[논문]황산 가수분해 잔사 리그닌을 이용한 나노 세공 활성탄 제조 및 친환경 흡착제로의 활용 가능성 평가

황혜원; 최준원

doi:10.5658/wood.2018.46.1.17

[국내논문] 황산 가수분해 잔사 리그닌을 이용한 나노 세공 활성탄 제조 및 친환경 흡착제로의 활용 가능성 평가
Preparation of Nanoporous Activated Carbon with Sulfuric Acid Lignin and Its Application as a Biosorbent 원문보기

목재공학 = Journal of the Korean wood science and technology, v.46 no.1, 2018년, pp.17 - 28

황혜원 (서울대학교 농업생명과학대학 산림과학부) , 최준원 (서울대학교 국제농업기술대학원)

초록
AI-Helper

본 연구에서는 당화 공정 중 축합된 구조로 발생되는 고형 부산물인 황산리그닌(Sulfuric acid lignin; SAL)의 나노 세공 탄소 소재로의 활용 가능성을 살펴보고자 수산화칼륨 촉매를 투입하여 $750^{\circ}C$에서 1 h 동안 고온 촉매 활성화 공정을 진행하였다. 이때 타 바이오매스 시료 유래 활성탄과의 물성 비교를 위해 코코넛셸(CCNS), 소나무(Pinus), Avicel로부터 각각 같은 방법으로 활성탄을 제조하였으며 화학 조성과 결합 구조, 표면 및 기공 분포 특성을 분석하였다. 열중량 분석 결과 최종 온도 $750^{\circ}C$에서 잔존 고형분 함량은 SAL > CCNS > Pinus > Avicel 순서였으며 이 경향은 활성화 공정 후 생성된 활성탄의 수율 순서와 동일하였다. 특히, SAL 유래 활성탄은 탄소 함량이 91.0%, $I_d/I_g$ peak ratio가 4.2로 가장 높게 나타났으며 이는 높은 탄소 고정성과 더불어 비정질의 거대 방향족 구조층이 형성되었음을 의미한다. 또한 제조된 활성탄은 모두 최초 시료의 비표면적($6m^2/g$)과 기공 부피($0.003cm^3/g$)에 비해 촉매 활성화 공정 후 각각 $1065{\sim}2341m^2/g$, $0.412{\sim}1.270cm^3/g$로 크게 증가하였으며 이 중 SAL 유래 활성탄의 표면 변화율이 가장 크게 나타났다. 이후 3종의 유기 오염물질(페놀, 2,4-Dichlorophenoxyacetic acid, 카보퓨란)에 대한 제거율을 평가해보았을 때 모든 활성탄에서 표준 용액 100 ppm 대비 90 mg/g 이상의 높은 흡착 능력을 보였다. 따라서 축합된 구조인 SAL으로부터 고비표면적의 나노 세공 활성탄 제조가 가능할 뿐만 아니라 추후 유기 오염 물질 제거를 위한 카본 필터의 친환경 흡착 소재로 활용가능성이 높을 것으로 기대된다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, catalytic activation using sulfuric acid lignin (SAL), the condensed solid by-product from saccharification process, with potassium hydroxide at $750^{\circ}C$ for 1 h in order to investigate its potential to nanoporous carbon In this study, catalytic activation using sulfuric acid lignin (SAL), the condensed solid by-product from saccharification process, with potassium hydroxide at $750^{\circ}C$ for 1 h in order to investigate its potential to nanoporous carbon material. Comparison study was also conducted by production of activated carbon from coconut shell (CCNS), Pinus, and Avicel, and each activated carbon was characterized by chemical composition, Raman spectroscopy, SEM analysis, and BET analysis. The amount of solid residue after thermogravimetric analysis of biomass samples at the final temperature of $750^{\circ}C$ was SAL > CCNS > Pinus > Avicel, which was the same as the order of activated carbon yields after catalytic activation. Specifically, SAL-derived activated carbon showed the highest value of carbon content (91.0%) and $I_d/I_g$ peak ratio (4.2), indicating that amorphous large aromatic structure layer was formed with high carbon fixation. In addition, the largest changes was observed in SAL with the maximum BET specific surface area and pore volume of $2341m^2/g$ and $1.270cm^3/g$, respectively. Furthermore, the adsorption test for three kinds of organic pollutants (phenol, 2,4-Dichlorophenoxyacetic acid, and carbofuran) were conducted, and an excellent adsorption capacity more than 90 mg/g for all activated carbon was determined using 100 ppm of the standard solution. Therefore, SAL, a condensed structure, can be used not only as a nanoporous carbon material with high specific surface area but also as a biosorbent applied to a carbon filter for remediation of organic pollutants in future.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

따라서 본 연구에서는 황산리그닌을 사용하여 수산화칼륨 촉매 하에 750℃에서 1 h 동안 활성탄을 제조하였고, 다른 바이오매스 유래 활성탄과 물성을 비교하기 위해 가장 많이 사용되는 바이오매스 활성탄 원료인 코코넛셸과 일반 바이오매스인 소나무 그리고 추가적으로 구성성분 함량에 따른 특성을 비교해보고자 Avicel 기반 활성탄을 제조하였다. 주요 비교 물성으로 화학조성 및 원소조성, 열분해 거동, 비표면적, 기공 크기 및 분포, 탄소 층 구조를 중점적으로 비교하였다.

