KR101648381B1 - 옥수수대의 전처리장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 옥수수대의 전처리장치에 관한 것으로, 옥수수대를 공급받아 절단과 파쇄하는 원재료파쇄유닛, 파쇄된 옥수수대를 공급받아 이물질을 걸러내는 이물질제거유닛, 이물질이 제거된 옥수수대를 공급받아 겉대와 속대로 분리하는 제 1분리유닛, 옥수수대를 겉대와 속대로 분리 후 한번 더 겉대와 속대로 분리하며 겉대와 속대를 타격하여 칩 형태로 잘게 파쇄하는 제 2분리유닛, 칩 형태의 속대를 공급받아 함유된 겉대를 분리하는 싸이클론, 제 2분리유닛에서 분리된 겉대칩과 싸이클론에서 분리된 겉대칩을 함께 공급받아 최종적으로 겉대칩과 속대칩으로 분리 배출하는 최종선별유닛, 및 제 1분리유닛과 최종선별유닛에서 발생되는 먼지를 집진하여 정화 후 배출하는 집진유닛을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 종래 기술과 달리 고품질의 제지용 펄프를 대량 생산에 가장 큰 장애로 대두되었던 겉대, 속대 및 부스러기의 분리를 위한 장치와 기술을 개발함으로써 고품질 펄프의 생산을 가능하게 할 수 있고, 생산된 미표백펄프는 강도가 우수하여 산업포장용지 제조용 원료로 사용할 수 있으며, 표백 옥수수 화학펄프는 화장지(toilet and facial paper) 및 박엽지(tissues) 제조에 적합하고, 침엽수 표백 화학펄프, 활엽수 표백 화학펄프, 표백 화학 열기계펄프(BCTMP) 등의 특성이 다른 펄프의 혼합을 통하여 다양한 종이 제조 기술에 적용할 수 있다.

Description

옥수수대의 전처리장치{PRETREATMENT DEVICE FOR REMOVING PITH FROM CORN-STALK}
본 발명은 옥수수대의 전처리장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 고품질의 제지용 펄프를 대량 생산에 가장 큰 장애로 대두되었던 겉대, 속대 및 부스러기의 분리를 위한 장치와 기술을 개발함으로써 고품질 펄프의 생산을 가능하게 할 수 있고, 생산된 미표백펄프(unbleached pulp)는 강도가 우수하여 산업포장용지(industrial packaging paper) 제조용 뿐만 아니라 표백 펄프의 경우에는 위생용지를 포함한 박엽지, 글라신지와 같은 특수지 및 고급 인쇄, 필기용기의 원료로 사용할 수 있는 옥수수대의 전처리장치에 관한 것이다.
일반적으로, 종이는 목재펄프를 주원료로 하여 제조하는 것으로 알려져 왔다. 비록 비교적 목재자원이 부족한 나라에서는 이미 오래 전부터 볏짚(straw), 바가스(bagasse), 갈대(reed) 등 초본류를 이용하여 펄프를 생산하기도 했지만, 소규모 가내공업의 수준으로 이루어지기 때문에 펄프 품질이 매우 열등하며, 탈수가 잘되지 않는 등 종이 제조 과정에서도 많은 어려움이 따르고 있다. 이러한 현실은 고급 종이는 당연히 목재펄프로 만들어야 한다는 편견을 갖게 하였다. 그런데 문명이 급격히 발달되고, 도시화가 진행됨에 따라 환경 파괴가 심화되어 최근 오존층 파괴, 기후 온난화 등의 부작용으로 생태계 변화, 기후 급변화 등 인류의 생존을 위협하는 심각한 문제가 야기되고 있다.
이러한 환경의 변화는 탄소 배출이 많은 주요 선진국들이 기후변화협약에 동참하지 않을 수 없게 만들었고, 심지어는 이미 탄소배출권을 거래하는 시장이 형성되어 에너지를 사용하는 산업계에서는 탄소배출권 및 바이오 에너지 확보를 위한 다각도의 노력을 기울이고 있다.
그동안 목재 주생산국으로 알려져 있던 인도네시아의 경우 오환경보호 정책의 일환으로 목재 벌채를 제한하고 있으며, 지구의 허파라고 할 수 있는 브라질에서도 벌채를 억제하고 있는 실정이다. 이러한 변화는 목재펄프의 가격 상승뿐만 아니라 종이 제조를 위한 펄프 확보 전쟁이 일어나고 있다. 이러한 세계적인 추세는 비교적 생육주기가 짧은 섬유자원의 확보에 관심을 갖게 하였다.
그 대표적인 예로 생육이 비교적 빠른 kenaf의 재배를 통한 펄프 자원화를 시도한 바 있으며, 성장이 빠른 열대 활엽수를 조림하여 펄프용재로 사용하고자하는 시도가 이루어지고 있다. 그러나 이러한 노력에도 불구하고 아직까지 근본적인 해결책을 찾지 못하고 있다. 따라서 매년 재생산이 가능한 초본류 및 농산 폐기물의 펄프 자원화에 관심을 갖게 되었다.
특히, 초본류는 형태학적 및 화학적으로 목재와 매우 다른 특성을 지니고 있다. 비록 인피섬유의 경우와 일부 초본류의 경우 목재펄프 섬유보다 긴 것도 있지만 대부분의 초본류는 목재펄프에 비하여 가늘거나 짧은 유세포를 다량 함유하고 있다. 따라서 종이 제조 원료로 사용할 경우 탈수 불량 및 낮은 강도적 성질 때문에 실용화가 어려웠고, 단지 저개발국가 또는 목재자원이 부족한 국가에서 저급 종이 생산용 원료로 사용되어왔을 뿐이다. 이들의 화학적 성질은 활엽수와 비슷한 성질을 지니는 것도 있지만 일반적으로 리그닌(lignin) 함량이 낮은 반면 헤미셀룰로오스(hemicelluloses) 함량이 높은 경향을 나타내고 있다.
한편, 옥수수대는 볏짚 다음으로 많이 발생되는 농산 폐기물이다. 이들은 일부가 사료로 사용되는 것을 제외하고는 특별한 용도가 없어서 버려지고 있는 실정이다. 따라서 옥수수대의 펄프자원화 시도는 폐기물의 섬유 자원화를 통하여 환경 보호 측면뿐만 아니라 농가 소득 향상에도 크게 도움을 줄 수 있다.
특히, 옥수수대의 섬유 길이(fiber length)는 활엽수보다 다소 길고, 가는 특성을 지니고 있어서 종이의 벌크 확보에 어려움이 있을 것으로 예상되지만, 헤미셀룰로오스의 전 추출을 통하여 벌크 문제를 일부 개선할 수 있고, 10-40% 정도의 목재 펄프를 대체 할 경우 종이 품질에 별 악영향을 미치지 않으며, 글라신지 등의 특수 용도로 사용할 경우에는 목재펄프보다 훨씬 유리하다. 또한, 목재에 비하여 리그닌 함량이 매우 낮고, 헤미셀룰로오스 함량이 높아 제지용으로 적합한 화학적 특성을 지니고 있다.
옥수수대의 속대는 매우 미세한 유세포로 구성되어 있으며, 다량의 실리카를 함유하고 있어서 겉대로부터 분리해내지 않으면 제지용 펄프로 사용하는데 많은 문제를 야기할 수 있다. 이와 같은 속대를 분리해낼 수 있는 기술이 개발되지 못한 것도 그동안 옥수수대가 제지용 원료로 널리 사용되지 못한 원인이라 할 수 있다. 특히 섬유크기가 매우 작은 유세포가 많이 존재할 경우 탈수(dewatering)가 잘 되지 않기 때문에 종이 제조 시 생산속도를 높일 수가 없으며, 지절(web break)이 많이 발생된다. 이러한 이유로 옥수수대가 대량 생산되고 있는 중국의 경우에도 저급 포장지(low grade packaging paper)의 생산에 국한되어 일부 사용되고 있을 뿐이다.
옥수수대 처리장치에 대해서는 국내특허등록 제10-1156148호(발명의 명칭: 옥수수 포엽 제거장치, 등록일: 2012.06.07.)에 제안된 바 있다.
상기한 기술구성은 본 발명의 이해를 돕기 위한 배경기술로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 널리 알려진 종래기술을 의미하는 것은 아니다.
