[그림 1] 이산화탄소 전환 및 폴리우레탄 원료 물질 제조 관련 이미지
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플라스틱의 종류 및 폴리우레탄 원료 물질
플라스틱의 종류 및 폴리우레탄 원료 물
[그림 2] 플라스틱의 종류 및 폴리우레탄 원료 물질
폴리에틸렌(PE)
플라스틱 종류
폴리에틸렌
테레프탈레이트
(PET)
폴리스티렌(PS)
폴리프로필렌(PP)
에틸렌
에틸렌 글라이콜,
테레프탈산
스타이렌
프로필렌
폴리비닐클로라이드
(PVC)
염화비닐(에틸렌+염소),
프로필렌
원료 물질
폴리우레탄(PU)
폴리올(PPG),
이소시아네이트
(MDI, TDI
등)
내구성이 강함,
가벼움, 화학적 내구성
높은 투명성, 강한 인장
강도(늘려도 안 끊어짐)
저렴한 가격,
가공 용이
내열성
,
가벼움
, 화학적 내구성
높은 강도와 경도,
화학적 내구성
장점
유연하고 탄성 높음,
내마모성
자외선에서 변색,
내열성
세균 번식이 쉬워 식품
보관 용도는 1회만 사용
충격에 약함,
내열성
낮은 투명성,
자외선에서 변색
재활용 어려움,
내열성
단점
제조 비용 높음,
날카로운 물체에 취약
식품 용기, PET병뚜껑
포장용 랩, 비닐 봉지 등
섬유, PET병 몸체 등
일회용 용기,
건축 단열재 등
가구, 장난감, PET병 라벨,
혈액백, 주사기 몸체 등
창틀, 전선, 바닥재(장판),
시트, 벽지, 배관 등
실생활 제품 사례
신발 밑창, 침대 매트리스,
차량 내장재, 단열재 등
폴리올 이소시아
네이트
NCO
NCO
OH
OH
OH
폴리우레탄
f
[그림 3] MDI 제조 공정 방식 비교 (기존 방식 – 개선 방식)
MDI
제조 공정 방식 비교 (기존 방식 – 개선 방식)
MDI
제조 공정 방식 비교 (기존 방식 – 개선 방식
-
기존 방식
① 아닐린 제조
② MDA(메틸렌 디페닐
디아민) 제조
③ 포스겐 제조
-
니트로벤젠+수소를
반응시켜 아닐린 제조
아닐린+포름알데히드
반응시켜 MDA 제조
일산화탄소+염소를
반응시켜 포스겐 제조
④ MDI 제조
MDA+
포스겐 반응시켜
MDI
제조
-
C6H5NO2(
니트로벤젠)
+ 3H2(
수소
) → C6 H5 NH2(아닐린 ) +
2H2 O(물)
2C6 H5 NH2(아닐린 ) +
CH2 O(포름알데히드) → (C6 H4
NH2 )2CH2(MDA)
CO(일산화탄소) + Cl2(염소) →
COCl2(포스겐)
(C6 H4 NH2 )2CH2(MDA) +
2COCl2(포스겐) → (C6 H4 N
CO)2CH2(MDI) + 4HCl(
염화수소
)
공정 반응 요약
화학 반응식
-
-
-
-
포스겐의 일산화탄소(CO)-염소(Cl2) 간
결합은 상대적으로 약해, 분리 후 아닐린
내부 아민기(-NH2)의 분자와 다시
결합하려는 경향이 매우 강함.
즉 염소(Cl)-수소(H), 일산화탄소(CO)-질소(N)
결합 후, 이소시아네이트기(-NCO) 쉽게 생성
비고
① 이산화탄소 전환
개선 방식
② 아닐린 제조
③ MDA(메틸렌 디페닐
디아민) 제조
④ MDC 제조
이산화탄소+메탄 반응시켜
합성가스(CO, H2)로 전환
합성가스(CO, H2)+
니트로벤젠 반응시켜 아닐린
제조
아닐린+포름알데히드
반응시켜 MDA 제조
MDA+
메탄올+일산화탄소
+
산소 반응시켜 MDC 제조
⑤ MDI 제조
MDC
를 가열해
MDI
와 메탄올 분리
CO2(
이산화탄소)
+ CH4(메탄) →
2CO(일산화탄소 ) + 2H2(수소)
C6H5NO2(
니트로벤젠)
+ 3H2(
수소
) + 3CO(일산화탄소) →
C6 H5 NH2(아닐린 ) + 2H2 O(물)
+ 3CO(일산화탄소)
2C6 H5 NH2(아닐린 ) +
CH2 O(포름알데히드) → (C6 H4
NH2 )2CH2(MDA)
(C6 H4 NH2 )2CH2(MDA) + 2CH3
OH (메탄올) + (2시간 후) 2CO +
O2 + (+팔라듐/이산화 티타늄
촉매
) → (C6 H4 NHCOOCH3 )2 CH2
(MDC)+2H2 O
(C6 H4 NHCOOCH3 )2 CH2
(MDC) (열분해) → (C6 H4
NCO)2 CH2 (MDI) + 2CH3
