[논문]반탄화 과정을 통한 바이오매스의 소수성 개선 연구

정재성; 김경민; 정현준; 김규보; 전충환

doi:10.7316/khnes.2019.30.1.49

[국내논문] 반탄화 과정을 통한 바이오매스의 소수성 개선 연구
A Study on the Improved the Hydrophobicity of Torrefied Biomass 원문보기

한국수소 및 신에너지학회 논문집 = Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society, v.30 no.1, 2019년, pp.49 - 57

정재성 (부산대학교 기계공학부) , 김경민 (부산대학교 기계공학부) , 정현준 (한국중부발전 보령발전본부) , 김규보 (부산대학교 화력발전에너지분석기술센터) , 전충환 (부산대학교 기계공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

Biomass, a carbon-neutral fuel, has great advantages because it can replace fossil fuels to reduce greenhouse gas emissions. However, due to its low density, high water content, and hydrophilicity, biomass has disadvantages for transportation and storage. To improve these properties, a pretreatment process of biomass is required. One of the various pre-treatment technologies, torrefacion, makes biomass similar to coal through low-temperature pyrolysis. In this study, torrefacion treatment was carried out at 200, 230, 250, 280, and $300^{\circ}C$ for wood pellet, empty fruit bunch (EFB) and kenaf, and the feasibility of replacing coal with fuel was examined. Hygroscopicity tests were conducted to analyze the hydrophobicity of biomass, and its chemical structure changes were investigated using Infrared spectrum analysis. It was confirmed that the hygroscopicity was decreased gradually as the torrefacion temperature increased according to the hygroscopicity tests. The hydrophilicity was reduced according to the pyrolysis of hemicellulose, cellulose, and lignin of biomass.

Keyword

표/그림 (9)

표 Table 1. Proximate and calorific value analysis of the samples
표 Table 2. Ultimate analysis of the samples
그림 Fig. 1. Correlation between energy yield & mass yield of torre-fied biomass
그림 Fig. 2. Moisture absorption ratio of raw and torrefied (a) wood pellet, (b) EFB, (c) Kenaf
표 Table 3. Equations for HHV
그림 Fig. 3. FT-IR spectra of raw and torrefied (a) wood pellet, (b) EFB, (c) Kenaf
그림 Table 4. The main functional groups of the hemicellulose, cellulose, and lignin
그림 Fig. 4. -OH quantity of biomass from 3,400-3200 cm^-1
그림 Fig. 5. C-O-(H) quantity of biomass from 1,040-1,110 cm^-1

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 목질계 바이오매스인 wood pelle과 empty fruit bunch (EFB), 초본계 바이오매스인 Kenaf을 이용하여 온도 조건에 따른 반탄화 처리를 통하여 연료의 내구성 및 안정성을 증대시키고자 한다. 반탄화 온도에 따른 바이오매스의 소수성 변화를 비교하기 위하여 흡습성 및 화학구조적 특성을 분석하였다.
반탄화 온도에 따른 바이오매스의 소수성 변화를 비교하기 위하여 흡습성 및 화학구조적 특성을 분석하였다. 또한 이를 통하여 석탄을 대체할 수 있는 연료로서의 가능성을 검토하였다.
본 연구에서는 반탄화 온도 조건에 따른 서로 다른 특성을 가지는 세 종류의 바이오매스가 가지는 소수성을 분석하기 위하여 실험을 진행하였다. 그에 따른 흡습성 실험 결과를 Fig.
본 연구의 목표는 서로 다른 특성을 가지는 바이오매스를 대상으로 반탄화 온도 조건에 따른 소수성 변화를 비교 분석하고 이를 에너지수율 및 질량수율과의 상관관계 분석을 통하여 석탄의 대체 연료로서의 이용 가능성을 검토하는 것에 주목적이 있었다. 연료로서의 이용 가능성 알아보기 위하여 목질계 바이오매스인 wood pellet과 EFB, 초본계 바이오매스인 Kenaf를 선정하여 반탄화 온도 조건에 따른 에너지수율 및 질량수율의 상관관계를 도출하였으며, 소수성 특성 변화를 확인하고자 흡습성 실험 및 FT-IR 분석을 진행하였다.
바이오매스의 반탄화 전·후 연료의 소수성 변화 를 화학구조적 측면에서 분석하기 위하여 진행하였다.

