KR102278269B1 - BIOMASS-DERIVED SiO₂ CATALYST FOR TPA HYDROLYSIS OF PET, MANUFACTURING THEREOF, AND TPA HYDROLYSIS OF PET USING THE CATALIST - Google Patents

BIOMASS-DERIVED SiO₂ CATALYST FOR TPA HYDROLYSIS OF PET, MANUFACTURING THEREOF, AND TPA HYDROLYSIS OF PET USING THE CATALIST Download PDF

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Abstract

본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른, SiO2 촉매는 바이오 매스로부터 추출된 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의한 바이오 매스 유래 SiO2 촉매, 그 제조방법, 및 이를 이용한 PET의 TPA 분해방법을 이용하면, 종래의 중성 조건하에서 PET 가수분해 속도 보다 빠른 시간에 고순도 테레프탈 산(TPA)의 제조가 가능하며, 제조된 테레프탈 산은 다시 폴리에스테르 섬유의 원료 등으로 유용하게 사용할 수 있다.According to a preferred embodiment of the present invention, the SiO 2 catalyst is characterized in that it is extracted from biomass. Using the biomass-derived SiO 2 catalyst according to the present invention, a method for producing the same, and a method for decomposing PET using the same, it is possible to produce high-purity terephthalic acid (TPA) in a time faster than the hydrolysis rate of PET under conventional neutral conditions In addition, the prepared terephthalic acid can be usefully used as a raw material for polyester fibers.

Description

PET의 TPA 분해용 바이오 매스 유래 SiO₂ 촉매, 그 제조방법, 및 이를 이용한 PET의 TPA 분해방법{BIOMASS-DERIVED SiO₂ CATALYST FOR TPA HYDROLYSIS OF PET, MANUFACTURING THEREOF, AND TPA HYDROLYSIS OF PET USING THE CATALIST}Biomass-derived SiO₂ catalyst for TPA decomposition of PET, manufacturing method thereof, and TPA decomposition method of PET using same

본 발명은 PET의 TPA 분해용 바이오 매스 유래 SiO2 촉매, 그 제조방법, 및 이를 이용한 PET의 TPA 분해방법에 관한 것으로, 구체적으로는 바이오 매스로부터 유래된 PET의 TPA 분해용 SiO2 촉매와 마이크로파를 이용하여 폴리에틸렌 테레프탈레이트(Polyethylene terephthalate)를 테레프탈 산으로 가수분해하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a biomass-derived SiO 2 catalyst for TPA decomposition of PET, a manufacturing method thereof, and a TPA decomposition method of PET using the same. Specifically, a SiO 2 catalyst for TPA decomposition of PET derived from biomass and microwave It relates to a method of hydrolyzing polyethylene terephthalate into terephthalic acid using

대한민국을 비롯한 아시아 지역의 주요한 곡물인 벼는 국내의 경우 2009년을 기준으로 약 468 만 톤(재배 면적 약 92 만 ha)으로 매년 500 만 톤 정도가 생산되고 있다. 왕겨는 벼의 탈곡 과정에서 발생하는 농업폐기물이며 일반적으로 무게비로 벼의 약 20 %를 차지하는 바, 국내에서만 매년 약 90 내지 100 만 톤의 왕겨가 도정과정의 부산물로 발생되고 있다.Rice, the main grain in Asia including Korea, is about 4.68 million tons (cultivated area about 920,000 ha) as of 2009 in Korea, and about 5 million tons of rice are produced every year. Rice husks are agricultural wastes generated during the threshing process of rice, and generally account for about 20% of rice by weight. In Korea alone, about 90 to 1 million tons of rice husks are generated each year as a by-product of the milling process.

그러나 왕겨는 1900년대 중반부터 왕겨의 다양한 활용 연구에도 불구하고 국내에서는 대부분 소, 돼지 등의 축산시설 깔개, 인테리어용 보온재 등으로 이용되는 등 대부분 왕겨를 그 자체로써 이용하고 있는 것에 불과하다.However, despite research on various uses of rice husk since the mid-1900s, in Korea, most of the rice hull is used as a rug for livestock facilities such as cattle and pigs, and as an interior insulation material.

왕겨는 크게 유기물과 무기물 성분으로 나뉘며 유기물이 약 80 %, 무기물은 약 20 %를 차지하고 있다. 유기물은 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스 및 리그닌 등의 식물성 고분자로 구성되며 무기물은 대부분 실리카로 구성되어 있다. 왕겨에 포함된 실리카 성분을 리그닌과 같이 물리적, 화학적 저항성이 큰 고분자가 보호하고 있는 형태를 띠고 있다.Rice husks are largely divided into organic and inorganic components, with about 80% organic and 20% inorganic. Organic matter is composed of vegetable polymers such as cellulose, hemicellulose and lignin, and inorganic matter is mostly composed of silica. The silica component contained in the rice husk is protected by a polymer with high physical and chemical resistance such as lignin.

따라서 이러한 왕겨의 활용성을 높이기 위해 왕겨를 원료로 활용하기 위한 연구와, 왕겨를 소재로 활용하여 목질재료 또는 합성목재 등을 제조하는 기술개발 그리고 왕겨 내에 존재하는 실리카를 분리/추출하여 활용하는 연구 등 다양한 연구개발들이 지속적으로 행하여져 왔다.Therefore, in order to increase the utility of such rice hulls, research on using rice husk as a raw material, technology development for manufacturing wood materials or synthetic wood using rice husk as a material, and research on separating/extracting silica present in rice hulls Various R&D activities have been carried out continuously.

한편, 테레프탈 산과 에틸렌 글리콜을 축중합하여 얻을 수 있는 PET(Polyethylene Terephthalate)는 강성, 전기적 성질, 내후성, 내열성이 좋고, 고온하에서 장기 폭로하여도 인장강도의 저하가 상당히 적으며 또한 결정성 플라스틱에 속하기 때문에 기름에 대한 내성도 좋다.On the other hand, PET (Polyethylene Terephthalate), which can be obtained by polycondensation of terephthalic acid and ethylene glycol, has good rigidity, electrical properties, weather resistance, and heat resistance. Therefore, it has good resistance to oil.

이에 따라 생활용품, 장난감, 전기절연체, 가전제품 케이스, 포장재 등으로 사용되고 있으며 특히, 가볍고 맛과 냄새가 없기 때문에 플라스틱 음료수병의 대부분을 차지하고 있다.Accordingly, it is used as household goods, toys, electrical insulators, home appliance cases, packaging materials, etc. In particular, because it is light and has no taste and smell, it accounts for most of plastic beverage bottles.

그러나 이러한 장점에도 불구하고 대기 및 생물학적 물질에 대한 내성이 크기 때문에 매우 느리게 분해되어 폐PET 수지는 환경문제를 야기하고 있다.However, despite these advantages, the waste PET resin is decomposed very slowly due to its high resistance to atmospheric and biological materials, causing environmental problems.

이러한 폐PET 수지를 재활용하는 방법으로 글리콜리시스(Glycolysis), 하이드롤리시스(Hydrolysis), 메타놀리시스(Methanolysis) 등 화학적 재활용 방법이 개시되어 있다.Chemical recycling methods, such as glycol lysis, hydrolysis, methanolysis, etc., are disclosed as a method of recycling such waste PET resin.

글리콜리시스 방법은 에틸렌 글리콜 등의 글리콜에 의한 PET 해중합 방식으로 상업적으로 널리 사용되고 있는 방식이다. 그러나 조업비용이 적게 들고 원료 물질인 폐PET가 약간 오염되었어도 무방한 장점이 있지만 해중합물의 분자량이 높아 정제가 곤란한 단점이 있다.The glycolysis method is a method widely used commercially as a method of depolymerizing PET using glycol such as ethylene glycol. However, it has the advantage of low operating cost and little pollution of waste PET as a raw material, but has a disadvantage in that it is difficult to purify due to the high molecular weight of the depolymerized product.

하이드롤리시스는 물, 알칼리 등에 의한 PET 분해 방법으로 테레프탈 산(Terephthalic Acid)의 제조 용도로 많이 쓰이고 있는 방법이나 제조비용이 많이 드는 단점이 있다.Hydrolysis is a method for decomposing PET by water, alkali, etc., and is widely used for the production of terephthalic acid, but has a disadvantage in that it requires a lot of manufacturing cost.

메타놀리시스는 메탄올에 의한 해중합 방법으로 가장 널리 쓰이고 있다. 그러나, 폐PET의 오염 상태와 관계가 없는 장점이 있는 반면에 높은 온도와 압력에서 운전되어야 하기 때문에 제조비용이 많이 든다는 단점이 있다.Metanolysis is the most widely used depolymerization method using methanol. However, while there is an advantage that is not related to the contamination state of the waste PET, there is a disadvantage that the manufacturing cost is high because it has to be operated at a high temperature and pressure.

상기 방법 중에서 테레프탈 산은 다시 폴리에스테르 섬유의 원료 등으로 사용할 수 있으므로, 폐PET 수지로부터 테레프탈 산과 에틸렌 글리콜을 분리해 내는 하이드롤리시스 방법에 대한 연구가 많이 진행되어 왔다.Among the above methods, since terephthalic acid can be used again as a raw material for polyester fibers, many studies have been conducted on a hydrolysis method for separating terephthalic acid and ethylene glycol from waste PET resin.

대한민국 등록특허 제10-0429385호에서는 PET를 산으로 가수분해한 후 생성된 테레프탈 산을 염석 및 정제 과정을 거쳐 고순도 테레프탈 산으로 제조하는 방법을 제시하고 있다. 그러나 상기 방법은 정제 과정에서 고온 열처리 과정을 필요로 하는 단점이 있다.Korean Patent Registration No. 10-0429385 proposes a method for producing high-purity terephthalic acid by salting out and refining terephthalic acid produced after hydrolysis of PET with acid. However, the method has a disadvantage in that it requires a high-temperature heat treatment process in the purification process.

또한, 대한민국 등록특허 제10-0224466호에서는 PET를 수산화알칼리 금속/토금속에 의해 가수분해하여 테레프탈 산 알칼리금속/토금속염을 형성하고 이를 물에 용해시켜 분리하는 방법을 제시하고 있으나, 알칼리도가 너무 강하기 때문에 반응이 과격하고 이로 인해 부반응물이 많이 생성되며 최종 테레프탈 산의 분리단계에서 결정성장 단계를 추가로 필요로 하는 문제가 있었다.In addition, Korean Patent Registration No. 10-0224466 proposes a method of hydrolyzing PET with alkali metal hydroxide/earth metal to form alkali metal/earth metal salt of terephthalic acid and dissolving it in water to separate it, but the alkalinity is too strong. Therefore, there is a problem in that the reaction is radical and thus a lot of side reactants are generated, and a crystal growth step is additionally required in the final separation step of terephthalic acid.

