KR100857247B1 - 촉매 열분해에 의한 바이오오일의 생산 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 메조 기공을 갖는 제올라이트(메조포러스 제올라이트 촉매)를 이용하여 바이오매스의 열분해시 생성되는 바이오오일을 보다 더 안정성 있고, 발열량이 높은 바이오오일로 개질하는 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 메조포러스 제올라이트 촉매를 장착한 반응 공정 시스템을 이용하여 열분해를 수행하고 이때 생성된 바이오 오일을 메조포러스 제올라이트 촉매층을 통과시키거나, 혹은 바이오매스와 메조포러스 제올라이트 촉매를 바로 혼합하여 반응시킴으로써, 최종적으로 산소 성분이 줄어들고, 안정성 및 발열량이 증가된 바이오 오일을 생산하는 방법에 관한 것이다.
바이오매스, 열분해, 바이오오일, 촉매, 메조포러스 제올라이트

Description

촉매 열분해에 의한 바이오오일의 생산 방법{Manufacturing Method for Bio Oil by Catalytic Pyrolysis}
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 적용되는 촉매반응기를 구비하는 열분해 장치의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 제 2 실시예에 적용되는 촉매와 바이오 매스가 직접 혼합되어 반응되는 열분해 장치의 개략도이다.
<도 1의 주요부분에 대한 부호의 설명>
(1) : 사일로 (2) : 스프링 스크류 피더
(3) : 질소가스 저장고 (4) : 유량계
(5) : 가스 예열기 (6) : 유동층 반응기
(7) : 사이클론 (8) : hot-filter
(9) : 고정층 촉매 반응기 (10) : 2중 응축기
(11) : 전기 집진기 (12) : 냉매 순환장치
(13) : 온도 제어기
<도 2의 주요부분에 대한 부호의 설명>
(1) : 사일로 (2) : 스프링 스크류 피더
(3) : 질소가스 저장고 (4) : 유량계
(5) : 가스 예열기 (6) : 혼합 반응기
(7) : 사이클론 (8) : hot-filter
(9) : 2중 응축기 (10) : 전기 집진기
(11) : 냉매 순환장치 (12) : 온도 제어기
본 발명은 촉매 열분해에 의한 바이오오일의 생산방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 바이오 매스의 열분해시 생성되는 바이오 오일을 보다 더 안정성 있고, 발열량이 높은 바이오오일로 개질하는 방법에 관한 것이다.
화석연료가 한정된 매장량과 편중된 분포특성으로 인한 수급 불안정 문제점을 드러낸 이래 인류는 재생가능자원(renewable resource)의 개발에 꾸준한 노력을 기울여왔다. 특히 최근 10년간은 식물을 비롯한 바이오매스(biomass)가 화석연료 중심의 기존 산업시설 및 장치 등에 직접 적용할 수 있는 대체자원으로서 인식되면서 커다란 관심을 끌고 있다.
바이오매스란 육상과 수상의 식물과 동물 및 미생물을 포함하는 지구상의 유 기체 전부를 물질로 환산한 것을 가리키는 것으로, 목재, 곡물, 농업 임업 관련 부산물이나 하수처리장의 슬러지, 도시 고형폐기물 등의 유기성 물질 전체를 포함하는 개념이다. 생물계는 식물체를 근간으로 형성되며 식물체는 곧 화학결합 중에 태양에너지를 저장하는 탄소화합물이라고 할 수 있기 때문에 결국 바이오매스는 화석연료와 같이 탄소화합물로 이루어진 에너지 저장 물질이라고 할 수 있다. 따라서 바이오매스는 재생자원 중 유일하게 화석연료를 대신하여 에너지원으로서는 물론 화학공업 원료물질 공급원(chemical feedstock)으로서의 역할까지도 수행할 수 있는 자원이 된다.
최근 이러한 바이오매스를 이용하여 바이오연료를 합성하는 방법이 많이 제시되고 있다. 이러한 여러 기술 중, 바이오 오일을 생성하기 위해서는 열분해 공정이 이용되고 있다. 그러나 얻어지는 바이오 오일은 산소성분이 많고 강한 산도 등을 나타내어 연료로서 사용되기에는 불안정한 것이 많았다.
따라서, 이를 개질하기 위하여 수소처리나 촉매를 이용한 연구들이 진행되어 왔으며, 그와 같은 촉매로는 ZSM-5, Y 촉매와 같은 제올라이트 계열이나, NiMO/γ-Al2O3 같은 석유화학 공정의 수소화 촉매들이 있다.
