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설폰화 활성탄 촉매를 이용한 솔비톨의 아이소소바이드로의 탈수반응
Selective Dehydration of Sorbitol to Isosorbide over Sulfonated Activated Carbon Catalyst 원문보기

Korean chemical engineering research = 화학공학, v.51 no.2, 2013년, pp.189 - 194  

강효윤 (한국화학연구원 바이오리파이너리 연구그룹) ,  황동원 (한국화학연구원 바이오리파이너리 연구그룹) ,  황영규 (한국화학연구원 바이오리파이너리 연구그룹) ,  황진수 (한국화학연구원 바이오리파이너리 연구그룹) ,  장종산 (한국화학연구원 바이오리파이너리 연구그룹)

초록
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불균일계 고체산 촉매인 설폰기(Sulfonyl Group) 함유 활성탄 촉매를 이용하여 솔비톨(Sorbitol)의 아이소소바이드로(Isosorbide)의 탈수반응을 수행하였다. 설폰화 반응(Sulfonation)에 의해 제조된 설폰화 활성탄 물질에 대해 대표적인 상업용 산촉매인 설폰화 지르코니아(Sulfated $ZrO_2$)와 산성 이온교환수지 Amberlyst-36과 솔비톨 탈수반응의 촉매활성을 비교하였다. 설폰화 활성탄 촉매를 이용하여 423.15 K에서 솔비톨의 탈수 반응 결과, 100% 솔비톨 전환율과 52% 아이소소바이드 선택도를 얻었다. 설폰화 활성탄은 낮은 설폰기 농도(0.5 mmol/g)에도 불구하고 높은 표면적으로 인해 423.15 K에서 Amberlyst-36과 유사한 솔비톨 탈수 반응 특성을 보이며, Amberlyst-36 대비 473.15 K 이상 고온에서도 안정한 특성을 보이는 고체산 촉매로 판단되었다. 또한, 솔비톨 탈수반응 결과를 바탕으로 반응과 생성물의 분리를 동시에 할 수 있는 반응증류 공정에 설폰화 활성탄 촉매를 적용한 결과, 기존 황산 공정 대비 2배 이상 빠른 반응시간에 단위 설폰산 농도 기준으로 4배 이상 높은 아이소소바이드 수율을 얻을 수 있었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

A sulfonated activated carbon (AC-$SO_3H$) was used as a solid acid catalyst for dehydration of sorbitol to isosorbide and its catalytic performance was compared with the commercial solid acid such as acidic ion exchange resin, Amberlyst-36, and sulfated copper oxide. The catalytic perfor...