이러한 문제를 해결하기 위해 대한민국 공개특허 제10-2005-0049566호 및 미국 특허 제4,542,239호에서는 PET와 수산화암모늄을 반응시키는 방법을 제시하고 있으나, 반응환경이 고온, 고압이며, 최종 생성물인 테레프탈 산의 순도에 대해서는 명확한 언급이 없다.In order to solve this problem, Korean Patent Laid-Open No. 10-2005-0049566 and U.S. Patent No. 4,542,239 propose a method of reacting PET with ammonium hydroxide, but the reaction environment is high temperature and high pressure, and the final product, terephthalic acid, is There is no explicit mention of purity.

KR 10-0429385 B1 (2004.04.29. 공고)KR 10-0429385 B1 (2004.04.29. Announcement) KR 10-0224466 B1 (1999.10.15. 공고)KR 10-0224466 B1 (199.10.15. Announcement) KR 10-2005-0049566 A (2005.05.27. 공개)KR 10-2005-0049566 A (published on May 27, 2005) USP 4,542,239 (1985.09.17. 공고)USP 4,542,239 (1985.09.17. Announcement)

본 발명의 목적은, 왕겨를 이용하여 PET의 TPA 분해용 SiO2 촉매를 제조하고, 이를 이용하여 폴리에틸렌 테레프탈레이트(Polyethylene terephthalate)를 마이크로파 반응기에서 반응시켜 고체상 테레프탈 산을 용이하게 제조할 수 있는 방법을 제공하는 데 있다. An object of the present invention is to prepare a SiO 2 catalyst for TPA decomposition of PET by using rice hull, and by using it to react polyethylene terephthalate in a microwave reactor, a method for easily producing solid terephthalic acid is to provide

또한, 본 발명은 중성 조건하에서 폴리에틸렌 테레프탈레이트(Polyethylene terephthalate)를 가수분해할 때 테레프탈 산 중의 불순물 함량을 낮추어 고순도의 테레프탈 산을 제조하는 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.Another object of the present invention is to provide a method for producing terephthalic acid of high purity by lowering the impurity content in terephthalic acid when hydrolyzing polyethylene terephthalate under neutral conditions.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제(들)로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제(들)는 이하의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The problem to be solved by the present invention is not limited to the problem(s) mentioned above, and another problem(s) not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른, PET의 TPA 분해용 SiO2 촉매는, 바이오 매스로부터 추출된 것을 특징으로 한다.According to a preferred embodiment of the present invention, the SiO 2 catalyst for TPA decomposition of PET is characterized in that it is extracted from biomass.

일 실시예에 있어서, 상기 바이오 매스는 왕겨인 것이 바람직하다.In one embodiment, the biomass is preferably rice husk.

일 실시예에 있어서, 상기 PET의 TPA 분해용 바이오 매스 유래 SiO2 촉매는 티올 작용기(-SH)에 의해 표면이 개질된 것이 바람직하다.In one embodiment, the surface of the biomass-derived SiO 2 catalyst for TPA decomposition of PET is preferably modified by a thiol functional group (-SH).

일 실시예에 있어서, 상기 SiO2 촉매의 비표면적은 151.92 ~ 281.02 m2/g이고, 기공의 크기는 0.57 ~ 0.66 nm인 것이 바람직하다.In one embodiment, the specific surface area of the SiO 2 catalyst is 151.92 ~ 281.02 m 2 /g, and the pore size is preferably 0.57 ~ 0.66 nm.

본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른, PET의 TPA 분해용 바이오매스 유래 SiO2 촉매의 제조방법은, (가) 왕겨를 분쇄한 후 산처리하는 단계; 및 (나) 상기 (가) 단계의 산처리된 왕겨를 열처리하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.According to another preferred embodiment of the present invention, a method for producing a biomass-derived SiO 2 catalyst for TPA decomposition of PET includes the steps of: (A) pulverizing rice hulls and then acid-treating; and (B) heat-treating the acid-treated rice hull of step (A).

다른 실시예에 있어서, 상기 (가) 단계의 상기 산처리는, 황산, 염산, 질산, 인산, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 1 종을 포함하는 산성용액을 사용하여, 40 ∼ 150 ℃에서 10 분 ∼ 3 시간 동안 수행되는 것이 바람직하다.In another embodiment, the acid treatment in step (a) is performed using an acidic solution containing one selected from the group consisting of sulfuric acid, hydrochloric acid, nitric acid, phosphoric acid, and mixtures thereof, at 40 to 150 ° C. It is preferably carried out for 10 minutes to 3 hours.

다른 실시예에 있어서, 상기 (가) 단계의 산처리 후, 상기 산처리된 왕겨를 여과 및 세척하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.In another embodiment, after the acid treatment of step (a), it is preferable to further include the step of filtering and washing the acid-treated rice husk.

다른 실시예에 있어서, 상기 (나) 단계의 열처리는 600 ~ 700 ℃의 온도를 상온에서 분당 3.5 ℃씩 상승시켜 2 ~ 3 시간 동안 수행되는 것이 바람직하다.In another embodiment, the heat treatment in step (b) is preferably performed for 2-3 hours by increasing the temperature of 600 ~ 700 ℃ by 3.5 ℃ per minute at room temperature.

다른 실시예에 있어서, 상기 (나) 단계 후 SiO2 촉매의 표면을 개질시키는 단계를 더 포함하며, 상기 SiO2 촉매의 표면을 개질시키는 단계는, 상기 SiO2 촉매와 머캅토프로필 트리메톡시실란(Mercaptopropyl trimethoxysilane)을 톨루엔(Tolyene) 용매에 투입하여 혼합물을 제조하는 단계; 상기 혼합물을 세척하는 단계; 및 상기 세척된 혼합물을 건조시키는 단계;를 포함하는 것이 바람직하다.In another embodiment, the step (b) and then further comprising the step of modifying the surface of the SiO 2 catalyst, the step of modifying the surface of the SiO 2 catalyst, the SiO 2 catalyst and mercaptopropyl trimethoxysilane (Mercaptopropyl trimethoxysilane) was added to a toluene (Tolyene) solvent to prepare a mixture; washing the mixture; and drying the washed mixture.

본 발명의 또 다른 바람직한 실시예에 따른 바이오 매스 유래 SiO2 촉매를 이용한 PET의 TPA 분해방법은, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(Polyethylene terephthalate), 바이오매스 유래 SiO2 촉매, 및 물을 혼합하고 마이크로파를 조사하여 상기 폴리에틸렌 테레프탈레이트를 테레프탈 산(Terephthalic acid)으로 가수분해하는 것을 특징으로 한다. TPA decomposition method of PET using biomass-derived SiO 2 catalyst according to another preferred embodiment of the present invention, polyethylene terephthalate (Polyethylene terephthalate), biomass-derived SiO 2 catalyst, and water are mixed and irradiated with microwaves to It is characterized in that polyethylene terephthalate is hydrolyzed to terephthalic acid.

또 다른 실시예에 있어서, 상기 폴리에틸렌 테레프탈레이트를 테레프탈 산으로 가수분해하는 방법은, (a) 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 바이오매스 유래 SiO2 촉매 및 물을 마이크로파 반응기에서 반응시켜 테레프탈 산이 침전된 혼합물을 제조하는 단계; (b) 상기 혼합물에 수산화나트륨을 혼합하여 테레프탈 산을 용해시키는 단계; (c) 상기 테레프탈 산이 용해된 혼합물을 여과하여 잔여물과 촉매를 제거하는 단계; (d) 상기 잔여물과 촉매가 제거된 혼합물에 산성용액을 투입하여 침전물을 형성시키고 수득하는 단계; 및 (e) 상기 수득된 침전물을 건조시키는 단계;를 포함하는 것이 바람직하다.In another embodiment, the method of hydrolyzing polyethylene terephthalate into terephthalic acid comprises (a) reacting polyethylene terephthalate, biomass-derived SiO 2 catalyst and water in a microwave reactor to prepare a mixture in which terephthalic acid is precipitated step; (b) dissolving terephthalic acid by mixing sodium hydroxide with the mixture; (c) filtering the mixture in which the terephthalic acid is dissolved to remove the residue and the catalyst; (d) forming and obtaining a precipitate by adding an acidic solution to the mixture from which the residue and the catalyst are removed; and (e) drying the obtained precipitate.

또 다른 실시예에 있어서, 상기 산성용액은, 황산, 염산, 질산, 인산, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 1 종인 것이 바람직하다.In another embodiment, the acidic solution is preferably one selected from the group consisting of sulfuric acid, hydrochloric acid, nitric acid, phosphoric acid, and mixtures thereof.

본 발명에 의한 PET의 TPA 분해용 바이오 매스 유래 SiO2 촉매, 그 제조방법, 및 이를 이용한 PET의 TPA 분해방법을 이용하면, 종래의 중성 조건하에서 PET 가수분해 속도 보다 빠른 시간에 고순도 테레프탈 산(TPA)의 제조가 가능하며, 제조된 테레프탈 산은 다시 폴리에스테르 섬유의 원료 등으로 유용하게 사용할 수 있다.Using the biomass-derived SiO 2 catalyst for TPA decomposition of PET, its preparation method, and the PET TPA decomposition method using the same according to the present invention, high-purity terephthalic acid (TPA) in a time faster than the PET hydrolysis rate under conventional neutral conditions ) can be produced, and the prepared terephthalic acid can be used again as a raw material for polyester fibers.

도 1은 PET의 TPA 분해용 바이오 매스 유래 SiO2 촉매의 제조방법을 나타낸 것이다.
도 2는 폴리에틸렌 테레프탈레이트를 테레프탈 산으로 가수분해하는 방법을 나타낸 것이다.
도 3(a) 내지 3(f)는 실시예 1 및 2의 SEM 이미지를 나타낸 것이다.
도 4는 실시예 1에 따라 제조된 SiO2 촉매의 X-선 회절 패턴을 분석한 것이다.
도 5(a) 내지 5(f)는 실시예 1 및 실시예 2에 따라 제조된 SiO2 촉매의 XPS를 측정한 결과를 나타낸 것이다.
도 6(a) 및 6(b)는 실시예 1 및 2에 따라 제조된 SiO2 촉매의 XPS 정량분석을 나타낸 것이다.
도 7(a) 및 7(b)는 실시예 1 및 2에 따라 제조된 SiO2 촉매의 N2 흡착/탈착 등온선을 나타낸 것이다.
도 8은 실시예 1 및 2에 따라 제조된 SiO2 촉매의 NH3-TPD 측정결과를 나타낸 것이다.
도 9(a) 및 9(b)는 시간 및 온도에 따른 TPA의 수율을 나타낸 그래프이다.
도 10(a) 및 10(b)는 테레프탈 산(TPA)의 NMR을 분석한 것이다.
도 11(a) 및 11(b)는 농도 및 시간에 대한 반응속도 상수값을 나타낸 그래프이다.
1 shows a method for preparing a biomass-derived SiO 2 catalyst for TPA decomposition of PET.
2 shows a method for hydrolyzing polyethylene terephthalate to terephthalic acid.
3(a) to 3(f) show SEM images of Examples 1 and 2.
4 is an analysis of the X-ray diffraction pattern of the SiO 2 catalyst prepared according to Example 1.
5(a) to 5(f) show the results of measuring XPS of the SiO 2 catalysts prepared according to Examples 1 and 2;
Figures 6 (a) and 6 (b) shows the XPS quantitative analysis of the SiO 2 catalyst prepared according to Examples 1 and 2.
7(a) and 7(b) show N 2 adsorption/desorption isotherms of SiO 2 catalysts prepared according to Examples 1 and 2;
8 shows the NH 3 -TPD measurement results of the SiO 2 catalysts prepared according to Examples 1 and 2;
9(a) and 9(b) are graphs showing the yield of TPA according to time and temperature.
10(a) and 10(b) are NMR analysis of terephthalic acid (TPA).
11(a) and 11(b) are graphs showing reaction rate constant values with respect to concentration and time.