기존의 옥수수대 속대를 제거하는 설비는 옥수수대를 길게 쪼갠 후 일정한 방향으로 배열시킨 다음 압착하여 넓적하게 만들고 이로부터 속대를 긁어내는 매우 복잡한 단계를 거치고 있어서 하루에 최소한 수만 톤에서 수십만 톤의 옥수수대 칩을 공급해야 하는 펄프공장에서 사용하기에는 생산성이 낮고, 처리용량이 너무 적다. 따라서, 이를 개선할 필요성이 요청된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점들을 개선하기 위하여 안출된 것으로서, 고품질의 옥수수대 펄프를 대량 생산하는데 있어서 가장 중요한 기술은 펄프의 수율 및 품질을 악화시킬 뿐만 아니라 약품 소비를 증가시키고, 다량의 실리카를 함유하고 있어서 약액 회수에도 어려움을 야기하는 속(pith)부분을 분리해내는 부분인데, 옥수수대로부터 펄프를 대량 생산하는데 있어서 가장 핵심이라 할 수 있는 속을 분리하기 위한 장치와 기술에 대한 내용을 제공함으로써 경제적으로 고품질의 펄프를 생산할 수 있도록 하는 옥수수대의 전처리장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
그리고, 본 발명은 옥수수대 펄프의 장점을 극대화하고 단점인 벌크(bulk)를 향상시켜 산업용 포장용지, 화장지 및 박엽지, 인쇄용지(printing paper) 등 다양한 특성을 지니는 종이 제조 방법을 제공하고자 하는 옥수수대의 전처리장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명에 따른 옥수수대의 전처리장치는: 옥수수대를 공급받아 절단과 파쇄하는 원재료파쇄유닛; 파쇄된 옥수수대를 공급받아 이물질을 걸러내는 이물질제거유닛; 이물질이 제거된 옥수수대를 공급받아 겉대와 속대로 분리하는 제 1분리유닛; 상기 옥수수대를 겉대와 속대로 분리 후 한번 더 겉대와 속대로 분리하며, 상기 겉대와 상기 속대를 타격하여 칩 형태로 잘게 파쇄하는 제 2분리유닛; 칩 형태의 속대를 공급받아 함유된 겉대를 분리하는 사이클론; 상기 제 2분리유닛에서 분리된 겉대칩과 상기 사이클론에서 분리된 겉대칩을 함께 공급받아 최종적으로 겉대칩과 속대칩으로 분리 배출하는 최종선별유닛; 및 상기 이물질제거유닛과 상기 최종선별유닛에서 발생되는 먼지를 집진하여 정화 후 배출하는 집진유닛을 포함한다.
상기 제 1분리유닛은, 절단된 상기 옥수수대를 공급받아 배출 안내하는 하우징; 상기 하우징으로 유입된 상기 옥수수대를 원심력을 이용하여 겉대와 속대로 분리 배출하는 드럼; 및 상기 겉대를 상기 제 2분리유닛으로 이송 공급하는 제 1이송컨베이어; 및 상기 속대를 배출 안내하는 제 1배출컨베이어를 포함한다.
상기 제 2분리유닛은, 상기 제 1분리유닛에서 분리된 겉대를 자유낙하 방식으로 상측으로 투입하여 하측으로 배출 유도하는 케이싱; 및 상기 케이싱 내부에 축 삽입되어 회전되며, 유입되는 상기 겉대를 칩 상태로 타격하면서 겉대와 속대로 분리하는 회전체를 포함한다.
상기 회전체는, 상기 케이싱에 축 삽입되어 외력에 의해 회전되는 샤프트; 상기 샤프트를 회전 가능하게 삽입 고정하고, 상기 케이싱의 개방된 상측 전체 또는 일부에 연결되는 커버부재; 및 상기 샤프트의 둘레면에 형성되어 상기 케이싱 내부로 투입되는 겉대와 속대를 타격하는 타격부를 포함한다.
상기 제 2분리유닛은, 상기 케이싱 내부로 외기를 불어넣어 상기 겉대와 상기 속대가 상기 타격부에 접하는 시간을 증가시키기 위한 송풍기를 포함할 수 있다.
상기 타격부는, 상기 샤프트의 축 방향을 따라 복수 개 형성되는 플레이트; 및 상기 플레이트 각각의 가장자리를 따라 복수 개 형성되는 바아를 포함한다.
상기 타격부는, 상기 바아에 분리 가능하게 형성되어 낙하하는 상기 겉대에 타격을 가하여 타격하는 타격리브를 포함한다.
상기 집진유닛은, 상기 이물질제거유닛과 상기 최종선별유닛에 연결되어 발생된 먼지를 이송 안내하는 집진덕트; 및 상기 집진덕트를 통해 이송된 먼지를 통과시키며 먼지를 정화 후 배출하는 집진기를 포함한다.
본 발명에 따른 옥수수대의 펄프 제조방법은: 옥수수대의 길이를 10~60 mm로 절단하는 단계; 절단된 옥수수대를 분리유닛을 이용하여 타격하며 겉대와 속대로 분리 배출하는 단계; 옥수수대의 겉대, 속대 및 상기 겉대의 잔 부스러기를 걸러내는 옥수수대 전처리단계; 상기 겉대 중 헤미셀룰로오수의 일부를 제거하는 단계; 및 상기 일부의 헤미셀룰로오스가 제거된 상기 겉대를 가성소오다와 탄산나트륨을 이용하여 증해하는 단계를 포함한다.
상기 헤미셀룰로오스는 상기 겉대의 최초 헤미셀룰로오스 중 30-80 중량%가 제거될 수 있다.
상기 헤미셀룰로오스가 제거된 상기 겉대에서 헤미셀룰로오스에 대한 셀룰로오스의 함량의 중량비는 2.2-7.69일 수 있다.
상기 헤미셀룰로오스가 제거된 상기 겉대에서 헤미셀룰로오스의 함량은 11.5-31.3 중량%일 수 있다.
상기 헤미셀룰로오스의 일부를 제거하는 단계는 상기 겉대를 액비(물:옥수수대 겉대의 중량비) 5:1~10:1, 130-210도의 물을 이용하여 30분-200분 동안 전처리하여 수행될 수 있다.
상기 헤미셀룰로오스의 일부를 제거하는 단계는 상기 겉대를 액비(물:옥수수대 겉대의 중량비) 5:1~10:1, 130-190도의 물과 0.1-1.5%의 산을 촉매로 이용하여 30분-180분 동안 전처리하여 수행될 수 있다.
상기 헤미셀룰로오스의 일부를 제거하는 단계는 상기 겉대를 액비(알칼리 용액:옥수수대 겉대의 중량비) 5:1~10:1, 120-180도에서 5-21%(as Na2O)의 활성알칼리를 이용하여 30분-150분 동안 전처리하여 수행될 수 있다.
상기 겉대는, 옥수수대를 절단하는 단계; 절단된 옥수수대를 압착하는 단계; 압착된 옥수수대를 타격하여 파쇄하는 단계; 및 파쇄된 옥수수대를 겉대, 속대 및 잎으로 분리하는 단계에 의해 제조될 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 옥수수대의 전처리장치는 종래 기술과 달리 농산 폐기물인 옥수수대로부터 고품질의 펄프를 제조할 수 있는 전처리 및 칩 제조기술을 확보함으로써 기존 기술에 비하여 매우 온화한 조건으로 고품질의 펄프를 제조하는 것을 실현할 수 있다.
그리고, 본 발명은 미표백 펄프의 상태로 산업용지 생산용 원료로 사용하거나, 다양한 특성을 지니는 침엽수 화학 표백펄프, 활엽수 표백 화학펄프, 표백 화학열기계펄프 등을 표백 옥수수대 펄프와 적절히 배합하여 박엽지 뿐만 아니라 인쇄용지로 사용할 수 있는 고급 종이 생산 기술을 제공하여 농가 소득 증대와 환경보호에 크게 기여할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 옥수수대의 전처리장치의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 옥수수대의 전처리장치의 제 1분리유닛의 확대도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 옥수수대의 전처리장치의 제 2분리유닛의 확대도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 옥수수대의 전처리장치의 제 2분리유닛의 요부 분해도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 제 2분리유닛의 타격부의 분해 사시도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 옥수수대의 펄프 제조방법을 보인 순서도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 옥수수대의 전처리장치의 실시예를 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 옥수수대의 전처리장치의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 옥수수대의 전처리장치의 제 1분리유닛의 확대도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 옥수수대의 전처리장치의 제 2분리유닛의 확대도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 옥수수대의 전처리장치의 제 2분리유닛의 요부 분해도이며, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 제 2분리유닛의 타격부의 분해 사시도이다.
도 1 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 옥수수대의 전처리장치는 원재료파쇄유닛(100), 이물질제거유닛(200), 제 1분리유닛(300), 제 2분리유닛(400), 싸이클론(500), 최종선별유닛(600) 및 집진유닛(700)을 포함한다.