주제어

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문제 정의

  • 상업용 공정의 이러한 문제점을 극복하기 위해 본 연구에서는 고온에서 안정하고 반응성이 우수한 설폰화 활성탄을 고체산 촉매로 이용하여 솔비톨 탈수 반응 증류 실험을 수행하였다. 이러한 반응 증류 공정을 도입하는 경우, 황산 촉매를 사용하여 솔비톨 탈수 반응 후 증류하는 2단계 공정 대비 공정 단순화 효과와 함께 아이소소바이드의 변성을 막아 최종적으로 아이소소바이드 수율의 향상 효과를 기대할 수 있다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
솔비톨은 탈수반응을 통해 어떤 물질로 전환될 수 있는가? 미국 DOE(Department of Energy)에서는 바이오리파이너리로부터 유용한 바이오화학 제품을 생산하기 위한 12개의 중요한 플랫폼(Platform) 중간체를 제시하였는데 포도당의 수소화 반응으로 얻을 수 있는 솔비톨은 그 중 하나이다[3]. Scheme 1과 같이, 솔비톨은 탈수반응을 통해 무수물 형태의 헥시탄(Hexitan)인 1,4-솔비탄(1,4-Sorbitan), 2,5-솔비탄(2,5-Sorbitan), 그리고 헥사이드(Hexide)인 아이소소바이드로 전환될 수 있다[4]. 이들 화합물 중에서 아이소소바이드는 의약품 중간체와 바이오플라스틱 합성용 단량체로 유용하게 쓰일 수 있다.
솔비톨의 탈수반응으로 균일계 산촉매사용시 나타나는 문제점은? 일반적으로 아이소소바이드는 균일계 산촉매인 황산, 질산, 인산 등을 이용한 솔비톨의 탈수반응으로부터 합성할 수 있다[7-9]. 그러나, 균일계 촉매를 이용한 전환 공정은 촉매활성은 높은데 반해 반응기의 부식 문제와 반응 후 촉매와 생성물의 분리 문제 때문에 고체산의 불균일계 촉매공정으로 대체하려는 연구가 그린화학의 주요 연구주제가 되어왔다[10,11].
솔비톨은 어떻게 얻을 수 있는가? 최근 재생가능한 탄소자원으로서 바이오매스 원료로부터 생물학적, 화학적 전환과정을 거쳐 산업용 화학제품, 연료, 에너지 및 소재를 생산할 수 있는 바이오리파이너리(Biorefinery) 개념이 주목을 받고 있다[3]. 미국 DOE(Department of Energy)에서는 바이오리파이너리로부터 유용한 바이오화학 제품을 생산하기 위한 12개의 중요한 플랫폼(Platform) 중간체를 제시하였는데 포도당의 수소화 반응으로 얻을 수 있는 솔비톨은 그 중 하나이다[3]. Scheme 1과 같이, 솔비톨은 탈수반응을 통해 무수물 형태의 헥시탄(Hexitan)인 1,4-솔비탄(1,4-Sorbitan), 2,5-솔비탄(2,5-Sorbitan), 그리고 헥사이드(Hexide)인 아이소소바이드로 전환될 수 있다[4].
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참고문헌 (26)

  1. Chheda, J. N., Huber, G. W. and Dumesic, J. A., "Liquid-Phase Catalytic Processing of Biomass-Derived Oxygenated Hydrocarbons to Fuels and Chemicals," Angew. Chem.-Int. Edit., 46, 7164-7183(2007). 

  2. Hubber, G. W. and Corma, A., "Synergies Between Bio- and Oil Refineries for the Production of Fuels from Biomass," Angew. Chem.-Int. Edit., 46, 7184-7201(2007). 

  3. Demirbas, A., "Biorefineries: Current Activities and Future Developments," Energy Convers. Manage., 50, 2782-2801(2009). 

  4. Pacific Morthwest National Laboratory (PNNL) and National Renewable Energy Laboratory (NREL), Report: Top Value Added Chemicals from Biomass. Volume: Results of Screening for Potential Candidates from Sugars and Synthesis Gas(2004). 

  5. Liu, A. G. and Luckett, C., "Sorbitol Conversion Process," US Patent 7,982,059(2008). 

  6. Gohil, R. M., "Properties and Strain Hardening Character of Polyethylene Terephthalate Containing Isosorbide," Polym. Eng. Sci., 49, 544-553(2009). 

  7. Bhatia, K. K., "Continuous Process for the Manufacture of Anhydro Sugar Alcohols and Reactor Useful Therefor," US patent 6,407,266 B2(2002). 

  8. Fleche, G. and Huchette, M., "Isosorbide. Preparation, Properties and Chemistry," Starch, 38, 26-30(1986). 

  9. Hartmann, L. A., "Separation of Hexitan," US patent 3,484,459 (1969). 

  10. Holladay, J. E., Hu, J., Wang, Y., Werpy, Y. A. and Zhang, X., "Method of Forming a Dianhydrosugar Alcohol," US patent 7,649,099 A1(2007). 

  11. Fuertes, P., "Method for Preparing a Composition Containing at Least One Internal Dehydration Product for a Hydrogenated Sugar," US patent 8008477 A1(2008). 

