오거 반응기를 이용하여 해조류 바이오매스인 다시마로부터 열분해 오일 제조 실험을 수행하였으며, 열분해 오일의 물리화학적 특성을 살펴보았다. 주요 공정 변수인 열분해 온도 및 오거 컨베이어 속도의 최적 조건은 각각 $412^{\circ}C$, 20 rpm이었으며, 이 때 열분해 오일의 최대 수율은 32 wt%이었다. 낮은 탄소 함량 및 높은 산소 함량으로 인해, 다시마 유래 열분해 오일의 발열량($23.6MJ\;kg^{-1}$)은 기존 화석연료의 약 60% 이었다. 열분해 오일의 GC/MS 분석 결과, 1,4-Anhydro-d-galactitol, dianhydromannitol, 1-hydroxy 2-propanone, isosorbide 등이 주요 화합물로 확인되었다. 촤는 탄소 함량이 낮고 산소함량이 높아 발열량($13.0MJ\;kg^{-1}$)이 낮으며 다량의 무기 성분 및 황을 포함하고 있는 것으로 확인되었다.
오거 반응기를 이용하여 해조류 바이오매스인 다시마로부터 열분해 오일 제조 실험을 수행하였으며, 열분해 오일의 물리화학적 특성을 살펴보았다. 주요 공정 변수인 열분해 온도 및 오거 컨베이어 속도의 최적 조건은 각각 $412^{\circ}C$, 20 rpm이었으며, 이 때 열분해 오일의 최대 수율은 32 wt%이었다. 낮은 탄소 함량 및 높은 산소 함량으로 인해, 다시마 유래 열분해 오일의 발열량($23.6MJ\;kg^{-1}$)은 기존 화석연료의 약 60% 이었다. 열분해 오일의 GC/MS 분석 결과, 1,4-Anhydro-d-galactitol, dianhydromannitol, 1-hydroxy 2-propanone, isosorbide 등이 주요 화합물로 확인되었다. 촤는 탄소 함량이 낮고 산소함량이 높아 발열량($13.0MJ\;kg^{-1}$)이 낮으며 다량의 무기 성분 및 황을 포함하고 있는 것으로 확인되었다.
Pyrolysis of Saccharina japonica in an Auger reactor was conducted by varying the temperature and the auger speed and then physicochemical properties of the S. japonica-derived pyrolysis oil were analyzed. The maximum yield of S. japonica-derived pyrolysis oil (32 wt%) was obtained at a pyrolysis te...
Pyrolysis of Saccharina japonica in an Auger reactor was conducted by varying the temperature and the auger speed and then physicochemical properties of the S. japonica-derived pyrolysis oil were analyzed. The maximum yield of S. japonica-derived pyrolysis oil (32 wt%) was obtained at a pyrolysis temperature of $412^{\circ}C$ and an auger speed of 20 rpm. Due to low carbon content and high oxygen content in the pyrolysis oil, the higher heating value of S. japonica-derived pyrolysis oil was $23.6MJ\;kg^{-1}$, which was about 60% that of conventional hydrocarbon fuels. By GC/MS analysis, 1,4-Anhydro-d-galactitol, dianhydromannitol, 1-hydroxy 2-propanone and isosorbide were identified as the main chemical compounds of S. japonica-derived pyrolysis oil. The bio-char has low higher heating value ($13.0MJ\;kg^{-1}$) due to low carbon content and high oxygen content and contains a large amount of inorganic components and sulfur.
