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문제 정의
- 본 연구에서는 산림청에서 추진하는 숲가꾸기사업에서 발생하는 산물을 효과적으로 이용하기 위한 제지용 원료로서의 적합성을 평가하고자 하였다. 이를 위해 숲가꾸기사업 산물들을 이용하여 크라프트 펄프를 제조하였고, 이들 펄프의 물리적 특성을 분석하였다.
- 이를 위해 숲가꾸기사업 산물들을 이용하여 크라프트 펄프를 제조하였고, 이들 펄프의 물리적 특성을 분석하였다. 또한 숲가꾸기사업의 산물로 제조된 크라프트 펄프를 국내에서 사용되는 수입용 칩으로 제조된 펄프와 비교하여 그 펄프 적성을 평가하였고, 이를 통해 연소용 원료로만 인식되고 있는 목재 자원을 귀중한 펄프용 자원으로도 충분히 활용 가능함을 보이고자 하였다.
- 크라프트 펄프 자체의 특성을 알아보기 위하여 여수도를 측정하였다. 각각의 원료가 갖는 최초의 여수 특성이 지료조성단계에서 리파이닝의 방법 및 정도에 영향을 미치기 때문에 ISO 5267에 근거하여 Canadian freeness 시험을 실시하였다.
가설 설정
- 숲가꾸기 산물들은 체계적 및 계획적으로 분류되지 않기 때문에 수종과 수령의 구분이 제대로 이루어지지 않은 상태이다. 이로 인해 공시 재료 중에서 참나무 2년생과 오동나무 4년생과 같이 잔가지 형태의 가지가 포함될 수 있음을 가정하여 함께 사용하였다. 이들 공시 재료들은 펄프화에 앞서 수피를 모두 제거하였다.
제안 방법
- 본 연구에서는 산림청에서 추진하는 숲가꾸기사업에서 발생하는 산물을 효과적으로 이용하기 위한 제지용 원료로서의 적합성을 평가하고자 하였다. 이를 위해 숲가꾸기사업 산물들을 이용하여 크라프트 펄프를 제조하였고, 이들 펄프의 물리적 특성을 분석하였다. 또한 숲가꾸기사업의 산물로 제조된 크라프트 펄프를 국내에서 사용되는 수입용 칩으로 제조된 펄프와 비교하여 그 펄프 적성을 평가하였고, 이를 통해 연소용 원료로만 인식되고 있는 목재 자원을 귀중한 펄프용 자원으로도 충분히 활용 가능함을 보이고자 하였다.
- 숲가꾸기 산물의 펄프화를 위해서는 크라프트 펄프화를 적용하였다. 일반적으로 크라프트 펄프화법은 리그닌 제거 속도가 빠르고 수지와 같이 목재에서 쉽게 발견되는 오염물질에 대한 내성을 가지고 있어 이상적인 펄프화 방법으로 고려되었다.
- 크라프트 펄프의 백색도 측정을 위해서는 ISO 2470에 근거하여 L&W Elrepho 분광기를 사용하여 ISO 백색도를 측정하였다.
- Table 1에 나타나 있는 수종별, 그리고 영급별로 칩을 제조한 후 실험실용 다이제스터를 이용하여 크라프트 펄프를 제조하였다. 원료 종류별로 제조된 크라프트 펄프의 특성을 비교, 분석하기 위해 모든 원료에 대해 리그닌 제거 효율을 높이기 위해 강한 조건, 즉, 활성알칼리도 20%, 황화도 35% 조건(액비 4:1)에서 210분 동안 다이제스터에서 증해하였다. 증해시 최고 온도는 170℃, 최고 온도까지 도달 시간은 90분, 그리고 최고 온도에서 120시간 유지시킨 후 증해를 완료하였다.
- 그리고 제조된 크라프트 펄프의 섬유장과 조도는 Metso사의 FiberLab을 사용하여 측정하였다.
- 크라프트 펄프 자체의 특성을 알아보기 위하여 여수도를 측정하였다. 각각의 원료가 갖는 최초의 여수 특성이 지료조성단계에서 리파이닝의 방법 및 정도에 영향을 미치기 때문에 ISO 5267에 근거하여 Canadian freeness 시험을 실시하였다. 그리고 숲가꾸기 산물로 제조된 크라프트 펄프의 탈리그닌화 정도, 표백 특성 등을 알아보기 위하여 ISO 302에 근거하여 카파가 (kappa number)를 분석하였다.