  12. Kurszewska, M., Skorupowa, E., Madaj, J., Konitz, A., Wojnowski, W. and Wisniewski, A., "The Solvent-free Thermal Dehydration of Hexitols on Zeolites," Carbohydr. Res., 337, 1261-1268 (2009). 

  13. Moore, K. M. and Sanborn, A. J., "Process for the Production of Anhydrosugar Alcohols," US patent 6,849,748 B2(2005). 

  14. Khan, N. A., Mishra, D. K., Hwang, J.-S., Kwak, Y.-W. and Jhung, S. H., "Liquid-phase Dehydration of Sorbitol Under Microwave Irradiation in the Presence of Acidic Resin Catalysts," Res. Chem. Intermed., 37, 1231-1238(2011). 

  15. Gu, M., Yu, D. H., Zhang, H., Sun, P. and Huang, H., "Metal (IV) Phosphates as Solid Catalysts for Selective Dehydration of Sorbitol to Isosorbide," Catal. Lett., 133, 214-220(2009). 

  16. Tang, Z. C., Yu, D. H., Sun, P., Li, H. and Huang, H., "Phosphoric Acid Modified $NB_2O_5$ : A Selective and Reusable Catalyst for Dehydration of Sorbitol to Isosorbide," Bull. Korean Chem. Soc., 12, 3679-3683(2010). 

  17. Xia, J. J., Yu, D., Hu, Y., Zou, B., Sun, P., Li, H. and Huang, H., "Sulfated Copper Oxide: An Efficient Catalyst for Dehydration of Sorbitol to Isosorbide," Catal. Commun., 12, 544-547(2011). 

  18. Sun, P., Yu, D. H., Hu, Y., Tang, Z. C., Xia, J. J., Li, H. and Huang, H., " $H_3PW_{12}O_{40}/SiO_2$ for Sorbitol Dehydration to Isosorbide: High Efficient and Reusable Solid Acid Catalyst," Korean J. Chem. Eng., 28, 99-105(2011). 

  19. Yamaguchi, A., Hiyoshi, N., Sato, O. and Shirai, M., "Sorbitol Dehydration in High Temperature Liquid Water," Green Chem., 13, 873-881(2011). 

  20. Hara, M., Yoshida, T., Takagaki, A., Takata, T., Kondo, J. N., Hayashi, S. and Domen, K., "A Carbon Material as a Strong Protonic Acid," Angew. Chem. Int. Ed., 43, 2955-2958(2004). 

  21. Xunhua, M., Edgar, L., Changqing, L., Yijun, L. and James, G. G., "A Novel Sulfonated Carbon Composite Solid Acid Catalyst for Biodiesel Synthesis," Catal. Lett., 123, 1-6 (2008). 

  22. Khayoon, M. S. and Hameed, B. H., "Acetylation of Glycerol to Biofuel Additives over Sulfated Activated Carbon Catalyst," Bioresour. Technol., 102, 9229-9235(2011). 

  23. Hara, M., "Biodiesel Production by Amorphous Carbon Bearing $O_3H$ , COOH and Phenolic OH Groups, a Solid Bronsted Acid Catalyst," Top. Catal., 53, 805-810(2010). 

  24. Hasan, Z., Hwang, J.-S. and Jhung, S. H., "Liquid-phase Dehydration of 1-phenylethanol to Stylene over Sulfonated D-glucose catalyst," Cat. Commun., 26, 30-33(2012). 

  25. Okamura, M., Takagaki, A., Toda, M., Kondo, J. N., Domen, K., Tatsumi, T., Hara, M. and Hayashi, S., "Acid-catalyzed Reactions on Flexible Polycylic Aromatic Carbon in Amorphous Carbon," Chem. Mater., 18, 3039-3045(2006). 

  26. Steven, X. S. and Ronald, A. K., "Activation of Sulfated Zirconia Catalysts Effect of Water Content on Their Activity in n-Butane Isomerization," J. Chem. Soc., 94, 1333-1338(1998). 

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