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.

일회용 플라스틱 식품 용기의 이산화탄소 활용 열처리 연구

권도희(Dohee Kwon),정성엽(Sungyup Jung),박경남(Gyeongnam Park),권일한(Eilhann E. Kwon) 대한환경공학회 2022 대한환경공학회 학술발표논문집 Vol.2022 No.11

이산화탄소 활용 촉매 열분해를 이용한 유기성폐기물로부터의 합성가스 생산

김정훈(Jun-Hun Kim),권일한(Eilhann E Kwon),정성엽(Sungyup Jung) 대한환경공학회 2021 대한환경공학회 학술발표논문집 Vol.2021 No.11

이산화탄소 이용 열화학공정을 통한 가축분뇨 폐기물의 합성가스 전환

최동호 ( Dongho Choi ),권일한 ( Eilhann E. Kwon ) 한국폐기물자원순환학회(구 한국폐기물학회) 2021 한국폐기물자원순환학회 춘계학술발표논문집 Vol.2021 No.-

본 연구는 가축분뇨 처리 방법으로 열화학공정을 이용하여 가축분뇨 폐기물의 합성가스 및 바이오차 전환 연구를 진행하였다. 또한, 이산화탄소를 가축분뇨 폐기물 열분해 공정에 공동 반응물로 이용하였다. 가축분뇨 폐기물 열분해에서, 가축분뇨 폐기물의 열분해로부터 발생한 휘발성 유기화합물이 이산화탄소와의 가스상반응을 통해 일산화탄소가 생성되었다. 이 공정에서 이산화탄소가 산소를 추가적으로 제공하는 역할을 하였다. 이 이산화탄소의 가스상반응 메커니즘은 가축분뇨 폐기물의 가치화 공정 중 이산화탄소가 원료로 사용될 수 있다는 가능성을 보여준다. 그럼에도 불구하고, 실험적으로 결정된 이산화탄소의 가스상 반응이 진행할 수 있는 온도가 510℃에서 진행되고, 가축분뇨 폐기물로부터 발생한 대부분의 휘발성 유기화합물이 합성가스로 전환되는 가스상 반응의 반응속도가 빠르지 않았다. 이러한 점에서, 가스상 반응의 반응속도를 향상시키기 위해, 본 연구는 가축분뇨 폐기물로부터 발생한 바이오차를 열분해공정에서의 촉매로 이용하였다. 이산화탄소 조건의 촉매열분해에서, 가축분뇨 폐기물 기반 바이오차는 가스상 반응의 반응속도를 향상시키는데 중요한 역할을 하였다. 가스상 반응을 통한 합성가스 전환은 바이오차의 양에 비례하여 증가하였다. 무촉매 열분해와 비교하였을 때, 가축분뇨 바이오차 이용 촉매열분해는 합성가스 전환이 3배까지 증가한 것을 보였다.

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.

합성가스 생산량 증가를 위한 젖소 분의 이산화탄소 적용 촉매 열분해 연구

이태우 ( Taewoo Lee ),김정훈 ( Jung-hun Kim ),권일한 ( Eilhann E. Kwon ) 한국폐기물자원순환학회(구 한국폐기물학회) 2021 한국폐기물자원순환학회 춘계학술발표논문집 Vol.2021 No.-

급격한 단백질 수요 증가로 방대한 양의 가축 분이 발생되고 있다. 이 연구에서는 젖소 분을 이산화탄소를 공동 공급 원료로 활용하는 열분해를 통해 가치 있는 화학 물질로 전환하고자 한다. 젖소 분으로부터 생산된 열분해 오일 분석 결과 질소가 포함되어 있는 화학물질과 방향족 화학물질들이 다량 포함되어 있었다. 이러한 화학물질들은 연료로 적합하지 않다. 때문에 젖소 분 열분해 시 발생되는 열분해 오일을 이산화탄소를 활용하여 합성가스로 전환하고자 하며, 합성가스 생산량의 증가를 위해 Ni/SiO₂ 촉매가 사용되었다. 가스화 반응이 일어나지 않는 600℃ 이하에서 이산화탄소가 적용된 젖소 분의 열분해 시 열분해 오일이 합성가스로 전환되었다. 이산화탄소와 가스 상의 열분해 물질의 반응은 일산화탄소의 증가로 이어졌다. 하지만 이러한 이산화탄소에 의한 반응은 느린 반응 속도로 인해 510℃ 이상에서만 나타났다. 합성가스 생산량을 늘려주는 이산화탄소의 반응 속도를 증가시키기 위해 독성이 없으며 지구에 풍부한 코발트와 니켈을 촉매로 활용하였다. 상당한 양의 합성가스는 이산화탄소가 적용된 투스테이지 열분해보다 니켈이 사용된 공정에서 1.7배 증가하였다.

