[논문]촉매열분해를 이용한 백합나무 바이오오일의 연료 특성

채광석; 정한섭; 안병준; 이재정; 주영민; 이수민

doi:10.12925/jkocs.2017.34.1.1

[국내논문] 촉매열분해를 이용한 백합나무 바이오오일의 연료 특성
Fuel characteristics of Yellow Poplar bio-oil by catalytic pyrolysis 원문보기

한국유화학회지 = Journal of oil & applied science, v.34 no.1, 2017년, pp.1 - 11

채광석 (국립산림과학원 화학미생물과) , 정한섭 (국립산림과학원 화학미생물과) , 안병준 (국립산림과학원 화학미생물과) , 이재정 (국립산림과학원 화학미생물과) , 주영민 (국립산림과학원 화학미생물과) , 이수민 (국립산림과학원 화학미생물과)

초록
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바이오오일은 고품질 화학물질로 이용이 가능하며 차세대 탄화수소 연료와 석유정제업 공급원료로 사용할 수 있기 때문에 촉망받는 신재생에너지의 하나로 상당한 관심을 받고 있다. 또한 제올라이트는 급속열분해 과정에서 크래킹 반응을 효과적으로 촉진시켜 탈산소 반응을 증가 시키고 탄화수소가 많은 안정된 바이오오일을 만든다. 그래서 본 연구에서는 백합나무 바이오오일 품질개선을 위해 촉매열분해(Control, Blackcoal, Whitecoal, ZeoliteY 및 ZSM-5)를 적용하여 특성을 조사하였다. 바이오오일의 특성 변화를 알아보기 위하여 0.3~1.4 mm 크기의 백합나무 시료 500 g을 $465^{\circ}C$에서 1.6초 동안 촉매열분해하여 바이오오일을 제조하였다. 촉매 조건 상태에서 바이오오일의 수율은 Control(54.0%)과 비교하여 Blackcoal(56.2%)를 제외하면, Whitecoal(53.5%), ZeoliteY (51.4%), 및 ZSM-5(52.0%)로 모두 감소했다. 수분 함량이 Control(37.4%)에서 촉매 처리후 37.4~45.2%로 증가함에 따라 발열량((High heating value)은 감소했다. 그러나 다른 다른 바이오오일 특성은 개선되었다. 촉매 적용 결과 바이오오일의 회분과 전산가(TAN)가 감소했고, 특히 수송연료로 중요한 특성인 점도는 Control cP(6,933) 에서 2,578 ~ 4,627 cP로 감소했다. 또한 ZeoliteY는 방향족탄화수소를 생산하고 점도를 개선시키는데 가장 효과적이였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Bio-oil has attracted considerable interest as one of the promising renewable energy resources because it can be used as a feedstock in conventional petroleum refineries for the production of high value chemicals or next-generation hydrocarbon fuels. Zeolites have been shown to effectively promote cracking reactions during pyrolysis resulting in highly deoxygenated and hydrocarbon-rich compounds and stable pyrolysis oil products. In this study, catalytic pyrolysis was applied to upgrade bio-oil from yellow poplar and then fuel characteristics of upgraded bio-oil was investigated. Yellow Poplar(500 g) which ground 0.3~1.4 mm was processed into bio-oil by catalytic pyrolysis for 1.64 seconds at $465^{\circ}C$ with Control, Blaccoal, Whitecoal, ZeoliteY and ZSM-5. Under the catalyst conditions, bio-oil productions decreased from 54.0%(Control) to 51.4 ~ 53.5%, except 56.2%(Blackcoal). HHV(High heating value) of upgraded bio-oil was more lower than crude bio-oil while the water content increased from 37.4% to 37.4 ~ 45.2%. But the other properties were improved significantly. Under the upgrading conditions, ash and TAN(Total Acid Number) is decrease and particularly important as transportation fuel, the viscosity of bio-oil decreased from 6,933 cP(Control) to 2,578 ~ 4,627 cP. In addition, ZeoliteY was most effective on producing aromatic hydrocarbons and decreasing of from the catalytic pyrolysis.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

그래서 본 연구에서는 국내에서 생산하는 목질계 바이오매스 중 하나인 백합나무 촉매열분해를 이용하여 미래 수송용 바이오연료와 고품질의 석유화학 물질 생산에 기여하기 위해 물리 및 화학적 특성을 연구하였다.

제안 방법

본 연구에서는 입자 크기 0.3∼1.4 mm 백합나무(Liriodendron tulipifera L.) 시료 500g을 465℃에서 1.6초 열분해하여 바이오일을 제조하는 조건에서 목탄 2종(Blackcoal 및 Whitecoal)과 Zeolite 2종(ZSM-5 및 ZeoliteY)을 촉매로 이용하여 유동층 반응기의 유동사와 혼합을 통해 촉매열분해를 수행하고 제조한 바이오오일의 특성을 조사하였다.

대상 데이터

본 연구에 사용한 실험 재료는 백합나무(Liriodendron tulipifera L.)의 구성 성분은 Table 2에 나타내었으며 분쇄기(YM-450C, 유림기계, Korea)를 통해 목분시료를 만들고 진동선별기(TS 1000-4, 안진산업, Korea)를 이용하여 0.3∼1.4 mm 크기를 선별하여 실험에 사용하였다. 선별된 시료는 100℃에서 항량이 될 때까지 건조한 후 사용하였다.

