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이산화탄소(CO2)로부터의 화학 합성

이산화탄소(CO2)로부터의 화학 합성

배경

무색 가스인 이산화탄소의 자연 대기 양은 0~5%입니다. 그것은 세 개의 원자로 구성됩니다. 순 쌍극자 모멘트가 없는 선형 분자는 하나의 탄소 원자에 결합된 두 개의 산소 원자로 형성됩니다. 그것은 다음과 같은 방법으로 공식화됩니다. (1) 사람과 동물과 같은 호기성 생물은 주로 호흡 중에 그것을 생성합니다. 그러나 그것은 또한 연소 중에 생성되거나 유기 폐기물의 미생물 분해 중에 생성될 수 있습니다. (2) 석탄, 석유, 가솔린 및 천연 가스를 포함한 화석 연료를 연소하여 인위적인 배출의 대부분을 생성하고 (3) 의도된 제품에 따라 CO2는 시멘트 또는 소다(들) 제조와 같은 산업 공정에서 사용되는 것 외에도 다양한 촉매 경로를 통해 화학 물질로 전환하여 직접 사용될 수 있습니다.

 

이산화탄소 활용 방법

다양한 기술을 사용하여 이산화탄소를 귀중한 화학 화합물로 전환할 수 있습니다. 고온을 포함하는 열촉매 전환; 조작된 박테리아 균주를 사용한 미생물 전환; 재생 에너지원을 사용한 직접 전기화학적 환원; 햇빛을 사용한 광촉매 환원; 살아있는 세포에서 추출한 효소를 사용한 미토콘드리아 매개 효소 전환; 촉매 구리 또는 철과 같은 기본 금속을 사용한 유기 금속 시약을 사용한 합성 유기 화학; 생물 촉매를 사용한 효소 지원 반응은 이러한 기술 중 일부입니다. 각 기술은 의도된 제품 범주, 생산 속도, 에너지 소비 등에 따라 고유한 이점이 있습니다.

 

 

CO2 분자에 직접 전기를 공급하면 포름산 이온이 되어 다른 분자와 상호 작용하여 메탄올 및 에탄올과 같은 귀중한 화합물을 생성할 수 있습니다. 이 과정은 직접 전기화학적 변환이라고 합니다. 이 접근 방식은 기존 화석 연료 대신 풍력 및 태양광과 같은 재생 에너지원을 사용하여 사용과 관련된 온실 가스 배출을 제거하므로 현재의 글로벌 기후 변화 문제를 감안할 때 매력적인 선택입니다. 또한 이 방법은 거의 100%의 사용률과 촉매 재료에 대한 필요성이 낮아 현재 사용 가능한 다른 방법보다 저렴합니다. 그러나 광촉매 기술과 비교했을 때 반응 속도가 느리고 오늘날 산업 표준에서 요구하는 대로 대규모 생산 수준을 달성하기 위한 반응기 크기 요구 사항과 관련된 확장성 문제가 제한되어 이 옵션이 상업적으로 실행 가능한 것으로 간주되기 전에 몇 가지 문제를 해결해야 합니다.

 

광촉매 환원: 은, 코발트, 산화아연 등과 같은 다양한 전이 금속 산화물로 도핑된 이산화티타늄 나노크리스털과 같은 촉매와 광에너지를 사용하여, 광촉매 환원은 CO2 분자를 음극 전위에서 적용하면 포름산 이온으로, 양극 전위에서 적용하면 하이드록실 라디칼로 변환합니다. 이 두 제품은 용매에서 다양한 산업에 이르기까지 광범위하게 사용됩니다. 이 방법은 전통적인 열 가열이 아닌 광원만 필요하므로 소규모 배치 생산이나 공간과 자원이 각각 제한된 실험실과 같이 그렇지 않으면 적합하지 않은 환경에서 광화학 합성을 수행하는 데 매력적인 옵션입니다. 이 방법은 또한 타의 추종을 불허하는 유연성을 제공합니다.

