초록 ▼

개발 목적 및 필요성
동·식물 유지 폐자원은 저가의 유지 자원을 고가로 활용할 수 있는 재생가능자원이다. 우리나라에는 약 80만 톤의 동·식물 폐자원이 발생하고 있으나 그 중 약 15만 톤은 바이오 디젤용도로 재활용 되고 있으며, 나머지는 저가의 발전용 및 산업용 연료로 사용되거나 매립 또는 소각되고 있는 실정으로 이들을 고부가가치의 물질로 전환하여 활용하는 연구는 매우 필요하다. 본 연구에서는 동·식물 유지 폐기물, 지방산 폐기물, 식물유 제조 공정 탈산 폐기물 및 바이오 디젤 공정 폐기물을 사용하여 차세대 에코 플라스틱 소

개발 목적 및 필요성
동·식물 유지 폐자원은 저가의 유지 자원을 고가로 활용할 수 있는 재생가능자원이다. 우리나라에는 약 80만 톤의 동·식물 폐자원이 발생하고 있으나 그 중 약 15만 톤은 바이오 디젤용도로 재활용 되고 있으며, 나머지는 저가의 발전용 및 산업용 연료로 사용되거나 매립 또는 소각되고 있는 실정으로 이들을 고부가가치의 물질로 전환하여 활용하는 연구는 매우 필요하다. 본 연구에서는 동·식물 유지 폐기물, 지방산 폐기물, 식물유 제조 공정 탈산 폐기물 및 바이오 디젤 공정 폐기물을 사용하여 차세대 에코 플라스틱 소재를 제조하기 위한 모노머 및 폴리머로 재활용하는 자원순환기술을 개발하고자 한다.

연구개발결과
o 동·식물 유지 폐자원 전처리 공정
· 유지 폐자원 분석 : 폐자원 6종, 유지함량=61.8~96.5%, 전산가=~130 mgKOH/g
· 전처리 기술 개발 : 에스테르화 전처리, 포화/불포화 에스테르의 분리 정제 공정 확립
· 전처리 실증화 설비 구축 : 전처리 용량=12,960 톤/년, 유지함량=96%, 전산가=3.7 mgKOH/g
· 전처리 기술 확립 : 설계자료 도출, 설비 구축, 시운전 진행
o 지방산 메틸에스테르의 포화 및 불포화 분리 및 정제
· 실증화 구축 : 용량=2,250 톤/년, 순도=95.4%, 수율=62.7%, 전산가=0.8 mgKOH/g
· 실증화 설비 구축 : 분리 설비=-603, CT-603, MC-601~603,정제 설비=EA-601~603, C-608~12, HA-601~603, V-613~621, P-609~621
o 전환공정을 통한 단량체 (DAME) 중합 및 정제
· 합성 (파일럿 규모) : 전환율=~67.0%, 박막 증류를 통한 순도=94.8~97.0%
· 다이머산 메틸 에스테르 합성 (실증화 설비) : 중합 용량=2,550톤/년, 정제(증류)용량=1,320톤/년, 전환율(이량체 이상)=68%, 생성물 순도(DAME)=96.3%, 전산가=0.8 mgKOH/g
· R-604/TFE-601 DAME 중합 및 정제(증류) 실증화 설비 구축 : 설계자료 도출, 중합설비구축, 시운전 및 엔지니어링 Data 확립, 정제설비 기술 확립 및 엔지니어링 자료 도출
o 동·식물유 폐자원 활용 단량체 제조 : 불포화 지방산 메틸에스테르 공액화 반응, 다이머산 제조, 이염기산/트리염기산 제조, 이염기산/트리염기산 아크릴레이트 제조
· 공액 불포화 지방산 메틸에스테르 제조(500L 규모) : 수율=94%
· 다이머산 순도 97.0% (@220℃, 9.3^-2~9.2^-2 mbar), 수율 85% 이상
· 에스테르/에테르 폴리올 제조 : 분자량=1,142~2,237g/mol, OH가=32~136 mgKOH/g,
o 다이머산 제조용 나노촉매 제조 : 실리카 기반 나노촉매 제조 : 실리카 기반 Ca, Mg,Zn, Al 촉매 유효 성분의 조합에 따라 나노 촉매 제조
o 친환경 단량체를 포함한 고분자 및 블렌드의 물성 및 모폴로지 연구 : 다이머산 유도체의 PS 및 PMMA 비이온성 고분자와 상용성 확인 : 가소화능 T_g 40℃ 이상 감소
o 에스테르 폴리올 합성 : 다이머산 활용 에스테르 폴리올 합성 : 분자량 1,607 g/mol,분자량 분포 (Đ) 1.41
o 다이머산 아크릴레이트 단량체 합성 : 다이머산 2-히드록시에틸 메타아크릴레이트(DA-HEMA) 71% 수율로 합성, 트리염기산 아크릴레이트 합성 61% 수율로 합성
o 다이머산 활용 폴리우레탄 제조 : 폴리우레탄 10종 이상 합성 : 분자량 5,297~32,036g/mol, 연필경도 : HB~1H, 인장강도 : Yield strength 152~1,014 gf/mm²
o 방청제 함유 폴리우레탄 마이크로켑슐 제조 : 전환율 : 84% (NCO 함량 22%)
o 다이머산 활용 폴리에스테르 합성 : 3종합성 : 분자량 38,500~324,300 g/mol

