폐플라스틱을 오일로 전환하기 위하여 귀금속이 담지된 촉매를 사용하여 촉매 분해반응을 연구 하였다. 제조된 촉매의 결정 구조, 결정형태, 접촉분해 후 생성물의 분포를 알고자 XRD, SEM, GC/MSD 등의 분석을 시행하였다. 접촉분해 반응은 열분해반응에 비해서 저온에서 일어나며, 열분해생성물이 $C_1\simC_4$의 가스상이 대부분인데 비해, 액상화합물이 많아 휘발유 생성에 유리한 면이 있다. 접촉 분해반응결과 휘발유 성분이 많이 생성되었다. 귀금속이 담지된 촉매중 Pt-zeolite 촉매가 $340^{\circ}C$에서 $C_5\simC_{11}$ 근처의 휘발유 성상의 생성물 분포가 가장 많이 나타났으며, $340^{\circ}C$ 이상부터는 폐플라스틱(PE, PP, ABS)에 대해서 접촉 분해반응 전환율이 약 70% 이상인 것으로 나타났다.
폐플라스틱을 오일로 전환하기 위하여 귀금속이 담지된 촉매를 사용하여 촉매 분해반응을 연구 하였다. 제조된 촉매의 결정 구조, 결정형태, 접촉분해 후 생성물의 분포를 알고자 XRD, SEM, GC/MSD 등의 분석을 시행하였다. 접촉분해 반응은 열분해반응에 비해서 저온에서 일어나며, 열분해생성물이 $C_1\simC_4$의 가스상이 대부분인데 비해, 액상화합물이 많아 휘발유 생성에 유리한 면이 있다. 접촉 분해반응결과 휘발유 성분이 많이 생성되었다. 귀금속이 담지된 촉매중 Pt-zeolite 촉매가 $340^{\circ}C$에서 $C_5\simC_{11}$ 근처의 휘발유 성상의 생성물 분포가 가장 많이 나타났으며, $340^{\circ}C$ 이상부터는 폐플라스틱(PE, PP, ABS)에 대해서 접촉 분해반응 전환율이 약 70% 이상인 것으로 나타났다.
Catalytic dissociation reaction was studied in order to transform waste plastics to oil by using noble metal supported catalysts. XRD, SEM, and GC/MSD analysis were performed to find the crystalline structure and shape, and product distribution. Generally, dissociation reaction occurs at low tempera...
Catalytic dissociation reaction was studied in order to transform waste plastics to oil by using noble metal supported catalysts. XRD, SEM, and GC/MSD analysis were performed to find the crystalline structure and shape, and product distribution. Generally, dissociation reaction occurs at low temperature compared to pyrolysis. Dissociation reaction has advantage of gasoline yield with respect to pyrolysis which products mainly $C_1\simC_4$. The result of dissociation reaction, gasoline was obtained much as a product. $C_5\simC_{11}$ compounds were produced as a gasoline product on Pt-zeolite among noble metal catalysts at $340^{\circ}C$. The conversion of dissociation reaction of waste plastics on the prepared catalyst was above 70% over $340^{\circ}C$.
Catalytic dissociation reaction was studied in order to transform waste plastics to oil by using noble metal supported catalysts. XRD, SEM, and GC/MSD analysis were performed to find the crystalline structure and shape, and product distribution. Generally, dissociation reaction occurs at low temperature compared to pyrolysis. Dissociation reaction has advantage of gasoline yield with respect to pyrolysis which products mainly $C_1\simC_4$. The result of dissociation reaction, gasoline was obtained much as a product. $C_5\simC_{11}$ compounds were produced as a gasoline product on Pt-zeolite among noble metal catalysts at $340^{\circ}C$. The conversion of dissociation reaction of waste plastics on the prepared catalyst was above 70% over $340^{\circ}C$.
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문제 정의
또한 접촉분해반응은 열분해 반응에서 사용되는 가열에너지 보다 적은 에너지를 이용하여 가열을 해주며 분해 반응을 일으키는 촉매를 사용하며, 촉매로는 제올라이트를 많이 사용한다.5 이에 본 연구에서는 간접열분해와 화학적 접촉 촉매인 제올라이트에 귀금속이 담지된 촉매을 이용하여 폐플라스틱을 경유로 전환하는 전환 수율에 대한 연구를 하였다. 폐플라스틱으로 PE (polyethylene), PP (polypropylene), ABS와 이들의 1:1:1 혼합물을 사용하여 접촉분해 반응 실험을 수행하였다.
