KR102704507B1 - Catalyst and method for pyrolyzing residual oil of pyrolyzed waste polystyrene - Google Patents

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Abstract

폐폴리스티렌 열분해에 의한 잔사유를 열분해하는 촉매 및 열분해 방법에 관한 것으로서, 초안정성 Y-제올라이트(ultra-stable Y zeolite, US Y zeolite) 촉매로 사용하거나, MWW 구조의 제올라이트를 2-프로판올과 함께 포함하여 폐폴리스티렌 열분해에 의한 잔사유를 열분해하여 잔사유의 열분해 생성물 중 큐멘의 선택도를 높이는 것을 특징으로 한다.The present invention relates to a catalyst and a pyrolysis method for pyrolyzing residual oil from waste polystyrene pyrolysis, wherein the catalyst is an ultra-stable Y zeolite (US Y zeolite), or a zeolite having an MWW structure is included together with 2-propanol to pyrolyze residual oil from waste polystyrene pyrolysis, thereby increasing the selectivity of cumene among the pyrolysis products of the residual oil.

Description

폐폴리스티렌 열분해 잔사유를 열분해하는 촉매 및 방법{Catalyst and method for pyrolyzing residual oil of pyrolyzed waste polystyrene}Catalyst and method for pyrolyzing residual oil of pyrolyzed waste polystyrene

본 발명은 폐폴리스티렌 열분해에 의해 수득된 잔사유를 열분해하는 촉매 및 방법에 관한 것으로서, 큐멘에 대한 선택도를 향상시키는 촉매 및 상기 촉매를 사용한 열분해 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a catalyst and a method for pyrolyzing residual oil obtained by pyrolyzing waste polystyrene, and more particularly, to a catalyst that improves selectivity to cumene and a pyrolysis method using the catalyst.

폴리스티렌은 유제품, 일회용 컵 뚜겅 등의 식품용기 및 농수산물 포장 트레이, 가전제품 포장용 스티로품 등 일상생활에서 흔히 접하는 플라스틱으로, 인구의 증가 및 산업 활동의 증가에 따라 현대 산업 사회에서 차지하는 비중은 더욱 커지고 있으며, 이로 인해 발생되는 막대한 양의 폐폴리스티렌이 심각한 사회, 환경문제를 일으키고 있어 이를 재활용하고자 연구가 이루어지고 있다.Polystyrene is a plastic commonly encountered in everyday life, used in food containers such as dairy product and disposable cup lids, agricultural and marine product packaging trays, and styrofoam for home appliance packaging. As the population and industrial activities increase, its proportion in modern industrial society is increasing, and the massive amount of waste polystyrene generated as a result is causing serious social and environmental problems, so research is being conducted to recycle it.

폐폴리스티렌을 재활용하는 방법으로는 단순한 물리적인 첨가나 가공보다는 적절한 압력, 온도와 불활성분위기에서 열분해하는 방법이 더 많은 관심을 받고 있다. 열분해의 경우 고분자 구조를 분해하여 탄소수가 작은 탄화수소의 액체나 기체의 혼합물로 수득하여 부가가치가 있는 산업용 화합물로서 재사용하고자 하는 것으로, 폐폴리스티렌은 열분해를 통해 스티렌 단량체 및 부가가치가 있는 활용가능 화합물을 수득하여 재사용함으로써, 환경적 측면 및 경제적 측면에서 이점을 갖는다. As a method of recycling waste polystyrene, thermal decomposition under appropriate pressure, temperature, and inert atmosphere is receiving more attention than simple physical addition or processing. In the case of thermal decomposition, the polymer structure is decomposed to obtain a liquid or gaseous mixture of hydrocarbons with a small number of carbon atoms, which is then reused as an industrial compound with added value. By obtaining styrene monomer and a usable compound with added value through thermal decomposition, waste polystyrene has advantages in environmental and economic aspects.

이러한 폴리스티렌 열분해에 관련한 기술은 연구가 활발히 진행되어, 한국 등록특허 제10-0468047호에서와 같이 폐폴리스티렌으로부터 스티렌 모노머를 회수하거나 또는 폐폴리스티렌으로부터 오일 등의 유용한 화합물을 수득하는 기술이 보고되고 있다.Technologies related to such polystyrene pyrolysis are being actively studied, and technologies for recovering styrene monomer from waste polystyrene or obtaining useful compounds such as oil from waste polystyrene have been reported, as in Korean Patent Registration No. 10-0468047.

그러나, 폴리스티렌은 모노머로 열분해되는 과정에서 완전히 열분해되지 않은 잔사유가 상당량 생성되는데, 이 잔사유의 처리 방식에 따라 폴리스티렌 열분해의 경제성 및 환경에의 영향정도가 크게 달라질 수 있어, 상기 잔사유 처리에 대한 연구가 많이 진행되고 있다. 이 중 상기 잔사유를 다시 열분해하여 오일 또는 스티렌 모노머의 회수량을 더욱 늘리고자 하는 시도가 있다. However, during the process of pyrolyzing polystyrene into monomers, a significant amount of residual oil is generated that is not completely pyrolyzed. Depending on the method of handling this residual oil, the economic feasibility and environmental impact of polystyrene pyrolysis can vary greatly. Therefore, much research is being conducted on handling this residual oil. Among these, there is an attempt to further increase the amount of oil or styrene monomer recovered by pyrolyzing the residual oil again.

상기 연구의 일환으로 비특허문헌 1에서는 폐폴리스티렌 열분해로부터 생성된 잔사유를 ZSM-5 제올라이트 촉매를 사용하여 다시 열분해하는 잔사유 열분해 방법이 개시되어 있다. 그러나, 상기 선행문헌의 경우, 잔사유 열분해에 의해 스티렌 모노머, 톨루엔, 벤젠, 에틸벤젠을 수득할 수 있음을 개시하고 있을 뿐, 상기 잔사유 열분해 생성물 중 비교적 활용도가 높은 큐멘을 선택적으로 수득할 수 있는 방법에 대해서는 전혀 개시하고 있지 않다. As part of the above research, non-patent document 1 discloses a method for thermally decomposing residual oil generated from thermal decomposition of waste polystyrene using a ZSM-5 zeolite catalyst. However, in the case of the above prior document, it only discloses that styrene monomer, toluene, benzene, and ethylbenzene can be obtained by thermal decomposition of residual oil, and does not disclose at all a method for selectively obtaining cumene, which has a relatively high utilization rate among the thermal decomposition products of the residual oil.