- 각각의 원료가 갖는 최초의 여수 특성이 지료조성단계에서 리파이닝의 방법 및 정도에 영향을 미치기 때문에 ISO 5267에 근거하여 Canadian freeness 시험을 실시하였다. 그리고 숲가꾸기 산물로 제조된 크라프트 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 분광기를 사용하여 ISO 백색도를 측정하였다.
- 크라프트 펄프의 백색도 측정을 위해서는 ISO 2470에 근거하여 L&W Elrepho 분광기를 사용하여 ISO 백색도를 측정하였다. 크라프트 펄프의 물리적 성질은 ISO 5270에 의거하여 인장강도, 인열강도, 그리고 파열강도를 측정하였다.
- 화학펄프가 갖는 상대적 경도, 표백성, 혹은 탈리그닌화 정도를 결정하기 위해 카파가를 측정한다. 즉, 카파가는 펄프 내에 잔류하는 리그닌의 양을 보여준다.
- 숲가꾸기사업을 통해 발생되는 다양한 수목자원을 경제적 및 효율적으로 이용하기 위한 목적의 일환으로 수령이 상이한 수종들을 서로 혼합하지 않고 단일 수종으로만 크라프트 펄프를 제조한 후 그 물성을 비교 분석하여 아래와 같은 결론을 얻을 수 있었다.
대상 데이터
- 여기서 대조군으로 현재 무림P&P(주)에서 사용하는 아열대산 활엽수칩과 국내산 활엽수 혼합수종을 사용하였다.
- 본 실험에서 사용한 숲가꾸기 산물은 지리산 인근 지역 산림조합중앙회에서 수거해 놓은 수종들을 무작위로 수집한 후 수종 및 수령별로 분류하여 사용하였고, 그 종류는 Table 1과 같다. 숲가꾸기 산물들은 체계적 및 계획적으로 분류되지 않기 때문에 수종과 수령의 구분이 제대로 이루어지지 않은 상태이다.
성능/효과
- 국내에서도 산림에서 발생되는 숲가꾸기사업 산물들은 목재 펠릿이라는 그린에너지원에 대한 관심이 집중되면서 일차적으로 목재 펠릿의 원료로 활용하는 것에 초점을 맞추고 있다.4) 국내의 연간 임목생산 규모가 80만-100만 톤에 불과한 국내 여건에서 정부 주도로 집중 육성하고 있는 목재 펠릿 공급은 숲가꾸기 산물에 의존하지 않을 수밖에 없다.2) 산림청에서는 목재 펠릿의 공급량을 2012년까지 국내에서 40만 톤, 외국에서 35만 톤을 공급할 계획을 세우고 있는데, 국내산 펠릿 40만 톤 생산을 위해서는 상당량의 숲가꾸기 산물을 원료로 이용할 수밖에 없다.
- 현재 무림P&P(주)에서는 원재료인 칩을 태국(유칼립투스), 인도네시아(아까시나무), 베트남(아까시나무) 등지에서 연간 50만 톤 정도를 수입하고 있으며 국내 수종으로는 활엽수 혼합 수종으로 제조된 칩을 약 21만 톤 정도 사용하고 있다.2) 신문용지 제조업체인 전주페이퍼에서는 국내산 소나무 수종인 육송으로부터 제조된 칩을 100% 사용하는데 약 7만 5천 톤 정도에 해당한다. 기타 섬유판, 기계펄프 제조회사에서도 호주 등지에서 수입하고 있는데 2010년 기준 목재 칩의 수입량은 약 75만 3천 톤 (약 812억 원)에 이른다.
- 침엽수 적송에 해당하는 SNB20과 SNB21을 제외하고 활엽수들의 평균 섬유장은 약 0.72 mm 정도로 모두 유사한 길이를 가졌고, 무림P&P(주)에서 현재 사용하는 수입산 칩들로 제조된 크라프트 펄프의 평균 섬유장과 유사한 값들을 가지고 있는 것으로 분석되었다.
- 기계펄프의 경우를 제외하고는 일반적으로 펄프 섬유의 길이가 증가하면 보다 더 강한 종이가 만들어지는 것으로 알려져 있지만 종이 지합에는 부정적 영향을 미칠 수 있다.11, 12) 그리고 펄프 섬유의 조도는 종이 구조에 큰 영향을 미친다.11-13) 조도가 큰 섬유들은 섬유들 자체가 더 강해지기 때문에 더 강한 종이, 곧 판지를 만들게 된다.
