KR102318843B1 - Method for the production of kenaf activationcarbon - Google Patents

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손지민
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Abstract

Hibiscus cannabinus activated carbon produced in the present invention has a light mass to volume than other plant-based activated carbon and thus exhibits a packing density less than twice or more thereof. In addition, the Hibiscus cannabinus activated carbon exhibits strong antioxidant activity greatly to the extent of 5 times difference. The method of the present invention comprises: a step of carbonizing Hibiscus cannabinus chips; a step of activating the carbonized product; and a step of cooling the same.

Description

케나프 활성탄의 제조방법 {Method for the production of kenaf activationcarbon} Method for producing kenaf activated carbon {Method for the production of kenaf activationcarbon}

본 발명은 활성탄의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 케나프 활성탄의 제조방법에 관한 것이다. The present invention relates to a method for producing activated carbon, and more particularly, to a method for producing kenaf activated carbon.

대기오염과 수질오염 등 지구환경문제가 점점 심각해짐에 따라서 활성탄의 수요가 급격하게 증가하고 있다. 활성탄은 유기성 물질을 탄화하여 얻는 고정 탄소체의 기공을 활성화 과정을 통해 더욱 확대한 다공성 탄소체이다.As global environmental problems such as air pollution and water pollution become more serious, the demand for activated carbon is rapidly increasing. Activated carbon is a porous carbon body in which pores of a fixed carbon body obtained by carbonizing an organic material are further enlarged through an activation process.

활성탄에 제조에 이용되는 원료는 크게, 식물계, 동물계, 광물계로 나눌 수 있으며, 현재 가장 널리 이용되는 활성탄의 원료는 식물계인 야자 열매와 나무종류, 광물계인 갈탄, 역청탄인데, 이 모든 원료 대부분은 수입에 의존하고 있어 수급이 불안정하다. 또한, 참나무와 기타 나무들의 수급도 성장 기간이 오래 걸려, 나무로 된 식물계와 광물계의 활성탄 원료의 원활한 공급 및 생산으로 인한 환경오염이 우려된다. The raw materials used in the manufacture of activated carbon can be broadly divided into plant, animal, and mineral. Dependence on the supply and demand is unstable. In addition, the supply and demand of oaks and other trees also takes a long period of growth, so there is concern about environmental pollution due to the smooth supply and production of wooden plant-based and mineral-based activated carbon raw materials.

활성탄은 용도에 따라 수처리, 액체의 탈색 및 정제를 위한 액상용과 기체의 흡착에 적합한 기상용으로 분류될 수 있고, 입자의 크기에 및 성상에 따라 입상, 분말, 성형, 활성섬유 등으로 구분할 수 있다. 일반적으로 기상용활성탄은 미세세공이 발달되어 있으며 셀룰로오스 성분으로 이루어진 식물질이 주원료로 사용되고 액상용 활성탄은 석탄이나 식물체를 원료로 하여 제조한 소재를 점결제와 혼합성형 후 다시 활성화 공정을 거치므로 기상용에 비하여 중간과 거대세공이 더욱 발달되어 있다. Activated carbon can be classified into a liquid type for water treatment, liquid decolorization and purification, and a gaseous type suitable for gas adsorption, depending on the use, and can be divided into granular, powder, molded, activated fiber, etc. . In general, activated carbon for gas phase has developed micropores, and plant material made of cellulose is used as the main raw material. Activated carbon for liquid phase uses a material made from coal or plant as a raw material and mixes it with a binder and then goes through the activation process again. Compared to dragons, the middle and macropores are more developed.

활성탄은 흡착성능이 뛰어난 물질로 화학물질, 금속 및 독소를 흡수하는 능력을 갖추고 있다, 따라서 수용액과 기상의 유기물질을 흡착 제거하는데 가장 많이 이용되며, 도시 상·하수 및 산업폐수의 정화 및 여과처리, CO2 분리 이용 및 회수 처리, 그 외에도 탈색, 탈취, 용제회수 등으로 전 산업 영역에서 활발하게 이용되고 있다.Activated carbon is a material with excellent adsorption performance and has the ability to absorb chemicals, metals, and toxins. Therefore, it is most used to adsorb and remove organic substances in aqueous and gaseous phases. , CO 2 separation, use and recovery treatment, in addition to decolorization, deodorization, solvent recovery, etc., are actively used in all industrial fields.

또한, 예로부터 식물계 활성탄은 약재나 향장 소재로 쓰이기도 하였으며, 항염증, 소화 및 항산화 작용을 하여, 치아 미백, 복부 팽만 및 가스 문제 해결, 알코올 해독 및 독소 배출, 피부 개선, 노화 예방, 콜레스테롤 제거, 면역력 향상, 병충해 예방 등의 효과가 보고되어 있다. 다만, 인체에 사용할 경우 활성화 과정을 통해 타르 등의 유해물질이 제거된 활성탄을 이용해야 하며, 국내에서는 식용이 금지되어 있다. 그 외로도 활성탄의 유해물질 제거 혹은 방지 등의 여러 기능을 이용하여 건축 재료나 기타 산업 소재로 많이 이용되고 있다.In addition, plant-based activated carbon has been used as a medicinal or cosmetic material since ancient times, and has anti-inflammatory, digestive and antioxidant properties, whitening teeth, resolving abdominal distension and gas problems, alcohol detoxification and toxin discharge, skin improvement, aging prevention, and cholesterol removal , immunity enhancement, and prevention of pests and diseases have been reported. However, when used on the human body, activated carbon from which harmful substances such as tar have been removed through the activation process must be used, and eating is prohibited in Korea. In addition, activated carbon is widely used as a building material or other industrial material by using various functions such as removal or prevention of harmful substances.

활성탄의 흡착 능력과 응용 형태는 세공구조, 표면적, 밀도, 그리고 표면화학과 같은 물리적 특성에 의해 좌우된다. 활성탄은 원료의 탄화 및 활성화 과정을 통해 제조된다. The adsorption capacity and application form of activated carbon depends on the physical properties such as pore structure, surface area, density, and surface chemistry. Activated carbon is produced through the carbonization and activation process of raw materials.

