Abstract
This study aimed to optimize the operating conditions and enhance the reaction rates of a hydrate-based gas separation process to facilitate environmentally friendly CO₂ capture from fuel gas (CO₂ + H₂) generated by natural gas reforming. Thermodynamic hydrate promoters, particularly tetrahydrofuran at 5.6 mol% and tetrabutylammonium bromide (TBAB) at 3.7 mol%, were used to alleviate strict equilibrium conditions and improve gas separation efficiency. To mitigate the effects of CO₂ solubility, the gas-to-water ratio was maintained at 0.1. In addition, the influence of memory water on accelerating gas hydrate formation was explored by monitoring the hydrate formation behavior and changes in gas composition under isobaric condition based on the re-measured phase equilibrium data. The results showed that while the memory effect significantly reduced the induction time for hydrate formation, it did not influence the growth behavior or CO₂ selectivity of the gas hydrates. Memory effect played a critical role in TBAB solution, particularly above the temperature required for pure clathrate formation. This study provides valuable insight into the roles of thermodynamic promoters and memory effects on the thermodynamic stability, induction time, and gas capture efficacy of gas hydrates, thereby contributing to the development of more efficient and environmentally sustainable gas separation technologies.
본 연구는 천연가스 개질로 생성되는 연료가스(CO₂+H₂)로부터 환경친화적인 CO₂ 포집을 용이하게 하기 위해, 하이드레이트 기반 가스 분리 공정의 운전 조건을 최적화하고 반응 속도를 향상시키는 것을 목표로 하였습니다. 열역학적 하이드레이트 촉진제로서 특히 테트라하이드로푸란(THF) 5.6 mol%와 테트라부틸암모늄 브로마이드(TBAB) 3.7 mol%를 사용하여 엄격한 상평형 조건을 완화하고 가스 분리 효율을 개선하였습니다. 또한 CO₂ 용해도의 영향을 줄이기 위해 가스 대 물 비(G/W)를 0.1로 유지하였습니다.
더불어, 재측정한 상평형 데이터를 바탕으로 등압 조건에서 하이드레이트 형성 거동과 가스 조성 변화를 모니터링함으로써, 기억수(memory water)가 가스 하이드레이트 형성을 가속하는 데 미치는 영향을 조사하였습니다. 그 결과, 메모리 효과(memory effect)는 하이드레이트 유도 시간을 유의하게 단축하였으나, 성장 거동이나 가스 하이드레이트의 CO₂ 선택성에는 영향을 미치지 않았습니다. 특히 TBAB 용액에서는 순수 클래스레이트(clathrate) 형성에 필요한 온도 이상에서 메모리 효과가 중요한 역할을 하였습니다.
본 연구는 열역학적 촉진제와 메모리 효과가 가스 하이드레이트의 열역학적 안정성, 유도 시간, 가스 포집 성능에 미치는 역할에 대한 유의미한 통찰을 제공하며, 보다 효율적이고 지속가능한 가스 분리 기술 개발에 기여합니다.