그러나 바이오 오일의 분자 크기가 상대적으로 크기 때문에 기공 크기가 작은 ZSM-5 등은 바이오 오일 개질 촉매로서는 부적당한 점이 많다. 또한 메조 기공을 갖는 MCM-41 등도 바이오오일 개질에 적용되어졌으나, MCM-41은 수열 안정성이 낮아 바이오 오일에 다량 함유된 수분의 구조가 붕괴되는 단점이 있다.
그리하여, 안정성 및 발열량이 증가된 바이오 오일을 생산하기 위해, 수열안정성이 뛰어난 촉매의 필요성이 대두되어 왔다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 수열안정성이 뛰어나고 기공 크기가 큰 메조 기공을 갖는 촉매를 바이오 오일 개질 반응에 적용함으로써 안정성 및 발열량이 증가된 바이오 오일을 생산하는 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 바이오매스를 열분해하여 증기상 열분해 생성물을 제조하는 제 1 공정;및 상기 증기상 열분해 생성물을 응축하여 액상 바이오오일을 제조하는 제 2 공정을 포함하는 촉매 열분해에 의한 바이오오일의 생산방법에 있어서, 상기 제 1 공정 및 제 2 공정의 사이에 상기 증기상 열분해 생성물을 메조포러스 제올라이트 촉매와 접촉시키는 단계를 더 포함하는 촉매 열분해에 의한 바이오오일의 생산 방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 바이오매스와 메조포러스 제올라이트 촉매를 혼합한 후 그 혼합물을 열분해하여 증기상 열분해 생성물을 제조하는 제 1 공정; 및 상기 증기상 열분해 생성물을 응축하여 액상 바이오오일을 제조하는 제 2 공정을 포함하는 촉매 열분해에 의한 바이오오일의 생산방법을 제공한다.
나아가, 본 발명은 상기 방법에 의하여 제조되는 개질된 바이오오일을 제공 한다.
이하, 본 발명의 구성을 더욱 상세히 설명한다.
본 발명에 의한 바이오오일의 생산방법은 도 1의 시스템, 즉, 열분해 장치에 촉매반응기를 추가하여 메조포러스 제올라이트 촉매를 장착하여 이루어지거나, 혹은 도 2의 시스템, 즉, 바이오매스와 메조포러스 제올라이트 촉매를 동시에 반응기에 넣어 열분해를 시키는 방법에 의하여 이루어진다.
우선, 본 발명은 바이오매스를 열분해하여 증기상 열분해 생성물을 제조하는 제 1 공정;및 상기 증기상 열분해 생성물을 응축하여 액상 바이오오일을 제조하는 제 2 공정을 포함하는 촉매 열분해에 의한 바이오오일의 생산방법에 있어서, 상기 제 1 공정 및 제 2 공정의 사이에 상기 증기상 열분해 생성물을 메조포러스 제올라이트 촉매와 접촉시키는 단계를 더 포함하는 촉매 열분해에 의한 바이오오일의 생산 방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 바이오매스와 메조포러스 제올라이트 촉매를 혼합한 후 그 혼합물을 열분해하여 증기상 열분해 생성물을 제조하는 제 1 공정; 및 상기 증기상 열분해 생성물을 응축하여 액상 바이오오일을 제조하는 제 2 공정을 포함하는 촉매 열분해에 의한 바이오오일의 생산방법을 제공한다.
본 발명에서 바이오오일의 생산에서 사용되는 바이오매스는 육상과 수상의 식물과 동물 및 미생물을 포함하는 지구상의 유기체라면 특별히 제한되지 않으며, 예컨대, 목재, 곡물, 농업 임업 관련 부산물이나 하수처리장의 슬러지, 도시 고형 폐기물 등을 들 수 있다.
이때, 상기 메조포러스 제올라이트 촉매는 제올라이트 골격을 지니고, 1~30nm의 기공크기를 가지는 것이 바람직하다.
이와 같은 메조포러스 제올라이트 촉매는 어떠한 방법으로 제조된 것이라도 본 발명에 적용될 수 있지만, 그 중에서도 (A) 제올라이트와 염기성 수용액 또는 산성 수용액을 반응시켜 나노 입자를 지닌 전구체용액을 제조하는 단계; (B) 계면활성제 수용액, 양친성 고분자 수용액 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 자기 조립 유도 물질과, 상기 전구체용액을 혼합하는 단계; (C) 상기 (B)단계의 혼합물을 산 또는 염기를 이용하여 pH를 조절하는 단계; 및 (D) 상기 (C)단계의 혼합물을 수열반응시켜 메조포러스 물질을 합성한 후, 그 생성물질을 여과, 세척, 건조 및 소성(calcination)시키는 단계를 포함하는 공정에 의하여 제조되는 것이 수열안정성이 우수하고, 표면적이 크기 때문에 바람직하다.
