이산화탄소 흡수공정은 대규모의 이산화탄소를 처리하는데 유리하지만, 다량의 흡수액을 재생하는데 필요한 현열과 증발열로 인한 에너지 비용 상승이 단점으로 지적되고 있다. 이를 극복하기 위해 이산화탄소를 흡수한 탄산칼륨 흡수액을 냉각 결정화시켜, 다량의 물로부터 이산화탄소가 많이 포함된 중탄산칼륨 결정을 선택적으로 분리할 수 있다. 본 연구에서는 이산화탄소 분리효율을 높이기 위해 입체 장애 알카놀아민 첨가제를 도입하여, 이들이 중탄산칼륨 연속식 결정화에 미치는 영향에 대해 살펴보았다. 결정의 석출량은 2-아미노-2-메틸-1-프로판올(2-amino-2-methyl-1-propanol, AMP), 2-아미노-2-메틸-1,3-프로판디올(2-amino-2-methyl-1,3-propanediol, AMPD), 2-아미노-2-히드록시메틸-1,3-프로판디올(2-amino-2-hydroxymethyl-1,3-propanediol, AHPD)의 순서로 증가하였으며, 반용매로 작용하는 첨가제들의 히드록실기 개수와 관계가 있는 것으로 나타났다. 탄소 핵자기공명분광 분석 결과, 첨가제들은 입체 장애 효과에 의해 중탄산 이온의 생성을 유도하고 과포화도를 상승시킨 것으로 나타났다. 또한, 첨가제들은 과포화도 상승을 통해 평균 입도와 결정 성장 속도를 증가시키는 것으로 나타났다. 입체 장애 알카놀아민 첨가제는 중탄산칼륨 결정화를 촉진함으로써, 물로부터 이산화탄소의 분리효율을 향상시키고 재생에너지를 저감시킬 수 있을 것으로 기대된다.
$CO_2$ absorption processes have a good potential for large scale capture of $CO_2$ but a large amount of absorbing solution has to be regenerated, undesirably increasing the consumption of energy such as sensible heat and latent heat of vaporization. In this study, a cooling crystallization process which would separate the $CO_2$-rich potassium bicarbonate crystals from $CO_2$-lean water was developed to reduce the energy penalty. Sterically hindered alkanolamine additives were used to enhance the $CO_2$ removal efficiency and their antisolvent effect on the crystallization was found in a continuous cooling crystallizer. The production yields of crystals were increased in the sequence of 2-amino-2-methyl-1-propanol (AMP) < 2-amino-2-methyl-1,3-propanediol (AMPD) < 2-amino-2-hydroxymethyl-1,3-propanediol (AHPD), which are related to the number of hydroxyl groups in the additive molecules. Using $^{13}carbon$ nuclear magnetic resonance, the additives favored the formation of bicarbonate ions by steric hindrance effect and increased the supersaturation of $KHCO_3$. It is shown that the additives increase the mean size of crystals and crystal growth rate by increasing supersaturation. The additives are promising for enhancing the $CO_2$ removal efficiency and reducing the regeneration energy cost of $CO_2$ absorbing solution by promoting $KHCO_3$ crystallization.