데이터처리

바이오오일로부터 제거한 물의 화학조성분석은 Agilent 5975C MSD와 FID를 병렬로 연결한 Agilent 7890A GC (USA)를 이용해 분석하였다. 분석용 칼럼으로 DB-5ms(30 m×0.
바이오매스의 촉매열분해는 벤젠, 톨루엔, 자일렌, 에틸렌 및 프로필렌을 포함한 몇 개의 주요 석유화합물을 생산할 수 있다고 알려져 있고, 가장 중요한 장점은 사용 가능한 석유 화학물의 수율을 증가시키는 것이다[10]. 본 연구에서도 촉매 열분해로부터 얻어진 2차 바이오오일의 화학적 성분과 촉매에 따른 화학 조성 변화를 확인하기 위하여 GC-MS 분석을 수행하였다. National Institute of Standards and Technology(NIST) Spectral Mass Library로 아세톤을 이용하여 바이오오일을 희석한 경우는 육안으로 검증하여 유의성이 있는 크기의 피크 55개를 선정하여 비교하였고, 에탄올을 사용하여 희석한 경우에는 57개의 피크를 선정하였다.

성능/효과

급속열분해를 통해 생산된 바이오오일, 바이오차 및 가스는 각각 51.4~56.2 wt%, 11.3~16.0 및 30.0~33.0으로 나타났으며 Blackcoal을 제외하면 바이오오일이 감소하는 경향이 나타났다. 수분은 Control(37.
0으로 나타났으며 Blackcoal을 제외하면 바이오오일이 감소하는 경향이 나타났다. 수분은 Control(37.4%)과 비교하여 목탄에서 37.4~39.6%로 증가하고, Zeolite는 45.2~45.0%로 증가하였다. 발열량은 수분 증가로 영향으로 Control(3,225 kcal/kg)과 비교하여 2,708~3,188 kcal/kg로 감소하여 부정적 영향이 나타났다.
Fahmi 등은 목초본류의 열분해로 얻은 바이오오일 특성조사 및 리그닌의 영향 연구에서 제조 후 시간이 경과한 바이오오일은 고분자 물질 분자량은 증가하나 저분자 물질 분자량은 감소하는데, 이는 성분 간에 축합반응이 일어나기 때문에 처음 제조한 바이오오일보다 점도가 높다고 보고하였다[15]. 점도의 경우 목탄과 Zeolite 모두 급격히 감소하여 바이오오일 품질 개선에 긍정적 영향을 주었다. 촉매처리에 따른 바이오오일의 점도 변화를 Fig.

후속연구

이는 1차 바이오오일 내 산성 물질의 함량이 Control에 비해 감소한 것으로 분석되었다. 적용된 촉매 중 Zeolite 촉매에서는 Control에 비해 일부 증가가 관찰되었으며 촉매에 의한 열분해 반응 변화의 추적을 위한 추가 연구가 필요한 것으로 사료된다. 2차 바이오오일의 경우에는 Control과 유사한 산도를 보였으나 ZSM-5에서는 일부 감소가 확인되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	바이오오일이 촉망받는 신재생에너지의 하나로 관심 받는 이유는 무엇인가?	바이오오일은 고품질 화학물질로 이용이 가능하며 차세대 탄화수소 연료와 석유정제업 공급원료로 사용할 수 있기 때문에 촉망받는 신재생에너지의 하나로 상당한 관심을 받고 있다. 또한 제올라이트는 급속열분해 과정에서 크래킹 반응을 효과적으로 촉진시켜 탈산소 반응을 증가 시키고 탄화수소가 많은 안정된 바이오오일을 만든다.
	Zeolite 촉매가 가진 특성은 무엇인가?	이들 기술 중에서 다양한 촉매 연구 결과에서 Zeolite는 다양한 이용도, 상대적인 저비용 및 간편한 조정 가능성 때문에 주목을 받고 있다. Zeolite 촉매는 열분해 증기의 선택적 탈수반응에 효과가 있는 것으로 보여지며, 그 결과 방향족화합물을 형성하고 C/O(Carbon/Oxygen)비를 효과적으로 증진시킨다. 강산성 Zeolite나 낮은 Si/Al 비는 초기 열분해 반응 과정에서 크래킹 반응을 촉진하는데 효과적인 것으로 나타났다[5-8].
	바이오매스 물질을 급속열분해 하였을 시 석유계 물질과 혼합하여 사용하는 것이 제한되는 까닭은 무엇인가?	세계 각국은 대표적인 바이오매스 물질을 조사하고 그것들의 에너지 전환을 위한 효과적인 바이오매스 사용을 위한 방법을 발전시키고 있다[1]. 지금까지 연구되어진 다양한 변환 기술 중에 급속열분해는 수송용 연료와 고품질의 석유화학 물질을 만들기 때문에 상당한 주목을 받고 있으나, 급속 열분해의 중요한 약점은 역시 높은 산소 함량, 산성도에 의한 불안정 때문에 현재 사용하는 석유계 물질과 혼합이 어렵다. 그러므로 산소 함량을 감소시키는 방향으로 품질개선 기술이 필요하다[2].

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

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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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