[논문]부숙도에 따른 우분유래 바이오차의 표면특성과 질소 및 인의 침출 거동 연구

김나은; 이희연; 권기훈; 송호철

doi:10.7857/jsge.2023.28.6.024

부숙도에 따른 우분유래 바이오차의 표면특성과 질소 및 인의 침출 거동 연구
Surface Characteristics of Cattle Manure-derived Biochar: Effects of Manure Aging and Nitrogen/Phosphorus Leaching 원문보기

지하수토양환경 = Journal of soil and groundwater environment, v.28 no.6, 2023년, pp.24 - 32

김나은 (한양대학교 자원환경공학과) , 이희연 (세종대학교 환경에너지융합학과) , 권기훈 (한양대학교 자원환경공학과) , 송호철 (한양대학교 자원환경공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Continuous increase of domestic meat consumption has inevitably increased generation of livestock manure and caused severe environmental impacts on ecosystem and human beings. This work produced biochar from cattle manure samples with different composting aging stages and investigated the properties of the produced biochar. The result of thermogravimetric analysis showed that thermal decomposition of the manure initiated at <600℃. The biochar yield was higher for the manure with a longer pre-composting period due to the elimination of microbially metabolized carbons during composting process. The result of FT-IR analysis showed that the number of surface functional groups were reduced during pyrolysis while enhancing the graphitic structures of the carbon framework. Manure samples tended to leach out N and P in leaching tests, with its amount higher for aged one than fresh one. However, their leaching was substantially suppressed when the manure was produced into biochar. In XPS spectra, it was found that N and P in the manure incorporated into biochar surface to form N-doped graphitic carbon and P-N-moieties, respectively. The findings of this work suggest that the thermochemical process can be of a viable option to valorize into biochar for potential environmental applications as well as to alleviate undesired nutrients loading to the environment.

주제어

표/그림 (6)

그림 Fig. 1. Results from TGA of 3 types of cattle manure (a) M, (b) M-6, (c) M-12.
그림 Fig. 2. FT-IR spectra of 3 types of cattle manure and biochar fabricated at different temperatures (a) M, (b) M-6, (c) M-12.
표 Table 1. Results from elemental analysis of cattle manure and biochar
그림 Fig. 3. Results from nitrogen leaching test of (a) M, (b) M-6, (c) M-12, and that of phosphorus leaching test from (d) M, (e) M-6, (f) M-12.
그림 Fig. 4. XPS spectra of 3 types of cattle manure and biochar fabricated at different temperatures, (a) N 1s, (b) C 1s, (c) P 2p.
그림 Fig. 4. continued

AI 본문요약
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문제 정의

이를 위해 본 연구에서는 부숙화 정도에 따른 3개 우분 시료를 서로 다른 온도에서 열분해하여 그 특성을 분석하고 질소와 인 침출정도를 측정하는 연구를 수행하였다. 열중량분석(Thermogravimetric analysis)을 통해 부숙화 정도가 우분 열분해에 미치는 영향을 확인하였으며, 원소분석(Elemental analyzer)과 푸리에변환적외선분광법(Fourier-transform infrared spectroscopy, FT-IR)을 통해 바이오차 내 원소 결합상태를 분석하였다.

제안 방법

본 연구에서 서로 다른 부숙도(>1일, >6개월, <1년)를 가진 우분 시료를 이용해 바이오차를 생산하였으며 그 특성분석과 N, P 침출 실험을 수행하였다
부숙도에 따른 가축분뇨 열분해 특성을 확인하기 위해 열분해환경에서 TGA 분석을 수행하였으며, 질량감소곡선(TG)과 그 변화율곡선(DTG)을 Fig. 1에 나타냈다.
제작한 바이오차 내 원소조성을 확인하기 위해 Elemental Analyzer(EA3100, EuroVector, Italy)로 원시료와 500, 700℃로 제작한 바이오차 내 C, N, S, H, O 함량을 측정하였다. 원시료 및 바이오차 표면 작용기를 확인하기 위해 FT-IR(Nicolet iN50, Thermo Fisher Scientific, US) 분석을 수행하였다.
제작한 바이오차 내 원소조성을 확인하기 위해 Elemental Analyzer(EA3100, EuroVector, Italy)로 원시료와 500, 700℃로 제작한 바이오차 내 C, N, S, H, O 함량을 측정하였다. 원시료 및 바이오차 표면 작용기를 확인하기 위해 FT-IR(Nicolet iN50, Thermo Fisher Scientific, US) 분석을 수행하였다.
열중량분석(Thermogravimetric analysis)을 통해 부숙화 정도가 우분 열분해에 미치는 영향을 확인하였으며, 원소분석(Elemental analyzer)과 푸리에변환적외선분광법(Fourier-transform infrared spectroscopy, FT-IR)을 통해 바이오차 내 원소 결합상태를 분석하였다. 최종적으로, 침출 실험을 통해 바이오차 생산조건에 따른 질소, 인 침출량을 측정하였고, X선 광전자 분광법(X-ray Photoelectron Spectroscopy, XPS)을 통해 침출량 차이의 원인을 규명하고자 하였다.

