열분해

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1. 개요

열분해는 그리스어에서 유래된 단어로, 열을 가하여 물질을 분해하는 과정을 의미한다. 열분해는 반응 조건, 원료, 생성 물질에 따라 다양하게 분류되며, 탄화, 건류, 캐러멜화 등이 있다. 열분해는 숯, 코크스, 활성탄, 에틸렌, 바이오 연료 등을 생산하는 데 사용되며, 고대부터 숯을 만드는 데 활용되었다. 열분해는 음식 조리, 금속유기화학기상증착법, 열세척 등 다양한 분야에 응용되며, 폐기물 처리 및 수소 생산에도 기여한다. 열분해는 고온에서 진행되므로 폭발 및 유독 가스 발생의 위험이 있으며, 안전한 온도 제어가 중요하다.

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열분해 - 건류
건류는 공기가 없는 환경에서 물질을 가열하여 열분해하는 과정으로, 물, 이산화탄소, 가연성 가스 등이 생성되고 탄소나 탄산염이 남으며, 코크스, 콜타르, 목탄 등을 얻거나 메탄 생성 등에 활용된다.
열분해 - 목탄 가스
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열분해
지도 정보
일반 정보
정의	유기 물질이 높은 온도에서 산소 없이 열에 의해 분해되는 화학 공정이다.
다른 이름	열분해, 열분해
로마자 표기	yeolbunhae
과정
특징	보통 산소나 할로겐과 같은 다른 시약의 추가 없이 진행된다. 고분자의 열분해는 다른 종류의 고분자를 분해하는 데에도 사용된다. 고분자의 열분해는 고분자 폐기물을 처리하는 데에도 사용된다.
열분해의 유형
건류	공기를 차단한 상태로 가열하여 나무를 분해하는 열분해이다. 나무의 건류를 통해 목탄과 기타 화학 물질을 생산한다.
가스화	재료를 고온에서 가열하여 가스로 변환하는 과정이다. 연료를 생산하거나 폐기물을 처리하는 데 사용된다.
급속 열분해	바이오매스를 액체 바이오 연료로 변환하는 데 사용되는 과정이다.
탄화	고분자를 가열하여 탄소를 풍부하게 만드는 과정이다. 탄소 섬유 및 기타 탄소 기반 재료를 만드는 데 사용된다.
응용 분야
폐기물 처리	플라스틱, 타이어, 바이오매스와 같은 폐기물을 처리하는 데 사용된다.
바이오 연료 생산	바이오매스를 액체 또는 가스 연료로 변환하는 데 사용된다.
화학 물질 생산	메탄올, 에틸렌, 벤젠과 같은 다양한 화학 물질을 생산하는 데 사용된다.
관련 공정
소각	물질을 태워 열에너지를 얻는 과정이다.
가스화	유기물을 가스 형태의 연료로 변환하는 과정이다.
수열 분해	물의 존재 하에 높은 온도에서 분해하는 과정이다.
주요 생성물
액체	오일, 타르, 바이오 오일
기체	수소, 일산화탄소, 이산화탄소, 메탄, 에탄
고체	탄소, 재

2. 어원

열분해를 뜻하는 영단어 "파이롤리시스(pyrolysis)"는 πῦρ|pûr^grc(불, 열, 열병)와 lysis(λύσις: lúsis - 분리, 이완)에서 유래했다.^[1]

3. 열분해의 종류

열분해는 반응 조건, 사용되는 원료, 생성되는 물질 등에 따라 다양하게 분류할 수 있다.

탄화: 유기물이 완전히 열분해되어 주로 원소 탄소로 된 고체 잔류물을 남기는 것이다.
메탄 열분해: 메탄을 수소 연료와 분리 가능한 고체 탄소로 직접 전환하는 방법이다. (용융 금속 촉매를 사용하기도 한다.)
수성 열분해: 과열수나 수증기가 있는 상태에서 수소와 상당량의 대기 중 이산화탄소를 생성한다.
건류: 원래 황산염에서 황산을 생산하는 방법과 같다.
파괴적 증류: 숯, 코크스, 활성탄을 만드는 것과 같다.
숯 굽기: 숯을 생산한다.
타르 킬른에서 목재를 파괴적으로 증류하여 타르를 생산한다.
설탕의 캐러멜화.
굽기, 튀기기, 토스트, 구이와 같은 고온 요리 과정.
정유에서처럼 무거운 탄화수소를 가벼운 것으로 분해하는 과정.
열분해중합: 플라스틱 및 기타 중합체를 단량체 및 올리고머로 분해한다.
세라믹화^[12]: 불활성 분위기에서 세라믹 전구체 중합체로부터 중합체 유래 세라믹을 만든다.
퇴적변성작용: 매몰된 유기물이 화석연료로 자연적으로 전환되는 과정이다.
플래시 진공 열분해: 유기 합성에 사용된다.

어떤 열분해는 무수(無水) 조건에서 일어난다. 고체 유기 화합물을 산소 없이 강하게 가열하면 이런 현상이 발생한다. (예: 튀기기, 볶기, 굽기 등) 이러한 조작은 공기 중에서 하더라도 대상 물질 내부는 산소로부터 보호된다. (표면에서는 연소가 일어난다.)

이러한 과정은 목재와 같은 작은 고체 연료를 연소할 때도 발생한다. 나무를 태울 때 불꽃은 열분해로 생기는 기체가 연소하는 것이며, 나무 자체가 타는 것이 아니다. 따라서 나무, 플라스틱, 천 등 일반적인 재료의 열분해를 이해하는 것은 방화 및 소화에 중요하다.

예로부터 목재를 무수 조건에서 열분해하는 방법으로 숯을 만들었다. 현대에는 금속공학, 특히 제철을 위해 다량의 석탄을 코크스로 바꾼다.

케로겐이 화석연료로 바뀌는 카타게네시스(カタゲネシス) 과정에서도 무수 조건에서 열분해가 일어난다고 본다.

많은 산업 공정에서 무수 조건 열분해는 약 430°C 이상의 가압 조건에서 이루어진다. 디젤 연료와 같은 액체 연료를 바이오매스나 플라스틱으로부터 만들 때 쓰인다.^[111] 보통 매우 짧은 시간(2초 미만)과 높은 가열 속도 조건에서 350°C~500°C로 열분해하며, 이를 고속 열분해 또는 급속 열분해라고 한다.

열분해에는 물이 있는 상태에서 진행하는 것도 있다. 석유의 수증기 크래킹이나 함수열분해 등이 해당한다. 함수열분해의 예로는 유기 폐기물을 원유로 열탈중합하는 것이 있다.

진공 열분해는 끓는점을 낮추고 불필요한 화학 반응을 막기 위해 진공 상태에서 유기 화합물을 가열하는 방법이다. 유기 화학에서 합성법 중 하나로 쓰인다. 순간진공열분해에서는 작동 온도 영역에 기질이 머무는 시간을 최소화한다.

바이오매스 원료를 열분해하여 액체 물질을 만들 때는 효율을 위해 고속 처리가 필요하다. 바이오매스 분말의 가열 속도와 생성되는 증기의 체류 시간(0.5~2초)을 짧게 해야 한다. 가열 과정에서 바이오매스 원료는 빠르게 미세 입자로 분쇄되어야 하며, 반응이 일어나는 입자 표면에 생기는 탄화층은 계속 제거해야 한다.

열분해는 약간의 흡열 반응이며, 바이오매스 입자를 가열하는 여러 방법이 제안되었다.

공기를 넣어 바이오매스를 부분 연소: 낮은 품질의 생성물을 만든다.
열가스로부터 직접 열전달: 생성된 가스는 재가열 및 재활용하는 것이 이상적이다. 가스 유속을 유지하기 위해 가열해야 하는 문제가 있다.
벽이나 관 등의 표면으로부터 간접 열전달: 양쪽 표면에서 충분한 열교환 효율을 얻기 어렵다.
고체 순환에 의한 직접 열전달: 버너와 열분해 용기의 열교환에 고체를 쓴다. 효율적이지만 복잡한 기술이 필요하다.

바이오매스 열분해 방법으로 다음과 같은 기술들이 제안되었다.