 

 

공기와 같은 환경에서 용해된 가스를 직접 흡수하여 지방산과 같은 귀중한 대사 산물로 변환하도록 특정 박테리아 균주를 엔지니어링하는 것을 "미생물 전환"이라고 합니다. 이 방법은 추가적인 외부 기질이 없기 때문에 여기에 나열된 다른 방법보다 비용 면에서 우수합니다. 왜냐하면 추가적인 반응물을 구매할 필요가 없기 때문입니다. 대신, 전문 배양물을 자신의 부지에서 저렴하게 재배하여 맥락 내에서 효과적으로 사용할 수 있습니다. 그리고 유전자 조작 기술의 발전 덕분에 복잡한 다단계 반응조차도 이제 원하는 수준의 표적 화합물을 빠르고 정확하게 생산할 수 있으므로, 후속 프로젝트에 대한 품질 관리 작업이 당분간 중단 없이 실행될 수 있습니다. 연구자들은 유전자 조작 기술을 사용하여 새로운 약물과 치료법을 개발하는 경우가 점점 더 늘고 있습니다. 경쟁에서 앞서 나가고 과학적 개발 혁신에서 경쟁 우위를 유지하기 위해 의료 분야의 빠르게 성장하는 전 세계 시장은 끊임없이 증가하는 양의 연구가 필요합니다.

 

 

열촉매 변환: 열촉매는 수소와 일산화탄소를 모두 포함하는 혼합물에 열을 가해 석유 분획과 유사하지만 오늘날 화석 연료 추출 현장에서 얻은 표준 원유보다 품질이 훨씬 더 순수한 액체 탄화수소를 생성하는 것입니다. 정유 부문에서 다른 곳에서는 얻기 어려울 수 있는 귀중한 최종 제품에 접근할 수 있게 해줍니다. 그리고 폴리머 합성은 열화학을 통해 가능합니다. 폴리올, 플라스틱, 고무, 폼, 접착제, 실런트, 접착제 및 코팅제입니다. 섬유, 섬유 및 복합 재료는 화장품, 포장, 식품 가공, 자동차 엔지니어링, 건설, 농업 및 항공우주를 포함한 다양한 산업에서 다양한 용도로 사용됩니다. 이것이 빠르게 인기를 얻고 있으며 전 세계적으로 기술 산업을 선도하는 이유입니다. 미토콘드리아 매개 효소 전환은 살아있는 세포, 특히 미토콘드리아에서 효소를 추출하고 반응성 중간체를 변환하는 다른 매체로 옮겨 최종적으로 귀중한 중간체 대사산물 여러 공생 화합물의 생성에서 미리 결정된 경로의 결과로 지정된 지점에서 최종 제품을 형성하는 것을 수반합니다. 젖산, 아세토인, 글리세롤, 알코올, 아세트산 석신산 피페로닐산 석신산 사과산 타르타르산 푸마르산 글루타르알데히드, 2-하이드록시벤조산, 페녹시아세트산, 2-메틸페녹시에탄올은 추가 가치로서 할인된 가격으로 더 나은 정확도와 순도로 추출할 수 있는 화합물 중 일부에 불과합니다.

 

그러나 직접 전기화학 방법과 달리, 미토콘드리아 전환 더 느린 동력학을 가지고 있어서 사이클이 종착점에 도달하기 전에 완료되는 데 더 오랜 시간이 걸립니다. 이는 실제 처리량 용량을 줄일 수 있습니다. 특정 상황에서는 더 빠른 대응 시간이 필요합니다. 최종 제품이 예상 날짜와 고객에게 약속한 일정에 따라 배송되도록 합니다. 프로젝트를 시작하기 전에 이는 조직에 비용을 초래하거나 평판, 브랜드 인지도 및 시장 점유율에 장기적인 피해를 줄 수 있는 지연을 일으킬 수 있는 실망을 피하기 위한 중요한 요소입니다.

