본 연구에서는 단순 폐기 되는 농업폐기물(토마토, 고추, 파프리카)을 고형연료로 재활용하기 위한 열 풍건조장치를 개발하고 실험을 통해 그 성능을 확인하고자 하였다. 연구를 위해 건조용량 500 kg/hr인 쓰레기소각장 폐열을 열원으로 사용하는 건조기를 제작하였다. 경상남도 진주시 농산물 시장에서 구입 한 남해산 시금치를 실험원료로 사용하였다. 열교환기에서 스팀 열교환에 의해 가열된 건조공기를 열풍 으로 사용하여 절단 원료 투입량(126, 250, 300 kg), 원료교반여부(수동 교반, 수동 비교반), 건조방식 (건조물 정치, 건조물 이송), 건조시간(0.25, 0.5, 0.6 hr)에 따른 건조특성을 파악하였다. 투입 원료의 함수율은 85.65%로 측정되었으며, 소각장 공급 스팀에 의해 열교환기에서 가열된 건조공기온도는 건조 기에 투입된 실험원료의 퇴적고에 따른 압력저항에 의해 다소 차이를 보였으며 약 108 내지 144℃로 측정되었다. 동일 건조방식, 투입량, 건조시간, 건조공기온도에서 상하층간 원료를 교반하는 하는 경우가 그렇지 않은 경우에 비해 약 2배 정도의 높은 건조속도를 보였다. 각 실험에서 건조용량은 약 500 kg/hr으로 나타났다. 국내 농산물 건조기 157개의 농업실용화재단 검사성적서를 기준으로 투입 에너지에 대한 건조 소요에너지 비를 나타내는 건조효율을 비교한 결과 국내 농산물 건조기 57.76%, 개발 된 농업폐기물 건조기 33.46%로 기존 농산물 건조기에 비해 낮게 나타났다. 개발된 농업폐기물 건조기는 건조시간이 1시간 이내로 건조시간이 짧으며, 건조 중 많은 풍량이 손실되어 건조효율이 저하된 것으로 판단되었다. 소각장 폐열을 직접 건조열원으로 사용하는 경우 건조공기온도는 최저 160℃ 이상으로 예상 되는 바 건조용량이 크게 향상될 것으로 예측된다.

본 연구에서는 고수분 음식물 및 농업 폐기물을 재활용한 고형연료 제조에 필요한 열분해장치를 개 발하고 실험을 통해 그 성능을 확인하고자 하였다. 연구를 위해 건조용량 50kg/hr인 실험실용 열분 해장치를 제작하였다. 건조 처리된 농업폐기물과 음식물 폐기물을 열분해처리용 실험 원료로 사용하 였다. 원료종류, 열분해 온도, 열분해 시간에 따른 농업폐기물과 음식물 폐기물의 열분해 특성을 파악 하였다. 농업폐기물 건조물의 열분해 처리 결과, 열분해 처리능력은 평균 55.35kg/hr, 저위발열량은 평균 3,333kcal/kg으로 측정되었다. 열분해처리 하지 않은 농업폐기물의 고위발열량은 3,400kcal/kg, 저위발열량은 3,090kcal/kg으로 측정되어 열분해처리로 발열량이 향상됨을 알 수 있었다. 음식물 폐기 물 건조물의 열분해 처리 결과, 열분해 처리능력은 평균 88.27kg/hr, 저위발열량은 평균 4,016kcal/kg 으로 측정되었다. 열분해처리 하지 않은 음식물 폐기물의 고위발열량은 4,040kcal/kg, 저위발열량은 3,686kcal/kg으로 측정되어 열분해처리로 발열량이 역시 향상됨을 알 수 있다. 열분해 처리능력은 연구목표치인 50kg/hr보다 높게 나타났으며, 저위발열량은 연구목표치인 4,000kcal/kg 보다 다소 높게 나타났다. 다만 저위발열량 측정 기준 함수율이 습량기준으로 약 10%로 추정되는 바 5%로 조절하 고, 열분해 열풍온도를 상승시키면 발열량이 더욱 향상될 것으로 판단되었다.