탄화는 불활성 분위기에서 유기질 원료를 약 900℃ 이하의 온도로 가열하는 것으로 먼저 수분이 제거되는 건조과정과 휘발분의 열분해가 일어난 뒤 내부 탄소가 일부 생성기체와 반응하고 고정탄소만 남는 과정을 말한다. Carbonization refers to the process of heating organic raw materials to a temperature of about 900° C. or lower in an inert atmosphere. First, a drying process in which moisture is removed and pyrolysis of volatile matter occurs, and then the internal carbon reacts with some of the product gas and only the fixed carbon remains.

활성화는 800~1100℃ 온도에서 일어나는 탄소의 산화반응으로 탄화물의 표면을 침식시켜 미세세공 구조를 발달시키는 과정이다. 활성화 방법으로는 탄화된 원료를 고온에서 산화성 기체인 수증기, 이산화탄소 등의 산화성 가스와 접촉 반응시켜 미세한 다공질의 흡착탄 물리적 활성화법과 KOH, ZnCl2, H3PO4 등을 사용하는 화학적 활성화법이 있다.Activation is a process of developing a micropore structure by eroding the surface of carbide by oxidation reaction of carbon occurring at a temperature of 800 to 1100 °C. The activation method includes a physical activation method of fine porous adsorbed carbon by reacting the carbonized raw material with an oxidizing gas such as steam and carbon dioxide, which are oxidizing gases, at high temperature, and a chemical activation method using KOH, ZnCl 2 , H 3 PO 4 , etc. .

화학적 활성화법은 표면적이 매우 넓은 활성탄을 얻을 수 있는 장점이 있으나, 제조공정이 복잡하며 장치 부식, 2차 오염 및 경제성 등의 문제점을 가지고 있다. 물리적 활성화법은 세공 크기를 손쉽게 바꿀 수 있으므로, 다양한 목적에 따라 적합한 활성탄을 생산해 낼 수 있다. 하지만, 구조의 확대는 산출량의 감소를 초래하며, 여분의 열을 필요로 하므로 비용이 많이 든다. 따라서, 용도를 고려하여 경제적으로 가장 효율적인 활성탄을 제조하는 공정을 선정하는 것이 중요하다. Although the chemical activation method has the advantage of obtaining activated carbon with a very large surface area, the manufacturing process is complicated, and it has problems such as device corrosion, secondary pollution, and economic feasibility. Since the physical activation method can easily change the pore size, activated carbon suitable for various purposes can be produced. However, the enlargement of the structure results in a decrease in output and is expensive because it requires extra heat. Therefore, it is important to select a process for producing the most economically efficient activated carbon in consideration of the use.

Rodriquez-Reinoso은 활성화제로 수증기와 CO2의 역할에 관한 비교 연구를 통해, 800℃에서 활성화제로 수증기가 사용되었을 때, 활성화 공정의 초기 단계에서는 확장이 발생하는 것으로 보고하고 있다. 반면, 활성화제로서 CO2가 사용되면 후반에 microporosity 확장이 발생하는 것으로 보고하고 있다. 또한, 수증기는 CO2보다 mesopore와 macro pore의 좀 더 많은 발달과 함께 더 많은 범위의 세공 크기 분포를 생산하는 것으로 보고하고 있다 (Rodriquez-Reinoso(1995), The Use of steam and CO2 as activating agents in the preparation of activated carbon. Carbon. 33. pp. 15-23). Rodriquez-Reinoso reported that, through a comparative study on the role of water vapor and CO 2 as an activator, expansion occurred at an early stage of the activation process when water vapor was used as an activator at 800 °C. On the other hand, it is reported that microporosity expansion occurs in the second half when CO 2 is used as an activator. In addition, it is reported that water vapor produces a wider range of pore size distributions with more development of mesopores and macropores than CO 2 (Rodriquez-Reinoso (1995), The Use of steam and CO 2 as activating agents). in the preparation of activated carbon. Carbon. 33. pp. 15-23).

대한민국 공개특허 제1020150025183호 (공개일자 2015.03.10)에는, 대나무 조각들을 가열하여 탄화시켜 미세 기공이 형성된 대나무 숯을 얻는 대나무숯 제조단계(S1단계)와; 상기 대나무숯 제조단계(S1단계)에서 제조한 대나무숯을 증류수로 깨끗이 세정하는 대나무숯 세정단계(S2단계)와; 상기 S2단계를 거친 대나무숯을 믹서기로 갈아 숯 분말을 만드는 숯 분말 제조단계(S3단계)와; 상기 숯 분말 제조단계(S3단계)에서 얻어진 숯 분말을 3M HCL에 담가 유기 불순물을 제거하는 유기 불순물 제거단계(S4단계)와; 상기 유기 불순물 제거단계(S4단계)를 거쳐 유기 불순물이 제거된 숯 분말을 진공필터법으로 여과하는 필터링단계(S5단계)와; KOH와 상기 필터링단계(S5단계)를 거친 대나무숯 분말을 1 : 1 ∼ 10 : 1 비율로 잘 섞이도록 빻아 혼합물을 만드는 혼합단계(S6단계)와; 상기 혼합단계(S6단계)에서 혼합된 혼합물을 200 ∼ 500℃에서 5분 이상 가열하는 1차 가열단계(S7단계) 및; 상기 1차 가열단계(S7단계)를 거친 혼합물을 800℃ 이상에서 5분 이상 가열하는 2차 가열단계(S8단계)로 이루어진 대나무 활성탄 제조방법이 기재되어 있다.Korean Patent Laid-Open No. 1020150025183 (published on March 10, 2015) discloses a bamboo charcoal manufacturing step (step S1) of heating and carbonizing pieces of bamboo to obtain bamboo charcoal having micropores; a bamboo charcoal washing step (step S2) of thoroughly washing the bamboo charcoal prepared in the bamboo charcoal production step (step S1) with distilled water; a charcoal powder manufacturing step (step S3) of grinding the bamboo charcoal that has undergone the step S2 with a blender to make charcoal powder; an organic impurity removal step (step S4) of immersing the charcoal powder obtained in the charcoal powder manufacturing step (step S3) in 3M HCL to remove organic impurities; a filtering step (step S5) of filtering the charcoal powder from which organic impurities have been removed through the organic impurity removal step (step S4) by a vacuum filter method; A mixing step (step S6) of making a mixture by grinding KOH and bamboo charcoal powder that has undergone the filtering step (step S5) to be well mixed in a ratio of 1:1 to 10:1; a first heating step (step S7) of heating the mixture mixed in the mixing step (step S6) at 200 to 500° C. for 5 minutes or more; A method for producing bamboo activated carbon comprising a second heating step (step S8) of heating the mixture that has undergone the first heating step (step S7) at 800° C. or higher for 5 minutes or more is described.