제안 방법
이렇게 생성된 촉매는 원심분리기에서 10,000 rpm 으로 30분동안 원심분리시켜 상등액은 버리고 분리된 촉매를 증류수로 세척하고 여과하여 건조기에서 120 ℃에서 12시간동안 건조한 후 소성로에서 500 ℃에서 3시간동안 소성하여 얻었다. Pd-Zeolite, Ru-Zeolite, Zn-Zeolite, Ir-Zeolite 도 동일한 방법을 거쳐서 제조하였고, 폐플라스틱(PE, PP, ABS)과 폐플라스틱 혼합물(PE:PP:ABS=1:1:1)을 사용하여 온도변화에 따른 분해 효율을 알아보았다.
촉매 분해 후 생성물의 분포를 알아보고자 GC/MS 분석을 시행하였다. 또한 제조한 촉매의 온도에 대한 폐플라스틱 분해효율을 알아보고자 접촉반응 실험을 온도별로 실시하였다.
본 연구에서는 규산나트륨 용액과 알루민산나트륨 (NaAlO2)을 몰비 1:1로 테프론 반응기에 넣고 여기에 염화백금산을 알루민산나트륨 대비 1 wt%를 첨가하고 소듐하이드록사이드를 알루민산나트륨의 2배의 중량비로 넣고 물을 알루민산의 중량비로 10배가 되도록 첨가하고 염산을 소듐하이드록사이드의 1 wt%가되도록 첨가한다. 상온에서 1시간 이상 500 rpm 이상으로 교반하여 준 다음 80~300 ℃의 온도에서 오토클레이브내에서 9시간 동안 수열합성법으로 폐플라스틱 분해 촉매를 합성하였다.
GC/MS는 Agilent사의 Alilent 6890/5973i GC/MSD를 이용하여 분석하였다. 시료는 Chloroform으로 용해시켜 분석하였고, 분석범위는 40~500 m/Hz이며, 투입구의 온도는 270 ℃ 이고, 검출온도는 280 ℃이다. 초기 50 ℃까지의 승온 시간은 1 min이며, 10 ℃/min으로 승온하여 270 ℃에서 20 min간 측정하였다.
1에 lab scale용 분해 반응기를 나타내었다. 온도 조절기를 통하여 반응온도를 승온하면서 그때에 배출되는 배출가스를 응축기를 통하여 응축시킨 후이것을 기상과 액상 상태의 생성물을 GC/MS로 분석 하여 생성물 분포를 측정하였다. GC/MS는 Agilent사의 Alilent 6890/5973i GC/MSD를 이용하여 분석하였다.
제조된 촉매의 결정 구조를 파악하기 위하여 XRD (X-ray diffraction) 분석을 시행하였고, 결정형태를 알아보고자 SEM (Field Emission-SEM) 분석을 행하였다. 촉매 분해 후 생성물의 분포를 알아보고자 GC/MS 분석을 시행하였다.
제조된 촉매의 결정 구조를 파악하기 위하여 XRD (X-ray diffraction) 분석을 시행하였고, 결정형태를 알아보고자 SEM (Field Emission-SEM) 분석을 행하였다. 촉매 분해 후 생성물의 분포를 알아보고자 GC/MS 분석을 시행하였다. 또한 제조한 촉매의 온도에 대한 폐플라스틱 분해효율을 알아보고자 접촉반응 실험을 온도별로 실시하였다.
5 이에 본 연구에서는 간접열분해와 화학적 접촉 촉매인 제올라이트에 귀금속이 담지된 촉매을 이용하여 폐플라스틱을 경유로 전환하는 전환 수율에 대한 연구를 하였다. 폐플라스틱으로 PE (polyethylene), PP (polypropylene), ABS와 이들의 1:1:1 혼합물을 사용하여 접촉분해 반응 실험을 수행하였다.
대상 데이터
온도 조절기를 통하여 반응온도를 승온하면서 그때에 배출되는 배출가스를 응축기를 통하여 응축시킨 후이것을 기상과 액상 상태의 생성물을 GC/MS로 분석 하여 생성물 분포를 측정하였다. GC/MS는 Agilent사의 Alilent 6890/5973i GC/MSD를 이용하여 분석하였다. 시료는 Chloroform으로 용해시켜 분석하였고, 분석범위는 40~500 m/Hz이며, 투입구의 온도는 270 ℃ 이고, 검출온도는 280 ℃이다.
