KR20230123308A - Method for determining engineered biochar manufacturing conditions according to types of biomass to improve yield and adsorption performance of manufactured engineered biochar - Google Patents

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KR20230123308A KR1020220020307A KR20220020307A KR20230123308A KR 20230123308 A KR20230123308 A KR 20230123308A KR 1020220020307 A KR1020220020307 A KR 1020220020307A KR 20220020307 A KR20220020307 A KR 20220020307A KR 20230123308 A KR20230123308 A KR 20230123308A
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권일한
이태우
이상윤
정성엽
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세종대학교산학협력단
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Abstract

본 발명은 제조되는 기능성 바이오차의 수율 및 흡착 성능을 향상시키기 위한 바이오매스의 종류에 따른 기능성 바이오차 제조 조건을 결정하는 방법으로서: (a) 원료로 사용되는 바이오매스를 질소 분위기 및 이산화탄소 분위기에서 각각 열중량 분석하는 단계; (b) 질소 분위기에서의 열중량 분석 결과와 이산화탄소 분위기에서의 열중량 분석 결과를 비교하는 단계; (c) 질소 분위기에서의 열중량 분석 결과와 이산화탄소 분위기에서의 열중량 분석 결과의 비교 결과에서 이산화탄소에 의한 중량감소가 나타나는 온도를 도출하는 단계; 및 (d) 이산화탄소에 의한 중 c감소가 나타나는 온도보다 낮은 온도를 상기 바이오매스의 열분해 온도로 결정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.The present invention is a method for determining functional biochar manufacturing conditions according to the type of biomass to improve the yield and adsorption performance of functional biochar produced: (a) biomass used as a raw material is subjected to nitrogen and carbon dioxide atmosphere Conducting thermogravimetric analysis, respectively; (b) comparing the thermogravimetric analysis result in a nitrogen atmosphere with the thermogravimetric analysis result in a carbon dioxide atmosphere; (c) deriving a temperature at which weight loss due to carbon dioxide is obtained from a comparison result of a thermogravimetric analysis result in a nitrogen atmosphere and a thermogravimetric analysis result in a carbon dioxide atmosphere; and (d) determining, as the thermal decomposition temperature of the biomass, a temperature lower than the temperature at which c is reduced by carbon dioxide.

Description

제조되는 기능성 바이오차의 수율 및 흡착 성능을 향상시키기 위한 바이오매스의 종류에 따른 기능성 바이오차 제조 조건을 결정하는 방법{METHOD FOR DETERMINING ENGINEERED BIOCHAR MANUFACTURING CONDITIONS ACCORDING TO TYPES OF BIOMASS TO IMPROVE YIELD AND ADSORPTION PERFORMANCE OF MANUFACTURED ENGINEERED BIOCHAR}Method for determining functional biochar manufacturing conditions according to the type of biomass to improve the yield and adsorption performance of manufactured functional biochar ENGINEERED BIOCHAR}

본 발명은 제조되는 기능성 바이오차의 수율 및 흡착 성능을 향상시키기 위한 바이오매스의 종류에 따른 기능성 바이오차 제조 조건을 결정하는 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a method for determining production conditions for functional biochar according to the type of biomass to improve the yield and adsorption performance of the functional biochar produced.

화석 연료는 높은 에너지 밀도를 가진다는 점, 대량으로 생산이 가능하다는 점에서 현대 사회에서 주된 에너지원으로 활용되어 왔다.Fossil fuels have been used as the main energy source in modern society because they have high energy density and can be produced in large quantities.

화석연료의 사용량은 2000년 8,050 Mtoe(million ton of oil equivalent)에서 2018년 11,739 Mtoe로 1.5배 증가하였다. Fossil fuel consumption increased 1.5 times from 8,050 Mtoe (million ton of oil equivalent) in 2000 to 11,739 Mtoe in 2018.

증가하는 화석연료의 사용은 대기 중 이산화탄소 농도를 증가시켰고, 현재 자연에서 수용 가능한 탄소의 양을 넘어섰다. 그 결과 지구온난화와 같은 심각한 사회·환경 문제를 야기하였다.The increasing use of fossil fuels has increased the concentration of carbon dioxide in the atmosphere, exceeding the amount of carbon currently acceptable in nature. As a result, serious social and environmental problems such as global warming have been caused.

지구 온난화 문제를 해결하기 위해 세계 각국의 나라와 기업들은 탄소중립을 선언하거나 RE100(Renewable Energy 100) 캠페인 등과 같은 활동이 이어지고 있다. In order to solve the problem of global warming, countries and companies around the world are declaring carbon neutrality or carrying out activities such as the RE100 (Renewable Energy 100) campaign.

기술적으로 지구온난화 문제를 해결하기 위해, 대기중 탄소 누적을 막을 수 있는 탄소 포집 및 저장(CCS: Carbon Capture & Storage) 기술 또는 탄소 포집 및 활용(CCU: Carbon Capture & Utilization) 기술에 대한 연구가 진행되고 있다.In order to technically solve the problem of global warming, research on carbon capture & storage (CCS) technology or carbon capture & utilization (CCU) technology, which can prevent carbon accumulation in the atmosphere, is being conducted. It is becoming.

하지만 CCS 기술 또는 CCU 기술은 많은 비용을 필요로 한다는 점에서 현장 적용의 한계로 지적되고 있으며, 이에 따라 지구온난화를 해결할 수 있는 경제적이고 효과적인 방법이 필요하다. However, CCS technology or CCU technology is pointed out as a limitation of field application in that it requires a lot of cost, and accordingly, an economical and effective method to solve global warming is required.

CCS 기술 또는 CCU 기술을 대체할 수 있는 방안으로 바이오차에 대한 관심이 증가하고 있다. Interest in biochar is increasing as a way to replace CCS technology or CCU technology.

바이오차는 비활성 기체(질소, 아르곤 등)를 사용한 무산소 조건에서, 바이오매스를 열분해함으로써 제조된다. Biochar is produced by pyrolyzing biomass under anoxic conditions using an inert gas (nitrogen, argon, etc.).

열분해 과정 동안 바이오매스는 탄화되고, 이에 따라 제조된 바이오차는 높은 물리화학적 안정도를 갖는다. During the pyrolysis process, biomass is carbonized, and the biochar thus produced has high physicochemical stability.

즉, 바이오차는 생분해에 대한 높은 저항성을 갖고, 자연환경에서 오랜 기간 동안 탄소를 고정 및 저장할 수 있다. That is, biochar has high resistance to biodegradation, and can fix and store carbon for a long period of time in a natural environment.

이러한 점에서 바이오차는 탄소 포집 및 저장(CCS)을 위한 전략적인 대체 물질로써 활용 가능하다는 장점이 있다. In this respect, biochar has the advantage of being usable as a strategic alternative material for carbon capture and storage (CCS).

바이오차의 제조에 이용되는 바이오매스는 헤미셀룰로오스, 셀룰로오스, 리그닌 등으로 구성된 복합물로서, 예를 들어, 리그노셀룰로직 바이오매스(목재 톱밥 등), 미세조류, 축산분뇨 등 그 종류가 다양하다. Biomass used in the manufacture of biochar is a composite composed of hemicellulose, cellulose, lignin, etc., and there are various types such as, for example, lignocellulosic biomass (wood sawdust, etc.), microalgae, and livestock manure.

심지어 동일한 종류의 바이오매스더라도 그 바이오매스의 모체가 되는 생물의 성장 환경에 따라 바이오매스를 구성하는 헤미셀룰로오스, 셀룰로오스, 리그닌 등의 조성이 달라질 수 있다. Even in the same type of biomass, the composition of hemicellulose, cellulose, lignin, etc. constituting the biomass may vary depending on the growth environment of the organism that is the parent of the biomass.