고정층(Fixed beds): 전통적인 목탄 생산에 쓰였다. 열전달이 나쁘고 느려서 액체 생성물 수율이 매우 낮다.
오거(Augers): 석탄 가스화를 위한 루르기(Lurgi) 공정에 채택되었다. 고온 모래와 바이오매스 입자를 스크류 한쪽 끝에 넣는다. 스크류는 모래와 바이오매스를 섞고 운반한다. 바이오매스 체류 시간을 잘 제어할 수 있다. 운반체나 유동화 가스로 열분해 생성물을 희석하지 않는다. 그러나 모래는 별도 용기에서 재가열해야 하고, 기계적 신뢰성이 문제다. 대규모 상업적 구현 사례는 없다.
삭마(Ablative) 공정: 바이오매스 입자를 고온 금속 표면에 고속으로 충돌시킨다. 입자 표면에 생기는 숯이 깎여 나가면서(삭마) 높은 열전달 속도를 유지한다. 바이오매스 입자층 내에서 고속 회전하는 금속 표면을 써서 이를 달성할 수 있지만, 기계적 신뢰성 문제가 생길 수 있고 생성물 희석을 막는다. 또는 입자를 운반 가스에 섞어 고속으로 사이클론(cyclone)에 넣어 벽을 가열할 수도 있다. 생성물은 운반 가스로 희석된다.^{^[112]} 모든 삭마 공정의 공통적인 문제는 반응기 크기가 커지면 벽면 표면적 대 반응기 부피 비율이 줄어 규모 확대가 어렵다는 것이다. 대규모 상업적 구현 사례는 없다.
회전 원추(Rotating cone): 예열된 고온 모래와 바이오매스 입자를 회전 원추에 넣는다. 원추가 회전하면서 생기는 원심력으로 모래와 바이오매스 혼합물은 원추 표면을 따라 이동한다. 다른 천층 수송층 반응기처럼 좋은 액체 수율을 얻으려면 비교적 미세한 입자가 필요하다. 대규모 상업적 구현 사례는 없다.^[113]
유동층(Fluidized beds): 바이오매스 입자를, 보통 재순환되는 생성 가스로 유동화된 고온 모래층에 넣는다. 유동화된 모래로부터 높은 열전달 속도로 바이오매스 입자가 빠르게 가열된다. 모래 입자와 마찰로 인한 삭마가 약간 있지만, 삭마 공정만큼 효과적이지 않다. 열은 보통 고온 연소 가스가 흐르는 열교환기 관으로 제공한다. 생성물이 다소 희석되어 응축기에서 나오는 가스에서 바이오오일 미스트를 응축해 제거하기 어렵다. 이 공정은 쉽게 규모를 키울 수 없어 아직 상업적으로 적용되지 않았다. 브리지워터(Brigdwater)에 따르면 기술적, 경제적 과제가 있다. 기술적 과제는 특히 열전달과 관련해 흡열 열분해 반응기 규모를 키우고 바이오오일 품질과 일관성을 높이는 것이다.
순환 유동층(Circulating fluidized beds): 바이오매스 입자를 고온 모래의 순환 유동층에 넣는다. 가스, 모래, 바이오매스 입자가 함께 이동하며, 운반 가스는 보통 재순환된 생성 가스이지만 연소 가스일 수도 있다. 모래로부터 높은 열전달 속도로 바이오매스 입자가 빠르게 가열되며, 삭마는 일반 유동층보다 강하다. 고속 분리기는 생성 가스와 증기를 모래와 숯 입자로부터 분리한다. 모래 입자는 유동층 버너 용기에서 재가열되어 반응기로 돌아온다. 이 공정은 쉽게 규모를 키울 수 있지만 다소 복잡하고 생성물이 많이 희석되어 액체 생성물 회수가 매우 복잡해진다.

3. 1. 반응 조건에 따른 분류

열분해	작동 조건	열분해 생성물 수율 (wt%)
저온 느린 열분해 ^[13]	온도: 250°C-450°C	바이오오일 ~30
중간 열분해^[14]	온도: 600°C-800°C	바이오오일 ~50
저온 고속 열분해^[13]	온도: 250°C-450°C	바이오오일 ~50
플래시 열분해^[13]	온도: 800°C-1000°C	바이오오일 ~75
수열 열분해^[14]	온도: 350°C-600°C	지정되지 않음
고온 열분해	온도: 800°C-1150°C	바이오오일 ~43

열분해는 작동 조건과 사용되는 가열 시스템에 따라 다양한 유형으로 분류되며, 이는 열분해 생성물의 수율에 영향을 미친다.^[12]

3. 2. 기타 분류

열분해는 물이나 다른 용매의 끓는점 이상의 고온에서 일어나는 다양한 화학적 분해 과정 중 하나이다. 연소나 가수분해와는 달리, 일반적으로 산소(O₂, 연소의 경우)나 물(가수분해의 경우)과 같은 다른 시약을 첨가하지 않는다.^[6] 열분해는 고체(숯), 응축성 액체(경질 및 중질유 및 타르), 그리고 비응축성 기체를 생성한다.^[7]^[8]^[9]^[10]

열분해는 가스화와 다르다. 화학 공정 산업에서 열분해는 불활성(산소가 없는) 분위기에서 일어나고 기체, 액체 및 고체를 모두 생성하는 탄소질 물질의 부분적인 열분해를 의미한다. 열분해는 주로 기체 생성물을 생성하는 완전 가스화로 확장될 수 있으며,^[11] 종종 잔류 탄소 고체를 기화시키기 위해 물 증기를 첨가하기도 한다(수증기 개질 참조).

4. 열분해의 역사

열분해는 인류 역사와 함께 시작된 오래된 기술이다. 고대부터 사람들은 나무를 열분해하여 숯을 만들었는데, 이는 연료, 안료, 제련 등 다양한 용도로 활용되었다.^[2] 고대 이집트인들은 미라 제작 과정에서 삼나무를 열분해하여 얻은 액체 성분을 사용했다.^[15]

목재 건류는 20세기 초까지 메탄올의 주요 공급원이었다.^[16] 열분해는 인(인산암모늄나트륨(Microcosmic salt, NH₄NaHPO₄)에서), 진한 오줌에서, 산화수은에서 산소, 그리고 다양한 질산염 등 많은 화학 물질을 발견하는 데 중요한 역할을 했다.

현대에는 석탄을 코크스로 전환하는 공정, 석유화학 산업에서 에틸렌 생산, 바이오매스 에너지 생산, 폐기물 처리 등 다양한 산업 분야에서 열분해가 활용되고 있다.

5. 열분해의 메커니즘

열분해는 분해 온도 이상으로 물질을 가열하여 분자 내의 화학 결합을 끊는 과정이다. 이 조각들은 보통 더 작은 분자가 되지만, 더 큰 분자량을 가진 잔류물을 생성하기 위해 결합될 수도 있다.^[6]

유기물을 개방 용기에서 가열하면 일반적으로 다음과 같은 과정이 순차적으로 또는 겹쳐서 발생한다.

온도 (°C)	과정
100 미만	물을 포함한 휘발성 물질 증발. 비타민 C, 단백질 등 열에 민감한 물질은 부분적으로 변하거나 분해.
100 이상	재료에 흡수된 나머지 물 제거. 많은 에너지 소비로 인해 모든 물이 증발할 때까지 온도 상승이 멈출 수 있음. 수화물 결정 구조에 갇힌 물은 더 높은 온도에서 방출.
100 ~ 500	지방, 왁스, 당 등 일부 고체 물질 용융 및 분리. 많은 일반적인 유기 분자 분해.
160 ~ 180	대부분의 당 분해 시작.
350	나무, 종이, 면 직물의 주요 구성 요소인 셀룰로오스 분해.^[3] 나무의 주요 구성 요소인 리그닌 분해 시작, 500°C까지 휘발성 생성물 방출.^[3] 분해 생성물은 물, 일산화탄소(CO), 이산화탄소(CO₂) 및 다수의 유기 화합물 포함.^[4]^[17] 기체와 휘발성 생성물은 시료를 떠나고 일부는 연기로 응축. 이 과정은 에너지 흡수. 일부 휘발성 물질은 발화하여 불꽃 생성. 비휘발성 잔류물은 탄소가 풍부해지고 갈색-검은색의 큰 무질서 분자 형성 ("숯화" 또는 "탄화").
200 ~ 300 (산소 존재 시)	탄소질 잔류물 연소 시작 (눈에 보이는 불꽃 거의 없음, 발열 반응). 온도 자발적 상승, 잔류물은 잔불로 빛나고 이산화탄소/일산화탄소 방출. 잔류 질소는 산화 질소(NO₂, N₂O₃)로 산화. 황, 염소, 비소 등 원소 산화 및 휘발.
연소 완료 후	높은 융점의 무기 산화물로 구성된 분말/고체 무기 잔류물(재) 생성. 일부 재는 비산재/미세먼지 배출로 기체에 섞임. 금속은 산화물/탄산염 형태로 재에 잔류 (칼륨 화합물). 뼈, 인지질, 핵산의 인은 인산염으로 잔류.

