우리나라는 전국토의 70%가 산림지역으로 1990년대 중반 이후 산불발생 건수가 지속적으로 증가하고 있고, 그 규모 또한 대형화되는 추세이다. 산림 내에 퇴적된 낙엽, 초본류, 침엽수 및 활엽수 등이 산불발생 시 매개체가 되며, 이들 수종별 연소 및 열분해 특성에 대한 연구는 미미한 실정이다. 본 발표에서는 국내 산림의 대표적 활엽수인 굴참나무 잎을 대상으로 TGA를 이용해 열분해반응 및 연소 특성에 대한 연구를 수행하였다. 굴참나무 잎은 $239^{\circ}C$ 부근에서 발화가 시작되며 열분해는 $250^{\circ}C$에서부터 시작되었다. TGA 분석으로부터 얻은 실험데이터는 미분법을 적용하여 전화율 변화에 따라 활성화에너지와 전지수인자를 계산하였다. 열분해반응에서 활성화에너지는 전화율 증가에 따라 증가하였으나, 연소과정에서의 활성화에너지는 감소하는 경향을 나타냈다.
우리나라는 전국토의 70%가 산림지역으로 1990년대 중반 이후 산불발생 건수가 지속적으로 증가하고 있고, 그 규모 또한 대형화되는 추세이다. 산림 내에 퇴적된 낙엽, 초본류, 침엽수 및 활엽수 등이 산불발생 시 매개체가 되며, 이들 수종별 연소 및 열분해 특성에 대한 연구는 미미한 실정이다. 본 발표에서는 국내 산림의 대표적 활엽수인 굴참나무 잎을 대상으로 TGA를 이용해 열분해반응 및 연소 특성에 대한 연구를 수행하였다. 굴참나무 잎은 $239^{\circ}C$ 부근에서 발화가 시작되며 열분해는 $250^{\circ}C$에서부터 시작되었다. TGA 분석으로부터 얻은 실험데이터는 미분법을 적용하여 전화율 변화에 따라 활성화에너지와 전지수인자를 계산하였다. 열분해반응에서 활성화에너지는 전화율 증가에 따라 증가하였으나, 연소과정에서의 활성화에너지는 감소하는 경향을 나타냈다.
Forest fires in Korea, having forest coverage of 70%, have kept increasing in number and scale since the middle of 1990's. Although deposited fallen leaves in forests such as herbaceous plants, conifers, and broadleaf trees are used as a medium for forest fires, the pyrolysis and combustion characte...
Forest fires in Korea, having forest coverage of 70%, have kept increasing in number and scale since the middle of 1990's. Although deposited fallen leaves in forests such as herbaceous plants, conifers, and broadleaf trees are used as a medium for forest fires, the pyrolysis and combustion characteristics of the various species of trees are hardly studied. Oriental oak is the representative broadleaf tree in domestic forests, and pyrolysis and combustion of oriental oak leaf were carried out by thermogravimetic analysis (TGA). The leaf of oriental oak was ignited at $239^{\circ}C$ whereas pyrolysis started at $250^{\circ}C$. The corresponding kinetic parameters including activation energy and pre-exponential factor were determined by differential method over the degree of conversions. The values of activation energies for pyrolysis were increased as the conversion increases from 10% to 80%, whereas those of values were decreased during combustion.
Forest fires in Korea, having forest coverage of 70%, have kept increasing in number and scale since the middle of 1990's. Although deposited fallen leaves in forests such as herbaceous plants, conifers, and broadleaf trees are used as a medium for forest fires, the pyrolysis and combustion characteristics of the various species of trees are hardly studied. Oriental oak is the representative broadleaf tree in domestic forests, and pyrolysis and combustion of oriental oak leaf were carried out by thermogravimetic analysis (TGA). The leaf of oriental oak was ignited at $239^{\circ}C$ whereas pyrolysis started at $250^{\circ}C$. The corresponding kinetic parameters including activation energy and pre-exponential factor were determined by differential method over the degree of conversions. The values of activation energies for pyrolysis were increased as the conversion increases from 10% to 80%, whereas those of values were decreased during combustion.
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문제 정의
본 연구는 산불이 일어났을 때 산불의 지중화와 밀접한 관련이 있는 퇴적된 나뭇잎 중 대표적인 굴참나무 잎을 대상으로 열분해 및 연소 특성 연구를 수행하였다. 이와 같은 기초연구와 향후 국내 산림을 구성하고 있는 다양한 수목들을 대상으로 체계적인 연구를 수행하여 산불발생 시 산불이동의 매개체에 주도적 역할을 하는 산림구성물을 확인할 수 있을 것으로 생각되며, 향후 산불예방을 위한 조림 등 산림자원의 효율적 관리에 대한 방안을 모색하는데 활용할 수 있을 것으로 판단된다.