제안 방법

본 연구에서는 목질계 바이오매스인 wood pelle과 empty fruit bunch (EFB), 초본계 바이오매스인 Kenaf을 이용하여 온도 조건에 따른 반탄화 처리를 통하여 연료의 내구성 및 안정성을 증대시키고자 한다. 반탄화 온도에 따른 바이오매스의 소수성 변화를 비교하기 위하여 흡습성 및 화학구조적 특성을 분석하였다. 또한 이를 통하여 석탄을 대체할 수 있는 연료로서의 가능성을 검토하였다.
반탄화 처리는 상용 공업분석기(TGA701, LECO, CO., USA)를 사용하였으며, 균일한 반탄화 처리를 위하여 하나의 crucible 당 1.5 g 내외의 연료를 투입하였으며, 연료의 산화 반응을 막기 위하여 질소분위기에서 반탄화를 진행하였다. 반탄화 온도 조건에 따른 소수성 변화를 분석하기 위하여 시료는 200, 230, 250, 280, 300℃ 조건에서 준비되었다.
원 바이오매스 연료 3종과 제조된 반탄화 연료의 공업분석은 공업분석기(TGA701, LECO, CO., USA)를 이용하였으며, 결과값의 신빙성을 위하여 2회에 걸쳐 분석을 진행하였으며, 1회당 약 2.5 g의 연료를 사용하였다. 원소 분석은 원소분석기(Inductar EL cube, Elementar Analysen systeme GmbH, Germany)를 사용하여 분석하였으며, 발열량 측정은 열량계(5E-C6600, CKIC, CO.
실험은 항온항습기(CT-DTH, Coretech Korea, Co., Korea)를 사용하였으며, 국가 표준 규격인 KS F 2205(목재 흡습성 시험)에 의거하여 105±2℃에서 48시간 건조된 연료 1g을 온도 40±1℃, 상대 습도 75±1%로 조정되어 있는 환경에서 진행하였다.
반탄화 처리 전후의 연료의 중량 및 발열량 변화를 이용하여 질량수율(M_Y) 및 에너지수율(E_Y)을 계산하였으며, 계산식은 아래와 같다.
Ibrahim 등⁶⁾의 연구 결과에 의하면 연료의 소수성 변화에 따라 열 효율성이 변화하는 것을 확인할 수 있다. 그렇기 때문에 반탄화 온도에 따른 소수성 변화를 확인하기 위 하여 흡습성 실험을 진행하였다. 실험은 항온항습기(CT-DTH, Coretech Korea, Co.
바이오매스의 반탄화 전·후 연료의 소수성 변화를 화학구조적 특성 변화에 기인하여 분석하기 위하여 적외선 분광분석기(Vertex 80, Bruker Co,. USA)를 이용하여 분석하였다.
분석에 진행된 연료는 105±2℃에서 48시간 건조하였으며, 연료 0.1 mg과 브롬화칼륨(KBr) 0.9 mg을 혼합 및 압축시켜 펠릿형태로 제조하여 3회에 걸쳐 실험하였다.
, Korea)를 사용하였으며, 국가 표준 규격인 KS F 2205(목재 흡습성 시험)에 의거하여 105±2℃에서 48시간 건조된 연료 1g을 온도 40±1℃, 상대 습도 75±1%로 조정되어 있는 환경에서 진행하였다. 연료를 24시간 동안 조습한 후, 연료의 중량 변화에 대한 흡습률을 측정하였으며, 흡습률(M, %) 계산식은 아래와 같다.
시료의 반탄화 온도 조건에 따른 소수성 특성 변화를 정량적으로 비교 분석하기 위하여 -OH와 C-O-(H)가 관찰되는 해당 영역대를 정량화하여 나타내었다(Figs. 4, 5).
본 연구의 목표는 서로 다른 특성을 가지는 바이오매스를 대상으로 반탄화 온도 조건에 따른 소수성 변화를 비교 분석하고 이를 에너지수율 및 질량수율과의 상관관계 분석을 통하여 석탄의 대체 연료로서의 이용 가능성을 검토하는 것에 주목적이 있었다. 연료로서의 이용 가능성 알아보기 위하여 목질계 바이오매스인 wood pellet과 EFB, 초본계 바이오매스인 Kenaf를 선정하여 반탄화 온도 조건에 따른 에너지수율 및 질량수율의 상관관계를 도출하였으며, 소수성 특성 변화를 확인하고자 흡습성 실험 및 FT-IR 분석을 진행하였다. 최종적으로 도출된 연구 결과는 아래와 같다.
2) 수분 흡습량의 정도에 따라 연료가 가지는 열 효율성이 변화하는데, 반탄화 온도에 따른 연료들의 흡습량을 확인하기 위하여 흡습성 실험을 24시간 동안 진행하였다. 그 결과 wood pellet, EFB, Kenaf 모두 반탄화 온도가 상승함에 따라 흡습률이 낮아졌으며, 230-280℃에서 흡습률이 급격하게 감소하였다.
5 g의 연료를 사용하였다. 원소 분석은 원소분석기(Inductar EL cube, Elementar Analysen systeme GmbH, Germany)를 사용하여 분석하였으며, 발열량 측정은 열량계(5E-C6600, CKIC, CO., China)를 이용하였다. 분석들은 American Standards for Testing of Material(ASTM) 기준에 의거하여 분석이 되었다^11,12).

