증류수를 이용한 거대억새 내 무기성분 제거 효과 및 열분해 특성 변화 관찰 Evaluation of Primary Thermal Degradation Feature of M. sacchariflorus After Removing Inorganic Compounds Using Distilled Water원문보기
본 연구에서는 30, 60, $90^{\circ}C$의 증류수를 이용하여 거대억새 내에 존재하는 무기성분을 제거한 후 원료의 화학적 변화 및 열분해 특성 변화를 관찰하였다. 증류수 처리 온도가 증가할수록 거대억새의 탄소함량은 44.0% (control)에서 46.2% ($90^{\circ}C$ 처리)로 증가하였으며 산소함량은 49.3% (control)에서 47.0% ($90^{\circ}C$ 처리)로 감소하였다. 또한 증류수 처리 온도가 증가함에 따라 거대억새 내 회분 함량은 4.6% (control)에서 3.2% ($90^{\circ}C$ 처리)로 점차적으로 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 주요 단당류 정량 분석 결과 무기성분 제거에 따른 시료의 당 손실은 없는 것으로 확인되었으며 결정화 영역 분석을 통해 셀룰로오스/헤미셀룰로오스 영역의 구조적인 변형도 일어나지 않았음을 알 수 있었다. 무기성분 정량 결과 거대억새 내에는 칼륨(5,644 ppm), 인(3,995 ppm), 마그네슘(1,403 ppm), 칼슘(711 ppm) 등이 상당량 존재하는 것으로 나타났다. 열중량 분석을 통해 거대억새 내 무기성분 함량이 감소할수록 최종적으로 생성되는 탄의 수율이 감소함을 확인하였다. 또한 시료 내 무기성분 함량이 감소함에 따라 최대반응온도($T_M$) 및 최대분해율($V_M$)이 증가하는 경향을 보였다.
본 연구에서는 30, 60, $90^{\circ}C$의 증류수를 이용하여 거대억새 내에 존재하는 무기성분을 제거한 후 원료의 화학적 변화 및 열분해 특성 변화를 관찰하였다. 증류수 처리 온도가 증가할수록 거대억새의 탄소함량은 44.0% (control)에서 46.2% ($90^{\circ}C$ 처리)로 증가하였으며 산소함량은 49.3% (control)에서 47.0% ($90^{\circ}C$ 처리)로 감소하였다. 또한 증류수 처리 온도가 증가함에 따라 거대억새 내 회분 함량은 4.6% (control)에서 3.2% ($90^{\circ}C$ 처리)로 점차적으로 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 주요 단당류 정량 분석 결과 무기성분 제거에 따른 시료의 당 손실은 없는 것으로 확인되었으며 결정화 영역 분석을 통해 셀룰로오스/헤미셀룰로오스 영역의 구조적인 변형도 일어나지 않았음을 알 수 있었다. 무기성분 정량 결과 거대억새 내에는 칼륨(5,644 ppm), 인(3,995 ppm), 마그네슘(1,403 ppm), 칼슘(711 ppm) 등이 상당량 존재하는 것으로 나타났다. 열중량 분석을 통해 거대억새 내 무기성분 함량이 감소할수록 최종적으로 생성되는 탄의 수율이 감소함을 확인하였다. 또한 시료 내 무기성분 함량이 감소함에 따라 최대반응온도($T_M$) 및 최대분해율($V_M$)이 증가하는 경향을 보였다.
The goal of this study was to investigate change of thermal decomposition feature of miscanthus (Miscanthus sacchariflorus) after removal of inorganic constituents using distilled water (D.I-w; 30, 60 and $90^{\circ}C$). The carbon content was increased whereas the oxygen content was decr...
The goal of this study was to investigate change of thermal decomposition feature of miscanthus (Miscanthus sacchariflorus) after removal of inorganic constituents using distilled water (D.I-w; 30, 60 and $90^{\circ}C$). The carbon content was increased whereas the oxygen content was decreased with the temperature of D.I-w treatment. Moreover, ash content was slightly decreased from 4.6% of control to 3.2% of $90^{\circ}C$ D.I-w treated sample. Results of total monomeric sugar contents and X-ray diffraction (XRD) analysis showed that structural changes of cellulose/hemicellulose regions did not occurr during D.I-w treatment. Results of inductively coupled plasma emission spectrometer (ICP-ES) showed that miscanthus has the largest amount of inorganic constituents such as potassium (5,644 ppm), phosphorus (3,995 ppm), magnesium (1,403 ppm) and calcium (711 ppm). Thermogravimetric analysis (TGA) confirmed that the yield of char slightly decreased whereas the yield of volatiles increased with increasing D.I-w treatment temperature. In addition, differential thermogravimetric analysis (DTGA) indicated that the maximum decomposition rate ($V_M$) and temperature ($T_M$) corresponding to VM were varied from $0.82%/^{\circ}C$, $360.60^{\circ}C$ of control to $1.17%/^{\circ}C$, $362.62^{\circ}C$ of $90^{\circ}C$-D.I-w treated sample.
