[논문]비등온 열중량분석법을 이용한 급속 반탄화 참나무 목분의 열적 특성과 활성화 에너지 연구

이단비; 김범준

doi:10.5658/wood.2016.44.1.96

[국내논문] 비등온 열중량분석법을 이용한 급속 반탄화 참나무 목분의 열적 특성과 활성화 에너지 연구
A Study on The Thermal Properties and Activation Energy of Rapidly Torrefied Oak Wood Powder using Non-isothermal Thermogravimetric Analysis 원문보기

목재공학 = Journal of the Korean wood science and technology, v.44 no.1, 2016년, pp.96 - 105

이단비 (국민대학교 삼림과학대학 임산생명공학과) , 김범준 (국민대학교 삼림과학대학 임산생명공학과)

초록
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급속 반탄화 처리한 참나무 목분의 연료 적합성을 알아보기 위해 다양한 반탄화 시간(0, 5, 7.5, 10분)으로 제조한 반탄화 목분 시료를 10, 20, $40^{\circ}C/min$의 승온속도로 비등온 열중량분석법을 이용하여 시료의 열적 특성과 활성화 에너지를 알아보았다. 반탄화 처리시간이 증가함에 따라 시료의 열분해 시작온도($T_{onset}$)가 증가하였고, 시료 내 헤미셀룰로오스 함량은 감소하고 리그닌 함량은 증가하였으며, 열분해 반응 후의 최종 잔류물 양이 증가하는 모습을 보여주었다. 활성화 에너지는 Friedman과 Kissinger의 2가지 방법을 사용하여 추정하였으며, 각각의 결정계수 결과값은 0.9를 상회하여 계산된 활성화 에너지 값의 높은 유용성을 확인하였다. 시료의 활성화 에너지 계산 값은 반탄화 처리시간이 증가할수록 감소하는 경향이 나타났으며, 7.5분간 반탄화 처리한 시료에서 관찰된 가장 낮은 활성화 에너지 값은 급속 반탄화처리 참나무 목분의 바이오 고형연료제품으로써의 높은 적용가능성을 보여주었다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study investigated thermal properties and activation energy ($E_a$) of torrefied oak wood powders treated with various torrefaction times (0, 5, 7.5, 10 min) by using non-isothermal thermogravimetric analysis at heating rates of 10, 20, $40^{\circ}C/min$ to check the feasibility of rapidly torrefied oak wood powders as a fuel. As the torrefaction time increases, onset of thermal decomposition temperature, lignin content, and the amount of final residue of torrefied oak wood powders were accordingly increased with reduced hemicellulose content. $E_a$ was determined by using Friedman and Kissinger models and respective R-square values were over 0.9 meaning very good availability of calculated $E_a$ values. The $E_a$ values of the samples were decreased with the increase of torrefaction time and the lowest $E_a$ value ob served in the torrefied oak wood powders treated for 7.5 min showed high feasibility of rapidly torrefied oak wood powder as a biomass-solid refuse fuel.

Keyword

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 비등온 열중량분석법을 이용하여 기존의 방법과 달리 산소 환경에서 단시간에 급속 반탄화 처리한 참나무 목분을 사용하여 반탄화 처리시간에 따른 다양한 열적 특성과, 서로 다른 방법으로 추정된 활성화 에너지를 상호 비교 분석함으로써 급속 반탄화처리 목분의 열분해 메커니즘을 이해하고, 연료로써의 이용가능성을 살펴보고자 하였다.

제안 방법

급속 반탄화처리가 참나무 목분의 열적 특성과 활성화 에너지에 미치는 영향을 알아보기 위하여 4가지 조건(0, 5, 7.5, 10 min)으로 반탄화 처리시간을 달리하여 제조한 반탄화 목분을 3가지 승온속도(10, 20, 40℃/min)로 열중량 분석을 시행하여 다음의 결론을 얻었다.