원재료파쇄유닛(100)은 옥수수대를 공급받아 일정한 크기 이하로 절단 및 파쇄하는 설비이다.
특히, 원재료파쇄유닛(100)은 옥수수대를 공급하고, 절단 및 파쇄된 옥수수대를 배출할 수 있도록 본체(110)에 의해 외형을 형성하고, 본체(110)는 내부에 파쇄커터(120)를 구비한다. 파쇄커터(120)는 본체(110) 내부로 공급되는 옥수수대를 절단하는 영역과 파쇄하는 영역으로 나뉘어져 구비될 수 있다. 물론, 파쇄커터(120)는 다양한 형상으로 변형 가능하고, 다양한 개수로 구비될 수 있다.
그리고, 이물질제거유닛(200)은 원재료파쇄유닛(100)의 파쇄커터(120)에서 파쇄된 후 본체(110)에서 배출된 옥수수대를 공급받아 흙이나 대나무 잎 등 이물질을 걸러내는 역할을 한다.
이때, 본체(110)에서 배출된 옥수수대는 외기관(130)을 통해 이물질제거유닛(200)으로 이동된다. 여기서, 외기관(130)은 외기펌프(도시하지 않음)에 의해 외기를 원재료파쇄유닛(100) 측에서 이물질제거유닛(200) 측으로 강제 이송하게 된다.
특히, 이물질제거유닛(200)은 파쇄커터(120)에 의해 파쇄된 옥수수대를 공급받은 후 이물질 제거된 상태로 배출되는 프레임(210), 및 프레임(210) 내부에 구비되어 옥수수대로부터 이물질을 걸러내는 스크리너(220)를 포함한다.
물론, 프레임(210)은 다양한 형상으로 변형 가능하다.
스크리너(220)는 내부로 파쇄된 옥수수대를 통과시키면서, 파쇄된 옥수수대에 혼합되어 있는 흙이나 옥수수 잎 등의 이물질을 둘레면의 홀을 통해 분리 배출하는 역할을 한다.
이때, 스크리너(220)는 구동원(222)에 의해 회전하게 되고, 다양한 형상으로 변형 가능하다.
또한, 프레임(210)에서 배출되는 옥수수대는 정량이송컨베이어(230)를 따라 제 1분리유닛(300)에 공급된다.
정량이송컨베이어(230)는 정량 투하된 옥수수대를 일정한 속도로 이송하여 제 1분리유닛(300)에 정량 공급할 수 있다. 그리고, 정량이송컨베이어(230)는 비정량 투하를 센싱(sensing)시, 정량 투하를 감지한 후 옥수수대를 일정한 속도로 이송하여 제 1분리유닛(300)에 정량 공급할 수 있다.
한편, 제 1분리유닛(300)은 이물질이 제거된 옥수수대를 공급받아 겉대와 속대로 분리하는 역할을 한다. 여기서, 겉대는 옥수수대의 외피를 의미하고, 속대는 옥수수대의 속 부분을 의미한다.
특히, 제 1분리유닛(300)은 하우징(310), 드럼(320), 제 1이송컨베이어(330) 및 제 1배출컨베이어(340)를 포함한다.
하우징(310)은 절단된 옥수수대를 공급받아 배출 안내하도록 형성된다. 물론, 하우징(310)은 다양한 형상 및 다양한 재질로 적용 가능하다.
드럼(320)은 하우징(310)의 내부에 회전 가능하게 구비되는 원통 형상으로 이루어지고, 축 방향을 따라 점차적으로 상승되도록 기울어지게 설치된다.
그래서, 드럼(320)으로 공급된 옥수수대는 원심력을 받으면서 겉대와 속대로 분리된다. 이때, 옥수수대는 상대적으로 부피가 크거나 비중이 큰 겉대와, 상대적으로 부피가 작거나 비중이 작은 속대로 분리된다. 특히, 겉대는 기울어져 낮은 위치인 드럼(320)의 일측으로 이동된 후 배출되어 제 2분리유닛(400)으로 이송된다. 아울러, 속대는 기울어져 높은 위치인 드럼(320)의 타측으로 이동된 후 외부로 배출될 수 있다.
제 1이송컨베이어(330)는 하우징(310)에서 분리 배출되는 겉대를 제 2분리유닛(400)으로 이송 공급하는 역할을 하고, 제 1배출컨베이어(340)는 하우징(310)에서 분리 배출되는 속대를 배출 안내하는 역할을 한다.
이때, 제 1이송컨베이어(330)와 제 1배출컨베이어(340)는 다양한 형상으로 변형 가능하고, 하우징(310)은 겉대와 속대의 배출 측을 다르게 위치한다.
그리고, 제 2분리유닛(400)은 옥수수대를 겉대와 속대로 분리한 상태에서 한번 더 겉대와 속대로 분리하며, 겉대와 속대를 타격하여 칩 형태로 잘게 파쇄하는 역할을 한다.
여기서, 제 2분리유닛(400)은 케이싱(410) 및 회전체(420)를 포함한다.
케이싱(410)은 옥수수대의 겉대와 속대를 자유낙하 방식으로 상측으로 투입하여 하측으로 배출 유도하는 역할을 한다. 케이싱(410)은 다양하게 변형 가능하나, 편의상 원통 형상으로 도시한다. 아울러, 케이싱(410)은 다양한 재질로 적용 가능하다.
특히, 케이싱(410)은 겉대와 속대를 자유낙하 할 수 있도록 형성된다. 이는, 겉대와 속대를 연속적으로 공급할 수 있고, 겉대와 속대가 타격되어 형성된 칩의 배출을 즉시 할 수 있도록 함으로써 케이싱(410) 내부에 쌓이지 않도록 하기 위함이다.
그리고, 회전체(420)는 케이싱(410) 내부에 축 삽입된다. 그리고, 회전체(420)는 케이싱(410) 내측에서 회전 가능하게 장착된다. 그래서, 겉대와 속대는 케이싱(410)의 상측으로 공급된 후 케이싱(410) 내부에서 타격되어 칩 상태로 하측으로 배출된다.
특히, 회전체(420)는 샤프트(430), 커버부재(440) 및 타격부(450)를 포함한다.
샤프트(430)는 케이싱(410)에 축 삽입된다. 즉, 샤프트(430)는 케이싱(410) 내부에 수직하게 세워지도록 장착된다. 그리고, 샤프트(430)는 구동모터(432)에 의해 일방향으로 회전하게 된다. 구동모터(432)의 구동력이 샤프트(430)에 회전력으로 전달되는 방식은 다양하게 적용 가능하다.
아울러, 커버부재(440)는 샤프트(430)를 위치 고정하고, 겉대와 속대가 회전체(420)에 부딪히면서 케이싱(410)의 상측으로 비산되는 것을 방지하는 역할을 한다.
즉, 커버부재(440)는 케이싱(410)의 상측에 분리 가능하게 형성되고, 샤프트(430)를 중앙에 회전 가능하게 장착한다. 도시하지는 않았지만, 샤프트(430)는 볼베어링을 구비하여 회전시 커버부재(440)와 마찰을 발생하지 않도록 조립될 수 있다.
특히, 커버부재(440)는 케이싱(410)의 개방된 상측 전체 또는 일부를 커버링하도록 형성된다.
이때, 커버부재(440)가 케이싱(410)의 개방된 상측 전체를 막을 경우, 케이싱(410)은 상측 둘레면에 투입구(412)를 별도로 형성하여 겉대와 속대를 공급받게 된다. 여기서, 투입구(412)는 케이싱(410)의 둘레면 상측에 형성되는데, 이는, 케이싱(410) 내부로 공급되는 겉대와 속대가 케이싱(410) 내부에서 타격되는 시간을 증가시켜 최대한 타격되도록 하기 위함이다.
그리고, 커버부재(440)가 케이싱(410)의 개방된 상측 일부를 막을 경우, 케이싱(410)의 개방된 상측 일부 자체가 투입구(412) 역할을 하게 된다. 물론, 커버부재(440)는 다양한 형상으로 변형 가능하고, 볼팅 등 다양한 방식에 의해 케이싱(410)의 상측에 분리 가능하게 결합된다. 아울러, 커버부재(440)는 케이싱(410)의 하측에 분리 가능하게 형성될 수 있으나, 칩 상태의 겉대와 속대의 원활한 배출을 위해 케이싱(410)의 상측에 적용될 수 있다.
또한, 타격부(450)는 샤프트(430)의 둘레면에 형성되어 케이싱(410)의 투입구(412)로 투입되는 겉대와 속대를 직접적으로 타격하여 타격하는 역할을 한다. 타격부(450)는 샤프트(410)에 고정 형성되어 샤프트(410)의 회전으로 겉대와 속대에 가해지는 타격력을 최대로 할 수 있다.