The goal of this study was to investigate change of thermal decomposition feature of miscanthus (Miscanthus sacchariflorus) after removal of inorganic constituents using distilled water (D.I-w; 30, 60 and $90^{\circ}C$). The carbon content was increased whereas the oxygen content was decreased with the temperature of D.I-w treatment. Moreover, ash content was slightly decreased from 4.6% of control to 3.2% of $90^{\circ}C$ D.I-w treated sample. Results of total monomeric sugar contents and X-ray diffraction (XRD) analysis showed that structural changes of cellulose/hemicellulose regions did not occurr during D.I-w treatment. Results of inductively coupled plasma emission spectrometer (ICP-ES) showed that miscanthus has the largest amount of inorganic constituents such as potassium (5,644 ppm), phosphorus (3,995 ppm), magnesium (1,403 ppm) and calcium (711 ppm). Thermogravimetric analysis (TGA) confirmed that the yield of char slightly decreased whereas the yield of volatiles increased with increasing D.I-w treatment temperature. In addition, differential thermogravimetric analysis (DTGA) indicated that the maximum decomposition rate ($V_M$) and temperature ($T_M$) corresponding to VM were varied from $0.82%/^{\circ}C$, $360.60^{\circ}C$ of control to $1.17%/^{\circ}C$, $362.62^{\circ}C$ of $90^{\circ}C$-D.I-w treated sample.
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문제 정의
특히 거대억새의 경우 일반 목질계 바이오매스와 비교했을 때 약 10배 이상의 무기성분을 함유하고 있기 때문에 거대억새 내 무기성분이 열분해 특성변화에 미치는 촉매적 역할을 심도 있게 구명할 필요성이 있다. 따라서 본 연구에서는 각 시료별 중량 변화를 연속적으로 측정하는 감량곡선(Differential Thermogravimetric)을 이용하여 이를 확인하고자 하였다(Fig. 1). 100℃까지는 거대억새내의 수분이 증발되며 생기는 중량변화임을 확인할 수 있다(Kim et al.
본 연구에서는 거대억새 내 존재하는 무기성분이 열분해 시 미치는 촉매적 역할을 구명하기 위해 30, 60, 90℃의 증류수를 이용해 일정량의 무기성분을 제거하였으며, 이에 따른 화학조성 및 열분해 특성 변화를 조사하였다. 거대억새의 무기성분 제거 효율은 90℃에서 가장 높았으며 이때에 초기 회분 함량(4.
제안 방법
거대억새 내에 존재하는 다양한 무기성분(Al, Ca, Cu, Fe, K, Mg, Na, P, Si, Zn)의 정량과 증류수 처리에 따른 각각의 무기성분 제거 효율 평가를 위해 유도 결합 플라즈마 발광광도 분석(ICP-ES)을 사용하였다. 각 시료는 질산, 염산, 과산화수소(8:1:1 v/v) 처리 하에 microwave (Multiwave 3000, Anton Paar, Austria)를 사용하여 유기물을 분해하였으며 처리 후 잔존하는 무기성분을 증류수로 50배 희석하여 서울대학교 농업생명과학 공동기기원의 ICPS1000IV instrument (Shimadzu, Japan)를 이용해 분석하였다.
거대억새 내 존재하는 무기성분 함량에 따른 열분해 특성 변화를 관찰하고자 열중량 분석을 실시하였다. 분석 기기로는 서울대학교 농생명과학공동기기원의 Q-5000 IR 기기(TA instruments, USA)를 이용하였다.
, 2005). 거대억새 내 주요 10가지 무기성분(Al, Ca, Cu, Fe, K, Mg, Na, P, Si, Zn)의 함량을 조사하기 위해 유도 결합 플라즈마 발광광도기 ICP-ES(Inductively Coupled Plasma Emission Spectrometer)를 사용하였으며 결과는 Table 3에 나타냈다. 분석 결과 거대억새 내에는 칼륨, 인, 마그네슘, 칼슘 순으로 존재하고 있음을 확인할 수 있었다.
거대억새 내에 존재하는 다양한 무기성분(Al, Ca, Cu, Fe, K, Mg, Na, P, Si, Zn)의 정량과 증류수 처리에 따른 각각의 무기성분 제거 효율 평가를 위해 유도 결합 플라즈마 발광광도 분석(ICP-ES)을 사용하였다. 각 시료는 질산, 염산, 과산화수소(8:1:1 v/v) 처리 하에 microwave (Multiwave 3000, Anton Paar, Austria)를 사용하여 유기물을 분해하였으며 처리 후 잔존하는 무기성분을 증류수로 50배 희석하여 서울대학교 농업생명과학 공동기기원의 ICPS1000IV instrument (Shimadzu, Japan)를 이용해 분석하였다.
