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초임계메탄올을 이용한 PET의 분해
Depolymerization of Polyethylene Terephthalate with Supercritical Methanol 원문보기

청정기술 = Clean technology, v.13 no.1 = no.36, 2007년, pp.46 - 53  

안재명 (영남대학교 공과대학 디스플레이화학공학부) ,  임방현 (영남대학교 공과대학 디스플레이화학공학부) ,  김선욱 (울산대학교 공과대학 생명화학공학부) ,  심재진 (영남대학교 공과대학 디스플레이화학공학부)

초록
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본 연구에서는 초임계메탄올 내에서 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)의 분해실험을 하여 반응조건에 따른 디메틸테레프탈레이트(DMT)의 수율변화를 살펴보았다. $240^{\circ}C$이하의 아임계상태에서는 수율이 50% 정도로 매우 낮았지만, 초임계상태인 $260^{\circ}C$이상에서는 80%로 급격히 증가하였으며, 그 이상의 온도에서는 증가속도가 크게 둔화되었다. 압력에 대해서도 아임계상태인 6.89 MPa에서는 DMT의 수율이 50% 정도로 매우 낮았으나 초임계상태인 10.34 MPa에서는 85%로 급격히 증가하였고, 그 이상의 압력에서는 거의 변하지 않았다. 반응 시작 후 10분 안에 수율이 80%에 이르러 상당 부분의 반응이 진행되었으며, 그 이후에는 서서히 수율이 증가하였다. 메탄올/PET의 비는 미미하나마 8에서 최고 수율값을 나타냈다. 따라서 최적반응조건은 온도 $300^{\circ}C$, 압력 10.34 MPa, 반응시간 40분, 메탄올/PET의 비 8임을 알 수 있었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

We depolymerized PET in supercritical methanol and observed the yield of DMT at various reaction conditions. At subcritical state below $240^{\circ}C$, the yield of DMT was very low, about only 50%. It increased dramatically to 80% at supercritical state above $260^{\circ}C$, t...

