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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 숲가꾸기사업을 통해서 발생되는 산림바이오매스를 더 효과적이고 경제적으로 사용할 수 있는 최적용도 개발을 위한 연구를 하였다. 이를 위해 숲가꾸기 산업 산물들을 혼합한 후 일정 조건 하에서 크라프트 펄프화하여 상업용 칩들과 국내에서 생산되는 목재 칩들로부터 제조된 펄프의 물리적 및 광학적 특성을 분석하여, 숲가꾸기 산물들이 귀중한 펄프용 자원으로도 충분히 활용 가능함을 확인하고, 이를 통해 연소용 원료로 대량 사용되는 있는 목재 자원을 귀중한 펄프용 자원으로도 활용 가능함을 보이고자 하였다.
- 따라서 본 연구에서는 숲가꾸기사업을 통해서 발생되는 산림바이오매스를 더 효과적이고 경제적으로 사용할 수 있는 최적용도 개발을 위한 연구를 하였다. 이를 위해 숲가꾸기 산업 산물들을 혼합한 후 일정 조건 하에서 크라프트 펄프화하여 상업용 칩들과 국내에서 생산되는 목재 칩들로부터 제조된 펄프의 물리적 및 광학적 특성을 분석하여, 숲가꾸기 산물들이 귀중한 펄프용 자원으로도 충분히 활용 가능함을 확인하고, 이를 통해 연소용 원료로 대량 사용되는 있는 목재 자원을 귀중한 펄프용 자원으로도 활용 가능함을 보이고자 하였다.
- 본 연구에서는 숲가꾸기사업을 통해 발생되는 부산물을 효과적 및 경제적으로 이용하기 위하여 수입산 칩들과 서로 혼합비를 달리한 후 일정 조건에서 크라프트 펄프화하여 물리적 및 광학적 특성을 분석하였다.
제안 방법
- 숲가꾸기 산물로 제조된 크라프트 펄프 자체의 물성을 평가하기 위하여 미고해 상태의 펄프 자체를 25×25 cm 크기의 사각수초지기에서 평량 60 g/m2로 초지하였다.
- 일반적으로 활엽수를 크라프트 펄프화할 때에는 20% 미만의 활성 알칼리도를 적용하는 것이 일반적이지만 예비 실험 결과 다양한 수종이 혼재되어 있는 경우 펄프화이 제대로 되지 않은 경우가 있어 20%로 고정시켜 펄프화 효과를 비교하였다.
- Table 1에 나타나 있는 박피 과정을 거친 숲가꾸기 산물들은 펄프화를 위해 디스크 치퍼를 이용하여 약 29×16 mm 크기의 칩을 제조한 후 크라프트 펄프화시켰다. 원료 종류별로 제조된 크라프트 펄프의 특성을 비교, 분석하기 위해 모든 원료에 대해 Na2O 기준 일정한 조건, 즉, 활성알칼리도 20%, 황화도 35% 조건(액비 4:1)에서 회전식 다이제스터를 이용하여 증해시켰다.
- 일반적으로 활엽수를 크라프트 펄프화할 때에는 20% 미만의 활성 알칼리도를 적용하는 것이 일반적이지만 예비 실험 결과 다양한 수종이 혼재되어 있는 경우 펄프화이 제대로 되지 않은 경우가 있어 20%로 고정시켜 펄프화 효과를 비교하였다. 펄프화 효과에 활성알칼리도에 비해서는 작은 효과를 나타내기는 하지만 황화도도 최적 펄프화 효과를 내기 위하여 35%로 고정시켜 펄프화하였다. 펄프의 수율은 아래의 식을 이용하여 계산하였다.
- 그리고 제조된 크라프트 펄프의 섬유장과 조도는 Metso사의 FiberLab을 사용하여 측정하였다.
- 그리고 제조된 펄프의 탈리그닌화 정도, 표백 특성 등을 알아보기 위하여 ISO 302에 근거하여 카파가 (kappa number)를 분석하였다.
- 크라프트 펄프의 백색도 측정을 위해서는 ISO 2470에 근거하여 L&W Elrepho 분광기로 ISO 백색도를 측정하였고, 크라프트 펄프의 물리적 성질은 ISO 5270에 의거하여 벌크를 포함한 인장강도, 인열강도, 그리고 파열강도를 측정하였다.