이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것을 달성하는 방법은 첨부된 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다.Advantages and features of the present invention, and a method of achieving the same, will become apparent with reference to the embodiments described below in detail in conjunction with the accompanying drawings.

그러나, 본 발명은 이하에 개시되는 실시예들에 의해 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있고, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 또한, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.However, the present invention is not limited by the embodiments disclosed below, but may be implemented in various different forms, and only the present embodiments allow the disclosure of the present invention to be complete, and it is common in the art to which the present invention pertains. It is provided to fully inform those with the knowledge of the scope of the invention. Moreover, the invention is only defined by the scope of the claims.

나아가, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기술 등이 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있다고 판단되는 경우 그에 관한 자세한 설명은 생략하기로 한다.Furthermore, in the description of the present invention, when it is determined that related known techniques may obscure the gist of the present invention, detailed description thereof will be omitted.

본 발명의 설명에 앞서 본 발명에서 설명되는 바이오 매스는 왕겨일 수 있다.Prior to the description of the present invention, the biomass described in the present invention may be rice husk.

상기 바이오 매스에서 제조되는 PET의 TPA 분해용 SiO2 나노입자는 SiO2 촉매일 수 있다. SiO 2 nanoparticles for TPA decomposition of PET prepared from the biomass may be a SiO 2 catalyst.

또한, 티올 작용기에 의하여 표면이 개질된 SiO2 촉매는 Thiol-SiO2 촉매로 표현한다.In addition, the surface-modified SiO 2 catalyst by a thiol functional group is expressed as a Thiol-SiO 2 catalyst.

본 발명의 목적은 왕겨를 이용하여 PET의 TPA 분해용 SiO2 촉매를 제조하고, 이를 이용하여 폴리에틸렌 테레프탈레이트(Polyethylene terephthalate)를 마이크로파 반응기에서 반응시켜 고체상 테레프탈 산을 용이하게 분해할 수 있는 방법을 제공하는 데 있다. An object of the present invention is to prepare a SiO 2 catalyst for decomposing TPA of PET using rice husk, and by using it to react polyethylene terephthalate in a microwave reactor to provide a method for easily decomposing solid terephthalic acid is to do

또한, 본 발명은 중성 조건하에서 폴리에틸렌 테레프탈레이트(Polyethylene terephthalate)를 가수분해할 때 테레프탈 산 중의 불순물 함량을 낮추어 고순도의 테레프탈 산을 제조하는 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.Another object of the present invention is to provide a method for producing terephthalic acid of high purity by lowering the impurity content in terephthalic acid when hydrolyzing polyethylene terephthalate under neutral conditions.

본 발명의 바이오 매스로부터 추출된 PET의 TPA 분해용 SiO2 촉매 및 그 제조방법을 제공하며, 상기 PET의 TPA 분해용 바이오 매스 유래 SiO2 촉매를 이용하여 폴리에틸렌 테레프탈레이트(Polyethylene terephthalate)를 가수분해하는 방법을 제공한다. The present invention provides a SiO 2 catalyst for TPA decomposition of PET extracted from biomass and a method for producing the same, and uses the SiO 2 catalyst derived from biomass for TPA decomposition of PET to hydrolyze polyethylene terephthalate. provide a way

본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 매스는 왕겨일 수 있다.Biomass according to an embodiment of the present invention may be rice husk.

본 발명의 일 실시예에 따른 PET의 TPA 분해용 SiO2 촉매는 바이오 매스로부터 추출된 것이며, 상기 SiO2 촉매는 티올 작용기(-SH)에 의해 표면이 개질된 것일 수 있다. The SiO 2 catalyst for TPA decomposition of PET according to an embodiment of the present invention is extracted from biomass, and the SiO 2 catalyst may have a surface modified by a thiol functional group (-SH).

상기 SiO2 촉매의 비표면적은 151.92 ~ 281.02 m2/g이고, 기공의 크기는 0.57 ~ 0.66 nm일 수 있다.The specific surface area of the SiO 2 catalyst may be 151.92 ~ 281.02 m 2 /g, and the pore size may be 0.57 ~ 0.66 nm.

이하, 도 1을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 PET의 TPA 분해용 바이오 매스 유래 SiO2 촉매의 제조방법에 대하여 설명한다. Hereinafter, a method for producing a biomass-derived SiO 2 catalyst for TPA decomposition of PET according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 1 .

도 1은 PET의 TPA 분해용 바이오 매스 유래 SiO2 촉매의 제조방법을 나타낸 것이다.1 shows a method for preparing a biomass-derived SiO 2 catalyst for TPA decomposition of PET.

본 발명의 일 실시예에 따른 PET의 TPA 분해용 바이오매스 유래 SiO2 촉매의 제조방법은, (가) 왕겨를 분쇄한 후 산처리하는 단계(S10); 및 (나) 상기 (가) 단계(S10)의 산처리된 왕겨를 열처리하는 단계(S20);를 포함하여 제공된다. A method for producing a biomass-derived SiO 2 catalyst for TPA decomposition of PET according to an embodiment of the present invention comprises the steps of (A) pulverizing rice hulls and then acid-treating (S10); And (B) step (S20) of heat-treating the acid-treated rice hull of the (A) step (S10); is provided including.

상기 (가) 단계(S10)는 왕겨를 분쇄하고 산처리하는 단계이다.The (a) step (S10) is a step of pulverizing the rice hulls and acid treatment.

상기 왕겨를 일정크기로 분쇄하는 이유는 분쇄 후 이루어지는 산처리 공정의 효율성을 높이고, 최종적으로 제조되는 SiO2의 순도를 높이기 위함이다.The reason for pulverizing the rice hull to a certain size is to increase the efficiency of the acid treatment process after pulverization and to increase the purity of SiO 2 finally produced.

상기 왕겨를 분쇄하는 방법은 제한하지 않으며, 구체적으로 밀링하여 수행될 수 있다.The method of pulverizing the rice hull is not limited, and may be specifically milled.

상기 밀링은 니형 밀링머신, 베드형 밀링머신, 만능 밀링머신 및 직립형 밀링머신 등 통상적으로 사용하는 밀링머신을 이용하여 수행할 수 있다.The milling may be performed using a commonly used milling machine, such as a knee-type milling machine, a bed-type milling machine, a universal milling machine, and an upright milling machine.

상기 밀링된 왕겨의 입자 크기는 50 ∼ 500 ㎛일 수 있다.The grain size of the milled rice hull may be 50 ~ 500㎛.

상기 (가) 단계(S10)의 산처리는 왕겨 내에 포함된 불순물을 제거하기 위함이며, 7 ~ 15 %의 산성용액일 수 있으며, 구체적으로는 10 % 산성용액일 수 있다.The acid treatment of (A) step (S10) is to remove impurities contained in the rice husk, and may be an acidic solution of 7 to 15%, specifically, a 10% acidic solution.

상기 산성용액은 황산, 염산, 질산, 인산, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 1 종의 것일 수 있으며, 구체적으로 염산일 수 있다.The acidic solution may be one selected from the group consisting of sulfuric acid, hydrochloric acid, nitric acid, phosphoric acid, and mixtures thereof, specifically hydrochloric acid.

상기 (가) 단계(S10)의 상기 (가) 단계의 상기 산처리는, 황산, 염산, 질산, 인산, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 1 종을 포함하는 산성용액을 사용하여, 40 ∼ 150 ℃에서 10 분 ∼ 3 시간 동안 수행될 수 있으며, 구체적으로 염산을 이용하여 50 ~ 100 ℃에서 20 ~ 2 시간 동안 수행될 수 있으며, 더욱 구체적으로는 염산을 이용하여 60 ℃에서 30 분 동안 수행될 수 있다.The acid treatment in step (a) of step (A) (S10) is performed using an acidic solution containing one selected from the group consisting of sulfuric acid, hydrochloric acid, nitric acid, phosphoric acid, and mixtures thereof, from 40 to It may be carried out at 150 ° C. for 10 minutes to 3 hours, specifically, it may be carried out at 50 to 100 ° C. for 20 to 2 hours using hydrochloric acid, and more specifically, it is carried out at 60 ° C. for 30 minutes using hydrochloric acid. can be

상기 분쇄된 왕겨의 산처리는 1 회 이상 수행될 수 있으며, 구체적으로 1 ~ 10 회 수행하며, 산성용액의 종류 및 농도에 따라 달리하여 수행될 수 있다.The acid treatment of the pulverized rice hulls may be performed one or more times, and specifically, it may be performed 1 to 10 times, and may be performed differently depending on the type and concentration of the acidic solution.

상기 (가) 단계(S10)의 산처리는 분쇄된 왕겨와 상기 산성용액을 1:5 ~ 15의 고액비(g:ml)로 수행될 수 있으며, 구체적으로는 1:10의 고액비로 수행될 수 있다.The acid treatment in step (A) (S10) may be performed with the pulverized rice hull and the acid solution in a solid-liquid ratio (g:ml) of 1:5 to 15, specifically, to be performed at a solid-liquid ratio of 1:10. can

상기 (가) 단계(S10)의 산처리 후, 상기 산처리된 왕겨를 여과 및 세척하는 단계를 더 포함할 수 있다.After the acid treatment of the (A) step (S10), the method may further include filtering and washing the acid-treated rice husk.

상기 여과는 SiO2 나노입자를 수득할 수 있는 방법이라면 이를 제한하지 않는다.The filtration is not limited as long as it is a method capable of obtaining SiO 2 nanoparticles.

상기 세척은 증류수, 톨루엔, 아세톤 등으로 1 회 ~ 4 회 수행될 수 있다.The washing may be performed 1 to 4 times with distilled water, toluene, acetone, or the like.

상기 (나) 단계(S20)는, 상기 (가) 단계(S10)의 산처리된 왕겨를 열처리하는 단계이다.The (b) step (S20) is a step of heat-treating the acid-treated rice husk of the (a) step (S10).

상기 (나) 단계(S20)의 열처리는 산처리된 왕겨를 상온에서 분당 3.5 ℃씩 상승시켜, 600 ~ 700 ℃의 온도에서 2 ~ 3 시간 동안 수행될 수 있다.The heat treatment of step (B) (S20) may be performed at a temperature of 600 ~ 700 °C for 2-3 hours by increasing the acid-treated rice husk by 3.5 °C per minute at room temperature.

