Research Article

Journal of Korea TAPPI. 31 August 2023. 49-56
https://doi.org/10.7584/JKTAPPI.2023.8.55.4.49

ABSTRACT


MAIN

  • 1. 서 론

  • 2. 재료 및 방법

  •   2.1 공시재료

  •   2.2 가로수 낙엽 성분 분석

  •   2.3 가로수 낙엽의 연속식 탄화처리방법

  •   2.4 탄화 조건에 따른 특성 변화 평가방법

  • 3. 결과 및 고찰

  •   3.1 가로수 낙엽의 화학적 성분 평가

  •   3.2 탄화 시간에 따른 영향 비교

  •   3.3 탄화온도에 따른 낙엽 탄화물 특성 비교

  • 4. 결 론

1. 서 론

도시발전에 따라 도심 내 미세먼지 저감 및 도시경관 개선 등에 대한 중요성이 지속적으로 증대됨에 따라 가로수 정비와 도시숲 조성 등의 도시녹지 사업이 점차 확대되고, 이에 따라 도심 내 낙엽의 발생량도 지속적으로 증가하고 있는 실정이다. 2022년 산림청의 전국 가로수 조성 현황에 따르면 도로 45,516km에 9,423천 본의 가로수가 조성되어 있으며,1) 이러한 가로수는 미세먼지 저감 등을 위해 활엽수가 주로 선정되고 있다. 대체로 평균 수령의 한 그루 가로수에서 약 50~100 kg 정도의 낙엽이 발생하는 것으로 추산되어2) 매년 전국적으로 상당량의 낙엽이 도심을 중심으로 발생되고 있어 이에 대한 수거 및 처리는 중요한 이슈가 되고 있다.

산림에서 발생되는 낙엽의 경우에는 산림토양 내에서 부숙을 통해 토양에 환원되고 임목의 직접적인 양분을 공급해 질적·양적 생장촉진 효과 등 다양한 효과를 가져와 산림생태계의 양분 순환과정에 다양한 긍정적인 영향을 미치는 것과 달리,3) 도심에서 발생되는 가로수 낙엽의 경우에는 도심미관을 해치고 도시 내 하수구를 막아 우수범람의 원인이 되기도 하며 장기간 방치되는 경우 미세먼지 발생 등의 문제를 일으킬 수 있어 도심 내 가로수 낙엽은 시급한 처리의 대상이 된다. 이러한 이유로 가을철 집중적으로 수거되는 가로수 낙엽은 생활폐기물로서 수거 이후 대부분 소각 또는 매립되고 있지만, 매립장 및 소각장의 감소에 따른 비용 증가 문제와 함께 처리과정 중 다양한 추가적인 환경문제를 야기할 수 있어 적절한 처리방안의 확보가 시급히 요구되고 있다. 낙엽의 활용을 위하여 가로수 낙엽을 퇴비화하기 위한 방안들이 적용되고 있으나,2) 낙엽을 퇴비화하기 위해서는 낙엽특성상 부숙에 많은 시간과 에너지가 소요되며, 수종, 시기, 위치 등에 따라 발생하는 물성 차이로 인해 균질한 품질의 낙엽퇴비 생산에 어려움이 있어 낙엽퇴비에 대한 선호도 및 활용도가 매우 낮은 실정이다.4,5)

또한, 낙엽을 자원화하는 방안으로 낙엽을 펠릿화하여 제조된 고밀도 제재의 특성변화 연구6)와 낙엽의 열처리에 의하여 제조된 바이오차의 중금속 흡착특성 평가,7) 낙엽의 효소 가수분해를 통한 에탄올 생산,8) 낙엽을 활용한 바이오 가스화 연구,9) 침엽수 낙엽을 첨가한 기능성 펄프몰드 제조10) 등에 관한 연구들이 보고된 바 있는데 실질적인 상용화가 되지 못하고 있어 실용적 활용기술들이 필요한 상황이다.

이에 본 연구에서는 도심 가로수 낙엽의 활용성 증대를 위한 방안으로 에너지 비용을 저감시킬 수 있는 350℃ 이하의 저온 탄화를 통한 낙엽 탄화물의 제조특성을 평가하여 보았다. 특히, 낙엽은 판상의 구조를 가짐에 따라 상대적으로 탄화속도가 빠를 수 있고 이에 따라 예열처리가 되는 전처리 구역과 탄화가 이루어지는 탄화구역으로 이루어진 연속적인 탄화장치를 통해 생산성과 경제성을 높일 수 있을 것으로 판단하여 탄화온도와 탄화속도를 조절함으로써 연속식 낙엽탄화에 따른 탄화물의 품질특성 변화를 알아보았다. 이러한 연구를 통해 가로수 낙엽의 효율적 탄화처리 방법을 구축하기 위한 기반자료를 제공하고자 하였다.

