R&D최종보고서
| 과제고유번호 | 201717CTAP-C114619-02 | |||||
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| 연구사업명 | 국토교통기술촉진연구사업 | |||||
| 연구과제명 | 도심지 폐목재 자원화를 위한 리그닌 추출/분리공정 개발 | |||||
| 총 연구기간 | 2016-06-24 ~ 2018-06-23 | |||||
| 연구책임자 | 김영모 | |||||
| 당해년도 참여 연구원수 |
5명 | 총 연구기간 참여 연구원수 |
11명 | |||
| 당해년도 연구비 |
정부 : 50,000,000 원 기업 : 0 원 계 : 50,000,000 원 |
총연구비 | 정부 : 100,000,000 원 기업 : 0 원 계 : 100,000,000 원 |
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| 연구기관명 | 광주과학기술원 | |||||
| 등록 발간번호 | - | |||||
| ISBN | - | |||||
| 주요 내용 |
(1) 본 연구과제 배경 -최근 환경부통계자료(연도별폐목재발생원별발생추이)에 따르면 대부분의 폐목재가 도심지에서 발생하며, 2010년 기준 약 200만 톤 규모의 폐목재가 발생되고 있는 실정임. -사업장 및 생활폐목재의 주요 발생원은 가구류이며, 국내 도심지에서 발생하는 폐목재가 연간 수도권 46만 톤, 영남권 18만 톤, 호남권 10만 톤으로 총 200만 톤이 넘는 실정에도 불구하고 재이용기술수준이 낮아, 폐목재 중 재활용 가능한 폐목재 대부분이 적정한 용도로 효율적으로 재활용되지 못하고 있는 실정임. -국가적, 세계적으로 폐기물관리순서는 감량→재사용→물질재생→에너지회수→매립인데 반해 우리나라 도심지에서 발생되는 폐목재 재활용률은 30%에 못 미칠정도로 미미한 수준이며, 2, 3등급 폐목재는 무의미하게 소각되거나 불법으로 매립되고 있음. -특히 폐목재가 불법소각 또는 매립될 경우 유독가스 등 대기오염 물질이 발생되며, 장마 등의 우기에 노출될 경우에는 접착제 등에서 유해물질이 용출되기 때문에 수질오염 등의 도심지오염발생원으로 단순히 경제적인 문제에만 국한되지 않음. -따라서 도심지에 발생하는 폐목재의 재활용활성화를 도모하고자 폐목재로부터 물질재생 및 에너지회수가 가능한 기술개발이 절실히 요구되고 있음. (2) 목질계 바이오매스: 리그닌의 활용과 한계 -리그닌을 다량 함유하고 있는 목질계 바이오매스는 일반적으로 폐목재류, 볏짚류 등을 포함하는 개념으로서 주변에서의 원료확보가 용이하고, 재생가능하다는 측면에서 매우 유리한 대체에너지 및 부가가치를 가진 원료물질임. -목질계 바이오매스를 구성하는 주요성분인 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스와 리그닌 중 리그닌을 제외한 성분들은 이미 다양한 연구개발을 통하여 바이오에탄올생산 등에 활발히 활용되고있으나, 30%까지의 많은 양의 리그닌은 불규칙적이고 복합적인 구조를 가지고 있어 지금까지는 이용되지 못한 채 폐자원으로 인식되어왔음. -현재 목질계 바이오매스로부터 리그닌을 활용하기 위한 연구가 이루어지고 있으나 회수된 리그닌을 단순 연소를 통해 에너지를 생산하는데 주로 사용되어 일련의 에너지소모적 저효율공정을 통해 활용되고 있는 실정임. (3)리그닌 활용패러다임 전환: 리그닌 고부가가치화 -최근에는 리그닌을 효과적으로 활용하는 기술이 해외선진연구기관을 중심으로 진행되고있으며, 탄화수소중간체를 리그닌으로부터 회수하여 천연고분자리그닌을 중합개시제로 제조하여 다양한 공중합체와 화학적결합을 시켜 리그닌바이오공중합체를 제조하면 새로운 용도의 바이오플라스틱, 탄소섬유, 콘덴서 등의 바이오신소재로 활용할 수 있음. (4)연구개발중요성 - 세계 폐기물은 배출량 50억톤/년, 약 457조 거대시장으로 폐기물이 새로운 가치창출과 성장원천으로 주목되면서 자원순환산업발전이 