Pyrolysis of Saccharina japonica in an Auger reactor was conducted by varying the temperature and the auger speed and then physicochemical properties of the S. japonica-derived pyrolysis oil were analyzed. The maximum yield of S. japonica-derived pyrolysis oil (32 wt%) was obtained at a pyrolysis temperature of $412^{\circ}C$ and an auger speed of 20 rpm. Due to low carbon content and high oxygen content in the pyrolysis oil, the higher heating value of S. japonica-derived pyrolysis oil was $23.6MJ\;kg^{-1}$, which was about 60% that of conventional hydrocarbon fuels. By GC/MS analysis, 1,4-Anhydro-d-galactitol, dianhydromannitol, 1-hydroxy 2-propanone and isosorbide were identified as the main chemical compounds of S. japonica-derived pyrolysis oil. The bio-char has low higher heating value ($13.0MJ\;kg^{-1}$) due to low carbon content and high oxygen content and contains a large amount of inorganic components and sulfur.
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문제 정의
본 연구에서는 바이오매스의 연속공급이 가능한 오거 반응기를 이용하여 해조류 바이오매스인 다시마의 열분해를 수행하였다. 열분해 공정 조건을 최적화하였으며, 공정 조건이 열분해 생성물의 분포와 열분해 오일의 물리화학적 특성에 미치는 영향을 살펴 보았다. 또한, GC/MS를 이용한 정성 분석을 통해 열분해 오일의 주요 화합물을 확인하였으며, 상기의결과를 토대로 다시마 유래 열분해 오일의 연료 및 화학원료서의 활용가능성을 평가하였다.
제안 방법
1% 이상인 화합물에 대해서 상세 분석을 수행하였다. 검출된 화합물을 비교분석하기 위해 acids, alcohols, cyclic ketones, ketones, furans, phenol, sugar, 기타 분류되지 않은 others 및 확인할 수 없는 unknowns 그룹으로 분류하였다.
다시마의 열분해로 생성된 촤의 물리화학적 특성을 살펴보기 위해 열중량 분석, 원소 분석, 무기물 분석을 수행하였으며 그 결과를 Table 4와 Figure 6에 나타내었다. 다시마와 비교하였을 때(Table 1), 촤의 탄소 및 수소 함량이 크고 산소 함량은 작지만, 기존 고체연료대비 발열량(13.
열분해 공정 조건을 최적화하였으며, 공정 조건이 열분해 생성물의 분포와 열분해 오일의 물리화학적 특성에 미치는 영향을 살펴 보았다. 또한, GC/MS를 이용한 정성 분석을 통해 열분해 오일의 주요 화합물을 확인하였으며, 상기의결과를 토대로 다시마 유래 열분해 오일의 연료 및 화학원료서의 활용가능성을 평가하였다.
열분해 실험 전에 반응시스템을 환원 분위기로 만들기 위해 질소를 흘리면서 반응기의 온도를 실험 온도까지 가열하였다. 반응시스템의 온도가 안정화 되면 미리 건조된 시료를 정량하여 호퍼에 투입하여 열분해 실험을 수행하였다.
본 연구에서는 바이오매스의 연속공급이 가능한 오거 반응기를 이용하여 해조류 바이오매스인 다시마의 열분해를 수행하였다. 열분해 공정 조건을 최적화하였으며, 공정 조건이 열분해 생성물의 분포와 열분해 오일의 물리화학적 특성에 미치는 영향을 살펴 보았다.
열분해 오일에 포함되어 있는 주요 화합물을 확인하기 위해 GC/MS를 이용하여 정성 분석을 수행하였다. 분석 결과 100종 이상의 피크가 검출되었으며 NIST library를 이용하여 일치도 80%, 면적 0.1% 이상인 화합물에 대해서 상세 분석을 수행하였다. 검출된 화합물을 비교분석하기 위해 acids, alcohols, cyclic ketones, ketones, furans, phenol, sugar, 기타 분류되지 않은 others 및 확인할 수 없는 unknowns 그룹으로 분류하였다.
열분해 생성물 분포에 영향을 주는 공정 조건 영향을 살펴보기 위하여 열분해 온도(200 ~ 455 ℃) 및 열분해 증기의 체류속도에 영향을 미치는 오거 컨베이어 속도(10 ~ 70 rpm)를 변화시켜 가면서 열분해 실험을 수행하였다. 열분해 생성물인 열분해 오일과 촤의 수율은 실험 종료 후 각각의 회수장치에서 포집된 무게를 측정하여 계산하였으며, 바이오가스는 밸런스로 계산하였다.