열분해는 가스화와는 다르다. 열분해는 불활성(산소가 없는) 분위기에서 일어나며 기체, 액체 및 고체를 모두 생성하는 탄소질 물질의 부분적인 열분해를 의미한다. 반면, 열분해는 주로 기체 생성물을 생성하는 완전 가스화로 확장될 수 있으며,^[11] 종종 잔류 탄소 고체를 기화시키기 위해 수증기 개질처럼 물 증기를 첨가하기도 한다.

6. 열분해의 응용

열분해는 다양한 산업 분야에서 활용되고 있다. 주요 응용 분야는 다음과 같다.

코크스, 숯, 바이오차 생산: 석탄을 코크스로 전환하여 제련 과정에 사용하거나, 목재를 숯으로 만들어 연기가 적은 연료로 사용한다. 바이오차는 불완전 연소된 유기물 잔류물로, 토양 개선에 활용된다.
화학 물질 생산: 석유, 석탄, 목재 등에서 에틸렌을 비롯한 다양한 화학 물질을 생산한다. 천연 가스(메탄)를 수소 가스와 고체 탄소 숯으로 전환하는 데에도 사용된다.
바이오 연료 생산: 바이오매스를 열분해하여 합성가스, 바이오 오일 등의 연료를 생산한다.
수소 생산: 메탄 열분해를 통해 천연 가스로부터 수소를 생산하는 공정은 온실가스 배출이 없어 주목받고 있다.
폐기물 처리: 도시 고형 폐기물, 플라스틱 폐기물, 폐타이어 등을 열분해하여 부피를 줄이고 유용한 물질을 회수한다.
식품 가공: 카라멜화와 같이 음식의 색과 풍미를 변화시키는 조리 과정에 활용된다.
기타: 방사성탄소연대측정법, 목재 방부제, 흡연, 쓰레기 소각 등 다양한 분야에서 열분해가 활용된다.

6. 1. 코크스, 숯, 바이오차 생산

숯은 열분해된 목재보다 연기가 덜 나는 연료이다.^[26] 일부 도시에서는 목재 화재를 금지하거나 금지했었다. 주민들이 숯(그리고 마찬가지로 처리된 석탄인 코크스)만 사용하면 대기 오염이 크게 줄어든다. 20세기 중반, 유럽의 "무연탄" 법률은 코크스 연료^[27]와 연소 소각로^[28]와 같은 더 깨끗하게 연소되는 기술을 대기오염 감소의 효과적인 수단으로 요구했다.^[27]

코크스 제조 또는 "코킹" 공정은 재료를 "코크스 오븐"에서 매우 높은 온도로 가열하여 분자가 더 가벼운 휘발성 물질로 분해되도록 한다. 이 물질들은 용기를 떠나고, 대부분 탄소와 무기물 재인 다공성이지만 단단한 잔류물이 남는다. 휘발성 물질의 양은 원료에 따라 다르지만, 일반적으로 무게로 25~30%이다. 고온 열분해는 산업 규모에서 석탄을 코크스로 전환하는 데 사용된다. 이것은 제련에서 유용한데, 제강과 같은 많은 공정에 더 높은 온도가 필요하기 때문이다. 이 공정의 휘발성 부산물도 벤젠과 피리딘을 포함하여 종종 유용하다.^[29] 코크스는 석유 정제에서 남은 고체 잔류물로도 생산할 수 있다.

대장간, 송풍기를 사용하여 연료층을 통해 공기를 강제로 불어넣어 화재의 온도를 높입니다. 주변부에서는 석탄이 열분해되어 열을 흡수합니다. 중앙에 있는 코크스는 거의 순수한 탄소로, 탄소가 산화될 때 많은 열을 방출합니다.

목재의 원래 관다발 구조와 기체가 빠져나가면서 생성된 기공이 결합하여 가볍고 다공성인 재료를 생성한다. 견과껍질이나 복숭아 씨앗과 같은 조밀한 목재와 같은 재료로 시작하면 특히 미세한 기공(따라서 훨씬 더 큰 기공 표면적)을 가진 숯의 형태인 활성탄을 얻을 수 있으며, 이는 광범위한 화학 물질의 흡착제로 사용된다.

바이오차는 불완전한 유기 열분해의 잔류물(예: 요리용 불의 잔류물)이다. 이는 아마존 분지의 고대 원주민 공동체와 관련된 테라 프레타 토양의 주요 구성 요소이다.^[30] 테라 프레타는 그 지역의 전형적인 적색 토양에 비해 우수한 비옥도와 유익한 미생물 군집을 증진하고 유지하는 능력으로 인해 지역 농부들에게 매우 인기가 있다. 대부분 유기 폐기물인 다양한 재료의 열분해로 얻어지는 고체 잔류물인 바이오차를 통해 이러한 토양을 재현하려는 노력이 진행 중이다.

누에 고치를 열분해하여 생산된 탄소 섬유. 전자 현미경 사진, 왼쪽 아래의 눈금 막대는 100 μm을 나타냅니다.

6. 2. 화학 물질 생산

이 공정은 화학 산업에서 석유, 석탄, 심지어 목재에서 에틸렌, 여러 형태의 탄소, 그리고 다른 화학 물질을 생산하거나, 석탄에서 코크스를 생산하는 데 광범위하게 사용된다.^[5] 또한 최근 산업 규모로 도입된 천연 가스(주로 메탄)를 수소 가스와 고체 탄소 숯으로 전환하는 데에도 사용된다.^[5]

열분해는 산업적으로 가장 대규모로 생산되는 화합물인 에틸렌(ethylene)을 생산하는 데 사용된다(2005년 기준 연간 1억 1천만 톤 이상). 이 공정에서는 석유에서 추출한 탄화수소를 수증기 존재 하에 약 600°C까지 가열하는데, 이를 증기 분해법(steam cracking)이라고 한다. 이렇게 생성된 에틸렌은 부동액(에틸렌 글리콜(ethylene glycol)), PVC(염화비닐(vinyl chloride)을 거쳐), 그리고 폴리에틸렌, 폴리스티렌과 같은 많은 다른 고분자를 만드는 데 사용된다.^[71]

6. 3. 바이오 연료 생산

바이오매스, 즉 리그노셀룰로스 바이오매스로부터 연료를 생산하는 여러 방법의 기초는 열분해이다.^[32] 열분해를 위한 바이오매스 원료로 연구된 작물에는 스위치그래스와 미스칸서스 기간테우스와 같은 다른 풀들의 개량 품종이 포함된다. 열분해를 위한 원료로 사용되는 다른 유기물 공급원에는 녹색 폐기물, 톱밥, 폐목재, 잎, 채소, 견과류 껍질, 짚, 목화 쓰레기, 쌀겨 및 오렌지 껍질이 포함된다.^[3] 가금류 배설물, 유제품 분뇨 및 기타 분뇨를 포함한 동물성 폐기물도 평가 중이다. 종이 슬러지, 증류주박^[33] 및 하수 슬러지^[34]를 포함한 일부 산업 부산물도 적합한 원료이다.

바이오매스 구성 요소에서 헤미셀룰로스의 열분해는 210~310 °C에서 발생한다.^[3] 셀룰로스의 열분해는 300~315 °C에서 시작하여 360~380 °C에서 끝나며, 342~354 °C에서 최고점에 도달한다.^[3] 리그닌은 약 200 °C에서 분해되기 시작하여 1000 °C까지 계속된다.^[35]

유기물질의 열분해에 의한 합성 디젤 연료는 아직 경제적으로 경쟁력이 없다.^[36] 미세하게 분쇄된 원료를 2초 미만 동안 빠르게 가열하는 '''급속 열분해'''를 통해 더 높은 효율을 달성하는 경우가 있다.

합성가스는 일반적으로 열분해에 의해 생산된다.^[23]

열분해를 통해 생산된 오일의 낮은 품질은 물리적 및 화학적 공정을 통해 개선될 수 있으며,^[37] 이는 생산 비용을 증가시킬 수 있지만 상황에 따라 경제적으로 타당할 수 있다.

기계적 생물학적 처리 및 혐기성 소화와 같은 다른 공정과 통합할 가능성도 있다.^[38] 바이오매스 전환을 위한 급속 열분해도 연구되고 있다.^[39] 수열 열분해에 의해서도 바이오 오일 연료를 생산할 수 있다.

