화학공학소재연구정보센터
홈 로그인 로그아웃 연락처 사이트맵
Journal of the Korean Industrial and Engineering Chemistry, Vol.20, No.2, 117-125, April, 2009
Export Citation
나노세공체 흡착제에 의한 천연가스의 흡착 및 저장
Adsorption and Storage of Natural Gas by Nanoporous Adsorbents
정성화†, 장종산1
  • 경북대학교 화학과
  • 1한국화학연구원 그린화학촉매연구센터
Sung Hwa Jhung†, and Jong-San Chang1
  • Department of Chemistry, Kyungpook National University, Daegu 702-701, Korea
  • 1Green Chemistry & Catalysis Research Center, Korea Research Institute of Chemical Technology, Daejeon 305-600, Korea
E-mail:
초록
차세대 청정 연료로 각광받고 있는 천연가스를 자동차 등의 이동원의 동력원으로 사용하기 위해 높은 에너지 밀도로 저장하는 것은 매우 중요하다. 특히 상온 및 과히 높지 않은 압력(35∼40 기압)에서 흡착을 이용하여 천연가스를 저장(ANG)하는 것은 압축에 의한 CNG 및 냉각에 의한 LNG에 비해 경제적이고 안전하며 사용이 용이한 특성이 있다. 그러나 상업적으로 통용되기 위해 필요한 저장 용량을 얻을 수 있는 경제적인 흡착제가 현재 알려져 있지 않아 다양한 연구가 계속되고 있다. 최근에 많은 연구가 되고 있는 MOF (metal-organic frameworks)를 포함한 나노 세공체도 하나의 답이 될 수 있다. 본 총설에서는 ANG 밀도를 높이기 위해 필요한 흡착제의 물성과 상업적으로 적용하기 위해 요구되는 흡착제 물성에 대해 요약하였다. 높은 에너지 밀도를 위해서는 넓은 표면적, 큰 미세 세공 부피, 적당한 세공 크기 및 높은 밀도 등이 필요하고 낮은 흡탈착 에너지 및 빠른 흡탈착 속도가 요구된다. 또한 탈착시 상압에서 잔존하는 천연가스의 양이 적어 실제 활용할 수 있는 천연가스의 양(delivery)이 높아야 한다. 현재 매우 활발히 연구되고 있는 나노 세공체를 천연가스 저장물질로 적용하고자 하는 연구도 다양하게 이루어지고 있으며 이러한 물성을 만족하는 나노세공체가 개발되기를 기대한다.
In order to utilize natural gas (NG), one of the clean energy sources in next-generation, as a fuel for vehicles, it is important to store natural gas with high density. To store NG by adsorption (ANG) at room temperature and at relatively low pressure (35∼40 atm) is safe and economical compared with compressed NG and liquefied NG. However, so far no adsorbent is reported to have adsorption capacity suitable for commercial applications. Nanoporous materials including metal-organic frameworks can be potential adsorbents for ANG. In this review, physicochemical properties of adsorbents necessary for high adsorption capacity are summarized. Wide surface area, large micropore volume, suitable pore size and high density are necessary for high energy density. Moreover, low adsorption-desorption energy, rapid adsorption-desorption kinetics and high delivery are needed. Recently, various efforts have been reported to utilize nanoporous materials in ANG, and it is expected to develop a nanoporous material suitable for ANG.
Keywords:Natural gas;storage;adsorption
  1. ‘천연가스 저장’이라는 용어는 여러 저장 방법을 이용한 천연가스라는 물질을 저장한다는 개념이 강하며 흡착은 흡착제 표면에 흡착되는 현상을 강조한 용어이며 본 총설에서는 두 용어가 일부 혼용되었으나 저장은 이용 측면에서 주로 사용하였고 흡착은 물리적 현상을 설명하거나 물리량을 설명하는데 주로 사용되었음.
  2. 본 총설에서는 천연가스(NG)와 메탄을 일부 혼용하였는데 천연가스는 주로 상업적으로 저장할 대상물질로 볼 수 있고 메탄은 천연가스 대신에 주로 연구의 편의를 위해 사용함. 메탄이 흡착/저장 될 수 있는 경우에 에탄 등의 천연가스의 다른 성분의 흡착/저장은 매우 용이하기에 연구는 보통 메탄으로 수행함.
  3. Lozano-Castello D, Alcaniz-Monge J, de la Casa-Lillo MA, Cazorla-Amoros D, Linares-Solano A, Fuel, 81, 1777 (2002)
  4. Menon VC, Komarneni S, J. Porous Mater., 5, 43 (1998)
  5. http://www.eere.energy.gov/afdc/afv/gas_vehicles.html.