열분해 생성물의 분포에 가장 큰 영향을 미치는 열분해 온도에 따른 열분해 생성물의 분포를 살펴보기 위해 다시마의 공급속도(180 g h-1)를 고정하고 오거 반응기를 이용하여 열분해 실험을 수행하였으며 그 결과를 Figure 3에 나타내었다. 액상 생성물인 열분해 오일의 수율은 열분해 온도에 따라 증가하여 약 410 ℃에서 최대인 26.
열분해 생성물 분포에 영향을 주는 공정 조건 영향을 살펴보기 위하여 열분해 온도(200 ~ 455 ℃) 및 열분해 증기의 체류속도에 영향을 미치는 오거 컨베이어 속도(10 ~ 70 rpm)를 변화시켜 가면서 열분해 실험을 수행하였다. 열분해 생성물인 열분해 오일과 촤의 수율은 실험 종료 후 각각의 회수장치에서 포집된 무게를 측정하여 계산하였으며, 바이오가스는 밸런스로 계산하였다.
열분해 시료인 다시마의 물리화학적 특성을 파악하기 위하여 원소분석, 열중량 분석 및 무기물 분석을 수행하였다. 다시마의 탄소 함량은 목질계 바이오매스보다 낮고, 산소함량은 높으며, 다시마에는 미량인 황의 함량이 상대적으로 높은 것을 확인할 수 있었다(Table 1) [17].
열분해 반응시스템은 크게 바이오매스가 투입되는 호퍼, 오거 컨베이어, 컨덴서, 바이오촤 회수장치, 열분해 오일 회수장치로 구성되어 있다. 열분해 실험 전에 반응시스템을 환원 분위기로 만들기 위해 질소를 흘리면서 반응기의 온도를 실험 온도까지 가열하였다. 반응시스템의 온도가 안정화 되면 미리 건조된 시료를 정량하여 호퍼에 투입하여 열분해 실험을 수행하였다.
열분해 오일에 포함되어 있는 주요 화합물을 확인하기 위해 GC/MS를 이용하여 정성 분석을 수행하였다. 분석 결과 100종 이상의 피크가 검출되었으며 NIST library를 이용하여 일치도 80%, 면적 0.
다시마 유래 열분해 오일은 두 층으로 구분되었으며, 육안으로 관찰하였을 때 상부는 옅은 갈색으로 다량의 수분이 포함된 수분층으로 생각되며 하부는 진한 갈색으로 다양한 열분해 생성물이 포함된 오일층으로 생각된다. 열분해 오일의 수율이 최대인 조건(열분해 온도 410 ℃, 오거 컨베이어 속도 20 rpm)에서 제조한 열분해 오일의 수분층 및 오일층을 각각 샘플링하여 상기 분석을 수행하였으며 그 결과를 Table 2에 나타내었다. 수분층은 대부분이 물이며 열분해로 생성된 유기화합물이 미량 포함되어 있기 때문에 발열량이 낮아 연료로서의 활용가치는 낮지만, 유기산이나 케톤과 같이 물에 녹는 유용한 물질을 선택적으로 제조할 수 있으면 화학산업의 기초원료로 활용 가능하다고 생각된다.
액체연료로서 열분해 오일의 품질을 확인하기 위해 원소 분석, 수분 분석, 전산가 분석을 수행하였으며, 원소 분석 결과를 토대로 Dulong’s equation을 이용하여 이론적으로 발열량을 계산하였다[18]. 열분해 오일의 주요 화합물을 정성적으로 확인하기 위해 열분해 오일을 아세톤에 희석시켜 GC/MS(Agilent 5975C, HP-5MS capillary column) 분석을 수행하였다.
