은행잎 바이오매스로부터 열분해를 통한 활성탄과 바이오연료 생산 :Production of Activated Carbon and Bio-Fuel of Ginkgo Biloba Leaf Biomass through Pyrolysis

황인준

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자료유형: 학위논문

저자정보: 황인준 (강원대학교, 강원대학교 대학원)

지도교수: 김승수

발행연도: 2023

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이 논문의 연구 히스토리 (2)

2023

은행잎 바이오매스로부터 급속 열분해를 통한 바이오-오일 생산 및 특성 연구

황인준 , 전재락 , 김진수 외 1명 청정기술 2023.09 학술저널

은행잎 바이오매스로부터 열분해를 통한 활성탄과 바이오연료 생산

황인준 화학공학과 2023.01 학위논문

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화석연료와 온실가스의 영향으로 지구온난화는 점점 가속화되고 있으며, 이로 인해 발생한 기후변화에 의해 전 세계적으로 많은 피해가 발생하고 있다. 화석연료의 경우 매장량이 한정되어 있고 분포가 편중적이므로 지속적인 자원으로써는 한계점을 가지고 있다. 이와 반대로 바이오매스는 지속적인 공급이 가능하며 탄소중립을 유지할 수 있는 유용한 자원이다. 한국 내에서 바이오매스를 사용한 발전량은 점점 증가하고 있으나 이는 발전부분에 국한된 것이며, 외국에서 바이오매스를 열에너지로써 확장하여 적극적으로 사용하고 있는 것을 고려하였을 때 한국에서의 바이오매스 사용량 매우 저조한 편이다.

은행잎은 그 자체에 존재하는 성분으로 인해 분해가 제대로 진행되지 않으며 처리를 위해 많은 금액이 소요되는 폐기물 바이오매스이다. 폐기물 바이오매스는 추가적 공정인 열분해 과정을 통해 고부가 가치를 갖는 화합물로써 전환될 수 있다. 본 연구에서는 은행잎을 사용한 열분해를 진행하여 은행잎의 재활용에 대한 다음의 연구를 진행하였다.

첫째, 은행잎에 대한 원소분석, 무기물분석, 수분‧회분 함량분석을 통해 물성정보에 대해 파악하였다. 또한 TGA를 사용하여 얻은 DTG데이터를 통해 해당 은행잎의 열분해 특성에 대해서 연구하였으며, 활성화 에너지를 계산을 진행하였다.

둘째, 탄화과정과 물리적 활성화를 통해 활성탄 제조 실험을 진행하였다. 흡착과정에서 흡착질과 흡착제 사이의 상호작용을 이해하기 위하여 등온식 속도식을 적용하였으며, 제조한 활성탄 성능을 확인하였다.

셋째, 기포 유동층 반응기를 사용하여 열분해 생성물을 얻었다. 실험조건에서 온도 400~550 ℃, 최소 유동화 속도 2.0~4.0 Umf, 그리고 바이오매스 샘플의 크기에 변화를 주어 생성물의 수율과 특성의 변화를 조사하였다.

본 연구는 폐기물 바이오매스로써 취급되는 은행잎의 열분해 특성과 열분해 반응으로 생성된 물질들에 대한 성능 정보를 제공하여 은행잎에 대한 재활용 가능성을 제공한다.

Global warming becomes accelerated due to increasing uses of fossil fuels and resulting climate change which is causing considerable damage all over the world. Fossil fuels have limitations as a continuous resource because their reserves are limited, and their distribution is biased. In the case of biomass, continuous supply is possible and it is a useful resource to maintain carbon neutrality. In Korea, power generation using biomass is increasing steadily, but it is only limited to power generation. Considering that biomass is expanded and actively used as thermal energy in foreign countries, biomass usage in Korea is very low compared to the other countries.

Ginkgo leaf is treated as waste biomass that does not decompose properly because of the compounds of Ginkgo leaf itself and requires a large amount of money for disposal. Waste biomass can be converted into high valuable compounds through an additional process such as pyrolysis. In this study, pyrolysis using ginkgo leaves has been performed, and the following study was conducted for recycling ginkgo leaves.

First, the physical properties of ginkgo leaves were identified through elemental analysis, inorganic analysis, and moisture/ash content analysis. Also, the pyrolysis characteristics and activation energy of the ginkgo leaf were investigated through DTG data obtained from TGA.

Second, an experiment for manufacturing activated carbon was conducted through carbonization and physical activation process. To understand the interaction between absorbent and adsorbent during the adsorption process, isothermal and kinetic equations were applied, and the activated carbon performance was investigated.

Third, pyrolysis product was obtained using a bubbling fluidized-bed reactor. Effect of pyrolysis temperature (400~550 ℃), fluidized velocity (2.0~4.0×Umf), particle size (0.25~1.21 mm) and characteristic of products were analyzed.

This study provides information of pyrolysis characteristics using ginkgo leaves treated as waste biomass and the performance of the produced materials, providing the possibility of recycling ginkgo leaves.

#바이오매스 #은행잎 #급속 열분해 #바이오-오일 #수증기 활성화 #활성탄 #흡착

Ⅰ. 서 론 1
1. 연구 목적 및 배경 1
Ⅱ. 이론적 배경 8
1. 바이오매스 및 열분해 특성 8
2. 열중량 분석을 통한 반응 데이터 해석 15
3. 활성탄 제조를 위한 수증기 활성화 메커니즘 및 흡착 데이터 해석 18
3.1. 수증기 활성화 메커니즘 18
3.2. 흡착등온식과 반응속도식 20
Ⅲ. 실험 방법 26
1. 은행잎 시료 준비 및 특성 분석 26
1.1. 바이오매스 시료 준비 26
1.2. 바이오매스 성분 분석 26
1.3. 열중량 분석기를 활용한 바이오매스 분해 특성 확인 27
2. 활성탄 제조 및 특성 확인 29
2.1. 관형반응기를 통한 은행잎 활성탄 제조 29
2.2. 활성탄 특성 분석 30
3. 메틸렌 블루 흡착질을 이용한 활성탄 흡착 실험 32
4. 기포 유동층 반응기에서 은행잎 급속 열분해 34
Ⅳ. 실험 결과 및 고찰 38
1. 은행잎 성분 분석 38
2. 열중량 분석기를 활용한 바이오매스 열분해 및 활성화 에너지 계산 42
3. 수증기 활성화를 통한 은행잎 활성탄 제조 및 성능 실험 51
3.1. 수증기 활성화를 통한 은행잎 활성탄 수율 및 흡착 성능 51
3.2. FT-IR를 이용한 은행잎 활성탄 표면 분석 54
3.3. BET & SEM 분석을 이용한 은행잎 활성탄 비표면적 및 기공분석 59
3.4. 메틸렌 블루 흡착 실험을 통한 흡착 등온식 적용 68
3.5. 메틸렌 블루 흡착 실험을 통한 흡착 속도식 적용 72
4. 기포 유동층 반응기에서의 은행잎 급속 열분해 특성 분석 75
4.1. 온도 변화에 따른 열분해 반응 특성 조사 75
4.2. 은행잎 크기 변화에 따른 열분해 반응 특성 조사 80
4.3. 유동화 속도 변화에 따른 열분해 반응 특성 조사 83
4.4. 바이오-오일 특성 및 성분 분석 86
Ⅴ. 결 론 96
□ 참고문헌 99
□ 부록 109
□ Abstract 119

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