2013년 국내 시설(비닐, 유리 온실)에서 재배되는 토마토, 풋고추, 파프리카의 생산량은 총 632,315톤으로 잎, 줄기 등 발생되는 폐기물은 수확량의 약 30%에 해당되는 189,695 톤으로 추정되며 대부분 노지에 방치 유실되거나 소각 처리된다. 본 연구에서는 이 처럼 단순 폐기되는 농업폐기물을 재활용한 고형연료 제조에 필요한 건조 장치를 개발하고 실험을 통해 그 성능을 확인하고자 하였다. 연구를 위해 건조용량 100kg/hr인 실험실용 건조기를 제작하였다. 경상남도 진주시 농업기술원 온실에서 재배되는 파프리카, 토마토, 딸기, 가지, 고추 등의 부산물을 실험원료로 사용하였다. 원료성상, 원료이송방식, 송풍량, 건조온도, 건조시간에 따른 부산물 건조특성을 파악하였다. 원료를 비교적 짧게 절단하고 열풍이 배출되는 다공판위를 견인형 컨베이어로 이송시키는 형태의 경우 건조실험 결과 세절된 원료에서 추출된 내부 수분이 외부로 유출되어 원료들 사이의 공극을 채워 건조공기가 원료 층을 통과하지 못하게 하고, 특히 100℃ 이상 고온에 노출되는 경우 원료표면에 잔류하는 유출 수분이 건조되면서 막을 형성하여 내부 원료들은 전혀 건조가 되지 못하는 현상이 관측되었다. 이러한 원료내부의 공극형성 불량으로 국부적으로 공기가 통과되는 부분만 집중적으로 급격한 건조가 진행되고 공급된 건조공기 대부분이 이 부분으로 유출되어 효과적인 건조가 전혀 진행되지 못하였다. 피건조물 사이의 공극형성을 위해 원료를 절단하지 않고 수행한 건조실험 결과 송풍량 및 온도에 따라 건조속도 및 처리용량이 다르게 나타나는 것을 알 수 있었다. 특히 송풍량과 압력을 증가시킨 건조 실험결과 건조 상하층 간 불균일 건조해소 및 건조속도, 건조능력에서 연구목표치인 100kg/hr, 60%/hr를 상회하는 결과를 보였다. 특히 건조공기온도 150℃ 이하에서도 송풍량을 증가시켜서 원하는 건조작업 수행이 가능함을 확인할 수 있었다. 결론적으로 시설농업폐기물 같은 산물밀도가 작은 초본계 원료도 컨베이어형 원료이송 형태로 연속식 열풍건조가 가능함을 확인하였다.

In this study, the efficiency of the anaerobic co-digestion of three categories of rural organic waste (animal manure, slaughterhouse waste, and agricultural by-products) and different mixtures of them was investigated. In addition, the relationship between digestion efficiency and the carbon/nitrogen (C/N) ratio was also conducted. Five different mixtures of feedstock including animal manure as a control were estimated by the biochemical methane potential (BMP) test. The results indicate that the biodegradability of the feedstock mixtures was in the range of 62 ~ 75%, which was at least 1.4 times higher than that of single digestion (43%), while the methane yield was increased by almost twice that of single digestion (0.14 to 0.24 ~ 0.41 m3 CH4/kg VSadd). After the BMP test, four feedstock mixtures were selected for a lab-scale reactor, including animal manure as a control sample. The highest methane yield of 0.355 m3 CH4/kg VSadd was obtained from the A4-mixture sample. With regard to the C/N ratio, the mixture materials showed an increase in methane yield by at least 1.2 times (13.4 to 16.4 ~ 21.3%), which means that the C/N ratio had an effect on the performance of co-anaerobic digestion.