6 MJ kg-1)도 낮게 나타났다. 열중량 분석을 통해 다시마의 주요 열분해 구간은 200 ~ 550 ℃라는 것을 확인하였으며, 이를 이용해 수분, 휘발분, 재 및 고정탄소의 함량을 계산하였다(Figure 1).
오거 반응기를 이용하여 다시마로부터 제조한 열분해 오일의 연료로서의 활용가능성을 평가하기 위해 원소 분석, 전산가 분석을 수행하였다. 다시마 유래 열분해 오일은 두 층으로 구분되었으며, 육안으로 관찰하였을 때 상부는 옅은 갈색으로 다량의 수분이 포함된 수분층으로 생각되며 하부는 진한 갈색으로 다양한 열분해 생성물이 포함된 오일층으로 생각된다.
오거 반응기를 이용하여 해조류 바이오매스인 다시마의 열분해 실험을 수행하여, 열분해 오일 수율이 최대가 되는 공정조건을 최적화하고 열분해 오일 및 촤의 특성 분석을 통해 연료 및 화학원료서의 활용가능성을 평가하였다. 열분해 오일 수율에 영향을 미치는 주요 인자인 열분해 온도(200 ~ 455℃)와 오거 컨베이어 속도(10 ~ 70 rpm)를 변화시키면서 실험한 결과, 최적 조건은 열분해 온도 412 ℃, 오거 컨베이어 속도 20 rpm 이었으며, 이 때 열분해 오일, 촤 및 가스의 수율은 각각 32, 31.
주요 열분해 생성물인 촤의 물리화학적 특성을 확인하기 위해 열중량 분석, 무기물 분석, 원소 분석을 수행하였으며 원소 분석 결과를 이용하여 이론적으로 발열량을 계산하였다.
체류시간이 열분해 생성물 분포에 미치는 영향을 살펴보기 위하여 열분해 온도는 최적의 온도로 판단되는 410 ℃로 고정하고, 오거 컨베이어 속도를 10 ~ 70 rpm으로 변화시켜 가면서 열분해 실험을 수행하였으며, 그 결과를 Figure 4에 나타내었다. 열분해 오일의 수율은 최대 32 wt%이었으며, 이때의 촤 및 가스의 수율은 각각 31.
대상 데이터
열분해 시료로 전라남도 완도군에서 수확한 다시마(Saccharina japonica)를 이용하였다. 다시마는 분쇄 후 입도 1.7 ~ 4.7 mm 사이의 입자를 선별하여 실험에 사용하였으며, 수분이 열분해에 미치는 영향을 최소화하기 위해 실험 전에 105 ℃에서 24시간 이상 건조 후 사용하였다.
열분해 시료로 전라남도 완도군에서 수확한 다시마(Saccharina japonica)를 이용하였다. 다시마는 분쇄 후 입도 1.
데이터처리
액체연료로서 열분해 오일의 품질을 확인하기 위해 원소 분석, 수분 분석, 전산가 분석을 수행하였으며, 원소 분석 결과를 토대로 Dulong’s equation을 이용하여 이론적으로 발열량을 계산하였다[18].
성능/효과
다시마 유래 열분해 오일의 주요 화합물은 열분해 온도에 상관없이 1,4-Anhydro-d-galactitol, dianhydromannitol, 1-hydroxy 2-propanone, isosorbide 등임을 확인할 수 있었다(Table 3). 문헌에 보고된 유동층 반응기에서의 주요 화합물과 비교하면[14,16], 고분자 화합물인 sugar류의 함량이 높게 나타났는데 이는 유동층 반응기에 비해 오거 반응기의 낮은 열전달 속도로 인해 다시마의 열분해 반응이 충분히 일어나지 않았기 때문이라고 생각된다.