OH(메탄올)
공정 반응 요약
화학 반응식
-
일산화탄소와 수소가 섞인 합성가스
사용해도 높은 비율로 수소만 반응해,
별도로 수소 분리하는 공정 필요없고,
후속 공정에 필요한 일산화탄소까지
고순도로 분리 가능
-
팔라듐/이산화티타늄 촉매가 일산화탄소
(CO)
및 아닐린 내부 아민기(-NH2)의
질소(N)와 반응성을 높이고,
메탄올이 메틸기(-CH3)를 제공하여
메틸 카바메이트기(-NHCOOCH )
₃ 생성됨
열분해 과정을 통해 MDC 분자 구조
중에서 메틸카바메이트(-NHCOOCH )
₃ 가
이소시아네이트기(-NCO)로 전환되며
MDI
와 메탄올로 분리됨
비고
[그림 4] CO₂를 전환해 포스겐 없이 MDI를 제조하는 분자 구조 개략도
CO
₂를 전환해 포스겐 없이 MDI를 제조하는 분자 구조 개략도
CO
₂를 전환해 포스겐 없이 MDI를 제조하는 분자 구조 개략
CO + MeOH
MDA
MDC
MDI
Phosgene
기존기술
Highly toxic
corrosive
-HCl
Strong acid
byproducts
신규공정
: Phosgene-free, CO
2 원료 활용
CO
2
CO
2
H
2
CO
CO
TDC
MDC
TDI
MDI
H2N
NH2
N
H
N
H
MeO
O
OMe
O
OCN
NCO
[그림 5] CO
2 를 재활용해 포스겐 없이 MDI를 제조하는 전체 공정도
(1) CO
2 건식개질: 합성가스 생산
반응 스킴
단위공정
(3) MDA
합성
(2)
아닐린 합성 및 CO 분리
(4)
산화 카르보닐화: 디카바메이트 합성
(5)
디카바메이트 열분해: MDI 생산
MDA
MeOH
NaI
CO
O
2
④
D
is
till
ati
on
D
is
till
ati
on
D
is
till
ati
on
MDC
DCM
NaI
회수
기체 배출
기체 회수
메탄올
회수
MDC
니트로벤젠
D
is
till
ati
on
MDI
N
2
D
is
till
a
tio
n
메탄올 회수
니트로벤젠
회수
⑤
CO
2
CH
4
합성가스
니트로벤
젠
CO
아닐린
①
②
폐수
폐수
CO
2 건식개질
니트로벤젠 수소화
산화 카르보닐화
디카바메이트 열분해
①
②
④
⑤
MDA
회수
아닐린
HCl
포름알데히드
NaOH
MDA
용수 처리
벤젠
포름알데히드
황산
폐기물
폐수
아닐린 회수
기체 배출
③
아닐린 축합
CO2 + CH4
+ 2H2
2CO
NO2
+ 2H2
2CO
+
NH2
2CO
+
NH2
CH2O
NH2
H2N
MDA
NH2
H2N
CO, O2, MeOH
N
H
N
H
MeO
O
OMe
O
N
H
N
H
MeO
O
OMe
O
NCO
OCN
MDA
MDC
MDC
MDI
[그림 6] MDI 제조 공정 반응기 및 촉매 모습
<이소시아네이트 제조 반응기>
<촉매 성형 장치>
<팔라듐 기반 이산화티타늄 촉매>
[그림 7] 전과정평가(LCA: Life Cycle Assessment) 개념
전 과정
Use
Phase
석유자원고갈
물 사용
지구온난화
산성화
기타
환경영향평가
투입물
: 천연자원
• ...kg 원유
• ...kg 석탄
• ...
인벤토리 흐름 분석
산출물
: 환경 배출물
•
...kg CO
2
•
...kg NO
X
• ...
[출처: Artz et al., 2018]
제품 시스템 전 과정 동안에 투입되는 자원
·에너지와 환경으로 배출되는 오염물질을
정량적으로 목록화하고 이들이 환경에 미치는 잠재적 환경영향을 체계적으로 평가
,
개선하고자 개발된 기법
목적 및 범위 정의
단계
1.
단계
2.
인벤토리 분석
단계
3.
영향평가
단계
4.
해석
명확한 목표 및 범위 정의
시스템모델링 및 계산
선정한 카테고리의
영향평가
목적에 맞는 결과 해석
▶
전과정평가
(LCA: Life cycle assessment) 란?
석유기반 폴리올
CO
2 기반 폴리올 (20wt%)
지구온난화
석유자원고갈
담수
부영양화
해수
부영양화
오존 고갈
전리 방사선
미세먼지
형성
광화학적 산화물
형성
토양 산성화
[그림 8] LCA 평가 프로그램으로 얻은 결과를 보여주는 모습
[그림 9] 연구팀 사진(좌측부터 이진희 박사, 안진주 박사, 박지훈 박사)