특히, 타격부(450)는 플레이트(452), 바아(454) 및 타격리브(456)를 포함한다.
플레이트(452)는 샤프트(430)의 둘레면에 복수 개 형성된다. 이때, 플레이트(452)는 샤프트(430)의 축 방향을 따라 복수 개 형성되고, 다양한 형상 및 다양한 재질로 변형 가능하다.
그리고, 플레이트(452)는 샤프트(430)에 클램핑 등 다양한 방식에 의해 결합 고정된다. 물론, 플레이트(452)는 샤프트(430)에 일체로 형성될 수도 있다. 플레이트(452)의 개수는 한정하지 않는다.
또한, 바아(454)는 플레이트(452) 각각의 가장자리를 따라 복수 개 형성된다. 바아(454)는 한 쌍씩 구비되어 겉대와 속대를 타격하는 역할을 한다. 특히, 바아(454)는 서로 다른 길이로 한 쌍 이루어질 수 있고, 서로 다른 길이의 것을 엇갈리게 배치할 수 있다. 이는, 겉대와 속대에 대한 타격력을 향상시키기 위함이다.
그리고, 바아(454)는 플레이트(452)에 분리 가능하게 형성될 수 있다.
이때, 바아(454)는 곡면부(455)를 형성한다. 곡면부(455)는 겉대와 속대에 직접적으로 접하는 바아(454)의 둘레면에 곡면으로 형성되는 것으로서, 겉대와 속대를 타격하며 분리시 손상을 방지하거나 최소화하는 역할을 한다.
아울러, 샤프트(430)는 기어박스(도시하지 않음)에 연결되어 회전속도가 조절 가능하다. 이는, 바아(454)가 겉대와 속대를 너무 세게 타격함에 따른 분쇄를 방지하기 위해 샤프트(430)의 회전 속도를 조절하기 위함이다. 기어박스는 구동모터(432)와 샤프트(430)를 연결한다.
또한, 타격리브(456)는 바아(454)에 분리 가능하게 형성되어 낙하하는 겉대와 속대에 타격을 가하여 타격하는 역할을 한다. 즉, 겉대와 속대는 타격리브(456)에 직접적으로 타격되며 칩 상태로 된다. 타격리브(456)는 바아(454)에 분리 가능하게 형성되어, 유지 보수가 가능하게 된다.
특히, 타격리브(456)는 바아(454)의 회전방향을 향하는 측면에 형성되어 겉대와 속대를 최대한 타격하게 된다. 물론, 타격리브(456)는 다양한 형상으로 변형 가능하다.
한편, 제 2분리유닛(400)은 송풍기(460)를 더 포함할 수 있다.
송풍기(460)는 케이싱(410) 내부로 외기를 불어넣어, 겉대와 속대가 케이싱(410) 내부에서 부유하며 타격부(450)의 바아(454)와 타격리브(456)에 접하는 시간을 증가시키는 역할을 한다.
또한, 싸이클론(500)은 칩 형태의 속대를 공급받아, 해당 속대에 부착된 겉대를 한번 더 분리하는 역할을 한다.
여기서, 싸이클론(500)은 속대가 회전되도록 유입 유도한다. 속대가 싸이클론(500) 내부에서 회전됨에 따라 속대와 겉대가 분리되고, 비중이 큰 겉대는 하부로 배출되며, 비중이 작은 속대는 상부로 배출된다.
이때, 싸이클론(500)은 다양한 형상으로 변형 가능하다.
그리고, 최종선별유닛(600)은 제 2분리유닛(400)에서 분리된 겉대칩과 싸이클론(500)에서 분리된 겉대칩을 함께 공급받아 최종적으로 겉대칩과 속대칩으로 분리 배출하는 역할을 한다.
이때, 제 2분리유닛(400)에서 분리된 겉대칩은 제 2이송컨베이어(470)를 따라 정량 이송 공급된다. 물론, 제 2이송컨베이어(470)는 제 2분리유닛(400)에서 분리된 겉대칩과 싸이클론(500)에서 분리된 겉대칩을 함께 정량 이송할 수 있다.
특히, 최종선별유닛(600)은 제 2분리유닛(400)과 싸이클론(500)에서 각각 분리된 겉대칩을 유입하고, 최종적으로 분리된 겉대칩과 속대칩을 서로 다른 부위로 배출 유도하는 바디(610)로 외형이 형성된다.
외형은 내부에 원형통(620)을 형성하고, 원형통(620)은 분리된 겉대칩을 통과시키도록 둘레면에 홀을 통공한다. 아울러, 원통형은 내부에 스크류(630)를 회전 가능하게 구비한다. 스크류(630)는 겉대칩이 원형통(620)에서 분리 배출된 후 속대를 이송하는 역할을 한다.
따라서, 최종선별유닛(600)은 최종적으로 겉대만 분리하여, 이를 활용하여 고품질의 펄프 등을 생산할 수 있게 된다.
한편, 집진유닛(700)은 이물질제거유닛(100)의 프레임(210)과 최종선별유닛(600)의 바디(610)의 내부에서 발생되는 먼지를 집진하여 정화 후 배출하는 역할을 한다.
집진유닛(700)은 집진덕트(710) 및 집진기(720)를 포함한다.
집진덕트(710)는 이물질제거유닛(100)의 프레임(210)과 최종선별유닛(600)의 바디(610)에 연결되어 발생된 먼지를 강제 또는 자연 이송 안내하는 역할을 한다.
집진기(720)는 집진덕트(710)를 통해 이송된 먼지를 통과시키며 먼지를 정화 후 배출하는 역할을 한다.
특히, 집진유닛(700)의 집진덕트(710)가 프레임(210)과 바디(610) 내부의 먼지를 흡입시 또는 유입시, 프레임(210) 내부의 겉대와 바디(610) 내부의 겉대가 집진유닛(700)으로 유입되지 않도록, 흡입력이 조절되어야 한다.
아울러, 집진유닛(700)이 프레임(210)과 바디(610) 내부의 먼지를 흡입하기 때문에, 최종 배출되는 겉대는 먼지가 부착되어 있지 않거나, 부착된 먼지가 줄어들게 됨으로써, 청결한 겉대가 수집될 수 있음에 따라, 생산되는 펄트의 품질 및 생산성이 향상될 수 있다.
물론, 집진덕트(710)는 본체(110), 하우징(310) 및 케이싱(410)에도 연결되어 먼지를 집진기(720)로 이송 안내할 수도 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 옥수수대의 펄프 제조방법을 보인 순서도이다.
도 1 및 도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 옥수수대의 펄프 제조방법은 절단단계(S10), 분리단계(S20), 옥수수대 전처리단계(S30), 헤미셀룰로오수 제거단계(S40) 및 증해단계(S50)를 포함한다.
절단단계(S10)는 옥수수대를 원재료파쇄유닛(100)에 공급하여 길이를 10~60 mm로 절단하는 공정이다.
옥수수대가 10mm 미만으로 절단될 경우, 옥수수대는 섬유의 절단 현상이 심화될 수 있고, 60mm를 초과하는 길이로 절단될 경우, 옥수수대는 겉대와 속대의 분리가 잘 되지 않는 문제가 발생한다.
특히, 절단된 옥수수대는 이물질제거유닛(200)에 의해 흙이나 대나무 잎 등이 제거된다.
또한, 분리단계(S20)는 제 1분리유닛(300)과 제 2분리유닛(400)을 통해 절단된 옥수수대를 겉대와 속대로 분리 후 타격하여 칩 형태로 변환하는 공정이다. 여기서, 제 1분리유닛(300)과 제 2분리유닛(400)은 상술한 장치를 의미한다.
아울러, 옥수수대 전처리단계(S30)는 옥수수대의 겉대, 속대 및 겉대의 잔 부스러기를 걸러내는 공정이다. 이 공정(S30)은 싸이클론(500)과 최종선별유닛(600)을 통해 진행된다.
이때, "옥수수대 겉대"는 옥수수대를 구성하는 겉대(rind), 속대(pith, cob) 및 잎(leave) 중에서 속대와 잎 부분이 제거된 부분을 의미한다. 그리고, 옥수수대 중 겉대 부분만을 사용하여 옥수수대 펄프 제조에 사용한다. 옥수수대를 구성하는 겉대, 속대 및 잎 모두를 이용하여 펄프를 제조할 경우, 증해시 약품 소비가 많은데 비해 펄프 제조 효율이 낮다. 또한 섬유장이 매우 짧은 유세포(parenchyma cell) 섬유를 다량 함유함으로써 탈수성이 불량하고, 옥수수대 펄프를 이용한 종이 제조시 강도가 낮을 수 있다.