대상 데이터

졸참나무(Quercus serrate Thunb. ex Murray) 펄프용 목재칩을 wood roaster를 이용해 온도 200℃에서 0, 5, 7.5, 10분간 roasting처리하여 분쇄한 반탄화 참나무 목분을 ‘충남대학교 국산재 고도 이용센터’로부터 분양받은 후, 이를 No. 35와 No. 40의 표준체를 통과시켜 분리된 28∼35 mesh 크기의 시료를 준비하여 사용하였다.

이론/모형

활성화 에너지는 열중량 분석법을 통해 각각의 시료별 각종 열분해 특성 값을 구한 후, 일반적으로 고형연료의 활성화 에너지 분석을 위해 널리 사용되고 있는 Friedman과 Kissinger법을 사용하여 예상되는 활성화 에너지 값을 추정하고 분석하였다.

성능/효과

1) 반탄화 처리시간이 길어질수록, 시료 내 헤미셀룰로오스 함량이 감소하고 최종 잔류물의 양은 증가하였으며, 승온속도가 증가함에 따라 각 시료의 T_peak 도 높아졌다.
2) 반탄화 처리시간이 길어질수록, 상대적으로 열분해에 강한 리그닌의 시료 내 함량이 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스의 함량보다 증가하여 전체적으로 시료의 열안정성이 개선되었으며, T_onset 및 T₇₀₀도 함께 증가하는 경향이 나타났다.
3) Friedman과 Kissinger의 두 가지 방법을 사용하여 계산된 활성화 에너지는 모두 반탄화 처리 시간이 길어질수록 활성화 에너지 값이 감소하는 모습을 나타내었으며, 이는 반탄화가 진행될수록 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스에 비해 작은 활성화 에너지 값을 갖는 리그닌의 함량이 상대적으로 증가하는데 기인한다.

후속연구

4) 종합해보면, 급속 반탄화처리 방법은 기존의 반탄화 방식과 마찬가지로 목분 내 헤미셀룰로오스의 함량을 낮추고 리그닌의 함량을 높여 결과적으로 활성화 에너지 값을 감소시킴으로써 적은 전처리 비용으로 경제성 높은 목질계 친환경 고형연료의 생산을 가능하게 할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	반탄화란?	반탄화(Torrefaction)는 무산소 또는 질소 환경에서 200-300℃의 상대적으로 낮은 온도의 열을 가하여 목질계 바이오매스 내 존재하는 수분과 저열량의 acid 성분 및 헤미셀룰로오스 함량을 낮춰 에너지 밀도를 증가시키는 열 전처리 방법으로 널리 사용되어 왔으며(Bourgois et al., 1989; Medic et al.
	열중량 분석은 무엇이며 특징은?	, 2015). 그중에서도 열중량 분석(Thermogravimetric analysis)은 온도변화에 따른 시료의 중량변화를 시간이나 온도의 함수로써 측정 하는 열분석 방법으로 목질계 바이오매스의 열분해 시작⋅종료온도, 특정온도에서의 열분해 정도와 잔류물의 양 등 열분해 거동과 Kissinger, Friedman, Arrhenius, Flynn-Wall-Ozawa 등의 계산법을 사용한 활성화 에너지 분석이 가능하며, 이를 통해 시료의 다양한 열분해 특성 및 관련 정보를 얻을 수 있다(Yao et al., 2008; Wu et al.
	급속 반탄화처리가 참나무 목분의 열적 특성과 활성화 에너지에 미치는 영향은 어떠한가?	4) 종합해보면, 급속 반탄화처리 방법은 기존의 반탄화 방식과 마찬가지로 목분 내 헤미셀룰로오스의 함량을 낮추고 리그닌의 함량을 높여 결과적으로 활성화 에너지 값을 감소시킴으로써 적은 전처리 비용으로 경제성 높은 목질계 친환경 고형연료의 생산을 가능하게 할 것으로 판단된다.

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