제안 방법

SAL을 포함한 4종의 바이오매스의 원소 조성(C,H, N, S)은 원소분석기(CHN628, LECO Corp, USA)를 이용하여 분석하였으며 산소함량은 전체 백분율에서 탄소, 수소, 질소, 황의 함량을 뺀 값으로 계산하였다. 시료의 홀로셀룰로오스(셀룰로오스와 헤미셀룰로오스), 리그닌, 회분 함량을 구하였고 활성화에 따른 원소조성 변화를 알아보기 위해 원소 분석을 실시하였다.
이 외 코코넛셸(Coconut shell; CCNS), 소나무(Pinus densiflora; Pinus), Avicel을 SAL 활성탄 대조군 제조를 위한 공시재료로 사용하였으며 각각 전남대학교, 국립산림과학원, Sigma-Aldrich사로부터 제공받았다. 각 시료들의 입자 크기를 동일하게 맞추기 위해 분쇄기(PULVERISETTE 19, Fritsch, Germany)를 이용하여 0.2 mm 이하 크기로 분쇄 후 사용하였다.
각 활성탄의 탄소 함량 또한 SALAC > CCNSAC > PinusAC > AvicelAC 순으로 높았으며 앞서 Table 2에서 살펴본 최초 시료의 탄소 함량 및 리그닌 함량 순서와 비례하였다.
고온 촉매 활성화 공정 이후 제조된 활성탄의 비표면적 및 기공 특성을 파악하기 위하여 질소 등온흡착 실험을 진행하였으며 흡착 등온선을 Fig. 4에 제시하였다. 제조된 활성탄은 국제 순수 응용 화학 연합(International Union of Pure and Applied Chemistry; IUPAC)에서 정한 분류에 따라 제Ⅰ형의 흡착 곡선 형태를 나타내었고 따라서 미세기공 분포가 많은 탄소 소재가 제조되었음을 확인하였다.
고정형 반응기 안에 4종 공시재료를 각각 바이오매스 대비 수산화칼륨(Potassium hydroxide; KOH)을 1 : 3 비율(w/w)로 투입한 후 고르게 혼합하여 질소투입 및 배출 관을 제외한 입구를 밀봉하였다. 이후 300 mℓ/min의 유속으로 질소가스를 투입하여 반응기 내부를 비활성화 상태로 유지하였으며 750℃에서 1 h 동안 반응하였다.
주요 비교 물성으로 화학조성 및 원소조성, 열분해 거동, 비표면적, 기공 크기 및 분포, 탄소 층 구조를 중점적으로 비교하였다. 더 나아가 세 가지 독성 유기물질(페놀, 2,4-Dichlorophenoxyacetic acid (2,4-D), 카보퓨란)에 대해 흡착 능력을 평가하였고, 이를 바탕으로 미래의 친환경 활성탄 원료로써 황산리그닌의 사용 가능성에 대해 살펴보았다.
또한 각 시료의 온도에 따른 열분해 거동을 살펴보고자 열중량 분석(Thermogravimetric analysis; TGA)을 실시하였다. 질소 대기 조건에서 3 mg의 시료를 10℃/min 승온 속도로 25-750℃ 범위에서 중량 변화 측정하였으며 측정기기로 TGA/DSC 3+(Mettler Toledo, Swiss)를 사용하였다.
본 연구에서는 당화 부산물인 황산리그닌(SAL)과 코코넛셸(CCNS), 소나무(Pinus), Avicel을 원료로 하여 수산화칼륨 촉매를 투입하여 고온 촉매 활성화 공정을 이용한 나노 세공 활성탄을 제조하였다. 또한 생성된 활성탄(SALAC, CCNSAC, PinusAC, AvicelAC)에 대한 화학, 표면, 기공 특성을 분석한 후 3종 유기 오염물질에 대한 흡착 성능을 각각 평가하였다. 제조된 활성탄의 수율은 20.
분석 중 UV 파장은 각각 260 nm (페놀), 228nm (2,4-D), 280 nm (카보퓨란)으로 설정하여 측정을 진행하였다. 반응 후 유기물질에 대한 활성탄의 흡착 성능을 반응식 (2)로 계산하였다.
, Japan)를 이용하여 77 K에서 질소 흡, 탈착 등온선으로부터 분석하였다. 분석에 앞서 흡착 분석용 전처리기(BELPREPⅡ, Bel Inc., Japan)를 이용하여 공시재료와 활성탄을 각각 105℃, 350℃에서 4 h 동안 진공처리 하였다. 비표면적은 Brunauer, Emmett and Teller (BET) 분석법, 기공 분포는 Barrett, Joyner,and Halenda (BJH) 분석법, 미세기공 분포는 t-plot 분석법에 의해 각각 분석되었다.
SAL을 포함한 4종의 바이오매스의 원소 조성(C,H, N, S)은 원소분석기(CHN628, LECO Corp, USA)를 이용하여 분석하였으며 산소함량은 전체 백분율에서 탄소, 수소, 질소, 황의 함량을 뺀 값으로 계산하였다. 시료의 홀로셀룰로오스(셀룰로오스와 헤미셀룰로오스), 리그닌, 회분 함량을 구하였고 활성화에 따른 원소조성 변화를 알아보기 위해 원소 분석을 실시하였다. 바이오매스 내 홀로셀룰로오스 함량과 리그닌 정량분석은 각각 Wise법과 72% 황산가수분해법(TAPPI method (T222 om-88))에 준거하여 실시하였고 회분 함량은 NREL 방법에 따라 진행하였으며 추출물의 함량은 48시간 메탄올 침지법에 의해 측정되었다(Sluiter et al.