본 연구에서는 산불 발생 시 지중화와 연관성이 큰 굴참나무 잎을 대상으로 연소 및 열분해 특성 연구를 수행하였다. 이와 같은 연구를 통해 향후 산불예방을 위한 조림 등 산림자원의 효율적 이용에 대한 방안을 모색할 수 있을 것으로 판단된다.
우리나라는 1990년 중반 이래 대형 산불 발생에 대한 빈도가 증가하고 있다. 산불발생 시 수종별 영향을 파악하기 위해 국내 산림 중 대표적 활엽수인 굴참나무 잎을 대상으로 열분해와 연소연구를 수행하였다.
제안 방법
굴참나무 잎의 연소와 열분해 특성파악을 위해 TGA (Thermogravimetric Analyzer)를 사용하였다. TGA를 이용한 연소 특성분석은 승온속도(Heating Rate)를 5, 10, 15 및 20℃/min으로 변화시켰다. 공기를 20 mL/min의 속도로 일정하게 흘려주면서 발화온도를 파악하고, 미분법(Differential Method)을 사용하여 연소반응 에너지를 구하였다.
이것은 반응과정 중 무게감소가 열분해와는 다른 메커니즘에 의해 진행된다는 것을 의미한다. 굴참나무 잎의 연소와 열분해과정에서 전화율이 10∼80%일 때 각각의 활성화에너지 분포를 계산하였다. 열분해과정에서는 활성화에너지가 67 kJ/mol에서 251 kJ/mol로 증가하였으나 연소과정에서는 76 kJ/mol에서 51 kJ/mol로 감소하였다.
실험에 사용된 굴참나무 잎의 원소분석 결과와 수분 및 회분 함량을 ASTM E1756과 ASTM E1755 방법으로 수행하였다[10]. 굴참나무잎을 575 ℃에서 3 h 동안 연소시킨 후 남은 회분(Ash)을 대상으로 주요 무기물 함량을 분석하였다. 굴참나무 잎의 연소와 열분해 특성파악을 위해 TGA (Thermogravimetric Analyzer)를 사용하였다.
공기를 20 mL/min의 속도로 일정하게 흘려주면서 발화온도를 파악하고, 미분법(Differential Method)을 사용하여 연소반응 에너지를 구하였다. 동일한 조건에서 환원과 연소분위기를 만들기 위해 각각 질소와 공기를 20 mL/min의 속도로 일정하게 흘려주면서 열분해반응과 연소반응 활성화에너지와 반응 특성 연구를 수행하였다.
본 연구에서는 굴참나무 잎의 열분해와 연소과정에서 활성화에너지(E)와 빈도인자(A) 값을 결정하기 위해서 식 (6)과 같은 형태의 Friedman 방법을 응용하였다.
산불 중 지중화와 밀접한 관련이 있는 대표적 활엽수인 굴참나무잎을 대상으로 연소와 열분해 특성 파악을 위해 TGA를 이용한 실험을 수행하였다. Figure 3에 질소분위기에서 굴참나무 잎의 열중량 변화곡선을 나타내었다.
이론/모형
TGA를 이용한 연소 특성분석은 승온속도(Heating Rate)를 5, 10, 15 및 20℃/min으로 변화시켰다. 공기를 20 mL/min의 속도로 일정하게 흘려주면서 발화온도를 파악하고, 미분법(Differential Method)을 사용하여 연소반응 에너지를 구하였다. 동일한 조건에서 환원과 연소분위기를 만들기 위해 각각 질소와 공기를 20 mL/min의 속도로 일정하게 흘려주면서 열분해반응과 연소반응 활성화에너지와 반응 특성 연구를 수행하였다.
굴참나무잎을 575 ℃에서 3 h 동안 연소시킨 후 남은 회분(Ash)을 대상으로 주요 무기물 함량을 분석하였다. 굴참나무 잎의 연소와 열분해 특성파악을 위해 TGA (Thermogravimetric Analyzer)를 사용하였다. TGA를 이용한 연소 특성분석은 승온속도(Heating Rate)를 5, 10, 15 및 20℃/min으로 변화시켰다.