열처리가 상기와 같은 조건에서 수행될 때 높은 비표면적(151.92 ~ 281.02 m2/g) 및 큰 기공(0.57 ~ 0.66 nm)의 SiO2 촉매를 수득할 수 있다.When the heat treatment is performed under the conditions described above , a SiO 2 catalyst having a high specific surface area (151.92 ~ 281.02 m 2 /g) and large pores (0.57 ~ 0.66 nm) can be obtained.

상기 (나) 단계(S10) 후 SiO2 촉매의 표면을 개질시키는 단계를 더 포함하며, 상기 SiO2 촉매의 표면을 개질시키는 단계는, 상기 SiO2 촉매와 머캅토프로필 트리메톡시실란(Mercaptopropyl trimethoxysilane)을 톨루엔(Tolyene) 용매에 투입하여 혼합물을 제조하는 단계; 상기 혼합물을 세척하는 단계; 및 상기 세척된 혼합물을 건조시키는 단계;를 포함할 수 있다.Step of step (b) (S10) and then further comprising the step of modifying the surface of the SiO 2 catalyst, and modify the surface of the SiO 2 catalyst, the SiO 2 catalyst and mercaptopropyl trimethoxysilane (Mercaptopropyl trimethoxysilane ) to prepare a mixture by adding the toluene (Tolyene) solvent; washing the mixture; and drying the washed mixture.

상기 혼합물을 세척하는 단계는, 증류수, 톨루엔, 아세톤 등으로 1 회 ~ 4 회 수행될 수 있다.The washing of the mixture may be performed 1 to 4 times with distilled water, toluene, acetone, or the like.

상기 세척된 혼합물을 건조시키는 단계는, 50 ~ 70 ℃에서 12 ~ 26 시간 동안 진공건조될 수 있다.Drying the washed mixture may be vacuum dried at 50 ~ 70 ℃ for 12 ~ 26 hours.

도 2는 폴리에틸렌 테레프탈레이트를 테레프탈 산으로 가수분해하는 방법을 나타낸 것이다.2 shows a method for hydrolyzing polyethylene terephthalate to terephthalic acid.

본 발명의 다른 실시예에 따른 바이오 매스 유래 SiO2 촉매를 이용한 PET의 TPA 분해방법은, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(Polyethylene terephthalate), 바이오매스 유래 SiO2 촉매, 및 물을 혼합하고 마이크로파를 조사하여 상기 폴리에틸렌 테레프탈레이트를 테레프탈 산(Terephthalic acid)으로 가수분해하는 것을 특징으로 한다. TPA decomposition method of PET using a biomass-derived SiO 2 catalyst according to another embodiment of the present invention, polyethylene terephthalate (Polyethylene terephthalate), a biomass-derived SiO 2 catalyst, and water are mixed and irradiated with microwave to the polyethylene terephthalate It is characterized in that the phthalate is hydrolyzed to terephthalic acid.

구체적으로 바이오 매스 유래 SiO2 촉매를 이용한 폴리에틸렌 테레프탈레이트를 테레프탈 산으로 가수분해하는 방법은, (a) 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 바이오매스 유래 SiO2 촉매, 및 물을 마이크로파 반응기에서 반응시켜 테레프탈 산이 침전된 혼합물을 제조하는 단계(S100); (b) 상기 혼합물에 수산화나트륨을 혼합하여 테레프탈 산을 용해시키는 단계(S200); (c) 상기 테레프탈 산이 용해된 혼합물을 여과하여 잔여물과 촉매를 제거하는 단계(S300); (d) 상기 잔여물과 촉매가 제거된 혼합물에 산성용액을 투입하여 침전물을 형성시키고 수득하는 단계(S400); 및 (e) 상기 수득된 침전물을 건조시키는 단계(S500);를 포함하여 제공된다.Specifically, the method of hydrolyzing polyethylene terephthalate to terephthalic acid using a biomass-derived SiO 2 catalyst is (a) a mixture in which terephthalic acid is precipitated by reacting polyethylene terephthalate, a biomass-derived SiO 2 catalyst, and water in a microwave reactor. manufacturing (S100); (b) dissolving terephthalic acid by mixing sodium hydroxide with the mixture (S200); (c) filtering the mixture in which the terephthalic acid is dissolved to remove the residue and the catalyst (S300); (d) forming and obtaining a precipitate by adding an acidic solution to the mixture from which the residue and catalyst are removed (S400); And (e) drying the obtained precipitate (S500); is provided including.

하기의 반응식 1은 폴리에틸렌 테레프탈레이트가 테레프탈 산으로 가수분해되는 과정을 나타낸 것이다.Scheme 1 below shows a process in which polyethylene terephthalate is hydrolyzed to terephthalic acid.

[반응식 1][Scheme 1]

Figure 112019014565218-pat00001
Figure 112019014565218-pat00001

상기 (a) 단계(S100)는 바이오매스에서 유래된 PET의 TPA 분해용 SiO2 촉매를 이용하여 폴리에틸렌 테레프탈레이트를 테레프탈 산으로 가수분해시키는 단계이다.The step (a) (S100) is a step of hydrolyzing polyethylene terephthalate into terephthalic acid using a SiO 2 catalyst for TPA decomposition of PET derived from biomass.

상기 가수분해는 마이크로파 반응기에서 수행될 수 있다.The hydrolysis may be performed in a microwave reactor.

상기 마이크로파 반응기(Anton Paar, Monowave 400, 영국)는 온도 및 압력 센서가 장착된 것일 수 있다.The microwave reactor (Anton Paar, Monowave 400, UK) may be equipped with temperature and pressure sensors.

상기 마이크로파 반응기에 대한 설명은 본 발명의 범위를 벗어나므로 이에 대한 설명은 생략한다.Since the description of the microwave reactor is outside the scope of the present invention, a description thereof will be omitted.

상기 SiO2 촉매는 바이오매스에서 유래된 SiO2 촉매일 수 있으며, 상기 바이오매스는 왕겨일 수 있다.The SiO 2 catalyst may be a SiO 2 catalyst derived from biomass, and the biomass may be rice husk.

또한, 상기 바이오매스에서 유래된 PET의 TPA 분해용 SiO2 촉매는 티올 작용기에 의해 표면이 개질된 것일 수 있다. In addition, the SiO 2 catalyst for TPA decomposition of PET derived from biomass may have a surface modified by a thiol functional group.

상기 SiO2 촉매는 앞서 설명하였기에 대한 설명은 생략한다.Since the SiO 2 catalyst has been described above, a description thereof will be omitted.

상기 폴리에틸렌 테레프탈레이트를 가수분해하기 위해서는 물이 필요한 것은 자명한 것으로 이에 대한 설명은 생략한다.Since it is obvious that water is required to hydrolyze the polyethylene terephthalate, a description thereof will be omitted.

상기 반응식 1을 참조하면, 상기 폴리에틸렌 테레프탈레이트가 가수분해되면 테레프탈 산이 침전된 혼합물이 제조된다.Referring to Scheme 1, when the polyethylene terephthalate is hydrolyzed, a mixture in which terephthalic acid is precipitated is prepared.

상기 혼합물은 테레프탈 산, 에틸렌 글리콜, 폴리에틸렌 테레프탈레이트 및 촉매일 수 있다.The mixture may be terephthalic acid, ethylene glycol, polyethylene terephthalate and a catalyst.

상기 (b) 단계(S200)는 상기 혼합물에 수산화나트륨을 혼합하여 테레프탈 산을 용해시키는 단계이다.The (b) step (S200) is a step of dissolving terephthalic acid by mixing sodium hydroxide with the mixture.

상기 (b) 단계(S200)에서 테레프탈 산을 용해함으로써, 다음 단계에서 불순물을 제거할 수 있다.By dissolving terephthalic acid in step (S200) of (b), impurities may be removed in the next step.

여기서 불순물이란 반응하지 않은 폴리에틸렌 테레프탈레이트와 촉매이다.Here, impurities are unreacted polyethylene terephthalate and catalyst.

상기 (c) 단계(S300)는 상기 테레프탈 산이 용해된 혼합물을 여과하여 잔여물과 촉매를 제거하는 단계이다.The step (c) (S300) is a step of removing the residue and the catalyst by filtering the mixture in which the terephthalic acid is dissolved.

상기 잔여물은, 미분해된 폴리에틸렌 테레프탈레이트이다.The residue is undecomposed polyethylene terephthalate.

상기 (c) 단계(S300)는 미분해된 폴리에틸렌 테레프탈레이트와 촉매를 제거할 수 있는 방법이라면 이를 제한하지 않는다.The (c) step (S300) is not limited as long as it is a method capable of removing undecomposed polyethylene terephthalate and catalyst.

상기 (d) 단계(S400)는, 상기 잔여물과 촉매가 제거된 혼합물에 산성용액을 투입하여 침전물을 형성시키고 수득하는 단계이다.In step (d) (S400), an acidic solution is added to the mixture from which the residue and catalyst are removed to form and obtain a precipitate.

상기 산성용액은 황산, 염산, 질산, 인산, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 1 종일 수 있으며, 바람직하게는 염산일 수 있다.The acidic solution may be one selected from the group consisting of sulfuric acid, hydrochloric acid, nitric acid, phosphoric acid, and mixtures thereof, preferably hydrochloric acid.

상기 (e) 단계(S500)는 수득된 침전물을 건조시키는 단계이다.The (e) step (S500) is a step of drying the obtained precipitate.

상기 수득된 침전물을 건조시키는 방법은 제한하지 않는다.The method of drying the obtained precipitate is not limited.

이하, 실시예 및 실험예에 의하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하고자 한다. 단, 하기 실시예 및 실험예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐 본 발명의 범위가 이들만으로 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail by way of Examples and Experimental Examples. However, the following examples and experimental examples are only for illustrating the present invention, and the scope of the present invention is not limited thereto.

실시예 1: PET의 TPA 분해용 바이오매스 유래 SiO2 촉매의 제조Example 1: Preparation of biomass-derived SiO 2 catalyst for TPA decomposition of PET

먼저, 분쇄기를 이용하여 왕겨의 입자크기가 150 ㎛이 되도록 분쇄하여 준비하였다.First, using a grinder, the grain size of the rice hull was prepared by grinding it to 150 μm.

10 g의 분쇄된 왕겨를 100 ml의 염산(10 % HCl) 수용액에 15 시간 동안 침지시켰다.10 g of pulverized rice husk was immersed in 100 ml of hydrochloric acid (10 % HCl) aqueous solution for 15 hours.

다음으로, 필터를 이용하여 염산 수용액을 제거한 후 증류수로 왕겨를 2 회 세척하였다.Next, after removing the aqueous hydrochloric acid solution using a filter, the rice husk was washed twice with distilled water.

