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May 24, 2023

다양한 염화콜린의 CO2 용해도 추정을 위한 새로운 분자 구조 기반 모델

과학 보고서 13권,

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 8495(2023) 이 기사 인용

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본 연구에서는 QSPR(Quantitative Structure-Property Relationship)을 사용하여 다양한 염화콜린 기반 심층 공융 용매(DES)의 CO2 용해도를 조사했습니다. 이와 관련하여 염화콜린(ChCl) 기반 심층 공융 용매(DES)에서 수소 결합 공여체(HBD)의 다양한 구조의 효과가 수소 결합 수용체(HBA)로서 ChCl의 다양한 몰비와 온도에서 연구되었습니다. HBD. CO2 용해도에 대한 390개의 데이터가 포함된 12개의 서로 다른 데이터 세트가 모델 개발을 위해 문헌에서 선택되었습니다. 압력과 하나의 구조 설명자를 포함하는 8개의 예측 모델이 고정된 온도(예: 293, 303, 313 또는 323K)와 ChCl 대 HBD의 일정한 몰비가 1:3 또는 1인 조건에서 개발되었습니다. 4. 또한 압력, 온도 및 HBD 구조의 영향을 1:3 또는 1:4의 몰비로 동시에 고려하는 두 가지 모델도 도입되었습니다. 새로운 온도, 압력 및 HBD 구조에서 이 두 모델의 추가 외부 검증을 위해서만 두 개의 추가 데이터 세트가 사용되었습니다. CO2 용해도는 HBD의 "EEig02d" 디스크립터에 따라 달라지는 것으로 확인되었습니다. "EEig02d"는 쌍극자 모멘트에 의해 가중치가 부여되는 분자의 가장자리 인접 행렬에서 파생된 분자 설명자입니다. 이 설명자는 구조의 몰 부피와도 관련이 있습니다. 고정되지 않은 온도와 고정된 온도 데이터 세트에 대해 제안된 모델의 통계적 평가를 통해 개발된 모델의 타당성을 확인했습니다.

CO2와 같은 온실가스의 상당한 배출로 인해 "지구 온난화"와 "기후 변화"1라는 두 가지 중요한 전 지구적 문제가 발생했습니다. 지난 10년 동안 대기 중 CO2 가스의 존재는 허용 한계(예: 350ppm)를 초과했습니다2,3,4. 따라서 대기 중의 CO2가스를 제거하기 위해서는 많은 노력이 필요하다. 탄소 포집 및 저장(CCS)과 같이 CO2 배출을 줄이기 위한 몇 가지 첨단 기술이 있습니다. CCS 기술은 주로 연소 전, 연소 후(PCC), 순산소(산소 연료)의 세 가지 그룹으로 분류됩니다5. 이들 방법 중 PCC 방법이 보다 실용적이고 경제적이다. (i) CO2 포집 효율성 향상, (ii) 공정 비용 절감, (iii) CO2 저장이 환경적으로 지속 가능하도록 보장하는 등 여러 경제, 기술, 환경 및 안전 문제를 해결하는 것은 여전히 ​​필요합니다6. PCC 방법에 수성 알칸올아민 용매(예: MEA)를 적용하는 것은 CO2와의 높은 반응성, 가용성, 저렴한 비용 및 낮은 점도 때문에 일반적입니다. 그러나 이러한 종류의 용매를 사용하는 데에는 여전히 높은 용매 손실, 분해, 부식, 재생 과정 중 높은 에너지 소비, 환경 문제, 높은 재생 비용 등 여러 가지 결점이 있습니다7,8,9. 결과적으로, CO2 포집 공정을 위한 새로운 친환경적이고 저렴한 용매를 개발하는 것이 필수적입니다.

최근 몇 년 동안의 연구는 다양한 화학 및 산업 공정에서 기존의 휘발성 유기 화합물(VOC)을 대체하기 위해 이온성 액체(IL) 및 심층 공융 용매(DES)와 같은 새로운 용매 개발에 점점 더 중점을 두고 있습니다.

기존의 CO2 포집 용매(예: 아민)에 비해 IL은 낮은 휘발성, 높은 열 안정성 및 우수한 CO2 용해도와 같은 매력적인 고유 특성으로 인해 더 많은 성능을 발휘합니다13,14. IL은 CO2의 효율적인 물리적 흡착제이며 적절한 양이온과 음이온을 선택하여 사양을 조정할 수 있다는 것이 잘 알려져 있습니다. 이러한 장점에도 불구하고 산업용 응용 분야에서 CO2 포집을 위해 IL을 사용하는 것은 높은 점도, 복잡하고 값비싼 합성 및 정제 공정, 높은 비용 등 여러 가지 단점이 있습니다. 여러 IL의 독성에 대한 우려가 커지고 있습니다. DES라고 알려진 새로운 종류의 용매가 있는데, 이는 저비용, 낮은 독성, 생분해성, 쉬운 준비 및 정제가 필요하지 않다는 추가적인 장점을 가지고 있습니다16. DES는 수소 결합 공여체(HBD)(예: 카르복실산, 아미드, 아민, 알코올 또는 금속 할로겐화물)를 수소 결합 수용체(HBA)(예: 4차 포스포늄 또는 암모늄 염)와 적절한 몰비로 혼합하여 합성할 수 있습니다17 . DES의 가장 유망한 특성은 구조의 다양성입니다. 낮은 증기압, 높은 열적 및 화학적 안정성, 불연성, 광범위한 조정 가능성을 포함한 고유한 이점으로 인해 DES는 상당한 주목을 받았습니다18,19. 특히 콜린 기반 DES가 집중적으로 연구되었습니다. 콜린 기반 DES는 주로 천연 화합물로 구성되므로; 그러므로 유해한 환경 영향이 없습니다. 널리 사용되는 콜린염 중에서 염화콜린(ChCl)은 화석 매장지(예: 석유)의 제품 또는 부산물에서 합성되거나 바이오매스에서 추출되는 무독성, 생분해성 및 저렴한 물질입니다19.