분석기기로는 국립산림과학원의 CarboPac PA1 Column이 장착된 HPLC(ICS-3000, Dionex, USA)를 이용하였으며 분석용매로 3 mM NaOH를 1mL/min로 하여 Electrochemical detector를 이용해 분석하였다. 거대억새를 구성하는 탄소, 수소, 질소, 황, 산소의 상대적인 질량비를 측정하고자 US/CHNS-932 (LECO Corp., USA)를 이용하였으며 이중 산소의 함량은 전체 백분율을 기준으로 탄소, 수소, 질소, 황, 회분 함량의 차를 이용해 계산하였다.
또한 과거 선행연구에 의하면 승온온도에 따라서 바이오매스의 열분해 특성이 달라진다고 보고된 바 있다(Williams & Besler, 1996). 따라서 본 연구에서는 control과 무기성분이 가장 많이 제거된 90℃ 처리 시료를 기존 열중량 분석에 통용되는 조건인 10 ℃/min외에도 20, 50, 100℃/min에서 TGA 및 DTGA 분석을 추가적으로 실시하였으며 이때의 열분해 특성 변화를 관찰하였다(Table 6). 또한 대표적으로 승온온도 100 ℃/min 조건에서의 열중량곡선과 감량곡선을 Fig.
따라서 본 연구에서는 다양한 온도의 증류수(30, 60, 90℃)를 이용하여 무기성분 제거 효율을 조사하였으며 다양한 화학적 열적 분석법을 사용하여 무기 성분이 거대억새의 열분해 과정에 미치는 촉매적 역할을 조사하였다.
반복수는 3번이었으며 평균값을 계산하여 제시하였다. 또한 거대억새 내의 홀로셀룰로오스를 구성하고 있는 주요 단당류 성분(Arabinose, Galactose, Glucose, Xylose, Mannose) 분석을 위하여 액체 크로마토그래피 분석법을 실시하였다. 리그닌 정량 과정에서 제조한 황산가수분해액을 사용하였으며 증류수를 첨가해 60배 희석한 후 내부표준법(내부표준물질 : 2-Deoxy-galactose)과 외부표준법에 의거 하여 주요 단당류를 정량하였다.
또한 거대억새 내의 홀로셀룰로오스를 구성하고 있는 주요 단당류 성분(Arabinose, Galactose, Glucose, Xylose, Mannose) 분석을 위하여 액체 크로마토그래피 분석법을 실시하였다. 리그닌 정량 과정에서 제조한 황산가수분해액을 사용하였으며 증류수를 첨가해 60배 희석한 후 내부표준법(내부표준물질 : 2-Deoxy-galactose)과 외부표준법에 의거 하여 주요 단당류를 정량하였다. 분석기기로는 국립산림과학원의 CarboPac PA1 Column이 장착된 HPLC(ICS-3000, Dionex, USA)를 이용하였으며 분석용매로 3 mM NaOH를 1mL/min로 하여 Electrochemical detector를 이용해 분석하였다.
, 2011). 본 연구에서도 이를 확인하고자 Klason lignin 정량법에서 생성된 황산가수분해액을 사용해 증류수 처리 온도 별로 거대억새의 셀룰로오스와 헤 미세룰로오스를 구성하는 주요 다섯 가지의 단당류(Arabinose, Glucose, Galactose, Mannose, Xylose)를 정량하였다(Table 2). 분석 결과 Galactose와 Mannose를 제외한 총 3가지의 단당류가 검출되었다.
시료의 화학조성과 원소조성 변화를 알아보고자각 시료의 추출물, 홀로셀룰로오스(셀룰로오스와 헤미셀룰로오스)(Wise, 1946), 리그닌(TAPPI method(T222 om-88)), 회분 함량과 원소 분석을 실시하였다. 반복수는 3번이었으며 평균값을 계산하여 제시하였다.
분석 기기로는 서울대학교 농생명과학공동기기원의 Q-5000 IR 기기(TA instruments, USA)를 이용하였다. 열중량 분석은 비활성 가스인 N2 하에 승온속도 10, 20, 50, 100 ℃/min 조건으로 진행하였으며, 측정범위는 40~800℃로 설정하였다.
대상 데이터
sacchariflorus)를 공시재료로 사용하였다. 거대억새는 함수율 10% 내외로 기건하였으며 분쇄기를 이용해 입자크기 0.5 mm 이하로 분쇄된 분말만을 사용하였다.
본 연구에서는 전라남도 무안에 위치한 농촌진흥청 국립식량과학원 바이오에너지 작물센터에서 개발한 거대억새 줄기(M. sacchariflorus)를 공시재료로 사용하였다. 거대억새는 함수율 10% 내외로 기건하였으며 분쇄기를 이용해 입자크기 0.
