열분해

Pyrolysis
나무 조각을 태우는 것, 다양한 열분해 단계를 보여주고 산화적 연소가 뒤따릅니다.

열분해(또는 탈휘발) 과정은 종종 불활성 분위기에서 높은 온도에서 물질을 열분해하는 것입니다.[1]온도는 열진동으로 이해할 수 있습니다.높은 온도에서, 과도한 진동은 긴 사슬 분자가 더 작은 분자로 쪼개지게 합니다.이 단어는 그리스에서 파생된 파이로 "", "열", "열", 그리고 용해 "분리"에서 만들어졌습니다.

열분해는 유기물 처리에 가장 일반적으로 사용됩니다.그것은 나무를 태우는 과정 중 하나입니다.[2]일반적으로 유기물의 열분해는 휘발성 물질을 생성하고 탄소가 풍부한 고체 잔재물인 (char)를 남깁니다.탄소를 대부분 잔류물로 남기는 극단적인 열분해는 탄화라고 불립니다.열분해는 가스화 또는 연소 과정의 첫 단계로 간주됩니다.[3][4]

이 공정은 예를 들어 석유, 석탄, 심지어 나무로부터 에틸렌, 많은 형태의 탄소 및 기타 화학 물질을 생산하거나 석탄으로부터 코크스를 생산하는 데 화학 산업에서 크게 사용됩니다.최근 산업 규모로 도입된 천연 가스(주로 메탄)를 수소 가스와 고체 탄소 로 전환하는 데도 사용됩니다.[5]열분해의 흡인적인 적용은 바이오매스합성가스바이오차로, 폐플라스틱을 다시 사용 가능한 기름으로, 또는 폐기물을 안전한 일회용 물질로 변환시킬 것입니다.

용어.

열분해는 높은 온도(물 또는 기타 용매의 끓는점 이상)에서 발생하는 다양한 유형의 화학적 분해 과정 중 하나입니다.일반적으로 산소(O2, 연소 시) 또는 물(가수분해 시)과 같은 다른 시약의 첨가를 수반하지 않는다는 에서 연소 및 가수분해와 같은 다른 공정과 다릅니다.[6]열분해는 고체 (), 응축 가능한 액체, (가벼운 기름과 타르), 그리고 비응축성 가스를 생산합니다.[7][8][9][10]

열분해는 가스화와는 다릅니다.화학 공정 산업에서 열분해는 비활성(산소가 없는) 대기에서 일어나는 탄소질 물질의 부분적인 열분해를 말하며 기체, 액체 및 고체를 모두 생성합니다.열분해는 주로 가스 출력을 생성하는 완전한 가스화로 확장될 수 있으며,[11] 종종 잔류 탄산 고체를 가스화하기 위한 물 증기를 추가할 수 있습니다(증기 개질 참조).

종류들

열분해의 구체적인 유형은 다음과 같습니다.

역사

참나무숯

열분해는 예로부터 나무를 으로 만드는 데 사용되었습니다.고대 이집트인들은 백향목의 열분해에서 얻은 액체 분율을 방부 처리에 사용했습니다.[13]

목재의 건식 증류는 20세기 초까지 메탄올의 주요 공급원으로 남아있었습니다.[14]열분해는 인산 암모늄 나트륨인과 같은 많은 화학 물질의 발견에 중요한 역할을 했습니다. NHNaHPO44 농축 소변, 산화 수은산소 및 다양한 질산염.[citation needed]

일반 프로세스 및 메커니즘

대기압에서 유기물의 열분해 과정.

열분해는 일반적으로 물질을 분해 온도 이상으로 가열하여 분자 내 화학적 결합을 깨뜨리는 것으로 구성됩니다.조각들은 일반적으로 더 작은 분자가 되지만, 결합하여 더 큰 분자량, 심지어 무정형 공유 고체를 가진 잔기를 생성할 수도 있습니다.[citation needed]

많은 환경에서 산소, 물 또는 다른 물질이 일부 존재할 수 있으므로 열분해에 적합한 것 외에 연소, 가수분해 또는 기타 화학적 과정이 발생할 수 있습니다.때때로 이러한 화학물질들은 장작을 태우는 것, 전통적인 숯 제조, 그리고 원유의 증기 분해와 같이 의도적으로 첨가됩니다.[citation needed]

반대로, 출발 물질은 화학적 부반응(예: 연소 또는 가수분해)을 피하기 위해 진공 또는 불활성 분위기에서 가열될 수 있습니다.진공에서 열분해하면 부산물의 끓는점이 낮아져 회수율이 향상됩니다.

