공업화학전망 (Prospectives of Industrial Chemistry)

한국공업화학회 (The Korean Society of Industrial and Engineering Chemistry)
권호 표지

폐플라스틱 분해를 위한 알칸 교차 복분해 반응

Cross Alkane Metathesis Reaction for Waste Plastic Degradation

  • 김주은 (울산과학기술원 에너지화학공학과) ;
  • 안광진 (울산과학기술원 에너지화학공학과)
  • Kim, Jueun (School of Energy and Chemical Engineering, Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST)) ;
  • An, Kwangjin (School of Energy and Chemical Engineering, Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST))
  • 발행 : 2021.04.30

⟨ 이전 논문 다음 논문 ⟩

초록

현재 인류는 플라스틱(plastic) 세상에 살고 있다. 의류, 식품, 주거 생활 곳곳에 플라스틱이 존재하며, 플라스틱이 없는 세상은 상상조차 할 수 없다. 하지만, 플라스틱 사용량 증가에 따른 폐플라스틱의 배출량의 증가는 심각한 환경문제들을 야기하여 생태계뿐만 아니라 인간에게도 위협이 되고 있다. 이를 해결하기 위한 방법으로 단순히 폐플라스틱의 처리에 그치지 않고, 이를 활용하여 새로운 고부가가치의 생성물을 제조하는 플라스틱 업사이클링(plastic upcycling) 시스템이 최근 주목을 받고 있으며, 현재 다양한 형태로 연구개발이 진행되고 있다. 그 중의 한가지로 본 기고문에서는 알칸 교차 복분해(cross alkane metathesis) 반응을 소개한다. 알칸 교차 복분해 반응은 수소화/탈수소화(hydrogenation/dehydrogenation) 반응과 올레핀 복분해(olefin metathesis) 반응으로 이루어져, 탈수소화 반응 후 생성된 이중결합 탄소를 갖는 두 개의 알켄 화합물이 자리바꿈을 통해 새로운 이중 결합을 형성하는 반응이다. 이 촉매반응 과정이 반복되면 저분자화된 새로운 알칸 화합물을 생성되는데, 이는 기존의 플라스틱 처리방식인 열분해 및 촉매 분해 공정보다 낮은 반응온도를 요구한다. 또한 이를 통해 상대적으로 높은 순도의 가솔린 및 디젤을 생성할 수 있기 때문에 폐플라스틱 처리 공정의 새로운 대안기술이 될 수 있다. 본 기고문에서 폐플라스틱 중 가장 큰 비중을 차지하는 폴리에틸렌을 처리하는 대안기술로써 알칸 교차 복분해 반응의 메커니즘과 및 촉매의 역할, 그리고 반응성에 영향을 주는 인자에 대해 기술한다.

키워드

참고문헌

  1. H. Ritchie, Plastic Pollution, Our World in Data (2018). https://ourworldindata.org/plastic-pollution
  2. 홍수열, 국내외 플라스틱 문제현황 및 해결방안, KONETIC (2018).
  3. A. Doyle, Stemming the flow of plastic waste, The Chemical Engineer (2018), https://www.thechemicalengineer.com/news/stemming-the-flow-of-plastic-waste/.
  4. L. A. Hamilton, S. Feit, M. Kelso, S. M. Rubright, C. Bernhardt, E. Schaeffer, D. Moon, J. Morris, and R. Labbe-Bellas, Plastics and climate: The hidden costs of a plastic planet, Center for International Environmental Law (2019), https://www.ciel.org/plasticandclimate/.
  5. 오현태, 코로나 집콕에 '인쇼.배달'은 승승장구 ... 포장 쓰레기는 첩첩산중, KBS NEWS (2020), https://news.kbs.co.kr/news/view.do?ncd=4531601.
  6. J. C. Prata, A. L. P. Silva, T. R. Walker, A. C. Duarte, and T. Rocha-Santos, COVID-19 pandemic repercussions on the use and management of plastics, Environ. Sci. Technol., 54, 7760-7765 (2020). https://doi.org/10.1021/acs.est.0c02178
  7. Plastics - the Facts 2020, An analysis of European plastics production, demand and waste data, Plastics Europe, https://www.plasticseurope.org/en/resources/publications/4312-plastics-facts-2020.
  8. G. Lopez, M. Artetxe, M. Amutio, J. Bilbao, and M. Olazar, Thermochemical routes for the valorization of waste polyolefinic plastics to produce fuels and chemicals, A review, Renew. Sust. Energ. Rev., 73, 346-368 (2017). https://doi.org/10.1016/j.rser.2017.01.142
  9. A. S. Goldman, A. H. Roy, Z. Huang, R. Ahuja, W. Schinski, and M. Brookhart, Catalytic alkane metathesis by tandem alkane dehydrogenation-olefin metathesis, Science, 312, 257-261 (2006). https://doi.org/10.1126/science.1123787
  10. X. Jia, C. Qin, T. Friedberger, Z. Guan, and Z. Huang, Efficient and selective degradation of polyethylenes into liquid fuels and waxes under mild conditions, Sci. Adv., 2, No. e1501591 (2016). https://doi.org/10.1126/sciadv.1501591
  11. L. D. Ellis, S. V. Orski, G. A. Kenlaw, A. G. Norman, K. L. Beers, Y. Roman-Leshkov, and G. T. Beckham, Tandem heterogeneous catalysis for polyethylene depolymerization via an olefin-intermediate process, ACS Sustain. Chem. Eng., 9, 623-628 (2021). https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.0c07612
  12. J. H. B. Sattler, J. Ruiz-Martinez, E. Santillan-Jimenez, and B. M. Weckhuysen, Catalytic dehydrogenation of light alkanes on metals and metal oxides, Chem. Rev., 114, 10613-10653 (2014). https://doi.org/10.1021/cr5002436
  13. S. Lwin and I. E. Wachs, Olefin metathesis by supported metal oxide catalysts, ACS Catal., 4, 2505-2520 (2014). https://doi.org/10.1021/cs500528h
  14. Plastic Market Size, Share & trends analysis report by product (PE, PP, PU, PVC, PET, polystyrene, ABS, PBT, PPO, epoxy polymers, LCP, PC, polyamide), by application, by region, and segment forecasts, 2020-2027, Grand View Research, Inc. (2020), https://www.grandviewresearch.com/industry-analysis/global-plastics-market.
  15. Plastic recycling market research report: By source (packaging, sheets, pipes, wires and cables, molded products), type (PET, PE, PP, PVC, PS), industry (household and personal care, food and beverage, construction, automotive), geographical outlook (U.S., Canada, Germany, U.K., Italy, France, Spain, China, Japan, India, Brazil, Mexico, Argentina, Saudi Arabia, U.A.E., Qatar) - Global industry analysis and forecast to 2024, Prescient & Strategic Intelligence (2019), https://www.psmarketresearch.com/market-analysis/plastic-recycling-market.
  16. 자원순환정보시스템, 전국 폐기물 발생 및 처리현황 (2019).
  17. 환경부, '자원순환 정책 대전환 추진계획' 발표 (2020).