Raman spectroscopy has been used to investigate the structure of coal tar pitch heat-treated up to 3000℃ by using 514.5 run Ar ion laser line. Four critical temperature ranges were found on pyrolyzing coal tar pitch, which correspond to four distinct processes from disordered carbons to the well-ordered graphite structure. The range of heat treat temperature (HTT) below 1000℃ corresponds to gas evolution during the pyrolysis of coal tar pitch. Above the HTT are correlated to rearrangements of enlarged molecules, growth of the molecules along the direction of plane, finally stacking in the normal direction of the plane, in the respective HTT ranges of 1000-2000, above 2000 and 2500-3000℃.

석탄계 핏치의 열처리 온도 및 압력에 따른 결정화도와 기공도 그리고 산화저항성 등을 관찰하였으며, hexagonal type 4D 탄소/탄소 복합재를 석탄계 핏치로 가압함침 및 탄화시킨 다음 가해준 압력이 고밀도화에 미치는 영향을 관찰하였다. 석탄계 핏치의 가압탄화 압력이 흑연화도에 크게 영향을 미치지 않았으며, 기공면적비에 있어서는 압력을 600bar로 상승시켜 줌으로써 상압 처리한 경우 보다 1.5배 정도 감소 하였다. 650˚C까지 열처리하여 얻은 코우크스의 산화반응 개시온도는 처리압력이 증가함에 따라서 지연되었다. 탄소/탄소 복합재의 함침압력을 100bar에서 600bar로 상승시켜 줄 경우 밀도 증가율이 크게 향상 되었으며 기공도는 감소하였다.

탄소재료 결합모재의 전구체로 핏치류가 많이 이용된다. 본 연구에서는 탄화거동에서 차이를 보이고 있은 석유계와 석탄계 핏치의 첨가량을 10-70wt%까지 배합하여 400-500˚C 온도범위에서 열처리하는 동안에 나타나는 흐름거동, 용해도 정도 등을 관찰함으로서 모재로서의 가능성을 평가하였다. 질소분위기에서 열처리속도 2.5˚C/min로 430˚C까지 승온하여 30분 동안 처리한 결과 석유계 핏치의 첨가량이 50%가 될 때 까지는 핏치의 유동성과 점결력을 좌우하는 것으로 알려질 β-resin의 양이 45wt%이상으로 나타났으며, 이렇게 혼합된 핏치는 탄화수율도 같은 조건으로 처리된 원료 핏치에 비해 73-100%까지 높은 값을 보임으로서 모재로서의 가능성이 있음을 보였다.

본 연구에서는 2D-woven fabric에 결합재로 페놀수지를 사용하여 성형한 CFRP의 탄화거동을 관찰하였다. TMA분석 결과 적층 두께방향에서는 365-370˚C 법선방향에서는 118-128˚C 에서 치수변화가 일어났다. 각 온도 구간별로 광학현미경으로 관찰한 결과 CFRP제조시 형성된 크랙이나 기공은 열처리온도에 따라 성장하였으며, 400-500˚C 부근에서 새로운 많은 크랙이 형성되었다. 기공률과 밀도가 400-500˚C 에서 급격히 변화한 것을 볼 때 이 구간에서 복합재 내부에서 크랙이 형성 및 성장하는 것을 알 수 있었다. 따라서 CFRP를 탄화할 때 승온속도를 구간별로 조절할 필요성이 있는 것으로 판단되었다.

The treatment of sewage sludge using hydrothermal carbonization (HTC) can be an attractive alternative to conventional sludge disposal, but it should be accompanied by a drying process that uses Refuse-derived Fuel (RDF). However, the largest proportion of the energy demand in sludge-drying techniques is for heat sources, which has led to increased operation and maintenance costs. Recovering residual heat to apply to sludge drying significantly reduces both the operating cost and the greenhouse gas emissions. Suitable integration can be realized between drying technology and waste-to-energy (WtE) plants through the recovery of waste heat in WtE conversion as a heat source for sludge drying. This present paper investigates the indirect disk drying performance of the hydrothermal carbonization of sewage sludge using a low-temperature heat source in a laboratory and proposes an integration process with the drying technology of hydrothermal carbonization using waste heat. This paper concludes with experimental results that indirect disk drying technology can be applied in waste-heat recovery systems.

Using a mixture of sewage sludge and woody waste, optimal conditions for the bio-briquette process of carbonization residue were evaluated by compressive strength and bulk density. For the bio-briquette process, the optimal conditions were determined to be a molding temperature of 110oC and a moisture content of 10%. As the lignin in the carbonization residue can be used as a natural binder because of its plasticizing property, the bio-briquette process uses this property. To increase the compressive strength to >3.50 MPa, binders such as polyvinyl alcohol (PVA), guar gum, and starch were mixed in the carbonization residue. At 3 wt.% of PVA, 3 wt.% of guar gum, and 5 wt.% of starch, the conditions of binder usage were evaluated. To examine the cost in the bio-briquette production with the addition of the binder, the proportion of binder cost for the bio-briquette production were evaluated at 9.2% for PVA, 8.6% for guar gum, and 3.3% for starch, and starch was determined to be the best binder for the bio-briquette process.