거대억새 내 존재하는 무기성분 함량에 따른 열분해 특성 변화를 관찰하고자 열중량 분석을 실시하였다. 분석 기기로는 서울대학교 농생명과학공동기기원의 Q-5000 IR 기기(TA instruments, USA)를 이용하였다. 열중량 분석은 비활성 가스인 N2 하에 승온속도 10, 20, 50, 100 ℃/min 조건으로 진행하였으며, 측정범위는 40~800℃로 설정하였다.
리그닌 정량 과정에서 제조한 황산가수분해액을 사용하였으며 증류수를 첨가해 60배 희석한 후 내부표준법(내부표준물질 : 2-Deoxy-galactose)과 외부표준법에 의거 하여 주요 단당류를 정량하였다. 분석기기로는 국립산림과학원의 CarboPac PA1 Column이 장착된 HPLC(ICS-3000, Dionex, USA)를 이용하였으며 분석용매로 3 mM NaOH를 1mL/min로 하여 Electrochemical detector를 이용해 분석하였다. 거대억새를 구성하는 탄소, 수소, 질소, 황, 산소의 상대적인 질량비를 측정하고자 US/CHNS-932 (LECO Corp.
이론/모형
증류수 처리에 따른 거대억새의 결정화도 변화를 관찰하기 위해 서울대학교 농업생명과학 공동기기원의 Powder X-ray Diffractometry (Bruker D5005, Germany)를 사용하였다. 분석은 2 θ = 10° - 30°에서 이루어졌으며 분석조건으로는 40 kV, 40 mA, scanning speed = 0.
성능/효과
바이오매스 주요 구성당 분석과 XRD 분석을 통해서는 90℃ 이하의 증류수 처리 조건에서는 셀룰로오스 및 헤미셀룰로오스의 분해가 발생하지 않음을 알 수 있었다. 거대억새 내 존재하는 무기성분의 종류로는 칼륨, 인, 마그네슘, 칼슘 순으로 많았으며 증류수 처리 과정 중에는 칼륨과 인이 가장 많이 제거되는 것으로 조사되었다. 거대억새의 열분해 특성 분석 결과 거대억새 내 무기성분은 활성 열분해 구간을 좁혀 시료를 열적으로 불안정한 상태로 만드는 촉매적 역할을 하는 것으로 확인되었다.
본 연구에서는 거대억새 내 존재하는 무기성분이 열분해 시 미치는 촉매적 역할을 구명하기 위해 30, 60, 90℃의 증류수를 이용해 일정량의 무기성분을 제거하였으며, 이에 따른 화학조성 및 열분해 특성 변화를 조사하였다. 거대억새의 무기성분 제거 효율은 90℃에서 가장 높았으며 이때에 초기 회분 함량(4.6 wt%)대비 약 30%가량이 감소한 3.2 wt%가 거대억새에 잔존하고 있는 것으로 나타났다. 원소조성과 화학조성 분석을 통해 무기성분이 제거됨에 따라 시료의 단위질량당 차지하는 유기물의 상대적 함량은 증가하는 것을 확인하였으며 추출물, 홀로셀룰로오스, 리그닌의 상대적인 함량이 변화하는 것을 관찰하였다.
거대억새 내 존재하는 무기성분의 종류로는 칼륨, 인, 마그네슘, 칼슘 순으로 많았으며 증류수 처리 과정 중에는 칼륨과 인이 가장 많이 제거되는 것으로 조사되었다. 거대억새의 열분해 특성 분석 결과 거대억새 내 무기성분은 활성 열분해 구간을 좁혀 시료를 열적으로 불안정한 상태로 만드는 촉매적 역할을 하는 것으로 확인되었다. 또한 시료 내 무기성분 함량이 적을수록 모든 승온속도(10, 20, 50, 100 ℃/min) 조건에서 탄수율은 감소하였으며 상대적으로 휘발성 기체의 수율은 증가하는 경향을 관찰할 수 있었다.
이는 무기성분 제거 과정 중 높은 온도의 증류수에 의해 추출물 또한 일정량 제거되었음을 의미한다. 거대억새의 주요 구성성분인 홀로셀룰로오스와 리그닌 함량은 증류수 처리 온도가 증가함에 따라 점차적으로 변화하는 것을 관찰할 수 있었다. 이는 증류수 처리 과정 중 거대억새에 존재하는 무기성분과 추출물이 일정 부분 제거됨에 따라 홀로셀룰로오스와 리그닌의 상대적인 함량이 변화한 것으로 판단할 수 있다.
1에 나타난 바와 같이 모든 시료에서 300℃ 부근의 변곡점 관찰할 수 있었으며 이를 통해 증류수 처리가 헤미셀룰로오스 분해에 큰 영향을 끼치지 않는 것을 다시 한 번 확인 할 수 있었다. 또한 높은 온도의 증류수에서 처리한 거대 억새일수록 최대분해온도(Temperature at maximum degradation rate = TM, ℃)가 점차적으로 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 기존 거대억새(control)의 경우 최대분해온도(TM)가 340.