본 발명에서는 케나프를 이용하여 활성탄을 만드는 방법을 개발하여 제공하고자 한다. The present invention aims to develop and provide a method for making activated carbon using kenaf.

본 발명은 무산소 조건에서 케나프 칩을 350~450℃으로 승온시키면서 탄화하는 단계 (a); 상기 단계 (a)에서 탄화한 케나프 칩을 800~1,000℃까지 무산소 조건에서 승온시키고, 이 온도에 도달하였을 때 이 온도 조건을 유지하면서 이산화탄소 가스 및 수증기를 주입하여 활성화하는 단계 (b); 상기 단계 (b)의 활성화 단계가 경과한 후, 이산화탄소 가스와 수증기, 열원의 공급을 중단하고, 무산소 조건에서 200℃ 밑으로 냉각시키는 단계 (c);를 포함하는 것을 특징으로 하는 케나프 활성탄의 제조방법을 제공한다. The present invention comprises the steps of carbonizing a kenaf chip while raising the temperature to 350 ~ 450 ℃ under anaerobic conditions (a); (b) raising the temperature of the kenaf chip carbonized in step (a) under anoxic conditions to 800 to 1,000° C., and injecting carbon dioxide gas and water vapor while maintaining this temperature condition when this temperature is reached (b); After the activation step of step (b) has elapsed, the supply of carbon dioxide gas, water vapor, and a heat source is stopped, and the step (c) of cooling below 200° C. under anoxic conditions; A manufacturing method is provided.

본 발명 케나프 활성탄의 제조방법에 있어서, 상기 단계 (c)는, 바람직하게 냉각된 활성탄을 밀폐된 조건에서 상온으로 보존하는 것이 좋다. In the method for producing kenaf activated carbon of the present invention, in step (c), it is preferable to store the cooled activated carbon at room temperature in a sealed condition.

본 발명 케나프 활성탄의 제조방법에 있어서, 상기 무산소 조건은, 바람직하게 질소가스를 주입하여 구현하는 것이 좋다. 이때, 상기 질소가스는, 바람직하게 100~1,200 ml/min의 속도로 주입되는 것이 좋다. In the method for producing kenaf activated carbon of the present invention, the anaerobic condition is preferably implemented by injecting nitrogen gas. In this case, the nitrogen gas is preferably injected at a rate of 100 to 1,200 ml/min.

본 발명 케나프 활성탄의 제조방법에 있어서, 상기 단계 (a)는, 바람직하게 케나프 칩을 10℃/min의 승온속도로 350~450℃에 도달하게 하는 것이 좋다. In the method for producing activated kenaf carbon according to the present invention, in step (a), it is preferable that the kenaf chip reach 350 to 450° C. at a temperature increase rate of 10° C./min.

본 발명 케나프 활성탄의 제조방법에 있어서, 상기 이산화탄소 가스는, 바람직하게 100~1,200 ml/min의 속도로 주입되는 것이 좋다. In the method for producing kenaf activated carbon of the present invention, the carbon dioxide gas is preferably injected at a rate of 100 to 1,200 ml/min.

본 발명 케나프 활성탄의 제조방법에 있어서, 상기 수증기는, 바람직하게 10~100 ml/hr의 속도로 주입되는 것이 좋다. In the method for producing kenaf activated carbon according to the present invention, the water vapor is preferably injected at a rate of 10 to 100 ml/hr.

본 발명에서 제조한 케나프 활성탄은 다른 식물계 활성탄보다 부피대비 가벼운 질량을 가져 2배 이상 적은 충진밀도를 자랑했다. 또한, 크게 5배 차이가 날 정도로 강력한 항산화 활성도를 자랑했다. 이러한 결과를 바탕으로 케나프 활성탄을 다양한 산업 소재 및 기능성 식품, 향장 소재로써 이용할 수 있으며, 특히 여과재, 건축재, 바이오 복합재, 기타 다양한 산업 소재에 이용함으로써 소재의 무게 감소 및 항산화, 항염효과를 통한 저장 유통성 및 품질증가를 기대할 수 있다. Kenaf activated carbon prepared in the present invention boasted a packing density that was less than twice that of other plant-based activated carbons by having a lighter mass to volume ratio. In addition, it boasted a strong antioxidant activity with a significant difference of 5 times. Based on these results, Kenaf activated carbon can be used as a variety of industrial materials, functional foods, and cosmetic materials. In particular, it is used for filter materials, building materials, bio-composites, and various other industrial materials to reduce the weight of materials and store them through antioxidant and anti-inflammatory effects. Distribution and quality increase can be expected.

도 1은 본 발명의 케나프 활성탄을 만들 수 있는 장치의 모식도이다.
도 2는 케나프 열분해 특성 분석결과 (TGA시험)이다.
도 3은 본 발명 케나프 활성탄의 농도에 따른 항산화 활성도 측정 (%) 결과이다.
도 4는 본 발명 케나프 활성탄, 참나무 활성탄, 대나무 활성탄을 DPPH와 반응시켰을 때, 색 변화 (항산화 능력)를 시각적으로 보여주는 사진이다.
1 is a schematic diagram of an apparatus capable of making kenaf activated carbon of the present invention.
2 is a kenaf thermal decomposition characteristic analysis result (TGA test).
3 is a measurement (%) result of antioxidant activity according to the concentration of kenaf activated carbon of the present invention.
Figure 4 is a photograph visually showing the color change (antioxidant ability) when the present invention kenaf activated carbon, oak activated carbon, and bamboo activated carbon are reacted with DPPH.