상기 (A)단계에서 사용될 수 있는 염기성 수용액 또는 산성 수용액으로는 특별히 제한되지 않으며, 상기 (A)단계에서는, OH-/Si 혹은 H+/Si의 몰비가 0.5~4.0이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 몰비가 1.0이하이다. 또한, 상기 (A)단계에서의 반응 시간은 수분에서 3일 정도가 바람직하며, 그 중에서도 제올라이트의 종류마다 경향성은 다양하지만, 반응시간이 짧을수록 바람직하다. 이에 더하여, 제올라이트와 산 또는 염기 용액의 반응 후 완전히 투명해진 용액은 증류수로 희석하여 20 중량% 수용액을 만들어 사용하는 것이 바람직하다.
상기 (B)단계에서는 (A)단계에서 준비된 전구체용액을 실리카 전구체로 사용하여 이를 메조포러스 물질의 구조유도체인 계면활성제, 양친성 고분자 또는 이들의 조합물을 증류수에 완전히 용해시킨 수용액에 격렬한 교반 하에서 첨가하여 준다. 이때, 상기 계면활성제로는 특별한 제한은 없지만, 양이온성 계면활성제가 바람직하며, 더욱 바람직하게는 알킬 그룹의 탄소수가 12~22인 양이온성 계면활성제가 사용될 수 있다. 또한, 상기 양친성 고분자로는 특별한 제한은 없지만, 비이온성 양쪽성 블럭 공중합체가 바람직하고, 더욱 바람직하게는 폴리에틸렌옥사이드, 폴리프로필렌 옥사이드로 구성된 비이온성 양쪽성 블럭 공중합체가 사용될 수 있다.
(B)단계의 반응 조건은 사용되는 계면활성제 또는 양친성 고분자의 종류나 설계된 메조 구조의 종류에 따라 달라진다. 이때, 반응 온도는 상온(20℃)~ 40℃가 바람직하며, 계면활성제, 양친성 고분자 및 이들의 혼합물에서 선택된 물질의 증류수에 대한 질량비는 2.6 - 6% 정도가 바람직하고, Si의 계면활성제, 양친성 고분자 및 이들의 혼합물에서 선택된 물질에 대한 비는 35 - 50% 정도가 바람직하다.
또한, 본 발명에서는 상기 (C) 단계를 통해 pH를 조정하는 단계를 거치는데, 이는 사용된 계면활성제, 양친성 고분자의 종류, 그리고 설계된 메조구조의 종류에 따라 적정 pH 값이 달라지며, 메조포러스 물질의 합성을 위한 축합반응을 고려하여 pH 1~10으로 조절하는 것이 바람직하다.
상기 (D) 단계에서의 수열반응은 80 - 160 ℃의 온도에서 1일~ 6일간 행하는 것이 바람직하고, 상기 (D) 단계에서는 제조된 침전물을 여과 장치를 통하여 여과 한 후 증류수를 사용하여 2 내지 3 차례 세척하고 90~110℃의 온도에서 5 내지 20 시간 건조시키는 것이 바람직하다.
또한, 상기 (D) 단계에서의 소성은 공기 분위기 하에서 500℃ 내지 600℃ 사이에서 3시간 이상 행하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에서 사용될 수 있는 메조포러스 제올라이트 촉매는 Ga, Pt, Cu 및 Zn으로 이루어진 군에서 선택되는 1 이상의 금속원소로 치환된 것이 사용될 수도 있다. 즉, Ga, Pt, Cu, Zn 등 귀금속 및 전이금속을 치환시킨 메조포러스 제올라이트 촉매 또는 Pt-Ga, Pt-Zn 등 2개 이상의 금속이 조합된 메조포러스 제올라이트 촉매는 물론이고, 이들의 조합으로도 사용될 수 있다.
본 발명은 또한 상기 방법에 의하여 생산되는 개질된 바이오오일을 제공한다. 본 발명에 의한 바이오 오일의 경우, 바이오 오일 성분 중의 산소가 H2O, CO, CO2 등으로 제거됨으로써 보다 더 안정성 있고, 발열량이 높다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 국한되지 않는다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
< 실시예 >
합성예 1: 메조포러스 제올라이트 촉매의 제조
잘 건조된 수소로 이온교환된 H-제올라이트를 미리 준비한 수산화나트륨 수용액을 사용하여 녹인다. 이때 수산화 나트륨/실리카의 몰 비율이 0.5에서 4.0 정도로 조절할 수 있도록 수산화나트륨의 물에 대한 농도를 조절하여 사용한다.