거대억새의 열분해 특성 분석 결과 거대억새 내 무기성분은 활성 열분해 구간을 좁혀 시료를 열적으로 불안정한 상태로 만드는 촉매적 역할을 하는 것으로 확인되었다. 또한 시료 내 무기성분 함량이 적을수록 모든 승온속도(10, 20, 50, 100 ℃/min) 조건에서 탄수율은 감소하였으며 상대적으로 휘발성 기체의 수율은 증가하는 경향을 관찰할 수 있었다. 이러한 결과는 거대억새 내 무기성분 제거를 통해 급속열분해 공정에서 바이오오일의 수율을 증가시킬 수 있는 가능성을 보여주었다.
, 2011). 또한 최대 분해율(Maximum degradation rate at TM = VM, wt%/℃)도 control의 경우 0.82 wt%/℃ 반면 증류수 처리 온도가 증가할수록 점차적으로 증가하여 90℃에서 처리한 시료의 경우 1.17 wt%/℃로 control에 비해 약 42.7% 가량 증가한 값을 나타냈다. 이는 앞선 Table 4에서 살펴보았듯이 거대억새의 무기성분이 제거될수록 휘발성 가스로 분해 가능한 유기물(셀룰로오스, 헤미셀룰로오스, 리그닌)의 상대적인 함량이 증가하게 됨으로 열에너지에 의해 분해될 수 있는 유기물 함량이 상대적으로 많아지기 때문인 것으로 사료된다.
원소조성과 화학조성 분석을 통해 무기성분이 제거됨에 따라 시료의 단위질량당 차지하는 유기물의 상대적 함량은 증가하는 것을 확인하였으며 추출물, 홀로셀룰로오스, 리그닌의 상대적인 함량이 변화하는 것을 관찰하였다. 바이오매스 주요 구성당 분석과 XRD 분석을 통해서는 90℃ 이하의 증류수 처리 조건에서는 셀룰로오스 및 헤미셀룰로오스의 분해가 발생하지 않음을 알 수 있었다. 거대억새 내 존재하는 무기성분의 종류로는 칼륨, 인, 마그네슘, 칼슘 순으로 많았으며 증류수 처리 과정 중에는 칼륨과 인이 가장 많이 제거되는 것으로 조사되었다.
원소조성 결과를 살펴보면 증류수 처리 온도가 증가할수록 시료의 탄소함량은 증가하는 것으로 나타났다. 반면 수소와 질소, 황의 함량 변화는 거의 없었으며 산소는 증류수 처리 온도가 증가할수록 감소하는 경향을 보였다. 이는 높은 증류수 처리온도에서는 거대억새 내에 일정량의 무기성분이 제거되기 때문에 상대적으로 유기물의 함량은 증가하기 때문이다.
먼저 Table 6에서 확인 할 수 있듯이 승온속도가 증가할수록 두 시료(control, 90℃ 처리) 모두 TM이 점차적으로 증가하는 것을 알 수 있었다. 반면에 최대 분해율을 나타내는 VM은 승온속도 증가에 따라 두 시료 모두에서 감소하는 경향을 보였다. 특히 두 시료에서의 TM의 증가는 활성 열분해 구간(Active pyrolysis region)이 증가함을 의미하며 높은 승온속도에서 시료가 상대적으로 열에 안정해짐을 확인 할 수 있었다.
, 2011). 본 연구에서 시료로 사용한 거대억새도 동일한 조건에서 약 30% 가량의 회분이 감소된 것으로 보아 증류수가 일정량의 무기성분 제거에 효과가 있음을 확인할 수 있었다.
, 1996). 본 연구에서도 무기성분을 많이 함유한 시료(control)일수록 열분해 시 탄형성이 촉진되고 휘발성 가스 수율은 감소하는 등 선행 연구와 유사한 결과를 얻을 수 있었다.
본 연구에서도 이를 확인하고자 Klason lignin 정량법에서 생성된 황산가수분해액을 사용해 증류수 처리 온도 별로 거대억새의 셀룰로오스와 헤 미세룰로오스를 구성하는 주요 다섯 가지의 단당류(Arabinose, Glucose, Galactose, Mannose, Xylose)를 정량하였다(Table 2). 분석 결과 Galactose와 Mannose를 제외한 총 3가지의 단당류가 검출되었다. Table 2에서 확인할 수 있듯이 증류수 처리에 따른 주요 단당류의 총 함량변화는 2% 내로 통계적으로 유의하지 않았다.
거대억새 내 주요 10가지 무기성분(Al, Ca, Cu, Fe, K, Mg, Na, P, Si, Zn)의 함량을 조사하기 위해 유도 결합 플라즈마 발광광도기 ICP-ES(Inductively Coupled Plasma Emission Spectrometer)를 사용하였으며 결과는 Table 3에 나타냈다. 분석 결과 거대억새 내에는 칼륨, 인, 마그네슘, 칼슘 순으로 존재하고 있음을 확인할 수 있었다. 특히 다년생 식물인 억새에서 특징적으로 관찰되는 인과 규소는 목질계 바이오매스와 비교했을 때 거대억새에 약 33배 이상 함유되어 있는 것을 확인할 수 있었다(Beale & Long, 1997; Woli et al.