유기물이 열린 용기에서 증가하는 온도로 가열될 때, 일반적으로 다음과 같은 과정이 연속적이거나 중복적인 단계에서 발생합니다.[citation needed]

  • 약 100°C 이하에서는 일부 물을 포함한 휘발성 물질이 증발합니다.열에 민감한 물질, 예를 들어 비타민 C단백질은 이미 이 단계에서 부분적으로 변하거나 분해될 수 있습니다.
  • 약 100°C 또는 약간 높은 온도에서는 물질에 흡수된 나머지 물을 모두 배출합니다.이 과정은 많은 에너지를 소비하기 때문에 모든 물이 증발할 때까지 온도 상승을 멈출 수 있습니다.수화물의 결정 구조에 갇힌 물은 다소 높은 온도에서 빠져나올 수 있습니다.
  • 지방, 왁스, 설탕과 같은 고체 물질들은 녹아서 분리될 수 있습니다.
  • 100~500°C 사이에서 많은 일반적인 유기 분자가 분해됩니다.대부분의 은 160~180℃에서 분해되기 시작합니다.목재, 종이, 면직물의 주요 성분인 셀룰로오스는 약 350℃에서 분해됩니다.[3]또 다른 주요 목재 성분인 리그닌은 약 350도에서 분해되기 시작하지만, 500도까지 휘발성 제품을 계속해서 방출합니다.[3]분해 생성물에는 보통 물, 일산화탄소 CO 및/또는 이산화탄소 CO2 뿐만 아니라 많은 수의 유기 화합물이 포함됩니다.[4][15]가스와 휘발성 제품은 샘플을 떠나고, 그 중 일부는 다시 연기로 응결될 수 있습니다.일반적으로 이 과정은 에너지도 흡수합니다.일부 휘발성 물질은 발화 및 연소되어 가시적인 불꽃을 생성할 수 있습니다.비 휘발성 잔여물은 일반적으로 탄소가 풍부해지고 갈색과 검은색 사이의 색상을 가진 큰 무질서한 분자를 형성합니다.이 시점에서 이 문제는 "까맣게 그을렸다"거나 "탄화되었다"고 합니다.
  • 200-300 °C에서 산소가 배제되지 않은 경우, 탄소질 잔류물이 발열 반응으로 연소되기 시작할 수 있으며, 대개 가시적인 불꽃이 없거나 거의 발생하지 않습니다.탄소 연소가 시작되면 온도가 자발적으로 상승하여 잔류물이 빛나는 불씨로 변하고 이산화탄소 및/또는 일산화탄소를 방출합니다.이 단계에서 잔류물에 남아있는 질소 중 일부는 NO2, NO23 같은 질소산화물로 산화될 수 있고, 황과 염소, 비소와 같은 다른 원소들은 산화되어 휘발될 수 있습니다.
  • 탄소질 잔류물의 연소가 완료되면 용융점이 높은 무기 산화물로 구성된 분말 형태 또는 고체 형태의 광물 잔류물(회분)이 남게 되는 경우가 많습니다.일부 재는 연소 중에 가스에 의해 플라이애쉬 또는 입자성 배기 가스로 인해 잔류한 것일 수 있습니다.원래 물질에 존재하는 금속은 보통 포타시같은 산화물이나 탄산염으로 재에 남아 있습니다., 인지질, 핵산과 같은 물질에서 나오는 은 일반적으로 인산으로 남아있습니다.

안전문제

생성된 가스의 자동 점화 온도를 초과하는 고온에서 열분해가 일어나기 때문에 산소가 존재할 경우 폭발 위험이 있습니다.열분해는 또한 다양한 유독 가스, 주로 일산화탄소를 생성합니다.화재, 폭발 및 유독 가스 방출의 가장 큰 위험은 시스템이 시동 및 종료 중이거나 간헐적으로 작동하거나 작동 중에 발생합니다.[16]

불활성 가스 퍼지는 고유의 폭발 위험을 관리하기 위해 필수적입니다.그 과정이 사소하지 않고 산소를 밖으로 빼내지 못한 것이 사고로 이어졌습니다.[17]

발생 및 용도

요리.

Brownish onions with carrots and celery in a frying pan.
캐러멜화 된 양파는 약간 열분해 됩니다.
A blacked bent disc, barely recognizible as a pizza, standing up stiffly from a (fresh, white) plate
이 피자는 열분해되어 거의 완전히 탄화됩니다.

열분해는 음식 준비에 많은 응용이 있습니다.[18]카라멜화는 음식에서 당의 열분해를 말합니다. (종종 다당류의 분해로 당이 생성된 후)그 음식은 갈색으로 변하고 맛을 바꿉니다.독특한 맛은 많은 요리에 사용됩니다. 예를 들어, 카라멜화 된 양파는 프랑스 양파 수프에 사용됩니다.[19][20]카라멜화에 필요한 온도는 물의 끓는점 이상입니다.[19]기름을 튀기는 것은 쉽게 끓는점 이상으로 올라갈 수 있습니다.프라이팬에 뚜껑을 덮으면 물이 고이고, 일부는 다시 응결되어 온도가 너무 차갑게 유지되어 갈색을 더 오래 유지할 수 없습니다.

