[논문]고정화 산성 이온성 액체 촉매와 금속염화물 촉매를 이용한 셀룰로우스의 5-HMF로의 직접 전환 연구

박용범; 최재형; 임한권; 우희철

doi:10.7464/ksct.2014.20.2.108

[국내논문] 고정화 산성 이온성 액체 촉매와 금속염화물 촉매를 이용한 셀룰로우스의 5-HMF로의 직접 전환 연구
Direct Conversion for the Production of 5-HMF from Cellulose over Immobilized Acidic Ionic Liquid Catalyst with Metal Chloride 원문보기

청정기술 = Clean technology, v.20 no.2, 2014년, pp.108 - 115

박용범 (부경대학교 화학공학과) , 최재형 (부경대학교 화학공학과) , 임한권 (대구가톨릭대학교 화학시스템공학과) , 우희철 (부경대학교 화학공학과)

초록
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셀룰로우스(cellulose)를 5-히드록시메틸푸르푸랄(5-hydroxymethylfurfural, 5-HMF)로 직접 전환하기 위해 이온성 액체 용매하에서 다양한 금속염화물과 산 촉매를 비교 연구하였다. 사용한 금속염화물은 Sn(II), Zn(II), Al(III), Fe(III), Cu(II), Cr(III)를 포함한 염화물을 비교하였으며 산 촉매는 산성 이온성 액체를 고정화하여 사용하였다. 비교를 위하여 $H_2SO_4$, HCl, Amberlyst-15와 DOWEX50x8을 사용하였다. 제조한 촉매의 산도와 산 밀도 특성은 Hammett Indicator 지시약을 통하여 분석하였다. 5-HMF의 선택도 및 수율은 반응온도, 반응시간과 촉매 비를 통하여 확인하였다. 사용한 촉매들 중에서 5-HMF의 선택도는 $CrCl_3-6H_2O$와 $SiO_2-[ASBI]HSO_4$를 사용하였을 때에 가장 높게 나타났으며, 상용화 고체 산인 Amberlyst-15와 DOWEX50x8에 비하여 활성이 높다는 것을 확인할 수 있었다. 5-HMF의 선택도는 산 촉매의 산도와 반응에 사용된 촉매비에 영향이 있음을 확인할 수 있었으며, 반응 중 재수화 반응이 일어나 레불린산(levulinic acid)이 생성된다는 것을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Various metal chlorides and acid catalysts in ionic liquid solvent were investigated to directly convert cellulose into 5-hydroxymethylfurfural (5-HMF). Metal chlorides containing Sn(II), Zn(II), Al(III), Fe(III), Cu(II), and Cr(III) were used and acidic ionic liquid immobilized on silica gel as an acid catalyst and commercial acid catalysts (sulfuric acid, chloric acid, Amberlyst-15,DOWEX50x8) were used for comparison studies. The acid strength and amount of acid catalysts were probed with Hammett indicator. The selectivity and yield of 5-HMF were determined with reaction temperature, reaction time and catalyst ratio. A catalyst containing $CrCl_3-6H_2O$ and $SiO_2-[ASBI]HSO_4$ showed the highest selectivity and it was found that this catalyst had higher activity than commercial solid acid catalysts such as Amberlyst-15 and DOWEX50x8. The selectivity of 5-HMF appeared to be mainly dependent on the acid strength and catalyst ratio, it was found that levulinic acid was produced from 5-HMF by rehydration.

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문제 정의

더욱이 산 촉매의 경우 반응기를 부식시키거나 폐수를 발생시킨다는 문제점도 지니고 있다. 이 연구에서는 친환경적이고 촉매를 재사용하기 위하여 불균일계 산 촉매인 Amberlyst-15, DOWEX50x8과 산성 이온성 액체를 고정화한 촉매를 제조 및 사용하여 셀룰로우스의 5-HMF로의 직접 전환반응을 수행하여 보였다. 이온성 액체는 거대 양이온과 음이온으로 이루어진 액체로 양이온과 음이온에 따른 다양한 특성(산성, 염기성, 소수성, 친수성, 선택적 반응의 가능성)과 넓은 응용성(반응용매, 반응촉매 등)으로 인해 다양한 반응에 활용할 수 있는 물질이다[15].
이온성 액체는 거대 양이온과 음이온으로 이루어진 액체로 양이온과 음이온에 따른 다양한 특성(산성, 염기성, 소수성, 친수성, 선택적 반응의 가능성)과 넓은 응용성(반응용매, 반응촉매 등)으로 인해 다양한 반응에 활용할 수 있는 물질이다[15]. 본 연구에서는 다양한 산성 작용기와 음이온이 포함된 고정화산성 이온성 액체 촉매를 제조하고, 이 촉매가 셀룰로우스의 5-HMF 직접전환에 미치는 영향을 평가하였다. 또한, 무기산 H₂SO₄, HCl와 상용화 고체산 Amberlyst-15, DOWEX50x8를 대조군으로 선정하여 촉매 성능을 비교하였다.