대상 데이터
- 대조군으로 현재 무림P&P(주)에서 사용하는 베트남산 아까시 (Acacia auriculiformis), 태국산 유칼립투스 (Eucalyptus botryoides), 인도네시아산 아까시 (Acacia spp.) 등 아열대산 활엽수 칩과 국내산 활엽수 혼합수종 (Mixed Korea hardwoods)을 사용하였으며.
- 미표백 크라프트 펄프의 표백 특성을 알아보기 위하여 NaOH, NaOCl, ClO2, 그리고 H2O2의 순서대로 4단 표백을 실시하였고, 표백 조건은 Table 3과 같다.
- 본 연구에서 사용한 숲가꾸기 산물은 지역 산림조합중앙회에서 숲가꾸기사업을 통해 수집해 놓은 산물들을 Table 1과 같이 무작위로 수집한 후 일정 혼합비로 혼합한 후 사용 하였다.
성능/효과
- 1) 하지만 국내의 목재 자급률은 16%에 불과하며 국내펄프 자급율은 약 20% 수준으로 나머지는 수입에 의존하고 있다.2) 수입 의존도가 높은 상황에서 경제 수종이 거의 없는 관계로 펄프용 자원이 극히 부족하기 때문에 숲가꾸기사업과 같은 정부 주도의산물 수집이 극히 필요한 시점이다. 국내 펄프회사의원료 자급화에 도움을 줄 수 있는 정책 보완이 필요하고 탄소배출권의 제약에 따른 펄프 원목 벌채의 제약이심화됨에 따라 원활한 원료 수급을 위한 대웅책 마련이 매우 시급하다.
- 무림P&P(주)에서 사용하고 있는 칩들로 제조한 펄프 섬유의 평균 섬유장과 조도는 각각 0.74 mm와 0.093 mg/m이고, 숲가꾸기 산물들을 일정 비율로 혼합하여 제조한 크라프트 펄프 섬유들의 섬유장과 조도 또한 이와 유사한 값들을 나타내었다.
- 따라서 숲가꾸기사업으로부터 발생하는 산물을 수집하는 단계에서 오동나무 수종은 제외하는 것이 양호한 종이 물성을 위해 바람직한 것으로 확인되었다. 특히 오동나무가 포함된 MLB34, MLB35, 그리고 MLB36은 모두 높은 조도를 나타내었기 때문에 오동나무가 큰 조도 값을 갖는 원인 수종으로 확인되었다.
- 따라서 숲가꾸기사업으로부터 발생하는 산물을 수집하는 단계에서 오동나무 수종은 제외하는 것이 양호한 종이 물성을 위해 바람직한 것으로 확인되었다. 특히 오동나무가 포함된 MLB34, MLB35, 그리고 MLB36은 모두 높은 조도를 나타내었기 때문에 오동나무가 큰 조도 값을 갖는 원인 수종으로 확인되었다. 숲가꾸기사업 동안에는 다양한 수종과 상이한 수령을 갖는 산물들이 수집되어 칩으로 제조되기 때문에 이러한 이종 산물들로 제조된 화학펄프의 품질 관리가 매우 힘들 것으로 우려되었다.
- 특히, 숲가꾸기사업에서 발생되는 산물들만으로 제조한 크라프트의 펄프의 수율이 40% 이상으로 무림P&P(주)에서 사용하는 수입산 및 국내산 혼합수종의 펄프 수율보다 높게 나왔다.
- 보통 크라프트 펄프의 수율은 수종, 해부학적 특성, 칩 크기, 칩 품질, 펄프화 조건, 다이제스터 상태 등에 따라 달라진다.6) 여기서는 혼합 비율이나 혼합 수종의 종류에 관계없이 제조된 크라프트 펄프의 수율은 모두 30% 이상 되었다. 특히, 숲가꾸기사업에서 발생되는 산물들만으로 제조한 크라프트의 펄프의 수율이 40% 이상으로 무림P&P(주)에서 사용하는 수입산 및 국내산 혼합수종의 펄프 수율보다 높게 나왔다.
- 보통 높은 벌크를 갖는 펄프는 인쇄용지를 제조할 때 주어진 종이 두께에서 평량 감소가 가능하고 원가절감에 기여할 수 있고 결국 시트의 건조 비용까지 감소시킬 수 있어 매우 유리하다. 혼합 비율이나 혼합 수종의 종류에 관계없이 모든 미고해 펄프의 벌크는 3-3.8 cm3/g의 범위에 해당되어 매우 높은 값을 나타내었다. 미고해 펄프의 높은 벌크는 크라프트 펄프화 조건이 상이하고, 미고해 상태 (640-680 mL CSF)에서 측정한 것이기 때문에 일반적인 펄프의 벌크 값인 1.
