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문제 정의
- 본 연구는 선행연구(조 등, 2005; 조 등, 2006) 에뒤이어 북양젓나무(Afe/as sibirica Ledeb)의 목분, 목섬유 및 수피를 재료로 탄화온도를 달리하여 제조한 목탄의 비표면적 등의 세공특성과 같은 물리적 특성과 관능기와 같은 화학적 특성을 구명하여 목탄의 효율적인 이용도를 개선할 목적으로 수행하였다.
제안 방법
- 0.2 N의 수산화나트륨, 탄산수소나트륨, 탄산나트륨수용액 20 ㎖를 시료 200 mg에 각각 넣고 일주일간 20℃의 항온실에서 정치하였으며, 그 후 여과, 세정하여 얻은 세정액 약 200 ㎖을 0.2 N 수산화나트륨이나 0.2 N염산수용액으로 전위차 적정법에 의하여 관능기의 당량수를 구하였다.
- 100메쉬 이하로 분쇄한 목탄시료(0.1 g)에 대한 비 표면적, 세공용적 및 평균세공직경을 Omnisorpl00(日科機(株))을 이용하여 질소가스를 흡착질로 하여 BET방식으로 측정하였다.
- 전항에서 탄화온도에 따라 목탄이 갖는 관능기의산 염기 관능기양에 차이가 있는 것을 나타내었는데, 이러한 산 염기 관능기에 의해 목탄의 pH가 영향을 받는 것으로 생각되어 탄화온도별로 제조한 목탄의 pH를 조사하였다. 그 결과 원료차이에 관계없이 탄화온도의 상승과 더불어 pH가 알칼리영역으로 이동하는 경향이 었다.
- 탄화온도에 의한 목탄의 세공과 관능기 등에 미치는 영향을 알아보기 위하여 북양젓나무의 목분, 목섬유 및 수피를 400~800℃에서 탄화하여 제조한 목질 탄화물의 물리화학적 특성을 조사하였다. 탄화온도가 증가할수록 수율은 감소하고, 구성하고 있는 원소 중, 탄소는 증가하나 수소와 산소는 감소하였다.
- 회전식 탄화로(제작)를 사용하여 400℃, 500℃, 600℃, 800℃에서 탄화하였으며, 탄화스케쥴은 목표온도보다 20℃ 낮은 때까지는 승온속도 3℃/분, 그 후는 승온속도 2℃/분으로 하여 목표온도 도달한 후, 1시간 동안 탄화하는 방법으로 하였으며 , 전 탄화공정에서 인위적인 불활성가스 공급은 없었다.
대상 데이터
- 목탄의 원소조성은 Acetanilide (C: 71.09%, H: 6.71%, 0: 11.84%, N: 10.36%)를 표준물질로 하여 Flash EA 1112 (Mccoy製)로 1100℃에서 측정하였다.
- 북양젓나무 (Abies sibirica Ledeb) 목부 및 수피를 분쇄한 후, 0.5~0.25 mm 크기로 선별한 목분과 일본 田中商社(주)로부터 제공받은 MDF 제조용 북양 젓나무 섬유를 탄화에 사용하였다.
이론/모형
- 목탄의 산염기 관능기량을 전위차 적정장치(AT-510, KEM)를 이용하여 Boehm (1966)법으로 측정하였다. 0.
성능/효과
- 또한 목분탄과 목섬유탄 등의 목질탄화물은 온도증가에 따른 탄소, 수소의 구성 비율이 비슷하였으나 수피의 경우는 회분함량이 탄화온도 증가와 더불어 증가하는 경향이 뚜렷하였다. 800 ℃에서 제조한 수피탄화물의 회분함량이 12.30%로 매우 높았으며 , 수피 내 성분의 열분해에 의한 감소에 따라 목탄 중의 회분함량이 상대적으로 증가한 것으로 추측할 수 있다. 일반적으로 목질부에 비해 수피에는 칼륨과 칼슘에 기 인하는 무기성분이 많으며 , 또한 목질부에 비해 많은 실리카가 존재한다고 알려져 있어 이러한 성분에 의해 수피탄화물의 회분이 많은 것으로 생각된다(近藤 등, 1978).
- pH를 조사하였다. 그 결과 원료차이에 관계없이 탄화온도의 상승과 더불어 pH가 알칼리영역으로 이동하는 경향이 었다. 이 등(2006)은 낙엽송과 상수리를 300~900℃에서 소정의 시간 탄화한 결과, 300℃ 탄화물은 pH 6, 900℃ 탄화물은 pH 10을 나타내어 탄화온도의 증가와 함께 pH가 증가하여 , 저온탄화물은 산성, 고온탄화물은 알칼리성을 나타내고, 이러한 목탄의 특성은 화학적 흡착에 큰 영향을 미친다고 하였다.