마지막으로, 세척된 왕겨를 상온에서 분당 3.5 ℃씩 상승시켜 650 ℃의 온도에서 3 시간 동안 열처리(Annealing)하여 PET의 TPA 분해용 바이오매스 유래 SiO2 촉매를 제조하였다.Finally, the washed rice hulls were heated at a rate of 3.5° C. per minute at room temperature and annealed at a temperature of 650° C. for 3 hours to prepare a biomass-derived SiO 2 catalyst for decomposing TPA of PET.

실시예 2: 표면 개질된 PET의 TPA 분해용 SiO2 촉매의 제조Example 2: Preparation of SiO 2 catalyst for TPA decomposition of surface-modified PET

먼저, 실시예 1에 따라 제조된 PET의 TPA 분해용 바이오매스 유래 SiO2 촉매 0.5 g과 머캅토프로필 트리메톡시실란(Mercaptopropyl trimethoxysilane) 0.5 ml를 톨루엔(Toluene) 200 ml에 혼합한 후 24 시간 동안 환류시키고 톨루엔과 아세톤으로 세척하였다. First, 0.5 g of a biomass-derived SiO 2 catalyst for TPA decomposition of PET prepared according to Example 1 and 0.5 ml of mercaptopropyl trimethoxysilane were mixed in 200 ml of toluene and then for 24 hours It was refluxed and washed with toluene and acetone.

마지막으로, 60 ℃ 진공 오븐에서 24 시간 동안 건조시켜 표면 개질된 SiO2 (Thiol-SiO2) 촉매를 제조하였다. Finally, the surface-modified SiO 2 (Thiol-SiO 2 ) catalyst was prepared by drying in a vacuum oven at 60° C. for 24 hours.

실험예 1: 무촉매 PET의 가수분해Experimental Example 1: Hydrolysis of non-catalyst PET

먼저, 폴리에틸렌 테레탈레이트 0.1 g 및 탈이온수 12 ml를 마이크로파 반응기(Anton Paar, Monowave 400, 영국)에 테레프탈 산이 침전된 혼합물을 제조하였다.First, 0.1 g of polyethylene terephthalate and 12 ml of deionized water were placed in a microwave reactor (Anton Paar, Monowave 400, UK) to prepare a mixture in which terephthalic acid was precipitated.

반응 후 상기 테레프탈 산이 침전된 혼합물에 1 M의 수산화나트륨을 첨가하여 침전된 테레프탈 산(TPA)을 디-2-메틸 테레프탈 산(NaTPA)의 형태로 용해시킨 후 여과하여 반응하지 않은 폴리에틸렌 테레프탈레이트를 제거하였다.After the reaction, 1 M sodium hydroxide was added to the mixture in which terephthalic acid was precipitated to dissolve the precipitated terephthalic acid (TPA) in the form of di-2-methyl terephthalic acid (NaTPA), and then filtered to obtain unreacted polyethylene terephthalate. removed.

다음으로, 과량의 염산을 투입하여 TPA를 침전시키고 여과하여 TPA를 분리하였다.Next, an excess of hydrochloric acid was added to precipitate TPA, followed by filtration to separate TPA.

마지막으로, 60 ℃의 오븐에서 건조 TPA를 수득하였다.Finally, dry TPA was obtained in an oven at 60°C.

실험예 2: PET의 TPA 분해용 바이오 매스 유래 SiO2 촉매를 이용한 PET의 가수분해Experimental Example 2: Hydrolysis of PET using SiO 2 catalyst derived from biomass for TPA decomposition of PET

먼저, 실시예 1에 따라 제조된 SiO2 촉매 0.1 g, 폴리에틸렌 테레탈레이트 0.1 g 및 탈이온수 12 ml를 마이크로파 반응기(Anton Paar, Monowave 400, 영국)에 테레프탈 산이 침전된 혼합물을 제조하였다. First, 0.1 g of the SiO 2 catalyst prepared according to Example 1, 0.1 g of polyethylene teretalate, and 12 ml of deionized water were placed in a microwave reactor (Anton Paar, Monowave 400, UK) to prepare a mixture in which terephthalic acid was precipitated.

반응 후 상기 테레프탈 산이 침전된 혼합물에 1 M의 수산화나트륨을 첨가하여 침전된 테레프탈 산(TPA)을 디-2-메틸 테레프탈 산(NaTPA)의 형태로 용해시킨 후 여과하여 반응하지 않은 폴리에틸렌 테레프탈레이트와 SiO2 촉매를 제거하였다.After the reaction, 1 M sodium hydroxide was added to the mixture in which terephthalic acid was precipitated to dissolve the precipitated terephthalic acid (TPA) in the form of di-2-methyl terephthalic acid (NaTPA), and filtered to obtain unreacted polyethylene terephthalate and The SiO 2 catalyst was removed.

다음으로, 과량의 염산을 투입하여 TPA를 침전시키고 여과하여 TPA를 분리하였다.Next, an excess of hydrochloric acid was added to precipitate TPA, followed by filtration to separate TPA.

마지막으로, 60 ℃의 오븐에서 건조 TPA를 수득하였다.Finally, dry TPA was obtained in an oven at 60°C.

실험예 3: 표면 개질된 PET의 TPA 분해용 SiO2 촉매를 이용한 PET의 가수분해Experimental Example 3: Hydrolysis of PET using SiO 2 catalyst for TPA decomposition of surface-modified PET

먼저, 실시예 2에 따라 제조된 표면 개질된 SiO2 촉매 0.1 g, 폴리에틸렌 테레탈레이트 0.1 g 및 탈이온수 12 ml를 마이크로파 반응기(Anton Paar, Monowave 400, 영국)에 테레프탈 산이 침전된 혼합물을 제조하였다.First, 0.1 g of the surface-modified SiO 2 catalyst prepared according to Example 2, 0.1 g of polyethylene teretalate, and 12 ml of deionized water were placed in a microwave reactor (Anton Paar, Monowave 400, UK) to prepare a mixture in which terephthalic acid was precipitated. .

반응 후 상기 테레프탈 산이 침전된 혼합물에 1 M의 수산화나트륨을 첨가하여 침전된 테레프탈 산(TPA)을 디-2-메틸 테레프탈 산(NaTPA)의 형태로 용해시킨 후 여과하여 반응하지 않은 폴리에틸렌 테레프탈레이트와 표면 개질된 SiO2 촉매를 제거하였다.After the reaction, 1 M sodium hydroxide was added to the mixture in which terephthalic acid was precipitated to dissolve the precipitated terephthalic acid (TPA) in the form of di-2-methyl terephthalic acid (NaTPA), and filtered to obtain unreacted polyethylene terephthalate and The surface-modified SiO 2 catalyst was removed.

다음으로, 과량의 염산을 투입하여 TPA를 침전시키고 여과하여 TPA를 분리하였다.Next, an excess of hydrochloric acid was added to precipitate TPA, followed by filtration to separate TPA.

마지막으로, 60 ℃의 오븐에서 건조 TPA를 수득하였다.Finally, dry TPA was obtained in an oven at 60°C.

1. SiO1. SiO 22 촉매의 특성 분석 Catalyst characterization

도 3(a) 내지 3(f)는 실시예 1 및 2의 SEM 이미지를 나타낸 것이다.3(a) to 3(f) show SEM images of Examples 1 and 2.

도 3(a) 내지 3(c)를 참조하면, 실시예 1에 따라 제조된 SiO2 촉매는 약 50 nm의 사이즈를 갖는 작은 SiO2 입자로 구성되고, 미세한 상호 연결 구조를 갖는 막대 모양의 형태인 것을 확인할 수 있다.3(a) to 3(c), the SiO 2 catalyst prepared according to Example 1 is composed of small SiO 2 particles having a size of about 50 nm, and a rod-shaped form having a fine interconnection structure. It can be confirmed that

또한, 도 3(d) 내지 3(f)를 참조하면, 실시예 2에 따라 제조되어 표면 개질된 SiO2 촉매는 표면을 개질한 후에도 미세한 형태를 계속 유지하는 것을 확인할 수 있다.In addition, referring to FIGS. 3(d) to 3(f), it can be seen that the surface-modified SiO 2 catalyst prepared according to Example 2 continues to maintain a fine shape even after the surface is modified.

결과적으로, 이러한 나노구조는 SiO2 촉매의 고유한 형태인 것을 확인할 수 있다.As a result, it can be confirmed that these nanostructures are intrinsic to the SiO 2 catalyst.

2. SiO2. SiO 22 촉매의 X-선 회절 분석 X-ray diffraction analysis of catalysts

도 4는 실시예 1에 따라 제조된 SiO2 촉매의 X-선 회절 패턴을 분석한 것이다.4 is an analysis of the X-ray diffraction pattern of the SiO 2 catalyst prepared according to Example 1.

도 4를 참조하면 2θ 값이 20° 부분에서 넓은 돌기 형태로 나타났으며, 이것은 비정질 상태 실리카의 X-선 회절 패턴과 일치한다.Referring to FIG. 4 , the 2θ value appeared in the form of a wide protrusion at 20°, which is consistent with the X-ray diffraction pattern of amorphous silica.

3. SiO3. SiO 22 촉매의 X-선 광전자 분광법(XPS)에 의한 분석 Analysis by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) of catalysts

도 5(a) 내지 5(f)는 실시예 1 및 실시예 2에 따라 제조된 SiO2 촉매의 XPS를 측정한 결과를 나타낸 것이다.5(a) to 5(f) show the results of measuring XPS of the SiO 2 catalysts prepared according to Examples 1 and 2;

도 5(a) 내지 5(c)를 참조하면, O 1s 스펙트럼에서 실시예 1에 따라 제조된 SiO2 촉매는 532.8 eV에서 단일피크를 나타내었으며, 이것은 Si-O-Si결합 환경에서 산소(O)에 해당한다. 또한, Si 2p 스펙트럼에서 실시예 1에 따라 제조된 SiO2 촉매는 103.5 eV에서 단일피크를 나타내었으며, 이것은 Si-O결합 환경에서 실리콘(Si)에 해당한다. 또한, S 2p 스펙트럼에서 실시예 1에 따라 제조된 SiO2 촉매는 황에 해당하는 피크는 발견되지 않았다.5(a) to 5(c), the SiO 2 catalyst prepared according to Example 1 in the O 1s spectrum exhibited a single peak at 532.8 eV, which is oxygen (O) in the Si—O—Si bonding environment. ) corresponds to In addition, in the Si 2p spectrum, the SiO 2 catalyst prepared according to Example 1 exhibited a single peak at 103.5 eV, which corresponds to silicon (Si) in a Si—O bonding environment. In addition, in the S 2p spectrum, in the SiO 2 catalyst prepared according to Example 1, a peak corresponding to sulfur was not found.

도 5(d) 내지 5(f)를 참조하면, O 1s 스펙트럼에서 실시예 2에 따라 제조된 SiO2 촉매는 532.9 eV에서 단일피크를 나타났다. 이것은 촉매의 표면을 티올 관능기로 개질한 후에도 Si-O-Si의 결합이 변하지 않은 것을 확인할 수 있는 결과이다.5(d) to 5(f), the SiO 2 catalyst prepared according to Example 2 in the O 1s spectrum exhibited a single peak at 532.9 eV. This is a result confirming that the Si-O-Si bond is not changed even after the surface of the catalyst is modified with a thiol functional group.