케나프(Hibiscus cannabinus L.)는 1년생 초본식물로 인도, 아프리카에서 자생하는 아욱목 아욱과 무궁화속 식물이다. 미국과 일본 등에서 케나프에 관한 연구가 많이 이루어져서 목재를 원료로 하는 제품들을 케나프 원료로 대체하고 있다. 전통적인 이용 제품인 밧줄, 마대, 깔개 등뿐 아니라 펄프 제지 분야에서 목재를 대체하여 고품질의 프린트 및 복사용지, 재생 종이, 신문지 등으로 개발되어 생산되고 있으며 그 외에도 식물 재배용 매체, 퇴비, 사료 등의 농업 분야에서 애완동물 매트, 카펫, 절연재, 벽지 및 각종 보도, 섬유 복합재 등 건축 외 내장재까지 다양하게 이용되고 있다. 또한, 기름 흡착제, 햄버거 커버, 일회용 용기, 자동차 부품이나 연료용 펠릿 등 산업 전반에서 친환경 제품으로 이용이 확대되고 있다. 이렇게 케나프가 산업에 이용되면서 상당량이 가공되어 처리되고 있지만 대부분 줄기를 원료로 이용되며 잎, 종자 등은 상당량이 다량의 부산물로 발생하고 있다. Kenaf ( Hibiscus cannabinus L. ) is an annual herbaceous plant and is a plant of the genus Mallow family Mugunghwa that is native to India and Africa. Many studies on kenaf have been conducted in the United States and Japan, and products made from wood are being replaced with kenaf raw materials. In addition to the traditional products such as ropes, sacks, and rugs, it has been developed and produced as high-quality printing and copying paper, recycled paper, and newspaper by replacing wood in the pulp and paper field. It is being used in a variety of ways, including pet mats, carpets, insulation materials, wallpaper, various sidewalks, and textile composites, other than building interior materials. In addition, the use of eco-friendly products is expanding throughout the industry, such as oil absorbents, hamburger covers, disposable containers, automobile parts, and fuel pellets. As kenaf is used in industry, a significant amount is processed and treated, but stems are mostly used as raw materials, and leaves and seeds are generated in large amounts as by-products.

케나프는 목재 소재보다 생산속도가 빠르고 이산화탄소 흡수가 뛰어나며, 타 목재나 광물계 소재와 비교하면 매년 생산이 가능한 바이오매스 자원이다. 또한, 국내재배가 가능하여 국내산 자원의 활용으로 국제시장가의 변동과 관계없이 안정적으로 공급할 수 있다. 그리고 목재나 광물 소재 및 그 활성탄에 비교해서 부피 대비 무게가 무척 가볍다는 장점이 있어 여러 산업 소재의 개발이 기대되고 원료와 생산물의 운송 편리성과 경제성에 대하여 강점을 가진다. 품종개량과 재배방법의 발달로 기존의 케나프 품종보다 생산성과 목질화가 뛰어난 케나프 원료가 생산됨으로써 케나프 활성탄의 경제성과 품질이 기대되며 건축재, 바이오 복합재, 기타 여러 산업에서 사용되는 여러 비탄화 식물성 산업 소재에 케나프 활성탄을 첨가, 혹은 대체함으로써 소재의 무게 감소 및 항산화, 항염 기능으로 인한 저장 유통성 및 품질증가를 꾀할 수 있다.Kenaf is a biomass resource that can be produced every year compared to other wood or mineral materials because it has a faster production rate and better absorption of carbon dioxide than wood materials. In addition, since it can be grown domestically, it can be supplied stably regardless of fluctuations in the international market price by utilizing domestic resources. In addition, it has the advantage of being very light in weight to volume compared to wood or mineral materials and its activated carbon, so the development of various industrial materials is expected, and it has strengths in transportation convenience and economic feasibility of raw materials and products. With the improvement of varieties and the development of cultivation methods, kenaf raw materials with superior productivity and lignification than the existing kenaf varieties are produced, and thus economic efficiency and quality of kenaf activated carbon are expected. By adding or replacing Kenaf activated carbon to industrial materials, it is possible to reduce the weight of the material and increase the storage and distribution and quality due to its antioxidant and anti-inflammatory functions.

본 발명에서는 케나프 활성탄 제조방법을 개발하였다. 본 발명은 무산소 조건에서 케나프 칩을 350~450℃으로 승온시키면서 탄화하는 단계 (a); 상기 단계 (a)에서 탄화한 케나프 칩을 800~1,000℃까지 무산소 조건에서 승온시키고, 이 온도에 도달하였을 때 이 온도 조건을 유지하면서 이산화탄소 가스 및 수증기를 이용하여 활성화하는 단계 (b); 상기 단계 (b)의 활성화 단계가 경과한 후, 이산화탄소 가스와 수증기, 열원의 공급을 중단하고, 무산소 조건에서 200℃ 밑으로 냉각시키는 단계 (c);를 포함하는 것을 특징으로 하는 케나프 활성탄의 제조방법을 제공한다. In the present invention, a method for producing kenaf activated carbon was developed. The present invention comprises the steps of carbonizing a kenaf chip while raising the temperature to 350 ~ 450 ℃ under anaerobic conditions (a); (b) heating the kenaf chip carbonized in step (a) under anaerobic conditions to 800 to 1,000° C. and activating it using carbon dioxide gas and water vapor while maintaining this temperature condition when this temperature is reached; After the activation step of step (b) has elapsed, the supply of carbon dioxide gas, water vapor, and a heat source is stopped, and the step (c) of cooling below 200° C. under anoxic conditions; A manufacturing method is provided.

이하, 본 발명의 케나프 활성탄 제조방법에 대해 각 단계별로 세분화해서 구체적으로 설명하고자 한다. 본 발명의 케나프 활성탄 제조방법에 사용된 장치에 대해서는 바람직하게 도 1을 참조할 수 있다. Hereinafter, the method for producing kenaf activated carbon of the present invention will be subdivided into each step and described in detail. For the apparatus used in the method for producing kenaf activated carbon of the present invention, reference may preferably be made to FIG. 1 .