- 그 결과, 유리의 칼복시기 등의 강산성기 량은 NaHCOs 흡착량으로, 락톤계의 칼복시기와 같은 약산성 기량은 Na2CO3 흡착량으로, 전산성기량은 NaOH 흡착량으로 알 수 있으며, 페놀성 수산기는 전산성기와, 강.약산성기와의 차로 알 수 있다고 하였다.
- 경향이었다. 또한 목분탄과 목섬유탄 등의 목질탄화물은 온도증가에 따른 탄소, 수소의 구성 비율이 비슷하였으나 수피의 경우는 회분함량이 탄화온도 증가와 더불어 증가하는 경향이 뚜렷하였다. 800 ℃에서 제조한 수피탄화물의 회분함량이 12.
- 또한 목질탄화물은 탄화온도가 증가하면 비표면적과 총세공용적은 증가하나 세공의 직경은 작아지는 경향이 있어서 세공의 특성은 탄화온도에 크게 영향을 받는 것으로 나타났다. 또한 목질 탄화물에의 한 산염 기 흡착성 이 탄화온도에 영향을 받아 차이가 나며, 고온탄화물일 경우, 산성물질의 흡착량이 많았으며, 알칼리성을 나타내는 반면에, 저온탄화물은 염기성 물질의 흡착량이 많고, 산성을 나타내었다.
- 탄화온도가 증가할수록 수율은 감소하고, 구성하고 있는 원소 중, 탄소는 증가하나 수소와 산소는 감소하였다. 또한 목질탄화물은 탄화온도가 증가하면 비표면적과 총세공용적은 증가하나 세공의 직경은 작아지는 경향이 있어서 세공의 특성은 탄화온도에 크게 영향을 받는 것으로 나타났다. 또한 목질 탄화물에의 한 산염 기 흡착성 이 탄화온도에 영향을 받아 차이가 나며, 고온탄화물일 경우, 산성물질의 흡착량이 많았으며, 알칼리성을 나타내는 반면에, 저온탄화물은 염기성 물질의 흡착량이 많고, 산성을 나타내었다.
- 또한 총세공용적도 비표면적과 동일한 경향을 나타내어 사용한 탄재 모두 600℃에서 제조한 탄화물이 최대를 나타내고 800℃ 탄화물은 600℃ 탄화물보다 낮았다. 즉 목분탄이나 목섬유탄이 비록 수피탄보다 평균세공경은 작은 경향이었으나, 공극용적과 비 표면적 이 수피 탄화물보다 큰 경향이 었다.
- 목질탄화물 중의 알칼리 약제 흡착으로 조사한 산성기량은 재료의 차이에 관계없이 탄화온도 400℃에서 가장 많이 존재하였으며 , 그 후 탄화온도가 올라가면 산성기량은 급격히 감소하였다. Boehm (1966), Aoyama 등(2001)의 산염 기 량 측정법으로 목분탄과 목섬유탄을 조사한 결과, 전산성기량으로 알려진 NaOH 흡착량이 비슷하였으나, 수피탄의 NaOH 흡착량은 목분탄과 목섬유탄의 경우보다는 낮았다.
- 반면 염기성관능기량을 나타내는 HC1 흡착량은 목질재료 차이에 관계없이 탄화온도가 높을수록 증가하였고, 수피탄의 HC1 흡착량이 현저히 많았다. 특히 800℃에서 제조한 수피탄은 목분탄이나 목섬유탄보다 HC1 흡착량이 6배 정도 많았다.
- 6, 800℃의 수피탄화물은 pH 9를 나타내어 (김 등, 2006) 본 연구결과와 유사한 경향을 나타내었다. 본 연구에 있어서 목분탄과 섬유탄은 탄화온도 600℃ 이상에서는 pH가 9 이상으로 증가하였으며 , 800℃로 탄화온도가 증가하더 라도 pH의 변화는 크지 않았으나, HCI 흡착량이 많았던 수피탄화물의 pH는 목분과 목섬유탄화물에 비해 pH가 높은 편으로 800℃ 수피탄화물은 pH가 12로 크게 증가하였다. 전항에서 추측한 목탄 관능기의 산염기 종류 및 양이 탄화온도와 밀접한 관계가 있으며, 또한 탄화온도에 따른 목탄의 pH도 산염기 관능기 시험 결과와 유사한 경향을 나타내는 것으로 보아 생성되는 관능기 특성에 의해 목탄의 pH가 크게 영향을 받는 것으로 생각된다.
- 유해물질 흡착 성능에 큰 영향을 미치는 비표면적은 모든 목질탄화물에서 탄화온도가 증가할수록 서서히 증가하다가 탄화온도 600℃에서 급격히 증가하여 최대치를 나타내고 그보다 높은 탄화온도 800℃에서는 비표면적이 오히려 감소하였다(Table 2). 이는 400℃, 500℃의 저온에서는 미탄화물이 다량 함유되어 있어 세공이 충분히 발달되지 못하였을 뿐만 아니라 탄화시 생성된 타르물질이 세공을 막고 있어 비표면적이 적으며 , 600℃의 탄화물은 새로운 세공 발달과 함께 미탄화물의 탄화와 저온탄화시의 탄화물 내에 침적된 것으로 생각되는 타르생성물 등의 탄화에 의해 비표면적이 한층 더 증가한 것으로 생각된다.