또한 음식의 열분해는 (탄소의 산화적 연소가 화염을 생성하고 음식을 재로 태우기에는 너무 낮은 온도에서) 연소되는 것과 같이 바람직하지 않을 수 있습니다.

콜라, 카본, 차콜, 차

압축 톱밥 등으로 만드는 연탄재를 사용하는 경우가 많습니다.

탄소 및 탄소가 풍부한 물질은 바람직한 특성을 갖지만 고온에서도 비휘발성입니다.따라서 열분해는 여러 종류의 탄소를 생산하는 데 사용됩니다. 이들은 연료, 제강(코크)의 시약 및 구조 재료로 사용될 수 있습니다.

은 열분해된 나무보다 연기가 덜 나는 연료입니다.[21]어떤 도시들은 목재 화재를 금지하거나 금지하는 데 사용됩니다. 거주민들이 숯(그리고 유사하게 처리된 석탄, 코크스)만 사용하면 대기 오염이 상당히 줄어듭니다.사람들이 일반적으로 요리를 하거나 불로 가열하지 않는 도시에서는 이것이 필요하지 않습니다.20세기 중반, 유럽의 "무연" 입법은 대기[22] 오염을 줄이기 위한 효과적인 조치로서 코크스[22] 연료와 연기 연소[23] 소각로와 같은 더 깨끗한 연소 기술을 요구했습니다.

불의 온도를 높이기 위해 송풍기가 연료층 사이로 공기를 밀어 넣는 대장장이의 단조물입니다.주변부에서는 석탄이 열분해되어 열을 흡수하고, 중심부에 있는 코크스는 거의 순수한 탄소이며, 탄소가 산화될 때 많은 열을 방출합니다.
석탄을 열분해하여 얻은 대표적인 유기 생성물(X = CH, N).

코크스 제조 또는 "코킹" 공정은 "코킹 오븐"의 재료를 매우 높은 온도(900 °C 또는 1,700 °F까지)로 가열하여 분자가 용기에서 나오는 가벼운 휘발성 물질과 대부분 탄소와 무기 회분인 다공성이지만 단단한 잔류물로 분해됩니다.휘발성 물질의 양은 원료 물질에 따라 다르지만 일반적으로 중량 기준으로 25~30%입니다.고온 열분해는 석탄코크스로 전환하기 위해 산업 규모로 사용됩니다.이것은 철강 제조와 같은 많은 공정에 더 높은 온도가 필요한 야금학에서 유용합니다.벤젠과 피리딘을 포함한 이 공정의 휘발성 부산물도 종종 유용합니다.[24]코크스는 또한 석유 정제에서 남은 고체 잔재물로부터 생성될 수 있습니다.

나무의 원래 혈관 구조와 가스가 빠져나가면서 생긴 기공이 합쳐져 가볍고 다공성인 물질을 만듭니다.견과류 껍질이나 복숭아 과 같은 조밀한 나무와 같은 물질로 시작함으로써, 활성탄이라고 불리는 특히 미세한 기공(따라서 훨씬 더 큰 기공 표면적)을 가진 숯의 형태를 얻는데, 이는 다양한 화학 물질의 흡착제로 사용됩니다.

바이오차는 요리용 불과 같은 불완전한 유기 열분해의 잔여물입니다.아마존 유역의 고대 원주민 공동체와 관련된 테라프레타 토양의 주요 구성 요소입니다.[25]테라프레타는 지역의 전형적인 붉은 토양에 비해 우수한 비옥함과 향상된 유익한 미생물 무리를 촉진하고 유지할 수 있는 능력으로 지역 농부들이 많이 찾고 있습니다.대부분 유기성 폐기물인 다양한 물질의 열분해의 고체 잔재물인 바이오차를 통해 이러한 토양을 재창조하려는 노력이 진행되고 있습니다.

비단 누에고치를 열분해하여 만든 탄소 섬유.전자현미경 사진, 왼쪽 하단의 눈금 막대에 100 μm가 표시됩니다.

탄소 섬유는 매우 강한 실과 직물을 만드는데 사용될 수 있는 탄소 필라멘트입니다.탄소 섬유 제품은 종종 적절한 중합체의 섬유로 원하는 제품을 회전 및 직조한 후 고온(1,500 ~ 3,000 °C 또는 2,730 ~ 5,430 °F)에서 열분해함으로써 제조됩니다.최초의 탄소 섬유는 레이온으로 만들어졌지만 폴리아크릴로니트릴은 가장 일반적인 시작 물질이 되었습니다.조셉 윌슨 스완(Joseph Wilson Swan)과 토마스 에디슨(Thomas Edison)은 각각 면사대나무 조각을 열분해하여 만든 탄소 필라멘트를 사용했습니다.