6 mm/5 µm, Thermo Fisher Scientific, USA) 컬럼이 장착된 HPLC/UV-Vis (UltiMate 3000,Thermo Fisher Scientific, USA)를 이용하였다. 이동상으로 acetonitrile (ACN)과 증류수를 유기물질에 따라 각각 다른 비율(ACN : 증류수(%) = 45 : 55(페놀), 25 : 75 (2,4-D), 50 : 50 (카보퓨란))로 혼합하여 사용하였으며 분석 시간은 10분으로 고정하였다. 분석 중 UV 파장은 각각 260 nm (페놀), 228nm (2,4-D), 280 nm (카보퓨란)으로 설정하여 측정을 진행하였다.
제조된 활성탄의 비표면적 및 기공 크기, 분포 분석은 흡착분석기(BELSORP-max, Bel Inc., Japan)를 이용하여 77 K에서 질소 흡, 탈착 등온선으로부터 분석하였다. 분석에 앞서 흡착 분석용 전처리기(BELPREPⅡ, Bel Inc.
제조한 활성탄의 오염 수질 정화용 흡착제로서의 활용성을 평가하기 위하여 3종의 유기 오염물질 페놀, 2,4-D, 카보퓨란 표준용액에 대한 흡착 실험을 진행하였으며 각 물질의 화학식을 Table 1에 나타내었다. 각 물질을 100 ppm 농도로 제조한 유기물질 수용액 20 mℓ에 활성탄 20 mg을 첨가(1 g/L)한 후 진탕배양기를 이용하여 28℃, 180 rpm 조건에서 12h 동안 교반하여 흡착 반응을 진행하였다.
제조한 활성탄의 친환경 흡착제로서의 활용 가능성을 평가하기 위해 고정형 흡착 실험을 실시하였다. 세 가지 유기물질 페놀, 2,4-D, 카보퓨란을 대상으로 오염물질 표준용액(100 ppm)을 제조하여 각 활성탄의 흡착 효율을 측정한 결과를 Fig.
활성화 공정 전후의 입자 표면 변화를 관찰하기 위해 주사전자현미경(SIGMA, Carl Zeiss, German)을 이용하여 각 시료와 활성탄의 표면을 3000 배율에서 촬영하였다. 좀 더 선명한 관찰을 위해 탄소 소재 표면의 전도성을 높이기 위하여 촬영에 앞서 백금코팅기(EM ACE200, Leica, German)를 이용하여 샘플을 코팅한 후 촬영을 진행하였다.
따라서 본 연구에서는 황산리그닌을 사용하여 수산화칼륨 촉매 하에 750℃에서 1 h 동안 활성탄을 제조하였고, 다른 바이오매스 유래 활성탄과 물성을 비교하기 위해 가장 많이 사용되는 바이오매스 활성탄 원료인 코코넛셸과 일반 바이오매스인 소나무 그리고 추가적으로 구성성분 함량에 따른 특성을 비교해보고자 Avicel 기반 활성탄을 제조하였다. 주요 비교 물성으로 화학조성 및 원소조성, 열분해 거동, 비표면적, 기공 크기 및 분포, 탄소 층 구조를 중점적으로 비교하였다. 더 나아가 세 가지 독성 유기물질(페놀, 2,4-Dichlorophenoxyacetic acid (2,4-D), 카보퓨란)에 대해 흡착 능력을 평가하였고, 이를 바탕으로 미래의 친환경 활성탄 원료로써 황산리그닌의 사용 가능성에 대해 살펴보았다.
또한 각 시료의 온도에 따른 열분해 거동을 살펴보고자 열중량 분석(Thermogravimetric analysis; TGA)을 실시하였다. 질소 대기 조건에서 3 mg의 시료를 10℃/min 승온 속도로 25-750℃ 범위에서 중량 변화 측정하였으며 측정기기로 TGA/DSC 3+(Mettler Toledo, Swiss)를 사용하였다.
탄소 물질 표면의 분자 구조를 파악하기 위하여 라만 분광법(Raman spectroscopy)을 실시하였으며 T64000 (HORIBA Scientific, Japan) 기기를 이용하여 532 nm 파장의 빛을 주사했을 때 900∼2000 nm 범위에서 나타나는 라만 스펙트라로부터 분석하였다.
한편, 각 시료에 대한 활성화 공정을 진행하기 전 시료의 열분해 거동을 파악하고자 열중량 분석을 실시하였으며 이는 Fig. 1에 제시하였다. CCNS, Pinus, Avicel의 경우 약 300℃∼400℃에서 가장 많은 중량감소가 일어났으며 이는 헤미셀룰로오스의 분해 혹은 셀룰로오스의 결정성 구조 와해 및 글리코시드 결합의 분해에 의한 것으로 판단된다(Arseneau,1971; Nair et al.
활성탄에 흡착되지 않고 여과된 유기물질의 농도를 파악하기 위해 Acclaim PolarAdvantage II(250 mm/4.6 mm/5 µm, Thermo Fisher Scientific, USA) 컬럼이 장착된 HPLC/UV-Vis (UltiMate 3000,Thermo Fisher Scientific, USA)를 이용하였다.
활성화 공정 전후의 입자 표면 변화를 관찰하기 위해 주사전자현미경(SIGMA, Carl Zeiss, German)을 이용하여 각 시료와 활성탄의 표면을 3000 배율에서 촬영하였다. 좀 더 선명한 관찰을 위해 탄소 소재 표면의 전도성을 높이기 위하여 촬영에 앞서 백금코팅기(EM ACE200, Leica, German)를 이용하여 샘플을 코팅한 후 촬영을 진행하였다.
활성화 공정 전후의 표면 형태 변화를 살펴보기 위해, 네 가지 공시재료와 그에 따른 활성탄에 대해 주사전자현미경(SEM) 촬영을 진행하였다(Fig. 6). 최초 바이오매스 시료는 표면이 밋밋하고 두꺼운 표면을 가지지만 제조된 활성탄의 표면은 층이 얇아지며 갈라짐과 기공이 형성된 것을 시각적으로 확인할 수 있다.

