in을 이용한 플라스틱 폐기물로부터 가연성 연료 및 탄소나노튜브 생산

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 폴리머에 속합니다1,2 ,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 5,900만 미터톤, 2020년에는 약 3억 6,700만 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 요소 및 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.