<단계 (a): 탄화 과정><Step (a): Carbonization process>

본 단계 (a)는 무산소 조건에서 케나프 칩을 350~450℃으로 승온시키면서 탄화하는 과정이다. 본 단계 (a)는 케나프 칩(chip)을 케이지(또는 챔버)에 넣고 고열을 가하여 탄화하는 과정이다. This step (a) is a process of carbonizing the kenaf chip while raising the temperature to 350 ~ 450 ℃ under anoxic conditions. This step (a) is a process of putting a kenaf chip in a cage (or chamber) and carbonizing it by applying high heat.

본 단계 (a)는 무산소 조건으로 수행되어야 하는데, 무산소 조건은 바람직하게 질소가스를 주입하여 구현하는 것이 좋다. 질소가스는 100~1,200 ml/min의 속도(바람직하게는 1,000 ml/min)로 챔버 또는 케이지에 주입되는 것이 좋다. 이를 통해 케이지 내부는 무산소 조건으로 구현된다. 탄화에서 가장 중요한 것은 무산소 조건을 만들어주는 것으로, 질소의 주입속도는 활성탄의 양과 기계와 용기의 내부용적에 따라 달라지며, 양이 많고 짧은 시간 탄화할 경우 많이, 양이 적고 오랜 시간 탄화할 경우 상대적으로 느리게 주입 시킬 수 있으며, 승온 전에 질소가스를 주입하여 무산소조건을 미리 만들어 주는 것이 좋다.This step (a) should be performed under an anaerobic condition, which is preferably implemented by injecting nitrogen gas. Nitrogen gas is preferably injected into the chamber or cage at a rate of 100 to 1,200 ml/min (preferably 1,000 ml/min). Through this, the inside of the cage is implemented under anaerobic conditions. The most important thing in carbonization is to create anaerobic conditions, and the rate of nitrogen injection depends on the amount of activated carbon and the internal volume of the machine and container. It can be injected slowly, and it is better to make an anaerobic condition in advance by injecting nitrogen gas before temperature rise.

또한, 본 단계 (a)는, 케나프 칩에 열을 순차적으로 가하여 350~450℃ (바람직하게 400℃)로 승온시키는 것이 좋은데, 이때 승온은 10℃/min의 속도로 수행하는 것이 좋다. In addition, in this step (a), it is good to sequentially apply heat to the kenaf chips to raise the temperature to 350 ~ 450 ℃ (preferably 400 ℃), in this case, the temperature increase is preferably performed at a rate of 10 ℃ / min.

또한, 본 단계 (a)에서, 상기 탄화는 바람직하게 8~40분간 (더욱 바람직하게 10분) 수행하는 것이 좋다. In addition, in this step (a), the carbonization is preferably performed for 8 to 40 minutes (more preferably 10 minutes).

본 과정의 단계 (a)를 거치면 케나프 칩은 무게가 급격히 감소 (약 75%)하며, 탄화가 완성되게 된다. After step (a) of this process, the weight of the kenaf chip is rapidly reduced (about 75%), and carbonization is completed.

<단계 (b): 활성화 과정><Step (b): Activation process>

본 단계는 상기 단계 (a)에서 탄화한 케나프 칩을 800~1,000℃까지 무산소 조건에서 승온시키고, 이 온도에 도달하였을 때 이 온도 조건을 유지하면서 이산화탄소 가스 및 수증기를 주입하여 활성화하는 과정이다. This step is a process of activating the kenaf chip carbonized in step (a) by injecting carbon dioxide gas and water vapor while maintaining the temperature condition when the temperature is raised to 800 ~ 1,000 ° C under anaerobic conditions, and when this temperature is reached.

본 단계 (b)는 활성화 과정으로서, 탄화된 케나프 칩을 더욱 승온시키고, 이산화탄소 가스 및 수증기를 주입하여 활성화시키게 된다. 승온은 바람직하게 10℃/min의 속도로 수행하는 것이 좋다. In this step (b), as an activation process, the carbonized kenaf chip is further heated and activated by injecting carbon dioxide gas and water vapor. The temperature increase is preferably performed at a rate of 10° C./min.

본 단계 (b)에서 상기 이산화탄소 가스는, 바람직하게 100~1,200 ml/min (더욱 바람직하게 1,000 ml/min)의 속도로 주입되는 것이 좋다. 또한, 상기 수증기는, 바람직하게 10~100 ml/hr의 속도로 주입 (더욱 바람직하게 30 ml/hr)의 속도로 주입되는 것이 좋다. 이때, 수증기는 상대적으로 이송속도가 느린데, 이송이 용이하도록 이산화탄소 가스와 같이 주입하는 것도 좋다. 이렇게 하면 이산화탄소의 주입속도 수증기가 딸려서 빠르게 이송될 수 있다. In this step (b), the carbon dioxide gas is preferably injected at a rate of 100 to 1,200 ml/min (more preferably 1,000 ml/min). In addition, the water vapor is preferably injected at a rate of 10 to 100 ml/hr (more preferably 30 ml/hr). At this time, the water vapor has a relatively slow transfer speed, and it is also good to inject it with carbon dioxide gas to facilitate transfer. In this way, the injection rate of carbon dioxide is accompanied by water vapor so that it can be transported quickly.

본 단계 (b)에서 활성화는 바람직하게 20~60분간 (더욱 바람직하게는 30분간) 수행하는 것이 좋다. 활성화에서 가장 중요한 것은 활성탄과 활성화제가 충분하게 접촉하는 것으로 이는 활성탄의 양과 기계와 용기의 내부용적에 따라 달라지며, 양이 많고 짧은 시간 활성화 할 경우 많이, 양이 적고 오랜 시간 활성화 할 경우 상대적으로 느리게 반응 시킬 수 있다.Activation in this step (b) is preferably performed for 20 to 60 minutes (more preferably for 30 minutes). The most important thing in activation is sufficient contact between the activated carbon and the activator, which depends on the amount of activated carbon and the internal volume of the machine and container. can react.

<단계 (c): 냉각 과정> <Step (c): Cooling process>

본 단계는 상기 단계 (b)의 활성화 단계가 경과한 후, 이산화탄소 가스와 수증기, 열원의 공급을 중단하고, 무산소 조건에서 200℃ 밑으로 냉각시키는 과정이다. This step is a process of stopping the supply of carbon dioxide gas, water vapor, and a heat source after the activation step of step (b) has elapsed, and cooling it to below 200° C. under anoxic conditions.