- 5 mg/mm의 범위에 해당되는 값을 나타내었기 때문에 섬유의 유연성 측면에서 매우 우수한 범위에 해당되었다. 결론적으로 숲가꾸기사업을 통하여 수집되는 산림바이오매스는 다양한 수종과 수령으로 구성되어 있어 일부 수종의 경우에는 펄프용 칩으로 사용되기 어려운 측면이 있는 것으로 인식되어 왔다. 하지만 본 연구를 통해서 밝혀진 결과 숲가꾸기 산물들은 체계적으로 분류된 산림바이오매스 자원으로 취급되지 않을 지라도 화학펄프용 원료 자원으로서 충분한 가치가 있음이 입증되었다.
- 결론적으로 숲가꾸기사업을 통하여 수집되는 산림바이오매스는 다양한 수종과 수령으로 구성되어 있어 일부 수종의 경우에는 펄프용 칩으로 사용되기 어려운 측면이 있는 것으로 인식되어 왔다. 하지만 본 연구를 통해서 밝혀진 결과 숲가꾸기 산물들은 체계적으로 분류된 산림바이오매스 자원으로 취급되지 않을 지라도 화학펄프용 원료 자원으로서 충분한 가치가 있음이 입증되었다.
- 하지만 적송의 수율이 30% 미만으로 나온 것은 성숙재임에도 불구하고 매우 낮은 값이라 할 수 있어 이에 대한 원인 규명을 위해서는 추가적인 연구가 필요한 것으로 판단되었다. 활엽수의 경우 아까시나무 7년생과 참나무 2년생으로 제조하였을 때 크라프트 펄프의 수율이 38-39% 범위에 해당되었으며 특히 참나무 종에 해당하는 밤나무 종류에서 약 50% 수준에 달하는 가장 높은 수율을 얻을 수 있었다. 이는 현재 국내로 수입되는 아열대산 아까시나무 및 유칼리보다도 높은 수율에 해당되었고, 그 외 수종인 벚나무, 오동나무, 아까시나무, 참나무 등도 40% 이상의 수율을 나타내었다.
- 밤나무 수종으로 제조된 크라프트 펄프의 카파가는 무림P&P(주)에서 사용하는 목재 칩으로 제조된 펄프보다 높은 카파가를 나타내었고, 나머지는 유사하거나 낮은 카파가를 나타내었다.
- 보통 펄프용 용재로 사용되는 목재는 14년 이상 된 것을 사용한다. 결론적으로 수종에 따른 차이가 있기는 하지만 4년 이상의 수령을 갖는 활엽수종으로 크라프트 펄프를 제조할 때 수입산 수종과 비교하여 충분히 경제성 있는 펄프 제조가 가능함을 확인할 수 있었다.
- 참고로 표백과정을 거치지 않은 화학 기계펄프의 경우 표백크라프트 펄프의 벌크보다 높은 4 cm3/g 이상의 벌크 값을 갖는 종류가 상당수 있다.15)결론적으로 숲가꾸기사업을 통해 수집되는 산물의 수령이나 수종에 관계없이 약 3 cm3/g 수준의 벌크 값을 갖는 산물은 밤나무와 아까시나무 수종이고 나머지는 이 보다 높은 벌크를 기대할 수 있었다.
- 숲가꾸기 산물의 수종 및 수령에 관계없이 크라프트 펄프의 인열강도는 3.5-3.9 mN·m2/g, 그리고 파열강도는 0.71-0.75 kPa·m2/g였고, 무림P&P(주)에서 사용하는 수입산 칩들과 국내산 활엽수 혼합 칩들로부터 제조된 크라프트 펄프의 인열강도는 3.6-3.8 mN·m2/g, 그리고 파열강도는 0.71-0.74 kPa·m2/g로서거의 유사한 강도 값을 나타내었다.
- 열단장은 펄프 섬유가 갖는 강도, 섬유 결합력, 그리고 섬유장의 지표라 할 수 있다. 수령이 10년 미만인 오동나무와 아까시나무 수종으로 제조된 펄프는 낮은 열단장을 나타내었고, 반면에 벚나무와 밤나무, 참나무 수종으로 제조된 크라프트 펄프가 매우 높은 열단장을 나타내었고 수입산 칩들로 제조된 펄프의 열단장보다도 큰 값에 해당되었다. 앞서 살펴본 바와 같이 숲가꾸기 산물들로부터 제조된 산물 들의 섬유장이 큰 차이를 나타내지 않은 것으로 보아 펄프 섬유의 강도 및 결합력이 수입산 칩들보다 우수함을 의미하는 것이다.