열분해는 미리 형성된 기판에 열분해 탄소층을 코팅하는 데 사용되는 반응입니다.이 작업은 일반적으로 1,000 ~ 2,000 °C 또는 1,830 ~ 3,630 °F로 가열된 유동층 반응기에서 수행됩니다.열분해 탄소 코팅은 인공 심장 판막을 포함한 많은 응용 분야에서 사용됩니다.[26]

액체 및 기체 바이오 연료

열분해는 바이오매스, 즉 목질계 바이오매스로부터 연료를 생산하는 몇 가지 방법의 기초입니다.[27]열분해의 바이오매스 공급 원료로 연구된 작물로는 스위치그래스와 같은 북미 원주민 대초원 풀과 Miscantheus giganteus와 같은 다른 풀의 번식 버전이 있습니다.열분해의 공급 원료로서 다른 유기물의 공급원은 녹색 폐기물, 톱밥, 폐목재, 잎, 채소, 견과류 껍질, 짚, 면 쓰레기, 쌀 껍질, 그리고 오렌지 껍질을 포함합니다.[3]가금류 쓰레기, 유제품 분뇨, 그리고 잠재적으로 다른 분뇨를 포함한 동물성 폐기물 또한 평가 중입니다.일부 산업 부산물은 또한 종이 슬러지, 증류기 곡물 [28]및 하수 슬러지를 포함한 적합한 공급 원료입니다.[29]

바이오매스 성분 중 헤미셀룰로오스의 열분해는 210~310℃ 사이에서 일어납니다.[3]셀룰로스의 열분해는 300-315 °C에서 시작하여 360-380 °C에서 끝이 나고 342-354 °C에서 최고점을 가집니다.[3]리그닌은 약 200 °C에서 분해되기 시작하여 1000 °C까지 계속됩니다.[30]

유기물 열분해에 의한 합성 디젤 연료는 아직 경제적 경쟁력이 없습니다.[31]미세하게 분할된 공급 원료를 2초 이내에 350~500°C(660~930°F)로 빠르게 가열하는 플래시 열분해를 통해 높은 효율을 얻을 수 있습니다.

합성가스는 보통 열분해로 만들어집니다.[18]

열분해를 통해 생산되는 낮은 품질의 오일은 물리적, 화학적 공정을 통해 개선될 수 [32]있어 생산 비용을 증가시킬 수 있지만, 환경 변화에 따라 경제적으로 합리적일 수 있습니다.

기계적 생물학적 처리혐기성 소화와 같은 다른 과정들과 통합될 가능성도 있습니다.[33]바이오매스 전환을 위해서도 빠른 열분해가 연구되고 있습니다.[34]연료 바이오 오일은 함수 열분해로도 생산할 수 있습니다.

수소용 메탄 열분해

메탄 열분해의 투입과 산출, 수소를 생산하고 온실가스를 배출하지 않는 효율적인 원스텝 프로세스 설명

메탄 열분해는[35] 천연 가스에서 고체 탄소를 제거함으로써 메탄으로부터 수소를 생산하는 산업적인 공정입니다.[36]이 1단계 공정은 저비용으로 대량의 수소를 생산합니다(탄소 격리를 통한 수증기 개질보다 적음).[37]온실가스는 배출되지 않습니다.이산화탄소를 깊이 주입할 필요가 없습니다.연료전지 전기중고트럭 운송용, 가스터빈 발전용,[43][44] 암모니아 비료 및 시멘트 생산 등 산업 공정용 수소 등의 연료로 수소를 사용할 경우 물만 배출됩니다.[45][46]메탄 열분해는 탄소를 쉽게 제거할 수 있는 천연 가스에서 수소를 생산하기 위해 약 1065°C에서 작동하는 공정입니다(고체 탄소는 공정의 부산물입니다).[47][48]그러면 산업용 고체 탄소는 판매되거나 매립될 수 있고 대기 중으로 방출되지 않으므로 매립지에서 온실가스(GHG)나 지하수 오염을 피할 수 있습니다.2015년, 모놀리스 머티리얼즈(Monolith Materials)라는 회사는 공정에서 재생 가능한 전력을 사용하여 메탄 열분해를 측정하는 것을 연구하기 위해 캘리포니아 레드우드 시티(Redwood City)에 파일럿 공장을 건설했습니다.[49]성공적인 시범 프로젝트는 2016년 네브래스카주 할람에 있는 더 큰 상업 규모의 시범 공장으로 이어졌습니다.[50]2020년 현재 이 공장은 가동 중이며 하루에 약 14톤의 수소를 생산할 수 있습니다.2021년 미국 에너지부는 10억 달러의 대출 보증으로 모노리스 머티리얼즈의 대규모 확장 계획을 지원했습니다.[51]이 자금은 2024년까지 하루 164톤의 수소를 생산할 수 있는 공장을 생산하는 데 도움이 될 것입니다.가스 유틸리티와 바이오가스 공장을 보유한 파일럿들은 모던 일렉트로닉과 같은 회사들과 함께 진행 중입니다.[52][53]부피 생산은 BASF "규모의 메탄 열분해" 파일럿 공장,[54] 캘리포니아 대학교[55] 샌타바버라의 화학 공학 팀 및 칼스루에 액체-금속 연구소(KALLA)와 같은 연구소에서도 평가되고 있습니다.[56]수소를 생산하기 위한 수전해 방식에서 소비되는 공정열에 대한 전력은 소비되는 전력의 7분의 1에 불과합니다.[57]

