KR20220095008A - 바이오플라스틱 제조를 위한 바이오차 제조 장치 및 방법 - Google Patents

바이오플라스틱 제조를 위한 바이오차 제조 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 바이오매스의 섬유조직에 함유된 휘발성 성분이 최소화되도록 하면서 탄소함량이 극대화되도록 하는 바이오플라스틱 제조를 위한 바이오차 제조 장치에 관한 것으로, 본 제조 장치는 건조기(10a)와, 상기 건조기(10a)의 일측에 구비되는 파쇄기(10b)와, 상기 파쇄기(10b)의 일측에 구비되는 호퍼(10)와, 상기 호퍼(10)에 연결되는 경사스크루(20)와, 상기 경사스크루(20)의 하부에 구비되는 열분해조(30)와, 상기 열분해조(30)를 둘러싸는 히터(40)와, 상기 열분해조(30)의 타단 상면에 연결되는 배기펌프(50)와, 상기 열분해조(30)의 일단 상면에 연결되는 가스통(60)과, 상기 열분해조(30)의 타단 하부에 연결되는 연결구(70)와, 상기 연결구(70)의 하단에 연결되는 냉각조(80)와, 상기 냉각조(80)의 일단 하부에 구비되는 분쇄기(90)를 포함한다.

Description

바이오플라스틱 제조를 위한 바이오차 제조 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR MANUFACTURING BIOCHAR TO MAKE BIOPLASTIC}
본 발명은 바이오차 제조 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 바이오매스의 섬유조직에 함유된 휘발성 성분이 최소화되도록 하면서 탄소함량이 극대화되도록 하는 바이오플라스틱 제조를 위한 바이오차 제조 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 플라스틱은 석유로부터 유래된 물질로 연소시 염화수소, 시안화수소 등 질식사를 유발할 수 있는 독성물질이 발생되고 특히 젖은 상태에서 연소시 다이옥신이 발생되어 소각 처리도 쉽지 않은 상황이다.
플라스틱의 낮은 분해성으로 토양에 매립시 플라스틱이 분해되는데 적게는 50년에서 많게는 10,000년까지 소요될 것으로 보고 있다. 이렇게 분해된 플라스틱은 미세한 입자인 미세 플라스틱으로 남아 바닷속과 해수면을 떠다니며 생물농축 및 환경문제를 일으키고 있다. 이러한 플라스틱의 문제들을 해결하기 위해 2000년대 초반부터 분해성이 높은 바이오플라스틱의 개발이 가속화되고 있다
바이오플라스틱은 석유자원으로 생산되는 고분자 중 생분해가 가능한 분해성 고분자와 천연 식물자원인 바이오매스로부터 생산된 고분자를 말한다. 바이오플라스틱은 크게 다섯 가지로 구분할 수 있으며 천연에서 만들어진 고분자, 미생물을 이용하여 제조되는 고분자, 바이오매스 유래된 단량체의 중합으로 제조된 고분자, 석유 및 바이오매스 기반 단량체를 서로 중합하여 제조한 고분자, 석유 기반 생분해성 고분자가 있다.
그런데, 상기와 같은 종래 기술에는 다음과 같은 문제점이 있었다.
천연 식물자원인 바이오매스는 섬유 조직의 리그닌에 함유된 휘발성 성분(지방산)의 함량이 높아 합성수지와 혼합되어 바이오플라스틱 제품을 제조하기 위해 압축이나 사출되는 중에 휘발성 가스의 발생으로 제품 불량이 높아짐에 따라 바이오플라스틱 재료로 적절히 사용할 수 없는 문제점이 있었다.
또한, 종래의 바이오매스는 탄소 함량이 낮아 합성수지와 혼합되어 바이오플라스틱 제품으로 제조되면 강도나 내구성 등의 물성이 불량해지는 문제점이 있었다.
등록특허 제1418702호 "폐열 순환형 바이오차 제조장치"(2014.07.04.)