성능/효과
1. 폐플라스틱을 사용하여 촉매분해 반응을 한 결과 Pt-zeolite 촉매가 가장 휘발유 유분(C5~C11)으로의 수율이 많은 것으로 나타났다.
2. 반응온도가 높을수록 저비점 성분이 주로 생성되었으며, 약 340 ℃에서 휘발유로의 수율이 높게 나타났다.
3. 340 ℃ 이상부터는 폐플라스틱(PE, PP, ABS)에 대해서 분해반응 전환율이 약 70% 이상인 것으로 나타났다.
4. 폐플라스틱중 PE의 분해성능이 가장 좋게 나타났으며, 낮은 온도인 310 ℃에서도 약 60% 정도의 전환율을 나타내었다.
15와 16은 Pt-zeolite 촉매를 사용하여 PE를 접촉분해하여 생성물중 액상을 GC/MS 로 분석하여 생성물 분포를 나타낸 것이다. GC/MS분석 결과 Ptzeolite 촉매를 이용한 PE접촉분해 실험결과 각 생성 물의 분해온도가 올라갈수록 저비점 성분의 분포가 많아지는 것을 볼 수 있으며 340 ℃구간에서 C5~C11근처의 휘발유 성상의 생성물 분포가 많은 것을 보여준다.
XRD 자료로 부터 Pt 금속은 주로 PtO와 PtO2 형태로 담지 되었으며, 제올라이트는 A형 제올라이트의 결정형태를 띠고 있었다. SEM 사진에 보는 것과 같이 제올라이트는 망상형 3차원 입체구조를 가지며 산소원자를 공유하는 등축입방정계 구조를 가지는 것으로 나타났다.
폐플라스틱 PE, PP, ABS중 폐 PE가 특히 Ptzeolite 촉매가 귀금속 함침 제올라이트 촉매중에서 가장 전환율이 좋았다. 특히 340 ℃에서 70% 이상의 높은 전환율을 나타내어 경질유분 생산에 매우 효과적일 것으로 판단된다. 하지만 전이금속이 들어간 Znzeolite 촉매는 분해성능이 다른 귀금속-zeolite 촉매에 비하여 매우 떨어짐을 확인할 수 있었다.
귀금속이 함침된 제올라이트 촉매는 280 ℃에서 부터 전환율이 약간씩 나타나기 시작하여 340 ℃ 이상부터 본격적으로 접촉 분해반응이 일어났다. 폐플라스틱 PE, PP, ABS중 폐 PE가 특히 Ptzeolite 촉매가 귀금속 함침 제올라이트 촉매중에서 가장 전환율이 좋았다. 특히 340 ℃에서 70% 이상의 높은 전환율을 나타내어 경질유분 생산에 매우 효과적일 것으로 판단된다.
특히 340 ℃에서 70% 이상의 높은 전환율을 나타내어 경질유분 생산에 매우 효과적일 것으로 판단된다. 하지만 전이금속이 들어간 Znzeolite 촉매는 분해성능이 다른 귀금속-zeolite 촉매에 비하여 매우 떨어짐을 확인할 수 있었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
플라스틱의 시초는?
플라스틱의 시초는 1868년 미국 하이엇이 상아로 된 당구공의 대용품으로 발명한 셀룰로이드가 세계 최초이다. 그 후 베이클랜드가 1909년 발명한 페놀포르말린 수지(베이클라이트)가 이를 대체하였으며, 그 후 높은 활용도와 사용의 편의성을 들어 현재에 이르기까지 높은 사용량을 보이고 있다.
유화반응의 특징은?
이중 유화반응으로 대표적인 화학적 재활용은 효율적인 처리 법으로 인해 각광을 받고 있다. 유화반응은 고체 상태인 고분자를 산소가 없는 상태에서 가열하여 고분자주쇄의 탄소-탄소 결합에 대한 일련의 절단(분해)반응을 통하여 저분자량화 하여 액상 탄화수소를 얻는 것을 특징으로 한다.4
유화반응의 대표적인 반응은 무엇인가요?
대표적인 반응으로 열분해반응과 접촉분해반응이 있다. 그중 열분해 안에는 직접열분해와 간접열분해가 존재하는데 직접열분해는 가스화를 목적으로 하여 공정이 이루어지며, 간접열분해의 경우 오일회수를 목적으로 공정이 이루어진다.
참고문헌 (5)
통계청, '08년도 폐플라스틱 재활용 현황 (2008).
J. Brandrup "Recyclingand Recobery of Plastics", Hanser Publishers, 1996.
J. Sheirs, "Polymer Recycling", John Wiley & Sons, 1998.
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