KR20180002125A - Production of biopolyol derived from lignin residue through solvothermal liquefaction using butanediol and synthesis of biopolyurethane - Google Patents
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Abstract
본 발명은 산 촉매 하에서 리그닌과 제1용매의 액화 반응에 의해 액화된 리그닌 유래 폴리올을 합성하는 제1단계; 및 상기 액화된 리그닌 유래 폴리올로부터 제2용매와의 중합 반응을 통해 폴리우레탄을 합성하는 제2단계를 포함하는 바이오폴리우레탄의 제조방법 및 이에 따라 제조한 바이오폴리우레탄에 관한 것이다. 본 발명에서는 용매열액화반응시 바이오 유래의 용매인 부탄다이올을 이용하여 리그닌으로부터 바이오폴리올을 제조하고, 또한, 제조된 바이오폴리올을 이용하여 바이오폴리우레탄을 제조할 수 있으므로, 종래 폴리우레탄의 재료인 석유자원유래 원료의 사용을 절감할 수 있다. The present invention relates to a process for synthesizing a lignin-derived polyol liquefied by liquefaction reaction of lignin and a first solvent under acid catalysis; And a second step of synthesizing a polyurethane from the liquefied lignin-derived polyol through a polymerization reaction with a second solvent, and a bio-polyurethane produced thereby. In the present invention, a bio-polyurethane can be prepared from lignin and a bio-polyol using the butanediol, which is a solvent derived from a bio-solvent in the thermal liquefaction reaction of a solvent, The use of raw materials derived from petroleum resources can be reduced.
Description
본 발명은 부탄다이올 용매열 액화 반응을 통한 리그닌 부산물 유래 바이오폴리올의 제조 및 바이오폴리우레탄의 합성에 관한 것이다.The present invention relates to the preparation of biopolyols derived from lignin byproducts through the thermal liquefaction reaction of butanediol solvents and the synthesis of bio-polyurethanes.
석유자원의 고갈 문제와 환경문제에 의해 바이오매스에 대한 관심이 높아지고 있으며, 목질계 산물인 리그노셀룰로오스(lignocellulose)를 바이오매스로서 활용하는 연구가 활발히 진행 중에 있다. 바이오매스로 특히 활용되는 EFB(Empty fruit bunch) 리그노셀룰로오스는 37.3~46.5%의 셀룰로오스, 25.3~33.8%의 헤미셀룰로오스 그리고 27.6~32.5%의 리그닌으로 이루어져 있으며, 팜 유(crude palm oil) 생산 공정의 부산물로서 얻어진다. 상기 EFB 리그노셀룰로오스를 생물학적으로 전환하여 바이오슈가(biosugar)를 생산할 수 있으며, 상기 바이오슈가는 바이오에탄올, 바이오퓨얼(biofuel), L-lactic acid로 활용이 가능하다. 하지만 상기 생물학적 전환 공정의 부산물로 다량의 EFB 리그닌(lignin)이 생산되고 있다. 리그닌은 다루기 힘든 성질 때문에 대부분 저가 연료로 태워지거나 버려지고 있다.There is a growing interest in biomass due to the depletion of petroleum resources and environmental problems. Research is actively under way to utilize lignocellulose, a lignocellulose product, as biomass. Empty fruit bunch lignocellulose, especially utilized as biomass, is composed of 37.3 ~ 46.5% of cellulose, 25.3 ~ 33.8% of hemicellulose and 27.6 ~ 32.5% of lignin, and the crude palm oil production process As a by-product. The EFB lignocellulose may be biologically converted to produce a biosugar. The biosugar may be used as bioethanol, biofuel or L-lactic acid. However, a large amount of EFB lignin is produced as a by-product of the biological conversion process. Lignin is mostly burned or abandoned as low-cost fuel because of its intractable nature.
리그닌에는 하이드록실기, 카르보닐기, 메톡실기 등과 같은 작용기가 포함되어 있으며, 특히 분자 내 다량의 하이드록실기를 포함하고 있다. 이에 따라 리그닌을 활용하여 석유 자원 유래의 폴리올을 대체할 수 있다. 최근 저가 부산물인 리그닌을 용매열 액화 반응(solvothermal liquefaction)을 통해 바이오폴리올(biopolyol)로 전환하는 연구가 활발히 진행 중에 있다. 예를 들어 Yanqia 등은 황산(sulfuric acid, H2SO4) 촉매 조건에서 폴리에틸렌글리콜 400(polyethylene glycol 400, PEG400)과 글리세롤(glycerol)을 용매로 하여 리그닌을 액화시켰다. Lignin contains functional groups such as a hydroxyl group, a carbonyl group, a methoxyl group and the like, and particularly contains a large amount of hydroxyl groups in the molecule. As a result, lignin can be used to replace petroleum-derived polyols. Research into the conversion of lignin, a low-cost byproduct, into a biopolyol through solvothermal liquefaction is actively underway. For example, Yanqia et al. Liquefied lignin using polyethylene glycol 400 (PEG 400) and glycerol as a solvent under sulfuric acid (H 2 SO 4 ) catalyst conditions.
바이오폴리올은 바이오플라스틱의 원료로 활용할 수 있어, 리그닌이 석유 자원 유래 원료를 대체하고 친환경적 플라스틱을 생산할 수 있는 고부가가치 원료로 대두되기에 이르렀다. 특히, 폴리올의 하이드록실기와 이소시아네이트기와의 중합 반응을 통해 폴리우레탄을 합성할 수 있다. 이와 관련하여 Li 등은 알칼리 리그닌을 유사한 조건으로 액화 반응을 진행하였고, 액화된 리그닌 유래 폴리올을 메틸렌 다이이소시아네이트와의 중합 반응을 통해 바이오폴리우레탄을 합성하였다. 폴리우레탄은 그 물성이 우수하여 6대 합성 고분자로서 광범위하게 사용되고 있다. 이와 같이 폴리우레탄 공정에 사용되는 폴리올을 리그닌 유래의 바이오폴리올로 대체 시 석유 자원 의존도를 감소시킬 수 있으며 환경친화적인 바이오플라스틱의 제조가 가능하다. Biopolyol can be used as a raw material for bioplastics, and lignin has become a high-value-added raw material for replacing raw materials derived from petroleum resources and producing environmentally friendly plastics. Particularly, the polyurethane can be synthesized through a polymerization reaction between the hydroxyl group of the polyol and the isocyanate group. In this connection, Li et al. Proceeded a liquefaction reaction under similar conditions of alkali lignin, and synthesized bio-polyurethane through polymerization reaction of liquefied lignin-derived polyol with methylene diisocyanate. Polyurethanes are widely used as six synthetic polymers because of their excellent physical properties. Thus, when the polyol used in the polyurethane process is replaced with a bio-polyol derived from lignin, it is possible to reduce the dependency on petroleum resources, and it is possible to manufacture an environment-friendly bio-plastic.
하지만 종래의 기술은 석유자원 유래 용매를 다량 사용한다는 문제점이 있다. 즉, 종래의 기술에서 용매열 액화 반응은 반응 용매로 에틸렌글리콜(EG), 폴리에틸렌 글리콜(PEG), 페놀 및 글리콜이 주로 사용되며, 산이나 염기 촉매를 이용하여 100 ∼ 200 ℃의 반응 온도와 대기압과 같은 온화한 반응 조건에서 이루질 수 있다. 하지만 이렇게 생산된 바이오폴리올을 플라스틱의 원료로 사용할 시 석유 자원 유래 원료가 전체 제품 원료 양의 70% 이상을 차지하게 되어 “바이오플라스틱“으로 분류하기 어려운 문제점이 있었다(도 1의 국가별 바이오플라스틱 규격기준 참조).However, the conventional technology has a problem of using a large amount of solvent derived from petroleum resources. That is, in the conventional technology, the solvent thermal liquefaction reaction mainly uses ethylene glycol (EG), polyethylene glycol (PEG), phenol, and glycol as a reaction solvent, and uses an acid or base catalyst at a reaction temperature of 100-200 ° C, And the like. However, when the bio-polyol thus produced is used as a raw material for plastics, it is difficult to classify it as "bio-plastic" because raw materials derived from petroleum resources account for more than 70% Reference).