바이오매스 원료를 열분해하여 액상 물질을 생산하는 과정에서 효율성을 높이려면 고속 처리가 요구된다. 이는 바이오매스 분말의 가열 속도와 생성되는 증기의 체류 시간(0.5~2초)의 단축 여부로 판단된다. 가열 과정 동안 바이오매스 원료는 신속하게 미세한 입자로 분쇄되어야 하며, 반응이 일어나는 입자 표면에 생성되는 탄화층이 지속적으로 제거되어야 한다.

열분해는 약간의 흡열 과정이며, 바이오매스 입자 가열을 위한 다양한 방법이 제안되어 있다.

공기 유입에 의한 바이오매스의 부분 연소: 저품질의 생성물을 생성한다.
열가스로부터의 직접 열전달: 이상적으로는 생성된 가스는 재가열 및 재활용된다. 문제점은 가스 유속을 유지하기 위한 가열이 필요하다는 점이다.
벽이나 관 등의 표면으로부터의 간접 열전달: 양쪽 표면에서 충분한 열교환 효율을 달성하기 어렵다.
고체 순환에 의한 직접 열전달: 버너와 열분해 용기의 열교환에 고체를 이용한다. 효율적이지만 복잡한 기술이 필요하다.

바이오매스 열분해 방법으로 다음과 같은 기술이 제안되어 있다.

기술	설명	장점	단점	상업적 구현 사례
고정층(Fixed beds)	전통적인 목탄 생산에 사용.		열전달이 불량하고 느려서 액상 수율이 매우 낮음.
오거(Augers)	석탄 가스화를 위한 루르기(Lurgi) 공정에서 채택. 고온의 모래와 바이오매스 입자를 스크류의 한쪽 끝에 공급하여 혼합 및 운반.	바이오매스 체류 시간을 잘 제어 가능. 운반체 또는 유동화 가스로 열분해 생성물을 희석하지 않음.	모래를 별도의 용기에서 재가열해야 함. 기계적 신뢰성이 문제.	없음
삭마(Ablative) 공정	바이오매스 입자를 고속으로 고온 금속 표면에 충돌.	높은 열전달 속도 유지.	기계적 신뢰성 문제. 생성물의 희석 방지 어려움. 규모 확대가 어려움.	없음
회전 원추(Rotating cone)	예열된 고온 모래와 바이오매스 입자를 회전 원추에 도입. 원심력에 의해 원추 표면을 가로질러 이동.		비교적 미세한 입자가 필요.	없음
유동층(Fluidized beds)	바이오매스 입자를 재순환된 생성 가스로 유동화되는 고온 모래층에 도입.	높은 열전달 속도.	생성물이 다소 희석. 응축기에서 나오는 가스로부터 바이오오일 미스트를 응축 및 제거하기 어려움. 규모 확장이 쉽지 않음.	없음, 브리지워터(Brigdwater) 참조: 기술적 및 경제적 과제가 있음.
순환 유동층(Circulating fluidized beds)	바이오매스 입자를 고온 모래의 순환 유동층에 도입.	높은 열전달 속도, 삭마가 일반 유동층보다 강함.	다소 복잡. 생성물이 많이 희석되어 액상 생성물의 회수가 매우 복잡.

합성 디젤 연료
바이오 오일: 식품 첨가물이나 의약품으로 사용할 수 있는 귀중한 생화학 물질을 제거한 후 연료로 사용할 수 있다. 바이오 오일은 대부분의 자동차 엔진에서 직접 사용할 수 없다.
합성가스: 일산화탄소와 수소의 가연성 혼합물로, 열분해에 필요한 에너지를 공급하고 초과 생산량을 얻기에 충분한 양을 생산할 수 있다.^[116] ^[117]
고형 숯: 에너지원으로 연소하거나 비료로 재활용할 수 있으며, 바이오차라고도 한다.

비료로 사용되는 바이오차는 토양 구조를 개선하고 비료를 서서히 방출하기 때문에 매우 매력적이다. 화학 비료와 비교할 때 셀레늄과 같은 미량 원소를 함유하여 수확량을 높이는 데 도움이 된다. 퇴비나 하수와 같은 다른 "천연" 비료와 비교할 때 고온에서 소독되었고 고체이기 때문에 지하수 오염 위험이 크게 감소한다(흡입 위험은 남아 있음)^[118]. 열분해 숯은 고대 테라 프레타 토양 형성의 주요 구성 요소로 여겨진다. 영양소 유지를 촉진하고 토양 생태계를 향상시키도록 설계된 바이오차 생산을 통해 이러한 토양을 재현하기 위한 노력이 진행되고 있다. 바이오차는 지구 온난화 완화에서 탄소 격리를 위해서도 고려되고 있다.^[119] ^[120]

6. 4. 수소 생산

메탄 열분해^[40]는 천연가스에서 고체 탄소를 제거하여 메탄으로부터 "터키색" 수소 생산을 위한 산업 공정이다.^[41] 이 단일 공정은 (탄소 포집을 포함한 수증기 개질보다 저렴) 대량의 수소를 생산하며,^[42] 온실가스가 배출되지 않고 이산화탄소의 심층 지중 주입이 필요 없다. 수소가 연료전지 전기 대형 트럭 운송,^[43]^[44]^[45]^[46]^[47] 가스터빈 발전,^[48]^[49] 암모니아 비료와 시멘트 생산을 포함한 산업 공정에 사용될 때 배출되는 것은 물뿐이다.^[50]^[51] 메탄 열분해는 천연가스로부터 수소를 생산하기 위해 약 1065 °C에서 작동하는 공정으로, 탄소를 쉽게 제거할 수 있다(고체 탄소는 이 공정의 부산물임).^[52]^[53] 산업용 등급의 고체 탄소는 판매하거나 매립할 수 있으며 대기 중으로 배출되지 않으므로 온실가스(GHG) 배출이나 매립지로 인한 지하수 오염을 방지한다.

메탄 열분해의 입력과 출력을 보여주는 그림. 수소를 생산하고 온실가스를 배출하지 않는 효율적인 단일 공정

2015년, Monolith Materials는 캘리포니아주 레드우드 시티에 파일럿 플랜트를 건설하여 이 공정에 재생에너지를 사용하는 메탄 열분해의 규모 확장을 연구했다.^[54] 성공적인 파일럿 프로젝트는 2016년 네브래스카주 할람에 더 큰 상업 규모의 시범 플랜트 건설로 이어졌다.^[55] 2020년 기준으로 이 플랜트는 가동 중이며 하루에 약 14톤의 수소를 생산할 수 있다. 2021년 미국 에너지부는 Monolith Materials의 대규모 확장 계획에 10억달러의 대출 보증을 지원했다.^[56] 이 자금은 2024년까지 하루 164톤의 수소를 생산할 수 있는 플랜트 건설에 도움이 될 것이다. Modern Hydrogen과 같은 회사와 가스 유틸리티 및 바이오가스 플랜트를 대상으로 파일럿 프로젝트가 진행 중이다.^[57]^[58] BASF의 "대규모 메탄 열분해" 파일럿 플랜트,^[5] 캘리포니아 대학교 산타바바라 캠퍼스 화학공학팀^[59] 및 Karlsruhe Liquid-metal Laboratory (KALLA)와 같은 연구소에서도 대량 생산이 평가되고 있다.^[60] 공정 열에 사용되는 전력은 수전해 방식으로 수소를 생산하는 데 사용되는 전력의 7분의 1에 불과하다.^[61]

호주 회사인 Hazer Group은 2010년 서호주 대학교에서 개발된 기술을 상용화하기 위해 설립되었으며, 2015년 12월 ASX에 상장되었다. 이 회사는 폐수와 철광석을 공정 촉매로 사용하는 기술을 서호주 대학교(UWA)가 개발한 기술을 이용하여 재생 수소와 흑연을 생산하는 상업 시범 프로젝트를 완료하고 있다. 상업 시범 플랜트 프로젝트는 호주 최초이며, 2023년부터 연간 약 100톤의 연료 등급 수소와 380톤의 흑연을 생산할 것으로 예상된다.^[62] 2022년에 시작될 예정이었으나, "2021년 12월 10일: Hazer Group (ASX: HZR)은 Hazer 상업 시범 프로젝트(CDP)용 반응기 제작이 지연되었음을 알려드립니다. 이로 인해 Hazer CDP의 예정된 시운전이 지연될 것으로 예상되며, 시운전은 현재 목표일인 2022년 1분기 이후에 이루어질 것으로 예상됩니다."^[63] Hazer Group은 2023년 5월 프랑스 시설을 위한 Engie와의 협업 계약,^[64] 2023년 4월 일본 Chubu Electric & Chiyoda와의 양해각서^[65], 2022년 4월 캐나다에 연간 2,500톤 규모의 Burrard-Hazer 수소 생산 플랜트를 개발하기 위한 Suncor Energy 및 FortisBC와의 계약을 체결했다.^[66]^[67]