성능사양 및 기술개발 수준
o 개발 제품의 성능 및 특징
· 유리 지방산의 함량에 영향을 받지 않는 연속 전처리 공정
· 고산가 동·식물 유지 전처리 (TAN 120~130 mgKOH/g 이상)
· 불포화도의 함량이 높아 저온유동성이 우수하여 친환경 용제, 친환경 가소제 등으로 다양하게 응용 가능
· 고순도 다이머산 메틸에스테르 제조 기술 개발 (DAME 순도 95% 이상)
· 저점도(100cP 이하 @25℃) 다이머산 메틸에스테르로 산업 적용에 편리함
· 세계 최초 다이머산 메틸에스테르 상용화 공정 확립 (실증화 규모)

활용계획
o 산/학/연으로 구성된 참여기관 및 유관 관련 산업 전문가들을 주축으로 “동·식물유 폐자원의 화학원료화 재활용 상용화기술 개발” 협의회를 구축하여 연구개발결과를 교류
o 해외의 기술동향 조사와 국제교류를 위해 과제 참여자들이 공동으로 해외의 시설을 견학하고, 기술수출 기반을 구축하고 국내 석유화학산업, 바이오화학 산업 및 정밀화학산업계와 지속적인 교류를 추진하며 국외 전문 연구기관과의 국제교류 확대 및 글로벌 연구 공조 체계 확보
o 기술개발 과정에서 얻어진 성과의 홍보를 위해 국내외의 관련 전시회에 적극 참여함으로써 조기 상용화 및 영업확대
o 개발된 연구제품을 페인트, 접착제, 잉크산업 및 농약산업 등 정밀화학산업 분야의 친환경 용제, 바이오플라스틱 모노머, 페인트/도료용 폴리아미드 수지 및 에폭시경화제 등의 플라스틱 가공에 사용되는 프탈레이트계 가소제 대체 친환경 가소제 등에 적용될 수 있도록 관련 기존 기업들과 협력하여 상용화 및 신규 시장 확대 추진

( 출처 : 요약서 3p )

Abstract ▼

Ⅳ. Results
This project for using FVO wastes have been carried out at the first phase (5 years). The detailed results are the following.

1. Pre-treatment process of FVO wastes
∘ Collection and analysis of FVO wastes
- Collection and analysis of 6 kinds of FVO wastes
- Fat contents

Ⅳ. Results
This project for using FVO wastes have been carried out at the first phase (5 years). The detailed results are the following.

1. Pre-treatment process of FVO wastes
∘ Collection and analysis of FVO wastes
- Collection and analysis of 6 kinds of FVO wastes
- Fat contents: 61.8－96.5%
- Total Acid Number (TAN): ~130 mg KOH/g

∘ Development of pre-treatment technique of FVO wastes
- Development of esterification pre-treatment and purification process of saturated/unsaturated ester

∘ Construction of test-bed pre-treatment facility of FVO wastes
- Capacity for pre-treatment: 12,960 tons/year
R-601: 7.2 tons(B) × 2 times/day × 300 days(a year)
R-602: 14.4 tons(B) × 2 times/day × 300 days(a year)
- Contents of fats and fatty oils: 96%
- TAN of purified fats and fatty oils: 3.7 mg KOH/g
- Build-up of centrifugal separator system (CT-601 and 602) for pre-treatment

∘ Establishment of the pre-treatment technique
- Engineering design data
- Pre-treatment facility
- Test-working of pre-treatment

2. Separation and purification of saturated/unsaturated fatty acid methyl ester
∘ Establishment of the separation and purification process of saturated/unsaturated fatty acid methyl ester
- Capacity for separation and purification: 2,550 tons/year
- Purity of unsaturation: 95.4%
- Yield: 62.7% (total yield: 76%)
- TAN: 0.8 mg KOH/g

∘ Construction of test-bed facility for separation and purification
- Separating facility: R-603, CT-603, MC-601~603
- Purifying facility: EA-601~603, C-608~12, HA-601~603, V-613~621, P-609~621

3. Purification and dimerization for DAME through conversion process
∘ Synthesis of dimer acid methyl ester (1L and 10L scale)
- Conversion by simple distillation after screening diverse catalysts: ~67.0%
- Purity of DAME by thin-film distillation: 94.8~97.0%
- Conversion of 3^rd reaction: 57.0% (reaction time 6h)

∘ Synthesis of dimer acid methyl ester (working-test for test-bed plant)
- Process capacity: 2,400 tons/year
- Conversion (dimer or more): 55%
- Purity of product (DAME): 50%
1^st working-test: DAME/TAME = 58.3%/7.5%
2^nd working-test: DAME/TAME = 59.7%/7.1%
- TAN: 0.8 mg KOH/g