2. 재료 및 방법

2.1 공시재료

2.1.1 가로수 낙엽

본 연구에서는 유성구에서 발생한 낙엽을 수집하였으며 식재율이 가장 높고 낙엽의 발생량이 가장 많은 플라타너스 낙엽을 선별하여 사용하였다. 수거된 낙엽을 다중날 분쇄기를 사용하여 6 mesh 이하로 파쇄하여 실험에 사용하였다. 최종 사용된 낙엽 시료의 함수율은 약 13% 이었다.

2.2 가로수 낙엽 성분 분석

가로수 낙엽 구성성분을 알아보고자 TAPPI 표준분석법(TAPPI Standard Method T207 cm-99)에 의거하여 화학적 조성 분석을 실시하였다. 먼저, 가로수 낙엽 시료를 40-60 mesh로 분급한 후, 온수추출(TAPPI T207 cm-08) 및 유기용매추출(TAPPI T204 cm-07)을 실시한 뒤, 홀로셀룰로오스 정량분석(TAPPI T203 cm-09)과 Klason-lignin에 의한 리그닌 함량(TAPPI Standard Method T222 om-98)을 분석하였다. 이어서 낙엽 내 존재하는 무기성분을 측정하기 위해 525℃±25에서 4시간 동안 연소시킨 후 회분함량(TAPPI T211 om-12)을 측정하였다.

2.3 가로수 낙엽의 연속식 탄화처리방법

가로수 낙엽 중 플라타너스 낙엽 탄화는 실험실에서 제작한 열처리를 연속적으로 진행하는 간접가열 스크류 이송방식의 연속식 탄화 장치를 이용하여 실시하였다. Fig. 1에서 보여지는 것과 같이 본 실험을 위해 제조된 연속식 탄화장치는 예열처리를 통해 수분함량을 조절하고 예열을 실시하게 되는 전처리 구역과 탄화가 이루어지는 탄화구역으로 이루어져 있다. 간접가열 전기로 방식의 탄화구역에서 발생된 증기와 열은 전처리 구역으로 유입되어 낙엽의 예열을 실시하게 되며 이러한 과정 중에 낙엽의 건조도 발생하게 되어 탄화처리시 품질의 균일성을 가져올 수 있다. 낙엽은 전처리 구역 입구로 투입되고 이후 스크류 이송방식으로 탄화구역으로 이송된다. 탄화구역에서 각각의 온도로 탄화가 이루어지며 탄화시간은 스크류 이송속도를 조절하여 조정하였다.

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Fig. 1.

Schematic diagram fo the continuous carbonization system.

본 연구에서는 가로수 낙엽의 탄화조건에 따른 특성변화를 평가하기 위하여 탄화시간과 탄화온도를 조정하며 그 영향을 평가하였다. 탄화조건은 350℃에서 1분, 5분, 10분, 20분 동안 탄화를 실시하였고, 온도에 따른 탄화물의 특성을 비교하기 위해 250℃와 350℃ 조건에서 탄화를 실시하여 그 영향을 비교 평가하였다.

2.4 탄화 조건에 따른 특성 변화 평가방법

2.4.1 탄화 수율 평가

제조 수율은 탄화 전 투입된 시료의 전건무게와 탄화 후 얻어진 탄화물의 전건무게를 측정하여 Eq.(1)을 사용하여 산출하였다.11)

[1]
Charyield%=Amountofchar(g)Amountoffeedstock(g)×100

2.4.2 탄화물 특성 평가

가로수 낙엽으로 제조된 탄화물의 물성을 평가하기 위하여 탄화물의 pH, EC(Electrical Conductivity), 회분함량을 측정하였다. 탄화물의 pH와 EC는 시료와 증류수를 1:10 비율로 혼합하여 12시간동안 침지시킨 후 pH 측정기(Orion Star™ A211, Thermo Fisher Scientific, USA)와 전기전도도 측정기(CM-31P-W, Toadakk, JAPAN)를 사용하여 측정하였다. 또한, 탄화물의 함량은 525℃±25에서 4 시간 동안 연소시켜 측정하였다.