이와 같이 바이오매스를 구성하는 헤미셀룰로오스, 셀룰로오스, 리그닌 등의 조성이 다를 경우 바이오차를 생성하기 위한 제조 조건, 특히 적정한 열분해 온도가 달라질 수 있다. In this way, when the composition of hemicellulose, cellulose, lignin, etc. constituting biomass is different, manufacturing conditions for producing biochar, in particular, appropriate thermal decomposition temperature may be different.

그러므로 바이오차를 제조하기 전에 바이오차를 제조하기에 적합한 바이오매스의 제조 조건(예를 들어, 열분해 온도)를 결정할 수 있는 방안이 필요한 실정이다. Therefore, there is a need for a method capable of determining manufacturing conditions (eg, pyrolysis temperature) of biomass suitable for manufacturing biochar before manufacturing biochar.

대한민국 등록특허 제10-2203466호Republic of Korea Patent No. 10-2203466

본 발명의 일 목적은 바이오매스를 이용한 기능성 바이오차 제조방법에 있어서, 기능성 바이오차의 수율 및 공극 성능을 향상시키기 위한 바이오매스의 제조 조건을 결정할 수 있는 방법을 제공하는 것이다. One object of the present invention is to provide a method for determining biomass production conditions to improve the yield and pore performance of functional biochar in a method for producing functional biochar using biomass.

한편, 본 발명의 명시되지 않은 또 다른 목적들은 하기의 상세한 설명 및 그 효과로부터 용이하게 추론할 수 있는 범위 내에서 추가적으로 고려될 것이다.Meanwhile, other unspecified objects of the present invention will be additionally considered within the scope that can be easily inferred from the following detailed description and effects thereof.

이상에서 설명한 문제를 해결하기 위해 다음과 같은 해결 수단을 제안한다.In order to solve the problems described above, the following solutions are proposed.

본 발명의 일 실시예에 따른 기능성 바이오차 제조 조건을 결정하는 방법은 제조되는 기능성 바이오차의 수율 및 흡착 성능을 향상시키기 위한 것으로서, (a) 원료로 사용되는 바이오매스를 질소 분위기 및 이산화탄소 분위기에서 각각 열중량 분석하는 단계; (b) 질소 분위기에서의 열중량 분석 결과와 이산화탄소 분위기에서의 열중량 분석 결과를 비교하는 단계; (c) 질소 분위기에서의 열중량 분석 결과와 이산화탄소 분위기에서의 열중량 분석 결과의 비교 결과에서 이산화탄소에 의한 중량감소가 나타나는 온도를 도출하는 단계; 및 (d) 이산화탄소에 의한 중?c감소가 나타나는 온도보다 낮은 온도를 상기 바이오매스의 열분해 온도로 결정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다. The method for determining the production conditions for functional biochar according to an embodiment of the present invention is to improve the yield and adsorption performance of the functional biochar to be produced. Conducting thermogravimetric analysis, respectively; (b) comparing the thermogravimetric analysis result in a nitrogen atmosphere with the thermogravimetric analysis result in a carbon dioxide atmosphere; (c) deriving a temperature at which weight loss due to carbon dioxide is obtained from a comparison result of a thermogravimetric analysis result in a nitrogen atmosphere and a thermogravimetric analysis result in a carbon dioxide atmosphere; and (d) determining, as the thermal decomposition temperature of the biomass, a temperature lower than the temperature at which the reduction in C by carbon dioxide occurs.

일 실시예에 있어서, 상기 (d) 단계에서 이산화탄소에 의한 중?c감소가 나타나는 온도는 부다(Boudouard) 반응이 시작되는 온도인 것을 특징으로 할 수 있다. In one embodiment, it may be characterized in that the temperature at which the reduction of ?c by carbon dioxide occurs in step (d) is the temperature at which the Boudouard reaction starts.

일 실시예에 있어서, 상기 열분해 온도는 이산화탄소에 의한 중?c감소가 나타나는 온도보다 10 내지 40도 낮은 온도를 지시하는 것을 특징으로 할 수 있다. In one embodiment, the thermal decomposition temperature may be characterized in that it indicates a temperature 10 to 40 degrees lower than the temperature at which the middle ?c reduction by carbon dioxide appears.

본 발명의 다른 실시예에 따른 기능성 바이오차 제조 방법은, (a) 서로 동일한 제1바이오매스와 제2바이오매스를 준비하는 단계; (b) 제조되는 기능성 바이오차의 수율 및 흡착 성능을 향상시키기 위해 제1바이오매스를 이용하여 기능성 바이오차 제조하기 위한 열분해 온도를 결정하는 단계; 및 (c) 상기 제2바이오매스를 이산화탄소 분위기 및 상기 결정된 열분해 온도에서 열분해하여 기능성 바이오차를 제조하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다. A method for producing functional biochar according to another embodiment of the present invention includes the steps of (a) preparing a first biomass and a second biomass identical to each other; (b) determining a thermal decomposition temperature for producing functional biochar using the first biomass to improve the yield and adsorption performance of the functional biochar produced; and (c) preparing a functional biochar by thermally decomposing the second biomass in a carbon dioxide atmosphere and at the determined thermal decomposition temperature.

다른 실시예에 있어서, 상기 (b) 단계는, (a) 제1바이오매스를 질소 분위기 및 이산화탄소 분위기에서 각각 열중량 분석하는 단계; (b) 질소 분위기에서의 열중량 분석 결과와 이산화탄소 분위기에서의 열중량 분석 결과를 비교하는 단계; (c) 질소 분위기에서의 열중량 분석 결과와 이산화탄소 분위기에서의 열중량 분석 결과의 비교 결과에서 이산화탄소에 의한 중량감소가 나타나는 온도를 도출하는 단계; 및 (d) 이산화탄소에 의한 중?c감소가 나타나는 온도보다 낮은 온도를 제2바이오매스의 열분해 온도로 결정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다. In another embodiment, step (b) may include (a) thermogravimetric analysis of the first biomass in a nitrogen atmosphere and a carbon dioxide atmosphere, respectively; (b) comparing the thermogravimetric analysis result in a nitrogen atmosphere with the thermogravimetric analysis result in a carbon dioxide atmosphere; (c) deriving a temperature at which weight loss due to carbon dioxide is obtained from a comparison result of a thermogravimetric analysis result in a nitrogen atmosphere and a thermogravimetric analysis result in a carbon dioxide atmosphere; and (d) determining, as the thermal decomposition temperature of the second biomass, a temperature lower than the temperature at which the reduction in C by carbon dioxide occurs.

다른 실시예에 있어서, 상기 (d) 단계에서 이산화탄소에 의한 중?c감소가 나타나는 온도는 부다(Boudouard) 반응이 시작되는 온도인 것을 특징으로 할 수 있다.In another embodiment, in step (d), the temperature at which the reduction of ?c by carbon dioxide occurs may be a temperature at which a Boudouard reaction starts.

다른 실시예에 있어서, 상기 열분해 온도는 이산화탄소에 의한 중?c감소가 나타나는 온도보다 10 내지 40도 낮은 온도를 지시하는 것을 특징으로 할 수 있다.In another embodiment, the thermal decomposition temperature may be characterized in that it indicates a temperature 10 to 40 degrees lower than the temperature at which the middle ?c reduction by carbon dioxide occurs.