미국 회사인 C-Zero의 기술은 천연가스를 수소와 고체 탄소로 전환한다. 수소는 필요에 따라 깨끗하고 저렴한 에너지를 제공하며 탄소는 영구적으로 격리될 수 있다.^[68] C-Zero는 2022년 6월 한국 2위 재벌인 SK그룹의 자회사인 SK가스가 주도하는 3400만달러 규모의 자금 조달 라운드를 마감했다고 발표했다. SK가스에는 Breakthrough Energy Ventures, Eni Next, Mitsubishi Heavy Industries 및 AP Ventures와 같은 기존 투자자 외에도 Engie New Ventures 및 세계 최대 물적 상품 무역 회사 중 하나인 Trafigura를 포함한 두 명의 새로운 투자자가 합류했다. 자금은 C-Zero의 첫 번째 파일럿 플랜트에 사용되었으며, 2023년 1분기에 가동될 것으로 예상되었다. 이 플랜트는 하루 최대 400kg의 수소를 이산화탄소 배출 없이 천연가스로 생산할 수 있을 것으로 예상된다.^[69]

세계 최대 화학 회사 중 하나인 BASF는 10년 이상 수소 열분해를 연구해 왔다.^[70]

6. 5. 폐기물 처리

열분해는 도시 고형 폐기물과 플라스틱 폐기물 처리에 사용될 수 있다.^[4]^[17]^[72] 주요 장점은 폐기물의 부피를 줄이는 것이다. 원칙적으로 열분해는 처리되는 중합체의 단량체(전구체)를 재생하지만, 실제로는 단량체의 청정하고 경제적으로 경쟁력 있는 공급원이 아니다.^[73]^[74]^[75]

타이어 열분해는 폐타이어 관리에 있어 잘 개발된 기술이다.^[76] 자동차 타이어 열분해의 다른 생성물에는 철선, 카본 블랙 및 역청이 포함된다.^[77] 이 분야는 입법적, 경제적, 마케팅적 장벽에 직면해 있다.^[78] 타이어 고무 열분해에서 유래한 오일은 황 함량이 높아 오염 물질로서의 가능성이 높으므로 황을 제거해야 한다.^[79]^[80]

500°C의 저온에서 하수 슬러지의 알칼리 열분해는 현장 탄소 포집을 통해 H₂ 생산을 향상시킬 수 있다. 수산화나트륨(NaOH)을 사용하면 연료 전지에 직접 사용할 수 있는 H₂가 풍부한 가스를 생산할 수 있다.^[34]^[104]

2021년 11월 초, 미국 조지아주는 Igneo Technologies와 공동으로 사바나 항구에 8500만달러 규모의 대형 전자 폐기물 재활용 공장을 건설하기로 발표했다. 이 프로젝트는 여러 분쇄기와 열분해 기술을 사용하는 용광로를 사용하여 폐기물에서 저가의 플라스틱이 많은 장치에 중점을 둘 것이다.^[81]

열분해는 생활쓰레기, 폐필름 플라스틱, 농업 폐기물, 톱밥 및 폐목재 등의 폐기물 부피를 줄이기 위한 열처리 방법으로 사용된다. 기계적 생물학적 처리 및 혐기성 소화와 같은 다른 공정과 통합할 수도 있다.^[115]

6. 6. 식품 가공

열분해는 음식 조리에 여러 가지로 응용된다.^[23] 카라멜화는 음식 속의 당(종종 다당류의 분해로 생성된 당)의 열분해이다. 음식은 갈색으로 변하고 풍미가 바뀐다. 독특한 풍미는 많은 요리에 사용된다. 예를 들어, 카라멜화된 양파는 프렌치 어니언 수프에 사용된다.^[24]^[25] 카라멜화에 필요한 온도는 물의 끓는점보다 높다.^[24] 튀김 기름은 끓는점보다 쉽게 높아질 수 있다. 프라이팬에 뚜껑을 덮으면 물이 남아 있고, 일부는 다시 응축되어 온도가 갈색으로 변하기에는 너무 낮게 유지되어 더 오랜 시간 동안 갈색으로 변하지 않는다.

음식의 열분해는 또한 바람직하지 않을 수 있는데, 탄 음식의 탄화(탄소의 산화 연소가 불꽃을 생성하고 음식을 재로 태우기에 충분하지 않을 정도로 낮은 온도에서)의 경우가 그렇다.

6. 7. 기타 응용

열분해는 방사성탄소연대측정법을 위해 유기물을 탄소로 전환하는 데 사용된다. 나무껍질과 삼의 느린 열분해로 얻은 열분해 액체는 목재 부후균에 대한 항진균 활성을 테스트하여 현재의 목재 방부제를 대체할 가능성을 보여주었지만,^[98] 추가적인 검사가 필요하다. 그러나 그 생태독성은 매우 다양하며, 일부는 현재의 목재 방부제보다 독성이 적지만 다른 열분해 액체는 높은 생태독성을 보여 환경에 해로운 영향을 미칠 수 있다.^[99]

담배, 종이 및 첨가제가 들어간 담배 및 기타 제품의 열분해는 니코틴, 일산화탄소, 타르 등 많은 휘발성 생성물을 생성하며, 이는 흡연의 향과 건강 영향에 영향을 미친다. 마리화나 흡연, 향 제품 및 모기향 연소에도 유사한 고려 사항이 적용된다.

쓰레기 소각 과정에서 열분해가 발생하여 완전히 연소되지 않으면 독성이 있거나 대기오염에 기여하는 휘발성 물질이 생성될 수 있다. 실험실 또는 산업용 장비는 때때로 코킹(뜨거운 표면과 접촉하는 유기물의 열분해)으로 인해 생성되는 탄소 잔류물로 인해 오염될 수 있다.

열분해를 활용한 기타 응용 분야는 다음과 같다.

합성 디젤 연료
바이오 오일: 식품 첨가물이나 의약품으로 사용할 수 있는 귀중한 생화학 물질을 제거한 후 연료로 사용할 수 있다. 바이오 오일은 대부분의 자동차 엔진에서 직접 사용할 수 없다.
합성가스: 일산화탄소와 수소의 가연성 혼합물로, 열분해에 필요한 에너지를 공급하고 초과 생산량을 얻기에 충분한 양을 생산할 수 있다.^[116] ^[117]
바이오차: 에너지원으로 연소하거나 비료로 재활용할 수 있는 고형 숯
카본 블랙: 주로 중질유 분획으로 만들어지며, 고무 산업에서 중요한 재료로 사용된다. 최종 제품의 특성(내마모성 트레드 블랙, 부드러운 유연성 골격 블랙)에 상당한 영향을 미친다.

