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문제 정의
- 입력파워가 중요한 역할을 수행하게 된다. 본 실험에서는 마이크로웨이브 입력파워 그리고 마이크로웨이브 반응 시간을 공정변수로 선정하여 다양한 공정변수에 따른 열분해 특성을 살펴보았다. 마이크로웨이브입력 파워는 180W, 200W, 220W, 240W, 그리고 250W를 사용하였으며 반응 시간은 30분, 45분, 그리고 60분으로 설정하여 실험을 수행하였다.
제안 방법
- 유도관 내에 위치시킨다. 냉각시스템 및 더미 로드에 물을 순환시킨 후 마이크로웨이브 발생 장치의 파워를 작동시켜 마이크로웨이브를 조사시킨다. 이때 조사된 마이크로웨이브는 마이크로웨이브 유도관을 따라 이동하게 되며 quartz 반응기 내에 들어있는 마이크로웨이브 홉수체인 실리콘 카바이드에 흡수되어 가열이 이루어지며 열전도에 의한 폴리스티렌과 자동차 오일의 가열이 이루어져 열분해가 이루어지게 된다.
- 본 실험에서는 마이크로웨이브 입력파워 그리고 마이크로웨이브 반응 시간을 공정변수로 선정하여 다양한 공정변수에 따른 열분해 특성을 살펴보았다. 마이크로웨이브입력 파워는 180W, 200W, 220W, 240W, 그리고 250W를 사용하였으며 반응 시간은 30분, 45분, 그리고 60분으로 설정하여 실험을 수행하였다.
- 실험에 사용한 공정변수는 마이크로웨이브 입력 파워, 열분해 시간이었으며 실험에 사용한 마이크로웨이브유도 화학반응장치는 실험실 규모의 장치를 사용하였고 열분해 회수물질들의 분석은 GC/MS를 사용하였다.
- 열분해에 사용되는 순수한 마이크로웨이브 에너지 (effective power)의 양을 측정하기 위해서는 generator 로부터 발생된 마이크로웨이브 에너지로부터 다시 반사되어 돌아오는 에너지와 장치 뒤에 설치된 dummy load 에 흡수되는 에너지를 빼주어야 하는데 이를 위해서 반응기의 앞에 forward 및 reflected power meter, 그리고 반응기 뒤에 forward power meter를 설치 각각의 마이크로웨이브 에너지를 측정함으로써 계산이 가능토록 하였다. 열분해 반응기는 wave guide 관 내부에 설치할 수 있도록 지름 20 mm, 길이 1100 min의 quartz 재질의 tube로 설계하여 사용하였다. 냉각시스템은 열분해 시생성되는 가스를 액상의 생성물로 전환시키기 위한 것으로 시리즈로 연결된 2개의 냉각타워를 사용하였으며 carrier gas 로는 질소가스를 사용하였다.
- 열분해실험 시폴리스티렌과 자동차오일의 혼합비율은 Marsh 의 경우 1:10 의 무게 비율을 사용하였으나4) 본 실험에서는 폴리스티렌과 자동차오일의 무게 비율을 1:7.5로 혼합하여 실험 하였다.
- 열분해에 참여하고 남은 여분의 마이크로웨이브 에너지는 장치의 맨 뒤에 설치된 dummy load를 순환하고 있는 물에 흡수되어 소진되게 된다. 열분해에 사용되는 순수한 마이크로웨이브 에너지 (effective power)의 양을 측정하기 위해서는 generator 로부터 발생된 마이크로웨이브 에너지로부터 다시 반사되어 돌아오는 에너지와 장치 뒤에 설치된 dummy load 에 흡수되는 에너지를 빼주어야 하는데 이를 위해서 반응기의 앞에 forward 및 reflected power meter, 그리고 반응기 뒤에 forward power meter를 설치 각각의 마이크로웨이브 에너지를 측정함으로써 계산이 가능토록 하였다. 열분해 반응기는 wave guide 관 내부에 설치할 수 있도록 지름 20 mm, 길이 1100 min의 quartz 재질의 tube로 설계하여 사용하였다.