또한, 옥수수대 겉대 이외에 분리된 옥수수대의 속대와 잎은 셀룰로오스 에탄올 제조를 포함하는 바이오 리파이너리(bio refinery) 과정에 사용될 수 있다. 이는 옥수수대 펄프를 구현함과 동시에 부산물의 산업상 이용가능성 또는 재활용성을 높일 수 있다.
본 발명의 제조 방법에서, 옥수수대 겉대로부터 헤미셀룰로오스의 일부를 용출시키는 전처리(pretreatment)에 의해 헤미셀룰로오스 일부를 제거하는 공정(S40)이 행해진다.
옥수수대 겉대는 헤미셀룰로오스, 셀룰로오스, 리그닌 등을 함유하고 있다. 옥수수대로부터 펄프를 제조하기 위하여 소수성을 지니는 리그닌(lignin)을 펄핑 공정을 통하여 제거하게 된다. 특히, 옥수수대로부터 제조된 펄프는 섬유 고유의 특성으로 말미암아 유연성이 매우 높기 때문에 섬유간 결합이 목재펄프에 비하여 잘 일어나는 특성을 지니고 있다. 게다가 옥수수대는 목재에 비하여 섬유간 결합에 크게 기여하는 헤미셀룰로오스를 다량 함유하고 있기 때문에 종이 제조 시 벌크와 불투명도가 지나치게 낮아지는 단점을 지니고 있다.
이에 따라, 옥수수대 전처리단계(S30) 후에 옥수수대 겉대를 구성하는 섬유 내 헤미셀룰로오스 중 일부를 용출시켜 제거하는 공정(S40)이 이루어질 수 있다.
이로 인해, 섬유간 결합 능력을 조절하여 벌크와 불투명도를 개선하면서도 강도를 유지할 수 있도록 함으로써 목재펄프 대체용으로서의 가치를 높이는 효과를 갖는 옥수수대 펄프를 구현할 수 있다.
헤미셀룰로오스는 옥수수대 겉대의 최초 헤미셀룰로오스 함량 중 30-80중량%가 용출되어 제거된다. 이러한 범위 내에서, 종이의 벌크와 불투명도를 개선하는 효과가 있고, 종이의 강도가 확보될 수 있다. 바람직하게는 40-65중량%, 더 바람직하게는 42-55중량%가 제거된다.
헤미셀룰로오스는 제한되지 않지만, 펜토산(pentosan), 헥소산(hexosan), 자일란(xylan), 아라비노자일란(arabinoxylan), 글루코만난(glucomannan), 자일로글루칸(xyloglucan), 또는 이들의 혼합물이 될 수 있다.
특히, 헤미셀룰로오스의 일부가 제거된 후 옥수수대 겉대 중 헤미셀룰로오스(A)에 대한 셀룰로오스(B)의 함량의 중량비(B/A)는 2.2-7.69가 될 수 있다. 이러한 범위 내에서, 종이의 벌크와 불투명도를 개선하는 효과가 있고, 종이의 강도가 확보될 수 있다. 바람직하게는 2.56-3.85가 될 수 있다.
아울러, 헤미셀룰로오스의 일부가 제거된 후 옥수수대 겉대 중 헤미셀룰로오스의 함량은 11.5-31.3중량%가 될 수 있다. 이러한 범위 내에서, 종이의 벌크와 불투명도를 개선하는 효과가 있고, 종이의 강도가 확보될 수 있다. 바람직하게는, 20.3-28.1중량%, 더 바람직하게는 22.6-26.3중량%가 될 수 있다.
이때, 펄프 섬유 내 헤미셀룰로오스의 함량은 통상의 방법으로 측정할 수 있다. 예를 들면, 펜토산 함량의 정량(TAPPI Test Method T223, PAPTAC Test Method G.12)으로 측정가능하다.
또한, 헤미셀룰로오스의 일부가 제거된 후 옥수수대 겉대 중 셀룰로오스의 함량은 68.7-88.5중량%가 될 수 있다. 이러한 범위 내에서, 종이의 벌크와 불투명도를 개선하는 효과가 있고, 종이의 강도가 확보될 수 있다. 바람직하게는, 71.94-81.47중량%, 더 바람직하게는 72.62-77.3중량%가 될 수 있다.
헤미셀룰로오스는 옥수수대 겉대를 전처리(pretreatment) 조건의 조절을 통하여 옥수수대 겉대로부터 필요에 따라 용출 및 제거될 수 있다.
전처리 방법의 일 구체예로서, 헤미셀룰로오스 제거 단계(S40)는 옥수수대 겉대를 액비(물:옥수수대 겉대의 중량비) 5:1~10:1, 130-210도의 물로 30분-200분 동안 전처리하여 수행될 수 있다. 이 조건에서, 옥수수대 겉대의 최초 헤미셀룰로오스 중 본 발명의 바람직한 범위로 제거되어, 강도적 성질을 유지하면서도 벌크, 불투명도가 개선된 옥수수대 펄프를 제조할 수 있다.
바람직하게는, 액비 6:1~8:1, 140-180도의 물을 이용하고, 60분-150분 동안 전처리하여 수행될 수 있다.
전처리방법의 다른 구체예로서, 헤미셀룰로오스 일부 제거 단계(S40)는 액비(물:옥수수대 겉대의 중량비) 5:1~10:1, 130-190도의 물과 0.1-1.5%(옥수수대 겉대에 대한 중량 기준)의 산을 촉매로 이용하여 30분-180분 동안 물에서 전처리하여 수행될 수 있다. 이 조건에서, 옥수수대 겉대의 최초 헤미셀룰로오스 중 본 발명의 바람직한 범위로 제거되어, 벌크, 불투명도 등이 향상된 옥수수대 펄프를 제조할 수 있다.
이때, 산은 예를 들면 황산, 아세트산, 개미산, 염산 등을 사용할 수 있다. 그러나, 이 조건 이상으로 너무 지나치게 많은 량의 산을 사용할 경우 헤미셀룰로오스 이외에 옥수수대 펄프의 주성분인 셀룰로오스까지 분해되어 저분자화 현상이 발생되고, 이는 펄프의 강도를 심하게 저하시킬 수 있다.
산 용액의 농도는 0.1-2.5%(물에 대한 중량 기준)가 될 수 있다.
바람직하게는, 액비 6:1~8:1, 140-180도의 물에 0.5-1.5%의 산을 촉매로 사용하고, 60-150분 동안 전처리하여 수행될 수 있다.
전처리 방법의 또 다른 구체예로서, 헤미셀룰로오스 일부 제거 단계(S40)는 액비(알칼리 용액:옥수수대 겉대의 중량비) 5:1~10:1, 120-180도에서 5-21%의 활성알칼리(옥수수대 겉대의 중량 기준)로 30분-150분 동안 전처리하여 수행될 수 있다. 이 조건에서, 옥수수대 겉대의 최초 헤미셀룰로오스 중 본 발명의 바람직한 범위로 제거되어, 벌크, 불투명도 등이 향상된 옥수수대 펄프를 제조할 수 있다.
활성 알칼리로는 NaOH, Na2CO3, NaOH/Na2S의 혼합물, KOH 등이 사용될 수 있지만, 이에 제한되지 않는다.
바람직하게는, 액비 6:1-8:1, 140-170도에서 5-10%(as Na2O)의 활성알칼리를 이용하여 60-120분 동안 전처리하여 수행될 수 있다.
전처리는 단순 처리 또는 가열 등을 포함할 수 있지만, 이에 제한되지 않는다.
상술한 바와 같이 옥수수대 겉대를 전처리하여 얻은 결과물은 그 자체로 바로 증해 과정을 거쳐 옥수수대 펄프로 제조될 수 있다. 그러나, 옥수수대 펄프의 물성을 보다 개선하고, 용출된 헤미셀룰로오스를 또 다른 용도 예를 들면 유용 화학 물질의 합성에 사용할 뿐만 아니라 증해 약품(cooking chemicals)의 불필요한 낭비를 방지하기 위하여, 이러한 결과물로부터 용출된 헤미셀룰로오스를 또는 헤미셀룰로오스의 분해물을 제거하는 단계(S42)를 더 포함할 수 있다.
예를 들면, 헤미셀룰로오스 또는 헤미셀룰로오스의 분해물은 여과(filtration), 침전(precipitation), 상 분리(phase separation) 등의 방법을 사용하여 분리 정제될 수 있다.