이에 본 발명자는 EFB 리그닌, 크라프트(kraft) 리그닌, 적송(red pine) 리그노셀룰로오스의 용매열 액화공정에서 바이오 공정으로 생산 가능한 용매인 부탄다이올을 사용하여 바이오폴리올을 합성하고, 이를 이용하여 바이오플라스틱으로서 바이오폴리우레탄을 합성할 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하였다. Accordingly, the present inventors synthesized bio-polyols using butanediol, which is a solvent that can be produced by a bioprocess in the thermal liquefaction process of a solvent for EFB lignin, kraft lignin, and red pine lignocellulose, It was confirmed that bio-polyurethane could be synthesized as a plastic, and the present invention was completed.
본 발명은 바이오 물질이 차지하는 비율이 높은 바이오폴리우레탄의 제조방법, 보다 상세하게는, 바이오 플라스틱 규격기준에 부합하는 바이오폴리우레탄의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.An object of the present invention is to provide a method for producing a bio-polyurethane having a high proportion of a bio-material, and more particularly, a method for producing a bio-polyurethane conforming to a bio-plastic standard.
본 발명은 바이오 플라스틱 규격기준에 부합하는 바이오폴리우레탄을 제공하는 것을 목적으로 한다.It is an object of the present invention to provide a bio-polyurethane that conforms to the bio-plastic standard.
본 발명의 제1양태는 산 촉매 하에서 리그닌과 제1용매의 액화 반응에 의해 액화된 리그닌 유래 바이오폴리올을 합성하는 제1단계; 및 상기 액화된 리그닌 유래 바이오폴리올로부터 제2용매와의 중합 반응을 통해 폴리우레탄을 합성하는 제2단계를 포함하는 바이오폴리우레탄의 제조방법을 제공한다.A first aspect of the present invention is a process for producing a lignin-derived biopolyol which is liquefied by liquefaction reaction of lignin and a first solvent under acid catalysis; And a second step of synthesizing a polyurethane from the liquefied lignin-derived bio-polyol through a polymerization reaction with a second solvent.
본 발명에서 리그닌은 EFB 리그닌(Empty Fruit Bunches lignin), 크라프트 리그닌(Kraft lignin), 리그노셀룰로오스(lignocellulose), 리그노설포네이트(lignosulfonate), 유기용매 리그닌(Organosolv lignin), 스팀 폭쇄 리그닌(Steam explosion lignin) 또는 약산처리 리그닌(Weak acid lignin)일 수 있으며, 바람직하게는 EFB 리그닌, 크라프트 리그닌 또는 리그노셀룰로오스일 수 있다.In the present invention, the lignin is selected from the group consisting of Empty Fruit Bunches lignin, Kraft lignin, lignocellulose, lignosulfonate, Organosolv lignin, steam explosion lignin, lignin or weak acid lignin, preferably EFB lignin, kraft lignin or lignocellulose.
리그닌은 하기 화학식 1과 같이 벤젠 고리 구조를 가지고 있는 리그닌 단위(unit)가 불규칙한 형태로 결합되어 있는 구조일 수 있다Lignin may be a structure in which lignin units having a benzene ring structure are bonded in an irregular form as shown in
[화학식 1][Chemical Formula 1]
상기 제1단계에서 리그닌의 사용량은 용매의 총 중량에 대비하여 5 내지 35 중량%인 것이 바람직하다. 5 중량% 미만이면 폴리올 내 바이오매스가 차지하는 비율이 낮으며, 35 중량% 초과이면 활성용매의 부족으로 바이오매스 전환율이 급격히 감소할 수 있다.The amount of lignin used in the first step is preferably 5 to 35% by weight based on the total weight of the solvent. If the amount is less than 5% by weight, the proportion of the biomass in the polyol is low. If the amount is more than 35% by weight, the biomass conversion rate may be drastically reduced due to the lack of the active solvent.
상기 제1용매는 1,4-부탄다이올, levo-2,3-부탄다이올, meso-2,3-부탄다이올 또는 dextro-2,3-부탄다이올을 포함하는 것이 바람직하다. The first solvent preferably comprises 1,4-butanediol, levo-2,3-butanediol, meso-2,3-butanediol or dextro-2,3-butanediol.
부탄다이올은 1,4-부탄다이올(1,4-BD), 2,3-부탄다이올(2,3-BD)의 이성질체를 갖고 있으며, 2,3-BD의 경우 levo-2,3-BD(이하, 2,3-BDL), meso-2,3-BD(이하, 2,3-BDM), dextro-2,3-BD(이하, 2,3-BDD)의 3가지 형태를 갖는다. Butanediol has isomers of 1,4-butanediol (1,4-BD) and 2,3-butanediol (2,3-BD) 3-BD (hereinafter referred to as 2,3-BDL), meso-2,3-BD (hereinafter referred to as 2,3-BDM), and dextro- .
본 발명에서 부탄다이올은 재조합 대장균(Escherichia coli)을 활용한 생물학적 공정을 통해 생산된 바이오-부탄다이올(bio-BD)인 것이 바람직하다. 1,4-bio-BD의 경우 글루코스, 자일로스 또는 수크로스에서, 2,3-bio-BDL은 글루코스에서, 2,3-bio-BDM은 크루드 글라이세롤(crude glycerol)에서 생물학적 전환을 통해 생산될 수 있다.In the present invention, butanediol is preferably bio-butanediol (bio-BD) produced through a biological process using recombinant Escherichia coli. In the case of 1,4-bio-BD, 2,3-bio-BDL is converted to glucose, 2,3-bio-BDM is converted to crude glycerol in glucose, xylose or sucrose, .
보다 바람직하게는 제1용매는 levo-2,3-부탄다이올을 포함한다. 본 발명의 일 실시예에서는 용매로 levo-2,3-부탄다이올을 사용하였을 때 가장 높은 바이오매스 전환율을 얻을 수 있었다. More preferably, the first solvent comprises levo-2,3-butanediol. In one embodiment of the present invention, the highest biomass conversion was obtained when levo-2,3-butanediol was used as a solvent.
상기 제1용매는 액화 효율을 증가시키기 위해 조용매를 제1용매의 총 중량에 대비하여 10 내지 50 중량%로 포함할 수도 있다. 상기 조용매로는 PEG 200(poly ethylene glycol 200, MW: 190~210g/mol), PEG 300(poly ethylene glycol 300, MW: 285~315g/mol), PEG 400(poly ethylene glycol 400, MW: 380~420g/mol) 등을 사용할 수 있다.The first solvent may contain a cosolvent in an amount of 10 to 50 wt% relative to the total weight of the first solvent to increase the liquefaction efficiency. PEG 300 (
상기 산 촉매는 황산 촉매, 질산 촉매 등일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.The acid catalyst may be a sulfuric acid catalyst, a nitric acid catalyst, or the like, but is not limited thereto.
상기 제1단계는 100 내지 170 ℃에서 수행되는 것이 바람직하다. 100 ℃ 미만에서는 리그닌의 액화가 가속되지 않으며, 170 ℃를 초과하는 경우 분해된 리그닌의 활성 작용기 간의 재중합 반응이 일어나 바이오매스 전환율이 급격하게 감소할 수 있다. 특히 반응 온도가 100 ℃에서 150 ℃로 증가함에 따라 바이오매스 전환율이 49.3%에서 63.3%로 증가하는 경향을 보였다. 이는 온도 증가로 인해 리그닌의 액화가 가속되어 나타난 결과로 볼 수 있다.The first step is preferably carried out at 100-170 < 0 > C. When the temperature is lower than 100 ° C, the liquefaction of lignin is not accelerated. When the temperature exceeds 170 ° C, the polymerization reaction between the active groups of the lignin decomposed occurs and the biomass conversion rate may be drastically reduced. Especially, as the reaction temperature increased from 100 ℃ to 150 ℃, the biomass conversion rate increased from 49.3% to 63.3%. This is the result of accelerated liquefaction of lignin due to temperature increase.