이에 본 발명은 상기와 같은 종래의 제반 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로,
본 발명의 목적은, 바이오매스의 섬유조직에 함유된 휘발성 성분이 최소화되도록 하면서 탄소함량이 극대화되도록 하는 바이오플라스틱 제조를 위한 바이오차 제조 장치 및 방법을 제공함에 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 "바이오플라스틱 제조를 위한 바이오차 제조 장치"는, 바이오매스를 건조시키는 건조기와; 상기 건조기에 의해 건조된 바이오매스를 받아서 파쇄시키는 파쇄기와; 상기 파쇄기에 의해 파쇄된 바이매스가 투입되는 호퍼와; 상기 호퍼의 하단에 연결되고 경사지게 구비되어 상기 호퍼에서 배출되는 바이오매스를 상승시킨 후에 하부로 낙하시키는 경사스크루와; 상기 경사스크루의 하부에 구비되고, 밀폐된 관형의 몸체의 내부에 스크루축이 모터구동되어 일측에서 투입된 바이오매스를 타측으로 이송시키며, 상기 경사스크루에서 낙하하는 바이오매스를 내부로 투입하도록 일측 상면에 투입구가 형성되고, 상기 투입구를 개방하거나 밀폐시키도록 상기 투입구의 내측에 제1 밀폐도어가 설치되는 열분해조와; 상기 열분해조의 외주면을 둘러싸도록 설치되고, 전원의 공급에 의해 가열되면서 상기 열분해조와 이를 통해 이송되는 바이오매스를 가열로 열분해시켜 바이오차를 제조하는 히터와; 상기 열분해조의 타측단 상부에 배기관으로 연결되고, 상기 배기관의 관로상에 제1 개폐밸브가 설치되며, 상기 열분해조의 내부의 공기를 상기 배기관을 통해 외부로 배출시키는 배기펌프와; 상기 열분해조의 일측단 상부에 주입관으로 연결되고, 상기 주입관의 관로상에 제2 개폐밸브가 설치되며, 상기 열분해조의 내부에 이산화탄소 가스를 주입하도록 고압의 이산화탄소 가스가 저장되는 가스통을; 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 "바이오플라스틱 제조를 위한 바이오차 제조 장치"는, 상기 열분해조의 타측단 하부에 연통되게 연결되어 바이오매스가 열분해되어 제조된 바이오차가 하부로 배출되는 연결구와; 상기 연결구의 하단에 타측단이 연결되고, 밀폐된 관형의 몸체의 내부에 스크루축이 모터구동되어 상기 연결구를 통해 투입된 바이오차를 왕복 이송시키면서 자연 냉각시키며, 개방되거나 폐쇄되면서 냉각된 바이오차를 외부로 배출시키거나 밀폐시키는 제2 밀폐도어가 일측단 하부에 설치되는 냉각조와; 상기 냉각조의 일측에 구비되고, 상기 제2 밀폐도어를 통해 배출되는 바이오차를 분쇄시키는 분쇄기를; 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
한편, 상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 "바이오플라스틱 제조를 위한 바이오차 제조 방법"은, 바이오매스의 함수율이 최소한 10%보다 작아지도록 건조기를 통해 바이오매스를 건조시키는 바이오매스 건조 단계와; 건조된 바이오매스를 0.5 내지 1mm의 입자크기로 파쇄기를 통해 파쇄하는 바이오매스 파쇄 단계와; 파쇄된 바이오매스를 열분해조에 넣고, 열분해조의 내부의 공기를 배출시켜 진공을 형성한 후에 열분해조의 내부에 이산화탄소 가스를 주입하는 이산화탄소 주입 단계와; 이산화탄소의 주입이 완료된 후에 열분해조의 내부 온도를 600 내지 800℃로 승온시킨 상태에서 10 내지 30분 동안 유지하여 바이오매스를 열분해시켜 바이오차를 제조하면서 바이오매스에 함유된 휘발성 성분을 기화시키고, 이산화탄소의 결합반응으로 바이오차의 탄소함량을 높이는 열분해 및 결합반응 단계와; 열분해조에서 생성된 휘발성 가스를 열분해조의 외부로 배출시키는 휘발성가스 배출 단계와; 휘발성 가스가 배출된 후에 바이오차를 무산소 분위기의 밀폐된 냉각조에 투입하고, 냉각조의 내부에서 일측에서 타측으로 왕복 이송시키면서 바이오차를 상온까지 냉각시키는 바이오차 냉각 단계와; 냉각이 완료된 바이오차를 냉각조에서 꺼내고, 분쇄기에 투입하여 500 내지 1000㎛의 입자크기로 미세하게 분쇄하여 바이오차 분말을 형성하는 바이오차 분말 형성 단계를; 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 "바이오플라스틱 제조를 위한 바이오차 제조 방법"의 상기 바이오매스 건조 단계는, 60 내지 70℃ 열풍으로 3 내지 4시간 동안 건조시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 "바이오플라스틱 제조를 위한 바이오차 제조 방법"의 상기 바이오매스는, 대두박, 유박, 커피박, 주정박, 톱밥, 왕겨 및 땅콩껍질 중의 하나이거나 이들의 혼합물인 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같은 본 발명은, 바이오매스의 섬유조직에 함유된 휘발성 성분이 최소화되고, 탄소함량이 극대화되며, 그에 따라 합성수지와 혼합되어 바이오플라스틱 제품의 제조시에 휘발성 가스 발생에 의한 불량이 극소화되고 제품의 강도나 내구성 등의 물성이 현저히 향상되는 효과를 갖는다.