2.4.3 원소조성 평가

탄화된 플라타너스 낙엽의 원소조성 변화를 평가하기 위해 자동원소분석기(FLASH 2000, Thermo Fisher Scientific, USA)를 이용하여 구성원소의 성분비 변화를 평가하였다. 플라타너스 낙엽의 주요 원소인 C, H, O, N 총 네 가지 원소의 정량분석을 진행하여 탄화 전 플라타너스 낙엽과 낙엽탄화물의 원소조성 변화를 비교평가 하였다. 또한, 원소 분석을 통해 얻은 결과를 바탕으로 H/C와 O/C의 비를 산출하여 그 변화를 비교분석하였다.

2.4.4 외형 특성 평가

탄화조건에 따라 제조된 탄화물의 형태적 변화를 측정하기 위해 육안적으로 비교 평가하였고, 탄화물의 미세구조변화는 장방출 주사전자현미경(CLARA, TESCAN, Czech Republic)를 이용하여 관찰하였다.

2.4.5 흡착 특성 평가

탄화물의 흡착특성은 탄화물의 활용성과 품질특성 평가 시 고려되는 주요 지표이다. 본 연구에서는 탄화된 낙엽의 흡착 특성을 평가하기 위하여 활성탄 시험방법(KS M 1802:2021)에 의거하여 아이오딘 흡착성능을 평가하였다. 시료 0.5 g과 0.05 M 아이오딘 용액 50 mL를 혼합 후 진탕하였고 2000 rpm/min 조건으로 5분 동안 원심분리를 실시하여 고액분리를 실시하였다. 이후 상등액 10 mL를 수득하여 0.1 M 싸이오황산소듐(sodium thiosulfate, Na2S2O3) 용액으로 적정하면서 용액이 담황색이 되었을 때 전분 용액(1%)를 약 1 mL 가한 후, 다시 용액의 청색이 없어지는 종말점까지 0.1 M 싸이오황산소듐 용액으로 적정하였으며 적정량을 산출하여 Eq.(2)을 사용하여 아이오딘 흡착 성능을 평가하였다.

[2]
I=(10×f'-K×f)S×1050×12.69

I : 아이오딘 흡착 성능 (mg/g)

S : 시료 첨가량 (g)

K : 적정에 사용한 0.1 M 싸이오황산소듐 용액의 양 (mL)

f : 0.1 M 싸이오황산소듐 용액의 농도 계수

f’ : 0.1 M 싸이오황산소듐 용액에 대응하는 0.05 M 아이오딘 용액의 농도 계수

12.69 : 0.1 M 싸이오황산 소듐 용액 1 mL의 아이오딘 상당량 (mg)

Table 1.

Chemical compositions of urban fallen leaves

Component Composition (SD) (%)
Ash content 10.0 (0.08)
Hot water extract 26.8 (1.03)
Alcohol-benzene extract 3.7 (0.02)
Lignin 39.9 (1.12)
Holocellulose 25.2 (3.11)

3. 결과 및 고찰

3.1 가로수 낙엽의 화학적 성분 평가

본 연구에서 적용된 도심발생 플라타너스 낙엽의 화학적 성분을 평가하였다. Table 2에서 나타난 바와 같이 낙엽은 기존 목재나 생잎에 비해 회분 및 리그닌 함량이 높은 것을 확인할 수 있었다. 이것은 상대적으로 수분이 빠져나간 낙엽의 특성상 회분의 함량 등이 높게 나타난 것으로 판단되었다. 유기물의 리그닌 함량은 탄화수율에 영향을 미치는 요소로서12) 가로수 낙엽의 리그닌 함량은 약 40%의 높은 수준으로 포함되어 있기 때문에 탄화 시 상대적으로 높은 수율을 가져올 수 있을 것으로 판단되었다.

Table 2.

Images of fallen leaves char depending on the carbonization time

Control 1 min 5 min 10 min 20 min
https://static.apub.kr/journalsite/sites/ktappi/2023-055-04/N0460550406/images/ktappi_55_04_06_T2-1.jpghttps://static.apub.kr/journalsite/sites/ktappi/2023-055-04/N0460550406/images/ktappi_55_04_06_T2-1.jpghttps://static.apub.kr/journalsite/sites/ktappi/2023-055-04/N0460550406/images/ktappi_55_04_06_T2-2.jpghttps://static.apub.kr/journalsite/sites/ktappi/2023-055-04/N0460550406/images/ktappi_55_04_06_T2-3.jpghttps://static.apub.kr/journalsite/sites/ktappi/2023-055-04/N0460550406/images/ktappi_55_04_06_T2-4.jpg

3.2 탄화 시간에 따른 영향 비교

3.2.1 탄화 조건별 수율

가로수 낙엽을 350℃ 탄화온도에서 1, 5, 10, 20분 동안 탄화를 실시한 후의 탄화물의 수율을 Fig. 2에 나타내었다. 탄화물 수율은 탄화 시간이 길어짐에 따라 감소하는 것을 나타났다.