상기 폴리올은 리그닌과 바이오 유래의 용매인 부탄다이올의 액화 반응으로부터 합성된 것이므로 바이오폴리올일 수 있다.Since the polyol is synthesized from the liquefaction reaction of butanediol, which is a solvent derived from lignin and bio, it may be a bio-polyol.
본 발명은 상기 액화된 리그닌 유래 폴리올로부터 제2용매와의 중합 반응을 통해 바이오폴리우레탄을 합성하는 제2단계를 포함한다.The present invention includes a second step of synthesizing a bio-polyurethane from the liquefied lignin-derived polyol through a polymerization reaction with a second solvent.
본 발명은 100% 바이오 산물에서 유래된 바이오폴리올만을 이용하여 바이오폴리우레탄을 합성하는 것을 특징으로 한다. 따라서 상기 바이오폴리우레탄은 바이오매스 함량이 25% 이상일 수 있어 미국 바이오플라스틱 규격기준 ASTM D 6366을 만족할 수 있다.The present invention is characterized in that bio-polyurethane is synthesized using only bio-polyols derived from 100% bio-products. Accordingly, the bio-polyurethane may have a biomass content of 25% or more, and thus can satisfy the American Bio-Plastic Standard ASTM D 6366.
상기 제2용매로 톨루엔 다이이소시아네이트(Toluene diisocyanate:TDI), 메틸렌 다이페닐 다이이소시아네이트(Methylene diphenyl diisocyanate), 헥사메틸렌 다이이소시아네이트 (Hexamethylene diisocyanate), 페닐렌 다이이소시아네이트(Phenylene diisocyanate), 크실릴렌 다이이소시아네이트(Xylylene diisocyanate), 테트라메틸렌 다이이소시아네이트(Tetramethylene diisocyanate), 사이클로헥실렌 다이이소시아네이트(Cyclohexylene diisocyanate), 다이사이클로헥실메탄 4,4‘-다이소시아네이트(Dicyclohexylmethane 4,4'-diisocyanate), 폴리(헥사메틸렌 다이이소시아네이트)(Poly(hexamethylene diisocyanate), 폴리(프로필렌 글리콜) 톨릴렌 2,4-다이이소시아네이트 터미네이티드(Poly(propylene glycol) tolylene 2,4-diisocyanate terminated), 테레첼릭 이소시아네이트-터미네이티드 폴리부타디엔(telechelic isocyanate-terminated polybutadiene) 등을 사용할 수 있다.The second solvent is selected from the group consisting of toluene diisocyanate (TDI), methylene diphenyl diisocyanate, hexamethylene diisocyanate, phenylene diisocyanate, xylylene diisocyanate Xylylene diisocyanate, tetramethylene diisocyanate, cyclohexylene diisocyanate,
본 발명의 제2양태는 본 발명의 제1양태에 따라 제조되고, 바이오매스의 함량이 25% 이상으로 ASTM D6366 규격기준을 만족하는 바이오폴리우레탄을 제공할 수 있다.The second aspect of the present invention can provide a bio-polyurethane produced according to the first aspect of the present invention and having a biomass content of 25% or more and satisfying the ASTM D6366 standard.
본 발명에 따르면 생물학적 공정을 통해 생산 가능한 부탄다이올을 리그닌의 용매열액화반응 용매로 사용함으로써 높은 비율의 바이오 유래 폴리올을 생산할 수 있으며, 이를 활용하여 바이오플라스틱 합성이 가능하다. 종래에는 바이오매스의 일종인 리그닌은 다루기 어려워 대부분 버려졌으나, 본 발명에서는 용매열액화반응시 바이오 유래의 용매인 부탄다이올을 이용하여 리그닌으로부터 바이오폴리올을 제조하고, 또한, 제조된 바이오폴리올을 이용하여 바이오폴리우레탄을 제조할 수 있으므로, 종래 폴리우레탄의 재료인 석유자원유래 원료의 사용을 절감할 수 있다. According to the present invention, a high proportion of bio-derived polyol can be produced by using butane diol, which can be produced through a biological process, as a solvent for thermal liquefaction reaction of lignin, and bioplastic synthesis is possible using the same. Conventionally, lignin, which is a type of biomass, has been largely discarded because it is difficult to handle. However, in the present invention, a bio-polyol is prepared from lignin by using a butano diol, which is a bio- The bio-polyurethane can be produced. Therefore, it is possible to reduce the use of raw materials derived from petroleum resources, which is conventionally a material of polyurethane.
도 1은 국가별 바이오플라스틱 규격기준 및 인증라벨을 나타낸 것이다.
도 2는 바이오 부탄다이올 이성질체에 따른 kraft 리그닌 용매열액화반응의 바이오매스 전환율과 수산가 및 산가를 나타낸 것이다:(a) 바이오매스 전환율, (b) 수산가 및 산가(■: 수산가,: 산가)
도 3은 바이오 부탄다이올 이성질체에 따른 red pine 리그노셀룰로오스 용매열액화반응의 바이오매스 전환율과 수산가 및 산가를 나타낸 것이다:(a) 바이오매스 전환율, (b) 수산가 및 산가(■: 수산가, : 산가)
도 4는 EFB 리그닌의 액화공정에 대한 바이오매스 로딩량의 영향을 나타낸 것이다.(바이오매스 전환율(■), 수산가(●) 및 산가(○)).
도 5는 EFB 리그닌의 액화공정에 대한 반응 온도의 영향을 나타낸 것이다.(바이오매스 전환율(■), 수산가(●) 및 산가(○)).
도 6은 EFB 리그닌의 액화공정에 대한 산 촉매 로딩량의 영향을 나타낸 것이다.(바이오매스 전환율(■), 수산가(●) 및 산가(○)).
도 7은 EFB 리그닌의 액화공정에 대한 반응 시간의 영향을 나타낸 것이다.(바이오매스 전환율(■), 수산가(●) 및 산가(○)).
도 8은 EFB 당화 잔사 리그닌의 액화공정에 대한 바이오용매의 형태와 PEG#400의 첨가의 영향을 나타낸 것이다:(a) 바이오매스 전환율, (b) 수산가, (c) 산가(■: Bio-BD 단일 용매, : Bio-BD/PEG#400 혼합 용매).
도 9는 EFB 리그닌 부산물(a, L0), EFB 리그닌 유래 바이오폴리올(a), 바이오폴리올 유래 바이오폴리우레탄(b)의 FT-IR 분석 결과 그래프이다. (L1, PU1: 1,4-BD, L2, PU2: 2,3-BDL, L3, PU3: 2.3-BDM. (b)에서 회색선은 BD/PEG400# 혼합용매).Fig. 1 shows bioplastics standards and certification labels by country.
FIG. 2 shows the biomass conversion rate, the acid value and the acid value of the kraft lignin solvent thermal liquefaction reaction according to the biobutanediol isomer: (a) biomass conversion rate, (b) : Acid value)
FIG. 3 shows the biomass conversion rate, the acid value and the acid value of the red pine lignocellulose solvent thermal liquefaction reaction according to the biobutanediol isomer: (a) biomass conversion rate, (b) : Acid value)
Figure 4 shows the effect of biomass loading on the liquefaction process of EFB lignin. (Biomass conversion rate (?), Water acid value (?) And acid value (?)).
Figure 5 shows the effect of reaction temperature on the liquefaction process of EFB lignin. (Biomass conversion rate (?), Water acid value (?) And acid value (?)).
Figure 6 shows the effect of acid catalyst loading on the liquefaction process of EFB lignin. (Biomass conversion rate (?), Water acid value (?) And acid value (?)).
Figure 7 shows the effect of reaction time on the liquefaction process of EFB lignin. (Biomass conversion rate (?), Water acid value (?) And acid value (?)).