- 이때 조사된 마이크로웨이브는 마이크로웨이브 유도관을 따라 이동하게 되며 quartz 반응기 내에 들어있는 마이크로웨이브 홉수체인 실리콘 카바이드에 흡수되어 가열이 이루어지며 열전도에 의한 폴리스티렌과 자동차 오일의 가열이 이루어져 열분해가 이루어지게 된다. 열분해에 의하 여 생성된 가스생성물들은 냉각 시스템을 거치게 되는데 이때 냉각 및 농축을 통한 액상의 생성물이 얻어지며 GC/MS를 이용하여 생성물질에 성분 분석을 수행한다.
- 폐폴리스티렌과 자동차오일의 혼합물을 마이크로웨브를 이용하여 열분해하였다. 본 연구를 통하여 얻어진 결론은 다음과 같다.
대상 데이터
- 열분해 반응기는 wave guide 관 내부에 설치할 수 있도록 지름 20 mm, 길이 1100 min의 quartz 재질의 tube로 설계하여 사용하였다. 냉각시스템은 열분해 시생성되는 가스를 액상의 생성물로 전환시키기 위한 것으로 시리즈로 연결된 2개의 냉각타워를 사용하였으며 carrier gas 로는 질소가스를 사용하였다.
- 본 연구에서 제안하고 있는 마이크로웨이브를 이용한폐폴리스티렌의 열분해는 자동차오일과 폐폴리스티렌의 혼합물, 열분해를 위한 quartz 반응기, 그리고 마이크로웨이브의 높은 흡수체인 실리콘 카바이드를 포함하고 있다. 폐폴리스티렌, 자동차오일, 그리고 실리콘 카바이드가 들어 있는 반응기 내로 마이크로웨이브를 조사시키면 마이크로웨이브 흡수체인 실리콘 카바이드가 먼저 가열되고 열전도에 의하여 폴리스티렌과 자동차 오일이 가열되게 된다.
- 대상물질로 삼았다. 실험에 사용한 폴리스티렌소스 물질은 포장시 완충 역할을 위하여 사용하는 비드(beads)로 하였다. 포장에 사용하는 비드(beads)는 부피가 너무 크기 때문에 건조기 내에서 15(FC 정도로 전처리하여 부피를 줄인 후 마이크로웨이브 반응기에 넣어 열분해 실험에 사용하였다 4).
- 열분해를 통하여 얻어진 생성물을 Gas Chromato- graphy/Mass Spectroscopy(GC/MS, 6890N GC/ 5973 MSD system(Agilent Technologies))# 사용하여 분석하였다, 분석 칼럼은 15 m fused silica capillary column HR5MS를 사용하였으며 캐리어가스는 헬륨을 사용하였다. 온도는 30에서 200℃ 까지 상승시켰으며 승온율은 3℃/min 로 설정하였다.
- 포장에 사용하는 비드(beads)는 부피가 너무 크기 때문에 건조기 내에서 15(FC 정도로 전처리하여 부피를 줄인 후 마이크로웨이브 반응기에 넣어 열분해 실험에 사용하였다 4). 자동차오일은 30W (SK Corporation, Korea) 오일을 사용하였으며, 열분해실험 시설정하는 마이크로웨이브 입력파워보다 100W 정도 높은 파워에서 미리 전처리 과정을 거쳐 자동차 오일 중의 가벼운 생성물들을 제거한 후 폴리스티렌의열분해에 사용하였다. 따라서 열분해 시 얻어지는 생성물 중의 가벼운 생성물들은 모두 폴리스티렌의 분해로부터 얻어졌다고 할 수 있다.