구체적인 예로서, 수산화나트륨 1.5g을 동일 질량의 증류수에 녹인다. 이 수산화나트륨 수용액에 2.25g의 H-제올라이트를 격렬한 자력 교반하에서 넣어 준다. 이때 빠르게 열이 발생하며, 특히 대용량의 합성시는 각별히 주의하여야 한다. 이렇게 제올라이트가 녹은 용액을 2.5g의 수용액으로 희석시켜 투명한 상태가 유지되는지 확인한 후 메조포러스 제올라이트 촉매합성을 위한 전구체 용액으로 사용하게 된다.
또한, 메조포러스 제올라이트 촉매의 합성을 위해, 우선 양이온성 계면활성제, cetyltrimethylammonium bromide (CTAB) 4.6g을 증류수 70g에 투명할 때까지 교반하여 녹인다. 이 계면활성제 용액을 실온에서 계속 교반하면서 미리 준비한 전구체 용액을 한 방울씩 떨어뜨려 준 후 1시간 동안 교반 한 후 뚜껑을 잘 닫아주고 100도 오븐에서 교반 없이 1일 동안 더 반응시켜 준다. 1일 반응 후 상온에서 반응용액을 식혀 준 후 교반해 주면서 초산을 한 방울씩 떨어뜨려 주며 pH를 10까지 떨어뜨려 준다. 100도 오븐반응 1일과 pH조절을 한 번 더 반복해준다. 이렇게 얻어진 침전물은 진공여과법으로 얻어내고 이 과정에서 수차례 증류수로 잘 씻어 준다. 그리고 100도 오븐에서 3시간 이상 건조해주고, 계면활성제를 염산과 에탄올의 혼합 용액(염산(35%):에탄올=1g:100ml)으로 추출한 후, 550도 정도에서 3시간 이상 소성하면 메조포러스 제올라이트 촉매물질을 얻을 수 있게 된다.
실시예 1: 바이오오일의 생산 1(열분해 증기상 생성물을 개질하는 과정)
도 1의 시스템 전체를 질소가스로 퍼징시키면서 환원조건으로 유지시킨다. 이때 반응기 하부로 주입되는 질소가스는 예열기(5)를 통해 350℃정도로 일정하게 유지시켜 준다. 유동층은 400-550℃ 범위에서, 촉매층 반응기(8)는 500℃로 미리 설정한 반응온도를 온도제어기(12)를 통해 유지시킨다.
반응온도에 도달하면 시료를 담아두는 사일로(1)와, 일정한 질량 속도로 시료를 이송하는 스프링 스크류 피더(2)를 통해 유동층 반응기(6) 내부로 투입한다.
반응기 내부로 투입된 시료는 유동층 물질과 격렬히 혼합되면서 유동층 물질로부터 전달된 열에 의해 증기상 생성물로 전환된다.
생성된 열분해 증기상 생성물은 사이클론(7)을 지나면서 입자성 물질이 제거된다. 이때 증기상 생성물이 응축되는 것을 막기 위해 흐름관은 400℃로 유지시킨다.
흐름관을 지난 증기상 생성물은 500℃의 메조포러스 제올라이트 촉매층을 통과하면서 개질이 되고 냉매 순환장치(11)를 이용하여 -20℃로 유지시킨 2중 응축기(9)에서 액상생성물인 바이오오일로 회수된다. 2중 응축기(9)에서 회수되지 못한 타르 성분은 전기집진기(10)를 통해 포집하고 가스 성분은 배출된다.
실시예 2: 바이오오일의 생산 2( 바이오매스와 촉매를 직접 혼합하여 개질하 는 과정)
바이오매스와 메조포러스 제올라이트 촉매를 일정한 비율로 혼합시킨 시료를 도 2의 혼합반응기(6)에 담은 후 진행하는 것을 제외하고는 상기 실시예 1에 의한 열분해 증기상 생성물을 개질하는 과정과 동일한 방법에 의해 바이오오일을 생산하였다.
실시예 3 : 바이오오일의 생산 3
450℃ 반응온도에서 생성된 열분해 증기를 500℃의 Ga, Pt, Cu, Zn 등 귀금속 및 전이금속을 치환시킨 메조포러스 제올라이트 촉매 및 Pt-Ga, Pt-Zn 등 2개 이상의 금속이 조합된 메조포러스 제올라이트 촉매층에 통과시키는 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법에 의해 개질된 바이오 오일을 생산하였다.