Figure 8 shows the effect of the addition of
9 is a graph of FT-IR analysis results of EFB lignin byproduct (a, L0), EFB lignin-derived biopolyol (a) and bio polyol derived bio polyurethane (b). (Gray line in BD / PEG400 # mixed solvent) in 2.3-BDM (2.3-BDM) (L1, PU1: 1,4-BD, L2, PU2: 2,3-BDL, L3 and PU3.
본 발명은 당화 공정의 부산물인 EFB 리그닌을 황산 촉매 하에서 액화시켰고, 바이오 용매로서 1,4-BD를 사용하여 바이오 유래의 원료의 비율을 높임과 동시에 PEG#400을 조용매로서 혼합하여 액화 효율을 증가시키고자 하였다. 또한 1,4-BD와 PEG#400의 비율, 바이오매스 첨가량, 산 촉매 첨가량, 반응 온도, 반응 시간에 따른 영향을 분석하여 반응 조건 최적화를 진행하였다. 그리고, 부탄다이올의 이성질체 중 3가지인 1,4-BD, 2,3-BDL, 2,3-BDM을 단일 용매로 사용하거나 각각의 부탄다이올에 PEG#400을 혼합한 용매를 사용하여 용매열 액화 반응을 진행한 후 이를 비교 분석하였다. 또한 다른 종류의 바이오매스로 크라프트(kraft) 리그닌, 적송(red pine) 리그노셀룰로오스를 1,4-BD, 2,3-BDL, 2,3-BDM을 단일 용매로 사용하여 용매열 액화 반응을 진행한 후 이를 비교하고 본 발명의 적용성을 보았다.In the present invention, EFB lignin as a by-product of the saccharification process is liquefied under a sulfuric acid catalyst, 1,4-BD as a biosolvent is used to increase the proportion of raw materials derived from bio, and
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명을 더욱 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 실시예에 의하여 본 발명의 내용이 한정되는 것은 아니다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in order to facilitate understanding of the present invention. However, the following examples are provided to further understand the present invention, and the present invention is not limited by the examples.
실시예Example 1: One: EFBEFB 리그닌 Lignin 용매열Solvent heat 액화반응 Liquefaction reaction
EFB 리그닌을 100 mL의 3구 반응기와 온도 조절이 가능한 가열용 맨틀을 이용하여 온화한 온도 (100~170 ℃)와 대기압 조건에서 200 RPM의 교반을 통해 액화시켰다. 반응 용매 30 g을 반응기에 넣어준 후, 용매 중량 대비 5 ~ 35 중량%의 바이오매스 첨가 조건으로 EFB 리그닌을 넣어줬다. 반응 용매의 경우 1,4-BD, 2,3-BDL, 2,3-BDM을 주용매로 사용하였으며, PEG#400을 조용매로 사용할 시 10 중량% 비율로 사용하였다. 반응기 내의 반응 용액을 1 시간 동안 예비가열시킨 후, 98% 황산 촉매를 반응 용매 무게 대비 0 ~ 5 중량%의 산 촉매 첨가 조건으로 천천히 넣어줬다. 그 후 5 ~ 180 분의 반응 시간 동안 반응을 진행시켰다. 반응이 끝난 반응 용액은 찬물을 이용하여 상온으로 온도를 낮춰 반응을 종결시켜 리그닌 유래 바이오폴리올을 얻었다.EFB lignin was liquefied using a 100 mL three-necked reactor and a temperature-controllable heating mantle with stirring at 200 RPM under mild temperature (100-170 DEG C) and atmospheric conditions. 30 g of a reaction solvent was added to the reactor, and EFB lignin was added under the condition of adding 5 to 35% by weight of biomass to the weight of the solvent. For the reaction solvent, 1,4-BD, 2,3-BDL and 2,3-BDM were used as main solvents and
실험예Experimental Example 1 : One : BiomassBiomass 전환율 분석 Conversion rate analysis
실시예 1에 따라 반응이 종결된 반응 용액에서 사용된 용매 중량 대비 약 10 중량%의 중량으로 리그닌 바이오폴리올 시료를 칭량하였다. 칭량된 시료를 50 mL의 95 % 에탄올로 세척한 후, 10,000 RPM으로 15분 동안 원심분리하여 고체 층을 분리시켰다. 분리된 고체 층을 동일한 방법으로 에탄올로 한 번 더 세척한 후 탈이온수로 추가 세척하였다. 105 ℃ 건조 오븐에서 미리 건조된 후, 무게가 측정된 여과지를 사용하여 세척된 시료를 여과시키고 고형의 잔류물이 남아있는 여과지를 105 ℃ 건조 오븐에서 24 시간 동안 건조시켰다. 건조된 여과지의 무게를 측정하여 하기 식 1을 이용하여 바이오매스 전환율을 계산하였다. 정확한 전환율 분석을 위해 동일한 방법으로 두 번 실험 후, 그 평균을 바이오매스 전환율로 산정하였다.The lignin biopolyol sample was weighed at a weight of about 10% by weight based on the weight of the solvent used in the reaction solution in which the reaction was terminated according to Example 1. The weighed samples were washed with 50 mL of 95% ethanol and then centrifuged at 10,000 RPM for 15 minutes to separate the solid layer. The separated solid layer was washed once more with ethanol in the same manner and then further washed with deionized water. After pre-drying in a 105 ° C drying oven, the washed specimens were filtered using weighed filter paper and the filter paper with the remaining solid residue was dried in a 105 ° C drying oven for 24 hours. The weight of the dried filter paper was measured and the biomass conversion rate was calculated using the following equation (1). After two experiments in the same way for the correct conversion rate analysis, the average was calculated as the biomass conversion rate.
[식 1][Formula 1]
바이오매스Biomass 전환율 ( Conversion rate %% ) = 100-(((W) = 100 - (((W 1One -W-W 22 )/W) / W 33 )*W) * W 44 /W/ W 55 *100)* 100)
W1: 건조된 고체 잔유물(solid residue)과 여과지(filter paper)의 총 무게W 1 : Total weight of dried solid residue and filter paper
W2: 건조된 여과지의 무게W 2 : Weight of dried filter paper
W1-W2: 건조된 고체 잔유물의 무게W 1 -W 2 : Weight of dried solid residue
W3: 칭량된 리그닌 바이오폴리올 시료의 무게W 3 : Weight of weighed lignin bio polyol sample
W4: 액화 공정을 통해 얻어진 리그닌 바이오폴리올의 총 무게W 4 : Total weight of lignin bio-polyol obtained through liquefaction process
((W1-W2)/W3)*W4: 전체 리그닌 바이오폴리올 내 고체 잔유물의 총 무게(W 1 -W 2 ) / W 3 ) * W 4 : Total weight of solid residue in the whole lignin biopolyol
W5: 액화 공정에 사용된 바이오매스의 무게W 5 : Weight of biomass used in liquefaction process
실험예Experimental Example 2: 수산가 및 2: fish price and 산가Acid value 분석 analysis
ASTM D4274-05D 규격에 따라 실시예 1에서 제조된 EFB 리그닌 바이오폴리올의 수산가를 분석하였다. EFB 리그닌 바이오폴리올 시료 2 g에 에스테르화제 25 mL을 넣고 100 ℃에서 15분 동안 교반하여 에스테르화 반응을 진행시켰다. 상온으로 식힌 후, 0.5 N 수산화나트륨 수용액을 이용하여 pH 8.0까지 적정하였다. The hydroxyl value of the EFB lignin bio-polyol prepared in Example 1 according to ASTM D4274-05D standard was analyzed. 25 g of the esterifying agent was added to 2 g of the EFB lignin biopolyol sample, and the mixture was stirred at 100 캜 for 15 minutes to conduct the esterification reaction. After cooling to room temperature, the solution was titrated to pH 8.0 with 0.5 N aqueous sodium hydroxide solution.
또한, 산가 분석을 위해 ASTM D4662-08 규격에 따라 EFB 리그닌 바이오폴리올 시료 1 g을 분석하였다. For acid value analysis, 1 g of EFB lignin bio-polyol sample was analyzed according to ASTM D4662-08 standard.
