폐플라스틱을 연료로 전환: 과학자들이 실내{0}}온도 촉매 전환 기술을 개발하여 염소화 플라스틱 재활용에 대한 전 세계적 과제를 해결
2023년 해외에서 박사후 연구를 진행하던 중 Zhang Wei는 다음과 같은 첫 번째- 논문을 발표했습니다.과학플라스틱을 액체 연료로 분해하는 것에 대해. 2년 후인 2025년 현재 모교인 화동사범대학의 연구원인 그는과학. 이번에 그와 중국 및 해외의 그의 협력자들은 성공적으로 플라스틱을 휘발유로 전환했습니다.-한 단계에서 혼합 플라스틱 폐기물을-분해하기 어려운-고품질의 휘발유로 변환했습니다.-
30도에서 이 기술은 연질 폴리염화비닐(PVC) 파이프의 경우 95%, 경질 PVC 파이프 및 PVC 와이어의 경우 99%의 전환율을 달성합니다. 이를 통해 실온 및 대기압에서 수행되는 저에너지 공정을 통해 독성 플라스틱 폐기물을 연료로 전환하여 에너지 소비를 70% 이상 줄일 수 있습니다.
논문의 공동 교신저자이자 미국 국립 공학 아카데미(National Academy of Engineering) 및 유럽 과학 아카데미(European Academy of Sciences)의 회원인 Johannes Lercher는 다음과 같이 말했습니다. "이 기술은 실온에서 폴리머 사슬을 휘발유-크기의 분자로 절단할 수 있는 플라스틱 폐기물용 '화학 가위'를 찾는 것과 같습니다. 이는 글로벌 순환 경제에 중요한 지원을 제공합니다."
플라스틱을 연료로 변환하는 기존 방법에 비해 이 새로운 접근 방식은 더 적은 에너지, 더 적은 장치 및 단계를 필요로 하며 대규모 산업 응용 분야에 적합합니다.- 결과 제품에는 수처리, 금속 가공, 의약품, 식품 생산 및 석유 산업에 사용할 수 있는 휘발유, 화학 원료 및 염산의 주요 구성 요소가 포함됩니다.
다양한 종류의 플라스틱 폐기물을 한 번에 가치 있는 제품으로 전환함으로써 녹색 경제 발전을 지원하는 방법입니다.
연구에서 Zhang과 그의 팀은 플라스틱 폐기물을 경질 이소알칸 탄화수소-정유의 부산물-와 혼합하여 휘발유{2}}범위의 탄화수소(주로 휘발유의 주요 구성 요소인 탄소수 6~12개의 분자)를 생산했습니다. 회수된 염산은 안전하게 중화되고 원료로 재사용될 수 있으며 잠재적으로 현재 현장에서 사용되는 여러 고온, 에너지 집약적 생산 경로를 대체할 수 있습니다.
폴리올레핀은 전 세계 플라스틱 생산량의 약 50%를 차지하고, 염소화 유도체인 PVC는 또 다른 10%를 차지합니다. PVC는-가정의 수도관과 창문부터 인조 가죽 가방, 바닥재, 은행 카드, 전선 단열재에 이르기까지 어디에나 존재합니다.
염소 함량(중량 기준 약 57%)이 높은 PVC는 폐기 시 다른 폴리머에 비해 더 심각한 환경 문제를 야기합니다. 소각과 같은 전통적인 방법에서는 다이옥신 및 폴리염화비페닐과 같은 독성 염소화 화합물의 방출을 방지하기 위해 철저한 탈염소 처리가 필요합니다.
이에 따라 유럽과 미국의 규제 기관은 2023년부터 PVC{2}}관련 물질을 검토하기 시작하여 PVC가 환경에 미치는 영향을 해결하는 것이 시급하다는 점을 강조했습니다.
일반적으로 플라스틱을 고순도 구성 요소로 분해하는 화학적 업그레이드 경로에는 별도의 고온 탈염소 단계가-필요합니다. Zhang의 전략은 단일 단계로 폐 PVC를 염소-무염소 연료-범위의 탄화수소와 염산으로 업그레이드합니다.
이 공정은 한 단계로 PVC와 폴리올레핀 혼합물의 완전한 촉매 전환을 가능하게 하며, 이전에 보고된 폴리올레핀 단독 전환 기술의 효율성을 크게 향상시킵니다.