일정 온도의 증류수로 처리한 거대억새 시료의 열 중량 분석(Thermogravimetric analysis) 결과를 Table 5에 나타냈다. 열중량 곡선(Thermogravimetric curve)을 통해 조사된 각 시료의 최종 온도(800℃)에서의 탄과 휘발성 가스의 상대적인 수율 차이를 살펴보면 높은 증류수에서 처리된 거대억새일수록 탄 수율은 14.56% (Control)에서 12.22% (90℃ 처리)로 점차적으로 감소하였으며 이에 따라 휘발성 가스의 수율은 85.44% (Control)에서 87.78% (90℃ 처리)로 증가하였다. 여기서 휘발성 가스는 급속열분해 시 바이오오일로 회수될 수 있는 휘발성 유기화합물과 응축되지 않아 기체상으로 소모되는 비응축성 가스 (CO, CO2, H2, CH4 등)를 통합적으로 의미한다(Okumura & Okazaki, 2009).
원소조성 결과를 살펴보면 증류수 처리 온도가 증가할수록 시료의 탄소함량은 증가하는 것으로 나타났다. 반면 수소와 질소, 황의 함량 변화는 거의 없었으며 산소는 증류수 처리 온도가 증가할수록 감소하는 경향을 보였다.
2 wt%가 거대억새에 잔존하고 있는 것으로 나타났다. 원소조성과 화학조성 분석을 통해 무기성분이 제거됨에 따라 시료의 단위질량당 차지하는 유기물의 상대적 함량은 증가하는 것을 확인하였으며 추출물, 홀로셀룰로오스, 리그닌의 상대적인 함량이 변화하는 것을 관찰하였다. 바이오매스 주요 구성당 분석과 XRD 분석을 통해서는 90℃ 이하의 증류수 처리 조건에서는 셀룰로오스 및 헤미셀룰로오스의 분해가 발생하지 않음을 알 수 있었다.
따라서 증류수 처리를 통해 거대억새 내 칼륨 함량을 줄인다면 급속열분해 시 바이오오일 수율을 일정수준 향상시킬 수있을 것으로 사료된다. 이 외에도 칼슘, 철, 마그네슘, 나트륨 등의 무기성분이 증류수 처리 온도가 증가할수록 더 많이 제거되는 것으로 조사되었다.
또한 시료 내 무기성분 함량이 적을수록 모든 승온속도(10, 20, 50, 100 ℃/min) 조건에서 탄수율은 감소하였으며 상대적으로 휘발성 기체의 수율은 증가하는 경향을 관찰할 수 있었다. 이러한 결과는 거대억새 내 무기성분 제거를 통해 급속열분해 공정에서 바이오오일의 수율을 증가시킬 수 있는 가능성을 보여주었다.
29% (100℃/min)로 점차적으로 증가한 반면 90℃에서 처리한 시료는 큰 변화를 발견할 수 없었다. 이를 통해 앞서 언급한 바와 같이 바이오매스 내 무기성분이 많이 존재할수록 탄생성이 촉진되며, 승온속도가 빠를수록 이러한 현상이 더욱 심화되는 것을 확인할 수 있었다.
증류수 처리 온도에 따른 각 무기성분의 제거 효율을 살펴보면 증류수 처리 후 시료 내 잔존하는 무기성분이 전반적으로 감소하는 경향을 나타냈다. 특히 칼륨과 인의 경우 30℃ 처리 조건에서도 약 50% 정도가 제거되는 결과를 보였으며 처리 온도가 증가할수록 제거 효율 또한 증가하는 경향을 나타냈다.
이는 높은 증류수 처리온도에서는 거대억새 내에 일정량의 무기성분이 제거되기 때문에 상대적으로 유기물의 함량은 증가하기 때문이다. 증류수 처리 온도에 따른 추출물의 함량 변화를 살펴보면 처리 온도가 증가할수록 감소하는 경향을 나타냈다. 이는 무기성분 제거 과정 중 높은 온도의 증류수에 의해 추출물 또한 일정량 제거되었음을 의미한다.
반면에 최대 분해율을 나타내는 VM은 승온속도 증가에 따라 두 시료 모두에서 감소하는 경향을 보였다. 특히 두 시료에서의 TM의 증가는 활성 열분해 구간(Active pyrolysis region)이 증가함을 의미하며 높은 승온속도에서 시료가 상대적으로 열에 안정해짐을 확인 할 수 있었다. 또한 최종 온도(800℃)에서 생성된 탄 수율의 경우 승온속도가 증가할수록 control은 14.