비료로 사용되는 바이오차는 토양 구조를 개선하고 비료를 서서히 방출하기 때문에 매우 매력적이다. 화학 비료와 비교할 때 셀레늄과 같은 미량 원소를 함유하여 수확량을 높이는 데 도움이 된다. 퇴비나 하수와 같은 다른 "천연" 비료와 비교할 때 고온에서 소독되었고 고체이기 때문에 지하수 오염 위험이 크게 감소한다(흡입 위험은 남아 있음)^[118]. 열분해 숯은 고대 테라 프레타 토양 형성의 주요 구성 요소로 여겨진다. 영양소 유지를 촉진하고 토양 생태계를 향상시키도록 설계된 바이오차 생산을 통해 이러한 토양을 재현하기 위한 노력이 진행되고 있다. 바이오차는 지구 온난화 완화에서 탄소 격리를 위해서도 고려되고 있다. ^[119] ^[120]

7. 열분해 연구 및 분석 방법

열중량 분석(Thermogravimetric analysis, TGA)은 열 및 물질 전달의 제한 없이 열분해를 조사하는 가장 일반적인 기법 중 하나이다. 그 결과는 질량 감소 반응 속도를 결정하는 데 사용될 수 있다.^[3]^[17]^[4]^[35]^[72] Kissinger 방법 또는 피크 분석-최소 제곱법(PA-LSM)을 사용하여 활성화 에너지를 계산할 수 있다.^[4]^[35]

TGA는 푸리에 변환 적외선 분광법(FTIR) 및 질량 분석법과 결합될 수 있다. 온도가 증가함에 따라 열분해에서 생성된 휘발성 물질을 측정할 수 있다.^[103]^[104] 열중량 분석(TGA)에서는 온도를 높이기 전에 먼저 시료를 장입하고, 가열 속도는 낮게(100°C/분 미만) 유지한다. 거대 열중량 분석(Macro-TGA)은 그램 단위의 시료를 사용하여 질량 및 열 전달을 고려한 열분해 효과를 조사할 수 있다.^[4]^[105] 열분해-기체 크로마토그래피-질량 분석법(Py-GC-MS)은 화합물의 구조를 결정하는 중요한 실험실 절차이다.^[106]^[107] 최근 몇 년 동안, 기계 학습은 열분해 과정의 수율 예측, 매개변수 최적화 및 모니터링에 상당한 연구 관심을 끌고 있다.^[108]^[109]

8. 열분해와 관련된 위험성 및 안전 대책

열분해 과정에서는 폭발성 기체(수소, 메탄 등)와 유해 가스(일산화탄소 등)가 생성될 수 있으므로, 안전 관리가 매우 중요하다.^[19] 특히, 산소가 존재하는 환경에서는 자연발화온도를 초과하는 고온에서 열분해가 일어나 폭발 위험이 있으므로, 불활성 기체(질소, 아르곤 등)를 사용하여 산소를 제거하거나, 진공 상태에서 열분해를 진행해야 한다.^[20] 열분해는 다양한 유독 가스, 주로 일산화탄소를 생성하기 때문에 주의해야 한다.^[19] 화재, 폭발 및 유독 가스 방출의 가장 큰 위험은 시스템을 시작하거나 종료할 때, 간헐적으로 작동할 때, 또는 운영상의 문제가 발생할 때 발생한다.^[19]

열분해 설비는 고온에서 작동하므로, 화재 및 화상 위험에 대한 대비가 필요하다. 농업 쓰레기 열분해의 경우 일반적인 온도는 450°C~550°C이다. 열분해 시스템의 온도를 제어하기 위해서는 신중한 온도 조절이 필요하며, 오픈소스 열분해 컨트롤러를 사용하여 수행할 수 있다.^[18]

고유의 폭발 위험을 관리하기 위해 불활성 기체 퍼징이 필수적이다. 이 절차는 간단하지 않으며, 산소를 차단하지 못하면 사고로 이어질 수 있다.^[20]

건물 내부의 파괴적인 화재는 종종 산소 공급이 제한된 상태에서 연소되어 열분해 반응을 일으킨다. 따라서 열분해 반응 메커니즘과 재료의 열분해 특성은 화재 방호 공학에서 수동적 화재 방호에 중요하다. 열분해 탄소는 또한 화재 조사관에게 화재의 원인과 발원지를 밝히는 도구로 중요하다.

9. 담배 폐기물의 열분해

담배 폐기물은 환경 오염의 주요 원인 중 하나로, 이를 효과적으로 처리하기 위한 방법으로 열분해가 연구되고 있다. 담배 폐기물은 담뱃잎 폐기물(TLW, Tobacco Leaf Waste)과 담배꽁초 폐기물(TSW, Tobacco Stick Waste)로 분류할 수 있다. TLW는 담배에서 나오는 모든 폐기물이고, TSW는 전자담배에서 나오는 모든 폐기물이다.^[82]

TLW와 TSW는 80 °C에서 24시간 동안 건조시킨 후 데시케이터에 보관하고, 내용물이 균일하도록 분쇄한다. 담배 폐기물(TW)에는 유도결합 플라즈마-광학 분광기(ICP-OES)를 사용하여 분석한 무기물(금속) 함량도 포함되어 있다. 열중량 분석(TGA)을 사용하여 TLW, TSW, 글리세롤, 구아 검을 열적으로 분해하고 특정 동적 온도 조건하에서 모니터링하였다.^[82]

열분해 실험에는 약 1g의 TLW와 TSW를 사용하였다. 석영관을 사용하여 제작된 관형 반응기 내부에 이산화탄소(CO₂)와 질소(N₂)를 대기로 사용하였고, 이들의 유량은 100ml이었다.^[82] 관형로를 통해 외부 가열을 하였다. 열분해 생성물은 바이오차(biochar), 액체 탄화수소(hydrocarbon), 기체의 세 가지 상으로 분류되었다.^[82]

바이오차: 650 °C에서 반응기에서 생성된 고체 잔류물이다.
액체 탄화수소: 냉각 용매 트랩으로 수집하고 크로마토그래피를 사용하여 분류하였다.
기체: 온라인 마이크로 GC 장치를 사용하여 분석하였다.

단계별 열분해와 2단계 열분해 두 가지 유형의 실험이 수행되었다. 단계별 열분해는 30 °C에서 720 °C까지 일정한 가열 속도(10°C)로 진행되었다.^[82] 2단계 열분해 실험의 두 번째 단계에서는 단계별 열분해의 열분해 생성물을 650 °C에서 등온적으로 제어되는 두 번째 가열대에서 열분해하였다.^[82]

CO₂ 및 N₂ 환경에서 TLW와 TSW의 열분해 거동을 살펴보면, 660 °C 이하에서는 동일하였다. 660 °C를 초과하면 CO₂ 환경에서의 잔류 질량 백분율이 N₂ 환경에 비해 현저히 감소하는데, 이는 부두아르 반응(Boudouard reaction) 때문일 가능성이 높다.^[82] TLW의 탄산칼슘(CaCO₃) 분해로 인해 순수 CO₂가 산화칼슘(CaO)과 동적 평형 상태에서 반응하기 때문으로 설명할 수 있다.^[82]

TLW의 미분 열 분석(DTG) 피크는 TSW와 비교했을 때, TLW는 87, 195, 265 및 306 °C에서 네 개의 뚜렷한 피크를 나타낸 반면, TSW는 200 및 306 °C에서 두 개의 주요 감소와 그 사이에 하나의 스파이크를 나타냈다. 이는 TLW가 TSW보다 더 다양한 유형의 첨가제를 포함하고 있음을 나타낸다.^[82] 잔류 질량 백분율을 비교한 결과, CO₂ 및 N₂ 환경 모두에서 TSW의 잔류 질량이 TLW보다 적어, TSW가 TLW보다 더 많은 양의 첨가제를 포함하고 있다는 결론을 내렸다.

단계별 열분해 실험에서 5가지 기체(수소, 메탄, 에테인, 이산화탄소, 에틸렌)의 발생이 관찰되었다. 열분해 속도는 CO₂ 및 N₂ 환경 모두에서 동일한 온도에서 시작되지만, N₂ 환경에서 수소, 에테인, 에틸렌 및 메탄의 생성 농도가 CO₂ 환경보다 높다. CO의 농도는 온도가 600 °C를 넘어서면 CO₂ 환경에서 현저하게 증가하는데, 이는 TLW에서 CaCO₃로부터 CO₂가 방출되기 때문이다.^[82] CO₂ 환경은 오일과 바이오차보다 더 높은 수율의 기체를 생성한다. TSW에 대해 동일한 과정을 수행하면 경향이 거의 동일하다.

CO 생성으로 인해 타르가 감소되어 CO₂ 환경에서 유해 화학 물질이 감소되었다. 2단계 열분해는 두 번째 가열대로 인해 더 높은 농도의 기체를 생성할 수 있었고, 650 °C의 일정한 온도에서 등온적으로 유지되었다.^[82] 더 긴 체류 시간을 가진 CO₂와 기체 열분해 생성물 사이의 더 많은 반응은 CO₂가 열분해 생성물을 일산화탄소(CO)로 더욱 전환할 수 있음을 의미한다.^[82] 2단계 열분해는 TLW(64.20 wt.%)와 TSW(73.71%) 모두에 대해 타르 함량을 감소시키고 기체 농도를 약 10 wt.% 증가시키는 효과적인 방법임을 보여주었다.^[82]

10. 다환 방향족 탄화수소 (PAHs) 생성

열분해 과정에서 다환 방향족 탄화수소(PAHs)가 생성될 수 있다. PAHs는 벤젠 고리가 여러 개 결합된 유기 화합물로, 일부는 발암 물질로 알려져 있다.