분리된 헤미셀룰로오스 또는 헤미셀룰로오스 분해물은 추가로 정제 또는 공정에 의해 자일로스, 에탄올 등의 유용 화학 물질을 생산하기 위한 원료로 사용될 수 있다.
한편, 증해단계(S50)는 헤미셀룰로오수 제거단계(S40) 또는 헤미셀룰로오수 분해물 제거단계(S42)에 의하여 얻어지는 옥수수대 겉대칩을 가성소오다 및 탄산나트륨을 이용하여 증해하는 공정이다.
증해 조건은 옥수수대 펄프의 사용 목적에 따라 달리 적용될 수 있다. 즉, 옥수수대 펄프를 미 표백 상태로 산업용지 제조용으로 사용할 경우에는 보다 온화한 조건을 사용할 수 있다. 반면에, 표백 펄프를 생산하여 인쇄 및 필기 용지 용도로 사용할 경우에는 보다 강한 조건을 사용할 수 있다.
증해단계(S50)의 예로서, 소다법, 크라프트 법, 등이 사용될 수 있지만, 이에 제한되지 않는다.
소다법을 적용할 경우 활성알칼리 14-20%(as Na2O), 액비(알칼리 용액:옥수수대 칩의 중량비) 4:1~9:1, 130-190도에서 90분-180분 동안 가열하여 수행될 수 있지만, 이에 제한되지 않는다.
알칼리 용액을 위한 알칼리로는 NaOH, Na2CO3, KOH 등이 사용될 수 있고, 용매로는 물이 사용될 수 있지만 이에 제한되지 않는다.
또한, 증해 과정에서 수율 향상 및 품질 개선을 목적으로 안트라퀴논을 첨가제로 사용할 수있다. 농도는 0.05-0.8%가 될 수 있다. 크라프트법으로는 활성알칼리 13-18%(as Na2O), 황화도 20-30%, 액비(크라프트 용액:옥수수대 칩의 중량비) 4:1~8:1, 130-180도에서 70분-150분 동안 가열하여 수행될 수 있지만, 이에 제한되지 않는다.
크라프트 용액을 위한 크라프트 증해 약품으로는 NaOH와 Na2S가 사용될 수 있고, 용매로는 물이 사용될 수 있지만, 이에 제한되지 않는다.
상세히, 증해단계(S50)는 12~16%의 활성 알칼리 농도, 3:1~6:1의 액비, 120~150℃의 온도 및 60~150분의 시간 범위 내에서 수행됨이 바람직하다.
그리고, 증해단계(S50)는 헤미셀룰로오스의 분해를 최소화하고 펄프수율을 증가시키기 위하여 안트라퀴논을 0.05~0.2% 첨가함이 바람직하다.
또한, 증해단계(S50)를 거쳐 증해액을 배기하고, 제진, 스크린, 농축 등의 과정을 거친 후 표백하는 표백단계(S52)를 더 포함할 수 있다. 표백은 목재 펄프 또는 기존의 옥수수대 펄프에서 사용되는 모든 표백 방법이 적용될 수 있다. 표백은 박엽지, 인쇄 필기용지, 위생 용지(facial tissue, toilet tissue, towel 등) 등을 생산하고자 할 경우 포함될 수 있다.
본 발명에 따라 제조된 옥수수대 펄프는 백상지, 도공용 원지, 화장지, 인쇄 용지 등을 제조하는데 사용될 수 있지만, 이에 제한되지 않는다.
특히, 본 발명의 일 실시예에 따른 옥수수대를 이용한 전처리 방법은 옥수수대를 이용하여 고품질의 제지용 펄프를 제조하고, 산업용 포장재 제조 원료로 사용하거나 표백 후 화장지 및 박엽지를 생산하는 기술을 제공한다. 또한 다양한 특성을 지니는 침엽수 표백 화학펄프(softwood bleached chemical pulp), 활엽수 화학펄프(hardwood bleached chemical pulp), 표백 화학 열기계펄프(BCTMP) 등의 다양한 특성의 펄프를 배합하여 옥수수대 펄프로 제조한 종이가 지니는 인쇄용지의 품질상의 문제를 개선하여 고품질의 인쇄용지 제조를 위한 방법에 관한 것이다.
경제적으로 고품질의 펄프를 옥수수대로부터 제조하는데 있어서 가장 중요한 것은 비교적 섬유길이(fiber length)가 짧은 유세포(parenchyma)와 실리카 함량이 높은 속(pith) 부분을 분리 제거하는 것이다. 이 부분이 충분히 제거되지 못할 경우 약품의 소비가 증가될 뿐만 아니라 펄프 수율(pulp yield)이 떨어지고 제조된 펄프 내에 미세분(fines)에 해당되는 유세포가 다량 함유되어 탈수가 잘 되지 않아 종이 제조 공정 속도를 높일 수 없게 되고, 종이의 강도가 떨어지는 문제를 발생시킨다. 또한 종이에 여러 가지 기능을 부여하기 위하여 투입되는 화학 첨가제(chemical additives)들이 유세포에 의하여 선택적으로 흡착되는 문제가 발생하여 첨가제의 효율성이 떨어지게 된다.
옥수수대 겉대로부터 속대를 효율적으로 제거하기 위해서는 절단 길이가 매우 중요하다. 외부에서 힘이 가해질 경우 절단된 옥수수대의 길이가 너무 길면 속 부분이 잘 떨어져 나오지 않기 때문에 분리 제거가 어려워진다. 본 연구를 통하여 15mm-60mm 길이로 옥수수대를 절단할 경우 겉대와 속이 용이하게 분리됨을 확인할 수 있었다.
옥수수대는 목재와 달리 표 1에서 보는 바와 같이 리그닌 함량이 낮은 반면 헤미셀룰로오스의 함량이 높기 때문에 훨씬 펄프화(pulping)가 용이하다. 비록 목재펄프(wood pulp) 제조에 사용될 수 있는 다양한 펄프화법(pulping processes), 즉, 크라프트법(kraft process), 아황산법(sulfite process), 소오다-AQ법(soda-AQ process) 등이 적용될 수 있기는 하지만, 소오다법 만으로도 충분히 탈리그닌(delignification)이 가능하다. 따라서 증해 약품(cooking chemical)은 NaOH를 사용하며 필요에 따라 Na2CO3를 혼합 사용할 수 있다. 약품의 투입량은 Na2O로 환산하여 활성알칼리(active alkali) 12-16%를 적용함으로써 온화한 조건(mild condition)으로 증해(cooking)를 실시하여 보다 우수한 특성의 펄프를 얻는 것이 가능하다. 이와 같이 온화한 조건의 증해 조건을 적용함으로써 MgCl2 또는 MgCO3와 같은 셀룰로오스 보호제(cellulose protection additives)를 이용한 전처리 공정(pre-treatment process)이 생략될 수 있다. 이 공정의 생략을 통한 약품과 에너지 비용을 절감할 수 있으며, 생산 시간을 단축할 수 있다. 또한 헤미셀룰로오스의 분해를 최소화하고 펄프수율을 증가시키고자 할 때는 안트라퀴논(anthraquinone)을 0.05-0.2% 첨가할 수 있다. 액비는 3:1-6:1 범위에서 얻고자 하는 펄프의 특성에 따라 조절될 수 있다. 액비(liquor ratio)가 너무 높아지면 증해 약액의 농도가 낮아져 화학반응이 현저히 떨어지는 문제가 생길 수 있다. 증해 온도(cooking temperature)는 120-150℃ 범위 내에서 조절하며, 증해 시간(cooking time)은 60-150분의 범위 내에서 적용된 약품의 투입량, 온도 및 제조하고자 하는 펄프의 특성에 따라 조절한다.
Figure 112015099462864-pat00001
증해가 완료된 펄프는 세척(washing)하여 잔류하고 있는 약액을 제거하고, 목재 펄프 제조 시와 마찬가지로 스크리닝(screening)을 통하여 증해가 덜 된 옥수수대 칩이나 큰 이물질(contaminants)을 제거하고, 제진기(cleaner)를 이용하여 비중(specific gravity)이 큰 이물질을 제거해준다. 스크린에서 걸러진 부분은 진동스크린(vibrating screen)으로 한 번 더 걸러서 증해 및 해리가 덜 된 섬유 덩어리는 다시 다이제스터로 보내어진다.