대상 데이터

본 연구에서는 고무나무(Ficus Elastica)의 황산 가수분해 후 얻어진 황산리그닌(Sulfuric acid lignin; SAL)을 광운대학교에서 제공받아 사용하였다. 이 외 코코넛셸(Coconut shell; CCNS), 소나무(Pinus densiflora; Pinus), Avicel을 SAL 활성탄 대조군 제조를 위한 공시재료로 사용하였으며 각각 전남대학교, 국립산림과학원, Sigma-Aldrich사로부터 제공받았다.
본 연구에서는 당화 부산물인 황산리그닌(SAL)과 코코넛셸(CCNS), 소나무(Pinus), Avicel을 원료로 하여 수산화칼륨 촉매를 투입하여 고온 촉매 활성화 공정을 이용한 나노 세공 활성탄을 제조하였다. 또한 생성된 활성탄(SALAC, CCNSAC, PinusAC, AvicelAC)에 대한 화학, 표면, 기공 특성을 분석한 후 3종 유기 오염물질에 대한 흡착 성능을 각각 평가하였다.
이동상으로 acetonitrile (ACN)과 증류수를 유기물질에 따라 각각 다른 비율(ACN : 증류수(%) = 45 : 55(페놀), 25 : 75 (2,4-D), 50 : 50 (카보퓨란))로 혼합하여 사용하였으며 분석 시간은 10분으로 고정하였다. 분석 중 UV 파장은 각각 260 nm (페놀), 228nm (2,4-D), 280 nm (카보퓨란)으로 설정하여 측정을 진행하였다. 반응 후 유기물질에 대한 활성탄의 흡착 성능을 반응식 (2)로 계산하였다.
본 연구에서는 고무나무(Ficus Elastica)의 황산 가수분해 후 얻어진 황산리그닌(Sulfuric acid lignin; SAL)을 광운대학교에서 제공받아 사용하였다. 이 외 코코넛셸(Coconut shell; CCNS), 소나무(Pinus densiflora; Pinus), Avicel을 SAL 활성탄 대조군 제조를 위한 공시재료로 사용하였으며 각각 전남대학교, 국립산림과학원, Sigma-Aldrich사로부터 제공받았다. 각 시료들의 입자 크기를 동일하게 맞추기 위해 분쇄기(PULVERISETTE 19, Fritsch, Germany)를 이용하여 0.
제조된 활성탄의 수율은 20.8% (SALAC) > 15.7% (CCNSAS) > 12.6% (PinusAC) > 6.2% (AvicelAC)였고 이는 초기 시료의 탄소 함량과 열중량 분석 후 남은 고형분의 함량 순서와 부합하였다.

