[학위논문]전기 화학적 산화 반응 조건에 따른 리그닌으로부터의 바닐린 생산에 대한 연구 Study on vaniilin production from lignin according to electrochemical oxidation reaction conditions원문보기
산업이 발전할수록 고갈하는 자원을 대체하기 위해 바이오리파이너리 제품의 연구 개발이 중요한 시점이다. 본 연구는 바이오리파이너리 제품 중 바이오 에탄올 생산 공정에서 발생하는 저급 리그닌을 전기 화학적 산화반응을 통해 고부가가치화하여 가치있는 플랫폼 화학물질로 전환하는 연구를 진행하였다. 리그닌은 목질계 ...
산업이 발전할수록 고갈하는 자원을 대체하기 위해 바이오리파이너리 제품의 연구 개발이 중요한 시점이다. 본 연구는 바이오리파이너리 제품 중 바이오 에탄올 생산 공정에서 발생하는 저급 리그닌을 전기 화학적 산화반응을 통해 고부가가치화하여 가치있는 플랫폼 화학물질로 전환하는 연구를 진행하였다. 리그닌은 목질계 바이오매스를 구성하는 성분 중 하나이며 재생 가능한 에너지 및 방향족 공급원으로 매우 우수한 신재생에너지원이다. C6C3 형의 페닐프로판 구조를 기본 골격으로 –OH를 포함하는 H (p-coumaryl alcohol), -OH 및 –OCH3를 포함하는 G (coniferyl alcohol), 그리고 –OH와 두 개의 –OCH3를 포함하는 S (sinapyl alcohol) unit의 단위로 구분된다. 하지만 리그닌은 높은 잠재력을 가지고 있음에도 불구하고 구조의 복잡성과 다양성 때문에 리그닌의 정확한 분석이 어렵고 완전한 이해가 불가능하다. 이러한 단점들로 리그닌 대부분이 단순 열원으로 사용되고 있는 실정이다. 전기 화학적 산화반응은 환경 친화적이며 저렴하고, 전극 전위 및 반응 에너지를 제어할 수 있기 때문에 광범위한 산화보다는 일반적인 리그닌 산화에 대한 화학물질을 생성하는 대체 가능한 공정이다. 리그닌의 전기 화학적 산화반응을 위해 Kraft 리그닌과 두 종류의 오르가노졸 리그닌(소나무, 억새)을 준비하였다. 또한, 전극 종류에 따른 리그닌 산화 및 바닐린 생성에 미치는 영향을 조사하였다. 양극의 전극으로는 Ti, Sus, Ni, Cu를 사용하였고 음극의 전극으로 Carbon을 사용하였다. 이때 전류밀도는 0.11mA/cm2으로 고정하였으며, 온도는 85℃를 유지하였다. 리그닌 농도에 따른 전기 산화 반응실험도 진행하였다. 리그닌에서 생선 된 방향족 화합물은 고성능크로마토그래피(HPLC)를 통해 결정되었다. 하지만 리그닌의 단위에 따라 산화 반응의 생성물이 달라지는 것을 확인하였다. 이러한 실험 조건들로 Kraft 리그닌의 초기 농도가 낮을수록, Ti foam 전극의 반응시간이 빠를수록 리그닌 생성율이 증가한다는 것을 알 수 있었다. 한편, 전기화학적 산화 실험에 사용한 전극들의 표면 변화를 확인하기 위해 X선 회절분석기(XRD)와 에너지 분산 X선 분광법(EDS)를 이용하였다. XRD는 전극 표면의 구조 변화를 확인하였으며, EDS는 원소의 조성변화를 확인하였다. 또한, 바닐린의 산화를 확인하기 위해 기존의 전극을 이용하여 바닐린 산화실험도 진행하였다. 그 결과 Ti foam 전극에서 리그닌 산화 후 Ti foam 표면에 산화피막이 형성되어 산화 진행이 감소하여 바닐린의 산화가 거의 일어나지 않는 것을 확인하였다. 이를 토대로 리그닌의 전기 화학적 산화반응을 속도론 적으로 계산하여 Ti foam 전극에서 리그닌의 전기산화 반응에 대한 개략적인 반응 메커니즘을 그렸다. 그 결과 그 결과 바닐린의 수율을 보다 향상시키기 위해서는 리그닌의 전환율을 높일 수 있는 전극의 개선이 필요한 것으로 파악되었다.