- 4 cm3/g 보다 높게 나온 것으로 사료된다.7) 더군다나 숲가꾸기 산물과 수입산 칩들을 일정 비율로 혼합하여 제조한 크라프트 펄프의 벌크도 이 범위에 해당되어 산물 혼합에 따른 벌크의 영향은 거의 없는 것으로 확인되었다.
- 5는 숲가꾸기 산물들로부터 제조된 칩들을 수종별로 일정 비율로 혼합한 후 미고해 상태에서 평량 60 g/m2의 수초지를 제조한 후 이들 미표백, 미고해 펄프 수초지의 열단장을 비교한 그래프이다. 국내산 활엽수 혼합 칩들과 베트남 아까시, 그리고 태국산 유칼리를 혼합하여 제조한 크라프트 펄프 (MLB26)의 열단장이 가장 큰 값을 나타내었고, 숲가꾸기 산물들 중에서 오동나무와 수입산 혼합 칩들로 제조된 크라프트 펄프들 (MLB35, MLB36)의 열단장은 가장 낮은 열단장을 나타내었다. 아까시와 벚나무, 그리고 국내산 혼합 칩들로 함께 혼합하여 제조한 크라프트 펄프의 열단장도 0.
- 6은 숲가꾸기 산물들로부터 제조된 칩들을 수종별로 일정 비율로 혼합한 후 일정 조건 하에서 크라프트 펄프를 제조하여 해당 펄프의 인열 및 파열강도를 측정한 값들과 그래프이다. 숲가꾸기 산물들로만 혼합된 칩들로 제조된 크라프트 펄프들 (MLB27-MLB34)의 인열강도 및 파열강도는 각각 3.6-3.8 mN・m2/g, 0.74-0.76 kPa・m2/g였고, 이것들을 수입산 칩들과 일정 비율로 혼합하여 제조한 크라프트 펄프들 (MLB35-MLB40)의 인열 및 파열강도는 각각 3.6-3.7 mN・m2/g, 0.74-0.80 kPa・m2/g로 인열강도와 파열강도에 있어서 큰 차이를 보이지 않았다. 무림P&P (주)에서 사용하는 국내산 활엽수 혼합 수종으로 제조된 칩들과 수입산 칩들을 섞어 제조한 크라프트 펄프 (MLB26)의 인열 및 파열강도도 유사한 값들을 나타내었다.
- 또한 탈리그닌화 과정과 추가적인 표백 단계를 첨가한다면 상업용 펄프가 가져야 할 88% 이상의 백색도가 달성할 수 있을 것으로 기대되었다.
- 7은 숲가꾸기 산물로 제조된 목재 칩을 수종별 혼합별로 일정 조건 하에서 펄프화 한 후, 평량 80 g/m2의 수초지를 제작하여 백색도를 측정하여 나타낸 것이다. 오동나무 수종과 혼합된 펄프들이 다른 수종과 혼합된 펄프에 비해 가장 높은 백색도를 나타내었고, 밤나무, 아까시 수종과 수입산 칩들과 혼합된 펄프 (MLB37)에서는 대조군 (MLB26) 보다 낮은 백색도 값을 나타내었다. 두 수종을 제외한 모든 혼합 칩들이 대조군보다 높은 백색도 값을 나타낸 것을 확인 할 수 있었다.
- 오동나무 수종과 혼합된 펄프들이 다른 수종과 혼합된 펄프에 비해 가장 높은 백색도를 나타내었고, 밤나무, 아까시 수종과 수입산 칩들과 혼합된 펄프 (MLB37)에서는 대조군 (MLB26) 보다 낮은 백색도 값을 나타내었다. 두 수종을 제외한 모든 혼합 칩들이 대조군보다 높은 백색도 값을 나타낸 것을 확인 할 수 있었다. 따라서 숲가꾸기 산물 수집 시 밤나무와 아까시 수종에만 별도로 분리하는 작업이 필요하다고 판단되었다.