세척 및 이물질 제거가 완료된 후 미표백 옥수수대 펄프 단독 또는 미표백 침엽수 크라프트 펄프(unbleached softwood kraft pulp)나 미표백 활엽수 크라프트 펄프(unbleached hardwood kraft pulp)와 배합하여 산업용 포장지 또는 판지 제조용 원료로 사용한다. 이때 충분한 강도를 얻기 위하여 고해 공정(refining process)을 거치게 되는데, 옥수수대 펄프는 목재 펄프(wood pulp)에 비하여 매우 약하기 때문에 0.2-1.0 Ws/m의 낮은 세기(intensity)로 고해를 실시한다. 고해를 통하여 펄프의 여수도(freeness)를 500-350 ml CSF 수준으로 조절하여 생산하고자 하는 평량(basis weight)으로 산업용지를 제조한다.
옥수수대 펄프를 화장지 글라신지 등의 특수지 또는 백상지(fine paper) 제조용 원료로 사용하기 위해서는 표백 공정(bleaching processes)을 거쳐야 한다. 옥수수대는 표 1에서 나타낸 바와 같이 리그닌 함량이 낮기 때문에 탈리그닌이 매우 용이하다. 따라서 목재펄프와 달리 표백단(bleaching sequences)의 수를 3단계로 제한해도 충분히 높은 명도(brightness)를 얻을 수 있다. 또한 최근 원소상 염소(elemental chlorine)를 표백제(bleaching agents)로 사용할 경우 다이옥신이 발생될 위험이 있기 때문에 표백단은 ECF(elemental chlorine free) 또는 TCF(totally chlorine free) 방법을 적용한다. 이러한 표백 방법들은 이미 목재 펄프의 표백에 적용되고 있는 방법으로 보통 5단 표백을 실시하지만 옥수수대 펄프의 표백이 용이한 점을 감안하여 명도 80-90%의 펄프를 제조할 경우에는 3단 표백을 적용한다. 단 90% 이상의 특별히 높은 명도가 요구되는 경우에는 4단 표백을 적용할 수 있다. ECF 표백 방법으로는 DED, DEP, DEO, DEZ, PED, PEP, DEDP, DEOZ, DEDZ, DEOP, DEPD 등 다양한 표백단이 적용될 수 있다. 여기에서 D는 이산화염소(chlorine dioxide), E는 알칼리 추출(alkaline extraction), P는 과산화물(peroxide), O는 산소(oxygen), Z는 오존(ozone)의 약칭이다.
백상지(fine paper) 또는 도공용 원지(coating base paper)를 제조하고자 할 경우 각 용도에 따라 필요한 성질을 부여하기 위하여 고해(refining), 펄프의 배합(pulp blending), 사이징(sizing), 충전(filler loading) 등의 지료조성 공정(stock preparation process)이 필요하다. 이 공정은 목재펄프뿐만 아니라 이용 가능한 모든 펄프를 사용할 때 동일하게 적용된다. 단지 옥수수대 펄프가 지니는 단점을 보완하고 생산하고자 하는 종이의 특성을 만족시킬 수 있도록 목재펄프의 배합, 충전제(filler), 사이즈제(sizing agents), 보류제(retention aids) 등의 적용을 최적화하는 것이 핵심이라 할 수 있다. 따라서 본 발명에서는 기존 목재 펄프를 이용하는 경우와 다른 점을 중심으로 기술하고자 한다.
옥수수대 펄프 섬유는 표 2에서 보는 바와 같이 목재펄프에 비하여 섬유가 매우 가는 특성을 지니고 있다. 또한 표 1과 같이 헤미셀룰로오스 함량이 높아서 표백 옥수수대 펄프만으로 종이를 제조할 경우 밀도(density)가 너무 높아져 불투명도(opacity)가 낮아지는 단점이 있다. 백상지의 경우 벌크와 불투명도가 매우 중요한 점을 감안하면 이를 보완할 필요가 있다는 사실을 쉽게 인지할 수 있다. 기존 목재펄프로 종이를 제조하는 경우에도 각 펄프가 지니는 단점을 보완하기 위하여 침엽수 펄프, 활엽수 펄프 및 소량의 기계펄프(mechanical pulp)를 혼합하여 사용하고 있다.
Figure 112015099462864-pat00002
옥수수대 펄프는 상기 설명한 바와 같이 섬유가 가늘기 때문에 유연성(flexibility)이 좋고, 헤미셀룰로오스 함량이 높아 섬유간 결합(fiber bonding)이 다른 펄프 섬유에 비하여 잘 이루어지기 때문에 고해를 하지 않고 단지 디플레이커를 통과시키는 정도만으로도 충분히 강도를 얻을 수 있다. 제지공정에서 건조 공정다음으로 고해공정에서 많은 에너지를 필요로 한다. 목재펄프의 경우 고해를 통하여 여수도 100 ㎖ CSF를 낮추는데 소요되는 동력이 펄프 톤당 약 71 kW/t(활엽수) - 84 kW/t(침엽수)에 달한다. 만약 하루에 1,000톤의 펄프를 고해한다고 가정하고 활엽수 고해 에너지를 적용하여 환산하면 71,000 kW의 전기 에너지 절감이 가능하고, 연간 300일 가동할 경우 21,300,000kW의 전기 에너지 절감이 가능하다. 이와 같이 옥수수대 펄프를 제지용 원료로 사용할 경우 고해를 생략함으로써 제조비용을 크게 절감할 수 있다는 사실은 특히 온실가스 배출 감축 압력이 심화되고 있는 상황를 감안할 때 제지산업의 난국을 타개하기 위한 좋은 방안이 될 수 있을 것으로 기대된다.
화장지와 같은 박엽지를 생산할 경우에는 평량이 낮기 때문에 강도 확보를 위하여 충전제를 사용하지 않으며, 특히 화장지를 제조하고자 할 경우에는 흡수성, 물풀림성 및 부드러운 성질이 매우 중요하다. 옥수수대 펄프의 경우 섬유장(fiber length)이 활엽수(hardwood)보다 다소 길고 가늘며 헤미셀룰로오스 함량이 높기 때문에 특히 화장지, 박엽지 및 글라신지 제조에 적합한 특성을 지니고 있다. 옥수수대 펄프는 목재펄프에 비하여 매우 약한 반면 우수한 결합 특성을 지니고 있어서 화장지를 제조하기 위해서 고해를 하지 않고 단지 디플레이커(deflaker)로 2-3회 처리하는 것으로 충분하다. 이때, 디플레이커는 펄프 섬유에 약한 충격만을 주는 설비를 말한다. 그리고, 고해는 펄프 섬유에 압축, 인장 및 전단력을 가하여 소섬유화(fibrillation) 또는 섬유의 절단을 일으키는 작업을 말한다.
옥수수대 펄프를 100% 사용하여 화장지를 제조한 결과 표 3에 나타난 바와 같이 매우 우수한 물성이 얻어졌다. 비데용 화장지와 같이 다소 벌키한 구조와 흡수성이 필요한 경우에는 침엽수 표백 크라프트 펄프 5-10%, 활엽수 표백 크라프트 펄프 20-40%, 옥수수대 펄프 40-60% 배합하여 화장지를 제조한다. 이때 목재 펄프는 고해를 실시하여 여수도를 400-550 ml CSF로 조절하여 배합한다.
인쇄용지를 제조하기 위해서는 벌크(bulk), 불투명도(opacity), 평활도(smoothness) 등이 중요한 인자로 고려된다. 그러나 옥수수대 펄프 고유의 특성으로 말미암아 벌크와 불투명도가 낮은 단점을 지니고 있기 때문에 이를 보완하기 위하여 침엽수 표백 화학펄프, 활엽수 표백 화학펄프, 표백 화학 열기계펄프 등을 혼합하여 종이를 제조한다. 혼합비는 제조하고자 하는 종이의 성질에 따라 침엽수 표백 화학펄프 1-5%, 활엽수 표백 화학펄프 20-50%, 옥수수대 펄프 20-50%, 표백 화학 열기계펄프 5-10%의 범위 내에서 조절할 수 있다. 옥수수대 펄프의 경우에는 화장지 제조 시와 마찬가지로 디플레이커로만 처리를 하며, 침엽수 및 활엽수 화학펄프의 경우에는 여수도를 400-500ml CSF의 수준으로 고해를 실시한다.
충전제로는 경질 탄산칼슘(PCC), 중질 탄산칼슘(GCC), 활석(talc), 백토(clay)가 사용될 수 있으며, 투입량은 5-25%의 범위 내에서 제조하고자 하는 종이의 용도에 따라 조절될 수 있다.
사이즈제로는 AKD(alkyl ketene dimer), ASA(alkenyl succinic anhydride), 강화로진 에멀젼 등이 사용될 수 있으며, 투입량은 0.05-6%의 범위 내에서 조절할 수 있다.
