[논문]반응표면분석법을 이용한 유칼립투스의 반탄화 최적조건 탐색

김영훈; 나병일; 이수민; 이형우; 이재원

doi:10.5658/wood.2013.41.6.497

[국내논문] 반응표면분석법을 이용한 유칼립투스의 반탄화 최적조건 탐색
Optimal Condition for Torrefaction of Eucalyptus by Response Surface Methodology 원문보기

목재공학 = Journal of the Korean wood science and technology, v.41 no.6, 2013년, pp.497 - 506

김영훈 (전남대학교 농업생명과학대학 산림자원학부) , 나병일 (전남대학교 농업생명과학대학 산림자원학부) , 이수민 (국립산림과학원 임산공학부 화학미생물과) , 이형우 (전남대학교 농업생명과학대학 산림자원학부) , 이재원 (전남대학교 농업생명과학대학 산림자원학부)

초록
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유칼립투스(Eucalyptus globulus)의 반탄화 최적조건을 탐색하기 위하여 반응표면분석법을 이용하였다. 반탄화 바이오매스의 탄소함량은 반탄화 정도를 나타내는 severity factor (SF)에 따라 증가하였으며 바이오매스에 포함된 수소와 산소의 함량은 감소하였다. 반탄화 바이오매스의 발열량은 조건에 따라 20.23~21.29 MJ/kg을 나타냈으며 처리 전 바이오매스와 비교하여 1.6~6.9% 에너지함량이 증가한 것으로 나타났다. 바이오매스의 중량감소율은 SF 증가에 따라 증가하였다. 에너지수율에서 반탄화 온도는 중요한 인자로 작용하였으며 상대적으로 반응시간에 대한 영향은 낮았다. 최대 에너지수율은 낮은 SF에서 반탄화를 수행하였을 때 얻을 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

The optimal condition for the torrefaction of eucalyptus (Eucalyptus globulus) was investigated by response surface methodology. The carbon content in the torrefied biomass increased with the severity factor (SF), while hydrogen and oxygen contents decreased. The calorific value of torrefied biomass ranged from 20.23 to 21.29 MJ/kg, depending on the torrefaction conditions. This implied that the energy contained in the torrefied biomass increased by 1.6 to 6.9%, when compared with that of the untreated biomass. The weight loss of biomass increased as the SF increased. The Code level of reaction temperature had the highest impact on the energy yield of torrefied biomass, while the effect of Code level of reaction time was considerably low. The highest energy yield was obtained at low SF.

Keyword

AI 본문요약
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제안 방법

바이오매스의 입자크기분포를 측정하기 위한 표본시료(약 30 g)를 추출한 후 표준체(9.5, 6.35, 4, 2, 1 mm)를 이용하여 약 5분 동안 흔들어 표준체의 크기에 따라 분리되는 바이오매스의 중량을 측정하여 입자크기분포를 계산하였다.
분쇄특성은 바이오매스 약 10 g의 표본시료를 추출한 후 mixer (JL-540, Hibell, korea)를 이용하여 1분 동안 분쇄한 후 표준체(1, 0.425, 0.25 mm)를 이용하여 분리한 각각의 중량을 측정하여 계산하였다.
유칼립투스에 대한 반탄화의 최적조건을 찾기 위해 반응시간(X₁, 20~80분)과 반응온도(X₂, 220~ 280℃)를 독립변수로 하여 2² factorial design으로 실험을 설계하였다. 각 실험 조건에서 얻어지는 중량감소율 및 발열량과 이를 바탕으로 계산된 에너지 수율을 design-expert version 8.
따라서 반탄화 처리 후 바이오매스의 고밀도화 가능성을 알아보기 위해 입자크기분포와 분쇄특성을 SF에 따라 비교하였다. 반탄화 처리 후 입자크기분포를 분석한 결과는 Fig.
반탄화 과정에서 얻어진 중량감소율, 발열량 그리고 에너지수율을 고려하여 유칼립투스 반탄화의 최적 조건을 탐색하기 위해 반응표면분석을 실시하였다.
본 실험에서는 유칼립투스에 대한 반탄화의 물리ㆍ화학적 특성변화 및 반탄화 최적조건을 탐색하기 위한 반응표면분석을 실시하였다. 반탄화에 의해 유칼립투스의 발열량 및 분쇄능력이 향상되는 것을 확인할 수 있었으며, 이러한 결과는 반탄화 처리 조건이 강해질수록 더욱더 두드러지게 나타났다.