이론/모형

시료의 홀로셀룰로오스(셀룰로오스와 헤미셀룰로오스), 리그닌, 회분 함량을 구하였고 활성화에 따른 원소조성 변화를 알아보기 위해 원소 분석을 실시하였다. 바이오매스 내 홀로셀룰로오스 함량과 리그닌 정량분석은 각각 Wise법과 72% 황산가수분해법(TAPPI method (T222 om-88))에 준거하여 실시하였고 회분 함량은 NREL 방법에 따라 진행하였으며 추출물의 함량은 48시간 메탄올 침지법에 의해 측정되었다(Sluiter et al., 2008; Sluiter et al., 2010).
, Japan)를 이용하여 공시재료와 활성탄을 각각 105℃, 350℃에서 4 h 동안 진공처리 하였다. 비표면적은 Brunauer, Emmett and Teller (BET) 분석법, 기공 분포는 Barrett, Joyner,and Halenda (BJH) 분석법, 미세기공 분포는 t-plot 분석법에 의해 각각 분석되었다.

성능/효과

4종 바이오매스의 원소 및 화학 조성 분석 결과를 Table 2에 나타내었다 탄소 함량의 경우 SAL이 53.5%로 가장 높았으며 Avicel이 42.0%로 가장 낮았다. 리그닌 함량 또한 SAL이 65.
, 2007). Avicel에 비해 CCNS, Pinus, SAL 시료에서 탈수소화 및 탈산소화 반응이 더욱 높게 진행되어 각각 O/C와 H/C 비율 값이 감소하였으며 특히 SALAC의 경우 가장 큰 감소가 일어나며 탄소 집약적인 구조가 형성됨을 확인하였다. 따라서 SAL을 고온 촉매 공정 후 활성탄의 전구체로 활용할 경우 시료의 열적 안정성 특성으로 인해 가장 높은 탄소 함량(91%)을 지닌 탄소 소재를 높은 수율(20.
5에 각각 나타내었다. KOH에 의한 고온 촉매 활성화 공정 이후 4종의 바이오매스 시료는 모두 이전에 비해 BET 비표면적이 크게 증가하였고 기공의 총 부피 또한 증가하였으며 평균 기공 크기의 지름은 작아졌다. 특히 SALAC의 비표면적은 2341m²/g, 총 기공 부피는 1.
,2006). 따라서 SAL 유래 활성탄은 다른 바이오매스 시료에 비해 탄소 구조 층간 결합이 더욱 확장되어 내부 망상 구조가 발달하며 큰 방향족끼리의 결합분포가 더 높을 것으로 판단된다.
Avicel에 비해 CCNS, Pinus, SAL 시료에서 탈수소화 및 탈산소화 반응이 더욱 높게 진행되어 각각 O/C와 H/C 비율 값이 감소하였으며 특히 SALAC의 경우 가장 큰 감소가 일어나며 탄소 집약적인 구조가 형성됨을 확인하였다. 따라서 SAL을 고온 촉매 공정 후 활성탄의 전구체로 활용할 경우 시료의 열적 안정성 특성으로 인해 가장 높은 탄소 함량(91%)을 지닌 탄소 소재를 높은 수율(20.8%)로 생산할 수 있었다.
, 2014). 따라서 바이오매스에 직접적인 촉매 활성화 공정을 적용하여 제조한 활성탄을 유기오염 물질이 함유된 수질에 투입할 경우 효과적으로 오염 물질을 제거할 수 있었다. 더 나아가, 제조 공정 및 활성탄의 물성을 종합적으로 고려해보았을 때 SAL를 이용한 활성탄을 제조할 경우 다른 바이오매스 시료에 비해 더욱 높은 비표면적을 지닌 탄소집약적인 활성탄을 고수율로 획득할 수 있을 뿐만 아니라 유기오염 수질에 대한 친환경 흡착제로 사용하였을 때 수질 정화능력 또한 우수한 결과를 나타내었으므로 활성탄 전구체로의 활용 가능성이 높을 것으로 판단된다.
, 2007). 따라서 최초 시료의 구성 성분 구조는 최종반응 온도인 750℃ 이후 남은 고형물의 양에도 영향을 줄 수 있으며 고온에서 열적 안정성을 갖는 SAL이 37.7%인 반면 CCNS와 Pinus는 각각 19.7%와 14.6%, 그리고 Avicel은 3.0%에 머물렀다. 열중량분석에서 나타난 SAL의 열분해 거동 특성은 추후 진행될 고온 촉매 활성화 공정 후 생성물의 물성에도 영향을 미칠 것으로 판단된다.