도 1은 본 발명에 따른 바이오차 제조 장치의 개략적인 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 바이오차 제조 방법을 보인 단계도.
이하 본 발명의 바람직한 실시예가 도시된 첨부 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다. 그러나 본 발명은 다수의 상이한 형태로 구현될 수 있고, 기술된 실시예에 제한되지 않음을 이해하여야 한다.
도 1은 본 발명에 따른 바이오차 제조 장치의 개략적인 구성도이다. 이에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 바이오플라스틱 제조를 위한 바이오차 제조 장치는 건조기(10a)와, 상기 건조기(10a)의 일측에 구비되는 파쇄기(10b)와, 상기 파쇄기(10b)의 일측에 구비되는 호퍼(10)와, 상기 호퍼(10)에 연결되는 경사스크루(20)와, 상기 경사스크루(20)의 하부에 구비되는 열분해조(30)와, 상기 열분해조(30)를 둘러싸는 히터(40)와, 상기 열분해조(30)의 타단 상면에 연결되는 배기펌프(50)와, 상기 열분해조(30)의 일단 상면에 연결되는 가스통(60)과, 상기 열분해조(30)의 타단 하부에 연결되는 연결구(70)와, 상기 연결구(70)의 하단에 연결되는 냉각조(80)와, 상기 냉각조(80)의 일단 하부에 구비되는 분쇄기(90)를 포함한다.
상기 건조기(10a)는 열풍이 분사되는 것으로, 바이오매스를 건조시키는 역할을 한다. 이와 같은 상기 건조기(10a)를 통해 바이오매스는 통상 함수율 10% 이하로 건조된다.
여기서, 바이오매스는 대두박, 유박(작물에서 기름을 짜고 난 찌꺼기), 커피박, 주정박(알코올 생산 후 남은 곡물 찌꺼기), 톱밥, 왕겨 및 땅콩껍질 등의 식물성 부산물을 말한다.
상기 파쇄기(10b)는 파쇄날을 회전시켜 상기 건조기(10a)에 의해 건조된 바이오매스를 받아서 파쇄시키는 공지의 것이다. 상기 파쇄기(10b)를 통해 건조된 바이오매스를 미세한 입자로 파쇄함으로써, 추후 열분해 및 가스배출이 원활하게 이루어지게 된다.
상기 호퍼(10)는 상기 파쇄기(10b)에 의해 파쇄된 바이매스가 투입되는 장소를 제공하는 역할을 한다. 상기 경사스크루(20)는 상기 호퍼(10)의 하단에 연결되고 경사지게 구비되고 스크루축이 모터구동되는 것으로, 상기 호퍼(10)에서 배출되는 바이오매스를 상승시킨 후에 하부로 낙하시켜 상기 열분해조(30)로 투입될 수 있도록 하는 것이다.
상기 열분해조(30)는 상기 경사스크루(20)의 하부에 구비되고 밀폐된 관형의 몸체의 내부에 스크루축이 모터구동되며 상기 경사스크루(20)에서 낙하하는 바이오매스를 내부로 투입하도록 일측 상면에 투입구(31)가 형성되고 상기 투입구(31)를 개방하거나 밀폐시키도록 상기 투입구(31)의 내측에 제1 밀폐도어(32)가 설치되는 것이다.