호주 회사인 Hazer Group은 웨스턴 오스트레일리아 대학에서 원래 개발된 기술을 상용화하기 위해 2010년에 설립되었습니다.이 회사는 2015년 12월 ASX에 상장했습니다.서호주대학교(UWA)에서 개발한 공정촉매 이용기술로 폐수와 철광석에서 재생수소와 흑연을 생산하는 상용 실증사업을 진행 중입니다.상업용 실증 플랜트 프로젝트는 호주 최초로 2023년부터 매년 약 100톤의 연료급 수소와 380톤의 흑연을 생산할 것으로 예상됩니다.[58] 그것은 2022년에 시작될 예정이었습니다."2021년 12월 10일: 하저 그룹(ASX: HZR)은 하저 상업 실증 프로젝트(CDP)를 위한 원자로 제작 완료에 지연이 있었음을 알려드리게 되어 유감입니다.이로 인해 Hazer CDP의 계획된 시운전이 지연될 것으로 예상되며, 현재 목표일인 2022년 1분기 이후에 시운전이 이루어질 것으로 예상됩니다."[59]Hazer Group은 2023년 5월 Engie와 프랑스 설비 협력 계약,[60] 2023년[61] 4월 일본 Chubu Electric & Chiyoda와 양해각서 체결, Suncor Energy 및 Fortis와 계약 체결BC, 2022년[62][63] 4월 캐나다 연간 2,500톤 버라드-헤저 수소 생산 공장 개발

미국 회사 C-Zero의 기술은 천연 가스를 수소와 고체 탄소로 바꿉니다.수소는 깨끗하고 저렴한 에너지를 요구에 따라 제공하는 반면 탄소는 영구적으로 격리될 수 있습니다.[64]씨제로는 2022년 6월 국내 2위 대기업인 SK그룹의 자회사인 SK가스가 주도한 3400만 달러 규모의 자금조달 라운드를 마감했다고 발표했습니다.SK가스에는 기존 투자자인 Breakthrough Energy Ventures, Eni Next, Mitsubishi Heavy Industries 및 AP Ventures 외에도 세계 최대의 물적 상품 거래 회사 중 하나인 Engie New Ventures 및 Trafigura라는 두 명의 새로운 투자자가 합류했습니다.자금 지원은 C-Zero의 첫 번째 파일럿 공장을 위한 것으로, 2023년 1분기에 온라인으로 진행될 것으로 예상되었습니다.이 공장은 이산화탄소 배출이 없는 천연 가스로부터 하루에 최대 400kg의 수소를 생산할 수 있습니다.[65]

세계 최대 화학기업 중 하나인 바스프는 수소 열분해를 10년 넘게 연구해왔습니다.

에틸렌

산업적으로 가장 큰 규모(2005년 1억 1천만 톤/년)로 생산되는 화학 화합물인 에틸렌은 열분해에 의해 생산됩니다.이 과정에서 석유에서 나온 탄화수소는 증기가 있을 때 약 600°C(1,112°F)로 가열됩니다. 이를 증기 균열이라고 합니다.생성된 에틸렌은 부동액(에틸렌 글리콜), PVC(염화비닐을 통해), 그리고 폴리에틸렌과 폴리스티렌과 같은 많은 다른 중합체를 만드는 데 사용됩니다.[67]

반도체

휘발성 열분해를 수반하는 금속유기 증기상 에피택시 공정 설명

금속유기기상 에피택시(MOCVD) 공정은 휘발성 유기금속 화합물의 열분해를 수반하여 반도체, 하드코팅 및 기타 적용 가능한 재료를 제공합니다.반응은 전구체의 열분해를 수반하며, 무기 성분이 침전되고 탄화수소가 가스 폐기물로 방출됩니다.원자별 증착이기 때문에, 이 원자들은 스스로 결정으로 구성되어 벌크 반도체를 형성합니다.원시 다결정 실리콘은 실란 가스의 화학적 증착에 의해 생성됩니다.

SiH → Si + 2H.

다른 반도체인 갈륨 아르세나이드는 트리메틸갈륨아르신의 공열분해에 의해 형성됩니다.