각 시료를 50 mL 에탄올에 녹인 후 0.1 N 수산화나트륨 수용액으로 pH 8.0까지 적정하였다. 정확한 측정을 위해 모든 시료에 대해 두 번씩 측정한 후 그 평균을 수산가와 산가로 산정하였다.Each sample was dissolved in 50 mL of ethanol and titrated to pH 8.0 with 0.1 N aqueous sodium hydroxide solution. For accurate measurement, all samples were measured twice, and the average was calculated as the fisheries value and the mountain range.
실시예Example 2: 바이오 2: Bio 부탄다이올Butanediol 이성질체에 따른 kraft 리그닌 Kraft lignin according to isomer 용매열액화반응Solvent heat liquefaction reaction
바이오매스로 sigma-aldrich 사의 크라프트 리그닌(kraft lignin)을 사용하였다. 반응 용매로 부탄다이올의 이성질체인 1,4-butanediol(1,4-BD), 2,3-butanediol levo type(2,3-BDL), 2,3-butanediol messo type(2,3-BDM)을 각각 단일 용매로 사용하여 25 중량%의 바이오매스 투입량, 100 ℃의 반응 온도, 3 중량%의 산 촉매 투입량, 120 분의 반응 시간의 조건으로 반응을 진행한 후, 바이오매스 전환율과 수산가 및 산가를 평가하여 그 결과를 도 2에 나타냈다. Kraft lignin from Sigma-Aldrich was used as the biomass. As a reaction solvent, isomers of
바이오매스 전환율(Biomass conversion)의 경우 1,4-BD를 사용하였을 때 70.38%, 2,3-BDL을 사용하였을 때 76.40%, 2,3-BDM을 사용하였을 때 72.85%로 얻어졌다. 결론적으로 2,3-BDL이 가장 높은 바이오매스 전환율을 나타냈다. 이를 통해 크라프트 리그닌(kraft lignin)을 바이오매스로 사용하였을 시 70 % 이상의 높은 바이오매스 전환율(biomass conversion)을 갖는 100% 바이오 유래 폴리올을 생산할 수 있음을 알 수 있다.Biomass conversion was obtained with 70.38% using 1,4-BD, 76.40% using 2,3-BDL, and 72.85% using 2,3-BDM. In conclusion, 2,3-BDL showed the highest biomass conversion rate. From this, it can be seen that when kraft lignin is used as biomass, 100% bio-derived polyol having a biomass conversion higher than 70% can be produced.
수산가(hydroxyl number)의 경우 2,3-BDL과 2,3-BDM를 사용하였을 시 898.54 mg KOH/g과 887.64 mg KOH/g으로 큰 차이를 보이지 않았지만 1,4-BD를 사용하였을 경우 813.98 mg KOH/g으로 2,3-BD와 약간의 차이를 보였다. 이를 통해 부탄다이올의 이성질체 종류에 따라 생성된 바이오 폴리올의 특성이 달라짐을 알 수 있었다.There was no significant difference in the hydroxyl number between 898.54 mg KOH / g and 887.64 mg KOH / g when 2,3-BDL and 2,3-BDM were used, but when 1,4-BD was used, 813.98 mg KOH / g and slightly different from 2,3-BD. The results showed that the characteristics of the bio - polyol were different depending on the kind of isomers of butanediol.
산가(acid number)의 경우 1,4-BD를 사용시 14.56 mg KOH/g, 2,3-BDL의 경우 16.37 mg KOH/g, 2,3-BDM의 경우 15.29 mg KOH/g을 나타냈다. 바이오매스 전환율이 높을수록 높은 산가를 나타냈으며, 이는 산성 화합물이 리그닌의 분해에 의해 생성됨으로 인해 나타난 현상이다. In the case of acid number, 14.56 mg KOH / g was used for 1,4-BD, 16.37 mg KOH / g was used for 2,3-BDL and 15.29 mg KOH / g was used for 2,3-BDM. The higher the biomass conversion rate, the higher the acid value, which is the result of the acid compound being produced by the decomposition of lignin.
실시예Example 3: 바이오 3: Bio 부탄다이올Butanediol 이성질체에 따른 Red pine Red pine according to the isomer 리그노셀룰로오스Lignocellulose 용매열액화반응Solvent heat liquefaction reaction
바이오매스로 적송(Red pine wood) 유래의, P. densiflora 리그노셀룰로오스를 사용하였다. 반응 용매로 부탄다이올의 이성질체인 1,4-BD, 2,3-BDL, 2,3-BDM을 각각 단일 용매로 사용하여 15 중량%의 바이오매스 투입량, 130 ℃의 반응 온도, 3 중량%의 산촉매 투입량, 60분의 반응 온도의 조건으로 반응을 진행한 후, 바이오매스 전환율과 수산가 및 산가를 평가하여 그 결과를 도 3에 나타냈다. P. densiflora derived from red pine wood as biomass Lignocellulose was used. A reaction mixture containing 15% by weight of biomass, reaction temperature of 130 ° C, and 3% by weight of 1,4-BD, 2,3-BDL and 2,3-BDM, which are isomers of butanediol, And the reaction temperature was 60 minutes, the conversion of biomass, the acid value and the acid value of the biomass were evaluated, and the results are shown in FIG.
바이오매스 전환율(Biomass conversion)의 경우 1,4-BD를 사용하였을 시 29.98 %, 2,3-BDL의 경우 53.57 %, 2,3-BDM의 경우 53.52 %로 얻어졌다. 2,3-BD 간의 경우 큰 차이를 보이지 않았으며, 1,4-BD를 사용하였을 경우 약 30 %의 낮은 바이오매스 전환율을 나타냈다. 이를 통해 red pine 리그노셀룰로오스의 경우 부탄다이올의 이성질체 종류가 바이오매스 전환율에 큰 영향을 미친다는 것을 확인할 수 있다. Red pine wood, P. densiflora 리그노셀룰로오스를 바이오매스로 사용하여 바이오 부탄디올과 용매열액화반응을 시켰을 시 50% 이상의 바이오매스 전환율을 얻을 수 있었다.The biomass conversion was obtained as 29.98% for 1,4-BD, 53.57% for 2,3-BDL and 53.52% for 2,3-BDM. There was no significant difference between 2,3-BD and 1,4-BD, which showed a low biomass conversion rate of about 30%. It can be seen from the results that the red pine lignocellulose has a large influence on the biomass conversion rate of the isomer of butanediol. Red pine wood, P. densiflora When lignocellulose was used as a biomass and subjected to solvent heat liquefaction reaction with biobutanediol, a biomass conversion rate of 50% or more was obtained.
산가와 수산가는 세 종류의 부탄다이올 모두에서 비슷한 수치를 보였으나, 레보 타입(levo type)의 부탄다이올이 가장 높은 산가(23.44 mg KOH/g), 가장 낮은 수산가(808.3 mg KOH/g)을 보였다. 위 결과를 토대로 높은 바이오매스 전환율을 보인 레보 타입의 부탄다이올을 이용하여 액화반응을 진행하는 것이 적절할 것으로 판단된다. The highest acid value (23.44 mg KOH / g) and the lowest acid value (808.3 mg KOH / g) of the levo type butanediol were found to be similar in all three types of butanediol, Respectively. Based on the above results, it is considered appropriate to carry out the liquefaction reaction using levo type butane diol which shows a high biomass conversion rate.
실시예Example 4: 4: BiopolyurethaneBiopolyurethane 합성 synthesis
리그닌 바이오폴리올 유래의 바이오폴리우레탄을 50 mL 비커에서 합성하였다. 50 mL 비커에 5 g의 리그닌 바이오폴리올을 넣고 100 ℃의 오일 욕조(oil bath)에서 예비가열시켰다. 예비가열 후, 리그닌 바이오폴리올의 하이드록실기 대비 1:1 당량 비로 톨루엔다이이소시아네이트(TDI)를 교반해주며 천천히 첨가하였다. 자기 교반기가 더 이상 움직이지 못할 때까지 반응시킨 후, 105 ℃ 오븐에서 12 시간 동안 경화를 통해 가교시켰다.Bio - polyurethane derived from lignin bio - polyol was synthesized in 50 mL beaker. 5 g of lignin bio-polyol was added to a 50 mL beaker and pre-heated in an oil bath at 100 ° C. After preliminary heating, toluene diisocyanate (TDI) was slowly added with stirring at a 1: 1 equivalent ratio to the hydroxyl groups of the lignin biopolyol. The magnetic stirrer was reacted until it could no longer move, and then crosslinked in a 105 ° C oven for 12 hours through curing.