충전제와 사이즈제는 자체적으로 펄프 섬유에 정착될 수 없기 때문에 보류제의 사용이 필요하다. 이러한 보류제로는 양이온성 전분(cationic starch), 양성 전분(amphoteric starch), 양이온성 및 음이온성 폴리아크릴아마이드(cationic and anionic polyacrylamide), 폴리에틸렌이민(polyethylene imine), 콜로이드 실리카(colloidal silica), 벤토나이트(bentonite), 유기 마이크로 파티클(organic microparticle) 등이 사용될 수 있다.
실시예
다음에 제시되는 실시예는 옥수수대로부터 펄프를 생산하는 방법과 품질, 그리고 종이 제조에 관한 것으로 본 발명의 우수성을 보여주기 위한 것이다. 따라서 본 발명의 범위를 실시 예에 의해 국한 또는 한정하고자 하는 것이 아니다.
[실시예 1]
옥수수대를 길이 1.5 cm 길이로 절단하여 고속 회전기를 이용하여 10분간 타격한 후 스크린으로 속과 겉대를 분리하였다. 분리된 겉대를 실험실용 다이제스터(용량 4리터)에 400g을 취하여 넣고, 활성알칼리 13%와 15%에 해당하는 수용액으로 만든 가성소오다(sodium hydroxide)를 투입하였다. 액비(liquor ratio)는 5:1로 하였으며, 약액(cooking liquor)에 옥수수대 칩이 충분히 잠길 수 있도록 금속 추를 사용하여 위에서 눌러주고 150℃에서 70분, 90분, 120분간 증해(cooking)를 실시하였다. 증해가 완료된 옥수수대 칩의 세척을 실시하고, 진동스크린을 이용하여 리젝트(reject)를 제거하였다. 정선(screening)이 완료된 펄프는 수율(pulp yield), 카파가(kappa number), 명도(brightness)를 측정하고, 실험실용 고해기(laboratory beater)를 이용하여 추를 달지 않고 10분간 가벼운 기계적 충격을 준 후 실험실용 수초지기(laboratory handsheet machine)를 이용하여 평량 60 g/m2의 수초지(handsheet)를 제조하였다. 제조된 수초지는 항온항습실에서 1일간 조습시킨 후 TAPPI Standard에 의거 겉보기밀도(apparent density), 인장지수(tensile index) 및 파열지수(burst index)를 측정하였다. 실험 결과는 표 3에 요약되었으며, 미표백 옥수수대 펄프의 품질을 감안할 때 산업용지 제조용 원료로 충분히 사용될 수 있음을 확인할 수 있었다.
Figure 112015099462864-pat00003
[실시예 2]
표백 옥수수대 펄프의 화장지 특성을 평가하기 위하여 옥수수대 표백 펄프 100% 및 목재 화학펄프와의 혼합 초지를 실시하여 KS 규격 및 시제품과의 비교를 실시하였다. 옥수수대 펄프로 제조한 화장지의 파열강도(burst strength), 인장강도(tensile strength) 및 흡수도(absorbency)가 모두 KS 규격을 만족시켰으며, 파열강도는 시판용 화장지보다 우수하였다.
Figure 112015099462864-pat00004
[실시예 3]
표백 옥수수대 펄프에 침엽수 표백 화학펄프, 활엽수 표백 화학펄프, 표백 화학 열기계펄프 등의 펄프의 혼합을 통하여 벌크와 불투명도가 우수한 종이를 제조할 수 있음을 증명하기 위하여 실험실적 연구를 실시하였다. 충전제로는 중질 탄산칼슘을 사용하였으며, 보류제로는 벤토나이트와 양이온성 폴리아크릴 아마이드를 이용한 마이크로 파티클 시스템을 적용하였다. 이 실험 결과에 의하면 펄프의 배합을 통하여 옥수수대 펄프의 가장 큰 단점인 벌크와 불투명도의 개선이 가능함을 확인할 수 있었다.
Figure 112015099462864-pat00005
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.
100: 원재료파쇄유닛 110: 본체
120: 파쇄커터 130: 외기관
200: 이물질제거유닛 210: 프레임
220: 스크리너 230: 구동원
240: 정량이송컨베이어 300: 제 1분리유닛
310: 하우징 320: 드럼
330: 제 1이송컨베이어 340: 제 1배출컨베이어
400: 제 2분리유닛 410: 케이싱
420: 회전체 430: 샤프트
440: 커버부재 450: 타격부
452: 플레이트 454: 바아
456: 타격리브 460: 송풍기
500: 싸이클론 600: 최종선별유닛
610: 바디 700: 집진유닛
710: 집진덕트 720: 집진기

Claims (15)

  1. 옥수수대를 공급받아 절단과 파쇄하는 원재료파쇄유닛; 파쇄된 옥수수대를 공급받아 이물질을 걸러내는 이물질제거유닛; 이물질이 제거된 옥수수대를 공급받아 겉대와 속대로 분리하는 제 1분리유닛; 상기 옥수수대를 겉대와 속대로 분리 후 한번 더 겉대와 속대로 분리하며, 상기 겉대와 상기 속대를 타격하여 칩 형태로 잘게 파쇄하는 제 2분리유닛; 및 발생되는 먼지를 집진하여 정화 후 배출하는 집진유닛을 포함하고,
    칩 형태의 속대를 공급받아 회전시킴으로써 비중이 큰 겉대를 상기 속대로부터 분리하는 싸이클론; 및
    상기 싸이클론에서 상기 속대를 분리한 겉대칩과, 상기 제 2분리유닛에서 분리된 겉대칩을 함께 공급받아 최종적으로 겉대칩과 속대칩으로 분리 배출하는 최종선별유닛을 포함하며,
    상기 최종선별유닛은, 상기 싸이클론에서 상기 속대를 분리한 겉대칩과, 상기 제 2분리유닛에서 분리된 겉대칩을 함께 공급받는 원형통; 및
    상기 원형통에 회전 가능하게 구비되어 공급된 상기 겉대칩을 이송시키면서 최종적으로 겉대칩과 속대칩으로 분리 배출 안내하는 스크류를 포함하는 것을 특징으로 하는 옥수수대의 전처리장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 제 1분리유닛은,
    절단된 상기 옥수수대를 공급받아 배출 안내하는 하우징;
    상기 하우징으로 유입된 상기 옥수수대를 원심력을 이용하여 겉대와 속대로 분리 배출하는 드럼; 및
    상기 겉대를 상기 제 2분리유닛으로 이송 공급하는 제 1이송컨베이어; 및
    상기 속대를 배출 안내하는 제 1배출컨베이어를 포함하는 것을 특징으로 하는 옥수수대의 전처리장치.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 제 2분리유닛은,
    상기 제 1분리유닛에서 분리된 겉대를 자유낙하 방식으로 상측으로 투입하여 하측으로 배출 유도하는 케이싱; 및
    상기 케이싱 내부에 축 삽입되어 회전되며, 유입되는 상기 겉대를 칩 상태로 타격하면서 겉대와 속대로 분리하는 회전체를 포함하고,
    상기 회전체는, 상기 케이싱에 축 삽입되어 외력에 의해 회전되는 샤프트;
    상기 샤프트를 회전 가능하게 삽입 고정하고, 상기 케이싱의 개방된 상측 전체 또는 일부에 연결되는 커버부재; 및
    상기 샤프트의 둘레면에 형성되어 상기 케이싱 내부로 투입되는 겉대와 속대를 타격하는 타격부를 포함하는 것을 특징으로 하는 옥수수대의 전처리장치.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 제 2분리유닛은,
    상기 케이싱 내부로 외기를 불어넣어 상기 겉대와 상기 속대가 상기 타격부에 접하는 시간을 증가시키기 위한 송풍기를 포함하는 것을 특징으로 하는 옥수수대의 전처리장치.
  5. 제 3항에 있어서, 상기 타격부는,
    상기 샤프트의 축 방향을 따라 복수 개 형성되는 플레이트; 및
    상기 플레이트 각각의 가장자리를 따라 복수 개 형성되는 바아를 포함하는 것을 특징으로 하는 옥수수대의 전처리장치.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 타격부는, 상기 바아에 분리 가능하게 형성되어 낙하하는 상기 겉대에 타격을 가하여 타격하는 타격리브를 포함하는 것을 특징으로 하는 옥수수대의 전처리장치.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 집진유닛은,
    상기 이물질제거유닛과 상기 최종선별유닛에 연결되어 발생된 먼지를 이송 안내하는 집진덕트; 및
    상기 집진덕트를 통해 이송된 먼지를 통과시키며 먼지를 정화 후 배출하는 집진기를 포함하는 것을 특징으로 하는 옥수수대의 전처리장치.
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