본 발명의 일 실시예에 따른 제조되는 기능성 바이오차의 수율 및 흡착 성능을 향상시키기 위한 바이오매스의 종류에 따른 기능성 바이오차 제조 조건을 결정하는 방법은 원료로 사용되는 바이오매스를 질소 분위기 및 이산화탄소 분위기에서 각각 열중량 분석하고, 질소 분위기에서의 열중량 분석 결과와 이산화탄소 분위기에서의 열중량 분석 결과를 비교하여 이산화탄소에 의한 중량감소가 나타나는 온도를 도출하고, 이산화탄소에 의한 중?c감소가 나타나는 온도보다 약간 낮은 온도를 해당 바이오매스의 열분해 온도로 결정한다. A method for determining functional biochar manufacturing conditions according to the type of biomass to improve the yield and adsorption performance of functional biochar produced according to an embodiment of the present invention is to change the biomass used as a raw material in a nitrogen atmosphere and a carbon dioxide atmosphere The thermogravimetric analysis was performed in each, and the thermogravimetric analysis result in a nitrogen atmosphere and the thermogravimetric analysis result in a carbon dioxide atmosphere were compared to derive the temperature at which the weight loss due to carbon dioxide appeared, and the temperature at which the weight loss due to carbon dioxide appeared. The slightly lower temperature is determined as the pyrolysis temperature of the biomass in question.

위의 단계에서 결정된 해당 바이오매스의 열분해 온도 및 이산화탄소 분위기에서 바이오매스를 열분해함으로써 제조되는 기능성 바이오차의 수율을 높은 상태로 유지하면서, 기능성 바이오차의 표면적도 향상시킬 수 있다.The surface area of the functional biochar can be improved while maintaining the yield of the functional biochar produced by thermally decomposing the biomass in the pyrolysis temperature and carbon dioxide atmosphere of the biomass determined in the above step at a high level.

여기에서 명시적으로 언급되지 않은 효과라 하더라도, 본 발명의 기술적 특징에 의해 기대되는 이하의 명세서에서 기재된 효과 및 그 잠정적인 효과는 본 발명의 명세서에 기재된 것과 같이 취급됨을 첨언한다.It is added that even if the effects are not explicitly mentioned here, the effects described in the following specification expected by the technical features of the present invention and their provisional effects are treated as described in the specification of the present invention.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 기능성 바이오차의 제조방법의 개략적 플로우 차트이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 기능성 바이오차의 제조방법 중 바이오차 제조 조건 결정 단계를 보다 상세하게 나타낸 개략적 플로우차트이다.
도 3은 질소 분위기와 이산화탄소 분위기에서 각각 바이오매스(소나무 톱밥)를 열중량 분석을 수행한 결과를 하나의 그래프에 나타낸 결과이다.
도 4는 질소 분위기와 이산화탄소 분위기에서 승온(10℃/min)을 통해 (a) 700℃와 (b) 800℃에 도달 후, 1시간 등온 유지된 바이오매스(소나무 톱밥)의 열중량 곡선을 도시한 것이다.
도 5 (a)와 도 5 (b)는 700℃와 800℃에서 생산된 바이오차의 표면 특성을 확인하기 위해 BET 방법에 따라 등온 질소 흡착/탈착을 분석한 결과이다.
도 6은 이산화탄소를 활용한 바이오차의 표면 개질에 따른 환경 분야 적용 가능성을 평가를 위해 이산화탄소 흡착 실험한 결과이며, 25℃에서 30분 동안 이산화탄소를 흘려주어 바이오차 단위 무게 당 이산화탄소 흡착량을 측정한 결과이다.
도 7은 질소 분위기와 이산화탄소 분위기에서 각각 바이오매스(리그노셀룰로직 바이오매스(12종), 미세조류(3종), 축산분뇨(3종))를 열중량 분석을 수행한 결과를 도시한 것이다.
첨부된 도면은 본 발명의 기술사상에 대한 이해를 위하여 참조로서 예시된 것임을 밝히며, 그것에 의해 본 발명의 권리범위가 제한되지는 아니한다.
1 is a schematic flow chart of a method for manufacturing functional biochar according to an embodiment of the present invention.
2 is a schematic flowchart showing in detail the step of determining the manufacturing conditions for biochar in the method for manufacturing functional biochar according to an embodiment of the present invention.
3 is a graph showing the results of thermogravimetric analysis of biomass (pine sawdust) in a nitrogen atmosphere and a carbon dioxide atmosphere, respectively.
Figure 4 shows the thermogravimetric curve of biomass (pine sawdust) maintained isothermally for 1 hour after reaching (a) 700 ° C and (b) 800 ° C through temperature elevation (10 ° C / min) in a nitrogen atmosphere and a carbon dioxide atmosphere. it did
5 (a) and 5 (b) are the results of isothermal nitrogen adsorption/desorption analysis according to the BET method to confirm the surface characteristics of biochar produced at 700 ° C and 800 ° C.
6 is the result of the carbon dioxide adsorption experiment to evaluate the applicability to the environmental field according to the surface modification of biochar using carbon dioxide. This is the result.
7 shows the results of thermogravimetric analysis of biomass (lignocellulosic biomass (12 species), microalgae (3 species), and livestock manure (3 species)) in a nitrogen atmosphere and a carbon dioxide atmosphere, respectively. .
It is revealed that the accompanying drawings are illustrated as references for understanding the technical idea of the present invention, and thereby the scope of the present invention is not limited thereto.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시예가 안내하는 본 발명의 구성과 그 구성으로부터 비롯되는 효과에 대해 살펴본다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기능에 대하여 이 분야의 기술자에게 자명한 사항으로서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.Hereinafter, with reference to the drawings, look at the configuration of the present invention guided by various embodiments of the present invention and the effects resulting from the configuration. In the description of the present invention, if it is determined that a related known function may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention as an obvious matter to those skilled in the art, the detailed description thereof will be omitted.

바이오차는 다공성 물질로서, 토양 개량제, 흡착제, 촉매제 등의 다양한 환경 분야에서 활용이 가능하다. Biochar is a porous material and can be used in various environmental fields such as soil conditioners, adsorbents, and catalysts.

바이오차는 비활성 기체 분위기(질소, 아르곤 등)에서 목재 톱밥, 해조류 및 축산분뇨 등의 바이오매스를 열분해하여 제조하게 된다. Biochar is produced by thermal decomposition of biomass such as wood sawdust, seaweed and livestock manure in an inert gas atmosphere (nitrogen, argon, etc.).

바이오차의 표면 특성은 온도, 승온 속도, 반응 매개체 등과 같은 열분해 운영 조건의 영향을 받는다. The surface properties of biochar are affected by pyrolysis operating conditions such as temperature, heating rate, and reaction medium.

이와 같은 바이오차의 표면 특성을 향상시킨 기능성 바이오차를 제조하기 위해 물리적 · 화학적 활성방법에 대한 다양한 연구가 진행되고 있다. In order to manufacture functional biochar with improved surface properties of biochar, various studies on physical and chemical activation methods are being conducted.

바이오매스를 이용하여 바이오차를 제조하기 위해서는 매우 높은 온도에서 열분해를 수행하여야 한다. In order to manufacture biochar using biomass, thermal decomposition must be performed at a very high temperature.

특히, 이산화탄소 분위기에서 열분해를 수행할 경우 바이오차의 기공 구조를 발달시킬 수 있으나, 바이오차의 수율이 현저히 감소되는 문제가 있다. In particular, when thermal decomposition is performed in a carbon dioxide atmosphere, the pore structure of biochar can be developed, but there is a problem in that the yield of biochar is significantly reduced.