본 단계 (c)는 상기 단계 (b)의 활성화 후, 냉각시키는 과정으로, 본 단계를 통해 활성화된 케나프 활성탄을 200℃ 밑으로 냉각시키게 되는데, 바람직하게는 0℃ 이하까지는 냉각시키지 않는 것이 좋다. This step (c) is a process of cooling after the activation of step (b), and the activated kenaf activated carbon through this step is cooled to below 200°C, preferably not to below 0°C. .

본 단계의 무산소 조건은 산화방지를 위한 것으로 상기 단계 (a) 또는 (b)와 같이 질소를 주입하면서 수행하는 것이 바람직하다. The anaerobic condition of this step is for oxidation prevention, and it is preferably carried out while injecting nitrogen as in step (a) or (b).

본 단계 (c)는, 바람직하게 냉각된 활성탄을 밀폐된 조건에서 상온으로 보존하는 것이 좋다. In this step (c), it is preferable to store the cooled activated carbon at room temperature under sealed conditions.

[실시예 1: 케나프 활성탄의 제조][Example 1: Preparation of Kenaf Activated Carbon]

(1) 재료 및 장치 (1) Materials and devices

활성탄 제조에는 춘천 신동면 농장에서 2018년도에 재배 수확한 케나프의 줄기를 섬유질의 껍질을 제거하여 건조 후 절단하거나 분쇄하여 이용하였다. 실험에 사용한 케나프의 경우에는 분쇄한 케나프 칩을 메쉬망을 이용해서 2.35mm 이상의 입자크기로 분리하여 사용하였으며, 실제 활성탄 제조에서는 이와 같은 분리 과정을 생략할 수 있다. 대조군으로는 마찬가지로 2.35mm 이상의 입자크기로 분리한 참나무 칩을 이용하였다.For the production of activated carbon, the stems of kenaf grown and harvested in 2018 at Sindong-myeon Farm in Chuncheon were used by removing the fibrous skins, drying them, and then cutting or pulverizing them. In the case of kenaf used in the experiment, the pulverized kenaf chips were separated into a particle size of 2.35 mm or more using a mesh network, and this separation process can be omitted in the actual production of activated carbon. As a control group, oak chips separated to a particle size of 2.35 mm or more were used.

제조장치는 온도조절이 가능한 WOONGIN사의 A-WJC003을 개량하여 이용하였다. 도 1에서 '7'은 탄화용기로, 300mm*300mm*330mm의 내경을 가진 기계장치 안에 가스와 잘 접촉할 수 있도록 변형한 내경 230mm*230mm*100mm의 내화갑 2개를 쌓아서 사용하거나 내화갑 안에 스테인리스 메쉬 용기를 넣어서 탄화용기로 이용하였다. 내화갑을 탄화용기로 이용할 때 가스와 잘 접촉할 수 있도록 약 5mm의 도자기 구슬을 아랫부분에 충진할 수도 있다. '8'과 '9'는 배출되는 가스를 진공 냉각하여 액화, 목초액을 얻는 장치로서 생략할 수도 있다. 도 1은 본 발명 케나프를 이용해 활성탄을 만들 수 있는 장치의 일 예 모식도이다. The manufacturing equipment was modified and used by WOONGIN's A-WJC003, which is capable of temperature control. In Fig. 1, '7' is a carbonization container, which is used by stacking two saggars with an inner diameter of 230mm*230mm*100mm that are modified to make good contact with gas in a mechanical device with an inner diameter of 300mm*300mm*330mm or A stainless steel mesh container was put and used as a carbonization container. When using saggar as a carbonization container, ceramic beads of about 5 mm can be filled in the lower part to ensure good contact with the gas. '8' and '9' may be omitted as devices for obtaining liquefaction and wood vinegar by vacuum cooling the discharged gas. 1 is a schematic diagram of an example of an apparatus capable of making activated carbon using kenaf of the present invention.

(2) 제조 방법 (2) Manufacturing method

① 먼저 질소가스 조건(1,000ml/min)에서 케나프 칩을 10℃/min의 승온속도로 400℃까지 도달 후 10분간 탄화하였다. ① First, the kenaf chips were carbonized for 10 minutes after reaching 400°C at a temperature increase rate of 10°C/min under nitrogen gas conditions (1,000ml/min).

② 1차로 탄화한 케나프 칩은 설정한 활성화 온도인 900℃까지 질소조건에서 승온시켰으며, 활성화 온도에 도달하였을 때 900℃ 온도조건을 유지하면서 이산화탄소가스(1,000ml/min) 및 수증기 (30ml/hr)를 이용하여 30분간 활성화하였다. ② The primary carbonized kenaf chips were heated under nitrogen conditions to the set activation temperature of 900℃, and when the activation temperature was reached, carbon dioxide gas (1,000ml/min) and water vapor (30ml/min) and water vapor (30ml/min) while maintaining the 900℃ temperature condition hr) for 30 min.

③ 활성화 유지기간이 경과한 후에는 이산화탄소와 수증기, 열원의 공급을 중단하고, 산화방지를 위하여 질소를 주입하면서 200℃ 이하로 냉각시켜 활성탄을 제조하였다. ③ After the activation period had elapsed, the supply of carbon dioxide, water vapor, and heat source was stopped, and nitrogen was injected to prevent oxidation, and the activated carbon was cooled to 200° C. or less to prepare activated carbon.

④ 냉각된 활성탄은 밀폐된 조건에서 상온으로 냉각시켜 이용하였다.④ The cooled activated carbon was cooled to room temperature under sealed conditions and used.