비특허문헌 2는 폴리스티렌을 열분해하여 에틸벤젠 및 벤젠의 선택적 제조에 관한 것으로서, USY(ultra-stable Y) 제올라이트를 촉매로 사용한다. 상기 문헌에 따르면, SiO2/Al2O3 몰비에 따라 에틸벤젠 및 벤젠수율의 선택도가 달라지며, USY 제올라이트의 SiO2/Al2O3 몰비가 5.3인 경우 높은 표면적, 큰 기공 및 풍부한 강산 부위를 포함함에 따라 에틸벤젠 및 벤젠에 대한 가장 높은 선택도를 나타냄을 개시하고 있으나, 폴리스티렌 열분해 잔사유의 열분해에 대하여는 언급하고 있지 않다.Non-patent Document 2 relates to the selective production of ethylbenzene and benzene by pyrolysis of polystyrene, using USY (ultra-stable Y) zeolite as a catalyst. According to the document, the selectivity of the yield of ethylbenzene and benzene varies depending on the molar ratio of SiO 2 /Al 2 O 3 , and when the molar ratio of SiO 2 /Al 2 O 3 of USY zeolite is 5.3, it exhibits the highest selectivity for ethylbenzene and benzene due to the high surface area, large pores, and abundant strong acid sites. However, there is no mention of pyrolysis of polystyrene pyrolysis residue.

일본등록특허 제6956187호(2021.10.06.)는 폐기 플라스틱의 프로필렌 및 쿠멘으로의 변환에 관한 것으로서, 폐기 플라스틱를 단계적으로 열분해하여 잔사유로부터 벤젠 및 프로펠렌을 제조하며, 이들의 합성을 통해 큐멘을 제조하고, 이때 알킬화 촉매로 MCM-22를 개시하고 있다. Japanese Patent No. 6956187 (October 6, 2021) relates to the conversion of waste plastics into propylene and cumene. It discloses stepwise pyrolysis of waste plastics to produce benzene and propene from residual oil, and synthesis of these to produce cumene, using MCM-22 as an alkylation catalyst.

그러나 상기 선행문헌의 경우 폐기 플라스틱으로부터 벤젠 및 프로필렌을 각각 수득한 후, 이를 합성함으로써, 큐멘을 제조하고 있어 잔사유로부터 큐멘을 제조하는 공정이 다소 복잡하다.However, in the case of the above prior literature, cumene is manufactured by obtaining benzene and propylene from waste plastics, respectively, and then synthesizing them, so the process of manufacturing cumene from residual oil is somewhat complicated.

한국등록특허 제10-0468047호(2005.01.14.)Korean Patent Registration No. 10-0468047 (January 14, 2005) 일본등록특허 제6956187호(2021.10.06.)Japanese Patent No. 6956187 (2021.10.06.)

Korean J. Chem. Eng., 20(1), (2003)0 133-137 Korean J. Chem. Eng., 20(1), (2003)0 133-137 J. Wang, et al. Energy Conversion and Management 200 (2019) 112088 J. Wang, et al. Energy Conversion and Management 200 (2019) 112088

따라서, 본 발명자들은 종래의 폐폴리스티렌 열분해 기술에서 더 나아가 상기 열분해시 생성되는 잔사유를 열분해하여 환경오염을 감소시키고 경제성을 향상시킴은 물론이고, 상기 잔사유 열분해를 통해 생성되는 생성물 중 큐멘을 선택적으로 제조할 수 있는 방법을 제공하고자 한다. Accordingly, the inventors of the present invention go beyond the conventional pyrolysis technology of waste polystyrene to provide a method for reducing environmental pollution and improving economic efficiency by pyrolyzing residual oil generated during the pyrolysis, and for selectively producing cumene among the products generated through the pyrolysis of residual oil.

본 발명은 상기 과제를 해결하기 위하여 초안정성 Y-제올라이트(ultra-stable Y zeolite, USY)를 포함하고, 다른 열분해 생성물보다 큐멘의 선택도가 높은 것을 특징으로 하는, 폐폴리스티렌 열분해 잔사유 열분해용 촉매를 제공한다.The present invention provides a catalyst for pyrolysis of waste polystyrene pyrolysis residue, which comprises ultra-stable Y zeolite (USY) and is characterized by a higher selectivity for cumene than other pyrolysis products, in order to solve the above problems.

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 초안정성 Y-제올라이트의 SiO2/Al2O3 몰비는 5 초과 10 이하의 범위일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the SiO 2 /Al 2 O 3 molar ratio of the ultra-stable Y-zeolite may be in a range of more than 5 and less than or equal to 10.

본 발명의 또 다른 일 실시예로서, 본 발명은 폐폴리스티렌 열분해 잔사유를 2-프로판올의 존재하에서 열분해하여 큐멘을 선택적으로 형성하기 위한 촉매로서, MWW구조의 제올라이트를 포함하는 것을 특징으로 하는, 폐폴리스티렌 열분해 잔사유의 열분해 반응용 촉매를 제공한다.As another embodiment of the present invention, the present invention provides a catalyst for pyrolysis reaction of waste polystyrene pyrolysis residue oil, characterized in that it includes a zeolite having an MWW structure as a catalyst for selectively forming cumene by pyrolysis of waste polystyrene pyrolysis residue oil in the presence of 2-propanol.