이와 같은 상기 열분해조(30)는 관형의 몸체의 내부에 투입된 분쇄된 바이오매스를 일측에서 타측으로 천천히 이송시키면서 상기 히터(40)를 통해 가열하여 바이오매스가 열분해되면서 바이오차로 형성되고, 동시에 바이오매스에 함유된 휘발성 물질을 기화시켜 바이오차에서 배출시키며, 나아가 내부에 충진된 이산화탄소를 열로 반응시켜 이산화탄소에서 분해된 탄소가 바이오차에 결합될 수 있도록 하는 것이다.
상기 투입구(31)는 상기 경사스크루(20)에서 낙하하는 바이오매스가 상기 열분해조(30)로 투입되는 통로를 제공하는 역할을 하고, 상기 제1 밀폐도어(32)는 상기 열분해조(30)의 내부로 바이오매스를 투입할 때는 상기 투입구(31)를 개방하고, 상기 열분해조(30)를 가동하여 열분해 공정을 수행할 때는 상기 투입구(31)를 밀폐시킬 수 있도록 하는 것이다.
상기 히터(40)는 상기 열분해조(30)의 외주면을 둘러싸도록 설치되는 것으로, 전원의 공급에 의해 가열되면서 상기 열분해조(30)와 이를 통해 이송되는 바이오매스를 가열로 열분해시키는 역할을 한다. 이와 같이 상기 히터(40)에 의해 가열된 바이오매스는 열분해되면서 바이오차로 형성된다.
상기 배기펌프(50)는 상기 열분해조(30)의 타측단 상부에 배기관(51)으로 연결되고 상기 배기관(51)의 관로상에 제1 개폐밸브(52)가 설치되는 것으로, 상기 열분해조(30)의 내부의 공기를 상기 배기관(51)을 통해 외부로 배출시키는 역할을 한다.
즉, 상기 배기펌프(50)는 상기 열분해조(30)의 내부에 진공을 형성하기 위해 상기 제1 개폐밸브(52)를 열고 상기 배기펌프(50)를 작동시켜 상기 열분해조(30) 내부의 공기를 상기 배기관(51)을 통해 외부로 배출시키고 , 아울러, 상기 열분해조(30) 내부로 열분해 공정 중에 바이오매스에서 발생되는 휘발성 가스를 상기 배기관(51)을 통해 외부로 배출시키는 역할을 한다.
상기 배기관(51)은 상기 열분해조(30)에 일단이 연결되고 타단이 외부와 연통되는 배관이고, 상기 제1 개폐밸브(52)는 상기 배기관(51)을 개방하거나 폐쇄시킬 수 있는 공지의 전자밸브이다.
상기 가스통(60)은 상기 열분해조(30)의 일측단 상부에 주입관(61)으로 연결되고 상기 주입관(61)의 관로상에 제2 개폐밸브(62)가 설치되는 것으로, 상기 열분해조(30)의 내부에 이산화탄소 가스를 주입하도록 고압의 이산화탄소 가스가 저장되는 장소를 제공하는 역할을 한다.
상기 가스통(60)은 상기 배기펌프(50)에 의해 상기 열분해조(30) 내부의 공기가 외부로 배출된 후에 상기 제2 개폐밸브(62)가 열리면서 저장된 이산화탄소 가스가 상기 열분해조(30) 내부로 주입되도록 하는 것이다.
상기 주입관(61)은 상기 열분해조(30)에 일단이 연결되고 타단이 상기 가스통(60)과 연결되는 배관이고, 상기 제2 개폐밸브(62)는 상기 주입관(61)을 개방하거나 폐쇄시킬 수 있는 공지의 전자밸브이다.
이와 같이 상기 열분해조(30)의 내부로 상기 가스통(60)에 의해 이산화탄소 가스가 주입되어 상기 열분해조(30) 내부로 무산소 분위기를 형성하면서 열분해 공정 중에 이산화탄소가 열로 분해되어 바이오차에 결합됨으로써, 바이오차의 탄소함량이 상승된다.
