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Aug 04, 2023

in을 이용한 플라스틱 폐기물로부터 가연성 연료 및 탄소나노튜브 생산

과학 보고서 13권,

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 9057(2023) 이 기사 인용

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이 연구는 Zeolite Socony Mobil ZSM-5 촉매 존재 하에서 플라스틱 폐기물을 수소, 액체 연료 및 탄소 나노튜브로 현장 마이크로파 열분해를 수행했습니다. 제시된 플라스틱의 마이크로파 열분해에서는 활성탄이 열 서셉터로 사용되었습니다. 400~450°C의 적당한 온도에서 고밀도 폴리에틸렌(HDPE) 및 폴리프로필렌(PP) 폐기물을 분해하기 위해 1kW의 마이크로파 전력이 사용되었습니다. 액체, 가스 및 고체 탄소 제품에 대한 플라스틱 구성, 촉매 로딩 및 플라스틱 유형의 영향을 정량화했습니다. 이 현장 CMP 반응으로 인해 중질 탄화수소, 수소 가스 및 탄소 나노튜브가 고체 잔류물로 생성되었습니다. 이 공정에서는 친환경 연료로서 상대적으로 더 나은 129.6mmol/g의 수소 수율이 가능했습니다. FTIR 및 가스 크로마토그래피 분석을 통해 액체 생성물이 알칸, 알칸 및 방향족 화합물과 같은 C13+ 분획 탄화수소로 구성되어 있음이 밝혀졌습니다. TEM 현미경 사진은 X선 회절 분석 중에 탄소 나노튜브(CNT)로 확인된 고체 잔류물의 관형 구조 형태를 보여주었습니다. CNT의 외경은 HDPE에서 30~93nm, PP에서 25~93nm, HDPE-PP 혼합물에서 30~54nm 범위였습니다. 제시된 CMP 공정은 플라스틱 공급원료를 귀중한 제품으로 완전히 열분해하여 폴리머 잔류물을 남기지 않는 데 2~4분 밖에 걸리지 않았습니다.

플라스틱 제품은 우리 일상생활 어디에나 있습니다. 저렴한 가격, 내식성, 유연성, 내구성, 경량성으로 인해 주거용, 농업용, 자동차용, 상업용, 의약품, 포장재, 장난감, 철거, 전기 장비 등 다양한 경제 분야에서 사용됩니다. 고밀도 폴리에틸렌(HDPE), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 저밀도 폴리에틸렌(LDPE), 폴리염화비닐(PVC) 및 폴리프로필렌(PP)은 지난 몇 년간 가장 높은 생산률을 보인 합성 플라스틱 폴리머 중 하나입니다1,2 ,삼. 세계 인구의 증가와 함께 플라스틱의 응용이 증가하고 있습니다. 대규모 플라스틱 생산은 지속 불가능한 생산, 환경 오염, 열악한 재활용 공정 또는 메커니즘을 비롯한 여러 가지 전 세계적 우려를 불러일으키고 있습니다2. 환경 오염을 허용 가능한 수준으로 제어하려면 플라스틱 폐기물 관리가 필수적입니다. 플라스틱 폴리머는 분해되는 데 수십 년이 걸리므로 환경에 부정적인 영향을 미칩니다. 보고서에 따르면 폐플라스틱은 세계 3위의 매립지 생산업체입니다. 플라스틱 포장 산업의 급격한 증가로 인해 플라스틱 생산량은 1950년 150만 미터톤에서 2018년 3억 5900만 미터톤, 2020년에는 약 3억 6700만 미터톤으로 확대되었습니다. 약 2억 5천만 미터톤의 플라스틱 폐기물이 버려집니다. 매립지에 매립되어 매년 대기 중으로 직접 배출됩니다. 약 1,000만 톤이 바다에 공개적으로 방출되고 있으며 20503년까지 연간 9~13%의 폐플라스틱 증가가 예상됩니다. 폐플라스틱은 발암성 물질과 기타 유해 화합물을 매립지로 배출하여 지하수를 오염시킬 수 있습니다. 이러한 독성 물질은 또한 토양 비옥도를 감소시킵니다. 해양 생태계는 또한 바다에 떠다니는 플라스틱 잔해로 인해 위험에 처해 있습니다. 폐플라스틱을 태우면 직접적인 에너지원으로 활용될 때 환경에 큰 피해를 주는 위험한 배출물이 생성됩니다4,5.

수질 오염 및 기타 요인에 대한 많은 제약을 제거하는 데 비용이 많이 들기 때문에 플라스틱을 재활용하는 것은 어렵습니다. 플라스틱을 재활용하면 플라스틱 폐기물의 양을 최소화할 수 있지만 플라스틱 폐기물을 액체 오일, 수소 가스 연료 및 CNT로 변환하려면 보다 일관되고 유지 관리 가능한 방법이 필요합니다5. 폐플라스틱의 처리가 큰 문제가 되었으며, 열분해는 산소가 없는 환경에서 장쇄 고분자 분자를 더 작은 분자로 열적으로 분해하여 플라스틱 폐기물을 탄소 및 수소 연료로 신속하게 변환하는 3차 화학 공정입니다. 온도, 촉매 유형, 체류 시간, 압력, 반응기 유형, 입자 크기 및 유동화 가스와 같은 열분해 생성물의 요소는 모두 제품의 수량과 품질에 영향을 미칩니다. 다양한 파라미터를 조정하여 원하는 귀중품을 획득할 수 있습니다. 예를 들어, LDPE는 550°C에서, PET는 520°C에서 열분해되는 동안 최대 액체가 생성되었습니다. 원하는 생성물을 생성하려면 촉매-플라스틱 혼합물, 열 변환 및 반응 효율을 모두 반응기 설계에서 신중하게 고려해야 합니다. 바이오매스와 플라스틱 폐기물은 회분식, 연속식 또는 반회분식 반응기, 원뿔형 스파우트 베드, 유동층 및 기타 유사한 기하학적 구조를 사용하여 분해됩니다6.