선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 5 그러나 최근의 석유 자원 고갈이라는 중대한 문제에 직면함에 따라 국제원유가격이 배럴당 $100에 근접하게 되었고, 원유가격의 상승은 폐플라스틱의 재활용 또는 자원화를 자원의 재순환이라는 점에서 다시 크게 주목할 만한 과제로 부각시키고 있다.본 연구는 폐플라스틱의 재활용 방법 중 하나인 열분해기술의 개발에 중점을 두었으며, 특히 액체 생성물의 수율이 큰 저온열분해기술의 개발에 역점을 두었다. 폐플라스틱의 저온 열분해 공정의 장점은 에너지원으로 이용할 수 있는 양질의 생성물을 회수할 수 있다는 것과 2차 환경오염을 감소시킬 수 있다는 것이다.
- 본 연구에서는LDPE(low density polyethylene), LLDPE(linear low density polyethylene) 및 HDPE(high density polyethylene) 의 세가지 시료에 대한 저온열분해 액화 특성을 규명하기 위하여, 우선 TGA를 이용하여 상기 세가지 시료에 대한 열분해 특성을 고찰하여 보았으며, 염조(salt bath)를 이용하여 연속식 열분해공정과 유사한 반응조건을 유지시키면서 세가지 PEA] 대한 반응시간 및 반응온도에 따른 전환율 및 각종 수율들을 측정하였다. 이렇게 측정된 세 가지 PE의 전환율 및 수율들은 HDPE에 대한 Yu 등18 연구자료와 LDPE에 대한 Park 등의19 연구자료와 함께 비교한 후 반응온도 및 반응시간이 LDPE, LLDPE 및 HDPE의 저온 열분해 전환율 및 수율에 미치는 영향을 종합적으로 분석 .
제안 방법
- 실험방법. 각각의 시료들의 열분해 특성을 해석하기 위해 반응온도를 각각 425, 450, 475, 500℃, 반응시간을 각각 35, 50, 65분으로 설정하여 실험하였다. 실험에 들어가기에 앞서 염조의 온도를 반응온도까지 미리 가열시킨 후 시료 10g 가량을 2개의 미분 반응기에 각각 5 g씩 넣고 캡 (cap)을 잠근 다음, 거치대에 고정시키고 진동기를 1500 rpm으로 작동시킨 후 미분반응기를 염조에 담그고 목표 시간 동안 반응을 진행시켰다.
- 그 결과 용융염이 흘러 넘치게 되어 안전사고의 위험이 있으므로 혼합염의 초기 가열시 세심한 주의가 요구된다. 따라서 용융염은 혼합 염을 소량씩 첨가하여 기포를 충분히 발생시킨 후 다시 첨가하는 방식으로 제조하였다.
- 실험장치. 본 연구에 사용된 장치는 미분반응기, 염3, 수조, 진동기 및 응축기 등으로 구성되어 있으며 가열 및 냉각시간을 최소한으로 줄이고 소량의 시료로도 반응특성을 쉽게 알 수 있도록 Figure 1 과 같이 설계하였다. 실험시 반응온도까지 상승시키는데 걸리는 시간은 약 10초 정도이며 반응온도에서 상온까지 낮추는데 걸리는 시간은 45초 정도가 소요되었다.
- 열분해 완료 후 생성된 액체성분의 증류 특성을 확인하기 위해 175 ℃ 의 실리콘오일조와 265, 360 ℃의 염조를 순서대로 배열하고, 생성된 액체 성분이 들어있는 시험관을 먼저 175 ℃의 실리콘오일조에서 20 분간 증류시킨 후 무게를 측정하였다 초기 생성물이 들어있는 시험관 무게에서 각 단계별 측정한 무게를 순차적으로 빼내어 감량된 무게를 각각의 액체 생성물의 양으로 하였다. Table 1 에 한국석유품질검사소에서 고시한 증류온도에 따른 분류기준을 나타내었다.
- 따른 전환율 및 각종 수율들을 측정하였다. 이렇게 측정된 세 가지 PE의 전환율 및 수율들은 HDPE에 대한 Yu 등18 연구자료와 LDPE에 대한 Park 등의19 연구자료와 함께 비교한 후 반응온도 및 반응시간이 LDPE, LLDPE 및 HDPE의 저온 열분해 전환율 및 수율에 미치는 영향을 종합적으로 분석 . 검토 하였다.
대상 데이터
- HDPE 시료는 삼성종합화학(주) 에서 제조한 F120A (0.956 g/cm3, MI=0.044)로서 회백색을 띠는 원통형 모양으로 시료 하나의 무게는 약 16~18mg 정도 되었다.
- 사용하였다. LDPE 시료는 (주)LG화학에서 제조한 Lutene MB9205(0.91 6 g/cm3 at 23℃, MI=24)로서 회백색을 띠는 구형 모양으로 시료 하나의 무게는 약 37-42 mg이었다
- LLDPE 시료는 한화석유화학(주) 에서 제조한 LLDPE 7635(0.924 g/cm3, MI=20)로서 회백색의 일반형 모양으로 시료 하나의 무게는 19-27 mg이었다.