실험에 사용된 굴참나무 잎의 원소분석 결과와 수분 및 회분 함량을 ASTM E1756과 ASTM E1755 방법으로 수행하였다[10]. 굴참나무잎을 575 ℃에서 3 h 동안 연소시킨 후 남은 회분(Ash)을 대상으로 주요 무기물 함량을 분석하였다.
또한 공기가 있는 조건에서 연소반응 특성 등을 파악할 수 있다. 열중량 분석법으로 얻은 곡선의 모양으로부터 미분법(Differential Method)을 이용하여 활성화에너지, 반응차수 및 반응 속도상수를 구할 수 있다[11,12]. TGA에서 온도의 증가에 따른 실험 시료의 열분해반응 전화율(Conversion, X)은 다음 식 (1)과 같이 정의할 수 있다.
성능/효과
굴참나무 잎은 Ca와 K 함량이 매우 높게 나타났으며, TGA에서 열분해할 경우 250 ℃에서 분해가 시작되어 600 ℃에서 종결되었으며, 열분해반응이 급격하게 진행되는 구간에서 열중량곡선의 기울기는 변화가 없었다. 반면, 연소의 경우 239 ℃에서 발화가 되었으며, 발화 후 연소되는 과정에서 열중량곡선의 기울기가 변하였다.
굴참나무 잎의 열분해할 때 0차, 1차 및 2차일 때 빈도인자는 102∼1014으로 증가하는 경향을 나타내었다.
Figure 3에는 승온속도를 5, 10, 15 및 20 ℃/min으로 변화시켰을 전화율 변화속도인 DTG (Differentail Thermogravimetric Analysis) 곡선을 온도증가에 따라서 나타냈다. 굴참나무 잎의 전화율 변화속도가 최대인 온도는 각각의 승온속도에서 278, 325, 328 및 332℃였으며, 승온속도가 증가할수록 전화율 변화속도가 최대인 온도가 약간씩 증가하는 경향을 나타냈다. 전화율 변화속도가 최대인 온도는 셀룰로스가 주로 분해되어 생성된 피크이며, 각각의 승온속도에서 셀룰로스 피크 왼편에 작은 피크가 하나씩 나타나있는 것을 확인할 수 있다.
Table 3에는 굴참나무 잎을 연소시킨 후 남은 회분(Ash)를 대상으로 주요 무기물 함량을 분석한 결과이다. 분석한 무기물 중 Ca와 K 함량이 각각 12598 ppm과 7595 ppm으로 매우 높게 나타났다.
승온속도를 5 ℃/min으로 증가시킬 때 굴참나무 잎은 239 ℃에서 발화가 되었다. 연소과정에서 DTG 곡선은 열분해과정과는 매우 다른 양상을 나타내고 있는 것을 확인할 수 있고, 열분해과정과는 달리 헤미셀룰로스와 셀룰로스가 완전히 독립된 피크를 나타내고 있다. 열분해과정에서 셀룰로스 분해 이후 서서히 분해가 진행되었던 리그닌 피크는 나타나지 않았는데, 헤미셀룰로스와 셀룰로스가 연소되는 과정에서 리그닌도 동시에 연소된 것으로 판단된다.
연소과정에서 굴참나무 잎의 전화율 변화속도가 최대인 온도는 열분해 과정과는 달리 헤미셀룰로스가 연소되는 과정에서 나타났으며 승온속도 5, 10, 15 및 20 ℃/min에서 각각 331, 361, 376 및 391 ℃였고, 셀룰로스가 연소되는 과정에서 전화율변화 속도가 최대인 온드는 452, 488, 501 및 525 ℃였다.
연소과정에서는 빈도 인자는 102∼105 범위 값을 가졌으며, 전화율이 증가할수록 감소하는 경향을 나타냈다.
연소반응 전화율이 10∼80%로 증가할수록 활성화에너지는 76 kJ/mol에서 51 kJ/mol로 감소하는 경향을 나타냈다.
Figure 6은 앞에서 설명한 방법으로 굴참나무 잎의 열분해반응 연소과정에서의 전화율이 10∼80%일 때 활성화에너지 분포를 나타낸 것이다. 열분해는 흡열반응이며 굴참나무 잎의 전화율이 증가함에 따라서 활성화에너지도 증가하는 경향을 나타냈다. 이러한 현상은 바이오매스를 열분해할 때 분해반응 초기에 비교적 결합에너지가 약한 부분에서 고분자 화합물이 주사슬로부터 분해되고, 시간이 지남에 따라 점진적으로 주사슬이 분해되기 때문인 것으로 판단된다.