상기 연결구(70)는 상기 열분해조(30)의 타측단 하부에 연통되게 연결되는 것으로, 바이오매스가 열분해되어 제조된 바이오차가 상기 열분해조(30)를 따라 일측에서 타측으로 이동한 후에 하부로 배출되어 상기 냉각조(80)로 투입되는 통로를 제공하는 역할을 한다.
상기 냉각조(80)는 상기 연결구(70)의 하단에 타측단이 연결되고 밀폐된 관형의 몸체의 내부에 스크루축이 모터구동되며 제2 밀폐도어(81)가 일측단 하부에 설치되는 것으로, 상기 연결구(70)를 통해 투입된 바이오차를 왕복 이송시키면서 자연 냉각시키는 역할을 한다.
상기 제2 밀폐도어(81)는 개방되거나 폐쇄되면서 냉각된 바이오차를 외부로 배출시키거나 상기 냉각조(80)를 밀폐시킬 수 있도록 하는 것이다.
상기 분쇄기(90)는 상기 냉각조(80)의 일측에 구비되는 것으로, 상기 제2 밀폐도어(81)를 통해 배출되는 바이오차를 미세하게 분쇄시키는 역할을 한다. 이와 같이 상기 분쇄기에 의해 바이오차가 미세하게 분쇄됨으로써, 추후에 바이오플라스틱을 제조를 위해 합성수지 분말과 적절하면서 균질하게 혼합될 수 있게 된다.
도 2는 본 발명에 따른 바이오차 제조 방법을 보인 단계도이다. 이에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 바이오플라스틱 제조를 위한 바이오차 제조 방법은 바이오매스를 건조시키는 바이오매스 건조 단계(S10)와, 건조된 바이오매스를 파쇄하는 바이오매스 파쇄 단계(S20)와, 파쇄된 바이오매스를 열분해조에 넣고 공기를 배출시키며 이산화탄소 가스를 주입하는 이산화탄소 주입 단계(S30)와, 상기 열분해조를 가열하여 바이오매스를 열분해시키면서 휘발성 성분을 기화시키고 탄소 결합 반응을 발생시키는 열분해 및 반응 단계(S40)와, 열분해 중에 발생된 휘발성 가스를 배출시키는 휘발성가스 배출 단계(S50)와, 생성된 바이오차를 냉각조에 넣고 냉각시키는 바이오차 냉각 단계(S60)와, 냉각된 바이오차를 미세하게 분쇄하여 바이오차 분말을 형성하는 바이오차 분말 형성 단계(S70)를 포함한다.
상기 바이오매스 건조 단계(S10)는 바이오매스의 함수율이 최소한 10%보다 작아지도록 건조기를 통해 바이오매스를 건조시키는 단계를 말한다. 여기서, 바이오매스의 함수율이 10%보다 크면 후속 공정의 열분해시에 분해 효율이 저하되면서 휘발성 성분의 함량이 증가되어 열분해되어 형성된 바이오차의 품질이 저하되는 원인이 된다.
이와 같은 상기 바이오매스 건조 단계(S10)에서 바이오매스의 건조는 60 내지 70℃ 열풍으로 3 내지 4시간 동안 건조시키는 것이 바람직한데, 이는 가장 간편하면서 신속하게 건조시킬 수 있기 때문이다.
여기서, 상기 바이오매스는 대두박, 유박, 커피박, 주정박, 톱밥, 왕겨 및 땅콩껍질 중의 하나이거나 이들의 혼합물이다.
상기 바이오매스 파쇄 단계(S20)는 건조된 바이오매스를 0.5 내지 1mm의 입자크기로 파쇄기를 통해 파쇄하는 단계를 말한다. 이 단계는 건조된 바이오매스를 소정의 입자로 파쇄하여 후속 공정인 열분해 공정에서 바이오매스의 열분해가 안정적으로 이루어지면서 휘발성 성분의 배출이 원활히 이루어지도록 하기 위한 것이다.
즉, 파쇄된 바이오매스의 입자크기가 1mm보다 크면 열분해 공정시에 열전도율이 떨어져 바이오매스에 함유된 휘발성 성분이 충분히 제거되지 못하게 되고, 바이오매스의 입자 크기가 0.5 mm보다 작으면 바이오매스에 산소 유입이 상대적으로 많아져 열분해 공정중에 연소될 수 있기 때문이다.