또한 본 발명은 초안정성 Y-제올라이트를 포함하는 촉매를 사용하여 다른 열분해 생성물보다 큐멘의 선택도가 높은 것을 특징으로 하는, 폐폴리스티렌 열분해 잔사유의 열분해 방법을 제공한다.In addition, the present invention provides a method for pyrolysis of waste polystyrene pyrolysis residue, characterized in that the selectivity for cumene is higher than that for other pyrolysis products by using a catalyst including an ultra-stable Y-zeolite.

이 때, 상기 초안정성 Y-제올라이트 촉매는 잔사유 100 중량부에 대해 1 ~ 50 중량부로 포함될 수 있으며, 잔사유의 열분해 온도는 275 ~ 350 ℃일 수 있다.At this time, the ultra-stable Y-zeolite catalyst may be included in an amount of 1 to 50 parts by weight per 100 parts by weight of the residual oil, and the thermal decomposition temperature of the residual oil may be 275 to 350°C.

본 발명은 폐폴리스티렌 열분해 잔사유를 열분해하는 또 다른 방법으로서, 2-프로판올의 존재하에서, MWW 구조의 제올라이트와 접촉시켜 열분해하여 열분해 생성물 중 큐멘을 선택도를 높인 폐폴리스티렌 열분해 잔사유의 열분해 방법을 제공한다.The present invention provides a method for pyrolysis of waste polystyrene pyrolysis residue, which is another method for pyrolysis of waste polystyrene pyrolysis residue, in which the pyrolysis is performed by contacting the zeolite having an MWW structure in the presence of 2-propanol, thereby increasing the selectivity for cumene among pyrolysis products.

상기 방법에 있어서, 폐폴리스티렌 열분해 잔사유의 열분해 온도는 275 ~ 350 ℃일 수 있으며, MWW 구조의 제올라이트는 잔사유 100 중량부에 대해 1 ~ 50 중량부이고, 2-프로판올은 잔사유 100 중량부에 대해 1 ~ 10 중량부일 수 있다.In the above method, the thermal decomposition temperature of the waste polystyrene pyrolysis residue oil may be 275 to 350°C, the zeolite having the MWW structure may be 1 to 50 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the residue oil, and 2-propanol may be 1 to 10 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the residue oil.

본 발명에 따르면 폐폴리스티렌 열분해 잔사유를 유용한 성분으로 열분해할 수 있어 환경오염 및 경제적 측면에서 이점이 있다. According to the present invention, waste polystyrene pyrolysis residue can be pyrolyzed into useful components, which is advantageous in terms of environmental pollution and economic aspects.

또한, 상기 잔사유로부터의 열분해 생성물 중 큐멘의 선택도를 높일 수 있는 장점이 있다.In addition, there is an advantage of being able to increase the selectivity of cumene among the pyrolysis products from the above residual oil.

도 1은 본 발명의 일 실시에에 따른 폐폴리스티렌 열분해에 의한 잔사유의 성분을 가스크로마토그래피로 분석하여 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 USY 제올라이트의 SiO2/Al2O3 몰비에 따른 생성물 분포를 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 ZSM-5 촉매의 SiO2/Al2O3 몰비에 따른 생성물 분포를 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 촉매 및 2-프로판올을 포함하여 잔사유를 열분해한 경우의 생성물 분포 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 2-프로판올 없이 촉매만을 포함하여 잔사유를 열분해한 경우의 생성물 분포 그래프이다.
Figure 1 is a graph showing the components of residual oil resulting from thermal decomposition of waste polystyrene according to one embodiment of the present invention, analyzed by gas chromatography.
FIG. 2 is a graph showing the product distribution according to the SiO 2 /Al 2 O 3 molar ratio of USY zeolite according to one embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a graph showing the product distribution according to the SiO 2 /Al 2 O 3 molar ratio of a ZSM-5 catalyst according to one embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a product distribution graph when residual oil is thermally decomposed including a catalyst and 2-propanol according to one embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a product distribution graph when residual oil is thermally decomposed using only a catalyst without 2-propanol according to one embodiment of the present invention.

다른 식으로 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 모든 기술적 및 과학적 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 숙련된 전문가에 의해서 통상적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로, 본 명세서에서 사용된 명명법 은 본 기술분야에서 잘 알려져 있고 통상적으로 사용되는 것이다.Unless otherwise defined, all technical and scientific terms used herein have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. In general, the nomenclature used herein is well known and commonly used in the art.

본 명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.Whenever it is said throughout this specification that a part "includes" a component, this does not exclude other components, but rather includes other components, unless otherwise stated.

이하, 본 발명을 상세하게 설명하다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.

본 발명은 폐폴리스티렌을 열분해하여 스티렌 모노머를 회수하는 종래기술에서 더 나아가, 상기 폐폴리스티렌 열분해시 다량 발생하는 잔사유를 소각하거나 폐기하지 않고 다시 열분해하여 환경오염을 보다 감소시킴은 물론이고, 상기 잔사유 열분해로 인한 생성물 중 큐멘의 선택도를 높일 수 있는 폐폴리스티렌 열분해 잔사유의 열분해 촉매 및 폐폴리스티렌 열분해 잔사유 열분해 방법을 제공한다.The present invention goes further than the conventional technology of pyrolyzing waste polystyrene to recover styrene monomer, and provides a pyrolysis catalyst for waste polystyrene pyrolysis residue oil and a pyrolysis method for waste polystyrene pyrolysis residue oil, which can reduce environmental pollution by re-pyrolyzing a large amount of residual oil generated during the pyrolysis of waste polystyrene without incinerating or discarding it, and can also increase the selectivity of cumene among the products resulting from the pyrolysis of the residual oil.

상기 폐폴리스티렌의 열분해 잔사유는 폐폴리스티렌을 스티렌모노머 등으로 해중합하거나, 벤젠, 스티렌, 큐멘 등의 산업적으로 유용한 화합물로 열분해하는 과정에서 완전히 열분해되지 않거나, 분해되었더라도 아직 분자량이 상당히 높아 열분해 과정에서 가스화 되지 않는 물질을 의미한다. The above-mentioned pyrolysis residue of waste polystyrene refers to a substance that is not completely pyrolyzed during the process of depolymerizing waste polystyrene into styrene monomer, etc., or pyrolyzed into industrially useful compounds such as benzene, styrene, and cumene, or that is not gasified during the pyrolysis process even after being decomposed because its molecular weight is still considerably high.