폐기물관리

열분해는 도시 고체 폐기물과 플라스틱 폐기물을 처리하는 데도 사용될 수 있습니다.[4][15][68]주된 장점은 폐기물의 부피가 줄어든다는 것입니다.원칙적으로 열분해는 처리되는 중합체로 단량체(전구체)를 재생시키지만 실제로 공정은 단량체의 깨끗하고 경제적인 경쟁력 있는 공급원이 아닙니다.[69][70][71]

타이어 폐기물 관리에서 타이어 열분해는 잘 개발된 기술입니다.[72]자동차 타이어 열분해에서 나오는 다른 제품으로는 강선, 카본 블랙, 비트멘 등이 있습니다.[73]그 지역은 입법, 경제, 마케팅의 장애물에 직면해 있습니다.[74]타이어 고무 열분해에서 추출된 오일은 황 함량이 높아 오염물질로서의 가능성이 높으므로 탈황해야 합니다.[75][76]

500℃의 저온에서 하수 슬러지를 알칼리 열분해하면 현장 탄소 포집으로 H 생산을2 향상시킬 수 있습니다.수산화나트륨(NaOH)을 사용하면 연료 전지에 직접 사용할 수 있는 H가2 풍부한 가스를 생산할 수 있습니다.[29][77]

2021년 11월 초, 미국 조지아주사바나 항구에 8,500만 달러 규모의 대형 전자제품 재활용 공장을 건설하기 위해 Igneo Technologies와 공동 노력을 발표했습니다.이 프로젝트는 다수의 파쇄기와 열분해 기술을 사용하는 고로를 사용하는 폐기물 스트림에서 가치가 낮고 플라스틱을 많이 사용하는 장치에 초점을 맞출 것입니다.[78]

담배폐기물에 대한 1단계 열분해와 2단계 열분해

열분해는 담배 폐기물을 완화시키기 위해 사용되기도 했습니다.담배 폐기물을 TLW(Tobacco Leaf Waste)와 TSW(Tobacco Stick Waste) 두 가지로 분리하는 한 가지 방법이 수행되었습니다.TLW는 담배에서 나오는 폐기물로, TSW는 전자 담배에서 나오는 폐기물로 결정되었습니다.TLW와 TSW는 모두 80 °C에서 24 시간 동안 건조되어 건조기에 보관되었습니다.[79]내용물이 균일하도록 샘플을 접지하였습니다.TW(Tobacco Waste)에는 유도 결합 플라즈마 광학 분광기를 사용하여 측정한 무기(금속) 성분도 포함되어 있습니다.[79]4개의 샘플(TLW, TSW, 글리세롤구아검)을 열적으로 분해하기 위해 열중량 분석을 사용하였으며 특정 동적 온도 조건에서 모니터링하였습니다.[79]TLW와 TSW의 약 1g이 열분해 테스트에 사용되었습니다.이러한 해석 시험 동안 CO와2 N은2 석영 배관(quartz tubing)을 사용하여 제작된 튜브형 반응기 내부의 대기로 사용되었습니다.CO2 N기압2 모두 유량이 100 mL min이었습니다−1.[79]외부 가열은 관로를 통해 생성되었습니다.발열성 제품은 세 단계로 분류되었습니다.첫 번째 단계는 650°C에서 반응기에 의해 생성된 고체 잔류물인 바이오차였습니다.2상 액체 탄화수소는 차가운 용매 트랩에 의해 수집되고 크로마토그래피를 사용하여 분류되었습니다.세 번째와 마지막 단계는 온라인 마이크로 GC 장치를 사용하여 분석되었으며 열분해물은 가스였습니다.

1단계 열분해와 2단계 열분해라는 두 가지 다른 유형의 실험이 수행되었습니다.1단계 열분해는 30~720°C의 일정한 가열 속도(10°C min−1)로 구성되었습니다.[79]2단계 열분해 테스트의 두 번째 단계에서는 1단계 열분해로 얻은 열분해물을 650°C에서 등온적으로 제어하는 두 번째 가열 영역에서 열분해했습니다.[79]2단계 열분해는 CO가2 두 번째 가열 영역을 통해 열을 첨가할 때 탄소 재분배에 얼마나 영향을 미치는지에 주로 초점을 맞추기 위해 사용되었습니다.[79]