- 38 km로 가장 낮은 열단장을 보였다. 따라서 열단장 값이 낮게 나온 숲가꾸기 산물과 기타 활엽수 혼합수종들은 국내에서 사용되는 수입산 칩에 혼합하여 사용 하면 일정 수준 이상의 인장강도를 갖는 펄프 제조가 가능할 것으로 예상되었다. 보통 침엽수 펄프의 열단장은 수종과 펄프화 조건 등에 따라 다르지만 대체로 1-5 km 의 범위에 해당하는 열단장을 가지지만15) 적송으로 제조된 크라프트 펄프의 열단장은 침엽수의 평균 열단장보다 다소 낮은 0.
- 17) 잔류 리그닌의 함량에 따라 미표백 펄프의 백색도는 달라지지만 보통 미표백 크라프트 펄프의 백색도는 보통 15-30% ISO 수준이다. Fig.
- 8은 숲가꾸기 산물로부터 제조된 크라프트 펄프의 ISO 백색도를 보여주고 있다. 수종별로 상이한 백색도를 나타내었지만 카파가가 높았던 밤나무 수종과, 아까시나무 수종이 가장 낮은 7-17% 수준의 백색도를 나타내었고 카파가가 가장 낮았던 8년산 오동나무가 가장 높은 백색도인 36%를 나타내었다. 이는 해당 수종이 갖는 밀도 차이에서 비롯된 것으로 판단된다.
- 결론적으로 숲가꾸기 산물들 중에서 밤나무와 아까시나무 수종의 경우 백색도에 부정적 영향을 미칠 수 있기 때문에 산물 수집 중에 별도 분리가 반드시 필요한 것으로 판단되었다.
- 1. 동일 조건으로 크라프트 펄프를 제조하였을 때 적송을 제외하고는 수령에 관계없이 모든 수종에서 수입산 칩으로 제조된 크라프트 펄프와 유사한 수율을 나타내었다.
- 2. 카파가의 경우 어두운 재색을 띠는 밤나무 수종을 제외하고는 수입산 칩으로 제조된 크라프트 펄프에 비하여 낮은 값을 나타내었다.
- 3. 아까시나무와 밤나무를 제외하고는 벌크와 인열 및 파열강도는 수입산 칩으로 제조된 크라프트 펄프와 대체로 유사한 값을 나타내었지만 인장강도에서는 아까시나무와 오동나무로 제조된 크라프트 펄프가이 보다 낮은 값을 보였다.
- 4. 백색도의 경우 밤나무, 아까시나무, 그리고 오동나무로 제조된 크라프트 펄프를 제외하고는 수입산 칩으로 제조된 크라프트 펄프와 유사한 값을 나타내었다.
- 결론적으로 숲가꾸기사업을 통하여 수거되는 바이오매스들 중에서 밤나무, 아까시나무, 오동나무 등과 같은 수종은 크라프트 펄프의 벌크, 카파가, 인장강도, 백색도 등에서 부정적 영향을 미치기 때문에 이들 수종을 선별하여 수거하는 것이 매우 필요한 것으로 판단되었다. 또한 미성숙재가 혼입되는 것도 안정적인 펄프 수율 관리 측면에서 바람직하지 않은 것으로 나타났다.
- 결론적으로 숲가꾸기사업을 통하여 수거되는 바이오매스들 중에서 밤나무, 아까시나무, 오동나무 등과 같은 수종은 크라프트 펄프의 벌크, 카파가, 인장강도, 백색도 등에서 부정적 영향을 미치기 때문에 이들 수종을 선별하여 수거하는 것이 매우 필요한 것으로 판단되었다. 또한 미성숙재가 혼입되는 것도 안정적인 펄프 수율 관리 측면에서 바람직하지 않은 것으로 나타났다.
후속연구
- 국내에서는 침엽수 크라프트 펄프는 생산되지 않아 큰 의미가 없지만 섬유판이나 기타 신문용지를 생산하는 열기계펄프를 생산할 경우에는 침엽수종이 이용되기 때문에 화학펄프 수율과는 다른 관점에서 비교하여야 한다. 하지만 적송의 수율이 30% 미만으로 나온 것은 성숙재임에도 불구하고 매우 낮은 값이라 할 수 있어 이에 대한 원인 규명을 위해서는 추가적인 연구가 필요한 것으로 판단되었다. 활엽수의 경우 아까시나무 7년생과 참나무 2년생으로 제조하였을 때 크라프트 펄프의 수율이 38-39% 범위에 해당되었으며 특히 참나무 종에 해당하는 밤나무 종류에서 약 50% 수준에 달하는 가장 높은 수율을 얻을 수 있었다.
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