관련 제품명 : Tandem Micro Reactor

[개요]

 20세기 초 경제적 패러다임의 변화와 함께 태동한 산업혁명은, 석유 동력을 기반으로 한 대량생산으로 현대사회에 물질적 풍요를 가져왔다. 하지만 그로부터 수십여 년이 지난 현재, 석유 고갈과 더불어 각종 환경오염과 지구온난화와 같은 환경 위기에 직면해 있다. 이에 따라 화석 에너지를 대체할 수 있는 새로운 형태의 기술, 즉 재생 가능한 에너지의 요구와 관심이 높아지고 있다.

 그 중에서도 생물자원인 바이오매스(Biomass)는 지속적인 생산이 가능하여 고갈될 염려가 없고, 재생 및 재활용이 가능하여 환경친화적이므로 궁극적인 차세대 대체 에너지원으로 각광 받고있다. 바이오매스의 종류로는 곡물과 식물, 폐목재, 해조류(algae), 동물의 분뇨나 음식물 쓰레기, 유기성 폐수 등이 있으며, 이를 열분해 등의 전환 과정을 거쳐 바이오에너지로 얻거나 퇴비 및 사료, 각종 플라스틱과 같은 제품으로 전환하여 사용한다. 바이오매스는 지구 온난화의 주원인인 이산화탄소를 소모하면서, 바이오 디젤이나 바이오 에탄올 같은 친환경 에너지인 바이오연료(Biofuel)를 생산한다. 또한, 화석연료 기반의 인프라에 직접 활용할 수 있어 기존의 인프라들을 그대로 활용하면서 석유연료를 대체할 수 있다. 따라서 가까운 미래에 산업적으로 활용이 가능한 경쟁력 높은 재생에너지를 생산한다는 점에서 많은 국내외 기관에서 연구가 이루어지고 있다.

 이 같은 바이오 연료를 전환하는 촉매를 개발하는 것이 바이오매스의 주요 연구 과제이다. 촉매는 합성과 반응실험을 통한 바이오연료 실용화를 가능케 하는 화학반응 물질로, 무엇보다 촉매의 안정성과 그 효율성에 따라 바이오연료의 경제성이 좌우되기 때문에 바이오매스에 최적화된 고효율 촉매를 개발하는 것이 고부가 가치 재생에너지의 실용화를 앞당길 수 있다. 이러한 촉매 연구에 있어 기존의 촉매 성능평가 시스템은, 안정화 시간이 대략 3 ? 5 시간 소요되는 대형 Furnace를 갖춘 대규모 설비를 사용하여 촉매를 특성화 하는데 분석 시간과 비용이 많이 소요되었다. 반면에, Frontier Lab社에서 다양한 화학 및 물리적 환경에서 촉매의 신속한 평가를 위해 새롭게 고안한 bench-top 촉매 반응 분석 시스템인 Tandem micro-Reactor에 대해 소개한다.

[Tandem μ-Reactor-GC/MS를 이용한 신속한 촉매 반응 분석 시스템]

Tandem micro-Reactor 란?

 Micro-Furnace 열분해 장치(Pyrolyzer)를 기반으로 촉매 특징을 신속하게 파악할 수 있는 고속 스크리닝 반응기이며, 라는 두 개의 독립적으로 온도가 제어되는 반응기(1st & 2nd Reactor)가 수직으로 쌓아진 형태로 GC/MS에 장착하여 사용하는 장비이다. 기체, 액체 및 고체 시료를 분석 할 수 있고, 반응 가스의 종류와 유량 및 반응기의 온도를 선택 또는 제어할 수 있다. 각 반응기의 온도는 보다 신속하고 재현성 있게 가열 및 냉각 될 수 있도록 설계되었다.

Tandem micro-Reactor의 역할 및 기능

 먼저 상단부의 1차 반응기(1st Reactor)는 기체 샘플을 예열하거나, 액체를 증발 시키거나, 고체를 열 분해 하여, 촉매층(Catalyst bed)이 채워진 하단부의 2차 반응기(2nd Reactor)로 도입시킨다. 1차 micro-Reactor로부터 기화된 화합물은 반응 가스를 통해 촉매를 통과하게 되고, 생성된 반응 생성물은 여러가지 분석 모드를 거쳐 GC/MS에서 분리 및 검출되어 상세한 조성 분석이 이뤄진다. 각 반응기에는 등온(Isothermal temp.), 선형(Linear temp.) 및 계단식(Stepwise temp.)의 세 가지 온도제어 모드가 있어 다양한 분석조건에서 신속한 촉매 스크리닝이 가능하다. 또한, 특정 온도 영역에서 형성된 촉매 반응 생성물 자동으로 온라인 분석 할 수 있다.

[Tandem μ-Reactor-GC/MS를 이용한 분석 사례]

Application 1. 촉매 및 수소화에 의한 셀룰로오스의 유기연료 전환

a. 실험 조건 외

- Sample Amount: 0.1 mg

- Column: Ultra ALLOY-5, 30 m 0.25 mm 1 um

- GC Oven: 40 (2 min)- 40 ºC/min - 300ºC (2 min)v

b. 실험 방법

 0.1 mg의 셀룰로오스를 시료컵에 넣고, 1차 micro-Reactor에서 450 ℃ (He 조건)에서 열분해시킨다. 2차 micro-Reactor에서는 H2 가스를 통해 수소화를 촉진시킨다. 촉매 변환은 200℃로 가열된 2차 micro-Reactor에서 수행된다.

c. 실험 결과

 ZSM-5와 MoS2/Al2O3의 두 가지 촉매가 평가되었으며, 셀룰로오스의 단쇄 탄화수소(short chain hydrocarbons)로의 전환에는 황화수소(H2S)로 활성화된 몰리브덴(Molybdenum) 촉매를 사용하는 것이 효율이 더 높은 것으로 나타났다.

Application 2. 다양한 온도제어모드에서 에탄올의 에틸렌으로의 촉매 전환

(1) 선형(Linear) 온도제어모드에서의 Online-MS 분석

(1)-a. 실험 조건

- 1차 μ-Reactor: 100 ℃

- 2차 μ-Reactor: 100 ? 400 ℃ (20 ℃/min)

- Catalyst: H-ZSM-5

(1)-b. 실험 결과

 일정한 속도로 반응 온도가 상승함에 따라 촉매 반응 생성물을 모니터링 하였다. 온도가 230 ℃에 도달하면 에탄올의 양이 급격히 떨어지면서 디에틸에테르(diethyl ether)의 양이 증가했다. 또한, 에틸렌 및 H2O의 생성이 관찰된다.

(2) 계단식(Stepwise) 온도제어모드에서의 분리분석

(2)-a. 실험 조건

- 1차 μ-Reactor: 100 ℃

- 2차 μ-Reactor: 100℃, 250℃, 300℃, 400℃ (4 단계)

- Catalyst: H-ZSM-5

(2)-b. 실험 결과

 Online-MS 분석 결과를 바탕으로, 각 온도 구간에서 나온 휘발성 물질을 분리컬럼으로 도입하여 분석 하였다. 반응기 온도가 올라감에 따라 에틸렌과 H2O가 형성되는 반면에, 에탄올 생성량은 극적으로 감소했다. Fig. 6의 오른쪽의 데이터는 검출 된 반응기 온도변화에 따른 각 화합물의 피크면적을 나타내며, 에틸렌 전환에 대한 최적 촉매층 온도는 250 ? 300 ℃ 로 나타났다.