증류수 처리 온도에 따른 각 무기성분의 제거 효율을 살펴보면 증류수 처리 후 시료 내 잔존하는 무기성분이 전반적으로 감소하는 경향을 나타냈다. 특히 칼륨과 인의 경우 30℃ 처리 조건에서도 약 50% 정도가 제거되는 결과를 보였으며 처리 온도가 증가할수록 제거 효율 또한 증가하는 경향을 나타냈다. 과거 선행연구에 의하면 바이오매스 내 칼륨은 급속 열분해 시 탄 형성 반응에 촉매적 역할을 해 결과적으로 바이오오일의 수율을 저감시키는 물질로 알려져 있다(Agblevor et al.
증류수를 처리한 후 각 시료의 상대적인 원소조성과 화학조성은 처리 온도에 따라 변화하는 양상을 나타냈다. 회분 제거 효율을 살펴보면 거대억새의 약 4.6% 가량 존재하던 회분은 증류수 처리온도가 증가할수록 점차적으로 감소하였으며, 90℃ 조건에서는 3.2%까지 감소하였다. 과거 선행연구에 따르면 현사시 나무 목분을 90℃ 증류수로 처리한 경우 약 28.
후속연구
, 1995). 따라서 증류수 처리를 통해 거대억새 내 칼륨 함량을 줄인다면 급속열분해 시 바이오오일 수율을 일정수준 향상시킬 수있을 것으로 사료된다. 이 외에도 칼슘, 철, 마그네슘, 나트륨 등의 무기성분이 증류수 처리 온도가 증가할수록 더 많이 제거되는 것으로 조사되었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
바이오매스가 차세대 대체에너지원으로 손꼽히는 이유는?
친환경/신재생에너지에 속하는 바이오에너지는 태양에너지를 통해 얻어지는 생물자원, 농림수산자원, 여러 유기 폐기물 등의 다양한 바이오매스로부터 생산되는 에너지를 뜻한다(박현태, 2006). 바이오에너지의 원료가 되는 바이오매스는 전 세계 연간 생산량이 석유 전체 매장량과 비등할 정도로 풍부하며 변환 효율이 높아 쉽게 사용할 수 있을 뿐만 아니라 NOx, SOx 등의 환경 유해 물질을 발생시키지 않기 때문에 차세대 대체에너지원으로 손꼽히고 있다(Tan & Li, 2000). 이 때문에 유럽이나 미국 등의 선진국에서는 수 십년 전부터 바이오매스와 바이오에너지에 대한 연구를 지속적으로 수행해 왔으며, 최근 들어서는 다양한 변환공정을 이용해 실제로 바이오에너지를 생산하는 상용화 단계에 이르고 있다(Wright, 2006).
바이오에너지란 무엇인가?
또한 점차적인 화석연료 고갈로 인한 고유가 등의 문제로 인류는 미래의 삶을 영위할 수 있게 해줄 친환경 대체에너지에 대한 관심을 갖게 되었다. 친환경/신재생에너지에 속하는 바이오에너지는 태양에너지를 통해 얻어지는 생물자원, 농림수산자원, 여러 유기 폐기물 등의 다양한 바이오매스로부터 생산되는 에너지를 뜻한다(박현태, 2006). 바이오에너지의 원료가 되는 바이오매스는 전 세계 연간 생산량이 석유 전체 매장량과 비등할 정도로 풍부하며 변환 효율이 높아 쉽게 사용할 수 있을 뿐만 아니라 NOx, SOx 등의 환경 유해 물질을 발생시키지 않기 때문에 차세대 대체에너지원으로 손꼽히고 있다(Tan & Li, 2000).
바이오에너지와 같은 대체에너지에 대한 관심이 높아진 이유는?
최근 들어 화석연료의 과다 사용으로 인한 지구온난화와 환경오염 등의 사회/환경적 문제가 급속히 대두되고 있다. 또한 점차적인 화석연료 고갈로 인한 고유가 등의 문제로 인류는 미래의 삶을 영위할 수 있게 해줄 친환경 대체에너지에 대한 관심을 갖게 되었다. 친환경/신재생에너지에 속하는 바이오에너지는 태양에너지를 통해 얻어지는 생물자원, 농림수산자원, 여러 유기 폐기물 등의 다양한 바이오매스로부터 생산되는 에너지를 뜻한다(박현태, 2006).
Beale, C. and S. Long, 1997. Seasonal dynamics of nutrient accumulation and partitioning in the perennial C4-grasses Miscanthus giganteus and Spartina cynosuroides. Biomass and Bioenergy 12(6): 419-428.
Bullard, M. and P. Metcalfe, 2001. Estimating the energy requirements and $CO_{2}$ emissions from production of the perennial grasses miscanthus, switchgrass and reed canary grass. ADAS Consulting Ltd on behalf of Department of Trade and Industry.