따라서 바이오차의 기공 구조를 발달시키면서도, 동시에 바이오차의 수율을 높일 수 있는 열분해 조건을 결정하는 것이 매우 중요하다. Therefore, it is very important to determine the thermal decomposition conditions that can develop the pore structure of biochar and at the same time increase the yield of biochar.

그런데 바이오차의 제조 원료로 이용되는 바이오매스의 종류가 매우 다양하며, 서로 다른 종류의 바이오매스는 바이오매스를 구성하는 헤미셀룰로오스, 셀룰로오스, 리그닌 등의 조성이 다르며, 조성이 다르기 때문에 바이오차의 기공 구조의 발달과 수율 증가를 동시에 증가시킬 수 있는 열분해 조건이 바이오매스마다 서로 다르다. However, there are many types of biomass used as a raw material for manufacturing biochar, and different types of biomass have different compositions of hemicellulose, cellulose, and lignin, which constitute biomass, and because of the different composition, the pore structure of biochar The thermal decomposition conditions that can simultaneously increase the development of biomass and increase the yield are different for each biomass.

심지어 동일한 바이오매스더라도 그 바이오매스의 모체가 되는 생물의 성장 환경에 따라 바이오매스를 구성하는 헤미셀룰로오스, 셀룰로오스, 리그닌 등의 조성이 다를 수 있다. Even in the same biomass, the composition of hemicellulose, cellulose, lignin, etc. constituting the biomass may be different depending on the growth environment of the organism that is the parent of the biomass.

그러므로 바이오차의 기공 구조의 발달과 수율 증가를 동시에 증가시키기 위해서는 원료가 바뀔 때마다 열분해 조건을 확인해야 한다. Therefore, in order to simultaneously increase the development of the pore structure of biochar and the increase in yield, it is necessary to check the thermal decomposition conditions whenever the raw material is changed.

하지만 열분해 온도별로 바이오매스를 열분해하여 수율과 기공을 확인하여 최적의 열분해 조건을 도출하는 것은 불필요한 시간과 비용이 낭비된다. However, deriving optimal pyrolysis conditions by pyrolysis of biomass by pyrolysis temperature and checking yield and pores is wasteful of unnecessary time and cost.

이에 본 발명은 바이오차의 기공 구조의 발달과 수율 증가를 동시에 증가시키기 위해 바이오매스의 적정한 열분해 조건을 도출할 수 있는 방법을 제안한다. Accordingly, the present invention proposes a method capable of deriving appropriate thermal decomposition conditions of biomass in order to simultaneously increase the development of the pore structure of biochar and the increase in yield.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 기능성 바이오차의 제조방법(M100)의 개략적 플로우 차트이며, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 기능성 바이오차의 제조방법 중 바이오차 제조 조건 결정 단계를 보다 상세하게 나타낸 개략적 플로우차트이다. 1 is a schematic flow chart of a method for manufacturing functional biochar (M100) according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a biochar manufacturing condition determination step in the method for manufacturing functional biochar according to an embodiment of the present invention. It is a schematic flowchart showing in more detail.

본 발명의 일 실시예에 따른 기능성 바이오차의 제조방법(M100)은 서로 동일한 제1바이오매스와 제2바이오매스를 준비하는 단계(S10), 제조되는 기능성 바이오차의 수율 및 흡착 성능을 향상시키기 위해 제1바이오매스를 이용하여 기능성 바이오차 제조하기 위한 열분해 온도를 결정하는 단계(S20), 및 제2바이오매스를 이산화탄소 분위기 및 결정된 열분해 온도에서 열분해하여 기능성 바이오차를 제조하는 단계(S30)를 포함한다. The method for manufacturing functional biochar (M100) according to an embodiment of the present invention includes preparing a first biomass and a second biomass that are identical to each other (S10), and improving the yield and adsorption performance of the functional biochar produced. The step of determining the thermal decomposition temperature for producing functional biochar using the first biomass (S20), and the step of thermally decomposing the second biomass in a carbon dioxide atmosphere and the determined thermal decomposition temperature to produce functional biochar (S30) include

제1바이오매스와 제2바이오매스를 준비하는 단계(S10)는 제1바이오매스와 제2바이오매스로 이용할 원료물질을 선정하고, 선정한 원료물질을 건조 및 분쇄하여 수행된다. The step of preparing the first biomass and the second biomass (S10) is performed by selecting raw materials to be used as the first biomass and second biomass, and drying and grinding the selected raw materials.

다음으로 제1바이오매스를 이용하여 기능성 바이오차 제조하기 위한 열분해 온도를 결정하는 단계(S20)가 수행된다. 이 단계에서는 제조되는 기능성 바이오차의 높은 수율 및 높은 흡착 성능을 동시에 달성할 수 있는 제1바이오매스 및 제2바이오매스의 열분해 온도를 도출하게된다.Next, a step (S20) of determining a pyrolysis temperature for producing functional biochar using the first biomass is performed. In this step, the pyrolysis temperatures of the first biomass and the second biomass that can simultaneously achieve high yield and high adsorption performance of the functional biochar produced are derived.

제1바이오매스를 이용하여 기능성 바이오차 제조하기 위한 열분해 온도를 결정하는 단계(S20)는, 원료물질로 사용될 바이오매스(예를 들어, 제1바이오매스)를 질소 분위기 및 이산화탄소 분위기에서 각각 열중량 분석하는 단계(S21), 질소 분위기에서의 열중량 분석 결과와 이산화탄소 분위기에서의 열중량 분석 결과를 비교하는 단계(S22), 질소 분위기에서의 열중량 분석 결과와 이산화탄소 분위기에서의 열중량 분석 결과의 비교 결과에서 이산화탄소에 의한 중량감소가 나타나는 온도를 도출하는 단계(S23) 및 이산화탄소에 의한 중?c감소가 나타나는 온도보다 낮은 온도를 상기 바이오매스의 열분해 온도로 결정하는 단계(S24)를 포함하여 수행된다. In the step of determining the pyrolysis temperature for producing functional biochar using the first biomass (S20), the biomass (eg, the first biomass) to be used as a raw material is subjected to thermogravimetry in a nitrogen atmosphere and a carbon dioxide atmosphere, respectively. Analyzing (S21), comparing the thermogravimetric analysis result in a nitrogen atmosphere with the thermogravimetric analysis result in a carbon dioxide atmosphere (S22), comparing the thermogravimetric analysis result in a nitrogen atmosphere with the thermogravimetric analysis result in a carbon dioxide atmosphere Deriving the temperature at which weight loss by carbon dioxide appears from the comparison result (S23) and determining a temperature lower than the temperature at which weight loss by carbon dioxide appears as the pyrolysis temperature of the biomass (S24) do.

원료물질로 사용될 바이오매스(예를 들어, 제1바이오매스)를 질소 분위기 및 이산화탄소 분위기에서 각각 열중량 분석하는 단계(S21)는 바이오매스를 질소 분위기와 이산화탄소 분위기에서 일정 온도로 승온(예를 들어, 1 ~ 10 ℃/min)하여 900 ℃까지 온도를 높인다. Thermogravimetric analysis of the biomass (for example, the first biomass) to be used as a raw material in a nitrogen atmosphere and a carbon dioxide atmosphere, respectively (S21) is performed by raising the temperature of the biomass to a certain temperature in a nitrogen atmosphere and a carbon dioxide atmosphere (for example, , 1 ~ 10 ℃/min) to raise the temperature to 900 ℃.