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 열분해 촉매로는 초안정성 Y-제올라이트(USY)를 사용한다.In one embodiment of the present invention, ultra-stable Y-zeolite (USY) is used as the thermal decomposition catalyst.

상기 USY는 Y형 제올라이트의 일종으로, 알루미늄이 풍부한 Y형 제올라이트를 수증기 하에서 고온 열처리하거나 탈알루미늄화하여 Y형 제올라이트 골격으로부터 알루미늄들이 제거된 SiO2/Al2O3 몰비가 > 5인 Y형 제올라이트이다. USY는 기존의 알루미늄이 풍부한 Y 제올라이트보다 높은 열 및 수열 안정성과 높은 촉매 활성을 나타낸다.The above USY is a type of Y-type zeolite, and is a Y-type zeolite having a SiO 2 /Al 2 O 3 molar ratio of > 5, in which aluminum is removed from the Y-type zeolite framework by heat treatment at high temperature in the presence of steam or dealumination of aluminum-rich Y-type zeolite. USY exhibits higher thermal and hydrothermal stability and higher catalytic activity than conventional aluminum-rich Y zeolite.

본 발명은 폐폴리스티렌 열분해에 의한 잔사유를 열분해하는 촉매에 있어서, USY를 사용하여 큐멘의 선택도를 높일 수 있다. 바람직하게는, 상기 USY의 SiO2/Al2O3 몰비가 5 초과 10 이하의 범위로 할 수 있다. USY의 SiO2/Al2O3 몰비가 상기 범위일 경우, 잔사유의 전환율 및 큐멘에 대한 선택도가 높게 유지된다.The present invention relates to a catalyst for thermally decomposing residual oil by thermal decomposition of waste polystyrene, wherein the selectivity for cumene can be increased by using USY. Preferably, the molar ratio of SiO 2 /Al 2 O 3 of the USY can be in a range of more than 5 and less than 10. When the molar ratio of SiO 2 /Al 2 O 3 of the USY is in the above range, the conversion rate of the residual oil and the selectivity for cumene are maintained high.

또한 본 발명은 폐폴리스티렌 열분해 잔사유를 열분해하여 큐멘을 포함하는 열분해 생성물을 얻는 열분해 방법을 제공한다.In addition, the present invention provides a pyrolysis method for pyrolyzing waste polystyrene pyrolysis residue to obtain a pyrolysis product containing cumene.

상기 열분해 방법은 초안정성 Y-제올라이트를 사용하여 수행되며, 상기 촉매의 함량은 폐폴리스티렌 열분해 잔사유 100중량부 당 1 ~ 50 중량부의 범위, 바람직하게 3 ~ 10의 범위일 수 있다.The above thermal decomposition method is performed using ultra-stable Y-zeolite, and the content of the catalyst can be in the range of 1 to 50 parts by weight, preferably in the range of 3 to 10, per 100 parts by weight of waste polystyrene thermal decomposition residue oil.

상기 촉매의 함량이 1 중량부 이하이면, 상기 잔사유의 열분해가 미미할 수 있으며, 50 중량부 이상이면 추가되는 촉매에 대하여도 열분해율의 상승이 크지 않아 효율적이지 못하다.If the content of the catalyst is 1 part by weight or less, the thermal decomposition of the residual oil may be minimal, and if it is 50 parts by weight or more, the increase in the thermal decomposition rate is not significant even with the added catalyst, making it inefficient.

상기 폐폴리스티렌 열분해 잔사유의 열분해는 275 ~ 350 ℃ 범위에서 수행될 수 있다. 상기 온도가 275 ℃ 미만일 경우 열분해가 일어나지 않을 수 있고, 350 ℃ 초과일 경우, 과도한 열분해로 인하여 큐멘의 수율이 떨어질 수 있다.The thermal decomposition of the above waste polystyrene thermal decomposition residue can be performed in the range of 275 to 350°C. If the temperature is lower than 275°C, thermal decomposition may not occur, and if it exceeds 350°C, the yield of cumene may decrease due to excessive thermal decomposition.

상기 열분해시의 압력은 1 ~ 10 atm 일 수 있다. 압력이 1 atm 미만인 경우 열분해가 일어나지 않을 수 있고, 10 atm 초과일 경우 열분해율의 상승이 크지 않아 효율적이지 못하다.The pressure during the above thermal decomposition can be 1 to 10 atm. If the pressure is less than 1 atm, thermal decomposition may not occur, and if it exceeds 10 atm, the increase in thermal decomposition rate is not significant, making it inefficient.

본 발명에 있어서, 폐폴리스티렌을 열분해하는 단계는 일반적인 폐폴리스티렌 열분해 방법에 의해 수행될 수 있어 그 방법이 제한되지 않으며, 폐폴리스티렌의 함량, 열분해에 의한 생성물의 상형태(액상, 고상, 기상) 등을 고려하여 열분해 온도, 열분해 시간, 가열속도, 수분함량 등을 달리할 수 있다. In the present invention, the step of thermally decomposing waste polystyrene can be performed by a general thermal decomposition method for waste polystyrene, and the method is not limited thereto. In consideration of the content of waste polystyrene, the phase form (liquid, solid, gaseous) of the product by thermal decomposition, etc., the thermal decomposition temperature, thermal decomposition time, heating rate, moisture content, etc. can be varied.

일 예로, 폐폴리스티렌을 일정크기로 파쇄한 다음 분쇄기를 사용하여 상기 파쇄된 폴리스티렌으로부터 금속 이물질을 제거하고, 상기 이물질이 제거된 폴리스티렌을 용융시킨 후 열분해 반응기에 투입하여 열분해 온도로 가열하여 열분해를 실시할 수 있다. For example, waste polystyrene can be crushed into a certain size, a crusher can be used to remove metal foreign substances from the crushed polystyrene, the polystyrene from which the foreign substances have been removed can be melted, and then placed in a pyrolysis reactor to heat it to a pyrolysis temperature to perform pyrolysis.