Czernik, S. and A. Bridgwater, 2004. Overview of applications of biomass fast pyrolysis oil. Energy & fuels 18(2): 590-598.
Das, P., A. Ganesh, and P. Wangikar, 2004. Influence of pretreatment for deashing of sugarcane bagasse on pyrolysis products. Biomass and Bioenergy 27(5): 445-457.
Eom, I. Y., K. H. Kim, J. Y. Kim, S. M. Lee, H. M. Yeo, I. G. Choi, and J. W. Choi, 2011. Characterization of primary thermal degradation features of lignocellulosic biomass after removal of inorganic metals by diverse solvents. Bioresource Technology 102(3): 3437-3444.
Fahmi, R., A. Bridgwater, L. Darvell, J. Jones, N. Yates, S. Thain, and I. Donnison, 2007. The effect of alkali metals on combustion and pyrolysis of Lolium and Festuca grasses, switchgrass and willow. Fuel 86(10-11): 1560-1569.
Faix, O., D. Meier, and O. Beinhoff, 1989. Analysis of lignocelluloses and lignins from Arundo donax L. and Miscanthus sinensis Anderss., and hydroliquefaction of Miscanthus. Biomass 18(2): 109-126.
Green, A.E.S. 2004. Process and device for pyrolysis of feedstock, Google Patents.
Heo, H. S., H. J. Park, J. H. Yim, J. M. Sohn, J. Park, S. S. Kim, C. Ryu, J. K. Jeon, and Y. K. Park, 2010. Influence of operation variables on fast pyrolysis of Miscanthus sinensis var. purpurascens. Bioresource Technology 101(10): 3672-3677.
Hodgson, E., D. Nowakowski, I. Shield, A. Riche, A. Bridgwater, J. Clifton-Brown, and I. Donnison, 2010. Variation in Miscanthus chemical composition and implications for conversion by pyrolysis and thermo-chemical biorefining for fuels and chemicals. Bioresource Technology 102(3): 3411-3418.
Kawamoto, H., D. Yamamoto, and S. Saka, 2008. Influence of neutral inorganic chlorides on primary and secondary char formation from cellulose. Journal of Wood Science 54(3): 242-246.
Kim, J. Y., E. J. Shin, I. Y. Eom, K. Won, Y. H. Kim, D. Choi, I. G. Choi, and J. W. Choi, 2011. Structural featuresof lignin macromolecules extracted with ionic liquid from poplar wood. Bioresource Technology 102(19): 9020-9025.
Kim, W.-K., T. Shim, Y.-S. Kim, S. Hyun, C. Ryu, Y.-K. Park, and J. Jung, 2013. Characterization of cadmium removal from aqueous solution by biochar produced from a giant Miscanthus at different pyrolytic temperatures. Bioresource technology 138: 266-270.
Manya, J. J., E. Velo, and L. Puigjaner, 2003. Kinetics of biomass pyrolysis: a reformulated threeparallel- reactions model. Industrial & engineering chemistry research 42(3): 434-441.
Miguez, F. E., M. B. Villamil, S. P. Long, and G. A. Bollero, 2008. Meta-analysis of the effects of management factors on Miscanthus giganteus growth and biomass production. Agricultural and Forest Meteorology 148(8-9): 1280-1292.
Nowakowski, D. J. and J. M. Jones, 2008. Uncatalysed and potassium-catalysed pyrolysis of the cell- wall constituents of biomass and their model compounds. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis 83(1): 12-25.
Okumura, Y. and K. Okazaki, 2009. Pyrolysis and Gasification Experiments of Biomass under Elevated Pressure Condition. Journal of Environment and Engineering 4(1): 24-35.
Sluiter, A., B. Hames, R. Ruiz, C. Scarlata, J. Sluiter, and D. Templeton, 2008. Determination of ash in biomass. Laboratory Analytical Procedures, National Renewable Research Laboratory, Technical Report TP-510-42622, Golden, Co.
Szabo, P., G. Varhegyi, F. Till, and O. Faix, 1996. Thermogravimetric/mass spectrometric characterization of two energy crops, Arundo donax and Miscanthus sinensis. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis 36(2): 179-190.
Tan, L. L. and C. Z. Li, 2000. Formation of NOx and SOx precursors during the pyrolysis of coal and biomass. Part II. Effects of experimental conditions on the yields of NOx and SOx precursors from the pyrolysis of a Victorian brown coal. Fuel 79(15): 1891-1897.
Wolf, K.J., A. Smeda, M. Muller, and K. Hilpert, 2005. Investigations on the influence of additives for SO2 reduction during high alkaline biomass combustion. Energy & fuels 19(3): 820-824.
Woli, K. P., M. B. David, J. Tsai, T. B. Voigt, R. G. Darmody, and C. A. Mitchell, 2011. Evaluating silicon concentrations in biofuel feedstock crops Miscanthus and switchgrass. Biomass and Bioenergy 35(7): 2807-2813.
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