- 또한 숲가꾸기 산물들을 수입산 칩들과 혼합시켜 제조한 표백 펄프에서도 아까시와 밤나무 수종이 포함된 펄프 (MLB37, MLB38)의 경우 대조군보다낮은 백색도를 나타내었다. 결론적으로 숲가꾸기 산물들은 수입산 목재 칩들과 함께 사용한다면 광학적 성질에 긍정적 영향을 기대할 수 있을 것으로 사료되었다. 또한 탈리그닌화 과정과 추가적인 표백 단계를 첨가한다면 상업용 펄프가 가져야 할 88% 이상의 백색도가 달성할 수 있을 것으로 기대되었다.
- 1. 펄프의 수율의 경우 오동나무와 일정 비율로 혼합했을 시 대조군에 비해 낮은 수율 값을 나타 내었다.이를 제외한 모든 수종들은 대부분 대조군과 유사하거나 높은 수율 값을 나타내었다.
- 2. 섬유장 및 조도 값은 오동나무 수종과 혼합한 크라프트 펄프를 제외 한 모든 수종이 대부분 1 미만의 낮은 조도 값을 나타내었고, 섬유장 또한 대조군과 비슷한 값을 확인 할 수 있었다.
- 3. 혼합비를 달리하여 크라프트 펄프화한 펄프의 물성경우, 파열강도와 인열강도는 대조군과 유사하거나혹은 더 높은 강도 값을 나타내었다.
- 4. 광학적 특성의 경우 밤나무 수종과 일정 비율로 혼합한 펄프에서 대부분 대조군보다 낮은 백색도 값을 나타내었다.
- 결론적으로 숲가꾸기 산물들을 펄프 제지 산업에 이용했을 시 부정적인 영향을 미치는 요인은 거의 발견되지 않았다. 단지 밤나무 수종과 아까시 수종과 혼합한 수종에서 백색도를 저하시켜 이 두 수종은 높은 백색도를 요하는 지종에는 제외할 필요가 있다.
- 일정비율로 혼합한 카파가의 경우는, 오동나무가 혼합된 펄프들 (MLB34, MLB35)은 대조군 (MLB26)의 카파가인 13 보다 낮은 10 수준의 카파가를 나타내었고, 반면에 밤나무와 아까시 수종과 일정비율로 혼합된 펄프 (MLB28, MLB30, MLB32)에서 대조군 (MLB26)보다 높은 18 이상의 값을 나타내었다.
후속연구
- 숲가꾸기사업 동안에는 다양한 수종과 상이한 수령을 갖는 산물들이 수집되어 칩으로 제조되기 때문에 이러한 이종 산물들로 제조된 화학펄프의 품질 관리가 매우 힘들 것으로 우려되었다. 하지만 일부 수종을 제외하고는 숲가꾸기 산물들로 제조한 화학펄프의 섬유장과 조도가 일반 상업용 혹은 수입산 칩들로 제조한 화학펄프 섬유에 준하는 섬유장과 조도를 갖는 것으로 분석되어 중요한 펄프 제조용 원료 자원으로 활용할 수 있을 것으로 판단되었다.
- 즉, 이는 동일한 조건으로 크라프트 펄프화 할 때 국내산 혼합 수종의 경우 수입산 칩에 준하는 수율을 기대할 수 있음을 의미한다. 하지만 본 연구에서 적용한 크라프트 펄프화 조건이 활엽수 수종에 적합한 펄프화 조건에 비하여 강한조건을 적용하였기 때문에 실제 현장에서 얻어지는 펄프 수율에 비하여 낮은 수율이 얻어졌음을 고려하여야한다.
- 임목축적이 낮고 경제 수종이 매우 부족한 국내에서는 목재 자급률이 16% 정도 밖에 되지 않기 때문에 화학펄프 및 열기계펄프를 제조할 때 수입산 목재 칩들에 대한 의존도가 매우 높을 수 밖에 없다. 따라서 본 연구를 통해 얻어진 연구결과는 숲가꾸기사업을 통해 발생되는 산림바이오매스가 다양한 수종, 수령을 갖는 혼합 수종들로 구성되지만 국내 화학펄프 제조를 위해 사용하는 수입산 칩을 일부 대체할 수 있는 중요한 경제적 자원임을 확인할 수 있는 근거 있는 자료가 될 수 있다.
- 단지 밤나무 수종과 아까시 수종과 혼합한 수종에서 백색도를 저하시켜 이 두 수종은 높은 백색도를 요하는 지종에는 제외할 필요가 있다. 이처럼 숲가꾸기사업과 같은 국가 주도 사업을 잘 이용한다면 원료의 상당 부분을 수입에 의존하고 있는 국내 제지산업에 좋은 대안이 될 수 있을 것이다.
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