상기 이산화탄소 주입 단계(S30)는 파쇄된 바이오매스를 열분해조에 넣고 열분해조의 내부의 공기를 배출시켜 진공을 형성한 후에 열분해조의 내부에 이산화탄소 가스를 주입하는 단계를 말한다. 이 단계는 이산화탄소 가스를 주입하여 열분해조 내부에 무산소 분위기를 형성하면서 이산화탄소를 통해 열분해 중에 바이오차에 탄소함량이 증대될 수 있도록 하는 것이다.
상기 열분해 및 반응 단계(S40)는 이산화탄소의 주입이 완료된 후에 열분해조의 내부 온도를 600 내지 800℃로 승온시킨 상태에서 10 내지 30분 동안 유지하여 바이오매스를 열분해시키는 단계를 말한다. 이 단계는 바이오매스의 열분해로 바이오차를 제조하면서 바이오매스에 함유된 휘발성 성분을 기화시키고 열에 의한 이산화탄소의 결합반응으로 바이오차의 탄소함량을 높이는 역할을 한다.
상기 휘발성가스 배출 단계(S50)는 열분해조에서 생성된 휘발성 가스를 열분해조의 외부로 배출시키는 단계를 말한다. 이 단계는 휘발성 가스를 외부로 배출시켜 제거하는 역할을 한다.
상기 바이오차 냉각 단계(S60)는 휘발성 가스가 배출된 후에 바이오차를 무산소 분위기의 밀폐된 냉각조에 투입하고 냉각조의 내부에서 일측에서 타측으로 왕복 이송시키면서 바이오차를 상온까지 냉각시키는 단계를 말한다. 이 단계는 무산소 분위기에서 바이오차를 냉각하여 고온의 바이오차가 외부 산소와 접촉하여 연소되어 소모되는 것을 방지시키는 역할을 한다.
상기 바이오차 분말 형성 단계(S70)는 냉각이 완료된 바이오차를 냉각조에서 꺼내고 분쇄기에 투입하여 500 내지 1000㎛의 입자크기로 미세하게 분쇄하여 바이오차 분말을 형성하는 단계를 말한다. 이 단계는 열분해되어 형성된 바이오차를 적절한 입자크기로 분쇄하여 추후 바이오플라스틱의 제조를 위해 합성수지 분말과 적절하면서 안정적으로 혼합될 수 있도록 하는 것이다.
이하 본 발명에 따라 제조된 실시예와 이의 비교예를 통해 본 발명의 휘발성 물질의 감소량과 탄소함량을 비교 대비하여 설명하면 다음과 같다.
본 실시예와 비교예는 건조된 커피박을 사용하여 제조된 것으로, 커피박은 60℃의 열풍으로 3시간 동안 건조하여 함수율 10% 이하로 낮춘 것이다.
(1) 비교예1 : 건조된 커피박
(2) 비교예2 : 건조된 커피박을 열분해조에 넣고 무산소 분위기에서 이산화탄소를 주입한 후에 200℃에서 30분간 열분해한 바이오차를 상온으로 냉각한 것.
(3) 비교예3 : 건조된 커피박을 열분해조에 넣고 무산소 분위기에서 이산화탄소를 주입한 후에 400℃에서 30분간 열분해한 바이오차를 상온으로 냉각한 것.
(4) 실시예1 : 건조된 커피박을 열분해조에 넣고 무산소 분위기에서 이산화탄소를 주입한 후에 600℃에서 30분간 열분해한 바이오차를 상온으로 냉각한 것.
(5) 실시예2 : 건조된 커피박을 열분해조에 넣고 무산소 분위기에서 이산화탄소를 주입한 후에 800℃에서 30분간 열분해한 바이오차를 상온으로 냉각한 것.
비교예1은 건조된 커피박 그 자체이고, 비교예2에서 실시예2는 같은 조건에서 열분해 온도를 200, 400, 600, 800℃로 변경한 것이다.