 

유기 합성 화학: 전이 금속, 리간드 및 지지 구조로 구성된 유기 금속 시약을 생성하여 유리한 입체선택성을 생성하는 것을 합성 유기 화학 또는 "유기 금속"이라고 합니다. 다른 과목 매개변수와 비교할 때, 각 사례 기반을 고려하여 컨텍스트에서 작동하는 최상의 최적 조건을 적절히 식별하고 최대 효율성을 보장해야 합니다. 변환 중 화학적 위치선택성을 통해 분자의 특정 위치에서 선택적 기능 그룹 형성을 짧은 시간 내에 쉽게 달성할 수 있습니다. 안전 인력 장비에 높은 우선순위를 부여하는 동시에 노동, 자재 및 자원의 낭비를 최소화합니다. 프로젝트 실행 단계의 모든 단계에서, 직면한 장애물과 예상치 못한 상황에도 불구하고 가능한 가장 성공적인 방식으로 고객을 제공하는 것을 포함하여 기억하세요.

 

이산화탄소(CO2)로부터의 화학 합성의 예

  1. 메탄올 합성: 구리-아연 촉매의 존재 하에 이산화탄소와 수소 가스의 상호작용을 포함하는 몬산토 방법은 이산화탄소로부터 메탄올을 생성할 수 있습니다. 이산화탄소로부터 메탄올을 생산하는 것은 고온 및 고압(예: 400~430°C 및 10~20bar)에서 적합한 촉매를 통해 수소와 혼합하여 달성할 수 있습니다. 이 공정에는 "메탄화"라는 용어도 적용됩니다.
  2. 포름산 생산: 전기화학 전지와 팔라듐-구리 촉매를 사용하면 이산화탄소와 수소로부터 포름산을 생산할 수 있습니다.
  3. 옥살산 염으로의 전환: 붕사나 알루미나 수화물과 염산이나 황산을 포함한 다른 산과 같은 붕소와 알루미늄 화합물을 포함하는 화학적 과정을 통해 이산화탄소가 옥살산 염으로 전환될 수도 있습니다.
  4. 폴리카보네이트는 포스겐과 에틸렌 글리콜과 같은 2가 알코올을 촉매인 사염화주석이나 염화아연과 함께 결합하여 만들어집니다. 이는 중합 반응을 일으켜 주로 산소 원자로 결합된 이산화탄소 분자로 구성된 폴리머(즉, 폴리카보네이트)를 생성합니다.
  5. 탄산 합성: 황산이나 인산과 같은 촉매에서 이산화탄소와 물이 결합하여 탄산을 형성합니다. 그 결과 요소와 포름알데히드와 같은 화합물이 생성될 수 있습니다.
  6. 디메틸 에테르의 합성: 디메틸 에테르(DME)는 메탄올 합성을 위한 촉매와 CO2/H2O 또는 CO/H2의 혼합물과 같은 개질제를 350~400°C의 온도와 최대 20bar의 압력에서 합성가스를 DME로 전환하여 이산화탄소에서 생산할 수 있는 또 다른 중요한 화합물입니다.
  7. 폴리카보네이트 생산: 강도, 내구성, 투명성, 내열성 및 전기 절연성 때문에 폴리카보네이트는 종종 산업 응용 분야에 사용됩니다. 일반적으로 비스페놀을 포스겐으로 트랜스에스테르화하여 만드는데, 포스겐은 이산화탄소가 고온(200~300°C)에서 염소 가스 또는 염산 용액과 반응하여 생성됩니다.
  8. 디메틸 카보네이트(DMC) 합성은 화학 화합물 디메틸 카보네이트를 생산하는 데 사용되는 공정입니다. 여기에는 수산화 칼륨이나 수산화 나트륨과 같은 염기 촉매의 존재 하에 메탄올을 포스겐이나 이산화탄소와 반응시키는 것이 포함됩니다. 이 반응은 디메틸 카보네이트와 염화수소를 생성한 다음 증류를 통해 혼합물에서 제거합니다. 디메틸 카보네이트는 자동차 및 항공기 부동액 제형에서 에틸렌 글리콜의 대체제로 사용할 수 있으며 용매, 가소제, 추진제 및 연료를 포함한 수많은 다른 응용 분야에도 사용할 수 있습니다.

 

 

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