또한 본 발명은 폐폴리스티렌 열분해 잔사유의 열분해 방법으로서, 폐폴리스티렌 열분해 잔사유를 2-프로판올의 공존하에서 열분해 하는 방법을 제공한다.In addition, the present invention provides a method for pyrolysis of waste polystyrene pyrolysis residue, wherein the method comprises pyrolysis of waste polystyrene pyrolysis residue in the presence of 2-propanol.

이와 같이 2-프로판올이 포함된 상황하에서 상기 잔사유의 열분해를 실시함으로 인하여 열분해산물 중 큐멘의 선택도가 증가하게 된다.By performing thermal decomposition of the residual oil under conditions containing 2-propanol, the selectivity of cumene among thermal decomposition products increases.

2-프로판올이 포함된 상황에서 폐폴리스티렌 열분해 잔사유를 열분해할 때의 촉매로는 MWW 구조의 제올라이트를 사용한다. MWW 구조의 제올라이트는 라멜라(lamellar) 형태로 존재하는 제올라이트 프레임워크 토폴로지 중 하나로, MWW 골격 구조는 4.1 Å × 5.1 Å의 타원형 고리 횡단면을 갖는 2차원 사인곡선형 10원 고리(10-MR) 채널의 기공 시스템과 10-MR 창과 연결된 큰 12-MR 거대 케이지를 포함하는 기공 시스템으로 이루어진 2개의 독립된 기공 시스템을 포함하여 다층을 이룬다.When thermally cracking waste polystyrene pyrolysis residue in the presence of 2-propanol, a zeolite with an MWW structure is used as a catalyst. The MWW structure is one of the zeolite framework topologies existing in a lamellar form, and the MWW framework structure is multilayered including two independent pore systems, one of which is a pore system of two-dimensional sinusoidal 10-membered ring (10-MR) channels with an elliptical ring cross-section of 4.1 Å × 5.1 Å and the other is a pore system including a large 12-MR giant cage connected to the 10-MR windows.

이러한 MWW 구조의 제올라이트는, 12.4±0.25, 6.9±0.15, 3.57±0.07 및 3.42±0.07 Å의 d-간격 최대치를 포함하는 X-선 회절 패턴을 갖는 결정성 분자체이다. 상기 본 발명에 따르는 MWW 구조의 제올라이트는, 비제한적으로 MCM-22, PSH-3, SSZ-25, ERB-1, ITQ-1, ITQ-2, MCM-36, MCM-49, MCM-56, UZM-8 및 이들의 혼합물일 수 있으며, 바람직하게는 MCM-22 일 수 있다.The zeolite of the MWW structure is a crystalline molecular sieve having an X-ray diffraction pattern including d-spacing maxima of 12.4±0.25, 6.9±0.15, 3.57±0.07 and 3.42±0.07 Å. The zeolite of the MWW structure according to the present invention may be, but is not limited to, MCM-22, PSH-3, SSZ-25, ERB-1, ITQ-1, ITQ-2, MCM-36, MCM-49, MCM-56, UZM-8 and mixtures thereof, and preferably may be MCM-22.

본 발명에서는 상기 MWW 구조의 제올라이트를 사용함으로 인하여 상기 잔사유의 열분해 산물 중 큐멘의 선택도가 증가된다.In the present invention, the selectivity of cumene among the thermal decomposition products of the residual oil increases by using the zeolite having the MWW structure.

이 때, 상기 MWW 구조의 제올라이트는 폐폴리스티렌 열분해 잔사유 100 중량부에 대해 1 ~ 50 중량부, 바람직하게는 3 내지 10 중량부로 포함한다. 1 중량부 미만인 경우 열분해반응이 효율적으로 일어나지 않아서, 벤젠의 생성량이 줄어들며 이에 따라 큐멘의 생성이 낮아질 수 있는 문제점이 발생하고, 50 중량부를 초과하는 경우 2-propanol분해로 인하여 큐멘에 대한 생성이 낮아질 수 있는 우려가 있다. At this time, the zeolite of the MWW structure is included in an amount of 1 to 50 parts by weight, preferably 3 to 10 parts by weight, per 100 parts by weight of waste polystyrene pyrolysis residue. If it is less than 1 part by weight, the pyrolysis reaction does not occur efficiently, so that the amount of benzene produced decreases, and thus the production of cumene may be reduced, which may cause a problem. If it exceeds 50 parts by weight, there is a concern that the production of cumene may be reduced due to the decomposition of 2-propanol.

상기 MWW 구조의 제올라이트의 SiO2/Al2O3 몰비는 크게 관여하지는 않으나, 일반적으로 10 ~ 50 범위인 것이 바람직하다.The SiO 2 /Al 2 O 3 molar ratio of the zeolite of the above MWW structure does not significantly affect the composition, but is generally preferably in the range of 10 to 50.

또한, 상기 2-프로판올은 잔사유 100 중량부에 대해 1 ~ 10 중량부, 바람직하게는 2.5 ~ 5 중량부일 수 있다. 2-프로판올이 1 중량부 미만인 경우 2-프로판올의 부족으로 인해 큐멘의 생성이 낮아지며, 10 중량부를 초과할 경우 추가되는 2-프로판올에 대하여도 큐멘의 생성량이 크지 않아 효율적이지 못하다.In addition, the 2-propanol may be 1 to 10 parts by weight, preferably 2.5 to 5 parts by weight, per 100 parts by weight of the residual oil. When the 2-propanol is less than 1 part by weight, the production of cumene is reduced due to a lack of 2-propanol, and when it exceeds 10 parts by weight, the production amount of cumene is not large even with the added 2-propanol, making it inefficient.