- 본 연구에 있어서 목분탄과 섬유탄은 탄화온도 600℃ 이상에서는 pH가 9 이상으로 증가하였으며 , 800℃로 탄화온도가 증가하더 라도 pH의 변화는 크지 않았으나, HCI 흡착량이 많았던 수피탄화물의 pH는 목분과 목섬유탄화물에 비해 pH가 높은 편으로 800℃ 수피탄화물은 pH가 12로 크게 증가하였다. 전항에서 추측한 목탄 관능기의 산염기 종류 및 양이 탄화온도와 밀접한 관계가 있으며, 또한 탄화온도에 따른 목탄의 pH도 산염기 관능기 시험 결과와 유사한 경향을 나타내는 것으로 보아 생성되는 관능기 특성에 의해 목탄의 pH가 크게 영향을 받는 것으로 생각된다.
- 낮았다. 즉 목분탄이나 목섬유탄이 비록 수피탄보다 평균세공경은 작은 경향이었으나, 공극용적과 비 표면적 이 수피 탄화물보다 큰 경향이 었다. 또한 평균세공경은 탄화온도의 증가와 함께 작아지는 경향이 있었다.
- 탄화온도가 증가할수록 수율은 감소하고, 구성하고 있는 원소 중, 탄소는 증가하나 수소와 산소는 감소하였다. 또한 목질탄화물은 탄화온도가 증가하면 비표면적과 총세공용적은 증가하나 세공의 직경은 작아지는 경향이 있어서 세공의 특성은 탄화온도에 크게 영향을 받는 것으로 나타났다.
- 탄화정도를 수율로 알아보기 위해 탄화수율을 측정 한 바, 탄화온도별로 탄화한 목분탄, 수피 탄, 목섬유탄은 모두 탄화온도가 상승하면 수율은 감소하였으나, 600℃ 이상의 탄화온도에서는 수율변화가 크지 않고 감소폭도 적었으며(Table 1), 탄화온도가 높으면 탄화에 의한 열분해가 신속히 일어나는 것을 알 수 있었다. 목질부를 탄화한 경우, 분말상이나 섬유상 등의 탄재의 형상 차이에 관계없이 거의 비슷한 수율을 나타내었으니-, 수피는 목분탄이나 목섬유탄보다 본 실험에서의 모든 탄화온도영역에서 상대적으로 높은 수율을 나타내는 경향이 있었다.
- 탄화정도를 탄소함량으로 알아보기 위하여 목질탄화물의 원소를 분석한 결과, 탄화온도의 증가와 더불어 탄소의 함량이 증가하며, 수소, 산소 등의 원소는 감소하였고, 탄화온도 600℃까지는 이러한 변화가 명확하게 나타났으나, 600℃ 이상의 온도에서 탄화한 목분탄과 목섬유탄은 원소함량 변화정도가 작은 경향이었다. 또한 목분탄과 목섬유탄 등의 목질탄화물은 온도증가에 따른 탄소, 수소의 구성 비율이 비슷하였으나 수피의 경우는 회분함량이 탄화온도 증가와 더불어 증가하는 경향이 뚜렷하였다.
- Boehm (1966), Aoyama 등(2001)의 산염 기 량 측정법으로 목분탄과 목섬유탄을 조사한 결과, 전산성기량으로 알려진 NaOH 흡착량이 비슷하였으나, 수피탄의 NaOH 흡착량은 목분탄과 목섬유탄의 경우보다는 낮았다. 한편 유리의 칼복시기 등의 강산성기량을 나타내는 NaHCOs 흡착량과 락톤계의 칼복시기와 같은 약산 성기 량을 나타내는 Na2CO3 흡착량도 NaOH 흡착량과 비슷한 경향을 보였으나, Na2CO3 흡착량이 다소 많은 흡착량을 나타내었다. 또한 전산성 기와 강, 약산 성기와의 차이로 추측할 수 있는 페놀성수산기3) 는 목질탄화물이 갖는 산성기 중에서 가장 많은 부분을 차지하고 있는 것으로 나타났다.
후속연구
- 예를 들면 세공특성을 고려하여야겠지만, 즉 산성 유해물질은 고온탄화물로 염기성 물질은 저온탄화물을 사용하여 흡착하면 효율적으로 성능을 발휘할 수 있을 것으로 판단되며, 지금까지 세공 등의 물리적 특성 만이 강조되어 온 목탄 흡착성뿐만 아니라 목탄의 화학성에 대한 연구가 더욱 필요할 것으로 생각된다.
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