먼저 주목한 것은 CO와2 N 환경2 모두에서 TLW와 TSW의 열분해 거동이었습니다.TLW 및 TSW 모두 CO 및2 N2 환경에서 660°C 이하에서 열분해 거동이 동일했습니다.환경 간의 차이는 온도가 660°C 이상으로 증가하고 잔류 질량 백분율이 N2 환경에 비해 CO2 환경에서 크게 감소할 때 발생하기 시작합니다.[79]이러한 관측은 부도아 반응 때문일 가능성이 높으며, 온도가 710°C를 초과할 때 자발적인 가스화가 일어나는 것을 볼 수 있습니다.[80][81]이러한 관측 결과는 710°C보다 낮은 온도에서 관찰되었지만, TLW에서 무기물의 촉매 능력 때문일 가능성이 높습니다.[79]ICP-OES 측정을 통해 추가로 조사되었으며 잔류 질량 백분율의 5분의 1이 Ca 종인 것으로 나타났습니다.CaCO는3 담뱃지와 여과재에 사용되어 CaCO3 열화가 동적 평형 상태에서 CaO와 반응하는 순수한 CO를2 유발한다는 설명으로 이어집니다.[79]이것이 660°C에서 710°C 사이의 질량 붕괴를 보는 이유입니다.TLW에 대한 차동 열그램(DTG) 피크의 차이를 TSW와 비교했습니다. TLW는 87, 195, 265, 306°C에서 4개의 독특한 피크가 있는 반면 TSW는 200, 306°C에서 하나의 스파이크를 사이에 두고 두 개의 주요 드롭오프가 있었습니다.[79]4개의 피크는 TLW가 TSW보다 더 다양한 종류의 첨가제를 포함하고 있음을 나타냅니다.[79]TLW와 TSW 사이의 잔류 질량 백분율을 추가로 비교하였는데, 여기서 TSW의 잔류 질량은 CO2 및 N 환경2 모두에서 TLW의 잔류 질량보다 작았으며, 이는 TSW가 TLW보다 더 많은 양의 첨가제를 가지고 있다는 결론을 내렸습니다.

바이오차 제조시 수소, 메탄, 타르 생성

1단계 열분해 실험은 CO와2 N2 환경에 대해 상이한 결과를 나타냈습니다.이 과정에서 주목할 만한 5가지 가스의 진화가 관찰되었습니다.TLW의 열분해 속도가 500℃ 이상에서 지연되기 시작하면 수소, 메탄, 에탄, 이산화탄소, 에틸렌이 생성됩니다.열분해 속도는 CO2 환경과 N 환경2 모두 동일한 온도에서 시작되지만, N 환경에서2 수소, 에탄, 에틸렌 및 메탄 생성 농도가 CO2 환경에서보다 높습니다.CO2 환경의 CO 농도는 온도가 600 °C 이상으로 증가함에 따라 상당히 높아지며, 이는 CO가2 TLW의 CaCO에서3 방출되기 때문입니다.[79]이러한 CO 농도의 현저한 증가는 희석 효과로 인해 CO2 환경에서 생성되는 다른 가스의 농도가 낮아지는 이유입니다.[79]열분해는 탄소 기질의 탄소를 세 가지 열생성물로 재분배하는 것이기 때문입니다.[79]CO로의 CO2 환원은 열분해물의 산화를 허용하여 CO를 형성하기 때문에 CO2 환경은 더욱 효과적일 것입니다.결론적으로 CO2 환경은 오일 및 바이오차보다 더 높은 가스 수율을 허용합니다.TSW에 대해 동일한 공정을 수행할 경우 경향이 거의 동일하므로 TSW의 열분해에도 동일한 설명을 적용할 수 있습니다.[79]

CO 생성으로 인해 타르가 감소하여 CO2 환경에서 유해 화학 물질이 감소되었습니다.액체 열분해물(tar)의 양이 많기 때문에 탄소 재배열에 대한 CO 활성화에는 1단계2 열분해가 그다지 효과적이지 않았습니다.CO2 환경에 대한 2단계 열분해는 두 번째 가열 구역으로 인해 더 많은 가스 농도를 허용했습니다.두 번째 가열 영역은 등온적으로 650°C의 일정한 온도에 있었습니다.[79]CO와2 가스 열분해물 사이의 반응이 더 길면 CO는2 열분해물을 CO로 더 많이 전환할 수 있습니다.[79]그 결과, 2단계 열분해는 타르 함량을 줄이고 가스 농도를 약 10 wt 증가시키는 효과적인 방법으로 나타났습니다.% 두 TLW(64.20 wt)의 경우.%) 및 TSW(73.71%).[79]

열세정

열분해는 또한 열 세척(thermal cleaning)을 위해 사용되는데, 열 세척은 압출기 나사, 방사체[82]정적 혼합기와 같은 부품, 제품 또는 생산 부품에서 폴리머, 플라스틱 코팅과 같은 유기 물질을 제거하는 산업적 응용입니다.열 세정 과정 중에 310~540°C(600~1,000°F)의 온도에서 유기물은 열분해 및 산화에 의해 휘발성 유기 화합물, 탄화수소탄화 가스로 전환됩니다.[83][84]무기 요소가 남아 있습니다.[85]

열분해 방식을 사용하는 열 세정 시스템의 종류는 다음과 같습니다.