상기 2-프로판올이 포함된 상태에서의 폐폴리스티렌 열분해 잔사유의 열분해 온도는 275 ~ 350 ℃, 바람직하게는 300 ~ 325 ℃일 수 있다. 상기 열분해 온도가 275 ℃ ~ 350 ℃ 범위에 있을 경우, 큐멘의 생성이 높게 나타난다.The thermal decomposition temperature of the waste polystyrene thermal decomposition residue containing the above 2-propanol may be 275 to 350°C, preferably 300 to 325°C. When the thermal decomposition temperature is in the range of 275 to 350°C, the production of cumene is high.

이하, 본 발명의 보다 구체적인 설명을 위하여 실시예를 들어 설명한다. 그러나 하기 실시예는 본 발명의 바람직한 실시예일 뿐 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, examples will be described in more detail to explain the present invention. However, the following examples are only preferred embodiments of the present invention, and the present invention is not limited to the following examples.

<실시예><Example>

폐폴리스티렌 열분해 잔사유Waste polystyrene pyrolysis residue

가정에서 배출되는 폐스티로폼을 감용 및 분쇄하여 400 ℃ 및 1 시간동안 열분해하여 벤젠, 톨루엔, 스티렌 등 180 ℃ 이하에 비점을 가진 화합물은 따로 포집하고 남아있는 폐폴리스티렌 열분해 잔사유를 얻는다.Waste Styrofoam discharged from households is reduced and crushed, thermally decomposed at 400℃ for 1 hour, and compounds with boiling points below 180℃, such as benzene, toluene, and styrene, are separately captured, and the remaining waste polystyrene thermal decomposition residue is obtained.

상기 제조된 잔사유의 성분을 가스크로마토그래피에 의해 분석하여 도 1 및 표 1에 나타내었다.The components of the residue oil manufactured above were analyzed by gas chromatography and are shown in Fig. 1 and Table 1.

No.No. R.TR.T
(min)(min)
CompoundCompound % area% area
11 9.7109.710 Benzene, 1,1'-(1,3-propanediyl)bis-Benzene, 1,1'-(1,3-propanediyl)bis- 14.98314.983 22 9.9969.996 Benzene, 1,1'-(1-methyl-1,3-propanediyl)bis-Benzene, 1,1'-(1-methyl-1,3-propanediyl)bis- 1.8621.862 33 10.31010.310 2,4-Diphenyl-1-butane2,4-Diphenyl-1-butane 11.14811.148 44 12.30012.300 Naphthalene, 2-phenyl-Naphthalene, 2-phenyl- 1.9951.995 55 13.30913.309 Naphthalene, 2-(phenylmethyl)-Naphthalene, 2-(phenylmethyl)- 2.7312.731 66 13.66513.665 m-Terphenylm-Terphenyl 3.4793.479 77 15.71015.710 1,3,4-Oxadiazole, 4,5-dihydro-2,4,5-triphenyl-1,3,4-Oxadiazole, 4,5-dihydro-2,4,5-triphenyl- 4.8114.811 88 15.75515.755 Cyclohexane, 1,3,5-triphenyl-Cyclohexane, 1,3,5-triphenyl- 4.8534.853 99 17.21217.212 1,1':2',1''-Terphenyl, 4'-phenyl-1,1':2',1''-Terphenyl, 4'-phenyl- 7.6057.605 1010 17.36917.369 Tetracyclo[16.3.1.1(4,8).1(11,15)]tetracosa-1(22),4,6,8(24),11,13,15(23),18,20-nonaeneTetracyclo[16.3.1.1(4,8).1(11,15)]tetracosa-1(22),4,6,8(24),11,13,15(23),18,20-nonaene 4.1284.128 1111 18.60418.604 1,1':3',1''-Terphenyl, 5'-phenyl-1,1':3',1''-Terphenyl, 5'-phenyl- 33.30533.305

폐폴리스티렌 열분해 잔사유의 열분해Pyrolysis of waste polystyrene pyrolysis residue

(실험예 1) 2-프로판올 부재 하 초안정성 Y-제올라이트의 SiO(Experimental Example 1) SiO of ultra-stable Y-zeolite in the absence of 2-propanol 22 /Al/Al 22 OO 33 몰비율에 따른 잔사유의 열분해Thermal decomposition of residual oil according to molar ratio

상기 제조된 잔사유를 반응기에 주입하여 300 ℃, 1 atm(N2)에서 초안정성 Y-제올라이트 촉매 5 wt%를 사용하여 500rpm 조건하에서 1시간 동안 열분해하였다. 단, 상기 초안정성 Y-제올라이트 촉매의 SiO2/Al2O3 몰비율을 5.1, 5.2, 30 및 80 으로 달리하였다.The above-mentioned manufactured residual oil was injected into a reactor and thermally decomposed at 300°C, 1 atm (N 2 ) using 5 wt% of an ultra-stable Y-zeolite catalyst under the conditions of 500 rpm for 1 hour. However, the SiO 2 /Al 2 O 3 molar ratio of the ultra-stable Y-zeolite catalyst was varied to 5.1, 5.2, 30, and 80.

(실험예 2) 2-프로판올 부재 하 ZSM5 제올라이트에 의한 잔사유의 열분해(Experimental Example 2) Thermal decomposition of residual oil by ZSM5 zeolite in the absence of 2-propanol

ZSM5(CBV-3024E)를 제올라이트 촉매로 하여, SiO2/Al2O3 몰비를 23, 30, 50 및 280으로 한 것을 제외하고는 상기 실험예 1과 동일한 방법으로 잔사유를 열분해하였다.The residual oil was thermally decomposed in the same manner as in Experimental Example 1, except that ZSM5 (CBV-3024E) was used as a zeolite catalyst and the SiO 2 /Al 2 O 3 molar ratio was set to 23, 30, 50, and 280.