또한 최초 시료의 높은 탄소 함량은 촉매인 KOH와의 반응 빈도를 높일 뿐만 아니라 층간 결합 팽창 이후 구조의 붕괴를 막을 수 있는 골격 지지 역할을 하기 때문에 개질 특성이 보다 더 두드러질 수 있을 것으로 사료된다. 또한 이 과정에서 구조의 변형이 일어남에 따라 새로운 미세기공 또한 생성될 수 있으며 SALAC의 총 기공 부피 중 약 94.5%가 2 nm 이하 크기의 미세기공인 특징을 보였다. 한편 탄소 함량이 적었던 Avicel 유래 활성탄은 비표면적 및 기공 부피 증가폭이 다른 시료에 비해 낮았으며 상대적으로 중공극 이상 크기의 기공이 더 발달하였다.
0%로 가장 낮았다. 리그닌 함량 또한 SAL이 65.5%로 가장 높았으며 그 다음으로 CCNS (37.3%), Pinus (31.8%)순이었고 셀룰로오스 물질인 Avicel에선 검출되지 않았다. 반면 산소 함량 및 전섬유소 함량은 반대의 경향을 나타내었다.
, 1990). 모든 활성탄 생성물의 피크가 넓은 면적으로 표현되어 비정질의 탄소 소재가 제조되었음을 확인하였다. SALAC의 경우 다른 활성탄에 비해 상대적으로 높은 I_d/I_g 비율을 나타냈으며 이는 비정질의 탄소막층과 더불어 큰 방향족 구조가 더욱 많이 형성된 것을 의미한다(Li et al.
반응 후 회수된 활성탄의 수율은 SALAC가 20.8%로 다른 바이오매스 유래 활성탄 수율(CCNSAC∼15.7%, PinusAC∼12.6%, AvicelAC∼6.2%)에 비해 최소 30%∼최대 230% 이상 더 높은 생산성을 보였다.
비표면적 및 기공 부피 분석 결과 약 6 m2/g, 0.003cm3/g 미만이었던 바이오매스의 특성이 활성화 공정 이후 각각 1065 ∼ 2341 m2/g, 0.412 ∼ 1.270 cm3/g으로 크게 향상되었으며 이 중 SALAC의 표면 특성 변화가 가장 두드러지는 것으로 나타났다.
0%에 머물렀다. 열중량분석에서 나타난 SAL의 열분해 거동 특성은 추후 진행될 고온 촉매 활성화 공정 후 생성물의 물성에도 영향을 미칠 것으로 판단된다.
270 cm³/g으로 크게 향상되었으며 이 중 SALAC의 표면 특성 변화가 가장 두드러지는 것으로 나타났다. 제조 활성탄을 각각 페놀, 2,4-D, 카보퓨란 표준용액에 투입한 후 흡착률을 평가한 결과, 모든 유기물질에 대해 90mg/g 이상의 우수한 흡착 성능을 보였다. 결과적으로, SAL의 고탄소 축합 구조가 고온 촉매 활성화 공정 이후 방향족 탄소막층을 함유한 고 비표면적 탄소 소재로 높은 수율로 변환될 수 있으며 더 나아가 유기계 오염 수질에 대한 뛰어난 정화 효율을 나타냈기 때문에 추후 활성탄 전구체 및 친환경 흡착제로써 활용가능성이 높을 것으로 예상된다.
4에 제시하였다. 제조된 활성탄은 국제 순수 응용 화학 연합(International Union of Pure and Applied Chemistry; IUPAC)에서 정한 분류에 따라 제Ⅰ형의 흡착 곡선 형태를 나타내었고 따라서 미세기공 분포가 많은 탄소 소재가 제조되었음을 확인하였다. SALAC의 경우 다른 활성탄에 비해 흡착될 수 있는 가스의 총량 또한 높은 것을 볼 수 있다.
2% (AvicelAC)였고 이는 초기 시료의 탄소 함량과 열중량 분석 후 남은 고형분의 함량 순서와 부합하였다. 특히 SALAC의 탄소 함량은 91.0%로 가장 탄소 집약적인 구조를 나타내었으며 라만 분광법 분석으로 비정질의 거대 방향족 구조로 이루어진 탄소막층이 다른 활성탄에 비해 더 많이 존재하는 것을 확인하였다. 비표면적 및 기공 부피 분석 결과 약 6 m²/g, 0.
회수된 활성탄(activated carbon; AC)은 시료의 종류에 따라 SALAC, CCNSAC, PinusAC, AvicelAC로 각각 명명하였다.