이론/모형

이를 위해 본 연구에서는 부숙화 정도에 따른 3개 우분 시료를 서로 다른 온도에서 열분해하여 그 특성을 분석하고 질소와 인 침출정도를 측정하는 연구를 수행하였다. 열중량분석(Thermogravimetric analysis)을 통해 부숙화 정도가 우분 열분해에 미치는 영향을 확인하였으며, 원소분석(Elemental analyzer)과 푸리에변환적외선분광법(Fourier-transform infrared spectroscopy, FT-IR)을 통해 바이오차 내 원소 결합상태를 분석하였다. 최종적으로, 침출 실험을 통해 바이오차 생산조건에 따른 질소, 인 침출량을 측정하였고, X선 광전자 분광법(X-ray Photoelectron Spectroscopy, XPS)을 통해 침출량 차이의 원인을 규명하고자 하였다.

성능/효과

원소분석 결과, 부숙도가 증가할수록 탄소 함량이 줄어들었으며 열분해 온도가 증가할수록 탄화도가 증가하는 것을 확인하였다. FT-IR 분석 결과, 우분이 부숙되며 작용기가 줄어드는 경향을 나타냈으며 탄화가 진행됨에 따라 C=C, C=C=C를 나타내는 피크가 생성되는 것을 알 수 있었다. 침출 실험 결과, 부숙 기간이 길어질수록 N, P 침출량이 증가하였으며 열분해 과정에서 탄화됨에 따라 침출량이 감소하는 경향을 보였다.
4c). 따라서, 가축 분뇨를 이용해 바이오차를 생산할 경우 400-600℃의 온도로 열분해하는 것이 적합할 것으로 판단된다.
85%로 감소하는 경향을 나타냈다. 바이오차는 모든 시료에서 열분해 온도가 증가할수록 N, C, O 함량이 줄어들고 C 함량이 증가하는 경향을 보였다.
본 연구에서 서로 다른 부숙도(>1일, >6개월, <1년)를 가진 우분 시료를 이용해 바이오차를 생산하였으며 그 특성분석과 N, P 침출 실험을 수행하였다. 열 중량분석 결과, 질소 조건에서 열분해가 진행될 시 300-600℃ 구간에 휘발성 탄소가 휘발되었으며, 부숙 기간이 늘어날수록 잔존하는 질량이 늘어나는 것을 확인하였다. 원소분석 결과, 부숙도가 증가할수록 탄소 함량이 줄어들었으며 열분해 온도가 증가할수록 탄화도가 증가하는 것을 확인하였다.
이는 XPS 분석결과 원분뇨가 부숙됨에 따라 secondary amine에서 primary amine으로 형상이 변화하여 질소와 탄소기반 시료간 결합력이 약해진 결과로 보인다. 우분이 탄화됨에 따라 N 성분이 탄소 결정구조에 포함되어 N-doped graphitic carbon을 형성하였으며 이에 따라 침출량이 감소하는 것을 확인하였다. P 또한 질소와 같이 탄화됨에 따라 C, N과 결합하며 침출량이 적어지는 것을 확인하였다.
열 중량분석 결과, 질소 조건에서 열분해가 진행될 시 300-600℃ 구간에 휘발성 탄소가 휘발되었으며, 부숙 기간이 늘어날수록 잔존하는 질량이 늘어나는 것을 확인하였다. 원소분석 결과, 부숙도가 증가할수록 탄소 함량이 줄어들었으며 열분해 온도가 증가할수록 탄화도가 증가하는 것을 확인하였다. FT-IR 분석 결과, 우분이 부숙되며 작용기가 줄어드는 경향을 나타냈으며 탄화가 진행됨에 따라 C=C, C=C=C를 나타내는 피크가 생성되는 것을 알 수 있었다.
, 1970). 위 실험 결과를 통해 P가 N과 유사하게 바이오차 내 결정화된 탄소고리와 결합하여 침출량이 적어진다는 것을 확인하였다.
FT-IR 분석 결과, 우분이 부숙되며 작용기가 줄어드는 경향을 나타냈으며 탄화가 진행됨에 따라 C=C, C=C=C를 나타내는 피크가 생성되는 것을 알 수 있었다. 침출 실험 결과, 부숙 기간이 길어질수록 N, P 침출량이 증가하였으며 열분해 과정에서 탄화됨에 따라 침출량이 감소하는 경향을 보였다. 이는 XPS 분석결과 원분뇨가 부숙됨에 따라 secondary amine에서 primary amine으로 형상이 변화하여 질소와 탄소기반 시료간 결합력이 약해진 결과로 보인다.

후속연구

P 또한 질소와 같이 탄화됨에 따라 C, N과 결합하며 침출량이 적어지는 것을 확인하였다. 본 연구 결과는 열분해를 통한 바이오차 생산이 부영영화를 유발하는 영양염류 유출을 저감할 수 있을 뿐 아니라 수처리 및 산업 분야에서 촉매 성능을 개선하는데 뛰어난 성능을 보이고 있는 N-doped graphitic carbon을 형성함으로써 추후 다양한 분야에 활용될 수 있다.

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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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