도 2는 초안정성 Y-제올라이트 촉매에 의한 잔사율 열분해에 있어서, 초안정성 Y-제올라이트의 SiO2/Al2O3 몰비에 따른 잔사유의 생성물 수율분포를 나타낸 것이다. 상기 도면에서 a-MS는 알파 메틸스티렌을 의미한다. 도 2를 통해, 초안정성 Y-제올라이트 촉매의 SiO2/Al2O3 비율에 따라 잔사유의 생성물 분포가 달라지며, SiO2/Al2O3 비율이 5.1, 5.2 wt%인 경우에는 큐멘은 40 wt%의 수율로 현저하게 높은 비율로 생성된다.Figure 2 shows the product yield distribution of the residue according to the SiO 2 /Al 2 O 3 molar ratio of the ultra-stable Y-zeolite in the residue pyrolysis using the ultra-stable Y-zeolite catalyst. In the figure, a-MS stands for alpha methylstyrene. As shown in Figure 2, the product distribution of the residue changes according to the SiO 2 /Al 2 O 3 ratio of the ultra-stable Y-zeolite catalyst, and when the SiO 2 /Al 2 O 3 ratio is 5.1 and 5.2 wt%, cumene is produced at a remarkably high rate of 40 wt% in yield.

도 3은 ZSM5 제올라이트 촉매에 의한 잔사유 열분해에 있어서, ZSM5의 SiO2/Al2O3 몰비에 따른 잔사유의 생성물 수율분포를 나타낸 것이다.Figure 3 shows the product yield distribution of residual oil according to the SiO 2 /Al 2 O 3 molar ratio of ZSM5 in residual oil thermal decomposition using ZSM5 zeolite catalyst.

이를 통해, ZSM5 촉매의 경우 대체적으로 벤젠 선택도가 높게 나타난다. 그러나 본 발명에 따라 초안정성 Y-제올라이트를 촉매로 사용할 경우, 큐멘의 선택도가 높게 나타남을 알 수 있다.Through this, it can be seen that the ZSM5 catalyst generally shows high benzene selectivity. However, when the ultra-stable Y-zeolite is used as a catalyst according to the present invention, the selectivity for cumene is shown to be high.

(실험예 3) 2-프로판올 존재 하 MWW형 제올라이트에 의한 잔사유의 열분해(Experimental Example 3) Thermal decomposition of residual oil using MWW type zeolite in the presence of 2-propanol

상기 잔사유 20g 에 MWW형 제올라이트로서 MCM-22(SiO2/Al2O3 = 17) 0.1 g을 투입하고, 2-프로판올 5 g을 반응물의 하나로 투입하여 0.1 MPa 조건하에서 열분해하고 생성물은 가스크로마토크래피로 분석하였다. 상기 분석 결과는 도 4에 나타내었다.To 20 g of the above residual oil, 0.1 g of MCM-22 (SiO 2 /Al 2 O 3 = 17) as an MWW type zeolite was added, and 5 g of 2-propanol was added as one of the reactants, followed by thermal decomposition under 0.1 MPa conditions, and the product was analyzed by gas chromatography. The results of the analysis are shown in Fig. 4.

(실험예 4) 2-프로판올 존재 하 MFI형 제올라이트에 의한 잔사유의 열분해(Experimental Example 4) Thermal decomposition of residual oil using MFI type zeolite in the presence of 2-propanol

ZSM-5(SiO2/Al2O3 = 30)를 촉매로 사용한 것을 제외하고는 상기 실험예 3과 동일한 방법에 의해 잔사유를 열분해하고, 그 결과를 도 4에 나타내었다.The residual oil was thermally decomposed by the same method as in Experimental Example 3, except that ZSM-5 (SiO 2 /Al 2 O 3 = 30) was used as a catalyst, and the results are shown in Fig. 4.

(실험예 5) 2-프로판올 부재 하 MFI형 제올라이트에 의한 잔사유의 열분해(Experimental Example 5) Thermal decomposition of residual oil using MFI type zeolite in the absence of 2-propanol

상기 실험예 4에서 2-프로판올을 사용하지 않은 것을 제외하고는 동일한 방법으로 잔사유를 열분해하고, 그 결과를 도 5에 나타내었다.Except that 2-propanol was not used in Experimental Example 4 above, residual oil was thermally decomposed in the same manner, and the results are shown in Fig. 5.

(실험예 6) 2-프로판올 부재 하 MWW형 제올라이트에 의한 잔사유의 열분해(Experimental Example 6) Thermal decomposition of residual oil using MWW type zeolite in the absence of 2-propanol

상기 실험예 5에서 촉매로 ZSM-5 대신 MCM-22를 사용한 것을 제외하고는 동일한 방법으로 잔사유를 열분해하고, 그 결과를 도 5에 나타내었다.Except that MCM-22 was used instead of ZSM-5 as a catalyst in Experimental Example 5 above, residual oil was thermally decomposed in the same manner, and the results are shown in Fig. 5.

도 4와 도 5를 비교하면 2-프로판올의 존재하에서 폐폴리스티렌의 열분해 잔사유를 열분해하는 경우 큐멘의 선택도가 증가되는 것을 알 수 있다. Comparing Figures 4 and 5, it can be seen that the selectivity of cumene increases when the pyrolysis residue of waste polystyrene is pyrolyzed in the presence of 2-propanol.

그러나, 동일하게 2-프로판올이 존재하는 경우에서도 MWW형 제올라이트(실험예 3)를 사용한 경우가 MFI형 제올라이트를 사용한 경우에 비하여 큐멘에 대한 선택도가 월등하게 높게 나타나, 큐멘을 선택적으로 제조할 수 있음을 확인할 수 있다.However, even in the presence of 2-propanol, the selectivity for cumene was significantly higher in the case of using MWW-type zeolite (Experimental Example 3) than in the case of using MFI-type zeolite, confirming that cumene can be selectively produced.

상술한 실시 예는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대해 기재한 것이지만, 이에 한정되지 않고 본 발명의 기술적인 사상에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태로 변경하여 실시할 수도 있을 것이다.The above-described embodiments have been described for preferred embodiments of the present invention, but are not limited thereto and may be implemented in various forms without departing from the technical spirit of the present invention.

