경유의 산화탈황을 위한 새로운 Gemini 이온성 액체

Mar 19, 2024

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 6198(2023) 이 기사 인용

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N1,N1,N3,N3-테트라메틸 –N1,N3-디페닐프로판-1,3-디아미노이염화물 이온성 액체(ILc)는 경유(황 함량 = 2400ppm)의 산화-추출 탈황을 위한 환경 친화적인 촉매입니다. 산화제로서 H2O2의 존재. 제조된 IL의 정확한 구조는 FT-IR 분광법과 1H-NMR을 이용하여 확인하였다. 반응 온도, IL 비율, H2O2 투여량 및 반응 시간을 연구하여 탈황 효율에 미치는 영향을 평가했습니다. 산화 반응의 열역학적 매개변수가 결정되었습니다. 아세토니트릴을 유기용매로 사용하고 용매 대 공급비를 1:1(v/v)로 하는 추출탈황공정을 통해 탈황효율 84.7%를 얻었다. 또한, 제조된 IL은 탈황 성능이나 화학 구조의 큰 변화 없이 최소 6사이클 동안 재사용이 가능해 높은 재사용성을 확인했다.

화석 연료에 포함된 황 화합물은 석유 정제소에 심각한 문제를 안겨줍니다1. 황을 함유한 화석 연료의 연소 중에 형성된 황산화물(SOx)은 심각한 대기 오염, 특히 산성비와 흐릿한 날씨의 주요 원인입니다2. HDS(수소탈황)는 석유 정제에서 중요한 공정입니다. 이는 연료의 유기 황을 황화수소 및 관련 탄화수소3,4,5로 변환하기 위해 금속 촉매를 사용하는 오일 탈황에 일반적으로 사용됩니다. HDS는 끓는점이 낮고 티오에테르 및 메르캅탄과 같은 입체 장애가 없는 황화물을 효과적으로 제거하기 위해 업계에서 널리 사용됩니다6,7. 그러나 이 기술은 많은 수소 소비, 고가의 촉매 및 극도로 엄격한 반응 조건을 필요로 합니다8,9. 효율적인 탈황은 다단계 추출 탈황(EDS)10,11을 통해 달성할 수 있습니다. 그러나 사용되는 추출제의 양이 많고 공정 중에 발생할 수 있는 재생 문제로 인해 공정 비용이 높습니다1,12,13. 산화탈황(ODS)14,15,16,17에는 많은 양의 촉매가 필요합니다. 더욱이, 공정 중 촉매 활성 부위의 손실로 인해 재생의 어려움과 낮은 반복성이 발생합니다. 따라서 탈황 효율이 높은 새로운 촉매 및 추출제를 개발하는 것이 필수적입니다. 방향족 황화물을 산화하여 해당 설폰을 생성한 후 일반적인 ODS 공정에서 추출하여 제거합니다. H2O2는 강한 반응성, 저렴한 비용 및 환경 호환성으로 인해 ODS에서 가장 많이 사용되는 산화제입니다. 가연성 및 휘발성 유기 용매는 일반적으로 추출제로 사용되며, 이는 추가적인 안전 및 환경 문제를 일으킬 수 있습니다. EDS 방법의 개발은 높은 용매 대 오일 비율 요구 사항과 환경 친화적인 추출 용매의 부족으로 인해 제한됩니다2,29,30. 유기 용매는 EDS에서 추출 매체로 사용될 수 있습니다. 그러나 높은 휘발성, 황 화합물에 대한 낮은 선택성 및 높은 독성으로 인해 상당한 제한이 있습니다. 따라서, 새로운 환경친화적인, 즉 생분해성, 비휘발성, 무독성 추출용매의 개발이 필요하다. ED에 이온성 액체(IL)를 사용하는 것은 내화성 S 화합물을 제거하는 데 점점 더 많이 사용되는 환경 친화적인 방법입니다8. IL은 녹는점이 낮은 염으로, 일반적으로 녹는점이 100°C 미만입니다. IL은 제어 가능한 물리화학적 특성, 강력한 열 안정성, 낮은 휘발성 및 장기 안정성과 같은 고유한 특성을 나타냅니다. 독특한 특성으로 인해 화학 합성, 연료 탈황 및 생물학적 분리를 위한 녹색 용매로 사용됩니다32,33. 또한 IL은 방향족 황 화합물과 복합체를 형성하는 능력이 뛰어나고 연료유와 혼합되지 않습니다. Zhang et al. 200435는 이온성 액체로 (AlCl3-TMAC)에 1-알킬-3-메틸이미다졸륨[AMIM] 테트라플루오로보레이트, 헥사플루오로포스페이트 및 트리메틸아민 염산염(TMAC)을 사용했습니다. EMIMBF4(E = 에틸), BMIMPF6(B = 부틸), BMIMBF4 및 더 무거운 AMIMPF6은 운송 연료의 추출 탈황 및 탈질소화에서 특히 방향족 황 및 질소 화합물에 대해 우수한 선택성을 나타냈습니다. 사용된 이온성 액체는 흡수된 분자의 증류 또는 물 치환에 의해 쉽게 재생됩니다. 흡수된 방향족 S 함유 화합물도 정량적으로 회수할 수 있습니다. 방향족 π 전자 밀도가 더 높은 유기 화합물은 더 효율적으로 흡수됩니다. 입체 효과의 결과로 방향족 고리의 알킬 치환은 흡수 능력을 크게 감소시킵니다. IL의 양이온과 음이온의 크기와 구조는 방향족 화합물의 흡수 능력에 영향을 미칩니다. 상호 방해 없이 낮은 농도에서 S 및 N 함유 화합물을 추출할 수 있습니다. 일반적으로 AlCl3-TMAC IL은 방향족 화합물에 대해 높은 흡수 용량을 나타냅니다. 경유에서 황 화합물을 제거하기 위해 Lo 등36은 용매 추출과 화학적 산화를 결합하여 실온 IL(RTIL), 즉 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 테트라플루오로보레이트 및 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 헥사플루오로포스페이트를 사용했습니다. . 경유에서는 RTIL을 사용하여 황 화합물을 추출할 수 있으며, 원포트 작업에서 S-산화(H2O2-아세트산)를 통해 해당 설폰을 생산할 수 있습니다. 경유에서 황화합물을 동시에 산화 및 추출하면 탈황 수율이 높아집니다. 그러면 RTIL은 활동 손실 없이 재사용 및 재활용될 수 있습니다.