제안 방법

본 연구에서는 다양한 산성 작용기와 음이온이 포함된 고정화산성 이온성 액체 촉매를 제조하고, 이 촉매가 셀룰로우스의 5-HMF 직접전환에 미치는 영향을 평가하였다. 또한, 무기산 H₂SO₄, HCl와 상용화 고체산 Amberlyst-15, DOWEX50x8를 대조군으로 선정하여 촉매 성능을 비교하였다.
각 촉매의 산 밀도는 Hammett indicator 지시약 1.5 mL와 벤젠 유기용매 4.5 mL를 혼합한 용액에 촉매 0.1 g을 분산시켰으며 2.6 N n-부틸아민(n-butylamine)으로 적정하였다. 촉매가 분산된 용액의 색이 Hammett indicator 지시약의 염기성으로 변할 때까지 적정하였으며 하기식으로부터 제조 촉매의 산 밀도를 계산하였다[17].
6 N n-부틸아민(n-butylamine)으로 적정하였다. 촉매가 분산된 용액의 색이 Hammett indicator 지시약의 염기성으로 변할 때까지 적정하였으며 하기식으로부터 제조 촉매의 산 밀도를 계산하였다[17].
5-HMF로의 직접 전환 반응을 위한 반응장치는 Radleys사에서 제조한 carousel 12 plus reaction station의 45 mL 용량의 유리 튜브 반응기에서 수행하였다. 반응기 내부에 반응용매 1.96 g, 셀룰로우스 0.10 g, 금속염화물 촉매와 산 촉매 각각 0.02, 0.01 g을 넣고 반응시간과 반응온도에 따라서 마그네틱 바로 교반하여 실험을 수행하였다. 반응기의 온도가 목표 온도에 도달하였을 때부터 반응을 시작하는 시점이라 설정하였다.
반응 후에는 반응기를 상온으로 냉각하였으며 얻어진 반응물을 고성능 액체크로마토그래피(high performance liquid chromatography, HPLC, Shimadzu LC-20A)에 주입하여 5-HMF 및 부생성물의 수율을 분석하였다. 반응 후의 고체 잔여물은 증류수로 여러 번 세척 및 건조시킨 후 셀룰로우스의 전환율을 계산하였다. 셀룰로우스로부터 생성되는 수율, 셀룰로우스의 전환율, 생성물의 선택도는 하기식으로부터 계산하였다.
셀룰로우스의 5-HMF 직접 전환에서 다양한 산 촉매와 금속염화물 촉매를 사용하여 5-HMF의 수율에 미치는 영향을 평가하였다. Table 2에서는 전이금속을 포함하는 금속염화물과 SiO2-[ASBI]HSO4을 함께 사용하여 5-HMF의 수율 결과이다.
Figure 3은 셀룰로우스의 5-HMF 직접 전환 반응에서 4가지 형태의 촉매종류가 생성물에 어떠한 영향을 미치는지에 대한 결과를 나타내고 있다. 반응에 사용한 촉매의 종류는 먼저 이온성 액체 용매인 [BMIM]Cl를 단독으로 사용한 경우, [BMIM]Cl와 CrCl₃-6H₂O를 동시에 사용한 경우, [BMIM]Cl와 SiO₂-[ASBI]HSO₄를 동시에 사용한 경우 및 [BMIM]Cl, CrCl₃-6H₂O와 SiO₂-[ASBI]HSO₄를 동시에 사용한 형태로 나누었다. 첫 번째로 [BMIM]Cl 이온성 액체만을 사용할 때, 셀룰로우스의 전환율은 33.
실리카겔에 담지된 산성 이온성 액체와 금속염화물 촉매를 이용하여 셀룰로우스의 5-HMF 직접 전환반응을 수행한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다. CrCl₃-6H₂O와 SiO₂-[ASBI]HSO₄ 촉매를 동시에 사용하였을 때 높게 나타났으며, 특히 403 k, 2시간 동안 반응시킨 결과, 5-HMF 수율은 40%로 높게 나타내었다.
반응기의 온도가 목표 온도에 도달하였을 때부터 반응을 시작하는 시점이라 설정하였다. 반응 후에는 반응기를 상온으로 냉각하였으며 얻어진 반응물을 고성능 액체크로마토그래피(high performance liquid chromatography, HPLC, Shimadzu LC-20A)에 주입하여 5-HMF 및 부생성물의 수율을 분석하였다. 반응 후의 고체 잔여물은 증류수로 여러 번 세척 및 건조시킨 후 셀룰로우스의 전환율을 계산하였다.

