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이산화탄소 활용 촉매 열분해를 통한 폐섬유의 고부가 가치화
권도희 ( Dohee Kwon ),정성엽 ( Sungyup Jung ),이상윤 ( Sangyoon Lee ),권일한 ( Eilhann E. Kwon ) 한국폐기물자원순환학회(구 한국폐기물학회) 2021 한국폐기물자원순환학회 춘계학술발표논문집 Vol.2021 No.-
합성 섬유의 발명 이후 우리의 삶의 질은 향상되었다. 그러나 합성 섬유는 생분해성이 없고 업사이클 및 재활용이 어려우므로 누적 생산량과 처리량은 중요하다. 섬유를 세탁하는 과정에서 신흥 오염물로 간주하는 미세 플라스틱이 환경으로 방출된다. 미세 플라스틱의 공급원 감소를 위한 수단으로 이 연구는 폐섬유를 부가가치 제품으로 전환하는 신속한 처리 플랫폼을 제안한다. 이를 위해 폐섬유의 촉매 열분해를 수행했으며 더욱 환경 친화적인 공정을 위해 폐섬유 열분해의 원료로 이산화탄소를 사용했다. 이산화탄소 환경에서 폐섬유의 열분해 결과, 합성 가스와 메탄이 생성되었으며 이산화탄소는 폐섬유의 열분해로 인해 발생한 휘발성 화합물과의 기상 반응을 통해 추가적인 일산화탄소를 생성했다. 반응 속도를 촉진하여 더 많은 양의 합성 가스를 생성하기 위해 코발트 기반 촉매를 이용하여 촉매 열분해를 수행했다. 이산화탄소를 이용한 비촉매 열분해보다 촉매 열분해는 수소와 일산화탄소의 생산량이 각각 3배와 8배 더 높았다. 또한, 이 공정은 촉매 비활성화를 억제했으며 80 wt. % 이상의 폐섬유를 합성가스와 메탄으로 전환했다. 이산화탄소를 원료로써 사용하여 일산화탄소를 더 많이 생성할수록 벤젠 유도체 및 다환방향족 탄화수소와 같은 유해 화학종의 형성을 최소화하는 효과적인 수단을 제공한다.
바이오매스 기반 열화학적 전환 공정에서의 이산화탄소 활용
이제찬 ( Jechan Lee ),권일한 ( Eilhann Kwon ),옥용식 ( Yong Sik Ok ) 한국환경농학회 2016 한국환경농학회 학술대회집 Vol.2016 No.-
바이오매스 기반 에너지 생산 및 바이오차의 매우 낮은 생분해성 특성을 활용한 탄소고정 및 저장은 우리의 화석 연료 의존성을 낮춤과 동시에 지구온난화 문제를 동시에 해결해 줄 수 있는 대안으로 제시되고 있다. 하지만, 바이오매스의 성상 특이성으로 인한 바이오매스의 에너지화가 매우 어려운 것이 현실이나 열화학적 전환 공정(열분해·가스화)은 다른 바이오연료 공정 대비 바이오 매스의 성산 특이성에 매우 탄력적일뿐만 아니라 바이오매스를 대량으로 처리할 수 있는 장점이 있다. 또한, 탄소 중립원인 바이오매스를 활용함에 있어 이산화탄소를 반응 미디어 및 원료로 사용할 경우 열화학적 전환 공정의 효율 증대를 통한 이산화탄소의 절감 효과 및 친환경 공정 구축이 가능하며 이는 곧 궁극적인 탄소 관리라 할 수 있다. 따라서 본 연구는 바이오매스 기반 열화학적 전환 공정에서 이산화탄소 활용을 통한 에너지 생산 및 공정 효율의 극대화가 가능함을 실험적으로 실증하고 있다. 즉, 열화학적 전환 공정에서의 이산화탄소 활용을 통하여 합성가스 생산량 증대, 타르 생성 저감, 바이오차 성상 변화 등이 가능함을 본 연구를 실험적으로 실증하고 있다. Harnessing biomass as an initial feedstock for energy recovery has been considered as a viable means to mitigate global climate change triggered by anthropogenic carbon input and to resolve energy security issue attributed to our inevitable dependence on fossil fuel. Despite numerous merits associated with utilizing biomass as an initial feedstock for energy recovery, transforming biomass into biofuel has been considered as very challenging due to its heterogeneous structural matrix as well as technical incompleteness. In this respect, the thermo-chemical process (i.e., pyrolysis and gasification) can be a viable options for converting biomass into energy since the thermo-chemical process is not sensitive to the heterogenous structural matrix of biomass