기름의 탈질과 탈황

일반적으로 기름은 많은 종류의 탄화수소를 포함한 수많은 물질들이 섞여있습니다. pyridine, pyrolidine과 같은 고리 내 질소가 포함된 물질뿐만 아니라, thiophene, benzothiophene 등 황을 포함한 탄화수소들도 많이 섞여있지요. 그뿐만 아니라 미량의 금속 또한 포함하고 있기 때문에 기름을 다루기 위해서는 이 물질들을 제대로 분리하고 상품화할 줄 알아야 합니다.

 

왼쪽부터  pyridine, pyrolidine, thiophene, benzothiophene

 

실제로 기름 속에 포함된 질소 및 황 화합물은 위의 그림처럼 간단하게 생기지 않았지만 간단하게 표시했습니다. 질소와 황 성분은 보통 정제 과정에서 불순물로 작용하기 때문에 제거하는 공정이 필요합니다.

하소(Calcination)

하소(calcination)를 이용해서 제거하는 방법이 있습니다. 하소란 어떤 물질을 고온으로 가열해서 휘발성분을 제거하는 조작입니다. pyridine과 같이 고리 속에 포함된 질소는 약 1500℃에서 빠져나오고, 황은 2000℃에서 빠져나오기 때문에 온도를 그만큼 올리기 어려울뿐더러 고온에서는 부반응이 일어날 수 있습니다.

수소첨가반응(hydrgenation)

하소 공정 외에 수소첨가반응(hydrogenation)도 있는데, 가압 하에 수소를 첨가해서 질소 및 황 성분을 분리해내는 방법입니다. 다만 이 방법은 고리를 깨면서 카본 성분도 같이 반응시킬 수 있기 때문에 생성물의 수율이 낮아질 수 있다는 문제점이 있습니다. 그렇게 때문에 적합한 촉매를 이용해야 합니다.

추출(Extraction)

질소성분을 포함하는 분자는 메탄올에 용해된다는 특징을 이용해 분리할 수 있습니다. 예를 들어 기름 속에는 톨루엔에 용해되는 성분과 메탄올에 녹는 성분이 각각 존재합니다. 그래서 기름에 메탄올과 톨루엔을 섞으면 층분리가 일어나는데, 각각 위 아래로 용액을 분리하고 증류 분리하면 원하는 성분을 분리해낼 수 있습니다.

일반적으로 기름 속의 질소 함량은 황 함량보다 높습니다. 질소와 황 성분을 모두 제거해서 깔끔하게 탄화수소만 모을 수 있다면 좋겠지만 그게 힘들기 때문에 질소 성분이라도 제거하는 것이 좋다고 봅니다. 이 반응을 각각 hydrodenitrogenation(HDN) 반응과 hydrodesulfurization(HDS) 반응이라고 해요.

하지만 촉매를 이용한 방법은 질소를 제거하기가 황보다 어렵다고 하네요. 이 부분에 대해서 많은 연구가 필요할 듯합니다. 현재 전 세계적으로 다양한 촉매가 개발되고 있는데, Ni-Mo/Al₂O₃, NiMoP/Al₂O₃, Ni-W/Al₂O₃등의 촉매가 연구 중입니다. 대체로 알루미나(Al₂O₃)를 담체로 한 촉매들인데 인(P) 성분을 추가하면 수소 탈질 반응이 잘 일어난다는 연구결과가 있네요.

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항상 느끼는 점이지만 수능 끝났다고 공부가 끝나는게 아니고 대학 졸업했다고 끝나는게 아니고, 대학원 졸업했다고 끝나는게 아닌 것 같습니다.