대상 데이터

고정화 산성 이온성 액체 촉매 제조를 위해 사용된 시약으로는 Merck사의 실리카겔 60 (0.063~0.200 mm)과 Sigma-Aldrich의 순도 95%의 3-멜캄토프로필-트리메톡시실란(3-mercapto-propyl trimethoxysilane, 3-MPS), 99% 1,4-부탄술톤(1,4-butane sultone), Alfa사의 순도 99% 1-알릴이미다졸(1-allylimidazole), 삼전화학의 순도 99% 염화티오닐(thionyl chloride), 99.7% 아세톤, 99.5% 디에틸에테르(diethylether), JUNSEI사의 순도 98% 진한황산, 99.5% 톨루엔(toluene), 98% 아조비스이소부틸니트릴(azobisobutyronitrile, AIBN)를 사용하였다. 5-HMF 전환을 위한 반응물질과 반응용매는 Sigma-Aldrich사에서 99% 셀룰로우스와 98% [BMIM]Cl을 구입하였으며, 금속염화물 촉매로는 98%의 염화(II)주석(SnCl₂), 염화(II)아연(ZnCl₂), 염화(II)구리(CuCl₂)와 95%의 염화(III)알루미늄(AlCl₃), 97%의 염화(III)철(FeCl₃)은 JUNSEI에서 구입하였으며, 99%의 염화(III)인듐(InCl₃), 염화(II)크롬(CrCl₂), 염화(III)크롬(CrCl₃)과 염화(III)크롬 육수화물(CrCl₃-6H₂O)은 Sigma-Aldrich에서 구입하였다.
5% 톨루엔(toluene), 98% 아조비스이소부틸니트릴(azobisobutyronitrile, AIBN)를 사용하였다. 5-HMF 전환을 위한 반응물질과 반응용매는 Sigma-Aldrich사에서 99% 셀룰로우스와 98% [BMIM]Cl을 구입하였으며, 금속염화물 촉매로는 98%의 염화(II)주석(SnCl₂), 염화(II)아연(ZnCl₂), 염화(II)구리(CuCl₂)와 95%의 염화(III)알루미늄(AlCl₃), 97%의 염화(III)철(FeCl₃)은 JUNSEI에서 구입하였으며, 99%의 염화(III)인듐(InCl₃), 염화(II)크롬(CrCl₂), 염화(III)크롬(CrCl₃)과 염화(III)크롬 육수화물(CrCl₃-6H₂O)은 Sigma-Aldrich에서 구입하였다.
제조된 고정화 산성 이온성 액체 촉매가 지니는 산도 및 산 밀도는 Hammett indicator를 통하여 결정하였다. 본 실험에 사용한 Hammett indicator 지시약의 종류는 2-nitroaniline(pKa =-0.2), 4-nitrophenylamine(pKa = -2.4), 2,4-dichloro-6-nitroaniline (pKa = -3.2), 2,4-dinitroaniline(pKa = -5.6)과 chalcone(pKa = 5.6)을 사용하였다. Hammett indicator 지시약 0.