대상 데이터

유칼립투스(Eucalyptus globulus)는 ㈜그린코리아로부터 칩 형태로 구입하여 사용하였으며, 표준체(9.5, 31.5 mm)를 이용하여 약 10~30 mm의 크기로 분리한 후 상온에서 보관하였다.

이론/모형

바이오매스의 함수율 및 회분 함량은 TAPPI법[18]에 의해 측정하였으며, 원소분석은 전남대학교 공동실험실습관에 의뢰하여 원소분석기(Flash 2000 & EA-1110, Thermo Fisher, Italy)에 의해 수행되었다. 발열량은 열량계(6400 Automatic Isoperibol calorimeter, Parr Instrument Inc.

성능/효과

본 실험에서는 유칼립투스에 대한 반탄화의 물리ㆍ화학적 특성변화 및 반탄화 최적조건을 탐색하기 위한 반응표면분석을 실시하였다. 반탄화에 의해 유칼립투스의 발열량 및 분쇄능력이 향상되는 것을 확인할 수 있었으며, 이러한 결과는 반탄화 처리 조건이 강해질수록 더욱더 두드러지게 나타났다. 하지만 중량감소율 또한 증가하기 때문에, 이를 고려한 에너지수율은 반탄화 처리조건이 강해질수록 감소하는 경향을 나타났다.
반탄화에 의해 유칼립투스의 발열량 및 분쇄능력이 향상되는 것을 확인할 수 있었으며, 이러한 결과는 반탄화 처리 조건이 강해질수록 더욱더 두드러지게 나타났다. 하지만 중량감소율 또한 증가하기 때문에, 이를 고려한 에너지수율은 반탄화 처리조건이 강해질수록 감소하는 경향을 나타났다. 따라서 유칼립투스를 반탄화 처리하여 이용할 경우에는 낮은 SF에서 처리하는 것이 높은 에너지수율을 얻을 수 있다.
하지만 중량감소율 또한 증가하기 때문에, 이를 고려한 에너지수율은 반탄화 처리조건이 강해질수록 감소하는 경향을 나타났다. 따라서 유칼립투스를 반탄화 처리하여 이용할 경우에는 낮은 SF에서 처리하는 것이 높은 에너지수율을 얻을 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	목재펠릿이란?	목질계 바이오매스를 고체상 연료로 이용하는 대표적인 형태는 목재펠릿이 있다. 목재펠릿은 바이오매스를 균일한 크기의 입자로 분쇄한 후 높은 압력으로 압축하여 일정한 크기로 성형한 고체상 연료를 말한다[5]. 목재펠릿은 처리하지 않은 바이오매스에 비해 높은 에너지밀도와 균일한 형태를 가지게 되어 저장 및 수송이 용이하며, 운송비용 또한 절감할 수 있다.
	반탄화에서 원료의 연소를 방지하기 위해 일반적으로 실시하는 것은?	열 전처리 방법 중 하나인 반탄화는 원료의 연소를 방지하기 위해 무산소 또는 질소 환경에서 상대 적으로 낮은 온도(200~300°C), 1시간 이내의 시간 에서 유지하는 것이 일반적이다[13]. 이러한 열처리 과정 중 바이오매스에 존재하는 수산기가 제거되어 소수성 및 발열량이 향상된다[6].
	목재펠릿의 단점을 극복하기 위해 소개되고 있는 방법은?	하지만 화석연료에 비해 상대적으로 낮은 에너지밀도와 높은 함수율을 가지고 있으며, 사용하는 원료에 따라 발열량이나 회분 함량이 다르기 때문에 일정한 특성을 유지하기 어렵다. 이러한 단점들을 극복하기 위한 방법으로 반탄화 처리가 소개되고 있다[19,20].

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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