Growth Characteristics of a Pyruvate Decarboxylase Mutant Strain of Zymomonas mobilis

Xun Zhao(순 자오),Peter L. Rogers(피터 로저스),Eilhann E. Kwon(권일한),Sang Chul Jeong(정상철),Young Jae Jeon(전용재) 한국생명과학회 2015 생명과학회지 Vol.25 No.11

에탄올 생산 세균 Zymomonas mobilis에서 에탄올 생산 경로의 핵심으로 작용하는 효소인, pyruvate decarboxylase (pdc) 유전자의 불활성 실험을 통해, PDC 활성이 50% 감소된 PDC 활성 변형균주가 분리되었다. 이러한 균주들의 에탄올 탄소대사 흐름이 고부가가치 화합물인 피루브산, 숙신산 및 젖산 등으로 전환되는지를 발효실험을 통해 평가하였다. 하지만 pdc의 발현을 중지시키기 위해 cat-삽입형-pdc와 pdc-결손형 아형 유전자를 전기 천공법을 이용해 야생형 균주 ZM4의 염색체에 이식하기 위한 다수의 시도에도 불구하고, 이러한 방법을 통해 분리된 균주들은 대부분 부분적 유전자 불활성 특성을 보였으며, PDC 활성이 완전히 손실된 삭제 돌연변이 균주를 획득할 수는 없었다. PDC활성이 변형된 돌연변이 균주의 발효 실험에서, 야생형 균주와 비교 시 감소된 PDC효소 활성의 변화로 인해 기질 흡수율과 에탄올 생산율이 감소되어 피루브산 생산이 약 2.5 g l-1 정도로 증가함을 확인하였으나, 젖산과 숙신산의 생산에 현저한 농도 변화를 보이지 못했다. 이러한 결과는 Z. mobilis의 산화환원 에너지가 PDC 효소 활성에 의한 에탄올 생산 경로에 전적으로 의존하여 발생한다는 것을 암시하였다. 상기 결과를 토대로 pdc 유전자의 완전한 불활성 유도와 산화환원 에너지의 균형은, 젖산 생산을 위한 lactate dehydrogenase, 숙신산 생산을 위한 pyruvate dehydrogenase와 malic enzyme과 같은 효소의 활성 증가를 통해, 세포내 NAD와 NADH 농도의 산화환원 균형이 이루어져야 발생할 수 있음을 시사하였다. Studies of the inactivation of a gene encoding pyruvate decarboxylase, pdc, in an ethanol-producing bacterium, Zymomonas mobilis, identified a mutant strain with 50% reduced PDC activity. To evaluate the possibility of a carbon-flux shift from an ethanol pathway toward higher value fermentation products, including pyruvate, succinate, and lactate, fermentation studies were carried out. Despite attempts to silence pdc expression in the wild-type strain ZM4 using cat-inserted pdc and pdc-deleted homologs by electroporation, the strain isolated showed partial gene activation. Fermentation experiments with the PDC mutant strain showed that the reduced expression level of PDC activity resulted in decreased rates of substrate uptake and ethanol production, together with increased pyruvate accumulation of 2.5 g l-1, although lactate and succinate concentrations were not significantly enhanced in these modified strains. Despite numerous attempts, no strains were isolated in which complete pdc inactivation occurred. This result indicates that the ethanol fermentation pathway of this bacterium is totally dependent on the activity of the PDC enzyme. To ensure a redox balance of intracellular NAD and NADH levels, other enzymes, such as lactate dehydrogenase for lactate, and enzymes involved in the production of succinic acid, such as pyruvate dehydrogenase (PDH) and malic enzymes, may be needed for their increased end-product production.

열적 유도 전이에스테르화 반응을 활용한 유글레나 기반 바이오디젤 생산 연구

정종민 ( Jong-min Jung ),김정훈 ( Jung-hun Kim ),김민영 ( Minyoung Kim ),권일한 ( Eilhann E. Kwon ) 한국폐기물자원순환학회(구 한국폐기물학회) 2021 한국폐기물자원순환학회 춘계학술발표논문집 Vol.2021 No.-

바이오디젤은 바이오매스에 존재하는 지질의 전이에스테르화반응을 통해 생산되는 탄소 중립의 액상 연료이다. 미세조류는 그들의 빠른 탄소 고정 능력으로부터 기인 된 높은 지질 함량 덕분에 바이오디젤 생산을 위한 높은 잠재력을 지닌 원료로 연구되어져 왔다. 특히, 미세조류의 성장은 음식물 쓰레기와 같은 폐기물로부터 추출된 먹이를 통해 생산될 수 있다는 장점이 있다. 그럼에도 불구하고, 미세조류의 지질 생산성은 미세조류의 종과 배양 조건에 따라 큰 차이를 보인다. 폐기물을 직접적으로 활용한 종속영양 미세조류의 성장과 지질 함량을 알아보기 전에, 이 연구에서는 미세조류의 배양을 위해 폐기물로부터 추출 가능한 영양분(글루코오즈, 질소 화합물, 그리고 인화합물)의 농도에 따른 미세조류의 성장 속도와 지질 축적을 연구하였다. 따라서, 독립영양조건과 종속영양조건에서 모두 배양이 가능한 조류 중 하나인 유글레나(Euglena gracilis)를 활용하여 지질 생산성을 조사하였다. 또한, 유글레나에 축적된 기름의 정확하고 빠른 바이오디젤로의 전환을 위해 열적유도 전이에 스테르화 반응은 활용되었다.