실험예 3: 1,4-butanediol과 PEG#400의 혼합 비율에 따른 영향Experimental Example 3: Effect of mixing ratio of 1,4-butanediol and
본 발명은 리그닌의 용매열 액화 반응의 용매로 일반적으로 사용하는 석유 자원 유래 용매를 대체하기 위하여 생물학적 전환을 통해 바이오 용매로 생산이 가능한 1,4-BD를 주용매로 사용하였으며, 액화 효율을 증가시키기 위해 PEG#400을 조용매로 사용하였다. 1,4-BD를 단일 용매로 사용하였을 경우와, PEG#400의 비율을 증가시키며 혼합하였을 경우의 바이오매스 전환율을 비교했을때 54.7에서 59.7%로 큰 차이가 없었다. 산가의 경우 조용매의 혼합 비율이 증가함에 따라 18.9 mg KOH/g에서 24.5 mg KOH/g으로 소폭 증가하였다. 이는 액화 반응 중 조용매인 PEG#400에 의한 EFB 리그닌의 분해에 따른 페놀산 화합물의 증가로 인해 나타난 결과로 분석된다. 수산가의 경우 1,4-BD에 비해 단위 중량당 적은 양의 하이드록실기를 갖는 PEG#400의 비율이 증가하여 976.6 mg KOH/g에서 410.0 mg KOH/g으로 감소하는 경향을 보였다. 이 결과를 토대로 석유 자원 유래 물질인 PEG#400의 양을 최소화함과 동시에 높은 바이오매스 전환율을 얻을 수 있는 9/1 (w/w) 비율을 최적 혼합 비율로 선정하였다. 하기 표 1에 그 결과를 요약하였다.The present invention uses 1,4-BD as a main solvent capable of being produced as a bio-solvent through bioconversion in order to replace a solvent derived from petroleum resources, which is generally used as a solvent for thermal liquefaction of lignin,
실험예Experimental Example 4: 4: 바이오매스Biomass 로딩량에 따른 영향 Influence of loading amount
바이오매스로 사용한 EFB 리그닌의 양이 액화 효율에 어떠한 영향을 미치는지 알아보았다. 이를 위해 바이오매스 로딩량에 따른 바이오매스 전환율, 산가 및 수산가 평가 실험을 진행하여 그 결과를 도 4에 나타냈다. 도 4에서 도시되는 바와 같이, 바이오매스의 양이 증가함에 따라 바이오매스 전환율이 감소하는 경향을 보였고 이는 증가한 바이오매스 로딩량에 비해 활성 용매의 양이 불충분하여 나타난 결과로 사료된다. 바이오매스 로딩량이 5 중량%에서 25 중량%로 증가함에 따라 바이오매스 전환율이 55.6%에서 49.3%로 소폭 감소하였으며, 25 중량% 이후부터 급격하게 감소하는 경향을 보였다. 수산가의 경우 바이오매스 양 증가에 따른 큰 변화를 보이지 않았다. 산가의 경우에는 바이오매스 양이 증가함에 따라 21.9 mg KOH/g에서 12.1 mg KOH/g으로 감소하는 경향을 보였다. 이는 일반적으로 산성 화합물은 리그닌의 분해 반응에 의해 생성되는데 바이오매스 양 증가에 따른 바이오매스 전환율 감소로 인해 분해 반응이 감소하여 나타난 결과로 볼 수 있다. 이 결과를 토대로 바이오매스 양 대비 높은 바이오매스 전환율과 낮은 산가를 갖는 25 중량% 조건을 최적 바이오매스 로딩량 조건으로 결정하였다. The effect of the amount of EFB lignin used as biomass on the liquefaction efficiency was examined. For this purpose, biomass conversion rate, acid value and water acid value evaluation experiment according to biomass loading amount were carried out, and the results are shown in FIG. As shown in FIG. 4, the biomass conversion rate tended to decrease with an increase in the amount of biomass, which is considered to be due to an insufficient amount of the active solvent compared to the increased biomass loading. As the biomass loading increased from 5 wt% to 25 wt%, the biomass conversion decreased slightly from 55.6% to 49.3% and decreased sharply from 25 wt%. Fishery prices did not show a significant change with increasing biomass quantity. The acid value tended to decrease from 21.9 mg KOH / g to 12.1 mg KOH / g as the amount of biomass increased. In general, acidic compounds are produced by the decomposition reaction of lignin, which can be seen as a result of a decrease in the decomposition reaction due to the decrease in the biomass conversion rate due to the increase in the biomass amount. Based on these results, the optimum biomass loading condition was determined as 25% by weight of biomass conversion ratio and low acid value compared to biomass amount.
실험예Experimental Example 5: 반응 온도에 따른 영향 5: Effect according to reaction temperature
일반적으로 높은 온도는 리그닌의 액화를 가속시키지만 EFB 리그닌은 250 ℃ 이상에서 열분해가 일어나므로 100 내지 170 ℃의 온도 범위에서 반응온도에 따른 바이오매스 전환율, 산가 및 수산가 평가 실험을 진행하여 그 결과를 도 5에 나타냈다. 반응 온도가 100 ℃에서 150 ℃로 증가함에 따라 바이오매스 전환율이 49.3%에서 63.3%로 증가하는 경향을 보였다. 이는 온도 증가로 인해 리그닌의 액화가 가속되어 나타난 결과로 볼 수 있다. 반응 온도가 170 ℃ 일 때 바이오매스 전환율이 39.3%로 급격하게 감소하였다. 이는 분해된 리그닌의 활성 작용기 간의 재 중합 반응에 의한 결과로 사료된다. 수산가의 경우 반응 온도가 증가함에 따라 감소하는 경향을 보였으며, 반응 온도가 150 ℃ 이상 일 때부터 급격하게 감소하는 경향을 보였다. 이 또한 분해된 리그닌의 재 중합 반응에 의한 결과로 볼 수 있다. 산가의 경우 반응 온도가 증가함에 따라 증가 하는 경향을 보였으며, 150 ℃ 이상의 반응 온도부터 급격하게 증가하는 경향을 보였다. 이는 높은 반응 온도에 의해 리그닌 분해 반응이 촉진되어 산성 화합물의 생성량이 증가되어 나타난 결과로 볼 수 있다. 결과를 토대로 150 ℃를 최적 반응 온도로 결정 하였다. Generally, high temperature accelerates the liquefaction of lignin, but since EFB lignin pyrolysis occurs at 250 ° C or higher, an experiment for evaluating biomass conversion rate, acid value and water acid value according to the reaction temperature in the temperature range of 100 to 170 ° C was carried out, 5. As the reaction temperature increased from 100 ℃ to 150 ℃, the biomass conversion rate increased from 49.3% to 63.3%. This is the result of accelerated liquefaction of lignin due to temperature increase. When the reaction temperature was 170 ℃, the biomass conversion rate decreased sharply to 39.3%. It is considered that this is the result of the repolymerization reaction between the active functional groups of the degraded lignin. In the case of fisheries value, the tendency was shown to decrease with increasing reaction temperature, and it tended to decrease rapidly when reaction temperature was above 150 ℃. This is also the result of the repolymerization of the lysine decomposed. In the case of acid value, the tendency to increase with increasing reaction temperature showed a tendency to increase rapidly from the reaction temperature of 150 ° C or higher. This is because the lignin decomposition reaction is accelerated by the high reaction temperature and the amount of the acid compound is increased. Based on the results, the optimum reaction temperature was determined as 150 ° C.
