[논문자료]고온고압에서 고분자 PET의 분해

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초임계수 및 아임계수 조건에서 고분자 분해

고온고압에서 고분자 PET의 분해

 

임계온도, 압력이상에서 물은 액체와 같은 성질(밀도등)과 기체와 같은 성질(확산계수등)을 가지는 특이한 성질을 띄게 되는데 이를 초임계수라 하며, 초임계수(Supercritical water)를 이용한 화학반응 및 분리 공정에 대한 연구는 미국, 일본 등의 선진국들을 중심으로 활발하게 진행되고 있다. 또한, 그 응용분야도 기존의 방법으로 분리하기 어려운 물질의 추출 및 정제뿐만 아니라 고농도의 폐수 처리, 화학반응 및 재료공정등으로 급속히 확대되고 있고, 우리 나라의 경우에도 반도체 부품의 세정을 포함한 청정 기술의 개발에 많은 노력을 기울이고 있다. 전 세계적으로 폐플라스틱으로 인한 환경적인 문제가 확대되고 있어 이를 재활용하는 연구가 많이 이루어지고 있다. 본 연구에서는 플라스틱 제조의 주원료인 여러 고분자중에서 비교적 분해가 잘되는 PET를 대상물질로 선정하였다.

 

논문자료 -  https://scienceon.kisti.re.kr/srch/selectPORSrchArticle.do?cn=DIKO0008590961

 

PET의 재활용의 방법으로는 Hydrolysis와 Methanolysis로 크게 두가지로 나누는데 Methanolysis 보다는 원료물질인 TPA와 EG를 고수율로 회수할 수 있으며, 또한 H_(2)O와 CO_(2)로 유해하지 않은 부산물을 생성하는, 물을 이용한 Hydrolysis가 대두되고 있다. 본 연구의 실험조건에서 poly(ethylene terephthalate) (PET)의 분해반응 실험을 하기 위해서는 반응기 승온과정에서 발생되는 문제를 해결해야 하는데 이를 위하여 고압 용융고분자 주입장치를 고안하였다. 과거의 연구자들의 실험조건을 살펴보면 회분식 반응기를 이용하여 미리 반응기내에 반응물을 투입하고, 온도조건은 PET의 Tm이하에서 실험을 수행하여 결론을 낸 경우가 많다. 이는 승온시간에 따른 문제점 때문에 어느 정도의 수율을 얻어낼수가 있지만, PET가 소량일 경우에 적합하며, 많은 양을 처리하고 고수율을 얻어내기에는 부적합하다.

 

이에 본 연구에서는 회분식 반응기와 고압 용융 고분자 주입장치가 결합된 실험장치를 이용하여 승온시간에 따른 문제점을 해결하였고, 과거의 연구자들보다 많은 양을 투입하여 실험한 결과, 고수율의 TPA를 얻을 수 있었다. 앞서 연구에서 발견한 문제점들을 해결하여 고안한 고압 용융 고분자 투입장치를 이용하여 PET의 hydrolytic 분해반응을 PET의 임계조건인 25MPa의 일정한 압력에서 그리고, 아임계 (300℃, 320℃, 340℃) 과 초임계 (380℃, 400℃) 의 온도조건에서 수행하였다. 실험 결과, 각 온도에서 초기 1분내의 전환율이 76∼90%가 될 정도로 매우 높았으며, 온도에 증가함에 따라 전환율도 증가하는 커다란 값을 보인다. 또한, 반응시간이 10분에 도달하게 되면 전환율이 98%이상의 높은 값을 보임을 알 수 있다.

 

EG의 전환율은 TPA의 전환율에 상응하는 만큼의 결과를 얻어내지 못했고 시간이 지남에 따라 증가하는 경향은 300℃, 320℃에서 보이지만 340℃에서는 증가하다가 감소하는 경향을 보이는 결과가 나타났다. 이러한 현상은 과거의 논문에도 발표된 바 있는데, EG가 시간이 경과함에 따라 DEG로의 변환이 되었으며, 또한 유체로 물이라는 것과 고온이라는 점때문에 C-C bond가 끊어져 물과 이산화탄소의 부산물로 변환되었다는 것이다. 하지만 그 변환이 미치는 영향은 아주 작기 때문에 무시할 만 하므로, EG의 DEG로의 변환등의 부반응은 메카니즘 규명에 포함하지 않고, 정반응과 역반응을 고려한, 2차 반응 model에 기초로 한 반응속도 상수를 구했다.

 

이를 이용하여 다시 전환율을 계산하였는데 이렇게 나온 계산치 와 실험치를 비교한 결과 아임계 온도 범위에서 평균 2%정도의 오차범위로 실험치를 잘 나타낼 수 있었다. 본 연구에서 얻은 반응속도상수를 이용하여 아임계수내에서 PET 분해반응의 Activation Energy를 구하였는데 그 값이 54.4kJ/mol 이었다.

 

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고압반응기

고온•고압의 환경 속에서 화학 합성, 분해, 승화 및 추출 등의 다양한 연구를 수행할 수 있는 연구용 반응기 입니다.

온도, 압력, 용량 선정이 가능하며, 반응 조건에 따라 다양한 옵션 선택이 가능합니다.

 

 

 

 

•특징

- ASME(미국 기계기술자 협회)의 고압 용기 안전 규정에 맞춘 설계 및 제작

- 다양한 사양(온도, 압력, 용량)으로 고객 맞춤형 장비 제작 가능

- 조립 및 분해가 용이하여 손쉬운 유지 관리 가능

- 교반장치, 진동장치, 회전장치를 수반하는 특수 목적형 사양으로도 제작 가능

 

•열분해 반응기

일신 오토클레이브의 열분해 반응기는 고압용기 안전 규정에 맞춘 설계 및 제작을 하였고, 안전한 고열반응과 스크루 회전 공급을 통한 열분해 반응을 수행할 수 있도록 제작한 설비입니다. 고열로 가열한 반응기를 통과하는 시료는 시료 내부에서 열에 의한 분해가 일어나게 됩니다. 시료의 열분해 반응을 촉진시키는 스크루 방식을 이용하여 지속적인 회전과 교반을 일으키며, 스크루의 회전은 유압 모터를 이용하여 압력에서도 부드럽게 회전할 수 있습니다. 분해 반응은 가스(이산화탄소, 질소, 아르곤)를 공급하여 최적화의 분위기로 만ㄷ르어 좋은 반응이 일어나도록 구성하였습니다. 열분해 반응을 위해 열 공급 부분을 3단계로 나누고, 온도 특정 구역을 6개로 구성하여 온도에 대한 정밀한 피드백을 받도록 구성합니다.

 

- 일신 오토클레이브의 열분해 반응기의 특징!

1. 폐플라스틱, 폐타이어, 폐목재를 열분해 하여 가스 및 오일 그리고 물질 성분 으로 전환이 가능합니다.

2. 축부재에 나선상으로 돌출된 날개에 금속재질의 심부재를 삽입하여 열분해 효율을높입니다.

3. 짧은 시간에 소재를 충분히 열분해 할 수 있습니다.

4. 폐플라스틱, 폐타이어, 폐목재의 재활용에 있어서 사회적 비용이 낮고 환경 에 대한 부하도 줄일 수 있습니다.

5. 건축 폐기물인 인조대리석등의 열처리를 통하여 환경 문제를 개선할 수 있 습니다.

 

- Main Part 제작 가능 사양

Working capacity	300ML ~ 5L이상(협의)
Working Temp	R.T ~ 700℃
Working Pressure	Vacuum ~ 10Bar이상(협의)

 

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