  • 용융 염조는 가장 오래된 열 세척 시스템에 속합니다. 용융 염조로 세척하는 것은 매우 빠르지만 위험한 비산 위험 또는 폭발이나 맹독성 시안화수소 가스와 같은 염조 사용과 관련된 다른 잠재적 위험을 의미합니다.[83]
  • 유동층 시스템[86] 모래산화알루미늄을 가열 매체로 사용합니다.[87] 이들 시스템은 매우 빠르게 세척되지만 매체가 녹거나 끓거나 증기나 냄새를 배출하지 않으며 세척 과정은 1~2시간 정도 걸립니다.[83][84]
  • Vacuum Oven은 청소실 내부에서 제어되지 않는 연소를 방지하기 위해 진공에서[88] 열분해를 사용합니다.[83] 청소 과정은 8시간에서[84] 30시간이 걸립니다.[89]
  • 청소 오븐이라고도 하는 번 오프 오븐은 가스 연소 방식으로 도장, 코팅, 전기 모터플라스틱 산업에서 무거운 금속 부품과 큰 금속 부품에서 유기 물질을 제거하는 데 사용됩니다.[90]

미세화학합성

열분해는 주로 화학 화합물의 생산에 사용되지만, 연구 실험실에서만 사용되는 것은 아닙니다.

붕소-수소 클러스터의 영역은 200°C에서 디보란(BH)26의 열분해에 대한 연구로 시작되었습니다.제품에는 펜타보란데카보란 클러스터가 포함됩니다.이러한 열분해는 균열(H를2 주기 위해) 뿐만 아니라 재응축도 수반합니다.[91]

초음파 분무 열분해(USP)는 초음파 노즐을 이용한 나노 입자,[92] 지르코니아[93] 및 산화물의[94] 합성을 의미합니다.

기타 용도 및 발생사항

  • 열분해는 탄소-14 연대 측정의 목적으로 유기물을 탄소로 바꾸는 데 사용됩니다.
  • 담배와 다른 제품에서 담배, 종이, 첨가제의 열분해는 흡연의 향기와 부정적인 건강 영향에 책임이 있는 많은 휘발성 제품(니코틴, 일산화탄소, 타르 포함)을 발생시킵니다.마리화나 흡연과 향 제품모기 코일 연소에도 유사한 고려 사항이 적용됩니다.
  • 열분해는 쓰레기를 소각하는 동안 발생하며, 완전히 연소되지 않으면 독성이 있거나 대기 오염의 원인이 되는 휘발성 물질을 생성할 가능성이 있습니다.
  • 실험실이나 산업용 장비는 뜨거운 표면과 접촉하는 유기 제품의 열분해인 코킹으로 인해 발생하는 탄소질 잔류물로 인해 가끔 오염됩니다.

PAHs 생성

헤미셀룰로오스, 셀룰로오스, 리그닌, 펙틴, 전분, 폴리에틸렌(PE), 폴리스티렌(PS), 폴리염화비닐(PVC) 및 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)와 [10]같은 다양한 고체 폐기물 분획물의 열분해로부터 다환 방향족 탄화수소(PAH)가 생성될 수 있습니다.PS, PVC 및 리그닌은 상당한 양의 PAH를 생성합니다.나프탈렌은 다환 방향족 탄화수소 중에서 가장 풍부한 PAH입니다.[95]

온도가 500°C에서 900°C로 증가하면 대부분의 PAHs가 증가합니다.온도가 증가함에 따라 가벼운 PAH의 비율은 감소하고 무거운 PAH의 비율은 증가합니다.[96][97]

학습도구

열중량분석

열중량 분석(TGA)은 열분해를 조사하는 가장 일반적인 기술 중 하나로 열과 물질 전달에 제한이 없습니다.결과는 질량 손실 운동학을 결정하는 데 사용될 수 있습니다.[3][15][4][30][68]활성화 에너지키신저 방법 또는 피크 분석-최소 제곱 방법(PA-LSM)을 사용하여 계산할 수 있습니다.[4][30]

TGA는 푸리에 변환 적외선 분광법(FTIR) 및 질량 분석법과 결합할 수 있습니다.온도가 올라가면 열분해에서 발생하는 휘발성을 측정할 수 있습니다.[98][77]

매크로 TGA

TGA에서는 온도가 증가하기 전에 샘플을 먼저 로드하고 가열 속도가 낮습니다(100 °Cmin−1 미만).매크로-TGA는 질량과 열전달 효과가 있는 열분해를 조사하는 데 사용할 수 있는 그램 스케일 샘플을 사용할 수 있습니다.[4][99]

열분해-가스 크로마토그래피-질량분석

열분해 질량 분석법(Py-GC-MS)은 화합물의 구조를 결정하는 중요한 실험실 절차입니다.[100][101]

머신 러닝

최근 몇 년 동안 머신 러닝은 수확량 예측, 매개 변수 최적화, 열분해 공정 모니터링 등에 상당한 연구 관심을 끌고 있습니다.[102][103]

참고 항목

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