연구진은 PVC가 탄수화물 공급원 역할을 하여 외부 개시제가 필요하지 않고 전체 반응 속도를 가속화할 수 있다는 사실을 발견했습니다. 예를 들어, PVC와 폴리에틸렌의 비율이 1:1인 경우, 혼합된 폴리머는 30분 이내에 완전히 전환되어 중량 기준으로 약 97%의 액체 이소알칸을 생성할 수 있습니다.
이 공정을 실제 폐기물에 적용할 수 있음을 보여주기 위해{0}}팀은 다양한 사용 후-PVC 제품을 실온 및 대기압에서 알칸으로 전환했습니다. 결과에 따르면 연질/경질 PVC 파이프 및 PVC 와이어를 포함한 사용 후 PVC 폐기물은 30도에서 유사한 반응성을 나타냈습니다.
실제 적용에서 혼합 플라스틱 폐기물은 이온성 액체 단계에 다양한 첨가제와 불순물을 도입할 수 있습니다. 이는 반응 속도에 영향을 미치거나 밀도가 높은 이온성 액체 층에 축적될 수 있지만, 유기상은 2시간 이내에 여전히 상당한 양의 염소-가 없는 액체 알칸과 기체 이소부탄을 생성할 수 있습니다.
사용 후-PVC 폐기물을 경질 고밀도-폴리에틸렌 병 재료와 혼합하면 이소부탄을 주요 생성물로 사용하여 80도에서 거의 정량적인 고체 전환이 달성되었습니다. 이소펜탄의 불균형화는 탄수화물이 존재하는 경우 피할 수 없지만 주로 반응 초기 단계에서 발생합니다.
제품의 약 40~66%는 기체 이소부탄이며, 이는 미반응 이소펜탄과 함께 알킬화 성분으로 재활용될 수 있어 공정의 효율성과 지속 가능성을 강조합니다.
이 기술은 혼합 플라스틱 폐기물을 연료로 전환할 때 제품 유통의 주요 문제를 해결하고 플라스틱 혼합물의 불순물이나 이질성에 영향을 받지 않습니다.
이 반응 시스템에서 디클로로메탄은 이온성 액체를 희석하여 점도와 국소 물질 전달 저항을 감소시킵니다. 또한 증류를 통해 모든 경질 제품과 함께 완전히 회수 및 재사용할 수 있습니다.
전반적으로 이 작업은 혼합 PVC 및 폴리올레핀 폐기물을 업사이클링하기 위한 혁신적이고 확장 가능한 단일{0}}프로세스를 제공합니다. 에너지 소비를 줄이고, 필요한 장비를 줄이고, 중간 단계를 제거함으로써 환경에 미치는 영향을 줄이면서 효율성과 비용{2} 효율성을 크게 향상시킵니다.
또한 이 1단계 방법은{0}}다양한 플라스틱 폐기물을 품질이 향상된 고부가가치 제품으로 전환하여 산업 규모의 응용 분야에 대한 기반을 마련합니다.{2}}
앞서 언급했듯이 Zhang Wei는 논문의 첫 번째 저자이고 공동 저자 중 한 명인 Johannes Lercher는 미국에서 그의 박사후 연구원이었습니다. 해외에 있는 동안 Zhang은 미국 에너지부가 자금을 지원하는 폐플라스틱 분해 프로젝트와 Chevron이 후원하는 다중{6}}탄소 알코올 연료 합성을 위한 CO2 수소화 프로젝트를 주도하여 산업 촉매 작용에서 효율적인 탄소 자원 사용을 위한 핵심 솔루션에 기여했습니다.
현재 화동사범대학교에서 연구 그룹을 이끌고 있는 Zhang은 다음 네 가지 주요 분야에 중점을 두고 있습니다.
열, 광자, 전기화학 및 촉매 결합 기술을 통한 폐탄소 자원(플라스틱/바이오매스)의 가치화.
표준 휘발유 생산을 혁신하기 위한 중질 파라핀 탄화수소의 촉매 분해 및 경질 알칸의 알킬화.
C1 분자(CO2/CO)를 고밀도 에너지 운반체로 촉매 변환합니다.-
물을 수소원 및 매체로 사용하는 촉매 반응 및 시스템을 개발합니다.
대학에 따르면 Zhang은 석유화학 기업과의 시범 협력을 통해 녹색 촉매 기술의 산업화를 더욱 촉진할 예정이다. 그는 또한 인공 지능을 활용하여 보다 효율적인 촉매 시스템을 개발하고, 원자{1}}수준의 플라스틱 변환 메커니즘을 설명하고, 실험실에서 산업에 이르기까지 엔드{2}}투{3}}혁신을 가능하게 할 것입니다.