산업이 발전할수록 고갈하는 자원을 대체하기 위해 바이오리파이너리 제품의 연구 개발이 중요한 시점이다. 본 연구는 바이오리파이너리 제품 중 바이오 에탄올 생산 공정에서 발생하는 저급 리그닌을 전기 화학적 산화반응을 통해 고부가가치화하여 가치있는 플랫폼 화학물질로 전환하는 연구를 진행하였다. 리그닌은 목질계 바이오매스를 구성하는 성분 중 하나이며 재생 가능한 에너지 및 방향족 공급원으로 매우 우수한 신재생에너지원이다. C6C3 형의 페닐프로판 구조를 기본 골격으로 –OH를 포함하는 H (p-coumaryl alcohol), -OH 및 –OCH3를 포함하는 G (coniferyl alcohol), 그리고 –OH와 두 개의 –OCH3를 포함하는 S (sinapyl alcohol) unit의 단위로 구분된다. 하지만 리그닌은 높은 잠재력을 가지고 있음에도 불구하고 구조의 복잡성과 다양성 때문에 리그닌의 정확한 분석이 어렵고 완전한 이해가 불가능하다. 이러한 단점들로 리그닌 대부분이 단순 열원으로 사용되고 있는 실정이다. 전기 화학적 산화반응은 환경 친화적이며 저렴하고, 전극 전위 및 반응 에너지를 제어할 수 있기 때문에 광범위한 산화보다는 일반적인 리그닌 산화에 대한 화학물질을 생성하는 대체 가능한 공정이다. 리그닌의 전기 화학적 산화반응을 위해 Kraft 리그닌과 두 종류의 오르가노졸 리그닌(소나무, 억새)을 준비하였다. 또한, 전극 종류에 따른 리그닌 산화 및 바닐린 생성에 미치는 영향을 조사하였다. 양극의 전극으로는 Ti, Sus, Ni, Cu를 사용하였고 음극의 전극으로 Carbon을 사용하였다. 이때 전류밀도는 0.11mA/cm2으로 고정하였으며, 온도는 85℃를 유지하였다. 리그닌 농도에 따른 전기 산화 반응실험도 진행하였다. 리그닌에서 생선 된 방향족 화합물은 고성능크로마토그래피(HPLC)를 통해 결정되었다. 하지만 리그닌의 단위에 따라 산화 반응의 생성물이 달라지는 것을 확인하였다. 이러한 실험 조건들로 Kraft 리그닌의 초기 농도가 낮을수록, Ti foam 전극의 반응시간이 빠를수록 리그닌 생성율이 증가한다는 것을 알 수 있었다. 한편, 전기화학적 산화 실험에 사용한 전극들의 표면 변화를 확인하기 위해 X선 회절분석기(XRD)와 에너지 분산 X선 분광법(EDS)를 이용하였다. XRD는 전극 표면의 구조 변화를 확인하였으며, EDS는 원소의 조성변화를 확인하였다. 또한, 바닐린의 산화를 확인하기 위해 기존의 전극을 이용하여 바닐린 산화실험도 진행하였다. 그 결과 Ti foam 전극에서 리그닌 산화 후 Ti foam 표면에 산화피막이 형성되어 산화 진행이 감소하여 바닐린의 산화가 거의 일어나지 않는 것을 확인하였다. 이를 토대로 리그닌의 전기 화학적 산화반응을 속도론 적으로 계산하여 Ti foam 전극에서 리그닌의 전기산화 반응에 대한 개략적인 반응 메커니즘을 그렸다. 그 결과 그 결과 바닐린의 수율을 보다 향상시키기 위해서는 리그닌의 전환율을 높일 수 있는 전극의 개선이 필요한 것으로 파악되었다.
As the industry develops, research and development of bio-refinery products is an important time to replace depleted resources. This study conducted a study to convert low-grade lignin generated in the bio-ethanol production process among bio-refinery products into valuable platform chemicals by mak...