열중량 분석을 수행하면 온도 증가에 따라 바이오매스의 잔여 질량을 측정할 수 있으며, 이에 따라 해당 바이오매스의 조성을 확인할 수 있다. By performing thermogravimetric analysis, the residual mass of the biomass can be measured as the temperature increases, thereby confirming the composition of the biomass.

열중량 분석을 수행한 다음, 질소 분위기에서의 열중량 분석 결과와 이산화탄소 분위기에서의 열중량 분석 결과를 비교하는 단계(S22)와 질소 분위기에서의 열중량 분석 결과와 이산화탄소 분위기에서의 열중량 분석 결과의 비교 결과에서 이산화탄소에 의한 중량감소가 나타나는 온도를 도출하는 단계(S23)가 수행된다. After performing thermogravimetric analysis, comparing the thermogravimetric analysis result in nitrogen atmosphere with the thermogravimetric analysis result in carbon dioxide atmosphere (S22), and the thermogravimetric analysis result in nitrogen atmosphere and the thermogravimetric analysis result in carbon dioxide atmosphere A step (S23) of deriving the temperature at which weight loss by carbon dioxide appears from the comparison result of is performed.

질소 분위기에서의 열중량 분석 결과와 이산화탄소 분위기에서의 열중량 분석 결과를 비교해보면 일정한 온도까지는 서로 유사한 경향성을 보인다. Comparing the results of thermogravimetric analysis in a nitrogen atmosphere with the results of thermogravimetric analysis in a carbon dioxide atmosphere show similar tendencies up to a certain temperature.

하지만 질소 분위기에서는 고온에서 열중량 곡선이 유지되지만, 이산화탄소 분위기에서는 고온에서 열중량 곡선이 재차 감소하는 경향을 보이게 된다. However, in a nitrogen atmosphere, the thermogravimetric curve is maintained at a high temperature, but in a carbon dioxide atmosphere, the thermogravimetric curve tends to decrease again at a high temperature.

즉, 질소와 달리 이산화탄소에 의해 열중량 분석 결과에서 중량감소가 나타나게 되는 것이다. That is, unlike nitrogen, carbon dioxide causes weight loss in the thermogravimetric analysis result.

이처럼 질소 분위기에서의 열중량 곡선의 경향과 이산화탄소 분위기에서의 열중량 곡선의 경향이 달라지는 온도는 부다(Boudouard) 반응이 시작되는 온도이며, 이 온도 이상에서 열분해를 할 경우 바이오차의 수율이 급격하게 감소하게 된다. The temperature at which the trend of the thermogravimetric curve in the nitrogen atmosphere and the trend of the thermogravimetric curve in the carbon dioxide atmosphere are different is the temperature at which the Boudouard reaction starts. will decrease

부다 반응은 열역학적으로 710도 전후로 반응이 시작한다. 하지만 바이오매스를 구성하는 헤미셀룰로오스, 셀룰로오스, 리그닌 등의 조성에 따른 유기물의 결정도(crystality)와 방향성(aromaticity)뿐만 아니라 알칼리 금속/토금속, 전이금속 등의 무기물 조성과 함량에 따라 부다 반응의 시작 온도가 달라질 수 있다.The Buda reaction thermodynamically starts around 710 degrees. However, the starting temperature of the Buddha reaction depends on the composition and content of inorganic substances such as alkali metals/earth metals and transition metals as well as the crystallinity and aromaticity of organic substances according to the composition of hemicellulose, cellulose, and lignin constituting biomass. may vary.

질소 분위기에서의 열중량 곡선의 경향과 이산화탄소 분위기에서의 열중량 곡선의 경향이 달라지는 온도를 결정하고나면, 이산화탄소에 의한 중?c감소가 나타나는 온도보다 낮은 온도를 바이오매스(예를 들어, 제2바이오매스)의 열분해 온도로 결정하는 단계(S24)가 수행된다. After determining the temperature at which the trend of the thermogravimetric curve in the nitrogen atmosphere and the trend of the thermogravimetric curve in the carbon dioxide atmosphere are different, a temperature lower than the temperature at which the mid-c reduction by carbon dioxide appears is determined by biomass (eg, the second A step (S24) of determining the pyrolysis temperature of the biomass) is performed.

열분해 온도는 이산화탄소에 의한 중?c감소가 나타나는 온도보다 10 ~ 30도 낮은 온도, 바람직하게는 15~25도 낮은 온도로 결정될 수 있다. The thermal decomposition temperature may be determined at a temperature 10 to 30 degrees lower than the temperature at which the reduction of C by carbon dioxide occurs, preferably 15 to 25 degrees.

제1바이오매스를 이용하여 열분해 온도를 결정하고 나면, 제2바이오매스를 이산화탄소 분위기 및 결정된 열분해 온도에서 열분해하여 기능성 바이오차를 제조하는 단계(S30)가 수행된다.After determining the pyrolysis temperature using the first biomass, a step (S30) of preparing a functional biochar by pyrolysis of the second biomass in a carbon dioxide atmosphere and the determined pyrolysis temperature is performed.

제2바이오매스를 열분해 챔버에 투입하고, 이산화탄소를 주입하여 이산화탄소 분위기를 조성한 후에 제1바이오매스를 이용하여 결정한 열분해 온도에서 30분 내지 2시간 동안 등온 열분해를 수행하여 기능성 바이오차를 제조한다. After introducing the second biomass into the pyrolysis chamber, injecting carbon dioxide to create a carbon dioxide atmosphere, isothermal pyrolysis is performed for 30 minutes to 2 hours at the pyrolysis temperature determined using the first biomass to prepare a functional biochar.

실시예Example

바이오매스로 소나무 톱밥을 준비하였다. 준비한 소나무 톱밥은 건조 및 분쇄하여 각각 제1바이오매스와 제2바이오매스로 나누었다. Pine sawdust was prepared as biomass. The prepared pine sawdust was dried and pulverized and divided into first biomass and second biomass, respectively.

제1바이오매스를 질소 분위기와 이산화탄소 분위기에 열중량 분석을 수행하였다. 열중량 분석은 질소 분위기와 이산화탄소 분위기에서 수행되었으며, 900℃까지 10℃/min으로 승온하여 온도에 따른 중량감소를 측정하였다. 열중량 분석 결과는 도 3에 나타내었다.Thermogravimetric analysis was performed on the first biomass in a nitrogen atmosphere and a carbon dioxide atmosphere. Thermogravimetric analysis was performed in a nitrogen atmosphere and a carbon dioxide atmosphere, and the weight loss according to the temperature was measured by raising the temperature to 900 ℃ at 10 ℃ / min. The thermogravimetric analysis results are shown in FIG. 3 .

도 3에서 보는 바와 같이, 열중량 분석을 통해 온도 증가에 따른 바이오매스(소나무 톱밥)의 잔여 질량을 측정하여 원료물질의 조성을 파악할 수 있었다. 소나무 톱밥의 경우 720℃에서 이산화탄소 분위기에서 부다(Boudouard) 반응 의한 열중량 감소가 뚜렷하게 발생하는 것을 확인할 수 있다. 반면에 720℃이전의 온도에서는 질소 분위기과 이산화탄소 분위기에서 동일한 중량 감소 경향을 보였다. 즉, 720℃이전의 온도에서는 이산화탄소와 생성되는 바이오차 간의 반응이 이루어지지 않았다. As shown in FIG. 3, it was possible to determine the composition of the raw material by measuring the residual mass of biomass (pine sawdust) according to the temperature increase through thermogravimetric analysis. In the case of pine sawdust, it can be confirmed that the thermal weight reduction by the Boudouard reaction occurs distinctly in a carbon dioxide atmosphere at 720 ° C. On the other hand, at temperatures before 720 °C, the same weight loss tendency was shown in nitrogen and carbon dioxide atmospheres. That is, at a temperature before 720 ° C, the reaction between carbon dioxide and biochar was not made.