실험예Experimental Example 6: 산 촉매 로딩량에 따른 영향 6: Effect of acid catalyst loading
산 촉매는 EFB 리그닌을 분해시켜 저분자화하고 다가알코올 형태인 액화 용매와 리그닌 사이의 에스테르화 반응을 촉진하여 리그닌의 액화를 가속화한다. 하지만 고농도의 산 촉매 사용은 바이오폴리올의 산가를 증가시켜 바이오플라스틱의 물성에 악영향을 끼치며, 분해된 저분자 리그닌의 재중합 반응을 촉진하여 바이오매스 전환율을 감소시킨다. 이를 고려하여 산촉매 로딩량을 반응 용매 무게 대비 0 중량%에서 5 중량%로 하여 산촉매 로딩량에 따른 바이오매스 전환율, 산가 및 수산가 평가 실험을 진행하여 그 결과를 도 6에 나타냈다. 바이오매스 전환율의 경우 산 촉매의 양이 3 중량%로 증가함에 따라 27.9%에서 63.3%로 급격하게 증가하였으며, 그 이후부터 급격하게 감소하여, 5 중량%일 때 44.0%의 바이오매스 전환율을 보였다. 이는 높은 농도의 산 촉매에 의해 액화된 저분자 리그닌의 재 중합 반응이 촉진되어 나타난 결과로 볼 수 있다. 수산가의 경우 산 촉매의 양이 증가할수록 929.9 mg KOH/g에서 471.1 mg KOH/g으로 감소하는 경향을 보였다. 이는 산 촉매 양 증가에 따라 에스테르화 반응이 촉진되어 나타난 결과로 사료된다. 산가의 경우 산 촉매 양이 증가할수록 1.4 mg KOH/g에서 48.9 mg KOH/g으로 증가 하였으며, 이는 산성 화합물을 촉매로 사용하였기 때문에 나타난 자연스러운 결과로 볼 수 있다. 이 결과를 토대로 산 촉매 로딩량의 최적 조건을 3 중량%로 선정하였다. The acid catalyst decomposes EFB lignin into small molecules, accelerating the esterification reaction between the liquefying solvent and lignin, which is a polyhydric alcohol, and accelerating the liquefaction of lignin. However, the use of a high concentration of acid catalyst increases the acid value of the bio-polyol, which adversely affects the physical properties of the bio-plastic, and promotes the repolymerization of the degraded low molecular weight lignin, thereby reducing the biomass conversion. In consideration of this, the amount of the acid catalyst loaded was changed from 0 wt% to 5 wt% based on the weight of the reaction solvent, and the biomass conversion rate, acid value and water acid value evaluation experiment were performed according to the acid catalyst loading amount. In the case of the biomass conversion rate, the amount of acid catalyst rapidly increased from 27.9% to 63.3% as the amount of the acid catalyst increased to 3% by weight, and decreased rapidly thereafter to 44.0% at 5% by weight. This is the result of promoting the repolymerization of low molecular weight lignin liquefied by a high concentration of acid catalyst. As the amount of acid catalyst increased, the acid value decreased from 929.9 mg KOH / g to 471.1 mg KOH / g. These results suggest that the esterification reaction is promoted by the increase of the amount of the acid catalyst. As the amount of acid catalyst increased, the acid value increased from 1.4 mg KOH / g to 48.9 mg KOH / g, which is a natural result due to the use of an acid compound as a catalyst. Based on these results, the optimum condition of the acid catalyst loading amount was selected as 3 wt%.
실험예Experimental Example 7: 반응 시간에 따른 영향 7: Effect of reaction time
조건 변화에 따른 액화 공정을 통해 최적화한 바이오매스 로딩량, 반응 온도, 산 촉매 로딩량 조건으로 하여 반응 시간 변화가 액화 공정에 어떠한 영향을 미치는가에 대해 실험하여 그 결과를 도 7에 나타냈다. 바이오매스 전환율의 경우, 반응 시간이 120분으로 증가함에 따라 63.3%까지 증가하였으며, 180분의 반응 시간 조건에서는 바이오매스 전환율이 27.6%로 급격하게 감소하였다. 이는 반응 시간이 120분 이상으로 증가함에 따라 재 중합 반응이 가속화되어 나타난 결과로 사료된다. 산가의 경우, 반응 시간이 120분까지 증가함에 따라 16.8 mg KOH/g에서 21.7 mg KOH/g으로 소폭 증가하였으며, 수산가의 경우 845.7 mg KOH/g에서 582.7 mg KOH/g으로 급격하게 감소하는 경향을 보였다. 120분 이후부터는 산가의 경우, 54.4 mg KOH/g으로 급격하게 증가하였고 수산가는 579.0 mg KOH/g 근처에서 큰 변화가 없었다. 이는 반응 시간이 120분 이하 일 때는 EFB 리그닌의 하이드록실기와 1,4-BD 간의 에스테르화 반응이 우세하지만 120분 이후부터는 활성 용매의 부족에 의해 더 이상 에스테르화 반응을 지속할 수 없어 산 촉매와 열에 의한 리그닌의 분해 반응과 응축 반응이 더 활발하게 일어나서 나타난 결과로 볼 수 있다. 결과를 토대로 반응 시간에 따른 바이오매스 전환율을 고려하였을 때 최적 반응 시간을 120분으로 결정하였다. The effect of the reaction time change on the liquefaction process is shown in FIG. 7, based on the amount of biomass loading, the reaction temperature, and the acid catalyst loading amount optimized through the liquefaction process according to the change in conditions. The biomass conversion rate increased to 63.3% as the reaction time increased to 120 min, and the biomass conversion rate rapidly decreased to 27.6% under the reaction time of 180 min. These results suggest that the polymerization reaction accelerates as the reaction time increases over 120 min. In the case of acid value, the reaction time was slightly increased from 16.8 mg KOH / g to 21.7 mg KOH / g as the reaction time increased up to 120 minutes. In the case of the acid value, the tendency was drastically decreased from 845.7 mg KOH / g to 582.7 mg KOH / g It looked. After 120 minutes, the acid value increased sharply to 54.4 mg KOH / g and the fishery value did not change much near 579.0 mg KOH / g. When the reaction time is 120 minutes or less, esterification reaction between 1,4-BD and hydroxyl group of EFB lignin is predominant, but after 120 minutes, the esterification reaction can not be continued due to lack of active solvent, And decomposition reaction and condensation reaction of lignin by heat were more active. Based on the results, the optimal reaction time was determined to be 120 minutes when the biomass conversion rate was considered.
실험예Experimental Example
8: 8:
부탄다이올의Butanediol
형태와 PEG#400 혼합에 따른 영향 Effect of morphology and
세 가지 형태의 부탄다이올 이성질체와 10 중량%의 비율로 PEG#400이 각각 혼합된 부탄다이올 이성질체를 용매로 사용하여 최적화한 반응 조건으로 실험을 진행하였으며, 이를 통해 부탄다이올의 구조와 조용매인 PEG#400의 첨가가 액화공정에 어떠한 영향을 미치는지 확인하였다. 도 8은 이에 대한 결과를 나타낸 것이다.Experiments were carried out under the optimized reaction conditions of butane diol isomers in which the butane diol isomers, in which
각각의 부탄다이올 이성질체를 단일 용매로 사용하였을 시 수산가와 산가에는 큰 변화가 없었다(도 8(b, c) 검정색 막대). 바이오매스 전환율의 경우, 2,3-BDL과 2,3-BDM을 단일 용매로 사용하였을 시 68.9%와 65.3%로 증가하였다(도 8(a), 검정색 막대). When the respective butanediol isomers were used as a single solvent, there was no significant change in the acid value and the acid value (FIG. 8 (b, c) black bars). The biomass conversion rate increased to 68.9% and 65.3% when 2,3-BDL and 2,3-BDM were used as a single solvent (Fig. 8 (a), black bar).