이론/모형

제조된 고정화 산성 이온성 액체 촉매가 지니는 산도 및 산 밀도는 Hammett indicator를 통하여 결정하였다. 본 실험에 사용한 Hammett indicator 지시약의 종류는 2-nitroaniline(pKa =-0.
반응 후의 고체 잔여물은 증류수로 여러 번 세척 및 건조시킨 후 셀룰로우스의 전환율을 계산하였다. 셀룰로우스로부터 생성되는 수율, 셀룰로우스의 전환율, 생성물의 선택도는 하기식으로부터 계산하였다.
제조 촉매의 산도는 Hammtt indicator 적정을 통하여 측정하였는데 pKa 범위는 -5.6 < pKa <-4.4로 확인하였다.
Figure 7에서는 본 연구에서 사용된 각각의 용매 및 촉매가 셀룰로우스의 5-HMF 직접 전환반응 메커니즘을 나타내었다. 가수분해 반응에 의해 셀룰로우스가 지니는 1,4-글리코시드결합이 깨지게 된다.

성능/효과

2 범위의 pKa 값을 확인할 수 있었다. 각 촉매의 산 밀도를 계산한 결과, 고정화 산성 이온성 액체 촉매는 4종류 모두 3.54~4.35 mmol/g 범위의 산 밀도를 확인할 수 있었다. Amberlyst-15 촉매는 4.
35 mmol/g 범위의 산 밀도를 확인할 수 있었다. Amberlyst-15 촉매는 4.62 mmol/g, DOWEX50x8은 1.99 mmol/g의 산 밀도를 확인하였으며, 제조 촉매가 Amberlyst-15와 DOWEX50x8보다 높은 산도를 지니고 있음을 확인할 수 있었다.
반응실험 결과, Cr(III), Cr(II), Al(III), In(III), Cu(II), Sn(II), Zn(II)의 금속이온을 포함한 촉매순서로 5-HMF 수율이 높다는 것을 확인하였으며, 그 중 크롬을 포함하는 염화물에서 가장 높은 활성을 보였다. 이는 크롬 이온이 피라노스(pyranose)형태의 글루코오스를 퓨라노스(furanose) 형태의 프룩토오스로 전환시키는데 가장 낮은 활성화 에너지를 지닌다는 사실과 부합한다[18].
Figure 2는 다양한 산 촉매에 따른 생성물의 수율의 결과이다. 제조한 고정화 산성 이온성 액체 촉매 4종에 대하여 모두 63.2~64.4%의 전환율과 55.6~60.9%의 5-HMF 선택도를 확인할 수 있다. 고정화 산성 이온성 액체 촉매를 각각 비교하면 HSO₄ 음이온이 TfO 음이온보다 높은 활성을 보였으며, 브뢴스테드 산을 보이는 SO₃H 작용기가 루이스 산을 나타내는 SO₂Cl 작용기보다 높은 활성을 나타냈다.
9%의 5-HMF 선택도를 확인할 수 있다. 고정화 산성 이온성 액체 촉매를 각각 비교하면 HSO₄ 음이온이 TfO 음이온보다 높은 활성을 보였으며, 브뢴스테드 산을 보이는 SO₃H 작용기가 루이스 산을 나타내는 SO₂Cl 작용기보다 높은 활성을 나타냈다. 무기산인 염산을 사용할 경우 불균일계 산 촉매에 비하여 셀룰로우스의 전환율은 높게 나타난 반면에 5-HMF의 선택도는 낮게 나타났다.
고정화 산성 이온성 액체 촉매를 각각 비교하면 HSO₄ 음이온이 TfO 음이온보다 높은 활성을 보였으며, 브뢴스테드 산을 보이는 SO₃H 작용기가 루이스 산을 나타내는 SO₂Cl 작용기보다 높은 활성을 나타냈다. 무기산인 염산을 사용할 경우 불균일계 산 촉매에 비하여 셀룰로우스의 전환율은 높게 나타난 반면에 5-HMF의 선택도는 낮게 나타났다. 염산과 같은 균일계 산 촉매는 반응계 내에서 분자 수준에서 반응이 일어나기 때문에 셀룰로우스의 전환율은 높으나 선택적으로 5-HMF를 전환하기에는 어려움이 있다.
염산과 같은 균일계 산 촉매는 반응계 내에서 분자 수준에서 반응이 일어나기 때문에 셀룰로우스의 전환율은 높으나 선택적으로 5-HMF를 전환하기에는 어려움이 있다. 상용으로 사용되는 불균일계 산 촉매인 Amberlyst-15는 고정화 산성 이온성 액체 촉매에 비하여 낮은 5-HMF의 선택도를 보였으나, 레불린산의 선택도가 높은 것으로 보아 5-HMF의 재수화 반응에 영향을 끼치는 것으로 판단된다. DOWEX50x8은 약 57.