필요한 상황에 본 도심지폐목재자원화를 위한 고부가가치산물인 리그닌 추출/분리기술 개발연구는 국가신성장동력창출에 기여할 수 있을뿐만아니라 우리정부의 지속가능한 자원순환촉진정책 및 국토교통부중장기전략 도심 폐자원 처리 및 활용기술개발주제에 부합되는 미래전략핵심원천기술임. -고부가가치산물인 리그닌을 폐목재바이오매스로부터 분리함으로서 양적개념에서 질적개념으로 전환, 단순 자원재이용에서 효율성을 통한 자원생산으로 자원순환을 지향할 수 있음. -미국의 경우 목질계 바이오매스로부터 리그닌을 고부가가치화하는 대형연구사업단을 구성하여 핵심원천기술개발결과물을 내놓고 있으며, 독일의 경우는 폭스바겐에서 자동차신소재로서의 탄소섬유제작을 위한 원료를 리그닌으로 활용하는 연구결과물을 내놓고 있음. -전세계적으로 목질계바이오매스로부터 리그닌을 고부가가치화하는 기술성숙도는 약 TRL 5단계로 국토교통부를 비롯한 국가정부기관의 적극적인 지원이 이루어진다면 빠른 속도로 기술수준업그레이드 및 향후 발전가능성이 높은 분야임. -시제품 성능 평가 이상의 기술로 개발된다면 목재산업이 주를 이루는 동남아시아의 폐목재를 이용하여 리그닌을 추출하는 폐자원재활용시스템 관련 신규시장개척이 가능하며, 분리되어 나오는 폐액은 소각용열원, 에탄올추출재료로 추가사용이 가능함. [최종목표] ○최종목표: 도심지 폐목재로부터 리그닌 추출/분리를 위한 통합공정개발 및 최적화 (1)최적의 폐목재 전처리 조건 및 최적의 dual 멤브레인 공정 운영인자 파악 ○ 목질계 바이오매스와 관련된 전처리 문헌조사 등 기초문헌조사 -목질계 바이오매스 기초 성상분석 및 특성 파악 -폐목재 전처리 부산물 성분 및 리그닌 정량법 확립 -멤브레인 공정회수로 예상되는 리그닌 구조물 조사 ○실험실 규모 폐목재 전처리 공정구축 -실험실 규모 organosolv 장치제작 -실제 폐목재를 이용한 전처리 organosolv 실험 수행 ○실험실 규모 UF-NF 멤브레인 공정시스템 구축 -실험실 규모 UF-NF 멤브레인 공정 장치 제작 -실제 폐목재 부산물을 이용한 멤브레인 공정 운영조건 파악 (2)도심지 폐목재로부터 리그닌 추출/분리를 위한 결합형시스템성능평가 및 막 오염 전략 수립 ○결합형 리그닌 추출/분리 시스템 성능 평가 -결합형 리그닌 추출/분리 시스템 연계 실험 수행 -UF-NF 운전 장기 성능평가 ○시스템 최적 운전인자도출 및 경제성 평가 -공정 최적 설계인자 구축 -실험실 규모 운전 데이터와 ADM1.0모델을 통한 최적 운전조건 도출 [연구내용 및 범위] 1.최적의 폐목재 전처리 조건 및 최적의 dual 멤브레인 공정 운영인자 파악 (1) 목질계 바이오매스와 관련된 전처리 문헌조사등 기초연구수행 -목질계 바이오매스 기초 성상 분석 및 특성 파악: 도심지에서 발생하는 폐목재는 기존의 리그닌 회수관련연구에 사용된 목질계 바이오매스(볏짚류등)와는 상이한 성상분포를 보이는지 파악하여 추후 연구에 반영 -폐목재 전처리 부산물(black liquors)성분 및 리그닌 정량법 확립: 리그닌의 정량에는 목재중의 다른 성분을 용해시키고 잔사로서 얻어지는 리그닌을 정량하는 방법, methoxyl기의 정량이나 각종 시약과 리그닌과의 반응량 측정에 의해 간접적으로 리그닌을 산출하는 방법, 용해 리그닌의 분광학적 측정에 의해 간접적으로 리그닌을 산출하는 방법 등이 있는데, 문헌조사 및 도심 폐목재를 대상으로 한 실험을 통해 본 연구에 적합한 리그닌 정량법 확립 -HPLC 및 GC-MS등을 이용한 부산물(blackliquors) 내 유해물질 함량조사: 본 연구개발의 대상 목질계 바이오매스는 타 연구와는 달리 접착제 등과 같은 유무기화학물질이 함께 함유되어 있기 때문에 HPLC 및 GC-MS등의 분석법을 활용하여 기존 문헌에서 보고된 유해물질을 포함한 미량의 유해물질의 정성 및 정량 -멤브레인 공정회수로 예상되는 리그닌 구조물 조사: 리그닌 구조의 경우 추출공정에 따라 차이를 보이고 있으며, 특히 본 연구에서 