KR101521238B1 - 흑액으로부터 고순도 리그닌을 추출하는 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 흑액으로부터 고순도 리그닌을 추출하는 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 반응기에 폐산과 흑액을 투입하는 단계; 리그닌이 고형화되면 일정온도까지 승온하는 단계; 반응기 온도가 일정온도인 상황에서 원심분리기로 이송하여 필터링을 실시하는 단계; 여과된 습체와 함께 정제수를 반응기에 넣고 일정온도까지 승온하는 단계; 다시 원심분리를 이용하여 필터링을 실시하는 단계; 반응기에 정제수를 넣고 온도를 일정온도로 승온하여 뜨거운 정제수를 이용하여 수세하는 단계; 습체를 회수하여 진공건조기에 넣어서 건조하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 흑액으로부터 고순도 리그닌을 추출하는 방법에 관한 것이다.
따라서, 본 발명은 순도가 높은 정제된 고순도 리그닌을 추출하여 용이하고 값싸게 상업적으로 이용할 수 있는 등의 현저한 효과가 있다.

Description

흑액으로부터 고순도 리그닌을 추출하는 방법{Method for extracting high purity lignin in black liquor}

본 발명은 흑액으로부터 고순도 리그닌을 추출하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 흑액과 폐산을 혼합하고 승온, 필터링하여 다양한 화학적 반응을 실시하여, 친환경 자동차 내장재 등으로 사용되는 정제된 리그닌을 추출하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로 리그닌을 생산하는 방법으로 등록특허공보 등록번호 10-0403271호에는 아황산염 펄프 흑액으로부터 얻은 불순물을 함유하는 술폰화리그닌을 MWCO 5,000 내지 MWCO 10,000이며 카트리지형 또는 중공사형의 한외여과막을 이용하여 연속식으로 한외여과하는 단계를 포함하는 술폰화리그닌의 정제방법이 공개되어 있다.

또한, 등록특허공보 등록번호 10-1090532호에는 리그닌 유도체의 분리 방법으로서, 상기 리그닌 유도체는 1,1-디페닐프로판 유니트 및/또는 상기 1,1-디페닐프로판 유니트로부터 유도되는 유니트를 갖는 리그닌 유도체이며, 액성 매체 중에서 상기 리그닌 유도체와 금속 산화물을 접촉시킴으로써, 상기 리그닌 유도체를 상기 금속 산화물에 유지시켜 분리하는 분리 공정, 및 알칼리 조건하에, 상기 리그닌 유도체를 유지한 상기 금속 산화물로부터 상기 리그닌 유도체를 분리시켜 상기 리그닌 유도체를 회수하는 회수 공정을 갖는 분리 방법이 공개되어 있다.

그러나 상기 종래기술들은 생산된 리그닌의 순도가 높지 않아서 화학반응 시 불순물의 간섭으로 반응이 되지 않고, 부반응이 일어나 소재로서의 활용도가 낮거나 제조경비가 과다하게 소요되는 단점이 있었다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하고자 안출된 것으로, 정제된 고순도 리그닌을 흑액으로부터 용이하고 값싸게 추출할 수 있는 방법을 제공하고자 하는 것이다.

본 발명은 흑액으로부터 고순도 리그닌을 추출하는 방법에 관한 것으로, 흑액으로부터 고순도 리그닌을 추출하는 방법에 있어서, 반응기에 폐산과 흑액을 투입하는 단계; 리그닌이 고형화되면 일정온도까지 승온하는 단계; 반응기 온도가 일정온도인 상황에서 원심분리기로 이송하여 필터링을 실시하는 단계; 여과된 습체와 함께 정제수를 반응기에 넣고 일정온도까지 승온하는 단계; 다시 원심분리를 이용하여 필터링을 실시하는 단계; 반응기에 정제수를 넣고 온도를 일정온도로 승온하여 뜨거운 정제수를 이용하여 수세하는 단계; 습체를 회수하여 진공건조기에 넣어서 건조하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

따라서, 본 발명은 순도가 높은 정제된 고순도 리그닌을 추출하여 용이하고 값싸게 상업적으로 이용할 수 있는 등의 현저한 효과가 있다.

도 1은 본 발명 고순도 리그닌을 추출하는 공정도.
도 2는 흑액에 산을 첨가한 경우의 입자크기 분석결과 데이터.
도 3은 산에 흑액을 첨가한 경우의 입자크기 분석결과 데이터.
도 4는 본 발명 리그닌 추출방법에 의해 추출된 리그닌의 정제 전후의 불순물 대비표.