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Fig. 2.

Changes in char yield depending on the carbonization time.

3.2.2 외형적 특성분석

제조된 탄화물의 외형 특성을 비교하고자 350℃ 탄화온도에서 1, 5, 10, 20분 동안 탄화된 탄화물의 육안 평가를 실시하였다. Table 4에 나타난 바와 같이 탄화시간이 증가함에 따라 낙엽의 탄화정도가 증가 되어 5분 이상의 탄화에서는 낙엽의 전반적인 탄화가 이루어짐을 육안으로 확인할 수 있었다.

3.2.3 탄화물 특성 평가

탄화물의 pH 및 EC는 탄화물의 특성을 평가하는 주요요소로서 탄화조건에 따른 변화를 평가하였다. Fig. 3에서 나타난 바와 같이 가로수 낙엽 내에는 산성 유기물질이 포함되어 있어 탄화처리 전 가로수 낙엽의 pH는 5.5로 약산성을 띄는 것을 확인할 수 있었으며, 350℃에서 20분간 탄화시킨 경우에는 낙엽탄화물이 pH 7.6로 약염기성을 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 이것은 탄화과정에서 열분해에 의한 무기물들이 분리되는데 특히, 알칼리 금속들이 분리됨으로써 탄화물이 알칼리성을 나타내는 영향으로 판단되었다.13)

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Fig. 3.

Changes in pH of the fallen leaves char according to carbonization time.

Fig. 4에서는 탄화시간에 따른 낙엽탄화물의 EC 변화를 보여주고 있다. EC는 탄화시간이 증가함에 따라 감소하는 경향을 나타내었는데, 이것은 350℃의 상대적으로 낮은 탄화온도 조건에서 진행할 경우에 나타나는 현상으로, Li 등이14) 보고한 바와 같이 300℃ 전후에서 탄화가 진행될 경우 EC가 감소된다는 연구결과와 유사하며, 이러한 차이는 바이오매스 종류별 성분과 구조적 특성 차이로부터 유래되는 것으로 판단되었다.

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Fig. 4.

Changes in EC according to carbonization time.

3.2.4 원소 분석 평가

생성된 탄화물의 구성성분 변화를 알아보기 위해 각 조건별 원소분석을 실시하여 그 결과를 Table 3에 나타내었다. 탄화시간이 길어질수록 회분함량이 9.9%에서 22.8%까지 증가하였으며, 탄소함량비도 무처리 낙엽 48.20%에서 48.42%(1 min), 51.14%(5 min), 54.01%(10 min), 58.07%(20 min)로 탄화시간이 길어질수록 증가하는 추세가 나타났다. 이와 반대로 탄화공정 중 낙엽 내에 존재하던 –OH기가 이탈하면서 O 및 H 함량은 낮아지는 것을 확인할 수 있었다.

Table 3.

Elementary Analysis of fallen leaves char according to carbonization time

Raw
material
Temperature
(℃)
Time
(min)
Ash
(%)
Relative content (%) Atomic ratio
C H O N S H/C O/C
Fallen leaves 0 0 9.90 48.20 5.31 35.87 1.15 ND 1.32 0.56
350 1 13.48 48.42 5.29 34.18 0.96 ND 1.31 0.53
5 16.62 51.14 4.68 31.20 1.12 ND 1.10 0.46
10 21.01 54.01 4.00 24.50 1.23 ND 0.89 0.34
20 22.80 58.07 3.02 19.32 1.14 ND 0.62 0.25

일반적으로, 탄화물의 H/C 원소비율은 방향성 조성물질과 관련되며 O/C 원소비율은 극성조성물질과 연관되어 있는 인자로 알려져 있는데15) 탄화시간이 길어질수록 H/C 비율이 점차 감소하는 결과를 나타내었으며 이를 통해 탄화물 내의 방향족 구조의 비율이 높아지는 것으로 판단되었다. 탄화시간에 따른 O/C 비율은 지속적으로 감소하였는데 이는 탄화물이 점차 소수성이 강해지는 경향을 보여주는 결과로 판단되었다.