중점적으로 연구할 organosolv법의 경우 리그닌의 원래 구조의 기본인 β-O-4inter-unitlinkages로 회수할 수 있는 특징을 감안하여 멤브레인 공정회수시 공극사이즈에 따라 예상되는 회수리그닌 구조물을 예측 (2)실제 폐목재를 이용한 전처리 organosolv 실험 수행 -실험실 규모 organosolv 장치 제작: 유기용매를 활용한 리그닌 회수를 위해 본 연구에서는 반응조, 리그닌 침전조, 분별증류 및 세척공정으로 구성되어 있는 organosolv 장치를 실험실규모로 제작하여 실제 폐목재를 대상으로 한 리그닌 회수를 진행 -폐목재 성분분리에 유리한 적정 유기용매, 반응조 온도, pH, 반응시간 및 압력조건 최적화: 도심지에서 발생하는 폐목재는 기존의 리그닌 회수 관련 연구에 사용된 목질계 바이오매스(볏짚류등)와는 상이한 성상분포를 보이는지 파악하여 추후 연구에 반영 -Blackliquors 내 리그닌 회수율을 기반으로 한 후속공정최적화: Blackliquors 내 리그닌회수율분석을 통한 유기용매 정량 조건 최적화 및 주요 유해물질(페놀,푸란 등)함량조사 후Detoxification을 위한 적정 pH조건 제어실험수행 (3) 실험실 규모 UF-NF 멤브레인 공정구축 -UF, NF 분리막 선정 및 모듈구성: 본 연구개발의 주 목적은 소재개발이 아닌 공정개발임을 감안하여 시중에서 판매되는 ceramic, PVDF 등의 다양한 재질의 친수성, 소수성막을 공극크기별 구입 후 폐목재 부산물(black liquor)을 대상으로 추출물의 리그닌의 회수율, 구조분석을 통해 가장 적절한 UF, NF 멤브레인 선정 및 모듈구성 -실험실 규모 UF-NF 멤브레인 공정운전 data확보: 확정된 UF, NF 분리막 및 모듈을 기반으로 실험실 규모 UF-NF 멤브레인 공정제작 및 운전을 통해 다양한 조건(TDS농도, 온도, 모듈내부 유속 및 pH)에서의 flux, 리그닌 회수율, 순도, 파울링 빈도변화 관측 -각 공정단계별 부산물 성상분석 및 유용 부산물 정제과정 최적화: 본 연구에서 적용하는 dual 멤브레인 공정을 통해 에너지원 및 다양한 화학제품의 전구물질로 사용 가능한 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스와 같은 다양한 chemical의 회수가 가능하기 때문에 UF, NF 시스템에서 발생된 처리수(리그닌 회수율, 순도) 및 농축수 성상분석을 통해 공정 경제성 확보방안 모색 2. 도심지 폐목재로부터 리그닌 추출/분리를 위한 결합형 공정성능평가 및 막오염전략수립 (1)결합형 리그닌 추출/분리공정 성능평가 -결합형 리그닌 추출/분리공정 성능평가 및 UF-NF 운전장기성능평가: 1차연도 연구를 기반으로 Lab-scale결합형리그닌 추출/분리공정 제작 및 운전을 통해 5L/day규모 실험실 UF-NF 장치의 장기운전 성능평가(3개월 이상) 및 장기운전 후 막의 인장강도측정을 통한 막오염전략수립 -공정 최적 운전인자 도출 및 경제성평가: 도심지 폐목재를 대상으로 결합형 리그닌추출/분리공정의 장기운전을 통해 유입부하율, 온도, pH, 농축수반송율, 막Flux, 운전압력 등 설계인자를 확보 및 세정조건(세정액,세정주기,세정지속시간,물리적세정방법등)에 따른 flux회복율 등의 공정 Lab-scale 운전data를 기반으로 ADM1.0모델을 통한 설계인자 calibration/최적부하율, 온도 등 조건검증/톤 당 설치비산정, 톤 당 에너지소비량산정/약품, 전력, 소비부품 등 톤 당운영비산정 |
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| 색인어 | 한글 | 폐목재 | 재활용 | 리그닌 | 분리 | 고부가가치화 |
| 영문 | Wood waste | Recycle | Lignin | Separation | Valorization | |
| 최종보고서 | 최종보고서_광주과학기술원 김영모교수님 연구실.pdf | |||||