대상 데이터

본 연구에 사용된 시료인 베트남에서 가공된 목질계 바이오매스인 wood pellet, 인도네시아 오일팜 부산물인 EFB와 국내 새만금단지에서 재배한 초본계인 Kenaf를 사용하였다. 화력발전소에서 주로 사용하는 바이오매스 입도는 1 mm 이하이며¹⁰⁾, 이에 준하는 실험을 하기 위하여 600 µm-1 mm의 입도를 가지도록 분쇄(Vibratory disc mill, RS 200, Retsch GmbH, Haan, Germany)하여 사용하였다.
5 g 내외의 연료를 투입하였으며, 연료의 산화 반응을 막기 위하여 질소분위기에서 반탄화를 진행하였다. 반탄화 온도 조건에 따른 소수성 변화를 분석하기 위하여 시료는 200, 230, 250, 280, 300℃ 조건에서 준비되었다. 반탄화 온도에 도달하기 위한 공업분석기의 승온율은 10℃/min으로 설정하였으며, 도달 후 20분간 유지하였다.

이론/모형

, China)를 이용하였다. 분석들은 American Standards for Testing of Material(ASTM) 기준에 의거하여 분석이 되었다^11,12). 반탄화 온도 조건에 따른 공업분석 및 발열량 결과값은 Table 1, 원소 분석값은 Table 2에 나타내었다.