열분해 시료인 다시마의 물리화학적 특성을 파악하기 위하여 원소분석, 열중량 분석 및 무기물 분석을 수행하였다. 다시마의 탄소 함량은 목질계 바이오매스보다 낮고, 산소함량은 높으며, 다시마에는 미량인 황의 함량이 상대적으로 높은 것을 확인할 수 있었다(Table 1) [17]. 이러한 화학적 특성으로 인해 다시마의 발열량(11.
또한, 열분해 오일내의 주요 화합물을 열분해 온도에 따라 그룹별로 분류한 결과, 다시마의 탄수화물이 1차 분해되어 생성되는 sugar 그룹의 함량이 열분해 온도에 상관없이 가장 높았으며, sugar류의 열분해로 인해 생성되는 cyclic ketones, furans 및 ketones 류의 함량이 높게 나타났다(Figure 5). 목질계 바이오매스의 주요 열분해 화합물인 phenol 그룹 화합물은 미량이었으며 이는 해조류 바이오매스와 목질계 바이오매스의 주요 구성 성분인 차이에 의한 것으로 생각된다.
오거 반응기를 이용하여 해조류 바이오매스인 다시마의 열분해 실험을 수행하여, 열분해 오일 수율이 최대가 되는 공정조건을 최적화하고 열분해 오일 및 촤의 특성 분석을 통해 연료 및 화학원료서의 활용가능성을 평가하였다. 열분해 오일 수율에 영향을 미치는 주요 인자인 열분해 온도(200 ~ 455℃)와 오거 컨베이어 속도(10 ~ 70 rpm)를 변화시키면서 실험한 결과, 최적 조건은 열분해 온도 412 ℃, 오거 컨베이어 속도 20 rpm 이었으며, 이 때 열분해 오일, 촤 및 가스의 수율은 각각 32, 31.9, 36.1 wt% 이었다. 최적 조건에서 제조된 열분해 오일의 특성 분석 결과, 다시마 유래 열분해 오일의 발열량(23.
열분해 오일의 GC/MS 분석을 통해 확인된 다시마 유래 열분해 오일의 주요 화합물은 sugar > cyclic ketones > ketones > furans > acids 순이었다.
체류시간이 열분해 생성물 분포에 미치는 영향을 살펴보기 위하여 열분해 온도는 최적의 온도로 판단되는 410 ℃로 고정하고, 오거 컨베이어 속도를 10 ~ 70 rpm으로 변화시켜 가면서 열분해 실험을 수행하였으며, 그 결과를 Figure 4에 나타내었다. 열분해 오일의 수율은 최대 32 wt%이었으며, 이때의 촤 및 가스의 수율은 각각 31.9, 35.1 wt%이었다. 또한, 열분해 오일의 수율이 최대가 되는 오거 컨베이어 속도를 확인하기 위해 Figure 4의 열분해 오일 수율 곡선은 spline 형태로 표시하였으며, 이를 통해 확인한 열분해 오일의 수율이 최대가 되는 최적 컨베이어 속도는 약 23 rpm 이었다.
열분해 온도가 증가함에 따라 acids, ketones류 화합물이 분해되어 감소하는 것을 확인할 수 있으며, 동시에 고온에서 생성된 열분해 증기의 재결합 반응으로 인해 unknowns류가 증가하는 경향을 나타내었다(Table 3, Figure 5). 상기의 결과로부터 다시마 유래 열분해 오일에는 acids, sugar 및 ketones류 등과 같은 유용한 화합물이 포함되어 있으므로, 이 중에서 고부가가치의 화합물을 선택적으로 제조 또는 분리할 수 있으면 다양한 화학산업의 기초 원료로 활용 가능하다고 판단된다.
3 wt%를 나타내었으며 그 이상의 온도에서는 감소하였다. 촤의 수율은 열분해 온도가 증가함에 따라 감소하였으며, 이와 반대로 가스 생성물은 증가하는 경향을 나타내었다. 이는 저온에서는 다시마의 열분해가 충분히 이루어지지 않았기 때문에 촤의 수율이 상대적으로 높게 나타났으며, 고온에서는 다시마의 1차 열분해로 생성되는 열분해 증기(pyrolysis vapor)가 온도가 증가함에 따라 2차 분해가 일어나며 동시에 촤의 분해 반응이 일어나기 때문이라고 생각된다[19].