그러나, Si 2p 스펙트럼에서 실시예 2에 따라 제조된 SiO2 촉매는 Si-O 결합(103.8 ev)을 나타내는 하나의 피크와 Si-S 결합(102.4 eV)을 나타내는 또 하나의 피크로 데콘볼루션(deconvolution)되는 것을 확인할 수 있으며, 이것은 촉매의 표면이 티올 관능기로 개질되었다는 것을 의미한다.However, in the Si 2p spectrum, the SiO 2 catalyst prepared according to Example 2 was deconvolved with one peak representing the Si-O bond (103.8 ev) and another peak representing the Si-S bond (102.4 eV) ( deconvolution), which means that the surface of the catalyst has been modified with a thiol functional group.

더불어, S 2p 스펙트럼에서 실시예 2에 따라 제조된 SiO2 촉매는 S 2p1/2 및 2p3/2에 해당하는 피크가 각각 164.6 eV 및 163.5 eV에서 확인되었으며, 이는 촉매의 표면이 티올 관능기로 인해 개질되어 나타나는 것으로 확인할 수 있다.In addition, in the S 2p spectrum, the SiO 2 catalyst prepared according to Example 2 had peaks corresponding to S 2p1/2 and 2p3/2 at 164.6 eV and 163.5 eV, respectively, which indicates that the surface of the catalyst is modified due to the thiol functional group. It can be confirmed that it appears as

도 6(a) 및 6(b)는 실시예 1 및 2에 따라 제조된 SiO2 촉매의 XPS 정량분석을 나타낸 것이다.Figures 6 (a) and 6 (b) shows the XPS quantitative analysis of the SiO 2 catalyst prepared according to Examples 1 and 2.

도 6(a) 및 6(b)를 참조하면, 실시예 1에 따라 제조된 SiO2 촉매의 실리콘 원자비는 31.24 %이고, 산소 원자비는 64.01 %로 종래의 SiO2 구성과 일치하는 것으로 확인되었으며, 실시예 2에 따라 제조된 SiO2 촉매의 실리콘 원자비는 26.26 %이고, 산소 원자비는 50.65 %이며, 황 원자비는 2.78 %인 것을 확인할 수 있다.6(a) and 6(b), the silicon atomic ratio of the SiO 2 catalyst prepared according to Example 1 is 31.24%, and the oxygen atomic ratio is 64.01%, which is consistent with the conventional SiO 2 configuration. It can be seen that the silicon atomic ratio of the SiO 2 catalyst prepared according to Example 2 is 26.26%, the oxygen atomic ratio is 50.65%, and the sulfur atomic ratio is 2.78%.

실시예 2에 따라 제조된 SiO2 촉매의 원자비가 실시예 1과 상이한 것은 실시예 2에 따라 제조된 SiO2 촉매의 표면이 티올 관능기로 개질되었기 때문이다. The atomic ratio of the SiO 2 catalyst prepared according to Example 2 is different from that of Example 1 because the surface of the SiO 2 catalyst prepared according to Example 2 was modified with a thiol functional group.

상기 XPS 분석결과 실시예 2에 따라 제조된 SiO2 촉매는 표면 개질 과정이 잘 수행되었으며, 실시예 1에 따라 제조된 SiO2 촉매의 표면을 개질하더라도 초기 구조에 영향을 주지 않는 것을 확인할 수 있다.As a result of the XPS analysis, it can be seen that the surface modification process of the SiO 2 catalyst prepared according to Example 2 was well performed, and even though the surface of the SiO 2 catalyst prepared according to Example 1 was modified, the initial structure was not affected.

4. SiO4. SiO 22 촉매의 N Catalyst N 22 흡착/탈착 분석 및 NH Adsorption/desorption analysis and NH 33 -TPD 분석-TPD analysis

도 7(a) 및 7(b)는 실시예 1 및 2에 따라 제조된 SiO2 촉매의 N2 흡착/탈착 등온선을 나타낸 것이고, 도 8은 실시예 1 및 2에 따라 제조된 SiO2 촉매의 NH3-TPD 측정결과를 나타낸 것이다.Figure 7 (a) and 7 (b) is in the first embodiment and will illustrating the N 2 adsorption / desorption isotherms of a SiO 2 catalyst prepared in accordance with 2, 8 is for example 1 and the SiO 2 catalyst prepared according to the two NH 3 -TPD measurement results are shown.

도 7(a) 및 7(b)를 참조하면, 실시예 1 및 2에 따라 제조된 두 SiO2 촉매 모두는 다층 흡착(multilayer adsorption)에 이은 모세관 응축(capillary condensation)을 통한 메조포러스 고체(mesoporous solids)로 인하여 0.4 ~ 1.0 상대압력(P/PO) 범위에서 히스테리시스 루프(Hysteresis loops)를 형성하는 Ⅳ 타입의 등온선을 나타내었다.7(a) and 7(b), both SiO 2 catalysts prepared according to Examples 1 and 2 were mesoporous through multilayer adsorption followed by capillary condensation. solids), exhibited IV type isotherms forming hysteresis loops in the range of 0.4 to 1.0 relative pressure (P/PO).

Brunauer-Emmett-Teller(BET) 이론(SBET)에 의해 SiO2 촉매의 비표면적을 계산하였다.The specific surface area of the SiO 2 catalyst was calculated by the Brunauer-Emmett-Teller (BET) theory (SBET).

실시예 1 및 2에 따라 제조된 SiO2 촉매의 비표면적은 281.02 m2/g 및 151.92 m2/g으로 계산되었다.The specific surface areas of the SiO 2 catalysts prepared according to Examples 1 and 2 were calculated to be 281.02 m 2 /g and 151.92 m 2 /g.

또한, Hgoorvath-Kawazoe (HK) 방법에 의해 SiO2 촉매의 기공 크기를 계산하였다.In addition, the pore size of the SiO 2 catalyst was calculated by the Hgoorvath-Kawazoe (HK) method.

실시예 1 및 2에 따라 제조된 SiO2 촉매의 기공 크기는 각각 0.57 nm와 0.66 nm으로 계산되었다. The pore sizes of the SiO 2 catalysts prepared according to Examples 1 and 2 were calculated to be 0.57 nm and 0.66 nm, respectively.

두 결과를 통해 SiO2 촉매는 티올 개질 과정 동안 표면적 및 기공 크기가 거의 변하지 않는 것을 확인할 수 있다.Through the two results, it can be confirmed that the SiO 2 catalyst hardly changes the surface area and pore size during the thiol reforming process.

도 8을 참조하면, 실시예 1에 따라 제조된 SiO2 촉매는 161.6 ℃의 저온 영역(LT)에서 NH3 흡착 피크가 확인되었으며, 계산된 산성부위 농도는 0.00838 mmol/g 이다.Referring to FIG. 8 , in the SiO 2 catalyst prepared according to Example 1, an NH 3 adsorption peak was confirmed in the low temperature region (LT) of 161.6° C., and the calculated acidic site concentration was 0.00838 mmol/g.

또한, 실시예 2에 따라 제조된 SiO2 촉매 역시 161.6 ℃의 저온 영역(LT)에서 NH3 흡착 피크가 확인되었으며, 계산된 산성부위 농도는 0.00838 mmol/g 이다.In addition, the SiO 2 catalyst prepared according to Example 2 also showed an NH 3 adsorption peak in the low-temperature region (LT) of 161.6° C., and the calculated acidic site concentration was 0.00838 mmol/g.

그러나, 실시예 2에 따라 제조된 SiO2 촉매는 표면의 티올 관능기가 산성부위로 작용하여 369.4 ℃의 고온 영역(HT)에서 또 다른 NH3 흡착 피크가 확인되었으며, 계산된 산성부위 농도는 0.3.9319 mmol/g 이다. However, in the SiO 2 catalyst prepared according to Example 2, another NH 3 adsorption peak was confirmed in the high temperature region (HT) of 369.4 ℃ because the thiol functional group on the surface acted as an acidic site, and the calculated acidic site concentration was 0.3. 9319 mmol/g.

5. 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)의 가수분해에 따른 테레프탈 산(TPA)의 수율계산5. Calculation of Yield of Terephthalic Acid (TPA) by Hydrolysis of Polyethylene Terephthalate (PET)

폴리에틸렌 테레프탈레이트를 실시예 1 및 2에 따라 제조된 SiO2 촉매를 이용하여 가수분해된 테레프탈 산의 수율을 계산하였다. Polyethylene terephthalate was hydrolyzed using the SiO 2 catalyst prepared according to Examples 1 and 2 to calculate the yield of terephthalic acid.

도 9(a) 및 9(b)는 시간 및 온도에 따른 TPA의 수율을 나타낸 그래프이다.9(a) and 9(b) are graphs showing the yield of TPA according to time and temperature.

TPA의 수율은 하기의 방정식 1에 의해 계산되었다.The yield of TPA was calculated by Equation 1 below.

[방정식 1][Equation 1]

Figure 112019014565218-pat00002
Figure 112019014565218-pat00002

도 9(a)는 230 ℃의 온도에서 반응시간에 따른 테레프탈 산의 가수분해 수율을 비교한 것이다.Figure 9 (a) is a comparison of the hydrolysis yield of terephthalic acid according to the reaction time at a temperature of 230 ℃.

도 9(a)를 참조하면, 촉매를 사용하지 않은 폴리에틸렌 테레프탈레이트 가수분해는 초기 5 분 동안 반응하지 않았으며, 50 분 동안 반응하여 수율이 91.74 %에 도달하였다.Referring to FIG. 9(a), the hydrolysis of polyethylene terephthalate without using a catalyst did not react for the initial 5 minutes, and the yield reached 91.74% by reacting for 50 minutes.

그러나 실시예 1에 따라 제조된 SiO2 촉매를 이용한 폴리에틸렌 테레프탈레이트 가수분해는 초기 5 분의 반응시간 동안 가수분해가 진행되었으며, 40 분 동안 반응하여 수율이 92.4 %에 도달하였다. 더불어 실시예 2에 따라 제조된 SiO2 촉매를 이용한 폴리에틸렌 테레프탈레이트 가수분해 반응은 30 분 동안 반응하여 수율이 93.43 %에 도달하였다. However, in the hydrolysis of polyethylene terephthalate using the SiO 2 catalyst prepared according to Example 1, the hydrolysis was performed during the initial reaction time of 5 minutes, and the yield reached 92.4% by reacting for 40 minutes. In addition, the polyethylene terephthalate hydrolysis reaction using the SiO 2 catalyst prepared according to Example 2 was reacted for 30 minutes, and the yield reached 93.43%.