본 발명 흑액으로부터 고순도 리그닌을 추출하는 방법 반응기에 폐산과 흑액을 투입하는 단계; 리그닌이 고형화되면 일정온도까지 승온하는 단계; 반응기 온도가 일정온도인 상황에서 원심분리기로 이송하여 필터링을 실시하는 단계; 여과된 습체와 함께 정제수를 반응기에 넣고 일정온도까지 승온하는 단계; 다시 원심분리를 이용하여 필터링을 실시하는 단계; 반응기에 정제수를 넣고 온도를 일정온도로 승온하여 뜨거운 정제수를 이용하여 수세하는 단계; 습체를 회수하여 진공건조기에 넣어서 건조하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하 본 발명 흑액으로부터 고순도 리그닌을 추출하는 방법을 첨부한 도면에 의해 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명 고순도 리그닌을 추출하는 공정도이다.

먼저, 반응기에 폐산과 소포제를 넣은 뒤 흑액을 투입한다.

이때, 반응물이 pH의 변화에 의해 다량의 기포가 발생하게 되는데, 이러한 현상은 추출시 안전문제를 야기할 수 있어 안정적인 상태로 작업을 진행하기 위해서는 기포가 가라앉기까지 오랜 시간을 기다려야 한다.

이에 이러한 현상을 제어하기 위하여 실리콘 소포제를 함께 투입하게 된다.

실리콘 소포제는 흑액의 전체중량부 대비 1∼5% 투입하는 것으로, 실리콘 소포제를 1% 미만으로 투입하게 되면 실리콘 소포제를 투입하는 효과가 미비하며, 5%를 초과하여 투입하게 되면 투입량 대비하여 얻어지는 효과가 미비하기 때문이다.

물은 폐산의 중량대비 4∼5배 정도를 사용한다.

그리고 리그닌이 고형화되면 일정온도까지 승온한다.

온도는 65∼75℃로 승온하는 것이 바람직하다.

이 후, 반응기 온도가 일정온도인 상황에서 원심분리기로 이송하여 필터링을 실시한다.

원심분리기에서 필터링을 한 이 후에는 폐산, 소포제, 흑액이 혼합된 혼합물에서 여과되어 습기가 있는 고체(이하, ‘습체’라 한다.) 즉, 습체를 반응기에 넣고 정제수를 넣고 일정온도까지 승온한다.

다시 원심분리를 이용하여 필터링을 실시한다.

이 후, 반응기에 정제수를 넣고 온도를 일정온도로 승온하여 뜨거운 정제수를 이용하여 수세하게 된다.

마지막으로 습체를 회수하여 진공건조기에 넣어서 건조한다.

본 발명에서 흑액은 크래프트 펄프(Kraft Pulp)제조공정에서 펄프를 분리한 후 남은 흑색 액체로서, 리그닌이 전체중량의 30중량% 정도 함유되어 있으며, pH는 14정도 이다.

한편, 본 발명에서 리그닌 추출방법에서 흑액의 pH가 7부터 리그닌이 고형화되기 시작해서 pH2∼3에서 최대로 고형화된다.

흑액 pH14에서 산을 첨가하면 pH가 점점 낮아지면서 pH3이 된다.

이러한 과정 중 중성(pH 7)부근에서 만들어지는 입자의 크기가 작아서(진흙상태) 여과시 여과막의 기공을 통과하거나 막아서 여과효율이 떨어지고 이로 인한 높은 함수율로 불순물의 제거가 어렵다.

이 방법으로 만들어진 리그닌 입자크기는 최대입자분포가 5㎛이다.

그러나 산을 반응기에 넣고, 여기에 흑액을 넣게 되면 pH가 낮게 유지되면서 얻어지는 리그닌 입자는 커서 이후, 여과 등의 공정이 용이하다.

이 방법으로 만들어진 리그닌 입자크기는 최대입자분포가 30㎛이다.

즉, 흑액에 산을 첨가하면 pH가 7에서 pH3으로 천천히 떨어지므로 입자가 서서히 생겨남으로 인해 입자의 크기가 작게 형성되지만, 산에 흑액을 첨가하게 되면 pH3인 상태에서 결정이 곧바로 생기게 되므로 결정입자의 크기가 크게 형성된다.

도 2는 흑액에 산을 첨가한 경우의 입자크기 분석결과 데이터이며, 도 3은 산에 흑액을 첨가한 경우의 입자크기 분석결과 데이터이다.

도 2와 도 3에 도시된 바와 같이 상술한 바와 같이 흑액에 산을 첨가했을 경우 생성되는 입자가 5㎛에서 대부분 분포하며, 산에 흑액을 첨가했을 경우 생성되는 입자가 30㎛에서 대부분 분포하고 있음을 알 수 있다.

한편, 고순도 리그닌 확보를 위해 흑액은 나무에서 셀룰로오즈(펄프)를 분리하고 남은 폐액을 사용하며, 여기에는 황, 무기염류, 타르 등 다양한 유기물을 포함하고 있다.

흑액에는 제조공정 중에 첨가되면 화학약품에 의해 많은 양의 무기염류(K⁺, Na⁺, Ca^{2 +}, SO₄ ^{2 -}, CO₃ ^{2 -})가 포함되어 있는데, 추출된 리그닌에 불순물이 잔류하게 되면 화학반응에 간섭을 일으키기 때문에 이러한 불순물을 수십ppm 수준까지 제거하여야 한다.