상용으로 사용되는 불균일계 산 촉매인 Amberlyst-15는 고정화 산성 이온성 액체 촉매에 비하여 낮은 5-HMF의 선택도를 보였으나, 레불린산의 선택도가 높은 것으로 보아 5-HMF의 재수화 반응에 영향을 끼치는 것으로 판단된다. DOWEX50x8은 약 57.1%로 고정화 산성 이온성 액체 촉매를 사용할 경우와 비슷한 5-HMF 선택도를 나타냈으나 셀룰로우스의 전환율이 52.0%로 낮음을 보였다. 이를 통해 셀룰로우스로부터 5-HMF가 선택적으로 높게 전환되기 위해서는 사용되는 산 촉매의 적절한 산도 범위가 중요하다고 사료된다.
반응에 사용한 촉매의 종류는 먼저 이온성 액체 용매인 [BMIM]Cl를 단독으로 사용한 경우, [BMIM]Cl와 CrCl₃-6H₂O를 동시에 사용한 경우, [BMIM]Cl와 SiO₂-[ASBI]HSO₄를 동시에 사용한 경우 및 [BMIM]Cl, CrCl₃-6H₂O와 SiO₂-[ASBI]HSO₄를 동시에 사용한 형태로 나누었다. 첫 번째로 [BMIM]Cl 이온성 액체만을 사용할 때, 셀룰로우스의 전환율은 33.0%였고 글루코오스와 5-HMF가 각각 10.6, 4.0%로 낮게 생성되었다. 이는 [BMIM]Cl가 반응의 촉매적 기능보다 셀룰로우스를 용해시키는 용매로서의 기능으로만 작용한다는 것을 알 수 있다.
반응용매 [BMIM]Cl 하에서 금속염화물계 촉매인 CrCl₃-6H₂O를 첨가하여 사용하였을 때, 셀룰로우스의 전환율은 46.0%로 증가하였으며 그와 동시에 5-HMF의 수율도 17.2%로 증가하는 경향을 보였다. 이는 CrCl₃-6H₂O가 셀룰로우스로부터 5-HMF를 직접 전환하는 데 촉매로 작용하는 것으로 판단된다.
마지막으로, 두 촉매를 동시에 사용할 경우 5-HMF의 수율은 40%로써 단독으로 사용한 경우보다 크게 증가하였다. 이는 SiO2-[ASBI]HSO4를 사용함으로써 셀룰로우스의 전환율과 글루코오스의 수율이 증가하고 그와 동시에 CrCl₃-6H₂O를 통해 생성된 글루코오스가 5-HMF로 전환되어 수율이 증가하는 것으로 판단된다.
의 촉매하에서의 반응온도에 따른 셀룰로우스의 전환율 및 생성물의 변화를 나타내고 있다. 반응온도가 증가할수록 셀룰로우스의 전환율이 31.0에서 74.0%로 증가하였고 5-HMF의 선택도도 373에서 403 K까지 11.6에서 60.9%로 증가하였다. 그러나 413 K 의 반응온도에서는 5-HMF의 선택도가 47.
9%로 증가하였다. 그러나 413 K 의 반응온도에서는 5-HMF의 선택도가 47.4%로 감소하는 경향을 알 수 있는데 이는 레불린산의 선택도가 22.3에서 38.7%만큼 급격한 증가에 의한 것으로 판단되며, 403 K 보다 높은 반응온도에서는 셀룰로우스의 5-HMF로 직접 전환보다 5-HMF의 재수화 반응의 활성이 높아져 레불린산으로 전환되는 것이라 사료된다.
촉매하에서의 반응시간에 따른 셀룰로우스의 전환율 및 생성물의 변화 결과이다. 반응시간이 증가할수록 셀룰로우스의 전환율이 57.0에서 78.0%로 증가하는 경향을 보이나 5-HMF의 선택도는 2시간에서 60.9%로 나타난 후 2시간 이후부터 44.1%로 감소한다는 것을 알 수 있었다. 그와 동시에 레불린산의 선택도는 18.
1%로 감소한다는 것을 알 수 있었다. 그와 동시에 레불린산의 선택도는 18.6에서 38.6%까지 지속적으로 증가하는 경향을 보였다. 이는 셀룰로우스의 5-HMF 직접전환 반응이 연속적으로 일어나는 반응이므로 반응시간이 증가할수록 연속반응의 최종산물인 레불린산의 선택도가 증가하였다고 사료되며, 셀루로우스로부터 5-HMF의 높은 선택도를 얻기 위해서는 적정한 반응시간이 필요하다는 것을 알 수 있다.