PAHs는 헤미셀룰로스, 셀룰로스, 리그닌, 펙틴, 녹말, 폴리에틸렌(PE), 폴리스티렌(PS), 폴리염화비닐(PVC), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)와 같은 다양한 고형 폐기물 분획^[10]의 열분해 과정에서 생성될 수 있다. PS, PVC, 리그닌은 상당량의 PAHs를 생성한다. 나프탈렌은 모든 다환 방향족 탄화수소 중 가장 풍부한 PAHs이다.^[100]

온도가 500°C에서 900°C로 증가하면 대부분의 PAHs가 증가한다. 온도가 증가함에 따라 경질 PAHs의 비율은 감소하고 중질 PAHs의 비율은 증가한다.^[101]^[102] PAHs 생성량은 열분해 온도, 원료의 종류 등에 따라 달라지며, 일반적으로 온도가 높을수록 PAHs 생성량이 증가한다. 따라서, 열분해 공정에서 PAHs 생성을 최소화하기 위한 기술 개발이 필요하다.

참조

_[1] 서적 Compendium of Chemical Terminology International Union of Pure and Applied Chemistry 2018-01-10
_[2] 웹사이트 Burning of wood http://virtual.vtt.f[...] 2010-02-06
_[3] 학술지 The pyrolysis simulation of five biomass species by hemi-cellulose, cellulose and lignin based on thermogravimetric curves 2013-08-00
_[4] 학술지 Combustible Solid Waste Thermochemical Conversion 2017-00-00
_[5] 웹사이트 BASF researchers working on fundamentally new, low-carbon production processes, Methane Pyrolysis https://www.basf.com[...] BASF 2020-10-19
_[6] 학술논문 Time Resolved Measurements of Pyrolysis Products From Thermoplastic Poly-Methyl-Methacrylate (PMMA) http://proceedings.a[...] 2014-11-06
_[7] 학술지 High-density polyethylene degradation into low molecular weight gases at 1823K: An atomistic simulation http://www.sciencedi[...] 2014-00-00
_[8] 웹사이트 Mechanisms of pyrolysis https://www.anzbioch[...] 2019-05-19
_[9] 학술지 Fast Pyrolysis Behavior of Banagrass as a Function of Temperature and Volatiles Residence Time in a Fluidized Bed Reactor 2015-08-26
_[10] 학술지 Effect of interactions of biomass constituents on polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH) formation during fast pyrolysis http://eprints.white[...] 2014-11-00
_[11] 서적 Pyrolysis and Gasification Wiley
_[12] 학술지 Additive manufacturing of ceramics from preceramic polymers: A versatile stereolithographic approach assisted by thiol-ene click chemistry
_[13] 서적 Chapter 8 - Pyrolysis of Biomass for Aviation Fuel https://www.scienced[...] Academic Press 2023-12-12
_[14] 학술지 Effect of process parameters on production of biochar from biomass waste through pyrolysis: A review https://www.scienced[...] 2016-03-01
_[15] 학술지 Analysis of a pharaonic embalming tar 2003-10-00
_[16] 백과사전 Methanol Wiley-VCH
_[17] 학술지 Thermogravimetric characteristics of typical municipal solid waste fractions during co-pyrolysis 2015-04-00
_[18] 학술지 Modular Open-Source Design of Pyrolysis Reactor Monitoring and Control Electronics 2023-00-00
_[19] 학술지 Fire, explosion and chemical toxicity hazards of gasification energy from waste
_[20] 학술논문 Inherent Hazards and Limited Regulatory Oversight in the Waste Plastic Recycling Sector – Repeat Explosion at Pyrolysis Plant
_[21] 서적 Total Synthesis of Natural Products John Wiley & Sons 1981-01-00
_[22] 학술지 CBD, a precursor of THC in e-cigarettes 2021-04-00
_[23] 웹사이트 Pyrolysis: Biochar, Bio-Oil and Syngas from Wastes http://users.humbold[...] Humboldt University 2011-09-00
_[24] 웹사이트 What is Caramelization? https://www.scienceo[...] 2019-05-19
_[25] 웹사이트 Cooking with Chemistry: What is Caramelization? https://commonsenses[...] 2011-11-07
_[26] 학술지 Indoor fuel exposure and the lung in both developing and developed countries: an update. 2012-12-00
_[27] 학술지 SMOKELESS zones. 1953-10-10
_[28] 웹사이트 Two-stage incinerator, United States Patent 3881430 https://www.freepate[...] 2023-02-11
_[29] 백과사전 Wiley-VCH
_[30] 웹사이트 Biochar: the new frontier http://www.css.corne[...] 2008-07-10
_[31] 서적 Biomaterials science: an introduction to materials in medicine Academic Press 2014-06-26
_[32] 웹사이트 Liquid Transport Biofuels – Technology Status Report http://www.nnfcc.co.[...] 2009-05-05
_[33] 웹사이트 Biomass Feedstock for Slow Pyrolysis http://www.bestenerg[...] BEST Energies, Inc. 2010-07-30
_[34] 학술지 Low-temperature alkaline pyrolysis of sewage sludge for enhanced H2 production with in-situ carbon capture 2019-03-00
_[35] 학술지 A novel method for kinetics analysis of pyrolysis of hemicellulose, cellulose, and lignin in TGA and macro-TGA 2015-00-00
_[36] 웹사이트 Pyrolysis and Other Thermal Processing http://www1.eere.ene[...] US DOE
_[37] 논문 A Review of Hydrothermal Liquefaction Bio-Crude Properties and Prospects for Upgrading to Transportation Fuels 2015-07-01
_[38] 간행물 A Watery Solution and Sustainable Energy Parks http://www.alexmarsh[...] CIWM 2006
_[39] 논문 Refining fast pyrolysis of biomass http://doc.utwente.n[...] University of Twente 2012-05-30
_[40] 논문 Catalytic molten metals for the direct conversion of methane to hydrogen and separable carbon in a single reaction step commercial process (at potentially low-cost). This would provide hydrogen from natural gas, essentially forever. American Association for Advancement of Science 2017-11-17
_[41] 논문 Hydrogen and hydrogen-derived fuels through methane decomposition of natural gas – GHG emissions and costs
_[42] 논문 Mathematical Modelling and Simulation of Catalyst Deactivation for the Continuous Thermo-Catalytic Decomposition of Methane. https://opus4.kobv.d[...] Rhine-Waal University of Applied Sciences 2022-03-16
_[43] 웹사이트 Energy Department Looks to Boost Hydrogen Fuel for Big Trucks https://www.scientif[...] Scientific American 2020-11-07
_[44] 웹사이트 How fuel cell trucks produce electric power and how they're fueled https://www.ccjdigit[...] Commercial Carrier Journal 2020-10-19
_[45] 웹사이트 Hydrogen Fuel-Cell Class 8 Truck https://global.toyot[...] Toyota 2020-10-19
_[46] 뉴스 Auto Makers Shift Their Hydrogen Focus to Big Rigs https://www.wsj.com/[...] 2020-10-26
_[47] 웹사이트 Honda Fuel-Cell Clarity https://automobiles.[...] Honda 2020-10-19
_[48] 웹사이트 Hydrogen fueled power turbines https://www.ge.com/p[...] General Electric 2020-10-19
_[49] 웹사이트 Hydrogen fueled power turbines https://www.solartur[...] Solar Turbines 2020-10-19
_[50] 웹사이트 Methane to Ammonia via Pyrolysis https://www.ammoniae[...] 2020-10-19
_[51] 웹사이트 CEMEX successfully deploys hydrogen-based ground-breaking cement manufacturing technology https://www.cemex.co[...] CEMEX, S.A.B. de C.V. 2021-04-04
_[52] 웹사이트 The reaction that would give us clean fossil fuels forever http://www.newscient[...] New Scientist Ltd. 2020-10-30
_[53] 웹사이트 Hydrogen from methane without CO2 emissions https://phys.org/new[...] 2020-10-30
_[54] 웹사이트 Successful Demonstration Program Underpins Monolith Materials' Commercialization Plans - Zeton https://www.zeton.co[...] 2022-01-05
_[55] 웹사이트 Monolith https://monolith-cor[...] 2022-01-05
_[56] 웹사이트 DOE backs Neb. hydrogen, carbon black project with $1B loan guarantee https://www.spglobal[...] 2022-01-05
_[57] 뉴스 NW Natural to Partner with Modern Electron on Exciting Pilot Project to Turn Methane into Clean Hydrogen and Solid Carbon https://www.wsj.com/[...] 2022-08-24
_[58] 웹사이트 Cut the BS: This startup is converting cow manure into clean-burning hydrogen fuel https://www.geekwire[...] 2022-08-24
