초록 ▼

□ 연구개요
본 과제는 이온성액체를 고정화한 촉매와 흡착제를 연속 크로마토그래피 공정인 SMB (Simulated Moving Bed, 모사이동층)에 충전하여, 반응과 분리를 동시에, 그리고 연속적으로 수행하는 SMBR(SMB-Reactor, SMB-반응기) 개발을 연구목적으로 한다. 이온성액체는 용매로서의 청정성에 더해, 우수한 촉매성과 다양성으로 인해 수많은 화학반응의 매체로 이용될 수 있다. 또한 SMBR은 크로마토그래피 기술의 특성상, 물리화학적 특성이 다른 물질(반응물과 생성물)을 공간적으로 분리함으로써 반응평형원리

□ 연구개요
본 과제는 이온성액체를 고정화한 촉매와 흡착제를 연속 크로마토그래피 공정인 SMB (Simulated Moving Bed, 모사이동층)에 충전하여, 반응과 분리를 동시에, 그리고 연속적으로 수행하는 SMBR(SMB-Reactor, SMB-반응기) 개발을 연구목적으로 한다. 이온성액체는 용매로서의 청정성에 더해, 우수한 촉매성과 다양성으로 인해 수많은 화학반응의 매체로 이용될 수 있다. 또한 SMBR은 크로마토그래피 기술의 특성상, 물리화학적 특성이 다른 물질(반응물과 생성물)을 공간적으로 분리함으로써 반응평형원리에 의해 이론적으로 완전반응을 이룰 수 있다. 완전한 반응과 생성물들의 완전한 분리 및 회수를 동시, 연속적으로 수행할 수 있는 ‘고정화 이온성액체 촉매 SMB-'의 최적 설계와 운전조건을 이론 및 실험적 연구를 통해 확보한다.

□ 연구 목표대비 연구결과
① 실험에 적합한 새로운 고정화 이온성액체의 합성과 성능 평가
-실리카 비드와 기능성 이온성액체를 공유 결합시켜 합성하였고, FT-IR, TGA, 원소분석을 통해 물성을 평가하였다. 회분식 반응 결과 상온에서 65%의 전환율과13mM/min의 초기속도를 나타냈으며 참고문헌과 대비하여 우수한 성능을 보였다.
② 합성한 고정화 이온성액체를 사용한 회분식 크로마토그래피 반응기의 개발 및 물질의 반응-흡착 거동 연구
-컬럼 실험을 통해 model based estimation을 수행, 결정된 다양한 상수들을 이용하여 전산모사를 수행한 결과 높은 유사성을 확인하였고, 회분식 반응과 비교하여 10% 증가한 74%의 전환율에 도달하였다. 추가로 전산모사에서 반응상수와 흡착상수 등을 변화시켜가며 사례 연구를 진행하여 물질거동 규명을 진행하였다.
③ 실험실 규모의 SMBR 장치 개발과 운전전략 연구
-SMBR 전산모사 결과 전환율 97%를 만족시키며 acetone oxime과 cyclohexanone을 각각 93%, 94%의 순도로 회수하는 운전조건을 결정하였다. 추가로 SMBR의 성능을 향상시키기 위하여 구역의 조성을 변경시키거나 무용 부피 문제를 극복할 수 있는 전략을 제시하였고 그 효과를 확인하였다. 최종적으로, SMBR 실험을 수행하여 SMBR 전산모사 결과와 비교하는 과정을 거쳤지만 전산모사의 예측결과와실험 결과가 일치하지 않았다. 분석 과정을 통해 IILs의 분리능과 반응성이 감소하였음을 확인하였고 그 결과 합성한 IILs 안정성이 SMBR의 장기간 운전에는부족함을 확인하였다.

□ 연구개발결과의 중요성
SMBR 기술은 다양한 반응 및 분리정제에 응용될 수 있는 가능성과 더불어 후속의 분리공정을 단순화시켜 경제적으로 큰 효과를 얻을 수 있고, 연속적인 시스템이므로 대량생산이 가능하며, 높은 생산성과 고순도로 물질을 정제할 수 있는 효율적인 시스템이라는 장점이 있기 때문에 산업체 규모에서도 유용하게 사용될 것으로 여겨진다. 그러나 최근의 연구 동향은 에스테르화 반응의 SMBR 공정 위주로 보고되고 있기 때문에 현재 다양한 산업에 활용되고 있는 반응에 적용하기에는 한계가 존재한다. 따라서 본 연구에서는 SMBR 공정의 확장을 위해 고정화 이온성액체를 적용하였다. 이와 같은 고정화 이온성액체를 SMBR에 적용한 시스템은 본 연구가 최초이다.
더 나아가, SMBR 시스템의 확장 가능성을 제시하기 위해서 현재까지 SMBR에 적용되지 않은 반응인 탈옥심 반응에 적용하였다. 합성한 고정화 이온성액체를 바탕으로 데이터를 추정하였고, 이는 다양한 전산모사를 통해 컬럼 내부의 물질거동과 SMBR의 성능에 대한 판단에 성공하였다. 따라서 본 연구는 SMBR 공정이 실제 산업현장에 적용되는데 필수적인 연구가 될 것으로 사료된다.

(출처 : 연구결과 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 2
• 목차 ... 3
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 4
• 2. 연구수행내용 및 연구결과 ... 5
• ① 실험에 적합한 새로운 IILs의 합성과 성능 평가 ... 5
• ② 합성한 IILs를 사용한 회분식 크로마토그래피 반응기의 개발 및 물질의 반응-흡착 거동 연구 ... 7
• ③ 실험실 규모의 SMBR 장치 개발과 운전전략 연구 ... 12
• 3. 연구개발결과의 중요성 ... 18
• 4. 참고문헌 ... 19
• 5. 연구성과 ... 20
• 대표적 연구실적 ... 20
• 끝페이지 ... 22