실시예 4: 바이오오일의 생산 4
상기 바이오매스와 촉매를 직접 혼합하여 개질하는 과정과 동일한 과정에 의해 수행한다. 400℃ 반응기에 Ga, Pt, Cu, Zn 등 귀금속 및 전이금속을 치환시킨 메조포러스 제올라이트 촉매 및 Pt-Ga, Pt-Zn 등 2개 이상의 금속이 조합된 메조포러스 제올라이트 촉매와 바이오 매스를 함께 혼합하여 반응시킨는 것을 제외하고는 상기 실시예 2와 동일한 방법에 의해 개질된 바이오 오일을 생산하였다.
실험예 1: 바이오오일의 특성 분석
본 실험에서는 다양한 제올라이트를 이용하여 합성한 메조포러스 제올라이트 촉매상에서 열분해 증기생성물을 직접 접촉시켜 개질시켰다. 반응조건은 유동층 급속 열분해 실험을 통해 얻은 최적조건을 바탕으로 하였다. 평균입경 0.7 mm의 라디에타 소나무 톱밥을 사용하여 4 L/min의 유량과 450℃의 반응온도에서 1시간 동안 열분해하였다. 반응시간의 경우 최적조건보다는 길게 주었는데 이는 촉매층 온도의 안정화를 보다 용이하게 하기 위함이다. 원하는 촉매 반응온도에 도달한 후 약 30여분 정도의 안정화 시간을 둔 후 실험을 수행하였다.
개질 반응을 통해 생산된 바이오오일의 평가를 위해 오일 내 존재하는 수분함량과 발열량(higher heating value)을 분석하여 하기 표 1로 나타내었다. 본 발명에 의한 메조포러스 제올라이트 촉매를 사용한 경우 발열량은 최대 약 27 MJ/kg 까지 증가하였으며, 이는 메탄올이나 에탄올 같은 산소함유 연료의 발열량과 대등한 수치이다. 또한, 바이오오일 내 촤나 층물질같은 고형물의 함량은 미미하였으며, 회분은 검출되지 않은 결과를 통해 질적으로도 상당히 우수한 바이오오일을 생산하였음을 알 수 있다.
Figure 112007040909306-pat00001
상술한 바와 같이, 본 발명에 의하는 경우, 수열 안정성이 뛰어나고 표면적이 큰 메조 기공 제올라이트 촉매를 이용하여 바이오오일을 개질함으로써 바이오 오일 성분 중의 산소를 H2O, CO, CO2 등으로 제거하여 보다 더 안정성 있고, 발열량이 높은 바이오 오일을 생산할 수 있게 된다.

Claims (6)

  1. 바이오매스를 열분해하여 증기상 열분해 생성물을 제조하는 제 1 공정;및
    상기 증기상 열분해 생성물을 응축하여 액상 바이오오일을 제조하는 제 2 공정을 포함하는 촉매 열분해에 의한 바이오오일의 생산방법에 있어서,
    상기 제 1 공정 및 제 2 공정의 사이에 상기 증기상 열분해 생성물을 메조포러스 제올라이트 촉매와 접촉시키는 단계를 더 포함하는 촉매 열분해에 의한 바이오오일의 생산 방법.
  2. 바이오매스와 메조포러스 제올라이트 촉매를 혼합한 후 그 혼합물을 열분해하여 증기상 열분해 생성물을 제조하는 제 1 공정; 및
    상기 증기상 열분해 생성물을 응축하여 액상 바이오오일을 제조하는 제 2 공정을 포함하는 촉매 열분해에 의한 바이오오일의 생산방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 메조포러스 제올라이트 촉매는 제올라이트 골격을 지니고, 1~30nm의 기공크기를 가지는 것인 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 메조포러스 제올라이트 촉매는
    (A) 제올라이트와 염기성 수용액 또는 산성 수용액을 반응시켜 나노 입자를 지닌 전구체용액을 제조하는 단계;
    (B) 계면활성제 수용액, 양친성 고분자 수용액 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 자기조립 유도물질과, 상기 전구체용액을 혼합하는 단계;
    (C) 상기 (B)단계의 혼합물을 산 또는 염기를 이용하여 pH를 조절하는 단계; 및
    (D) 상기 (C)단계의 혼합물을 수열반응시켜 메조포러스 물질을 합성한 후, 그 생성물질을 여과, 세척, 건조 및 소성(calcination)시키는 단계를 포함하는 공정에 의하여 제조되는 것인 방법.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 메조포러스 제올라이트 촉매는 Ga, Pt, Cu 및 Zn으로 이루어진 군에서 선택되는 1 이상의 금속원소로 치환된 것인 방법.
  6. 삭제
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