굴참나무 잎의 전화율 변화속도가 최대인 온도는 각각의 승온속도에서 278, 325, 328 및 332℃였으며, 승온속도가 증가할수록 전화율 변화속도가 최대인 온도가 약간씩 증가하는 경향을 나타냈다. 전화율 변화속도가 최대인 온도는 셀룰로스가 주로 분해되어 생성된 피크이며, 각각의 승온속도에서 셀룰로스 피크 왼편에 작은 피크가 하나씩 나타나있는 것을 확인할 수 있다. 이것은 헤미셀룰로스가 분해되어 생성된 피크이며, 헤미셀룰로스 전화율 변화속도가 최대인 온도는 278, 325, 328 및 332 ℃였다.
동일한 실험조건에서 20 mL/min의 공기를 흘리면서 굴참나무 잎의 연소반응 특성실험을 수행하여 Figure 4에 나타내었다. 질소분위기에서 열분해 실험과 달리 열중량변화 곡선에서 무게감소가 급격하게 일어나는 구간에서 기울기 변화가 일어나는 것을 확인할 수 있다. 이것은 TGA에서 굴참나무 잎을 열분해할 때 일어나는 과정에서의 무게감소와 연소과정에서의 무게감소 과정에서 각각의 메커니즘이 다른 것을 의미한다.
후속연구
본 연구는 산불이 일어났을 때 산불의 지중화와 밀접한 관련이 있는 퇴적된 나뭇잎 중 대표적인 굴참나무 잎을 대상으로 열분해 및 연소 특성 연구를 수행하였다. 이와 같은 기초연구와 향후 국내 산림을 구성하고 있는 다양한 수목들을 대상으로 체계적인 연구를 수행하여 산불발생 시 산불이동의 매개체에 주도적 역할을 하는 산림구성물을 확인할 수 있을 것으로 생각되며, 향후 산불예방을 위한 조림 등 산림자원의 효율적 관리에 대한 방안을 모색하는데 활용할 수 있을 것으로 판단된다.
본 연구에서는 산불 발생 시 지중화와 연관성이 큰 굴참나무 잎을 대상으로 연소 및 열분해 특성 연구를 수행하였다. 이와 같은 연구를 통해 향후 산불예방을 위한 조림 등 산림자원의 효율적 이용에 대한 방안을 모색할 수 있을 것으로 판단된다.
향후 국내 산림을 구성하고 있는 다양한 수목들을 대상으로 연소 및 열분해 연구를 수행하여 산불예방을 위한 조림 등 산림자원의 효율적 관리에 대한 방안을 모색하는데 활용할 수 있을 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
굴참나무 잎 발화 후 연소 과정에서 열중량곡선의 기울기가 변하는 것은 무엇을 의미하는가?
반면, 연소의 경우 239 ℃에서 발화가 되었으며, 발화 후 연소되는 과정에서 열중량곡선의 기울기가 변하였다. 이것은 반응과정 중 무게감소가 열분해와는 다른 메커니즘에 의해 진행된다는 것을 의미한다. 굴참나무 잎의 연소와 열분해과정에서 전화율이 10∼80%일 때 각각의 활성화에너지 분포를 계산하였다.
국내 산불의 계절별 발생 빈도는 어떠한가?
산불은 대기중의 습도, 기온, 풍속, 계절적 요인들과 밀접한 관련이 있다. 국내에서 발생하는 산불은 봄철에 81%, 겨울철에 16%, 가을과 여름에 각각 2%, 1%가 발생하며, 기상조건과 매우 밀접함 관계를 갖고 있다[1]. 산림은 수목이 집단적으로 생육하고 있는 토지, 임목과 임지를 합한 것이다.
지중화의 특성은 무엇인가?
수간화는 서 있는 나무의 줄기를 태우며, 나무의 가지나 잎이 무성한 부분만을 태우며 지나가는 산불이다. 그리고 지중화는 마른 지피물층과 이탄층, 부식층에서 일어나는 불로 나무의 뿌리를 죽이는 특성이 있다. 이 경우 지표에 연료가 쌓여있기 때문에 산소 공급량이 적고 바람으로부터 보호되어 연소속도가 느리지만 지중화가 발생할 경우 산불 진화 뒷불정리가 어려운 특징을 갖는다.
참고문헌 (16)
http://sanfire.forest.go.kr/foahome.
M. W. Lee, Analysis of occurance and characteristics of forest fires of Yeongdong and Yeongseo regions in Gangwon-do, Research Institute for Gangwon, Project No. 09-05 (2009).
D. L. Fry and S. L. Stephens, Forest Ecol. Manag., 223, 428 (2006).
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