3.2.5 탄화물의 표면미세구조 변화

Fig. 5는 탄화에 따른 낙엽 탄화물의 미세표면구조의 변화를 알아보기 위해 가로수 낙엽을 350℃에서 20분 동안 탄화시켜 얻은 탄화물의 표면미세구조를 주사전자현미경으로 1000 배 확대한 사진을 보여주고 있다. Fig. 5(a)는 무처리 가로수 낙엽의 표면구조로서 표면의 기공들이 막혀있고 불균일한 구조특성을 가지는 것을 볼 수 있다. 낙엽탄화물의 경우 Fig. 5(b)에서 볼 수 있듯이 다양한 크기의 미세공극과 기공이 존재하는 것을 확인할 수 있었는데, 이러한 표면의 공극과 기공들은 탄화물의 흡착특성 증가를 가져올 수 있을 것으로 판단되었다.

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Fig. 5.

SEM image of fallen leaves and fallen leaves char carbonized at 350℃ , 20 min.

3.2.6 탄화물의 흡착 성능 변화

Fig. 6은 무처리 낙엽과 350℃ 조건에서 10분, 20분 동안 탄화시킨 낙엽탄화물의 요오드 흡착 성능을 비교하여 나타낸 그래프이다. 낙엽 탄화물의 요오드 흡착량은 무처리 가로수 낙엽에 비해 약 10-12배 증가하는 것으로 나타났으며, 탄화시간이 증가함에 따라 요오드 흡착량이 증가하는 경향을 보였다. 이것은 탄화가 진행될수록 표면의 공극이나 기공이 증가하게 되어 흡착 특성이 개선되었기 때문이라고 판단되었다.

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Fig. 6.

Iodine adsorption properties of the fallen leaves char depending on the carbonization time.

3.3 탄화온도에 따른 낙엽 탄화물 특성 비교

탄화온도가 낙엽탄화물의 물성에 미치는 영향을 비교분석하고자 250℃와 350℃에서 각각 20분씩 탄화처리한 낙엽탄화물의 수율, pH, EC, 요오드 흡착능을 평가한 것을 Table 4에 나타내었다. 낙엽탄화물의 pH와 EC는 탄화온도가 증가함에 따라 다소 증가 및 감소하는 경향을 나타내었다. 탄화물의 수율은 350℃의 조건에서 낮게 나타났지만 요오드 흡착량에서는 약 3배 정도 증가하는 것으로 나타났다. 이러한 결과는 250℃ 조건에서의 탄화는 불완전하게 이루어짐에 따라 탄화가 충분히 이루어지지 않은 영향으로 판단되었다.

Table 4.

Changes in the properties of fallen leaves char according to carbonization temperature

Temperature
(℃)
Time
(min)
Yield
(%)
pH EC
(dS/m)
Iodine absorption
number (mg/g)
250 20 59.1 7.31 0.291 114.21
350 47.4 7.57 0.278 304.56

4. 결 론

본 연구에서는 도시녹화 확대로 그 발생량이 점점 증가함에 따라 환경오염과 처리비용 상승등으로 경제적 처리방법이 시급히 요구되는 있는 도심발생 낙엽의 활용방안 마련을 위한 낙엽탄화처리 영향에 대한 기반연구를 실시하였다. 낙엽의 판상의 형태적 특성을 고려하여 기존의 500℃ 이상의 온도에서 탄화하는 것과 달리 350℃ 수준의 온도에서 탄화처리하는 경우 그 영향을 평가함으로써 경제적 탄화처리방법의 적용 가능성을 알아보았다. 본 연구를 위해 고안된 연속식 탄화장치를 적용하여 실험을 실시한 결과 350℃ 조건에서 탄화시간을 조절함으로써 낙엽탄화물의 특성이 변화되는 것을 확인할 수 있었다. 탄화시간이 증가됨에 따라 수율은 감소하였지만 낙엽의 탄화가 골고루 이루어졌으며, pH 증가와 탄소원소 비율의 증가를 확인하였고, 이러한 결과는 탄화물의 안정성이 높아져 활용성을 높일 수 있을 것으로 판단되었다. 또한, 전자현미경을 적용한 표면구조 관찰을 통해 탄화로 인한 낙엽 탄화물의 미세표면구조에서 공극과 기공이 증가하는 것을 확인할 수 있었고 이에 따라 요오드의 흡착특성도 크게 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 본 연구를 통해 가로수 낙엽의 연속적 탄화처리 방법으로 탄화시킴으로써 농업용 토양개량제 또는 흡착제 등으로 개발될 수 있는 가로수 낙엽탄화물의 제조가 가능할 수 있음을 확인할 수 있었다.

Acknowledgements

본 연구는 산림청(한국임업진흥원) 산림과학기술 연구개발사업 ‘(FTIS 2020217A00–2022-AC01)’의 지원에 의하여 이루어진 것입니다.

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