_[59] 웹사이트 low-cost, low-emissions technology that can convert methane without forming CO2 https://phys.org/new[...] American Institute of Physics 2020-10-19
_[60] 웹사이트 KITT/IASS - Producing CO2 Free Hydrogen From Natural Gas For Energy Usage http://www.europeane[...] Institute for Advanced Sustainability Studies 2020-10-30
_[61] 웹사이트 Methane pyrolysis process uses renewable electricity split CH4 into H2 and carbon-black https://www.chemengo[...] 2020-12-17
_[62] 문서 Commercialising the Hazer Process
_[63] 웹사이트 Delay to Reactor Fabrication https://cdn-api.mark[...] 2023-05-23
_[64] 웹사이트 Hazer advances ENGIE collaboration for facility in France https://hazergroup.c[...] 2023-05-23
_[65] 웹사이트 Hazer Signs MOU with Chubu Electric & Chiyoda https://hazergroup.c[...] 2023-05-23
_[66] 웹사이트 Hazer Group – Investor Presentation https://hazergroup.c[...] 2023-05-23
_[67] 웹사이트 Burrard Hazer Hydrogen Project Announcement https://hazergroup.c[...] 2023-05-23
_[68] 웹사이트 C-Zero https://www.czero.en[...] 2023-05-23
_[69] 웹사이트 C-Zero Closes $34 Million Financing Round Led by SK Gas to Build Natural Gas Decarbonization Pilot https://www.czero.en[...] 2023-05-23
_[70] 웹사이트 Interview Andreas Bode https://www.basf.com[...] 2023-05-23
_[71] 서적 Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry Wiley-VCH
_[72] 학술지 Interactions of three municipal solid waste components during co-pyrolysis 2015-01-01
_[73] 백과사전 Wiley-VCH
_[74] 웹사이트 Energy and Economic Value of Nonrecyclable Plastics and Municipal Solid Wastes that are Currently Landfilled in the Fifty States http://www.seas.colu[...] Columbia University Earth Engineering Center 2011-08-23
_[75] 웹사이트 The Plastic to Oil Machine, A\J – Canada's Environmental Voice http://www.alternati[...] 2016-12-07
_[76] 웹사이트 Pyrolysis of Expired Car Tires: Mechanics of Producing High Quality Fuels http://www.vcharkarn[...] Chulalongkorn University Department of Petrochemistry
_[77] 학술지 The vacuum pyrolysis of used tires
_[78] 학술지 Waste tyre pyrolysis – A review, Renewable and Sustainable
_[79] 학술지 Total utilization of waste tire rubber through pyrolysis to obtain oils and CO2 activation of pyrolysis char
_[80] 웹사이트 Large-Scale Pyrolysis Oil Production: A Technology Assessment and Economic Analysis http://www.nrel.gov/[...] National Renewable Energy Laboratory (NREL)
_[81] 뉴스 Igneo targets low-grade scrap electronics with $85M plant https://resource-rec[...] 2021-11-03
_[82] 학술지 Mitigation of harmful chemical formation from pyrolysis of tobacco waste using CO2 https://www.scienced[...] 2021-01-05
_[83] 학술지 Conversion of the greenhouse gas CO2 to the fuel gas CO via the Boudouard reaction: A review https://www.scienced[...] 2015-01-01
_[84] 학술지 Microwave-Specific Enhancement of the Carbon–Carbon Dioxide (Boudouard) Reaction https://pubs.acs.org[...] 2013-12-27
_[85] 웹사이트 Effective Spinneret Cleaning http://www.fiberjour[...] Fiber Journal 2010-06-01
_[86] 웹사이트 Cleaning with Heat: Old Technology with a Bright New Future http://infohouse.p2r[...] The Magazine of Critical Cleaning Technology 1994-09-01
_[87] 웹사이트 A Look at Thermal Cleaning Technology http://thermalproces[...] Process Examiner 2014-03-14
_[88] 웹사이트 Cleaning Metal Parts and Tooling http://infohouse.p2r[...] Process Heating 1996-04-01
_[89] 웹사이트 Method for removing polymer deposits which have formed on metal or ceramic machine parts, equipment and tools https://web.archive.[...] European Patent Office 1999-10-07
_[90] 웹사이트 Cleaning objects in hot fluidised bed – with neutralisation of resultant acidic gas esp. by alkaline metals cpds https://web.archive.[...] European Patent Office 1974-11-28
_[91] 웹사이트 Process for vacuum pyrolysis removal of polymers from various objects https://web.archive.[...] European Patent Office 1980-09-02
_[92] 웹사이트 Vacuum pyrolysis systems http://www.thermal-c[...]
_[93] 웹사이트 Paint Stripping: Reducing Waste and Hazardous Material http://www.mntap.umn[...] University of Minnesota 2008-07-01
_[94] 서적 Chemistry of the Elements Butterworth-Heinemann
_[95] 학술지 Silver Nanoparticles from Ultrasonic Spray Pyrolysis of Aqueous Silver Nitrate https://microspray.c[...]
_[96] 학술지 Ultrasonic Spray Pyrolysis for Synthesis of Spherical Zirconia Particles https://microspray.c[...]
_[97] 웹사이트 Investigation of Deposition Parameters in Ultrasonic Spray Pyrolysis for Fabrication of Solid Oxide Fuel Cell Cathode https://smartech.gat[...] Georgia Institute of Technology
_[98] 학술지 Pyrolysis distillates from tree bark and fibre hemp inhibit the growth of wood-decaying fungi https://www.scienced[...] 2019-03-01
_[99] 학술지 Bio-based wood preservatives: Their efficiency, leaching and ecotoxicity compared to a commercial wood preservative https://www.scienced[...] 2021-01-20
_[100] 학술지 Polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH) formation from the pyrolysis of different municipal solid waste fractions http://eprints.white[...] 2015-02-01
_[101] 학술지 Polycyclic Aromatic Hydrocarbon Formation from the Pyrolysis/Gasification of Lignin at Different Reaction Conditions 2014-10-16
_[102] 학술지 Influence of process conditions on the formation of 2–4 ring polycyclic aromatic hydrocarbons from the pyrolysis of polyvinyl chloride http://eprints.white[...] 2016-04-01
_[103] 학술지 Interactions of municipal solid waste components during pyrolysis: A TG-FTIR study 2014-07-01
_[104] 학술지 Alkali metal bifunctional catalyst-sorbents enabled biomass pyrolysis for enhanced hydrogen production 2020-04-01
_[105] 학술지 Interactions among biomass components during co-pyrolysis in (macro)thermogravimetric analyzers 2016-09-01
_[106] 논문 Pyrolysis mass spectrometry and its applications in biotechnology
_[107] 논문 Mass Spectrometry of Synthetic Polymers. Anal. Chem.
_[108] 논문 The role of machine learning to boost the bioenergy and biofuels conversion 2022-01-01
_[109] 논문 Machine learning applications in biomass pyrolysis: From biorefinery to end-of-life product management 2023-09-01
_[110] 서적 小学館ランダムハウス英和大辞典第2版小学館ランダムウス英和大辞典第2版編集委員会
_[111] 웹사이트 US DOE http://www1.eere.ene[...] 2007-08-14
_[112] 웹사이트 PowerPoint-presentatie http://www.thw.ctw.u[...]
_[113] 웹사이트 BTG Biomass Technology Group b.v. :: Technology :: Pyrolysis http://www.btgworld.[...]
_[114] 뉴스 Local recycler ignites Euro fuel market http://www.wme.com.a[...] Waste Management & Environment Media Pty Ltd. 2007-10-28
_[115] 간행물 A Watery Solution and Sustainable Energy Parks http://www.alexmarsh[...]
_[116] 뉴스 Agrichar – A solution to global warming? http://www.abc.net.a[...] Australian Broadcasting Corporation 2007-10-08
_[117] 웹사이트 http://www.geagroup.[...]
_[118] 뉴스 Fact Sheet: Pete’s Patch http://www.abc.net.a[...] Australian Broadcasting Corporation 2007-10-28
_[119] 웹사이트 Biochar: the new frontier http://www.css.corne[...] 2007-08-26
_[120] 뉴스 Agrichar – A solution to global warming? http://www.abc.net.a[...] Australian Broadcasting Corporation 2007-10-08

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