바이오차는 바이오매스를 고온에서 열분해하여 생성되는 탄화물로써, 공기 중 이산화탄소가 바이오매스를 거쳐 탄소 형태로 바이오차로 전환된 것을 저장할 경우, 지구 탄소 사이클의 일부를 고정하는 효과가 있다. 이처럼 저감할 수 있는 온실가스의 양을 이산화탄소로 환산할 경우, 연간 1.0~1.8Gt CO2에 달한다고 보고된 바있다. IEA는 2050년까지 세계 전력 소비량의 7.5%를 바이오에너지로 공급하겠다는 로드맵을 수립한 바 있다. 바이오차는 탄소로 구성된 고체물질로 다양한 분야에 활용될 수 있는데 본 연구에서는 매년 전정되어지는 과수 전정지와 도정과정에서 나오는 왕겨 등의 농업부산물, 가지치기나 간벌재 등의 임업부산물을 바이오차로 제조하는 방법에 대하여 연구하였다. 이를 이용해서 수질정화, 공기정화, 캐퍼시터 등에 활용할 수 있는데 이를 위해서는 활성화 단계를 거쳐 활성탄을 제조할 필요가 있다. 본 연구에서는 다양한 바이오매스 유래의 바이오차를 이용하여 비표면적이 넓은 활성탄 제조방법에 대해 연구하였다.

세계적으로 환경문제를 해결하기 위한 하나의 방법으로 화학제품, 천연원료의 사용을 새롭게 대체하는 연구가 활발하게 진행되어지고 있으며, 이중에서 특히 석유에서 파생된 제품의 사용량을 친환경적인 제품으로의 대체 및 사용량 저감을 위해 바이오 계 그린 제품의 개발이 활발하게 진행되어지고 있다. 석유계 합성 물질인 고분자 재료는 생활과 산업에서 주로 사용되어 이로 인해 발생되는 환경문제 발생되고 있다. 이에 석유계 고분자재료의 사용량을 줄이고 일부분을 대체하여 석유계 고분자 폐기물 발생으로 인한 환경오염을 개선하기 위한 하나의 방법으로 바이오매스인 천연섬유를 적용한 바이오 복합체 연구에 주목하였다. 바이오계 천연섬유강화(FRP) 복합체는 경량, 저비용, 적당한 강도와 경도를 얻는 장점이 있으나, 천연섬유의 표면이 친수성을 가지고 있어 소수성을 가진 폴리머 재료와의 낮은 호환성으로 인하여 제작된 복합체의 물리적, 화학적 특성을 저하되는 큰 문제를 가지고 있다. 또한, 비용/편익과 원료가 되는 바이오매스의 공급이 매년 일정해야 한다는 큰 문제점을 가지고 있다. 현재 전반적인 산업에 적용되고 있는 천연재료는 대부분 목질계 자원이 복합체의 재료로서 사용되어지고 있지만 안정적인 공급이 어렵고 그에 따른 생산성의 결실이 낮거나 비용이 증가되는 문제점을 가지고 있다. 안정적인 공급 및 낮은 가격을 가진 천연섬유를 이용한 섬유강화 재료를 적용한 바이오복합체 연구가 활발하게 진행되고 있지만, 단일 폴리머보다 낮은 물리적, 화학적 특성으로 인해 충진제 재료로 사용되는 천연섬유의 표면 개선을 개선하는 전처리 공정에 대한 여러 가지 연구가 필요하다. 본 연구는 낮은 가격 및 안정적으로 공급이 가능한 바이오매스 중에서 전 세계적으로 가장 많이 확보 가능한 천연농업 폐기물인 밀짚을 적용하였고, 폴리머와의 결합력을 높이기 위한 표면개선 방법으로 Vapor-phaseassisted Surface Polymerization(VASP: 기상중합법)을 적용하였으며, VASP 처리된 천연섬유의 개선된 특성을 조사하였다. MMA(Methyl Methacrylate) 모노머를 천연섬유의 표면 개선용 재료로 적용하여 VASP 처리한 결과 섬유 각각에 PMMA(Poly Methyl Methacrylate)로 코팅되어 섬유의 표면이 친수성에서 소수성으로 변경되었으며, 열안정성 또한 증가되어 바이오복합체에 충진제로 적용시 물리적, 화학적 특성이 증가될 것으로 예상된다.