여기서, 수분함량은 ISO 18134-2:2017에 준하여 105ㅁ2℃에서 함량에 도달할 때까지 건조하고 측량하여 건조 전후 무게차로부터 수분의 양을 구하였다.
회분, 휘발분, 고정탄소는 ASTM D7582-15 준하여 측정하였으며 회분은 시료에 질산암묘늄(25%)을 넣고 가열하여 550ㅁ10℃로 가열하여 탄화시킨 후 데시케이터에서 냉각한 뒤 무게차로부터 회분의 양을 구하였다.
휘발분은 시료와 산소의 접촉을 최소화한 뒤 950℃에서 7분간 가열하고 데시케이터에서 식힌 후 무게차를 이용하여 산출하였으며 고정탄소는 전체 100%에서 수분, 회분, 휘발분을 제외한 값으로 산출하였다.
아래의 [표 1]은 비교예1, 비교예2, 비교예3, 실시예 1 및 실시예2의 분석 결과를 위의 측정 방법으로 측정하여 도출된 결과이다.
수분(%) 회분(%) 휘발분(%) 고정탄소(%)
비교예1 5.7 2.1 79.0 18.9
비교예2 0.9 2.1 77.2 20.7
비교예3 0.8 5.3 25.8 68.9
실시예1 2.3 7.2 13.3 79.5
실시예2 1.2 7.5 10.6 81.9
상기 [표 1]과 같이 열분해 온도 600 내지 800℃에서 열분해한 실시예1과 실시예2는 휘발분 함량이 20% 이내로 바이오플라스틱 제품의 제조를 위한 압출 또는 사출시 문제가 될 수 있는 휘발분이 최소량으로 함유됨을 알 수 있었고, 열분해를 하지 않은 비교예1과 열분해 온도가 상대적으로 낮았던 비교예2와 비교예3은 휘발분의 함량이 20% 이상으로 높아 압출 또는 사출시에 품질 저하가 우려됨을 알 수 있었다.
아울러, 열분해 온도가 높을수록 고정탄소의 함량이 높아 이산화탄소에서 바이오차로 탄소결합이 이루어지는 것을 알 수 있었다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 다양한 변화와 변경 및 균등물을 사용할 수 있다. 본 발명은 상기 실시예를 적절히 변형하여 동일하게 응용할 수 있음이 명확하다. 따라서 상기 기재 내용은 하기 특허청구범위의 한계에 의해 정해지는 본 발명의 범위를 한정하는 것이 아니다.
한편, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해서 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함을 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명하다할 것이다.
10a : 건조기
10b : 파쇄기
10 : 호퍼
20 : 경사스크루
30 : 열분해조
31 : 투입구 32 : 제1 밀폐도어
40 : 히터
50 : 배기펌프
51 : 배기관 52 : 제1 개폐밸브
60 : 가스통
61 : 주입관 62 : 제2 개폐밸브
70 : 연결구
80 : 냉각조
81 : 제2 밀폐도어
90 : 분쇄기

Claims (5)

  1. 바이오매스를 건조시키는 건조기(10a)와;
    상기 건조기(10a)에 의해 건조된 바이오매스를 받아서 파쇄시키는 파쇄기(10b)와;
    상기 파쇄기(10b)에 의해 파쇄된 바이매스가 투입되는 호퍼(10)와;
    상기 호퍼(10)의 하단에 연결되고 경사지게 구비되어 상기 호퍼(10)에서 배출되는 바이오매스를 상승시킨 후에 하부로 낙하시키는 경사스크루(20)와;
    상기 경사스크루(20)의 하부에 구비되고, 밀폐된 관형의 몸체의 내부에 스크루축이 모터구동되어 일측에서 투입된 바이오매스를 타측으로 이송시키며, 상기 경사스크루(20)에서 낙하하는 바이오매스를 내부로 투입하도록 일측 상면에 투입구(31)가 형성되고, 상기 투입구(31)를 개방하거나 밀폐시키도록 상기 투입구(31)의 내측에 제1 밀폐도어(32)가 설치되는 열분해조(30)와;
    상기 열분해조(30)의 외주면을 둘러싸도록 설치되고, 전원의 공급에 의해 가열되면서 상기 열분해조(30)와 이를 통해 이송되는 바이오매스를 가열로 열분해시켜 바이오차를 제조하는 히터(40)와;
