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폴리에틸렌의 마이크로웨이브 열분해를 통한 탄화수소 전환 폴리에틸렌의 마이크로웨이브 열분해를 통한 탄화수소 전환 정대상 기자 2015-01-07 09:54:34

미국의 워싱턴 주립 대학(Washington State University)의 연구자들이 마이크로웨이브로 구동되는 저밀도 폴리에틸렌(플라스틱 폐기물의 모델 물질)의 열분해가 휘발유 등급의 탄화수소 물질들을 대량으로 생산(74.73~88.49%)할 수 있음을 발표하였다. 연구자들은 열분해 공정에서 열분해를 가속하고 휘발유 등급의 탄화수소 물질들을 효율적으로 생산하기 위해 ZSM-5를 촉매로서 이용하였다. 이 연구는 플라스틱 물질들이 ZSM-5 촉매 상에 마이크로웨이브 열분해 공정에 최초로 이용된 것이며 연구자들은 관련된 내용을 논문(Fuel)에 발표하였다.

열분해를 통해 배출되는 가스 물질들을 분석하면 에틸렌, 에탄, 수소가 풍부하게 포함되어 있다. 연구자들은 열분해 오일의 조성에 미치는 촉매 온도와 촉매와 반응물의 비율을 조사하고 최대의 액체 수율을 얻는 방법을 조사하기 위하여 CCD(Central composite experimental design)을 적용하였다.

향상된 열분해 오일을 최대화(32.58 wt.%)하기 위한 조건은 450도의 반응 온도와 반응물과 촉매의 비율이 2이었다. 열분해 오일의 가스크로마토그래피(GC-MS) 분석 결과를 보면, 모노링(Mono-ring) 아로마틱 탄화수소 물질들이 매우 풍부하고 촉매의 열분해 조건들에 따라서 열분해 오일들을 향상시켜 가장 풍부한 혼합물질들이 되었다. 아로마틱 탄화수소 물질들은 74.73%에서 88.49%까지 다양하였다.

낮은 반응 온도와 높은 반응물과 촉매의 비율은 별로 원하지 않은 폴리싸이클릭 아로마틱 탄화수소 물질들(Polycyclic aromatic hydrocarbon)의 형성을 초래하였다. 반면 높은 온도와 높은 비율은 모노링 아로마틱 탄화수소 물질들의 형성에 기여하였다.

아로마틱 탄화수소 물질들의 생산과 경쟁하는 주 반응은 코크의 형성이다. 그러나 대부분의 운전 조건들에서 ZSM-5 촉매 반응기에서는 1wt% 이하의 코크 침적이 발생하였다. 더불어 코크의 형성은 낮은 촉매 온도 조건에서도 무시할 수 있다. 따라서 촉매를 이용한 열분해 반응을 통해서 휘발유에 바로 함유할 수 있는 아로마틱 탄화수소 물질들을 대량으로 생산할 수 있는 가능성이 열렸다. 따라서 단순한 열분해 공정에서 촉매를 이용한 열분해 공정으로의 적용이 급속하게 진행될 수 있을 것이다.

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』