6%까지 지속적으로 증가하는 경향을 보였다. 이는 셀룰로우스의 5-HMF 직접전환 반응이 연속적으로 일어나는 반응이므로 반응시간이 증가할수록 연속반응의 최종산물인 레불린산의 선택도가 증가하였다고 사료되며, 셀루로우스로부터 5-HMF의 높은 선택도를 얻기 위해서는 적정한 반응시간이 필요하다는 것을 알 수 있다.
의 중량비에 따른 전환율 및 생성물의 변화 결과이다. 먼저 CrCl₃-6H₂O와 SiO₂-[ASBI]HSO₄ 중량비 50 : 50 비율일 때 5-HMF의 선택도가 60.9%로 가장 높게 나타났다. 또한 단독으로 CrCl₃-6H₂O와 SiO₂-[ASBI] HSO₄를 사용한 경우보다 동시에 사용하였을 때 5-HMF의 선택도가 높다는 것을 알 수 있다.
9%로 가장 높게 나타났다. 또한 단독으로 CrCl₃-6H₂O와 SiO₂-[ASBI] HSO₄를 사용한 경우보다 동시에 사용하였을 때 5-HMF의 선택도가 높다는 것을 알 수 있다. 그러나 SiO₂-[ASBI]HSO₄의 촉매 중량비가 50 이상일 때 레불린산의 선택도가 증가하였으며, 이는 SiO₂-[ASBI]HSO₄가 지니는 강산성으로 인해 5-HMF가 레불린산으로 전환되는 것이라 판단된다.
실리카겔에 담지된 산성 이온성 액체와 금속염화물 촉매를 이용하여 셀룰로우스의 5-HMF 직접 전환반응을 수행한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다. CrCl₃-6H₂O와 SiO₂-[ASBI]HSO₄ 촉매를 동시에 사용하였을 때 높게 나타났으며, 특히 403 k, 2시간 동안 반응시킨 결과, 5-HMF 수율은 40%로 높게 나타내었다. 본 연구에서 사용된 촉매 반응계에서 Cr(III)을 포함한 CrCl₃-6H₂O 금속염화물에서 가장 높은 활성을 보였으며, 제조한 촉매가 상용화 촉매인 무기산(H₂SO₄, HCl)과 불균일계 산촉매(Amberlyst-15, DOWEX50x8)에 비하여 선택적으로 높은 활성을 보인다는 것을 알 수 있었다.
CrCl₃-6H₂O와 SiO₂-[ASBI]HSO₄ 촉매를 동시에 사용하였을 때 높게 나타났으며, 특히 403 k, 2시간 동안 반응시킨 결과, 5-HMF 수율은 40%로 높게 나타내었다. 본 연구에서 사용된 촉매 반응계에서 Cr(III)을 포함한 CrCl₃-6H₂O 금속염화물에서 가장 높은 활성을 보였으며, 제조한 촉매가 상용화 촉매인 무기산(H₂SO₄, HCl)과 불균일계 산촉매(Amberlyst-15, DOWEX50x8)에 비하여 선택적으로 높은 활성을 보인다는 것을 알 수 있었다. 산 촉매에 따른 5-HMF의 수율은 촉매가 지니는 산도에 따라서 선택적으로 5-HMF가 전환됨과 동시에 5-HMF의 재수화 반응을 일으켜 레불린산으로 전환되는 것을 확인하였다.
본 연구에서 사용된 촉매 반응계에서 Cr(III)을 포함한 CrCl₃-6H₂O 금속염화물에서 가장 높은 활성을 보였으며, 제조한 촉매가 상용화 촉매인 무기산(H₂SO₄, HCl)과 불균일계 산촉매(Amberlyst-15, DOWEX50x8)에 비하여 선택적으로 높은 활성을 보인다는 것을 알 수 있었다. 산 촉매에 따른 5-HMF의 수율은 촉매가 지니는 산도에 따라서 선택적으로 5-HMF가 전환됨과 동시에 5-HMF의 재수화 반응을 일으켜 레불린산으로 전환되는 것을 확인하였다.
반응 이후 반응용매에 불균일계로 존재하는 SiO₂-[ASBI]HSO₄ 촉매는 필터링을 통하여 회수하고 건조시킨 후 재사용하였다. 5회까지 사용한 결과 촉매의 활성이 약 17.5% 감소되었으며 이는 술폰산(SO₃H) 작용기를 지닌 고정화 산성 이온성 액체 촉매의 반응활성이 크게 감소되지 않고 유지될 수 있으며, 재사용이 가능하다는 것을 알 수 있다. 더욱이 이와 같은 특성을 지닌 고정화 산성 이온성 액체 촉매가 다양한 반응에서 활용될 수 있음을 보인다[25-28].