결과적으로, 촉매를 사용하지 않은 폴리에틸렌 테레프탈레이트 가수분해 반응 보다 실시예 1에 따른 SiO2 촉매를 사용하였을 때 가수분해 시간을 10 분 단축시켰으며, 실시예 2에 따른 SiO2 촉매를 사용하였을 때는 10 분을 더 단축시키는 것을 확인할 수 있었다.As a result, the hydrolysis time was reduced by 10 minutes when the SiO 2 catalyst according to Example 1 was used, compared to the polyethylene terephthalate hydrolysis reaction without using a catalyst, and 10 minutes when the SiO 2 catalyst according to Example 2 was used. It was confirmed that the minutes were further shortened.

이것은 실시예 1에 따른 SiO2 촉매 보다 실시예 2에 따른 SiO2 촉매의 산도가 높기 때문이며, 반응이 시작될 때 가수분해 속도가 서서히 증가되는 것은 폴리에틸렌 테레프탈레이트의 불규칙 사슬 분리에 의한 것이다. This is because the acidity of the SiO 2 catalyst according to Example 2 is higher than that of the SiO 2 catalyst according to Example 1, and when the reaction starts, the hydrolysis rate is gradually increased due to the irregular chain separation of polyethylene terephthalate.

상기 폴리에틸렌 테레프탈레이트의 불규칙 사슬 분리를 거친 후 가수 분해 속도는 급격히 증가하였으며, 테레프탈 산 가수분해 수율은 97.06 %에 도달하였다.After the polyethylene terephthalate was subjected to random chain separation, the hydrolysis rate was rapidly increased, and the terephthalic acid hydrolysis yield reached 97.06%.

도 9(b)를 참조하면, 170 ℃ 이하에서 폴리에틸렌 테레프탈레이트 가수분해는 시작되지 않았으며, 온도를 상승시켰을 때 온도가 증가함에 따라 테레프탈 산의 수율이 증가하는 것을 확인할 수 있다. 더불어, 230 ℃의 반응온도에서 수율이 93.43 %에 도달하였다.Referring to FIG. 9(b), it can be seen that hydrolysis of polyethylene terephthalate did not start at 170° C. or less, and the yield of terephthalic acid increased as the temperature increased when the temperature was increased. In addition, the yield reached 93.43% at a reaction temperature of 230 °C.

결과적으로 촉매를 사용하지 않은 폴리에틸렌 테레프탈레이트 가수분해는 170 ℃ 이하의 온도에서는 진행되지 않았으나, 실시예 1 및 실시예 2에 따라 제조된 SiO2 촉매를 이용할 경우 170 ℃ 이하의 조건에서도 폴리에틸렌 테레프탈레이트 가수분해가 진행될 수 있다는 것을 확인할 수 있다.As a result, hydrolysis of polyethylene terephthalate without using a catalyst did not proceed at a temperature of 170 ° C. or lower, but when using the SiO 2 catalyst prepared according to Examples 1 and 2, polyethylene terephthalate hydrolysis was performed at a temperature of 170 ° C. or lower. It can be confirmed that decomposition can proceed.

6. 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 가수분해에 따른 테레프탈 산(TPA)의 NMR 분석6. NMR analysis of terephthalic acid (TPA) following hydrolysis of polyethylene terephthalate (PET)

도 10(a) 및 10(b)는 테레프탈 산(TPA)의 NMR을 분석한 것이다.10(a) and 10(b) are NMR analysis of terephthalic acid (TPA).

도 10(a)를 참조하면, 실시예 2에 따라 제조된 SiO2 촉매를 이용하여 제조된 테레프탈 산은 하이드록시 양성자와 방향족 단일 양성자에 대한 두 개의 피크를 나타냈으며, 화학적 시프트 값은 각각 13.31 ppm과 8.03 ppm으로 나타났다.Referring to FIG. 10( a ), terephthalic acid prepared by using the SiO 2 catalyst prepared according to Example 2 showed two peaks for a hydroxy proton and an aromatic single proton, and the chemical shift value was 13.31 ppm, respectively. It was found to be 8.03 ppm.

도 10(b)를 참조하면, 실시예 2에 따라 제조된 SiO2 촉매를 이용하여 제조된 테레프탈 산은 13C NMR 스펙트럼에서 3개의 피크가 나타났으며, 각각 방향족 탄소 4 급 방향족 탄소 및 카보닐 탄소이며, 화학적 시프트 값은 각각 129.7 ppm, 134.8 ppm 및 166.4 ppm으로 나타났다.Referring to FIG. 10(b), the terephthalic acid prepared by using the SiO 2 catalyst prepared according to Example 2 showed three peaks in the 13C NMR spectrum, respectively, aromatic carbon quaternary aromatic carbon and carbonyl carbon. , the chemical shift values were 129.7 ppm, 134.8 ppm and 166.4 ppm, respectively.

상기한 결과는 종래의 테레프탈 산 데이터와 일치하는 것으로 확인된다. The above results are confirmed to be consistent with the conventional terephthalic acid data.

7. 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 가수분해의 동력학 분석7. Kinetic Analysis of Polyethylene Terephthalate (PET) Hydrolysis

폴리에틸렌 테레프탈레이트의 테레프탈 산 가수분해는 하기의 방정식 2를 따른다.The terephthalic acid hydrolysis of polyethylene terephthalate follows Equation 2 below.

[방정식 2][Equation 2]

v = k[A]2 v = k[A] 2

여기서, v는 반응속도, k는 반응속도 상수, [A]는 폴리에틸렌 테레프탈레이트의 농도를 나타낸다.Here, v is the reaction rate, k is the reaction rate constant, and [A] is the concentration of polyethylene terephthalate.

통합속도 법칙에 따라 폴리에틸렌 테레프탈레이트 가수분해 반응의 반응속도 상수(k) 값은 하기의 방정식 3에 따라 결정된다.According to the integrated rate law, the reaction rate constant (k) of the polyethylene terephthalate hydrolysis reaction is determined according to Equation 3 below.

[방정식 3][Equation 3]

1/[A]t - 1/[A]O = kt1/[A] t - 1/[A] O = kt

여기서, [A]t는 특정반응 시간의 폴리에틸렌 테레프탈레이트 농도를 나타내는 것이고, [A]O는 초기의 폴리에틸렌 테레프탈레이트 농도를 나타낸 것이며, t는 특정 반응 시간을 나타내는 것이다.Here, [A] t represents the polyethylene terephthalate concentration at a specific reaction time, [A] O represents the initial polyethylene terephthalate concentration, and t represents a specific reaction time.

도 11(a) 및 11(b)는 농도 및 시간에 대한 반응속도 상수값을 나타낸 그래프이다.11(a) and 11(b) are graphs showing reaction rate constant values with respect to concentration and time.

도 11(a)를 참조하면, 촉매가 없을 때(무 촉매), 실시예 1 및 2에 따른 촉매를 사용하였을 때 반응속도 상수(k)값은 각각 0.56055, 0.76866 및 1.33406으로 나타났다.Referring to FIG. 11( a ), in the absence of a catalyst (no catalyst) and when the catalysts according to Examples 1 and 2 were used, the reaction rate constant (k) values were 0.56055, 0.76866, and 1.33406, respectively.

실시예 1에 따라 제조된 SiO2 촉매를 이용한 가수분해는 무 촉매 가수분해 보다 1.37 배 향상된 가수분해 특성을 나타냈으며, 실시예 2에 따라 제조된 SiO2 촉매를 이용한 가수분해는 2.37 배 향상된 가수분해 특성을 나타내었다. The hydrolysis using the SiO 2 catalyst prepared according to Example 1 exhibited 1.37 times improved hydrolysis properties than the non-catalytic hydrolysis, and the hydrolysis using the SiO 2 catalyst prepared according to Example 2 improved hydrolysis by 2.37 times. characteristics were shown.

실시예 2에 따라 제조된 SiO2 촉매를 이용한 가수분해 특성이 향상된 이유는 활성화 에너지가 낮아졌기 때문이며, 이는 반응 온도 제어 실험에 기초한 하기의 방정식 4(Arrhenius 방정식)에 따라 계산되었다. The reason why the hydrolysis properties were improved using the SiO 2 catalyst prepared according to Example 2 was because the activation energy was lowered, which was calculated according to the following Equation 4 (Arrhenius equation) based on the reaction temperature control experiment.

[방정식 4][Equation 4]

k=Ae-Ea/RTk=Ae-Ea/RT

여기서, k는 속도 상수이며, A는 사전 지수 인자, Ea는 활성화 에너지, R은 기체상수, 및 T는 절대온도를 나타낸다.Here, k is the rate constant, A is the prior exponential factor, Ea is the activation energy, R is the gas constant, and T is the absolute temperature.

상기 방정식 4는 하기의 방정식 5로 변화될 수 있다.Equation 4 may be changed to Equation 5 below.

[방정식 5][Equation 5]

Figure 112019014565218-pat00003
Figure 112019014565218-pat00003

도 11(b)를 참조하면, 실시예 2에 따라 제조된 SiO2 촉매에 의한 폴리에틸렌 테레프탈레이트 가수분해의 활성화 에너지는 23.19 kJ/mol으로 계산되었으며, 이 값은 폴리에틸렌 테레프탈레이트 가수분해 활성화 에너지(56.8 kJ/mol) 값 보다 절반 이상 감소된 것이다.11(b), the activation energy of polyethylene terephthalate hydrolysis by the SiO 2 catalyst prepared according to Example 2 was calculated as 23.19 kJ/mol, and this value is the polyethylene terephthalate hydrolysis activation energy (56.8). kJ/mol) is reduced by more than half.

8. 실시예 2에 따라 제조된 SiO8. SiO prepared according to Example 2 22 촉매의 폴리에틸렌 테레프탈레이트 가수분해 메커니즘 분석 Analysis of Mechanism of Catalyst Polyethylene Terephthalate Hydrolysis

하기의 반응식 2는 폴리에틸렌 테레프탈레이트가 테레프탈 산으로 가수분해되는 과정을 나타낸 것이다.Scheme 2 below shows a process in which polyethylene terephthalate is hydrolyzed to terephthalic acid.

[반응식 2][Scheme 2]

Figure 112019014565218-pat00004
Figure 112019014565218-pat00004

먼저, 실시예 2에 따른 SiO2 촉매 표면의 티올 관능기는 수성 조건에서 쉽게 탈프로톤화되어 티올레이트와 하이드로늄(OH3 +) 이온으로 형성된다. First, the thiol functional group on the surface of the SiO 2 catalyst according to Example 2 is easily deprotonated in aqueous conditions to form thiolate and hydronium (OH 3 + ) ions.

다음으로, 생성된 하이드로늄 이온은 폴리에틸렌 테레프탈레이트의 친핵성 중심에 양성자를 제공한다.Next, the generated hydronium ion donates a proton to the nucleophilic center of polyethylene terephthalate.

폴리에틸렌 테레프탈레이트에서 에스테르 그룹의 산소 원자는 양전하를 띄지만, 양전하는 중심 탄소 원자에서 더 비편재화된다.In polyethylene terephthalate, the oxygen atom of the ester group is positively charged, but the positive charge is more delocalized at the central carbon atom.