이번 실험에서 이용한 소나무 톱밥의 이산화탄소에 의한 중량감소가 나타나는 온도는 720℃로 결정하였으며, 이에 따라 소나무 톱밥을 이용하여 기능성 바이오차를 제조하기 위한 열분해 온도는 720℃보다 20℃ 낮은 700℃로 결정하였다. The temperature at which the weight loss by carbon dioxide of the pine sawdust used in this experiment was determined to be 720 ° C, and accordingly, the thermal decomposition temperature for producing functional biochar using pine sawdust was determined to be 700 ° C, which is 20 ° C lower than 720 ° C. .

결정한 열분해 온도에서 열분해를 수행할 경우 제조되는 기능성 바이오차가 높은 수율과 발달된 기공구조를 가지는지 확인하기 위해서, 결정된 열분해 온도인 700℃와 이산화탄소에 의한 중량감소가 나타나는 온도보다 높은 800℃에서 바이오차를 제조하였다. 기체분위기는 각각 질소 분위기와 이산화탄소 분위기에서 수행하였다. 그 결과를 도 4에 표시하였다. In order to confirm that the functional biochar produced when pyrolysis is performed at the determined pyrolysis temperature has a high yield and a developed pore structure, biochar was heated at 700 ° C, which is the determined pyrolysis temperature, and 800 ° C, which is higher than the temperature at which weight loss by carbon dioxide appears. was manufactured. The gas atmosphere was performed in a nitrogen atmosphere and a carbon dioxide atmosphere, respectively. The results are shown in FIG. 4 .

질소 분위기 및 이산화탄소 분위기에서 700℃에서 1시간 동안 열분해를 수행 후 잔여 바이오차 량은 각각 19.7 wt.%와 18.8 wt.%로 거의 동일하였다. After thermal decomposition at 700 °C for 1 hour in a nitrogen atmosphere and a carbon dioxide atmosphere, the remaining biocar amounts were 19.7 wt.% and 18.8 wt.%, respectively, almost the same.

질소 분위기 및 이산화탄소 분위기에서 800℃에서 1시간 동안 열분해를 수행하여 제조한 바이오차의 생산 수율은 각각 19.5 wt.%와 4.9 wt.%이었다. The production yields of biochar produced by thermal decomposition at 800 °C for 1 hour in a nitrogen atmosphere and a carbon dioxide atmosphere were 19.5 wt.% and 4.9 wt.%, respectively.

800℃에서는 이산화탄소 분위기에서 질소 분위기보다 14.6 wt.%의 중량 감소를 보였으며, 이는 이산화탄소에 의한 영향이다. At 800 ° C, the carbon dioxide atmosphere showed a weight loss of 14.6 wt.% compared to the nitrogen atmosphere, which is due to the effect of carbon dioxide.

도 5 (a)와 도 5 (b)는 700℃와 800℃에서 생산된 바이오차의 표면 특성을 확인하기 위해 BET 방법에 따라 등온 질소 흡착/탈착을 분석한 결과이다. 5 (a) and 5 (b) are the results of isothermal nitrogen adsorption/desorption analysis according to the BET method to confirm the surface characteristics of biochar produced at 700 ° C and 800 ° C.

도 5를 참조하면, 700℃와 800℃에서 만든 바이오차의 질소 흡착/탈착 등온선 곡선은 International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC)에서 규정한 기공 유형 분류법 중 타입 I 해당하며 이는 생성된 바이오차가 주로 미세 기공(≤2 nm)을 갖고 있다는 것을 의미한다. Referring to FIG. 5, the nitrogen adsorption/desorption isotherm curves of biochar made at 700 ° C and 800 ° C correspond to type I of the pore type classification method defined by the International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC), which is mainly due to the biochar produced. It means that it has micropores (≤2 nm).

특히, 이산화탄소 조건에서 상대압력(P/P0) 0에서 질소 흡착량이 더 많은 것을 보면 바이오차에 더 많은 미세 기공이 존재하는 것을 알 수 있다. In particular, it can be seen that there are more micropores in biochar by looking at a higher amount of nitrogen adsorption at a relative pressure (P/P 0 ) of 0 under carbon dioxide conditions.

이산화탄소 분위기 및 700℃에서 제조한 바이오차의 비표면적은 질소 조건 대비 약 1.3배 증가하였고, 이산화탄소에 의한 비표면적 증가는 이산화탄소와 휘발성 화합물 간의 가스상 반응의 결과이다.The specific surface area of biochar prepared in a carbon dioxide atmosphere and 700 ° C was increased by about 1.3 times compared to the nitrogen condition, and the increase in the specific surface area by carbon dioxide is a result of the gaseous reaction between carbon dioxide and volatile compounds.

바이오차 생산 과정에서 발생하는 휘발성 화합물은 바이오차 표면 형성에 기여한다는 점을 고려하면, 700℃ 및 이산화탄소 조건 열분해 공정은 휘발성 화합물과 이산화탄소에 의한 가스상 (Gas-phase) 반응하여 휘발성 화합물이 분해돼 바이오차 표면 형성에 영향을 주어 비표면적을 증가시킨 것임을 알 수 있다. Considering that volatile compounds generated in the biochar production process contribute to the formation of the surface of biochar, the pyrolysis process at 700°C and carbon dioxide causes a gas-phase reaction between volatile compounds and carbon dioxide to decompose volatile compounds, It can be seen that the specific surface area was increased by affecting the formation of the tea surface.

800℃에서 만든 바이오차의 비표면적은 질소 조건 대비 이산화탄소 조건에서 약 1.7배 증가하였으며, 이는 부다(Boudouard) 반응에 의한 결과이다. The specific surface area of biochar prepared at 800 ° C increased by about 1.7 times under carbon dioxide conditions compared to nitrogen conditions, which is a result of the Boudouard reaction.

700℃와 800℃에서 생성된 바이오차의 표면 특성 결과를 비교해보면, 질소 대비 이산화탄소 조건에서 총 기공의 부피가 증가하는 반면, 기공의 평균 직경은 감소한 것을 볼 수 있으며, 이산화탄소 조건에서 제조한 바이오차의 표면에 미세기공이 발달하여 비표면적이 증가한 것을 알 수 있다.Comparing the surface characteristics of biochar produced at 700℃ and 800℃, it can be seen that the total pore volume increased under nitrogen versus carbon dioxide conditions, while the average pore diameter decreased. It can be seen that the specific surface area increased due to the development of micropores on the surface.

다만 앞서 살펴본 바와 같이 800℃ 및 이산화탄소 분위기에서 제조된 바이오차의 수율은 700℃ 및 이산화탄소 분위기에서 제조된 바이오차의 수율보다 약 13.9 wt% 더 낮다.However, as described above, the yield of biochar produced at 800 ° C and a carbon dioxide atmosphere is about 13.9 wt% lower than the yield of biochar produced at 700 ° C and a carbon dioxide atmosphere.

도 6은 이산화탄소를 활용한 바이오차의 표면 개질에 따른 환경 분야 적용 가능성을 평가를 위해 이산화탄소 흡착 실험한 결과이며, 25℃에서 30분 동안 이산화탄소를 흘려주어 바이오차 단위 무게 당 이산화탄소 흡착량을 측정한 결과이다.6 is the result of the carbon dioxide adsorption experiment to evaluate the applicability to the environmental field according to the surface modification of biochar using carbon dioxide. This is the result.