As the industry develops, research and development of bio-refinery products is an important time to replace depleted resources. This study conducted a study to convert low-grade lignin generated in the bio-ethanol production process among bio-refinery products into valuable platform chemicals by making them high value-added through electrochemical oxidation. Lignin is one of the components of woody biomass and is a very good renewable energy source as a renewable energy and aromatic source. C6C3 type phenyl-propane structure as the basic skeleton, H (p-coumaryl alcohol) containing -OH, G (coniferyl alcohol) containing -OH and -OCH3, and S (coniferyl alcohol) containing -OH and two -OCH3 It is divided into units of sinapyl alcohol) unit. However, despite the high potential of lignin, it is difficult to accurately analyze lignin and completely understand it due to the complexity and diversity of its structure. Due to these shortcomings, most of the lignin is used as a simple heat source. Electrochemical oxidation is an alternative process that produces chemicals for general lignin oxidation rather than extensive oxidation because it is environmentally friendly, inexpensive, and the electrode potential and reaction energy can be controlled. Kraft lignin and two types of organosol lignin (pine, silver grass) were prepared for the electrochemical oxidation of lignin. In addition, the effect of the electrode type on lignin oxidation and vanillin production was investigated. Ti, Sus, Ni, and Cu were used as the positive electrode and Carbon was used as the negative electrode. At this time, the current density was fixed at 0.11mA/cm2, and the temperature was maintained at 85°C. Electrooxidation experiments were also conducted according to the lignin concentration. Aromatic compounds from lignin were determined through high-performance chromatography (HPLC). However, it was confirmed that the product of the oxidation reaction varies depending on the unit of lignin. Under these experimental conditions, it was found that the lower the initial concentration of Kraft lignin and the faster the reaction time of the Ti foam electrode, the higher the lignin production rate. Meanwhile, an X-ray diffraction (XRD) and energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS) were used to check the surface change of the electrodes used in the electrochemical oxidation experiment. XRD confirmed the change in the structure of the electrode surface, and EDS confirmed the change in the composition of the element. In addition, a vanillin oxidation experiment was also conducted using a conventional electrode to confirm the oxidation of vanillin. As a result, it was confirmed that after lignin oxidation in the Ti foam electrode, an oxide film was formed on the surface of the Ti foam, and the oxidation progress was reduced, so that almost no oxidation of vanillin occurred. Based on this, the electrochemical oxidation reaction of lignin was calculated kineticly, and a schematic reaction mechanism for the electrochemical oxidation of lignin in Ti foam electrodes was drawn. As a result, it was found that in order to further improve the yield of vanillin, it was necessary to improve the electrode capable of increasing the conversion rate of lignin.
As the industry develops, research and development of bio-refinery products is an important time to replace depleted resources. This study conducted a study to convert low-grade lignin generated in the bio-ethanol production process among bio-refinery products into valuable platform chemicals by making them high value-added through electrochemical oxidation. Lignin is one of the components of woody biomass and is a very good renewable energy source as a renewable energy and aromatic source. C6C3 type phenyl-propane structure as the basic skeleton, H (p-coumaryl alcohol) containing -OH, G (coniferyl alcohol) containing -OH and -OCH3, and S (coniferyl alcohol) containing -OH and two -OCH3 It is divided into units of sinapyl alcohol) unit. However, despite the high potential of lignin, it is difficult to accurately analyze lignin and completely understand it due to the complexity and diversity of its structure. Due to these shortcomings, most of the lignin is used as a simple heat source. Electrochemical oxidation is an alternative process that produces chemicals for general lignin oxidation rather than extensive oxidation because it is environmentally friendly, inexpensive, and the electrode potential and reaction energy can be controlled. Kraft lignin and two types of organosol lignin (pine, silver grass) were prepared for the electrochemical oxidation of lignin. In addition, the effect of the electrode type on lignin oxidation and vanillin production was investigated. Ti, Sus, Ni, and Cu were used as the positive electrode and Carbon was used as the negative electrode. At this time, the current density was fixed at 0.11mA/cm2, and the temperature was maintained at 85°C. Electrooxidation experiments were also conducted according to the lignin concentration. Aromatic compounds from lignin were determined through high-performance chromatography (HPLC). However, it was confirmed that the product of the oxidation reaction varies depending on the unit of lignin. Under these experimental conditions, it was found that the lower the initial concentration of Kraft lignin and the faster the reaction time of the Ti foam electrode, the higher the lignin production rate. Meanwhile, an X-ray diffraction (XRD) and energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS) were used to check the surface change of the electrodes used in the electrochemical oxidation experiment. XRD confirmed the change in the structure of the electrode surface, and EDS confirmed the change in the composition of the element. In addition, a vanillin oxidation experiment was also conducted using a conventional electrode to confirm the oxidation of vanillin. As a result, it was confirmed that after lignin oxidation in the Ti foam electrode, an oxide film was formed on the surface of the Ti foam, and the oxidation progress was reduced, so that almost no oxidation of vanillin occurred. Based on this, the electrochemical oxidation reaction of lignin was calculated kineticly, and a schematic reaction mechanism for the electrochemical oxidation of lignin in Ti foam electrodes was drawn. As a result, it was found that in order to further improve the yield of vanillin, it was necessary to improve the electrode capable of increasing the conversion rate of lignin.
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