후속연구

제조 활성탄을 각각 페놀, 2,4-D, 카보퓨란 표준용액에 투입한 후 흡착률을 평가한 결과, 모든 유기물질에 대해 90mg/g 이상의 우수한 흡착 성능을 보였다. 결과적으로, SAL의 고탄소 축합 구조가 고온 촉매 활성화 공정 이후 방향족 탄소막층을 함유한 고 비표면적 탄소 소재로 높은 수율로 변환될 수 있으며 더 나아가 유기계 오염 수질에 대한 뛰어난 정화 효율을 나타냈기 때문에 추후 활성탄 전구체 및 친환경 흡착제로써 활용가능성이 높을 것으로 예상된다.
따라서 바이오매스에 직접적인 촉매 활성화 공정을 적용하여 제조한 활성탄을 유기오염 물질이 함유된 수질에 투입할 경우 효과적으로 오염 물질을 제거할 수 있었다. 더 나아가, 제조 공정 및 활성탄의 물성을 종합적으로 고려해보았을 때 SAL를 이용한 활성탄을 제조할 경우 다른 바이오매스 시료에 비해 더욱 높은 비표면적을 지닌 탄소집약적인 활성탄을 고수율로 획득할 수 있을 뿐만 아니라 유기오염 수질에 대한 친환경 흡착제로 사용하였을 때 수질 정화능력 또한 우수한 결과를 나타내었으므로 활성탄 전구체로의 활용 가능성이 높을 것으로 판단된다.
이러한 연구들은 주로 리그닌의 구조를 변형 혹은 와해하여 활용하는 것에 초점이 맞춰져 있지만 황산 처리 후 리그닌은 특유의 축합된 구조로 인해 반응성이 낮을 뿐만 아니라 용매 용해도가 떨어지기 때문에 저분자화 활용에 어려움이 따른다고 알려져 있다(Yasuda, 1981). 따라서 거대 분자 상태인 황산리그닌을 직접적으로 활용하기 위한 방법으로 촉매 활성화 공정을 적용하여 나노 세공을 갖는 활성탄을 제조하는 방안이 있으며 고형분인 황산리그닌은 탄소집약적인 유기물이기 때문에 이를 활성탄의 원료로 사용할 경우 고탄소 물질을 제조할 수 있으며 공정 부산물을 활용함으로써 경제적 이익 창출과 더불어 친환경적인 활성탄 원료 개발도 가능할 것으로 기대된다.
, 2011). 또한 최초 시료의 높은 탄소 함량은 촉매인 KOH와의 반응 빈도를 높일 뿐만 아니라 층간 결합 팽창 이후 구조의 붕괴를 막을 수 있는 골격 지지 역할을 하기 때문에 개질 특성이 보다 더 두드러질 수 있을 것으로 사료된다. 또한 이 과정에서 구조의 변형이 일어남에 따라 새로운 미세기공 또한 생성될 수 있으며 SALAC의 총 기공 부피 중 약 94.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	활성탄의 활용 분야는 어디인가?	활성탄은 비표면적이 높고 내부 기공을 많이 보유하고 있는 탄소 소재로 외부 물질과의 반응성이 높아 폐수처리, 식음료 가공, 카본필터 및 전극 부품 소재와 같은 산업 분야에 활용되고 있다. Grand View Research사에서 발행한 ‘Activated Carbon Market Size & Share, Industry Report, 2024’에 따르면 전 세계에서 활성탄 소비량이 가장 많은 미국 활성탄 시장의 수익은 2014년 7억 USD에서 2024년 약 25억 USD 이상으로, 깨끗한 음용수에 대한 소비와 수요가 증가하고 산업 오염 공기의 배출을 완화하려는 노력에 따라 그 필요성은 점차 증가할 전망이다(Grand View Research, 2016).
	황산리그닌은 어떤 공정의 부산물로 얻어지게 되는가?	한편, 황산리그닌은 진한 황산을 사용하여 바이오매스를 가수분해하고 난 후 남는 진한 갈색의 고형분으로 바이오에탄올 및 당화 공정의 부산물로 다량 얻어지고 있다. 바이오매스의 전수 활용과 공정의 경제 효율성을 높이기 위하여 공정 중 생산되는 부산물을 산업적 용도로 활용하고자 하는 시도가 주목 받고 있으며 현재까지 황산리그닌의 활용 방안으로 표면을 개질하여 수용성을 향상시키려는 연구(Matsushita et al.
	황산 처리 후 리그닌은 특유의 축합된 구조로 인하여 저분자화 활용에 어려움이 따르는데, 이를 해결하기 위한 방안은 무엇인가?	이러한 연구들은 주로 리그닌의 구조를 변형 혹은 와해하여 활용하는 것에 초점이 맞춰져 있지만 황산 처리 후 리그닌은 특유의 축합된 구조로 인해 반응성이 낮을 뿐만 아니라 용매 용해도가 떨어지기 때문에 저분자화 활용에 어려움이 따른다고 알려져 있다(Yasuda, 1981). 따라서 거대 분자 상태인 황산리그닌을 직접적으로 활용하기 위한 방법으로 촉매 활성화 공정을 적용하여 나노 세공을 갖는 활성탄을 제조하는 방안이 있으며 고형분인 황산리그닌은 탄소집약적인 유기물이기 때문에 이를 활성탄의 원료로 사용할 경우 고탄소 물질을 제조할 수 있으며 공정 부산물을 활용함으로써 경제적 이익 창출과 더불어 친환경적인 활성탄 원료 개발도 가능할 것으로 기대된다.

참고문헌 (28)

Journal of Environmental Science and Health Part B Aksu 40 4 545 2005 10.1081/PFC-200061533 Adsorption characteristics of 2, 4-dichlorophenoxyacetic acid (2, 4-D) from aqueous solution on powdered activated carbon

상세보기
Fuel Angin 115 804 2014 10.1016/j.fuel.2013.04.060 Production and characterization of activated carbon from sour cherry stones by zinc chloride

상세보기
Canadian Journal of Chemistry Arseneau 49 4 632 1971 10.1139/v71-101 Competitive reactions in the thermal decomposition of cellulose

상세보기
Chemical Engineering Journal Choy 109 1 147 2005 10.1016/j.cej.2005.02.030 Production of activated carbon from bamboo scaffolding waste-process design, evaluation and sensitivity analysis

