탄소 서브의 분리된 온도 및 압력 열수 합성

Nature Communications 13권, 기사 번호: 3616(2022) 이 기사 인용

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회분식 반응기에서 발생하는 열수 공정의 온도와 압력은 일반적으로 결합됩니다. 여기서 우리는 일정한 압력에서 셀룰로오스를 가열할 수 있는 분리된 온도 및 압력 열수 시스템을 개발하여 셀룰로오스의 분해 온도를 크게 낮추고 탄소 서브미크론 구체의 빠른 생산을 가능하게 합니다. 탄소 서브미크론 구체는 등온 시간 없이 생산될 수 있으며 이는 기존 열수 공정에 비해 훨씬 빠릅니다. 고압수는 셀룰로오스의 수소 결합을 끊고 탈수 반응을 촉진하여 저온에서 셀룰로오스 탄화를 촉진하는 데 도움이 될 수 있습니다. 개념적 바이오리파이너리 설계를 기반으로 한 수명 주기 평가에서는 이 기술이 연료를 대체하거나 토양 개량에 사용되는 수력차를 사용할 때 탄소 배출을 크게 감소시키는 것으로 나타났습니다. 전반적으로, 이 연구에서 분리된 온도 및 압력 열수 처리는 탄소 음성 효과가 있는 셀룰로오스로부터 지속 가능한 탄소 재료를 생산하는 유망한 방법을 제공합니다.

화석 연료의 소비는 기후 변화 및 해양 산성화와 같은 심각한 결과를 초래하는 CO2(탄소 양성 배출, 그림 1a)의 양을 계속해서 증가시킵니다. 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스, 리그닌으로 구성된 목재, 풀, 농업 폐기물(짚)과 같은 리그노셀룰로오스 바이오매스는 재생 가능하고 탄소 중립적인 자원입니다1. 바이오매스의 활용은 전 세계 순 탄소 배출량을 줄이는 데 큰 잠재력을 가지고 있습니다2. 연소, 가스화, 혐기성 소화와 같은 바이오매스의 전통적인 활용은 탄소 중립적입니다. 안정적인 고체 형태로 탄소 저장을 실현할 수 있는 바이오매스를 탄소 물질로 전환하는 것이 네거티브 배출 기술(NET)입니다(그림 1a). 최악의 경우에는 연간 7~11Gt의 탄소 감소가 필요하며, 2°C 목표를 달성하려면 최선의 경우 연간 0.5~3Gt의 탄소가 필요한 것으로 보고되었습니다3.

탄소 양성, 탄소 중립, 탄소 음성 상황의 도식. b 셀룰로오스 기반 공급 원료의 저온 열수 처리로 인한 탄소 서브 미크론 구체의 그림.

리그노셀룰로오스 바이오매스(40~60%, 질량 기준)의 주성분인 셀룰로오스는 종이와 면 기반 직물의 주성분이기도 합니다4. 셀룰로오스는 일반적으로 화석 연료에 크게 의존하여 생산되는 탄소 물질5,6, 화학 물질7,8 또는 에탄올9로 전환될 수 있습니다. 따라서 셀룰로오스의 고부가가치 활용은 에너지 위기와 지구 온난화 완화에 기여할 것으로 기대된다. 셀룰로오스의 열수 변환은 고체 탄소질 물질, 액체 바이오 오일 및 가연성 가스(예: H2, CO 및 CH4)를 생성할 수 있습니다10,11,12. 고체 탄소질 물질, 즉 하이드로차는 커패시터 전극, 폐수 처리 및 연료 전지에 사용될 수 있습니다.

배치 반응기는 작동이 쉽고 보편성으로 인해 수불용성 물질의 열수 과정을 연구하는 데 널리 사용됩니다. 그러나 일반적인 회분식 반응기에서는 온도와 압력이 결합되어 있어 별도로 제어하기가 어렵고, 이로 인해 소위 '온도 효과'가 본질적으로 온도와 압력의 결합일 수 있습니다. 셀룰로오스(결정질)는 일반적으로 포화 증기압 1.9MPa, ~210°C15,16에서 분해되는 것으로 알려져 있습니다. 그러나 온도가 100°C에서 210°C로 증가하면 압력은 0.1MPa에서 1.9MPa로 증가합니다. 즉 온도 및 압력 결합 수열(CTPH) 공정입니다. 따라서 이 결과가 온도, 압력 또는 둘 다에 의해 발생하는지 여부는 불분명합니다. 즉, 압력이 변하면 그에 따라 열화 온도도 변할 수 있습니다.