도 6을 참조하면, 조건별 이산화탄소 흡착 분석 결과 질소 대비 이산화탄소 조건에서 만든 바이오차는 더 많은 이산화탄소를 흡착하였으며, 이산화탄소 조건에서 열분해 온도가 증가할수록 바이오차의 이산화탄소 흡착 능력이 증가하는 것을 볼 수 있다. Referring to FIG. 6, as a result of analysis of carbon dioxide adsorption by condition, more carbon dioxide was adsorbed in the biochar made under nitrogen versus carbon dioxide conditions, and the carbon dioxide adsorption capacity of the biochar increased as the pyrolysis temperature increased under the carbon dioxide condition.

이산화탄소 흡착 능력은 바이오차의 비표면적 결과와 유사한 경향을 보이며, 이산화탄소에 의한 바이오차 표면 특성의 변화는 이산화탄소 흡착 능력 개선에 기여하는 것을 확인하였다. The carbon dioxide adsorption capacity showed a similar trend to the specific surface area of biochar, and it was confirmed that the change in the surface properties of biochar by carbon dioxide contributed to the improvement of the carbon dioxide adsorption capacity.

바이오차 제조 공정을 평가하기 위해 생산된 바이오차의 비표면적과 이산화탄소 흡착량을 바이오차 생산 수율을 고려하여 환산된 바이오매스(소나무 톱밥) 단위 무게 당 결과를 표 1에 표시하였다.To evaluate the biochar manufacturing process, Table 1 shows the results per unit weight of biomass (pine sawdust) converted by considering the biochar production yield of the specific surface area and carbon dioxide adsorption amount of the produced biochar.

FeedstockFeedstock Biochar
production
condition
Biochar
production
condition
Yield,
[wt.%]
Yield,
[wt.%]
per unit gram of biocharper unit gram of biochar per unit gram of feedstockper unit gram of feedstock
Specific surface area,
[m2/gbiochar]
specific surface area,
[m 2 /g biochar ]
CO2 sorption capacity,
[mmol/gbiochar]
CO 2 absorption capacity,
[mmol/g biochar ]
Specific surface area,
[m2/gfeedstock]
specific surface area,
[m 2 /g feedstock ]
CO2 sorption capacity,
[mmol/gfeedstock]
CO 2 absorption capacity,
[mmol/g feedstock ]
Pine sawdustPine sawdust at 700℃
for 1h
in N2
at 700℃
for 1 hour
in N 2
19.719.7 424.3424.3 1.481.48 83.583.5 0.290.29
Pine sawdustPine sawdust at 700℃for 1h
in CO2
at 700℃for 1h
in CO 2
18.818.8 548.8548.8 1.611.61 103.2103.2 0.30.3
Pine sawdustPine sawdust at 800℃for 1h
in N2
at 800℃for 1h
in N 2
19.519.5 440.4440.4 1.511.51 85.885.8 0.290.29
Pine sawdustPine sawdust at 800℃
for 1h
in CO2
at 800℃
for 1 hour
in CO 2
4.94.9 737.2737.2 1.811.81 36.136.1 0.090.09

표 1을 참조하여 생산된 바이오차를 종합적으로 평가해보면 이산화탄소 조건에서 고온으로 갈수록 비표면적의 증가와 이산화탄소의 흡착 능력이 향상되는 것을 확인할 수 있다. Comprehensively evaluating the produced biochar with reference to Table 1, it can be confirmed that the specific surface area increases and the adsorption capacity of carbon dioxide improves as the temperature increases under the carbon dioxide condition.

하지만 바이오매스(소나무 톱밥) 단위 무게 당 생산되는 바이오차의 양을 보면 이산화탄소 조건에서 질소 조건에 비해 감소하는 것을 확인할 수 있으며, 특히 800℃ 및 이산화탄소 조건에서 만든 바이오차의 생산량이 다른 조건에서 만든 바이오차에 비해 1/4 수준으로 현저히 감소하는 것을 볼 수 있다. However, when looking at the amount of biochar produced per unit weight of biomass (pine sawdust), it can be seen that the amount of biochar produced under carbon dioxide conditions decreases compared to nitrogen conditions. It can be seen that it is significantly reduced to 1/4 level compared to the car.

수율이 감소하면 같은 양의 바이오차를 생산하기 위해 투입되는 에너지 및 바이오매스 양이 증가하며, 이는 생산된 바이오차의 가격 경쟁력 확보 측면에서 불리하다. If the yield decreases, the amount of energy and biomass input to produce the same amount of biochar increases, which is disadvantageous in securing price competitiveness of the produced biochar.

따라서 생산된 바이오차의 수율을 고려하여, 투입되는 바이오매스 대비 양 대비 생산된 바이오차의 비표면적과 이산화탄소 흡착량을 환산하였다.Therefore, considering the yield of produced biochar, the specific surface area and carbon dioxide adsorption amount of biochar produced in relation to the amount of biomass input were converted.

그 결과, 이산화탄소에 의한 중량감소 온도인 720 ℃보다 낮은 온도를 열분해 온도로 결정하여 도출된 700℃에서 만든 바이오차가 투입된 바이오매스(소나무 톱밥) 단위 무게 당 가장 높은 비표면적과 이산화탄소 흡착량을 보이는 것을 확인하였다.As a result, the biochar made at 700 ° C, which was derived by determining the temperature lower than 720 ° C, which is the temperature for weight loss by carbon dioxide, as the pyrolysis temperature, showed the highest specific surface area and carbon dioxide adsorption per unit weight of biomass (pine sawdust) introduced. Confirmed.

이는 800℃에서 이산화탄소 분위기에서 제조된 바이오차 대비 비표면적은 2.9배, 이산화탄소 흡착 능력은 3.3배 증가한 것이다.This is a 2.9-fold increase in specific surface area and a 3.3-fold increase in carbon dioxide adsorption capacity compared to biochar produced in a carbon dioxide atmosphere at 800 °C.

도 7을 참고하면 소나무 톱밥과 함께 다양한 바이오매스(리그노셀룰로직 바이오매스, 미세조류, 축산분뇨 등)에 대해서 질소와 이산화탄소 분위기에서 수행한 열중량분석 결과를 도시하였고, 부다 반응 시작 온도를 확인함으로써 이산화탄소 활용 기능성 바이오차 생성을 위한 온도를 결정 가능하다.Referring to FIG. 7, the results of thermogravimetric analysis performed in a nitrogen and carbon dioxide atmosphere for various biomass (lignocellulosic biomass, microalgae, livestock manure, etc.) along with pine sawdust are shown, and the Buda reaction start temperature is confirmed. By doing so, it is possible to determine the temperature for producing functional biochar using carbon dioxide.