(3) 실험 결과 (3) Experimental results

(가) 케나프의 탄화 (A) Carbonization of Kenaf

열중량 분석장치를 이용하여 탄화 시 케나프의 무게 변화를 관찰하였으며 그 결과를 도 2에 나타내었다. 도 2로부터 시료가 약 100℃까지 수분의 증발로 질량이 감소함을 확인할 수 있다. 통상적으로 휘발물질은 200~300℃에서 기화하게 되는데, 이후 약 200℃ 이후부터 기화가 시작되어 질량이 급격히 감소함을 확인할 수 있었다. 따라서, 약 200℃부터 케나프 내에 함유된 유기성분의 열분해 반응으로 탄화반응이 시작됨을 확인할 수 있었으며, 약 370℃까지 75% 정도의 무게 감소가 나타났고, 그 이후의 온도에서는 무게 변화가 매우 떨어졌다. 또한, 887℃에서 열분해 반응이 거의 완료되었다. 승온속도에 따라 기화의 변화시점에 차이가 있다. 도 2는 케나프 열분해 특성 분석결과 (TGA시험)이다. The change in the weight of kenaf during carbonization was observed using a thermogravimetric analyzer, and the results are shown in FIG. 2 . It can be seen from FIG. 2 that the mass of the sample is reduced by evaporation of moisture up to about 100°C. In general, volatiles are vaporized at 200 ~ 300 ℃, and then vaporization starts after about 200 ℃ It was confirmed that the mass decreases rapidly. Therefore, it was confirmed that the carbonization reaction started from about 200°C to the thermal decomposition reaction of the organic components contained in the kenaf. lost. In addition, the thermal decomposition reaction was almost completed at 887°C. There is a difference in the change time of vaporization according to the temperature increase rate. 2 is a kenaf thermal decomposition characteristic analysis result (TGA test).

한편, 케나프와 참나무칩을 활성화하여 활성탄을 제조하였을 때 두 소재의 무게 변화를 비교하였다. 각 350g, 800g이었던 케나프와 참나무 칩은 탄화 후 73.7g과 176.9g로 나타나 케나프는 78.9%, 참나무는 77.9%의 무게가 감소하였다. 무게 변화량은 크게 차이가 나지 않았지만, 기본적으로 케나프는 다공성 구조를 가지고 있어 무척 가벼운 소재로 충진밀도를 비교했을 때도 케나프 활성탄은 0.0616 g/mL, 참나무 활성탄은 0.1402 g/mL로 케나프의 부피당 무게가 약 2.3배 정도 가벼웠다. On the other hand, when activated carbon was prepared by activating kenaf and oak chips, the weight change of the two materials was compared. The weights of kenaf and oak chips, which were 350 g and 800 g, respectively, were 73.7 g and 176.9 g after carbonization. Although there was no significant difference in weight change, kenaf basically has a porous structure, so even when the packing density is compared, kenaf activated carbon is 0.0616 g/mL and oak activated carbon is 0.1402 g/mL per volume It was about 2.3 times lighter in weight.

(나) 항산화 활성 (B) Antioxidant activity

식물 또는 식품에서 추출물 또는 특정 혼합물의 free 라디칼 소거 능의 평가에 DPPH 시험이 널리 이용되고 있다. DPPH radical 소거능의 측정은 Blois의 방법을 변형하여 측정하였다. 케나프, 참나무, 대나무 활성탄을 분쇄하여 분말화하여 준비하고 각각 시료 0.01g, 0.05g, 0.025g, 0.1g에 0.15mM DPPH(α,α-diphenyl-β -picrylhydrazyl, Sigma-Aldrich Co.) 메탄올 용액 10ml를 가하여 각 0.1 0.25, 0.5, 1% 농도별로 준비하였다. 준비한 시료를 Wise stirring(Vison Scientific co. KMC-130SH)에서 상온, 100rpm의 암조건에서 30분 동안 교반하였다. 교반 후 5000rpm에서 10분간 원심 분리하여 상등액을 0.45um의 맴브란스 필터로 필터링하여 분광광도계(Hitachi U-2001)를 사용하여 517nm에서 흡광도를 측정하였다. negative control은 1.534abs의 수치가 나왔으며, 계산식 "DPPH radical scavenging ability(%)=100-[(OD of sample/OD of control)×100]"에 의하여 활성을 산출하였고, 3회 반복하여 평균을 구하였다.The DPPH test is widely used to evaluate the free radical scavenging ability of extracts or specific mixtures from plants or foods. DPPH radical scavenging activity was measured by modifying the method of Blois. Prepared by pulverizing activated carbon of kenaf, oak, and bamboo, and 0.15 mM DPPH (α,α-diphenyl-β-picrylhydrazyl, Sigma-Aldrich Co.) methanol in 0.01 g, 0.05 g, 0.025 g, and 0.1 g of each sample. By adding 10 ml of the solution, each 0.1 0.25, 0.5, and 1% concentration was prepared. The prepared sample was stirred under Wise stirring (Vison Scientific co. KMC-130SH) at room temperature and in the dark at 100 rpm for 30 minutes. After stirring, centrifugation was performed at 5000 rpm for 10 minutes, and the supernatant was filtered with a 0.45 μm membrane filter, and absorbance was measured at 517 nm using a spectrophotometer (Hitachi U-2001). The negative control had a value of 1.534abs, and the activity was calculated by the formula "DPPH radical scavenging ability (%)=100-[(OD of sample/OD of control)×100]", and the average was repeated three times. saved

도 3은 케나프 활성탄의 농도에 따른 항산화 활성도 측정(%) 결과이고, 표 1은 그 결과를 표로 정리한 것이다.3 is a measurement (%) result of antioxidant activity according to the concentration of kenaf activated carbon, and Table 1 summarizes the results in a table.