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

  • Zhang et al.[l이은 초임계메탄올(임계온도 240.1 ℃, 임계압력 8.09 MPa) 을 이용하여 poly( trimethylene terephthalate) (PTT)> 분해하여 DMT를 얻는 연구를 하였다. 그들은 340℃, 14.
  • 고분자분해실험은 batch실험장치 (Figure 3)를 사용하여 온도(220~320℃), 압력(6.9 ~ 20.7 MPa), 메탄올/PET무게비 (4 ~ 16), 반응시간(10 ~ 60 min.)의 조건하에서 수행하였다. 반응기 안에는 100 mesh의 철망으로 만든 tray를 4개 넣어서 PET의 분해반응시 메탄올이 더 쉽게 침투할 수 있도록 하였다.
  • 여기서 걸러진 고체생성물에는 미량의 EG 가 포함되어 있을 수 있기 때문에 증류수로 다시 한 번 세척하여 EG를 씻어낸 후에 오븐에 넣어서 건조시킨다. 후 nuclear magnetic resonance (NMR) (Bruker, DPX 300), infrared (IR) spectrometer (JASCO, FT/IR 5300)을 이용하여 분석하였으며, 액체생성물은 gas chromatography (GC) (Donam Instruments, DS6200)와 GC-Mass spectrometry (Hewlett packard, 597IA)를 이용하여 분석하였다. GC 분석조건은 Table 5와 같다.
  • 이 중에서 가장 많이 사용되는 분해법은 hydrolysis[5, 6]와 methanolysis[4, 5]로서, PET를 아주 순수하게 분해하기 때문에 PET의 원료물질인 terephtalic acid(TA), dimethyl terephthalate(DMT), ethylene glycol(EG) 등을 그대로 회수할 수 있다는 장점이 있다. 그래서 본 연구에서는 methanolysis와 hydrolysis보다 더 비용을 절감할 수 있으며 환경친화적 공정인 초임계 methanol PET 분해 방법을 채택하였다.
  • 이 됨을 알 수 있다. 다른 생성물도 같은 방법으로 수율을 계산하였다.
  • 메탄올/PET비의 변화에 따른 DMT 수율의 변화를 알아보기 위하여 압력을 13.79 MPa, 온도를 300℃, 반응시간을 30분으로 고정하고, 메탄올/PET비를 4, 8, 12, 16으로 변화시켜가면서 반응시켰다. 그 실험결과 얻은 데이터와 그래프는 각각 Table 9와 Figure 11에 나타내었다.
  • 반응 후 얻어진 고체생성물은 IR, NMR, GC를 이용하여 분석하였으며, Aldrich사의 표준물질과 비교하여 보았다. 생성물이 DMT인지 확인하기 위해 IR분석을 한 결과 표준물질과 생성물의 특성 peak가 모두 일치하는 것을 볼 수 있었다 (Figure 5).
  • )의 조건하에서 수행하였다. 반응기 안에는 100 mesh의 철망으로 만든 tray를 4개 넣어서 PET의 분해반응시 메탄올이 더 쉽게 침투할 수 있도록 하였다. 장치에 관련된 부품들의 규격은 Table 4에 나타내었다.
  • 반응이 종결된 후 얻어진 생성물에는 DMT, methyl 2-hydroxyethyl terephthalate (MHET), bis-hydroxyethyl terephthalate (BHET) 등이 포함되어 있어서 생성물질의 분석은 Figure 4 에 보인 과정으로 행하였다. 반응기에서 생성물을 받아 내어 냉각을 시키고, filter paper를 통과시켜 고체생성물과 액체생성물로 분리한다.
  • 본 연구에서는 여러가지 분해방법 중에서 반응이 잘 일어나는 초임계메탄올을 이용한 PET분해법을 선택하여, 압력, 시간, 온도, 메탄올/PET 비에 따른 PET 분해반응의 수율 변화를 측정하고 이를 분석하였다.
  • [l기의 결과와 거의 일치하는 것을 확인할 수 있었다. 본 연구에서는 추가로 아임계조건인 220 ~ 240℃ 조건에서도 PET분해실험을 수행하였다. 그 결과 아임계 조건에서는 DMT 수율이 절반에도 못 미치는 것을 확인할 수 있었다(Figure 8).
  • 생성물의 종류를 확인하기 위해 GC-Mass를 이용하였으며, 액체생성물을 정량분석하기 위해 GC를 이용하였다. GC 분석조건은 Table 5에 나타냈고, GC분석에서 얻은 GC Chromatogram 은 Figure 7에 나타냈다.
  • 시간에 따른 수율의 변화를 알아보기 위하여 압력을 13.79 MPa, 온도를 300℃, 메탄올/PET비를 16으로 두고 시간을 10 ~ 60분까지 10분 간격으로 변화시켜 가면서 반응시켰다. 실험결과 얻은 데이터와 그래프는 각각 Table 8과 Figure 10 에 나타내었다.
  • 압력에 따른 수율의 변화를 알아보기 위하여 온도를 30 O°c, 시간을 30분, 메탄올/PET비를 16으로 두고, 압력을 6.89 ~ 20.68 MPa 내에서 3.45 MPa간격으로 변화시켜 가면서 반응시켰다. 실험결과 얻은 데이터와 그래프는 각각 Table 7과 Figure 9에 나타내었다.
  • 온도에 따른 수율의 변화를 알아보기 위하여 압력을 13.79 MPa, 시간을 30분, 메탄올/PET비를 16으로 두고 온도를 220~320”C까지 20℃간격으로 변화시켜 가면서 반응시켰다. 실험 결과로 얻은 데이터와 그래프는 각각 Table 6과 Figure 8에 나타내었다.

대상 데이터

  • Aldrich로부터 순수한 메탄올(99.9%)을 구입하여 임계온도, 임계압력 이상의 초임계유체로 사용하였으며, 분해할 폐 고분자로는 시중에서 유통되고 있는 PET병을 선택하였으며, 그중에서 내열성을 가진 HR급을 사용하였다. 실험에 사용된 PET의 분자구조 및 DSC thermogram을 각각 Figure 1-2 에나타내었고, PET의 특징은 Table 3에 나타내었다.
  • 이 중에서 DMT는 초임계 메탄올을 이용하여 분해할 때 일어나는 주반응 생성물질이고, DMT, MHET, BHET, DMT이량체는 부반응 생성물질이다. 표준 DMT는 Aldrich에서 구입하여 정제하지 않고 사용하였다.
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