    상기 열분해조(30)의 타측단 상부에 배기관(51)으로 연결되고, 상기 배기관(51)의 관로상에 제1 개폐밸브(52)가 설치되며, 상기 열분해조(30)의 내부의 공기를 상기 배기관(51)을 통해 외부로 배출시키는 배기펌프(50)와;
    상기 열분해조(30)의 일측단 상부에 주입관(61)으로 연결되고, 상기 주입관(61)의 관로상에 제2 개폐밸브(62)가 설치되며, 상기 열분해조(30)의 내부에 이산화탄소 가스를 주입하도록 고압의 이산화탄소 가스가 저장되는 가스통(60)을;
    포함하는 것을 특징으로 하는 바이오플라스틱 제조를 위한 바이오차 제조 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 바이오차 제조 장치는,
    상기 열분해조(30)의 타측단 하부에 연통되게 연결되어 바이오매스가 열분해되어 제조된 바이오차가 하부로 배출되는 연결구(70)와;
    상기 연결구(70)의 하단에 타측단이 연결되고, 밀폐된 관형의 몸체의 내부에 스크루축이 모터구동되어 상기 연결구(70)를 통해 투입된 바이오차를 왕복 이송시키면서 자연 냉각시키며, 개방되거나 폐쇄되면서 냉각된 바이오차를 외부로 배출시키거나 밀폐시키는 제2 밀폐도어(81)가 일측단 하부에 설치되는 냉각조(80)와;
    상기 냉각조(80)의 일측에 구비되고, 상기 제2 밀폐도어(81)를 통해 배출되는 바이오차를 분쇄시키는 분쇄기(90)를;
    더 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오플라스틱 제조를 위한 바이오차 제조 장치.
  3. 바이오매스의 함수율이 최소한 10%보다 작아지도록 건조기를 통해 바이오매스를 건조시키는 바이오매스 건조 단계(S10)와;
    건조된 바이오매스를 0.5 내지 1mm의 입자크기로 파쇄기를 통해 파쇄하는 바이오매스 파쇄 단계(S20)와;
    파쇄된 바이오매스를 열분해조에 넣고, 열분해조의 내부의 공기를 배출시켜 진공을 형성한 후에 열분해조의 내부에 이산화탄소 가스를 주입하는 이산화탄소 주입 단계(S30)와;
    이산화탄소의 주입이 완료된 후에 열분해조의 내부 온도를 600 내지 800℃로 승온시킨 상태에서 10 내지 30분 동안 유지하여 바이오매스를 열분해시켜 바이오차를 제조하면서 바이오매스에 함유된 휘발성 성분을 기화시키고, 이산화탄소의 결합반응으로 바이오차의 탄소함량을 높이는 열분해 및 반응 단계(S40)와;
    열분해조에서 생성된 휘발성 가스를 열분해조의 외부로 배출시키는 휘발성가스 배출 단계(S50)와;
    휘발성 가스가 배출된 후에 바이오차를 무산소 분위기의 밀폐된 냉각조에 투입하고, 냉각조의 내부에서 일측에서 타측으로 왕복 이송시키면서 바이오차를 상온까지 냉각시키는 바이오차 냉각 단계(S60)와;
    냉각이 완료된 바이오차를 냉각조에서 꺼내고, 분쇄기에 투입하여 500 내지 1000㎛의 입자크기로 미세하게 분쇄하여 바이오차 분말을 형성하는 바이오차 분말 형성 단계(S70)를;
    포함하는 것을 특징으로 하는 바이오플라스틱 제조를 위한 바이오차 제조 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 바이오매스 건조 단계(S10)는,
    60 내지 70℃ 열풍으로 3 내지 4시간 동안 건조시키는 것을 특징으로 하는 바이오플라스틱 제조를 위한 바이오차 제조 방법.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 바이오매스는,
    대두박, 유박, 커피박, 주정박, 톱밥, 왕겨 및 땅콩껍질 중의 하나이거나 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 바이오플라스틱 제조를 위한 바이오차 제조 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101418702B1 (ko) 2014-03-20 2014-07-14 경상대학교산학협력단 폐열 순환형 바이오차 제조장치

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