케나프 활성탄의 농도에 따른 항산화 활성도 측정(%)Measurement of antioxidant activity according to the concentration of kenaf activated carbon (%) Concentration (%)Concentration (%) Kenaf charcoalKenaf charcoal Oak charcoalOak charcoal Bamboo charcoalbamboo charcoal 0.10.1 36.03 ±0.2036.03 ±0.20 12.95 ±0.5112.95 ±0.51 8.45 ±0.698.45 ±0.69 0.250.25 58.67 ±0.1158.67 ±0.11 21.38 ±0.2821.38 ±0.28 9.56 ±0.219.56 ±0.21 0.50.5 69.77 ±0.5769.77 ±0.57 23.36 ±0.1423.36 ±0.14 12.34 ±0.3312.34 ±0.33 1One 72.38 ±0.1572.38 ±0.15 27.44 ±0.2427.44 ±0.24 13.04 ±0.7913.04 ±0.79

DPPH와 케나프, 참나무, 대나무 활성탄을 다양한 농도별로 반응시켜서 항산화 활성 여부를 확인한 결과, 도 3 및 표 1에서 보듯이 DPPH free radical 소거능 활성도는 활성탄의 함량이 많아질수록 강해졌으며, 케나프 활성탄 1%의 농도에서 72.38%로 가장 강한 활성도가 나타났으며, 같은 농도의 참나무와 대나무 활성탄의 활성도와 비교했을 때 각 2.6배, 5.6배 정도로 큰 차이가 났다. 이와 같은 분석 결과에 따라, 본 발명의 케나프 활성탄은 다른 활성탄과 비교했을 때 강력한 항산화 활성도를 가지고 있는 것으로 여겨진다.As a result of confirming the antioxidant activity by reacting DPPH with kenaf, oak, and bamboo activated carbon at various concentrations, as shown in FIG. 3 and Table 1, the DPPH free radical scavenging activity became stronger as the content of activated carbon increased, and kenaf activated carbon 1 % concentration showed the strongest activity at 72.38%, and there was a big difference of 2.6 times and 5.6 times, respectively, when compared with the activated carbon of oak and bamboo at the same concentration. According to the analysis results, the kenaf activated carbon of the present invention is considered to have strong antioxidant activity compared to other activated carbons.

한편, DPPH는 화학적으로 안정된 free 라디칼을 가지고 있는 수용성 물질로 보라색을 띠고 있는 지시약인데, ascorbic acid, tocopherol, polyhydroxy 방향족 화합물 등에 의해 환원되어 노란색으로 탈색된다. 즉, 항산화 활성을 갖는 물질과 반응하여 DPPH의 색이 변하게 되는 것이다. 도 4에서 보듯이, 본 발명의 케나프 활성탄은 참나무 활성탄 또는 대나무 활성탄에 비해 우수한 항산화 활성을 보이는 것이 시각적으로도 명확히 확인되었다. 도 4는 본 발명 케나프 활성탄, 참나무 활성탄, 대나무 활성탄을 DPPH와 반응시켰을 때, 색 변화 (항산화 능력)를 시각적으로 보여주는 사진이다. On the other hand, DPPH is a water-soluble substance with chemically stable free radicals and is a purple indicator. It is reduced to yellow by ascorbic acid, tocopherol, and polyhydroxy aromatic compounds. That is, the color of DPPH is changed by reacting with a substance having antioxidant activity. As shown in FIG. 4 , it was visually confirmed that the kenaf activated carbon of the present invention exhibited superior antioxidant activity compared to oak activated carbon or bamboo activated carbon. Figure 4 is a photograph visually showing the color change (antioxidant ability) when the present invention kenaf activated carbon, oak activated carbon, and bamboo activated carbon are reacted with DPPH.

Claims (7)

무산소 조건에서 케나프(Hibiscus cannabinus L.) 칩을 350~450℃으로 승온시키면서 탄화하는 단계 (a);
상기 단계 (a)에서 탄화한 케나프 칩을 800~1,000℃까지 무산소 조건에서 승온시키고, 이 온도에 도달하였을 때 이 온도 조건을 유지하면서 이산화탄소 가스 및 수증기를 주입하여 활성화하는 단계 (b);
상기 단계 (b)의 활성화 단계가 경과한 후, 이산화탄소 가스와 수증기, 열원의 공급을 중단하고, 무산소 조건에서 200℃ 밑으로 냉각시키는 단계 (c);를 포함하며,
상기 단계 (b)의 이산화탄소 가스 및 수증기는 각각 100~1,200 ml/min, 10~100 ml/hr의 속도로 동시에 주입되는 것을 특징으로 하는 항산화 활성이 증진된 케나프 활성탄의 제조방법.
In anoxic conditions, Kenaf ( Hibiscus cannabinus L. ) Carbonizing the chip while raising the temperature to 350 ~ 450 ℃ (a);
(b) raising the temperature of the kenaf chip carbonized in step (a) under anoxic conditions to 800~1,000°C, and injecting carbon dioxide gas and water vapor while maintaining this temperature condition when this temperature is reached (b);
After the activation step of step (b) has elapsed, the supply of carbon dioxide gas, water vapor, and a heat source is stopped, and the step (c) of cooling below 200° C. under anoxic conditions includes;
The carbon dioxide gas and water vapor of step (b) are respectively injected at a rate of 100 to 1,200 ml/min and 10 to 100 ml/hr at the same time.
제1항에 있어서,
상기 단계 (c)는,
냉각된 활성탄을 밀폐된 조건에서 상온으로 보존하는 것을 특징으로 하는 항산화 활성이 증진된 케나프 활성탄의 제조방법.
According to claim 1,
The step (c) is,
A method for producing kenaf activated carbon with enhanced antioxidant activity, characterized in that the cooled activated carbon is stored at room temperature under sealed conditions.
제1항에 있어서,
상기 무산소 조건은,
질소가스를 주입하여 구현하는 것을 특징으로 하는 항산화 활성이 증진된 케나프 활성탄의 제조방법.
According to claim 1,
The anaerobic conditions are
A method for producing kenaf activated carbon with enhanced antioxidant activity, characterized in that it is implemented by injecting nitrogen gas.
제3항에 있어서,
상기 질소가스는,
100~1,200 ml/min의 속도로 주입되는 것을 특징으로 하는 항산화 활성이 증진된 케나프 활성탄의 제조방법.
4. The method of claim 3,
The nitrogen gas is
A method for producing activated kenaf activated carbon with enhanced antioxidant activity, characterized in that it is injected at a rate of 100 to 1,200 ml/min.
제1항에 있어서,
상기 단계 (a)는,
케나프 칩을 10℃/min의 승온속도로 350~450℃에 도달하게 하는 것을 특징으로 하는 항산화 활성이 증진된 케나프 활성탄의 제조방법.
According to claim 1,
The step (a) is,
A method for producing kenaf activated carbon with enhanced antioxidant activity, characterized in that the kenaf chip reaches 350 to 450 °C at a temperature increase rate of 10 °C/min.
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