FeedstockFeedstock Temperature exhibiting
Boudouard reaction, [?C]
Temperature exhibiting
Boudouard reaction, [?C]
1. Lignocellulosic Biomass1. Lignocellulosic Biomass Pine sawdustPine sawdust 720720 Oak woodOak wood 670670 Rice strawRice straw 740740 Dead leavesDead leaves 670670 Galic stemGalic stem 660660 Maize residueMaize residue 700700 GrassGrass 670670 MossMoss 670670 PeatmossPeatmoss 700700 CelluloseCellulose -- XylanXylan -- LigninLignin 720720 2. Microalgae2. Microalgae Microcystis aeruginosaMicrocystis aeruginosa 820820 Chlorella vulgarisChlorella vulgaris 840840 Arthrospira platensisArthrospira platensis 780780 3. Animal Manure3. Animal Manure Cattle manureCattle manure 700700 Swine manureSwine manure 745745 Chicken manureChicken manure 710710

표 2를 참고하여 각 바이오매스에 대한 부다 반응 시작 온도가 상이함을 확인할 수 있으며, 몇몇 바이오매스에 대해서는 부다 반응 시작 온도를 특정할 수 없다는 것을 확인할 수 있다. 즉, 본 발명을 이용하면 시행착오를 거치지 않더라도 각 바이오매스의 적정한 열분해 온도를 도출할 수 있다.Referring to Table 2, it can be confirmed that the Buddha reaction start temperature is different for each biomass, and it can be confirmed that the Buddha reaction start temperature cannot be specified for some biomass. That is, by using the present invention, an appropriate pyrolysis temperature of each biomass can be derived without trial and error.

본 발명의 보호범위가 이상에서 명시적으로 설명한 실시예의 기재와 표현에 제한되는 것은 아니다. 또한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 자명한 변경이나 치환으로 말미암아 본 발명이 보호범위가 제한될 수도 없음을 다시 한번 첨언한다.The protection scope of the present invention is not limited to the description and expression of the embodiments explicitly described above. In addition, it is added once again that the scope of protection of the present invention cannot be limited due to obvious changes or substitutions in the technical field to which the present invention belongs.

Claims (7)

제조되는 기능성 바이오차의 수율 및 흡착 성능을 향상시키기 위한 바이오매스의 종류에 따른 기능성 바이오차 제조 조건을 결정하는 방법으로서:
(a) 원료물질로 사용될 바이오매스를 질소 분위기 및 이산화탄소 분위기에서 각각 열중량 분석하는 단계;
(b) 질소 분위기에서의 열중량 분석 결과와 이산화탄소 분위기에서의 열중량 분석 결과를 비교하는 단계;
(c) 질소 분위기에서의 열중량 분석 결과와 이산화탄소 분위기에서의 열중량 분석 결과의 비교 결과에서 이산화탄소에 의한 중량감소가 나타나는 온도를 도출하는 단계; 및
(d) 이산화탄소에 의한 중?c감소가 나타나는 온도보다 낮은 온도를 상기 바이오매스의 열분해 온도로 결정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
기능성 바이오차 제조 조건을 결정하는 방법.
As a method for determining functional biochar manufacturing conditions according to the type of biomass to improve the yield and adsorption performance of the functional biochar produced:
(a) thermogravimetric analysis of biomass to be used as a raw material in a nitrogen atmosphere and a carbon dioxide atmosphere, respectively;
(b) comparing the thermogravimetric analysis result in a nitrogen atmosphere with the thermogravimetric analysis result in a carbon dioxide atmosphere;
(c) deriving a temperature at which weight loss due to carbon dioxide is obtained from a comparison result of a thermogravimetric analysis result in a nitrogen atmosphere and a thermogravimetric analysis result in a carbon dioxide atmosphere; and
(d) determining a temperature lower than the temperature at which the reduction of C by carbon dioxide appears as the thermal decomposition temperature of the biomass; characterized in that it comprises,
A method for determining conditions for producing functional biochar.
제1항에 있어서,
상기 (d) 단계에서 이산화탄소에 의한 중?c감소가 나타나는 온도는 부다(Boudouard) 반응이 시작되는 온도인 것을 특징으로 하는,
기능성 바이오차 제조 조건을 결정하는 방법.
According to claim 1,
Characterized in that, in step (d), the temperature at which the reduction of carbon dioxide by carbon dioxide occurs is the temperature at which the Boudouard reaction starts.
A method for determining conditions for producing functional biochar.
제1항에 있어서,
상기 열분해 온도는 이산화탄소에 의한 중?c감소가 나타나는 온도보다 10 내지 40도 낮은 온도를 지시하는 것을 특징으로 하는,
기능성 바이오차 제조 조건을 결정하는 방법.
According to claim 1,
The thermal decomposition temperature is characterized in that it indicates a temperature 10 to 40 degrees lower than the temperature at which the reduction of carbon dioxide by carbon dioxide occurs.
A method for determining conditions for producing functional biochar.
바이오매스를 이용하여 기능성 바이오차를 제조하는 방법으로서:
(a) 서로 동일한 제1바이오매스와 제2바이오매스를 준비하는 단계;
(b) 제조되는 기능성 바이오차의 수율 및 흡착 성능을 향상시키기 위해 제1바이오매스를 이용하여 기능성 바이오차 제조하기 위한 열분해 온도를 결정하는 단계; 및
(c) 제2바이오매스를 이산화탄소 분위기 및 결정된 열분해 온도에서 열분해하여 기능성 바이오차를 제조하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 기능성 바이오차 제조 방법.
As a method for producing functional biochar using biomass:
(a) preparing a first biomass and a second biomass identical to each other;
(b) determining a thermal decomposition temperature for producing functional biochar using the first biomass to improve the yield and adsorption performance of the functional biochar produced; and
(c) preparing a functional biochar by thermally decomposing the second biomass in a carbon dioxide atmosphere and the determined thermal decomposition temperature; a method for producing functional biochar, comprising:
제4항에 있어서,
상기 (b) 단계는,
(a) 제1바이오매스를 질소 분위기 및 이산화탄소 분위기에서 각각 열중량 분석하는 단계;
(b) 질소 분위기에서의 열중량 분석 결과와 이산화탄소 분위기에서의 열중량 분석 결과를 비교하는 단계;
(c) 질소 분위기에서의 열중량 분석 결과와 이산화탄소 분위기에서의 열중량 분석 결과의 비교 결과에서 이산화탄소에 의한 중량감소가 나타나는 온도를 도출하는 단계; 및
(d) 이산화탄소에 의한 중?c감소가 나타나는 온도보다 낮은 온도를 제2바이오매스의 열분해 온도로 결정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
기능성 바이오차 제조 방법
According to claim 4,
In step (b),
(a) thermogravimetric analysis of the first biomass in a nitrogen atmosphere and a carbon dioxide atmosphere, respectively;
(b) comparing the thermogravimetric analysis result in a nitrogen atmosphere with the thermogravimetric analysis result in a carbon dioxide atmosphere;
(c) deriving a temperature at which weight loss due to carbon dioxide is obtained from a comparison result of a thermogravimetric analysis result in a nitrogen atmosphere and a thermogravimetric analysis result in a carbon dioxide atmosphere; and
(d) determining a temperature lower than the temperature at which the reduction of C by carbon dioxide appears as the thermal decomposition temperature of the second biomass; characterized in that it comprises,
Manufacturing method of functional biochar
제5항에 있어서,
상기 (d) 단계에서 이산화탄소에 의한 중?c감소가 나타나는 온도는 부다(Boudouard) 반응이 시작되는 온도인 것을 특징으로 하는,
기능성 바이오차 제조 방법.
According to claim 5,
Characterized in that, in step (d), the temperature at which the reduction of carbon dioxide by carbon dioxide occurs is the temperature at which the Boudouard reaction starts.
Manufacturing method of functional biochar.
제5항에 있어서,
상기 열분해 온도는 이산화탄소에 의한 중?c감소가 나타나는 온도보다 10 내지 40도 낮은 온도를 지시하는 것을 특징으로 하는,
기능성 바이오차 제조 방법.
According to claim 5,
The thermal decomposition temperature is characterized in that it indicates a temperature 10 to 40 degrees lower than the temperature at which the reduction of carbon dioxide by carbon dioxide occurs.
Manufacturing method of functional biochar.
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