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	셀룰로우스가 에너지, 연료 및 화학물질로 전환하기에 바람직한 물질인 이유는?	그러나 사탕수수나 옥수수 등의 농작물은 인류를 위한 식량이므로 목재, 간벌재, 건축과 공장폐재, 혹은 볏짚과 보릿짚 등 식량과 경쟁하지 않는 폐기물계 바이오매스를 에너지 자원으로 이용하는 것이 더 바람직하다고 할 수 있다[4]. 이러한 점에서 셀룰로우스는 2세대 바이오매스인 목질계의 주요 구성성분으로써 매우 풍부하고 인류의 식량으로 바로 이용할 수 없는 물질이기 때문에 에너지, 연료 및 화학물질로 전환하기에 바람직한 물질이다[5]. 셀룰로우스는 단위체인 글루코오스가 1,4-글리코시딕 결합(1,4-glyosidic bond)과 수소결합으로 이루어진 안정한 고분자 물질로써 생물학적 또는 열화학적 방법을 통한 기초화학원료로의 전환이 어려우며, 셀룰로우스의 분해도 어렵게 한다.
	이온성 액체는 무엇인가?	이 연구에서는 친환경적이고 촉매를 재사용하기 위하여 불균일계 산 촉매인 Amberlyst-15, DOWEX50x8과 산성 이온성 액체를 고정화한 촉매를 제조 및 사용하여 셀룰로우스의 5-HMF로의 직접 전환 반응을 수행하여 보였다. 이온성 액체는 거대 양이온과 음이 온으로 이루어진 액체로 양이온과 음이온에 따른 다양한 특성(산성, 염기성, 소수성, 친수성, 선택적 반응의 가능성)과 넓은 응용성(반응용매, 반응촉매 등)으로 인해 다양한 반응에 활용할 수 있는 물질이다[15]. 본 연구에서는 다양한 산성 작용기와 음이온이 포함된 고정화산성 이온성 액체 촉매를 제조하고, 이 촉매가 셀룰로우스의 5-HMF 직접전환에 미치는 영향을 평가하였다.
	셀룰로우스의 전처리 공정이 필요한 이유는?	이러한 점에서 셀룰로우스는 2세대 바이오매스인 목질계의 주요 구성성분으로써 매우 풍부하고 인류의 식량으로 바로 이용할 수 없는 물질이기 때문에 에너지, 연료 및 화학물질로 전환하기에 바람직한 물질이다[5]. 셀룰로우스는 단위체인 글루코오스가 1,4-글리코시딕 결합(1,4-glyosidic bond)과 수소결합으로 이루어진 안정한 고분자 물질로써 생물학적 또는 열화학적 방법을 통한 기초화학원료로의 전환이 어려우며, 셀룰로우스의 분해도 어렵게 한다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 분쇄, 용해, 산, 알칼리 처리 등과 같은 다양한 전처리 방법이 연구되고 있다.

참고문헌 (29)

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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