상세보기
Journal of Civil and Environmental Engineering Cruz 2 2 1 2012 Production of activated carbon from cocoa (Theobroma cacao) pod husk
Microporous and Mesoporous Materials Fierro 101 3 419 2007 10.1016/j.micromeso.2006.12.004 Methodical study of the chemical activation of Kraft lignin with KOH and NaOH

상세보기
Chemical Engineering Journal Foo 180 66 2012 10.1016/j.cej.2011.11.002 Factors affecting the carbon yield and adsorption capability of themangosteen peel activated carbon prepared by microwave assisted K2CO3 activation

상세보기
Journal of Analytical and Applied Pyrolysis Gonzalez 85 1 134 2009 10.1016/j.jaap.2008.11.035 Pyrolysis of various biomass residues and char utilization for the production of activated carbons

상세보기
Grand View Research 2016 Activated Carbon Market Analysis By Product (Powdered Activated Carbon (PAC), Granular Activated Carbon (GAC)), By Application (Liquid Phase, Gas Phase), By End-Use (Water Treatment, Food & Beverages, Pharmaceutical & Medical, Automotive, Air Purification) And Segment Forecasts To 2024
Chemical Engineering Journal Hidajat 317 9 2017 10.1016/j.cej.2017.02.045 Depolymerization of concentrated sulfuric acid hydrolysis lignin to high-yield aromatic monomers in basic sub-and supercritical fluids

상세보기
RSC Advances Hwang 7 67 42192 2017 10.1039/C7RA06910C Manufacturing a super-active carbon using fast pyrolysis char from biomass and correlation study on structural features and phenol adsorption

상세보기
Fuel Li 85 12 1700 2006 10.1016/j.fuel.2006.03.008 FT-Raman spectroscopic study of the evolution of char structure during the pyrolysis of a Victorian brown coal

상세보기
Bioresource Technology Matsushita 100 2 1024 2009 10.1016/j.biortech.2008.07.026 Solubilization and functionalization of sulfuric acid lignin generated during bioethanol production from woody biomass

상세보기
Journal of wood science Matsushita 57 3 214 2011 10.1007/s10086-010-1158-6 Conversion of sulfuric acid lignin generated during bioethanol production from lignocellulosic materials into polyesters with ε-caprolactone

상세보기
Composites Part A: Applied Science and Manufacturing Nair 31 11 1231 2000 10.1016/S1359-835X(00)00083-X Rheological behavior of short sisal fiber-reinforced polystyrene composites

상세보기
Chemical Engineering Journal Njoku 173 2 391 2011 10.1016/j.cej.2011.07.075 Preparation and characterization of activated carbon from corncob by chemical activation with H3PO4 for 2, 4-dichlorophenoxyacetic acid adsorption

상세보기
Fuel Processing Technology Ozdemir 125 200 2014 10.1016/j.fuproc.2014.04.002 Preparation and characterization of activated carbon from grape stalk by zinc chloride activation

상세보기
International Journal of Chemical and Biomolecular Engineering Qureshi 1 3 145 2008 Physical and chemical analysis of activated carbon prepared from sugarcane bagasse and use for sugar decolorisation
Fuel Riaz 172 238 2016 10.1016/j.fuel.2015.12.051 High-yield and high-calorific bio-oil production from concentrated sulfuric acid hydrolysis lignin in supercritical ethanol

상세보기
Nanotechnology Romanos 23 1 015401 2011 10.1088/0957-4484/23/1/015401 Nanospace engineering of KOH activated carbon

상세보기
Desalination Salman 256 1 129 2010 10.1016/j.desal.2010.02.002 Adsorption of 2, 4-dichlorophenoxyacetic acid and carbofuran pesticides onto granular activated carbon

상세보기
Journal of Applied Physics Shimodaira 92 2 902 2002 10.1063/1.1487434 Raman spectroscopic investigations of activated carbon materials

상세보기
Determination of ash in biomass. Laboratory Analytical Procedure (LAP) Sluiter 2008
Sluiter A Hames B Ruiz R Scarlata C Sluiter J Templeton D Determination of structural carbohydrates and lignin in biomass: laboratory analytical procedure (LAP) 2008 April. NREL Report No. Contract No.: DE-AC36-99-G010337. Sponsored by the US Department of Energy 2010 Golden, CO National Renewable Energy Laboratory
Carbon Wang 69 101 2014 10.1016/j.carbon.2013.11.070 Correlation between the adsorption ability and reduction degree of graphene oxide and tuning of adsorption of phenolic compounds

상세보기
Chemistry of Materials Wang 2 5 557 1990 10.1021/cm00011a018 Raman spectroscopy of carbon materials: structural basis of observed spectra

상세보기
Fuel Yang 86 12 1781 2007 10.1016/j.fuel.2006.12.013 Characteristics of hemicellulose, cellulose and lignin pyrolysis

상세보기
Mokuzai Gakkaishi Yasuda 27 879 1981 Chemical structure of sulfuric acid lignin IV. Reaction of arylglycerol-β-aryl ether with seventy-two percent sulfuric acid

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증