This study focused on enhancing the mechanical properties and thermal stability of bio-composites with natural agricultural residues and improving the interfacial adhesion between polymer and biodegradable agricultural residual waste fibers. To achieve this purpose, we proposed superheated steam (SHS) treatment method as a novel pre-treatment of fiber for improved of compatibility in polymer matrix. The use of SHS-treatment was investigated as a method for improving interfacial adhesion between agricultural residual waste fibers and polymer and with the goal of enhancing mechanical properties. We selected wheat straw fibers for agricultural waste fibers to improve the surface modification. Wheat Straw Fibers (WSF) was treated with SHS in order to modify its characteristics for bio-composite applications. Treatment was conducted at temperatures 200oC and 230oC for each 1 h. SHS-treated WSF was evaluated for its chemical composition, thermal stability, morphology and crystallinity. Thermal stability of the fibers was investigated using thermogravimetric analysis and found that the degradation temperature of the fibers is increased after of the SHS treatment. In addition, SHS treatment contained in the WSF reduce the rate of hemicellulose components. The WSF is polar nature of lignocellulose due to the presence of hydroxyl and carboxyl groups in cellulose and hemicellulose causes it to be incompatible with non-polar thermoplastics. SHS-treatment was found to be able to remove hemicellulose, which is the most hydrophilic and most thermally unstable component in WSF, since it has the lowest thermal resistance. Removal of hemicellulose makes the fiber less hydrophilic and this will potentially increase the compatibility of treated WSF and polymers and improves the mechanical properties and water resistance of composites.

세계적으로 환경문제를 해결하기 위한 새로운 바이오 계 그린 제품의 개발을 위한 연구가 대학 및 기관에서 활발하게 진행되어지고 있다. 그 중에서도 합성 석유계 물질인 고분자(Polymer) 재료를 대체 할 목적 및 환경 오염의 개선을 위하여 바이오매스인 천연섬유를 적용한 복합체 연구에 주목하였다. 바이오계 천연섬유강화(FRP) 복합체는 경량, 저비용, 적당한 강도와 경도를 얻는 장점이 있으나, 바이오계 섬유의 표면이 친수성을 가지고 있어 소수성을 가진 폴리머 재료와의 낮은 호환성은 제작된 복합체의 물리적, 화학적 특성을 저하시키는 문제를 가지고 있다. 또한 얼마나 저렴한 비용으로 공급할 수 있는지와 원료가 되는 바이오매스의 공급이 일정해야 한다는 문제점 역시 가지고 있다. 현재 전반적인 산업에 적용되고 있는 재료로서 목질계(Lignocellulosic) 자원이 바이오 복합체의 재료로서 사용되어지고 있지만 안정적인 공급을 위한 시간이 매우 오래 걸리고 그에 따른 생산성의 결실이 낮거나 비용이 증가되는 문제점을 가지고 있어 활발하게 적용되지 못하는 문제가 있다. 최근 안정적인 공급 및 낮은 가격을 가진 천연섬유(예: Kenaf, Jute, Hemp, EFB 등)를 이용한 섬유강화 재료로서 FRP(Fiber Reinforced Plastics)를 제작하는 연구가 활발하게 진행되고 있지만, 충진제(Filler) 재료로 사용되는 천연섬유의 친수성(Hydrophilic) 표면과의 호환성 문재로 인하여 전처리를 하여 호환성을 높이는 공정이 필요한 문제가 있다. 이는 제작 가격의 상승과 화학물질 사용 혹은 처리시간의 증가로 인하여 문제점을 발생시킨다. 본 연구는 낮은 가격 및 안정적으로 공급이 가능한 바이오매스 중에서 전 세계적으로 가장 많이 확보 가능한 천연농업 폐기물인 밀짚과 환경적 부하를 줄이기 위하여 생분해가 가능한 생분해성 플라스틱인 PLLA (L,L-lactide)를 선정하여 복합체 개발을 목적으로 진행하였으며, 매트릭스 폴리머와 섬유의 호환성을 증가시키기 위하여 새로운 전처리 방법으로 과열수증기(Super-Heated-Steam : SHS)방법을 적용하였다. SHS 처리된 섬유는 PLLA 매트릭스와 복합화를 위해 1 : 9, 1.5 : 8.5, 3 : 7 비율로 각각 복합화 하였고, 제작된 바이오 복합체는 열 중량 분석, SEM을 이용하여 섬유와 매트릭스 폴리머와의 결합 단면을 확인하였다. SHS 처리이후 섬유의 열 안정성과 분해 온도의 증가 및 매트릭스 폴리머와의 호환성이 증가되어 화학적, 물리적 특성이 증가된 것을 확인되어 SHS를 이용한 전처리는 섬유와 매트릭스(polymer) 사이의 좋은 계면 접착을 충분히 기대할 수 있는 전처리 방법인 것으로 나타났다.