- 미분반응기의 재질은 S.S. 316을 사용하였으며 2개를 제작하였고 용적은 각기 30 mL이고 미분반응기의 내부온도를 측정하기 위하여 외경 3 mm의 K type 열전대를 설치하였다. 미분반응기의 상세한 제원을 Figure 2에 나타내었다.
- 4 mm 두께의 단열재를 사용하여 열 손실을 방지하였고 온도 제어기를 부착하였다. 사용된 염은 KN6 55.8 wt% 와 Ca(NO3)2 44.2 wt%의 혼합 용융염이며, 최초 가열시는 130~ 150 ℃의 온도에서 결정수의 방출로 기포 발생이 매우 심하였다. 그 결과 용융염이 흘러 넘치게 되어 안전사고의 위험이 있으므로 혼합염의 초기 가열시 세심한 주의가 요구된다.
- 시료 본 연구에서 사용한 LDPE, LLDPE 및 HDPE의 시료는 미분 반응기의 크기를 고려하여 직경이 3~5 mm의 것을 사용하였다. LDPE 시료는 (주)LG화학에서 제조한 Lutene MB9205(0.
- 캠 (cam) 을 사용하였다. 실험시 미분반응기의 상하진폭은 12 mm, 좌우진폭은 10 mm 정도가 되었다. 열분해 반응시 진동기는 시료 상호간의 균일한 열전달과 반응기 내부의 온도 구배를 최소화하기 위해 실험이 종료될 때까지 1500 rpm의 속도로 일정하게 유지하였다.
성능/효과
- 반응온도별로 수율을 살펴보면 425 ℃에서 450 ℃ 사이에서 수율이 평균 8 wt% 이상 급격히 증가하고 그 이상의 반응온도에서는, 시료에 따라 서서히 감소하거나 일정한 상태를 유지하는 것으로 나타난다. 즉 HDPE의 경우에는 475 ℃ 이후에는 일정함을 유지하였으나 LDPE와 LLDPE의 경우에는 반응온도와 시간이 증가함에 따라 감소하는 모습을 보여주었다 이 같은 결과를 통해 폴리에틸렌을 열분해할 때 가솔린의 수율을 향상시키기 위해서는 450 "O게서 65분 정도를 반응시키는 것이 가장 이상적이라는 사실을 알 수 있다.
- 이 그림을 통해 가열속도가 증가함에 따라 높은 온도에서 열분해가 시작된다는 사실을 확인할 수 있었고, 이러한 결과는 폴리에틸렌이 열분해할 때 축열과정을 거치게 되고 가열속도가 증가할수록 플라스틱의 축열속도를 능가하게 되어 분해반응이 시작되는 온도가 높아진다는 기존의 연구결과와 일치하는 것을 확인할 수 있었다.20 그리고 세 가지 시료가 동일한 온도에서 열분해가 일어나지 않았지만 이와 같은 결과로 세 가지 시료 모두 최소한 400 ℃ 이상에서 열분해 반응이 시작된다는 사실을 알 수 있었고 이 결과를 바탕으로 실험조건을 설정할 수 있었다.
- 안정적인 단계에 진입하였다. 90 wt% 이상의 전환율을 얻기 위해서는 반응온도 475 ℃, 반응시간 50분 이상을 유지해야 하고 휘발유, 등유 등의 오일성분의 수율을 높이기 위해서는 450 ℃, 반응시간 65분이 최적의 조건으로 판단되었다.
- 등유 . 경유 수율의 결과로 볼 때 폴리에틸렌의 열분해 시 오일 성분의 수율을 높이기 위해서는 최소한 빈응온도 450 ℃ 이상, 반응온도 65분을 유지시켜야 한다는 시실을 알 수 있다.
- 또한 반응시간과 괸계없이 모든 시료가 425 "C에서는 경유의 수율이 0 wt%로 나타났다. 경유의 수율은 475 ℃에서 가장 많은 수율을 보였고 그 양은 등유 수율의 두 배가 넘는 30 ± 1 wt%였다. 이상의 얻어진 가솔린 .
- 그러나 다른 시료들이나 다른 반응온도에서는 가솔린 수율과 마찬가지로 450 ℃, 65분에서 가장 큰 수율이 발생했고 475 ℃ 이후의 온도에서는 수율의 변화가 거의 없었다. 그리고 450 ℃에서 등유 성분의 수율이 빈응시간에 가장 민감하게 영향을 받는 것을 알 수 있으겨이 결과로 가솔린과 등유의 수율을 향상시키기 위해서는 450 ℃, 반응시간 65분이 최적이라는 것을 알 수 있다.
- 임을 확인 하였다. 그리고 가열속도가 증가할수록 분해반응이 시작되는 온도가 증가하였다. 반응기내에서 열분해 되는 순서는 TGA분석 결과와 거의 일치하는 결과를 보여주었다.