이산화탄소 및 코발트 촉매를 이용한 바이오 중유의 열적 분해 연구

조성헌 ( Seong-heon Cho ),이상윤 ( Sangyoon Lee ),권도희 ( Dohee Kwon ),정성엽 ( Sungyup Jung ),권일한 ( Eilhann E. Kwon ) 한국폐기물자원순환학회(구 한국폐기물학회) 2021 한국폐기물자원순환학회 춘계학술발표논문집 Vol.2021 No.-

신재생에너지 수요로 인한 바이오 디젤의 생산량 확대로 바이오 디젤 생산 공정의 부산물인 바이오 중유의 발생량 또한 증가하고 있다. 바이오 중유는 자유 지방산, 글리세롤, 무기물질과 같은 다양한 물질을 함유하고 있어 사용처가 제한적이다. 현재 국내에서는 바이오 중유를 탈염 및 자유 지방산(Free Fatty acids)의 에스테르화(Esterification) 과정과 같은 정제 과정 후, 화력 발전소에서 발전 연료에 일정 비율로 혼합하여 연소하고 있다. 하지만 이러한 정제 과정은 추가적인 공정 비용과 폐수 발생과 같은 문제를 내포하고 있다. 따라서, 추가적인 정제 과정을 거치지 않고 직접 바이오 중유를 에너지원 및 화학물질 합성의 원료로 사용하고자 하는 연구가 진행되어왔다. 그 중, 열분해 공정은 바이오 중유를 열적으로 분자 간 결합을 끊어 수소 및 바이오 오일 등 유용한 고부가가치물질로 분해할 수 있는 공정이다. 이러한 열분해 공정의 효율 향상의 방법으로 열분해 대기 환경의 변경, 촉매 주입, 승온 속도 변경 등 다양한 방법들이 연구되어왔다. 이에 본 연구에서는 바이오 중유를 이산화탄소 조건 열적 분해하여 발생한 타르 및 열분해 가스를 분석하여 이산화탄소가 바이오 중유의 열적 분해 과정에 어떠한 영향을 주는지에 대하여 알아보고자 하였다. 또한, 탄소-수소, 탄소-산소 간 결합 분해에 효과가 있는 코발트 촉매를 이산화탄소 및 질소 환경 열적 분해에 적용하였다. 이를 통해 코발트 촉매와 이산화탄소가 바이오 중유의 열적 분해 과정 및 산물에 어떠한 영향을 주는지에 대하여 알아보고자 하였다.

계분 열분해 공정을 통한 합성가스 생산 시 이산화탄소 및 바이오차 적용효과 분석

이동준 ( Dong-jun Lee ),정성엽 ( Sungyup Jung ),장유나 ( Yuna Jang ),김중곤 ( Jung Kon Kim ),정광화 ( Kwang-hwa Jeong ),박회만 ( Hoe-man Park ),권일한 ( Eilhann E. Kwon ) 한국폐기물자원순환학회(구 한국폐기물학회) 2021 한국폐기물자원순환학회 춘계학술발표논문집 Vol.2021 No.-

국내 축산업은 1980년대 이후로 전업화 및 대규모화 되면서 급격히 성장하였으나, 이와 동시에 가축으로부터 발생하는 가축분뇨의 처리 문제가 크게 이슈화 되었다. 특히, 2019년을 기준으로 국내 가축분뇨 발생량은 5,000 만 톤을 넘어서면서(5,184 만 톤) 이에 대한 적절한 처리 기술 개발에 대한 관심이 높아진 실정이다. 현재 대부분의 가축분뇨는 자원화(퇴·액비화, 91.4%, 농식품부) 방법으로 처리되고 있는데, 국내 농경지 면적의 감소 및 각종 환경적 규제 등을 고려하였을 때, 높은 자원화 비율로 인한 환경적 문제를 해결할 수 있는 기술 개발이 시급한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 가축분뇨 중 산란계분을 대상으로 열분해 공정에 대한 적용 효과를 모색하였다. 추가적으로 향후 지속가능한 폐기물처리 기술을 개발하기 위해 온실가스로 여겨지는 이산화탄소와 계분 바이오차를 열분해 공정에 접목하고 이에 대한 효능 평가를 추진하였다. 이상의 실험결과, 이산화탄소를 활용하였을 때, 합성가스의 주요 산물인 일산화탄소 발생량이 증가하는 것을 관찰할 수 있었는데, 이는 열분해 과정에서 이산화탄소와 유기물의 균일반응(Homogeneous reactions)에 의한 것으로 판단된다. 추가적으로 계분 바이오차를 열분해 공정에 활용하였을 때, 니켈 촉매 대비 약 50%의 가스 발생량을 보였는데 이는 산란계분 내 높은 알카리성 이온(Ca 등)에 의한 것으로 판단된다.