전 세계적으로 환경문제 및 화석연료의 고갈 문제로 인한 새로운 바이오 계 그린 제품의 개발을 유도하고 있다. 농업 천연 섬유 및 생물의 사용은 지난 몇 년 동안 저탄소 사회를 위하여 활발히 연구되어 왔다. 그중에서도 합성 석유계 물질인 고분자(polymer) 재료를 대체 할 목적 및 환경오염의 개선을 위하여 바이오매스인 천연섬유를 적용한 복합체 연구와 복합체의 사용이 점차 증가되고 있다. 천연섬유강화(FRP) 복합체는 경량, 저비용, 적당한 강도와 경도를 얻는 장점이 있으나, 친수성을 가지고 있기에 소수성을 가진 폴리머 재료와의 낮은 호환성은 제작된 복합체의 물리적 특성을 저하시킬 수 있다. 본 연구는 천연 농업 폐기물인 밀짚을 이용하여 제작한 바이오 복합 재료의 열 안정성과 기계적 특성을 강화하고, 생분해성 고분자(PLLA)와 밀짚 섬유(Wheat straw fibers : WSF) 사이의 계면 접착력을 향상시키는 데 주력하고 있다. 이 목적을 달성하기 위해, 밀짚과 고분자 매트릭스의 호환성 개선을 위한 새로운 전처리 방법으로 과열 수증기(Super heated steam : SHS) 방법을 제안 하였다. 과열 수증기(SHS)를 이용한 전처리 방법은 기계적 특성의 향상을 목적으로(예컨대 밀짚과 같은 농업 잔류물) PLLA와 첨연섬유 사이의 계면 접착을 향상시키기 위한 하나의 방법으로서 조사 되었다. WSF를 바이오 복합체의 강화섬유로서 그 특성을 수정하기 위해서 과열 수증기(SHS)으로 처리하였다. 처리 온도 200, 230 ℃의 온도조건에서 각각 1시간씩 처리하였다. 이후, 분쇄 및 각각의 크기별로 분류하였다. 분류된 WSF는 미처리된 WSF와 SHS 처리 조건 200℃, 230℃에서 처리된 섬유와 비교하여 섬유의 특성 변화를 측정하였다. SHS 처리된 밀짚 섬유는 화학 조성 및 열 안정성과 형태 그리고 셀룰로오스 성분비를 평가하였다. SHS 처리된 섬유는 열 중량 분석을 이용하여 섬유의 열 안정성과 분해 온도가 과열수증기 처리 후에 증가된 것을 확인하였다. 또한 SHS 처리 후에 헤미셀룰로오스 성분의 비율을 감소된 것이 확인되어 섬유와 매트릭스(polymer) 사이의 좋은 계면 접착을 충분히 기대할 수 있는 것으로 나타났다.