and is suitable for mass production. In addition, recent recognition of biochar as a means of the principle strategy for carbon storage and capture has drawn a great deal of attention from our social, scientific and engineering community. In order to achieve the ultimate carbon management, utilizing carbon dioxide as reaction medium and/or an initial feedstock is highly desirable. Thus, this study placed great emphasis on the possible utilization of carbon dioxide in the thermo-chemical process. This study experimentally evidenced that the genuine effects of carbon dioxide led to the enhanced generation of synthetic gas (i.e., H2 and CO) via the enhanced thermal cracking of volatile organic compouds (VOCs) evoleved from thermolysis of biomass and the direct reaction between carbon dioxide and VOCs. The identified influence of carbon dioxide in the thermo-chemical process led to the subsequent reduction of condensable hydrocarbons (e.g., tar) using VOCs as the substrate for synthetic gas. Moreover, these genuine influences of carbon dioxide led to the modification of physico-chemical properties of biochar. Thus, this study will provide the futuristic optimism on using carbon dioxide in the thermo-chemical process since the identified mechanistic influence of carbon dioxide can be applicable in various research and industrial fields.
폐자동차 유래 플라스틱의 촉매 열분해를 위한 이산화탄소 활용
이태우 ( Taewoo Lee ),권일한 ( Eilhann. E. Kwon ) 한국폐기물자원순환학회(구 한국폐기물학회) 2021 한국폐기물자원순환학회 춘계학술발표논문집 Vol.2021 No.-
세계 자동차 수요가 증가함에 따라, 폐자동차(End-of-life vehicles (ELVs))로부터 발생한 폐기물의 처리에 대한 인식은 중요해졌다. ELVs를 구성하는 물질들의 복잡성은 재활용을 어렵게 하였다. 이 연구에서는 ELVs 내 존재하는 플라스틱 연료화를 위해 이산화탄소 기반 열화학공정을 활용하는 친환경적 방법이 제시되었다. ELVs의 대표 물질로서 범퍼 폐기물이 원료 물질로서 활용되었다. 범퍼의 열화학공정 이전에, 범퍼의 화학적 조성을 확인하고 정량하기 위해 다양한 분석 방법들이 적용되었다. 이에, 범퍼는 주로 폴리프로필렌으로 구성되었음을 확인하였고, 범퍼의 열분해는 수소 뿐만 아니라 다양한 구조와 사슬 길이를 갖는 탄화수소를 생산하였다. 열분해 부산물의 조성은 열분해 실험 세팅과 조건들에 따라 다르게 나타났다. 열분해 온도는 긴 사슬 탄화수소의 열적 분해를 통해 짧은 사슬 탄화수소 및 수소로의 전환에 영향을 미쳤다. 코발트와 니켈 기반 촉매를 활용하여 촉매 열분해가 수행되었고, 긴 사슬 탄화수소의 탈수소화로부터 상당량의 수소가 빠르게 생성되었지만, 촉매 표면에 발생한 코크로 인한 촉매의 비활성화를 야기하였다. 한편, 이산화탄소 조건에서의 촉매 열분해는 탈수소화 뿐만 아니라 이산화탄소와 폴리프로필렌으로부터 발생한 휘발성 탄화수소 간의 가스상 반응을 야기하였고, 이는 수소와 일산화탄소의 생성 증가로 나타났다. 또한, 이산화탄소에 의한 가스상 반응은 촉매 열분해시 발생하는 코발트/니켈 촉매 표면에 생성된 코크를 저감시켰다. 특히, 촉매 열분해에서 이산화탄소의 활용은 일산화탄소의 양을 비약적으로 증가시켰다. 이산화탄소의 비율이 높아짐에 따라 생성 가스 중 수소 대 일산화탄소의 비율이 감소하는 것으로 나타났다.