PEG#400을 각각의 부탄다이올 이성질체에 혼합한 용매를 사용하였을 시 1,4-BD의 경우 바이오매스 전환율이 49.1%에서 63.3%로 급격하게 증가하였고 2,3-BDL과 2,3-BDM의 경우는 66.9 %와 59.7%로 감소하는 경향을 보였다(도 8(a)).When the
수산가의 경우 분자량 대비 하이드록실기의 양이 적은 PEG#400의 비율이 증가하여 수산가가 감소하는 경향을 보였다. 또한 1,4-BD/PEG#400의 경우 582.7 mg KOH/g이고, 2,3-BDL/PEG#400과 2,3-BDM/PEG#400의 경우 각각 702.9 mg KOH/g과 716.8 mg KOH/g으로 2,3-BDL과 2,3-BDM 간에는 큰 차이가 없었다. 이를 통해 부탄다이올/PEG#400 혼합 용매를 사용하였을 시 리그닌의 분해 반응과 에스테르화 반응은 1,4-BD와 2,3-BD 간의 화학적 구조 차이에 더 큰 영향을 받는 다는 것을 알 수 있다(도 8(b), 회색 막대). In the case of aquatic fish, the proportion of
산가의 경우 1,4-BD를 단일 용매로 사용하였을 때와 1,4-BD/PEG#400 혼합 용매를 사용하였을 때를 비교하면 1,4-BD의 경우 17.5 mg KOH/g, 1,4-BD/PEG#400의 경우 21.7 mg KOH/g으로 PEG#400 혼합 용매의 경우가 더 높았으며, 2,3-BDL과 2,3-BDM의 경우 산가가 소폭 증가하거나 감소하였다. 이는 1,4-BD와 PEG#400간의 비슷한 화학 구조에 의해 용매가수분해(solvolysis)와 같은 분해 반응이 촉진되어 나타난 결과로 추정된다(도 8(c)). 결과적으로 2,3-BDL의 경우, 조용매인 PEG#400을 사용하지 않고 단일 용매로 사용하였을 시에도 68.9%의 높은 바이오매스 전환율을 얻었다. 이를 통해 석유 자원 유래 원료를 사용하지 않은 100% 바이오 유래 바이오폴리올을 합성할 시 2,3-BDL이 가장 적합한 용매로 적용될 것으로 전망된다.In the case of using 1,4-BD as a single solvent and 1,4-BD /
실시예Example 5: 5: EFBEFB 리그닌 Lignin 바이오폴리올Bio polyol 유래 origin 바이오폴리우레탄의Bio-polyurethane 합성 synthesis
1,4-BD(PU1), 2,3-BDL(PU2), 2,3-BDM(PU3), 1,4-BD/PEG#400(PU1/P), 2,3-BDL/PEG#400(PU2/P), 2,3-BDM/PEG#400(PU3/P)을 각각 용매로 사용하여 제조된 EFB 리그닌 유래 바이오폴리올과 톨루엔다이이소시아네이트(TDI)를 중합 반응시켜 바이오폴리우레탄을 합성한 뒤 FT-IR을 통해 분석하여 그 결과를 도 9에 나타냈다.BD-PEG # 400 (PU1 / P), 2,3-BDL / PEG # Polyurethane synthesized by polymerizing EFB lignin-derived biopolyol and toluene diisocyanate (TDI), which were prepared by using PF3 / 400 (PU2 / P) and 2,3-BDM / PEG # And analyzed by FT-IR. The results are shown in Fig.
FT-IR 결과인 도 9(b)의 스펙트럼을 분석하였을 때 하기 표 2에 기재한 바이오폴리우레탄 관련 스펙트럼이 존재하는 것을 확인하였다. 또한, 도 9(a)와 (b)의 FT-IR 스펙트럼을 보았을 때 3600-3000 cm-1의 하이드록실기 밴드가 감소하는 것을 확인하였고, 이로부터 바이오폴리올의 하이드록실기가 바이오폴리우레탄 합성에 참여한 것을 확인할 수 있다. 이상의 결과를 통해 EFB 리그닌 유래 바이오폴리올을 활용하여 바이오폴리우레탄의 합성을 확인하였다. When the spectrum of FIG. 9 (b), which is an FT-IR result, was analyzed, it was confirmed that the bio-polyurethane-related spectrum shown in Table 2 was present. The FT-IR spectra of FIGS. 9 (a) and 9 (b) show that the hydroxyl group bands of 3600-3000 cm -1 decrease, indicating that the hydroxyl groups of the bio- . From the above results, the synthesis of bio - polyurethane was confirmed by using bio - polyol derived from EFB lignin.
도 9(b)의 PU(컬러선)와 PU/P(회색선)의 FT-IR 스펙트럼을 비교하였을 때 CH2 결합을 나타내는 2980-2854 cm-1 밴드에서 차이점을 보인다. 이는 PEG#400이 다량의 CH2 결합을 포함하고 있어 나타난 결과로 볼 수 있다. PU1(적색선)과 PU/P(PU1, 회색선)의 FT-IR 스펙트럼을 비교하였을 때 에테르 결합을 나타내는 1270-1000 cm-1 밴드에서 차이점을 보인다. 이는 PEG#400이 다량의 에테르 결합을 포함하고 있어 나타난 결과로 볼 수 있다. 이에 비해 PU2와 PU3에서는 큰 차이점이 확인되지 않았으며, 이를 통해 1,4-BD에 PEG#400을 혼합하였을 경우 리그닌 액화에 영향을 끼친다는 것을 알 수 있다. 반응하지 않고 남아 있는 TDI의 NCO 결합을 나타내는 2225 cm-1 피크가 사용한 용매에 따라 다른 크기로 나타나는 것으로 보아 PEG#400이 바이오폴리우레탄의 중합도에 미치는 영향은 사용한 부탄다이올 이성질체의 종류에 따라 다르다는 것을 알 수 있다. 결과적으로 PEG#400의 첨가가 액화 반응이나 중합 반응에 주는 영향은 부탄다이올의 형태에 따라 다름을 알 수 있었다.When the FT-IR spectra of the PU (color line) and PU / P (gray line) in FIG. 9 (b) are compared, there is a difference in the 2980-2854 cm -1 band indicating CH 2 bonding. This can be seen as a result of
EFB 리그닌 부산물을 용매 총 중량에 대비하여 10 중량%의 PEG#400이 혼합된 1,4-BD를 용매로 사용하여 용매열 액화 반응을 통해 액화하였으며, 반응 조건 최적화를 통해 바이오매스 로딩량 25 중량%, 반응 온도 150 ℃, 산 촉매 로딩량 3%, 반응 시간 120 분의 최적 조건을 얻었다. 최적 조건으로 반응하였을 시 63.3%의 바이오매스 전환율을 얻었다. 또한 EFB 리그닌 유래 바이오폴리올과 TDI를 중합 반응시켜 바이오폴리우레탄을 합성하였고 이를 FT-IR 분석을 통해 확인하였다. 3가지 형태의 부탄다이올 이성질체를 단일 용매로 사용하거나 각각을 조용매인 PEG#400과 혼합하여 액화 반응 용매로 사용한 결과 2,3-BDL의 경우 석유 자원 유래 물질인 PEG#400을 조용매로 사용하지 않아도 68.9%의 높은 바이오매스 전환율을 얻었다. 이를 통해 2,3-BDL과 EFB 리그닌을 활용하여 바이오폴리올과 바이오폴리우레탄을 제조할 시 석유 자원 의존도를 감소시킬 수 있으며, 환경친화적 플라스틱 제조가 가능함을 확인하였다.EFB lignin by-products were liquefied through solvent thermal liquefaction using 1,4-BD mixed with 10% by weight of
Claims (11)
상기 폴리올로부터 제2용매와의 중합 반응을 통해 폴리우레탄을 합성하는 제2단계를 포함하는 바이오폴리우레탄의 제조방법.A first step of synthesizing a lignin-derived polyol liquefied by liquefaction reaction of lignin and a first solvent under an acid catalyst condition; And
And a second step of synthesizing a polyurethane through polymerization reaction with the second solvent from the polyol.
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