  6. V/V: 흡착제 부피당 흡착된 천연가스의 부피(STP 조건)의 비율.
  7. Celzard A, Fierro V, Energy Fuels, 19(2), 573 (2005)
  8. Duren T, Sarkisov L, Yaghi OM, Snurr RQ, Langmuir, 20(7), 2683 (2004)
  9. Lozano-Castello D, Cazorla-Amoros D, Linares-Solano A, Energy Fuels, 16(5), 1321 (2002)
  10. Sun J, Jarvi TD, Conopask LF, Satyapal S, Rood MJ, Rostam-Abadi M, Energy Fuels, 15(5), 1241 (2001)
  11. Sing KSW, Everett DH, Haul RAW, Moscou L, Pierotti RA, Rouquerol J, Siemieniewska T, Pure Appl. Chem., 57, 603 (1985)
  12. Breck DW, Zeolite Molecular Sieves, John Wiley & Sons, New York (1974)
  13. Wilson ST, Stud. Surf. Sci. Catal., 137, 229 (2001)
  14. Stein A, Adv. Mater., 15(10), 763 (2003)
  15. Davis ME, Nature, 417, 813 (2002)
  16. Yaghi OM, O’Keeffe M, Ockwig NW, Chae HK, Eddaoudi M, Kim J, Nature, 423, 705 (2003)
  17. Ferey G, Mellot-Draznieks C, Serre C, Millange F, Acc. Chem. Res., 38, 217 (2005)
  18. Ferey G, Chem. Soc. Rev., 37, 191 (2008)
  19. Rao CNR, Natarajan S, Vaidhyanathan R, Angew. Chem. Int. Ed., 43, 1466 (2004)
  20. Kitagawa S, Kitaura R, Noro SI, Angew. Chem. Int. Ed., 43, 2334 (2004)
  21. Kitagawa S, Uemura K, Chem. Soc. Rev., 34, 109 (2005)
  22. James SL, Chem. Soc. Rev., 32, 276 (2003)
  23. Wang N, Tang ZK, Li GD, Chen JS, Nature, 408, 50 (2000)
  24. Vietze U, Krauß O, Laeri F, Ihlein G, Schuth F, Limburg B, Abraham M, Phys. Rev. Letter, 81, 4628 (1998)
  25. Lai Z, Bonilla G, Diaz I, Nery JG, Sujaoti K, Amat MA, Kokkoli E, Terasaki O, Thompson, M. Tsapatsis RW, Vlachos DG, Science, 300, 456 (2003)
  26. Marsh H, Reinoso FR, Activated carbon, Elsevier (2005)
  27. Burchell TD (Ed.) Carbon Materials for Advanced Technologies, Pergamon (1999)
  28. Thrower PA, Radovic LR, Chemistry and Physics of Carbon, CRC Press (1999)
  29. Jhung SH, Chang JS, J. Korean Ind. Eng. Chem., 18(2), 99 (2007)
  30. Muto A, Bhaskar T, Tsuneishi S, Sakata Y, Energy Fuels, 19(1), 251 (2005)
  31. Tan Z, Gubbins KE, J. Phys. Chem., 94, 6061 (1990)
  32. Matranga KR, Myers AL, Glandt ED, Chem. Eng. Sci., 47, 1569 (1992)
  33. Chen XS, McEnaney B, Mays TJ, Alcaniz-Monge J, Cazorla-Amoros D, Linares-Solano A, A. Carbon, 35, 1251 (1997)
  34. Cracknell RF, Gordon P, Gubbins KE, J. Phys. Chem., 97, 494 (1993)
  35. Lozano-Castello D, Cazorla-Amoros D, Linares-Solano A, Hall PJ, Gascon D, Galan C, Carbon, 39, 1343 (2001)
  36. Seki K, Chem. Commun., 1496 (2001)
  37. Eddaoudi M, Kim J, Rosi N, Vodak D, Wachter J, O’Keeffe M, Yaghi OM, Science, 295, 469 (2002)
  38. Noro SI, Kitagawa S, Kondo M, Seki K, Angew. Chem., Int. Ed., 39, 2082 (2000)
  39. Ma S, Sun D, Simmons JM, Collier CD, Yuan D, Zhou HC, J. Am. Chem. Soc., 130, 1012 (2008)
  40. Llewellyn PL, Bourrelly S, Serre C, Vimont A, Daturi M, Hamon L, Weireld GD, Chang JS, Hong DY, Hwang YK, Jhung SH, Ferey G, Langmuir, 24, 7245 (2008)
  41. Lee JS, Yoon JW, Hwang YK, Jhung SH, Chang JS, J. Ind. Eng. Chem., accepted (2008)