- 실험에 사용한 폴리스티렌소스 물질은 포장시 완충 역할을 위하여 사용하는 비드(beads)로 하였다. 포장에 사용하는 비드(beads)는 부피가 너무 크기 때문에 건조기 내에서 15(FC 정도로 전처리하여 부피를 줄인 후 마이크로웨이브 반응기에 넣어 열분해 실험에 사용하였다 4). 자동차오일은 30W (SK Corporation, Korea) 오일을 사용하였으며, 열분해실험 시설정하는 마이크로웨이브 입력파워보다 100W 정도 높은 파워에서 미리 전처리 과정을 거쳐 자동차 오일 중의 가벼운 생성물들을 제거한 후 폴리스티렌의열분해에 사용하였다.
- 폴리스티렌은 광범위한 분야에서 사용되어지고 있으며 또한 열분해 생성물질이 혼합하여 사용하는 자동차 오일의 열분해 생성물질과 구분이 잘 되기 때문에 본 실험의 대상물질로 삼았다. 실험에 사용한 폴리스티렌소스 물질은 포장시 완충 역할을 위하여 사용하는 비드(beads)로 하였다.
성능/효과
- (2) 마이크로웨이브를 이용한 열분해에서는 열분해 온도가 약 280℃에서 300℃ 정도로 전통적인 열분해 온도인 400℃ 혹은 470-600℃ 보다 낮았다.
- 폴리스 티렌의 완전 분해를 이루려면 마이크로웨이브 입력파워를 220W 이상으로 45분 이상 운전시켜야 함을 알 수 있다.■ 이때 마이크로웨이브 반응기의 bed 온도는 약 280。(2에서 300℃ 정도로 마이크로웨이브를 사용하지 않는 일반적인 열분해 경우의 bed 온도인 400次μ4)나 470-600℃3) 와 비교할 때 현저히 낮은 온도에서 분해가 이루어짐을 알 수 있었다. 이는 전자기파인 마이크로웨이브의 고유한 특성인 분자 내 깊이 침투하여 분자 간의 연결 고리를 끊어주는 역할에 기인한 것으로 보여진다.
- (3) 마이크로웨이브를 이용한 폴리스티렌의 열분해 생성물은 스티렌, 메틸스 티렌, 톨루엔, 그리고 에틸벤젠 등이었으며 주요 회수원료인 스티렌 회수율은 약 50% 수준이었다.
- 1의 circulator 및 맨 끝단의 더미 로드에 흡수된 양을 뺀 양으로 반응기 내의 실리콘 카바이드가 실제로 흡수한 양을 의미한다. 마이크로웨이브 입력파워를 증가시킬수록 실리콘 카바이드에 흡수되는 에너지는 증가하였으나 흡수율은 약 57.3-57.5% 수준으로 거의 일정함을 알 수 있었다.
- (1) .마이크로웨이브를 이용한 열분해는 보통의 열분해 방법과 비교하여 회수율 및 열분해온도에서 우수한 결과를 보여 주었다.
- 본 실험들을 통하여 얻어진 농축액을 분석한 결과 폴리스티렌의 열분해로부터 얻어진 주요 성분들은 스티렌, 메틸스티렌, 톨루엔, 에틸벤젠 등으로 Marsh의 결과와 일치하였으며, 이들 중 스티렌으로의 전환율이 약 50 wt% 정도로 Marsh의 경우에 비해 폴리스티렌으로부터스티렌으로의 전환율이 다소 높았다. 열분해시 발생되는 가스 성분의 경우 실험조건에 따라 전체 피드 양의 1 내지 3wt% 정도를 차지하였으며 적은 양의 수소, 메탄, 에탄, 그리고 아세틸렌 등을 함유하고 있었다.
- 전환율이 다소 높았다. 열분해시 발생되는 가스 성분의 경우 실험조건에 따라 전체 피드 양의 1 내지 3wt% 정도를 차지하였으며 적은 양의 수소, 메탄, 에탄, 그리고 아세틸렌 등을 함유하고 있었다.
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