 온실가스 감축 및 지속 가능한 에너지 자원 확보라는 두 가지 목표를 동시에 달성할 수 있다는 장점을 가지고 있다. 막 기반 기술 중 RED 는 이온 교환막에 걸쳐 전기화학적 전위를 이용하여 전기에너지를 발생시키고, 이온 플럭스는 전극에 전기를 발생시킨다. RED 는 전기화학적 반응에 기반을 두고 있으며 탄소 포집 및 활용과 통합될 수 있다. 본 연구에서는 알카놀아민 흡수제로 탄소 농도 차이를 이용한 역전기투석 발전을 통해 전력 생산과 자원회수 가능성을 확인하였다. 먼저 아민계 흡수제의 CO2 포집 성능을 평가하기 위하여 흡수 속도와 흡수열을 비교하였다. 1 차 아민인 MEA 와 DEA 는 pH 가 급격히 떨어지고 3 차 아민인 MDEA 보다 흡수 평형에 도달하는데 걸리는 시간이 짧았다. 4 시간의 포집 결과 흡수 속도는 MEA > DEA > MDEA 로 나타났으며, 아민 흡수제 반응열의 크기는 MEA > DEA > MDEA 로 나타났다. 이산화탄소 포집 전후의 FT-IR 분석 결과 1,2 차 아민의 CO2 흡수 메커니즘 중간 형성물인 카바메이트가 존재하지 않았음을 확인하였고 유출물은 중탄산염의 회수로 판단하였다. 흡수제 자체가 RED 구동에 미치는 영향을 평가하기 위하여 흡수제에 동일한 농도의 탄소 (0.4 mol/mol)를 포집하여 역전기투석의 성능을 비교하였다. RED 의 구동만을 고려하였을 때 MDEA 흡수제가 우수하다는 사실을 전력 밀도, 회수율, 에너지 효율 등을 기준으로 판단할 수 있었다. 흡수 속도, 반응열, RED 성능을 고려한 통합 시스템을 운영하여 RED 의 전력 밀도를 기준으로 아민 흡수제 1.0 M, 흡수 온도 상온을 최적으로 결정하였다. 공급 유량을 달리함으로써 RED 출력의 영향을 비교한 결과 HC 용액의 최적 유량(50 mL/min)이 LC 용액의 최적 유량(100 mL/min)보다 낮았고 상이한 유량으로 전력 밀도 및 에너지 효율을 향상시킬 수 있음을 확인하였다. 물 소비량의 측면에서 비에너지를 기준으로 하여 HC:LC 유량비 2:1 을 시스템 구동을 위한 최적 유량으로 제안하여 0.339 W/m2 의 전력 밀도를 달성하였다. 이를 통해 알카놀아민 기반 흡수제를 이용한 탄소농도차 RED 구동의 가능성을 확인하였다|There is clear evidence that global warming contributes to climate change. Emissions of greenhouse gases are a major contributor to global warming, and huge amounts of greenhouse gases are emitted by human activities while using coal and other fossil fuels. In particular, carbon dioxide has the highest cumulative emissions, and global carbon dioxide emissions are 36.8 Gt as of 2022, which has been increasing rapidly over the past decade. Therefore, future energy technologies for a sustainable earth are attracting attention. For sustainable development, new and renewable energy sources must be developed and utilized in the near future, and the development of stable and feasible energy sources is essential for this. Salinity gradient power(SGE) is renewable energy source suitable for Korea in terms of energy potential, applicability, and sustainability without being limited by weather fluctuations. CO2-to-Power technology is a technology that directly generates electrical energy by using enthalpy changes according to relative CO2 concentration differences. This has the advantage of being able to achieve both goals of reducing greenhouse gases and securing sustainable energy resources to overcome the climate crisis at the same time. Among membrane-based technologies, reverse electrodialysis (RED) generates electrical energy using electrochemical potential across ion exchange membranes, and ion flux generates electricity in electrodes. RED is based on electrochemical reactions and can be integrated with carbon capture and utilization. In this study, power generation and resource recovery possibilities were confirmed through RED generation using carbon concentration differences as alkanolamine absorbents. First, in order to evaluate the CO2 capture performance of the amine-based absorbent, the absorption rate and absorption heat were compared. Monoethanolamine (MEA) and Diethanolamine (DEA), fell sharply in pH and took less time to reach absorption equilibrium than N- methyldiethanolamine (MDEA). As a result of absorption for 4 hours, the absorption rate was found to be MEA > DEA > MDEA, and the demand of the amine absorbent reaction heat was found to be MEA > DEA > MDEA. As a result of FT-IR analysis before and after carbon dioxide capture, it was confirmed that carbamate, an intermediate formation of the CO2 absorption mechanism of the primary and secondary amines, was not present, and the effluent was determined by the recovery of bicarbonate. The performance of RED was compared by capturing the same concentration of carbon (0.4 mol/mol) in the absorbent to evaluate the effect of the absorbent itself on RED driving. Considering only the driving of RED, the fact that MDEA absorbent is excellent could be judged based on power density, recovery rate, energy efficiency, etc. By operating an integrated system considering absorption rate, reaction heat, and RED performance, 1.0 M of amine absorbent at room temperature of absorption were optimally determined based on the power density of RED. As a result of comparing the effect of RED output by varying the supply flow rate, it was confirmed that the optimum flow rate (50 mL/min) of the HC solution was lower than the optimum flow rate (100 mL/min) of the LC solution and that power density and energy efficiency could be improved with different flow rates. In terms of water consumption, a power density of 0.339 W/m2 was achieved by proposing 2:1 as the optimal flow rate for system operation based on specific energy. Through this, the possibility of RED system using a carbon concentration difference based on an alkanolamine absorbent was confirmed.