1 wt% 이었다. 최적 조건에서 제조된 열분해 오일의 특성 분석 결과, 다시마 유래 열분해 오일의 발열량(23.6 MJ kg-1)은 기존 화석연료(40 MJ kg-1)의 약 60% 이며 높은 수분 함량 및 산도를 나타내었다. 열분해 오일의 GC/MS 분석을 통해 확인된 다시마 유래 열분해 오일의 주요 화합물은 sugar > cyclic ketones > ketones > furans > acids 순이었다.
후속연구
열분해 온도가 증가함에 따라 acids, ketones류 화합물이 분해되어 감소하는 것을 확인할 수 있으며, 동시에 고온에서 생성된 열분해 증기의 재결합 반응으로 인해 unknowns류가 증가하는 경향을 나타내었다(Table 3, Figure 5). 상기의 결과로부터 다시마 유래 열분해 오일에는 acids, sugar 및 ketones류 등과 같은 유용한 화합물이 포함되어 있으므로, 이 중에서 고부가가치의 화합물을 선택적으로 제조 또는 분리할 수 있으면 다양한 화학산업의 기초 원료로 활용 가능하다고 판단된다.
열분해 오일의 GC/MS 분석을 통해 확인된 다시마 유래 열분해 오일의 주요 화합물은 sugar > cyclic ketones > ketones > furans > acids 순이었다. 열분해 오일에는 sugar, ketones, acids 류와 같은 고부가가치의 유용한 화합물이 포함되어 있으므로 다양한 화학산업의 기초 원료로 활용될 수 있는 가능성이 있으며, 수첨탈산소 공정을 이용하여 열분해 오일의 높은 산소 및 질소 함량을 감소시키면 기존 연료를 대체할 수 있는 새로운 에너지원으로 활용할 수 있다고 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
바이오매스는?
지구상에 존재하는 동물, 식물 및 미생물로부터 유래되는 유기 물질과 비화석 물질을 바이오매스라고 한다. 화석연료의 고갈과 전지구적인 기후 변화로 인해 탄소 중립적이며 지속가능한 에너지원으로서 바이오매스가 주목받고 있다.
다시마 유래 열분해 오일의 주요 화합물중 sugar류 함량이 높게 관찰된 이유는?
다시마 유래 열분해 오일의 주요 화합물은 열분해 온도에 상관없이 1,4-Anhydro-d-galactitol, dianhydromannitol, 1-hydroxy 2-propanone, isosorbide 등임을 확인할 수 있었다(Table 3). 문헌에 보고된 유동층 반응기에서의 주요 화합물과 비교하면[14,16], 고분자 화합물인 sugar류의 함량이 높게 나타났는데 이는 유동층 반응기에 비해 오거 반응기의 낮은 열전달 속도로 인해 다시마의 열분해 반응이 충분히 일어나지 않았기 때문이라고 생각된다.
해조류의 특징은?
화석연료의 고갈과 전지구적인 기후 변화로 인해 탄소 중립적이며 지속가능한 에너지원으로서 바이오매스가 주목받고 있다. 이러한 바이오매스 중에 3세대 바이오매스인 해조류는 이산화탄소 흡수 능력이 매우 뛰어나며, 해수에 용해되어 있는 인과 질소를 흡수하여 빠르게 성장하기 때문에 성장에 필요한 에너지 및 영양분의 사용을 최소화할 수 있다[1,2]. 또한, 육상 바이오매스 같이 식량 문제 및 토지 이용 문제를 발생시키지 않아 지속적으로 이용이 가능하므로, 새로운 에너지원으로서 해조류의 발전가능성은 매우 높다고 할 수 있다[2].
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