한편, 여과 방법에서 원심분리기를 이용하여 불순물을 1차 제거한 뒤, Hot Water로 세정함으로 무기염류의 용해도를 높여 여과, 정제하여 고순도의 리그닌을 확보할 수 있다.

특히, 이러한 불순물은 80℃이상에서 리그닌을 탄화시키게 하여 고온에서의 화학반응을 방해한다.

타르 또한 고온에서 유동성이 있어 쉽게 분리되고, 낮은 온도에서는 유동성이 없어 제거가 되지 않으므로 Hot Water로 세정한다.

본 발명에서 사용되는 산은 펄프공정에서 나오는 폐산, 곧 황산, 염산 또는 이를 혼합한 폐산을 활용하는 것으로. 본 발명에서 사용하는 폐산은 크래프트펄프(Kraft Pulp)공정 중 발생되는 폐산으로 H₂SO₄ 농도는 26.6%이다.

본 발명을 구체적으로 실시 예로 설명하면 다음과 같다.

제조 방법은 용량 250L 반응기 Pilot Test를 사용한다.

반응기에 펄프공정 중에 발생되는 폐산을 투입한다.

그리고 이 반응기에 소포제를 일정량 투입하고 흑액을 투입하되, 거품이 발생하므로 천천히 첨가하면서 1시간 정도 교반한다.

투입비율은 폐산, 28.6중량부에 대하여, 물 85중량부, 흑액 20중량부, 소포제 0.2중량부 비율로 투입한다.

이 후 리그닌이 고형화되면 온도를 70도까지 승온한다.

그리고 반응기 온도가 70도인 상황에서 원심분리기로 이송하여 Hot Filtration을 실시한다.

이 후 여과된 습체를 반응기에 넣고, 정제수를 넣고 70도까지 승온한다.

다시 원심분리를 이용하여 Hot Filtration 실시한다.

그리고 반응기에 정제수를 넣고 온도를 70도로 승온하여 뜨거운 정제수를 이용하여 수세하여 준다.

마지막으로 습체를 회수하여 진공건조기에 넣어서 건조한다.

본 발명에서 승온과 Hot Filtration(여과)을 하는 이유는 첫 번째로 무기염류의 용해도를 증가시켜 제거하는 것과, 불순물인 타르가 고온에서 유동성을 가지기 때문에 여과시 쉽게 제거된다.

Hot Filtration은 65∼75℃ 사이에 행해지는 것으로, 65℃ 미만이면 여과시간이 길어져 여과성이 떨어지게 되며, 75℃를 초과하면 분해반응으로 인해 수율이 떨어지고 이물질이 많이 남게 되기 때문이다.

즉, 여과를 만약 고온에서 하지 않으면 제거가 되지 않고 75℃를 초과하는 고온이면 불순물로 남아서 90도 부근에서 탄화되는 등 품질이 나빠진다.

도 4는 본 발명 리그닌 추출방법에 의해 추출된 리그닌의 대비표이다.

도 4는 ICP분석 데이터로서 본 발명의 결과물인 고순도 리그닌은 파우더 형태(분말형태)로 제조되며, 전도도 35μS, 무기물 S가 10ppm, 불순물(Inorganic Mat)이 50ppm 이하이다.

따라서, 본 발명은 순도가 높은 정제된 고순도 리그닌을 추출하여 용이하고 값싸게 상업적으로 이용할 수 있는 등의 현저한 효과가 있다.

Claims (1)

1. 흑액으로부터 고순도 리그닌을 추출하는 방법에 있어서,
   반응기에 폐산과 소포제를 넣은 뒤 흑액을 투입하여 거품이 발생하지 않도록 1시간 동안 천천히 교반하되, 소포제는 실리콘 소포제를 흑액의 전체중량부 대비 1∼5% 투입하고, 물은 폐산의 중량대비 4∼5배를 사용하는 반응기에 폐산과 흑액을 투입하는 단계;
   리그닌이 고형화되면 65∼75℃까지 승온하는 단계;
   반응기 온도가 일정온도인 상황에서 원심분리기로 이송하여 필터링을 실시하는 단계;
   상기 원심분리기에서 여과된 폐산과 흑액 및 소포제의 혼합물인 습체와 함께 정제수를 반응기에 넣고 65∼75℃까지 승온하는 단계;
   다시 원심분리를 이용하여 필터링을 실시하는 단계;
   반응기에 정제수를 넣고 온도를 65∼75℃로 승온하여 뜨거운 정제수를 이용하여 수세하는 단계;
   습체를 회수하여 진공건조기에 넣어서 건조하는 단계;를 포함하되,
   상기 흑액은 크래프트 펄프(Kraft Pulp)제조공정에서 펄프를 분리한 후 남은 흑색 액체로서, 리그닌이 전체중량의 30중량% 함유되어 있는 것을 특징으로 하는 흑액으로부터 고순도 리그닌을 추출하는 방법.
   

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