성능/효과

1은 바이오매스의 반탄화 처리 온도에 따른 질량수율과 에너지수율의 상관관계를 나타낸 것이다. 세 종류의 바이오매스 모두 반탄화 온도가 상승함에 따라 질량수율은 감소하지만 에너지수율이 증가하는 것을 확인할 수 있다.
목질계 바이오매스인 wood pellet와 EFB의 발열량은 원 연료에 비교하여 각각 약 3-35%, 6-31% 증가되어 서로 비슷한 양의 발열량이 증가되었다. 이에 반해 초본계 바이오매스인 Kenaf는 17-46%의 발열량이 증가되었다.
초본계 바이오매스인 Kenaf의 흡습률은 목질계와는 큰 차이를 보였다. 원시료 Kenaf의 흡습률은 약 17%로 목질계 바이오매스에 비하여 많은 양의 수분이 흡습되었으며, 반탄화 온도 조건 중 가장 높은 온도인 300℃에서의 흡습률은 11.6%로 원 연료에 비하여 흡습률은 감소하였지만, 목질계 바이오매스의 원시료 흡습률과 비슷하였다.
세 종류의 바이오매스 모두 230-280℃에서 흡습률이 급격히 감소하는 것을 확인할 수 있다. Wood pellet의 흡습률 변화는 원시료 대비 3.
3) 바이오매스의 반탄화 전·후 연료의 소수성 변화를 화학구조에 기인하여 분석하였는데, 소수성 특성 변화에 가장 큰 영향을 미치는 -OH와 C-O-(H) 작용기에 대하여 반탄화 온도가 상승함에 따라 흡광도 피크가 감소하였다.
1) 반탄화 온도가 상승함에 따라 발열량은 탈수, 탈휘발 반응에 의하여 공업분석 및 원소 분석 변화에 기인하여 상승을 하였지만, 상대적으로 높은 온도의 반탄화에서는 질량수율이 감소되어 에너지 수율이 낮아지는 것을 확인하였다.
2) 수분 흡습량의 정도에 따라 연료가 가지는 열 효율성이 변화하는데, 반탄화 온도에 따른 연료들의 흡습량을 확인하기 위하여 흡습성 실험을 24시간 동안 진행하였다. 그 결과 wood pellet, EFB, Kenaf 모두 반탄화 온도가 상승함에 따라 흡습률이 낮아졌으며, 230-280℃에서 흡습률이 급격하게 감소하였다.
또한 해당 영역대를 정량적으로 나타내어 분석한 결과, wood pellet, EFB, Kenaf 모두 230-280℃에서 친수성 작용기의 양이 급격히 감소하는데, 이는 해당 온도 영역대에서의 흡습률이 급격하게 감소하는 결과를 뒷받침하는 근거가 된다.
또한 해당 영역대를 정량적으로 나타내어 분석한 결과, wood pellet, EFB, Kenaf 모두 230-280℃에서 친수성 작용기의 양이 급격히 감소하는데, 이는 해당 온도 영역대에서의 흡습률이 급격하게 감소하는 결과를 뒷받침하는 근거가 된다. 따라서 흡습성 실험 및 화학구조 변화 분석을 통하여 온도에 따른 반탄화 과정은 바이오매스의 소수성 변화에 영향을 미치는 것을 확인할 수 있다.
4) 바이오매스의 에너지수율과 질량수율의 상관 관계, 흡습성 실험 결과 및 화학구조적 특성 변화를 종합하여 보았을 때, 반탄화된 바이오매스는 원 시료에 비하여 발열량과 소수성이 개선되었으므로 석탄을 대체할 수 있다고 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	파리협정의 내용은?	온실가스 감축을 위한 전 세계적인 노력은 20세 기 후반부터 현재까지 계속되고 있다. 2015년 유엔 기후변화협약 당사국총회(COP 21)에서 모든 국가가 온실가스 감축의무를 부담하는 파리협정이 체결됨에 따라, 정부는 2030년 온실가스 배출 전망치 대비 37% 감축하는 목표를 설정하였다1,2). 온실가스문제를 해결하기 위하여 현 정부는 “신재생 3020 이행 계획”을 수립하여 2030년까지 총 발전량의 20%를 재생에너지로 보급하는 목표를 설정하였으며, 그중 5%는 wood pellet과 같은 바이오매스를 사용하여 보급할 계획을 가지고 있다3).
	바이오매스의 특징은?	바이오매스는 탄소중립성을 가지는 연료로 탄소 배출을 고려하지 않기 때문에 화석연료를 대체할 수 있다는 부분에서 큰 이점을 가진다. 따라서 이와 관련된 연구와 활용가치는 시간이 지날수록 더욱 더 커질 것으로 사료된다4).
	반탄화 처리된 바이오매스 연구가 필요한 이유는?	따라서 이와 관련된 연구와 활용가치는 시간이 지날수록 더욱 더 커질 것으로 사료된다4). 하지만 바이오매스는 석탄 과 비교하여 발열량과 밀도가 낮고 높은 수분함량 및 친수성으로 인하여 운송 및 보관 등에 큰 어려움을 가지는데, 이를 개선하기 위하여 다양한 방법의 전 처리 과정을 거치는 경우가 있다. 그중 저온 열분해를 통하여 바이오매스의 탄소비율을 높여 석탄과 비슷한 특성을 가지는 방법인 반탄화 기술이 국내· 외에서 가장 활발하게 연구되고 있다5) .

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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].

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