Claims (10)

폐폴리스티렌 열분해 산물 중 비점이 180 ℃ 이하의 것을 제거하고 남은 폐폴리스티렌 열분해 잔사유를 열분해하는 촉매에 있어서,
상기 촉매는 초안정성 Y-제올라이트(ultra-stable Y zeolite, USY)를 포함하고, 다른 열분해 생성물보다 큐멘의 선택도가 높은 것을 특징으로 하는, 폐폴리스티렌 열분해 잔사유 열분해용 촉매.
In a catalyst for thermally decomposing waste polystyrene thermal decomposition products, products having a boiling point of 180℃ or lower are removed and the remaining waste polystyrene thermal decomposition residue is thermally decomposed.
A catalyst for pyrolysis of waste polystyrene pyrolysis residue, characterized in that the catalyst comprises ultra-stable Y zeolite (USY) and has a higher selectivity for cumene than other pyrolysis products.
제1항에 있어서,
상기 초안정성 Y-제올라이트의 SiO2/Al2O3 몰비는 5 초과 10 이하의 범위인 것을 특징으로 하는, 폐폴리스티렌 열분해 잔사유 열분해용 촉매.
In the first paragraph,
A catalyst for thermal decomposition of waste polystyrene thermal decomposition residue, characterized in that the SiO 2 /Al 2 O 3 molar ratio of the above ultra-stable Y-zeolite is in the range of more than 5 and less than 10.
폐폴리스티렌 열분해 산물 중 비점이 180 ℃ 이하의 것을 제거하고 남은 폐폴리스티렌 열분해 잔사유를 2-프로판올의 존재하에서 열분해하여 큐멘을 선택적으로 형성하기 위한 촉매로서,
상기 촉매는 MWW구조의 제올라이트를 포함하는 것을 특징으로 하는, 폐폴리스티렌 열분해 잔사유의 열분해 반응용 촉매.
A catalyst for selectively forming cumene by thermally decomposing waste polystyrene pyrolysis residue oil remaining after removing waste polystyrene pyrolysis products having a boiling point of 180℃ or lower in the presence of 2-propanol.
A catalyst for thermal decomposition reaction of waste polystyrene thermal decomposition residue, characterized in that the catalyst comprises a zeolite having an MWW structure.
폐폴리스티렌 열분해 산물 중 비점이 180 ℃ 이하의 것을 제거하고 남은 폐폴리스티렌 열분해 잔사유를 열분해하는 방법에 있어서,
초안정성 Y-제올라이트를 포함하는 촉매를 사용하여 다른 열분해 생성물보다 큐멘의 선택도가 높은 것을 특징으로 하는, 폐폴리스티렌 열분해 잔사유의 열분해 방법.
In a method for removing waste polystyrene pyrolysis products having a boiling point of 180℃ or lower and pyrolyzing the remaining waste polystyrene pyrolysis residue,
A method for pyrolysis of waste polystyrene pyrolysis residue, characterized in that the selectivity for cumene is higher than that for other pyrolysis products by using a catalyst comprising an ultra-stable Y-zeolite.
제4항에 있어서,
상기 초안정성 Y-제올라이트 촉매는 잔사유 100 중량부에 대해 1 ~ 50 중량부로 포함되는 것을 특징으로 하는, 폐폴리스티렌 열분해 잔사유의 열분해 방법.
In paragraph 4,
A method for thermal decomposition of waste polystyrene pyrolysis residual oil, characterized in that the above ultra-stable Y-zeolite catalyst is contained in an amount of 1 to 50 parts by weight per 100 parts by weight of residual oil.
제4항에 있어서,
상기 잔사유의 열분해 온도는 275 ~ 350 ℃인 것을 특징으로 하는, 폐폴리스티렌 열분해 잔사유의 열분해 방법.
In paragraph 4,
A method for thermal decomposition of waste polystyrene thermal decomposition residual oil, characterized in that the thermal decomposition temperature of the residual oil is 275 to 350°C.
폐폴리스티렌 열분해 산물 중 비점이 180 ℃ 이하의 것을 제거하고 남은 폐폴리스티렌 열분해 잔사유를 열분해하는 방법에 있어서,
2-프로판올의 존재하에서, MWW 구조의 제올라이트와 접촉시켜 열분해하는 것을 특징으로 하는, 폐폴리스티렌 열분해 잔사유의 열분해 방법.
In a method for removing waste polystyrene pyrolysis products having a boiling point of 180℃ or lower and pyrolyzing the remaining waste polystyrene pyrolysis residue,
A method for thermal decomposition of waste polystyrene thermal decomposition residue, characterized by thermal decomposition by contact with a zeolite having an MWW structure in the presence of 2-propanol.
제7항에 있어서,
상기 폐폴리스티렌 열분해 잔사유의 열분해 온도는 275 ~ 350 ℃에서 실시하는 것을 특징으로 하는, 폐폴리스티렌 열분해 잔사유의 열분해 방법.
In Article 7,
A method for pyrolysis of waste polystyrene pyrolysis residue, characterized in that the pyrolysis temperature of the waste polystyrene pyrolysis residue is 275 to 350°C.
제7항에 있어서,
상기 MWW 구조의 제올라이트는 잔사유 100 중량부에 대해 1 ~ 50 중량부인 것을 특징으로 하는, 폐폴리스티렌 열분해 잔사유의 열분해 방법.
In Article 7,
A method for thermal decomposition of waste polystyrene pyrolysis residual oil, characterized in that the zeolite having the above MWW structure is present in an amount of 1 to 50 parts by weight per 100 parts by weight of residual oil.
제7항에 있어서,
상기 2-프로판올은 잔사유 100 중량부에 대해 1 ~ 10 중량부인 것을 특징으로 하는, 폐폴리스티렌 열분해 잔사유의 열분해 방법.
In Article 7,
A method for thermal decomposition of waste polystyrene thermal decomposition residual oil, characterized in that the above 2-propanol is 1 to 10 parts by weight per 100 parts by weight of residual oil.
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