다음으로, 물 분자는 양전하를 띈 중심 탄소 원자를 공격하게 되며, 에틸기의 산소 원자는 다른 양전하 산소 원자에서 수소 원자를 제공받아, 양전하를 띄고, 탄소와 산소의 결합을 파괴하여 폴리에틸렌 테레프탈레이트 가수분해 반응에서 테레프탈 산과 에틸렌 글리콜을 생성한다.Next, the water molecule attacks the positively charged central carbon atom, and the oxygen atom of the ethyl group receives a hydrogen atom from another positively charged oxygen atom, becomes positively charged, and breaks the bond between carbon and oxygen to hydrolyze polyethylene terephthalate. The reaction produces terephthalic acid and ethylene glycol.

실시예 2에 따라 제조된 SiO2 촉매가 없다면, 높은 활성화에너지로 인하여 폴리에틸렌 테레프탈레이트에서 에스테르 결합의 불완전한 분해를 유도하여 테레프탈 산의 순도가 떨어질 수 있으며, 본 발명은 이러한 문제점을 해소하여 고순도의 테레프탈 산을 제조할 수 있다. Without the SiO 2 catalyst prepared according to Example 2, the purity of terephthalic acid may be reduced by inducing incomplete decomposition of ester bonds in polyethylene terephthalate due to high activation energy, and the present invention solves this problem and provides high-purity terephthalate. acid can be produced.

따라서, 본 발명에 의한 바이오 매스 유래 SiO2 촉매, 그 제조방법, 및 이를 이용한 PET의 TPA 분해방법을 이용하면, 종래의 PET 중성 가수분해 조건 보다 빠른 시간에 고순도 TPA의 제조가 가능하며, 제조된 테레프탈 산은 다시 폴리에스테르 섬유의 원료 등으로 유용하게 사용할 수 있다.Therefore, using the biomass-derived SiO 2 catalyst according to the present invention, its manufacturing method, and the TPA decomposition method of PET using the same, it is possible to produce high-purity TPA in a shorter time than conventional PET neutral hydrolysis conditions, The terephthalic acid can be usefully used again as a raw material for polyester fibers.

지금까지 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 매스 유래 SiO2 촉매, 그 제조방법, 및 이를 이용한 PET의 TPA 분해방법에 관한 구체적인 실시예에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 실시 변형이 가능함은 자명하다. So far, biomass-derived SiO 2 catalyst according to an embodiment of the present invention, a method for producing the same, and a specific example of a TPA decomposition method of PET using the same have been described, but within the limit not departing from the scope of the present invention, various It is obvious that various implementation modifications are possible.

그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.Therefore, the scope of the present invention should not be limited to the described embodiments, but should be defined by the following claims as well as the claims and equivalents.

즉, 전술된 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며, 한정적인 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술될 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 그 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.That is, it should be understood that the above-described embodiments are illustrative in all respects and not restrictive, and the scope of the present invention is indicated by the claims to be described later rather than the detailed description, and the meaning and scope of the claims; All changes or modifications derived from the concept of equivalents should be construed as being included in the scope of the present invention.

S10 : 왕겨 분쇄 및 산처리 단계
S20 : 왕겨 열처리 단계
S100 : 혼합물 제조 단계
S200 : 테레프탈 산 용해 단계
S300 : 잔여물 및 촉매 제거 단계
S400 : 침전물 수득 단계
S500 : 침전물 건조 단계
S10: Rice hull grinding and acid treatment step
S20: Rice husk heat treatment step
S100: mixture preparation step
S200: terephthalic acid dissolution step
S300: Residue and catalyst removal step
S400: step of obtaining a precipitate
S500: sediment drying step

Claims (12)

바이오 매스로부터 추출되며,
티올 작용기(-SH)에 의해 표면이 개질된 것을 특징으로 하는,
PET의 TPA 분해용 바이오 매스 유래 SiO2 촉매.
extracted from biomass,
Characterized in that the surface is modified by a thiol functional group (-SH),
Biomass-derived SiO 2 catalyst for TPA decomposition of PET.
제 1항에 있어서,
상기 바이오 매스는 왕겨인 것을 특징으로 하는,
PET의 TPA 분해용 바이오 매스 유래 SiO2 촉매.
The method of claim 1,
The biomass is characterized in that rice husk,
Biomass-derived SiO 2 catalyst for TPA decomposition of PET.
삭제delete 제 1항에 있어서,
상기 SiO2 촉매의 비표면적은 151.92 ~ 281.02 m2/g이고, 기공의 크기는 0.57 ~ 0.66 nm인 것을 특징으로 하는,
PET의 TPA 분해용 바이오 매스 유래 SiO2 촉매.
The method of claim 1,
The specific surface area of the SiO 2 catalyst is 151.92 ~ 281.02 m 2 /g, characterized in that the pore size is 0.57 ~ 0.66 nm,
Biomass-derived SiO 2 catalyst for TPA decomposition of PET.
(가) 왕겨를 분쇄한 후 산처리하는 단계;
(나) 상기 (가) 단계의 산처리된 왕겨를 열처리하는 단계; 및
상기 (나) 단계 후 SiO2 촉매의 표면을 개질시키는 단계;를 포함하며,
상기 SiO2 촉매의 표면을 개질시키는 단계는,
상기 SiO2 촉매와 머캅토프로필 트리메톡시실란(Mercaptopropyl trimethoxysilane)을 톨루엔(Toluene) 용매에 투입하여 혼합물을 제조하는 단계;
상기 혼합물을 세척하는 단계; 및
상기 세척된 혼합물을 건조시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는,

PET의 TPA 분해용 바이오매스 유래 SiO2 촉매의 제조방법.
(A) pulverizing the rice hulls and then acid-treating;
(B) heat-treating the acid-treated rice husk of step (a); and
After step (b), modifying the surface of the SiO 2 catalyst includes;
The step of modifying the surface of the SiO 2 catalyst,
preparing a mixture by adding the SiO 2 catalyst and mercaptopropyl trimethoxysilane to a toluene solvent;
washing the mixture; and
Drying the washed mixture; characterized in that it comprises,

Method for producing SiO 2 catalyst derived from biomass for TPA decomposition of PET.
제 5항에 있어서,
상기 (가) 단계의 상기 산처리는,
황산, 염산, 질산, 인산, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 1 종을 포함하는 산성용액을 사용하여,
40 ∼ 150 ℃에서 10 분 ∼ 3 시간 동안 수행되는 것을 특징으로 하는,
PET의 TPA 분해용 바이오매스 유래 SiO2 촉매의 제조방법.
6. The method of claim 5,
The acid treatment in step (a) is,
Using an acidic solution containing one selected from the group consisting of sulfuric acid, hydrochloric acid, nitric acid, phosphoric acid, and mixtures thereof,
Characterized in that it is carried out at 40 ~ 150 ℃ for 10 minutes ~ 3 hours,
Method for producing SiO 2 catalyst derived from biomass for TPA decomposition of PET.
제 5항에 있어서,
상기 (가) 단계의 산처리 후,
상기 산처리된 왕겨를 여과 및 세척하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
PET의 TPA 분해용 바이오매스 유래 SiO2 촉매의 제조방법.
6. The method of claim 5,
After the acid treatment in step (a),
Characterized in that it further comprises the step of filtering and washing the acid-treated rice husk,
Method for producing SiO 2 catalyst derived from biomass for TPA decomposition of PET.
제 5항에 있어서,
상기 (나) 단계의 열처리는
상온에서 분당 3.5 ℃씩 상승시켜 600 ~ 700 ℃의 온도에서 2 ~ 3 시간 동안 수행되는 것을 특징으로 하는,
PET의 TPA 분해용 바이오매스 유래 SiO2 촉매의 제조방법.
6. The method of claim 5,
The heat treatment in step (b) is
Characterized in that it is carried out for 2 to 3 hours at a temperature of 600 ~ 700 ℃ by increasing by 3.5 ℃ per minute at room temperature,
Method for producing SiO 2 catalyst derived from biomass for TPA decomposition of PET.
삭제delete 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET, Polyethylene terephthalate), 티올 작용기(-SH)에 의해 표면이 개질된 바이오매스 유래 SiO2 촉매, 및 물을 혼합하고 마이크로파를 조사하여 상기 폴리에틸렌 테레프탈레이트를 테레프탈 산(TPA, Terephthalic acid)으로 가수분해하는 것을 특징으로 하는,
바이오 매스 유래 SiO2 촉매를 이용한 PET의 TPA 분해방법.
Polyethylene terephthalate (PET, Polyethylene terephthalate), a biomass-derived SiO 2 catalyst whose surface is modified by a thiol functional group (-SH), and water are mixed, and the polyethylene terephthalate is irradiated with microwaves to convert the polyethylene terephthalate into terephthalic acid (TPA). ) characterized in that it is hydrolyzed to,
TPA decomposition method of PET using biomass-derived SiO 2 catalyst.
제 10항에 있어서,
상기 폴리에틸렌 테레프탈레이트를 테레프탈 산으로 가수분해하는 방법은,
(a) 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 바이오매스 유래 SiO2 촉매, 및 물을 마이크로파 반응기에서 반응시켜 테레프탈 산이 침전된 혼합물을 제조하는 단계;
(b) 상기 혼합물에 수산화나트륨을 혼합하여 테레프탈 산을 용해시키는 단계;
(c) 상기 테레프탈 산이 용해된 혼합물을 여과하여 잔여물과 촉매를 제거하는 단계;
(d) 상기 잔여물과 촉매가 제거된 혼합물에 산성용액을 투입하여 침전물을 형성시키고 수득하는 단계; 및
(e) 상기 수득된 침전물을 건조시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
바이오 매스 유래 SiO2 촉매를 이용한 PET의 TPA 분해방법.
11. The method of claim 10,
The method of hydrolyzing polyethylene terephthalate to terephthalic acid,
(a) preparing a mixture in which terephthalic acid is precipitated by reacting polyethylene terephthalate, a biomass-derived SiO 2 catalyst, and water in a microwave reactor;
(b) dissolving terephthalic acid by mixing sodium hydroxide with the mixture;
(c) filtering the mixture in which the terephthalic acid is dissolved to remove the residue and the catalyst;
(d) forming and obtaining a precipitate by adding an acidic solution to the mixture from which the residue and the catalyst are removed; and
(e) drying the obtained precipitate; characterized in that it comprises,
TPA decomposition method of PET using biomass-derived SiO 2 catalyst.
제 11항에 있어서,
상기 산성용액은,
황산, 염산, 질산, 인산, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 1 종인 것을 특징으로 하는,
바이오 매스 유래 SiO2 촉매를 이용한 PET의 TPA 분해방법.
12. The method of claim 11,
The acidic solution is
Characterized in that it is one selected from the group consisting of sulfuric acid, hydrochloric acid, nitric acid, phosphoric acid, and mixtures thereof,
TPA decomposition method of PET using biomass-derived SiO 2 catalyst.
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