- 둘째 폴리에틸렌은 450 ℃ 이상의 온도에서 열분해 반응이 활발하게 진행되며 적어도 반응온도가 475 ℃ 이상은 되어야 열분해 반응이 안정적인 단계에 진입하였다. 90 wt% 이상의 전환율을 얻기 위해서는 반응온도 475 ℃, 반응시간 50분 이상을 유지해야 하고 휘발유, 등유 등의 오일성분의 수율을 높이기 위해서는 450 ℃, 반응시간 65분이 최적의 조건으로 판단되었다.
- 셋째 활성온도인 450 ℃ 이하에서는 반응시간에 따른 수율 변화가 컸으나 그 이상의 온도에서는 반응시간에 따른 전환율과 수율 변화가 매우 적었다. 따라서 실제 폴리에틸렌의 열분해에서 주요 반응인 자는 반응시간보다는 반응온도인 것으로 판단된다.
- 반응시간에 대한 가스수율의 변화는 HDPE, LDPE 및 LLDPE 모두 450 ℃ 이하에서는 반응시간이 길수록 가스수율이 증가하지만 450 ℃ 이상에서는 반응시간의 영향이 거의 없는 것으로나타난다. 위의 결과를 종합해 볼 때 가스수율은 열분해 초기온도인 425 ℃에서부터 활성온도인 450 ℃ 사이에서는 반응시간에 따라 영향을 받지만 그 이후의 온도에서는 반응시간의 영항이 미약하다고 판단된다.
- 응축기는 Pyrex시험관 2개를 이용하여 첫 번째 응축기에는 약 18-20 ℃의 물을 순환시키고, 두 번째 응축기는 냉동장치를 설치하여 10 ℃ 이하의 물을 순환시켰는데, 실제 두 번째 응축기에서 응축되는 휘발분의 양은 거의 없었으며 본 연구에 제시된 오일회수 측정자료는 첫 번째 응축기의 응축량을 기초로 한 것들이다 또한 미분 반응기와 첫 번째 응축기를 연결시켜주는 관에 가열테이프를 설 치하여관 내부에서 응축이 일어나는 것을 방지하였다.
- 450 ℃ 에서 반응시간의 변화에 따라 가장 큰 전환율의 편차를 보여 주었고, 475 ℃ 이상에서는 시간에 따른 편차는 거의 나타나지 않았지만 세 가지 시료 모두 90 wt% 정도의 전환율을 나타냈다. 이 결과는 다시 말해 450 ℃ 이상의 온도에서 열분해 반응이 활발하게 진행되며 적어도 반응온도가 475 ℃ 이상은 되어야 열분해 반응이 안정적인 단계에 진입한다는 것을 의미한다 전반적인 그래프의 경향을 살펴보면 반응온도 425 ℃, 65분간의 전환율은 LDPE는 20.5 wt%, LLDPE는 8.4 wt%, HDPE는 4.5 wt%이었다. 이것은 LDPE는 열분해 반응이 본격적으로 시작됨을 의미하지만 HDPE의 경우에는 거의 반응이 진행되지 않았음을 의미한다.
- 나타낸 것이다. 이 그림을 통해 LDPE가 가장 낮은 온도에 서열분해가 시작되지만 분해되는 속도는 다른 시료들에 비해 비교적 느린 것을 확인할 수 있고, LLDPE와 HDPE는 열분해가 시작되는 온도는 거의 같지만 온도가 증가함에 따라서 LLDPE가 더 빠른 속도로 분해되는 것을 알 수 있다.
- Figure 3은 사용된 시료들의 가열속도변화에 따른 TGA 결과를 나타낸 것이다. 이 그림을 통해 가열속도가 증가함에 따라 높은 온도에서 열분해가 시작된다는 사실을 확인할 수 있었고, 이러한 결과는 폴리에틸렌이 열분해할 때 축열과정을 거치게 되고 가열속도가 증가할수록 플라스틱의 축열속도를 능가하게 되어 분해반응이 시작되는 온도가 높아진다는 기존의 연구결과와 일치하는 것을 확인할 수 있었다.20 그리고 세 가지 시료가 동일한 온도에서 열분해가 일어나지 않았지만 이와 같은 결과로 세 가지 시료 모두 최소한 400 ℃ 이상에서 열분해 반응이 시작된다는 사실을 알 수 있었고 이 결과를 바탕으로 실험조건을 설정할 수 있었다.
- 이것은 LDPE는 열분해 반응이 본격적으로 시작됨을 의미하지만 HDPE의 경우에는 거의 반응이 진행되지 않았음을 의미한다. 이와 같은 결과를 통해 폴리에틸렌을 열분해하여 90 wt% 이상의 전환율을 얻기 위해서는 475 ℃ 이상에서 50분 이상 열분해를 시켜야 한다는 것을 알 수 있다.
- 첫째 폴리에틸렌 시료들의 TGA 분석 결과 열분해 순서는 LDPE> LLDPE>HDPE 임을 확인 하였다. 그리고 가열속도가 증가할수록 분해반응이 시작되는 온도가 증가하였다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.