∘ Construction of test-bed to purify and dimerize for DAME (R-604/TFE-601)
- Process engineering design data
- Facility for dimerization
- Engineering data and working-test for dimerization facility
- Technology for purifying facility and the process engineering data

4. Manufacture of the monomer using FVO wastes
∘ Materials: conjugation of unsaturated fatty acid methyl ester, and production of dimer acid, dibasic/tribasic acid, and dibasic/tribasic acid acrylate
- Conjugated fatty acid methyl ester
: 81.0~85.0% of yield (250 liter scale), 76.8% of biodegradability 94% of yield (500 liter scale)
- Dimer acid: 97.0% of purity (at 220 °C and 9.3^-2－9.2^-2 mbar)
- Dibasic/tribasic acid: >85.0% of yield
- Dibasic acrylate: 64% of yield
- Polyol based on ester and ether
: molar mass of 1,142－2,237 g/mol and OH value of 32.0－136 mg KOH/g
- TAN: 0.03~0.12 mg KOH/g

5. Nano-sized catalyst for dimer acid synthesis based on silica
∘ Nano-sized catalyst depending on active component of Ca, Mg, Zn, and Al catalyst based on silica
∘ Study for analysis method and decision of catalyst components to increase the yield of cyclic dimer

6. Morphology and characteristics of polymer blends including eco-friendly monomers
∘ Compatibility of dimer acid derivatives with non-ionic polymers such as PS and PMMA: Decrease of T_g over 40 °C for plasticization
∘ Compatibility of dimer acid derivatives with ionic polymers such as PS-SO₃Na and PSMA-Na: Decrease of T_g over 50 °C for plasticization

7. Synthesis of ester polyols
∘ Ester polyols using dimer acid
: a molar mass of 1,607 g/mol, a Ð value of 1.41, and a OH value of 136.0 mg KOH/g
∘ Ester polyols using dimer acid methyl ester (three kinds)
: molar masses of 1,340~5,400 g/mol, Ð values of 1.35~2.11, TAN of 0.509 mg KOH/g, and a OH value of 11.53 mg KOH/g

8. Synthesis of dimer acid acrylate
∘ Yield of dimer acid 2-hydroxyl ethyl methacrylate (DA-HEMA): 71%
∘ Yield of tribasic acid acrylate: 61%

9. Polyurethane using dimer acid
∘ polyurethane synthesis (ten kinds): molar masses of 5,297~32,036 g/mol
∘ Pencil hardness test: values of HB~1H
∘ Tensile strength: yield stregnth of 152~1,014 gf/mm² and strain of 7.7~53%
∘ Adhesion: values of 4B~5B

10. Polyurethane (PU) microcapsules having anticorrosion agents
∘ Conversion: 84% (NCO content: 22%)
∘ Two kinds of PU microcapsule candidates having two different anticorrosion agents: two kinds and more
∘ PU microcapsules dimensions: ave. diameter of 276~12 ㎛ and ave. thickness of 18~1㎛
∘ Anticorrosion properties for painting coating systeme: rusting degree of 1~0.035%(reference: 5.7%)

11. Polyester using dimer acid
∘ Dimer acid polyester (three kinds): molar masses of 38,500~324,300 g/mol and TAN of 0.289~9.66 mg KOH/g
∘ Poly(lactide)-b-poly(ester) having dimer acid (one kind): molar masses of 123,600 g/mol, and a Ð value of 6.79

( 출처 : SUMMARY 19p )

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제 출 문 ... 2
• 요 약 서 ... 3
• 요 약 문 ... 6
• SUMMARY ... 17
• 목차 ... 23
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 24
• 1-1. 연구개발 목적 ... 24
• 1-2. 연구개발의 필요성 ... 24
• 1-3. 연구개발 범위 ... 27
• 2. 국내외 기술개발 현황 ... 28
• 2-1. 해외 기술개발 동향 ... 28
• 2-2. 국내 기술개발 동향 ... 31
• 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 35
• 3-1. 연구개발의 내용(범위) 및 최종목표 ... 35
• 3-2. 연구개발 결과 및 토의 ... 42
• 3-3. 연구개발 결과 요약 ... 277
• 4. 목표달성도 및 관련분야 기여도 ... 284
• 4-1. 목표달성도 ... 284
• 4-2. 관련분야 기여도 ... 296
• 5. 연구결과의 활용계획 ... 299
• 5-1. 연구개발결과의 활용방안 ... 299
• 5-2. 사업화계획 및 효과 ... 299
• 6. 연구과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 302
• 6-1. 국․내외 기술(시장)동향 조사․분석 및 활용 ... 302
• 2. 수집 해외 정보자료 ... 303
• 7. 연구개발결과의 보안등급 ... 306
• 8. 국가과학기술종합정보시스템(NTIS)에 등록한 연구시설·장비 현황 ... 307
• 9. 연구개발과제 수행에 따른 연구실 등의 안전조치 이행실적 ... 307
• 10. 연구개발과제의 대표적 연구실적 ... 308
• 11. 기타사항 ... 309
• 12. 참고문헌 ... 310
• 끝페이지 ... 313