미세조류로부터 지질을 추출하고 바이오디젤로 전환하는 대체연료 생산 공정은 미세조류의 높은 성장속도, 바이오매스 생산에 사용되는 부지면적 확보의 경제성, 높은 지질함량, 그리고 배양 중 이산화탄소 흡수능력 등 다양한 장점을 갖는다. 하지만 지질 추출 이후 미세조류 찌꺼기는 해당 공정으로부터 불가피하게 발생되는 폐기물로서, 폐기물의 처리와 탄소원의 최대 활용 측면에서 적절한 처리 방법이 고려되어야 한다. 수열탄화는 일반적으로 유기성물질을 높은 온도(180-350℃)와 온도 상승에 따른 압력변화 조건(2-10 MPa)에서 열화학적분해 과정을 통해 차(Char) 형태의 고형물로 변환시키는 공정을 말한다. 수열탄화를 거쳐 생성된 차는 탄화과정을 통해 바이오매스 내부의 결합수가 제거되고 고정탄소의 비율이 증가됨에 따라 고형연료로서 활용 가치를 갖는 것으로 알려져 있다. 이에 본 연구에서는 바이오디젤 생산 공정에서 발생되는 지질 추출 미세조류를 250℃ 이하의 온도(180, 200, 220, 240℃)에서 수열탄화 방법으로 탄화하여 차를 생산하였다. 생산된 차는 열중량분석(TGA, Thermogravimetric analysis)을 실시함으로써 연소형태를 통한 연료특성 개선효과를 평가하였다. 이와 함께 적외분광 분석 (FTIR, Fourier Transform Infrared Spectrometry)을 실시하고 수열탄화 처리에 따른 차 생성물 내 작용기의 변화를 관찰하였다. 연구결과 180과 200℃ 처리온도 조건에서 수열탄화를 실시한 경우 탈수능의 향상과 고정탄소의 상대적인 함량 증가에 따른 착화온도 상승효과가 관찰되었다. 반면 이를 초과하는 처리온도(220, 240℃)에서는 고정탄소 함량 감소와 휘발분 함량 증가로 인해 착화온도가 낮아지는 것이 관찰되었는데, 비교적 고온의 처리온도에서 재중합반응을 통한 휘발성 저분자 물질의 생성에 기인하는 결과로 판단된다. FTIR 분석 결과에서도 180과 200℃의 처리온도에서 수산화기(-OH)의 탈락으로 인한 탈수반응과 석탄화도 향상에 따른 고형연료로서의 특성 개선이 관찰되었다. 본 연구결과를 통해 지질 추출 미세조류의 특정 온도범위(180-200℃) 내에서 수열탄화를 통한 처리 시 생산되는 차는 연료특성 측면에서 고형연료로서의 활용 가치가 개선될 수 있음을 확인할 수 있었다.

Based on the results of the prior study, we conducted a study of the DRE (destruction and removal efficiency) and carbonization of xylene using high electron beam energies. The irradiation intensity of electron beam energy was 30 mA, and the irradiation times were 5.7, 11.4, 22.8, and 45.6 sec. The absorbed dose were 124.23, 248.46, 496.91, and 993.83 kGy. Xylene was completely removed at 248.46 kGy, and the main by-products were carbon particles. Carbon particle formation was increased with increased absorbed dos. The carbon particles were generated as fine particles with a size of 0.5 to 1.0 μm. The most common oby-products of these particle were carbon black and graphite.

This paper is containing two study. The one is a land treatment of sewage sludge reduction through the indirect heating method and the other verifies conversion possibility of sludge organic matter to auxiliary fuel, steel thermal insulation material, byproduct fertilizer compost and find the suitable recycling method for J city. It was confirmed that about 88 percent of weight reduction for transportation efficiency and method verification. The analysis result of the carbonized product component showed the average low heating value of about 2,850 kcal and the moisture content of 1.4% which means the sludge is suitable as a fuel.

수열탄화 (HTC, Hydrothermal Carbonization)는 수분함량이 높은 바이오매스를 바로 적용하여 닫힌계에서(closed system)에서 승온 시키면 150℃∼250℃범위에서 열수(hot water)에 의하여 고형물의 유기물 일부가 분해되기 시작하여, 탈카르복실화(decarboxylation)와 탈수(dehydration)반응이 유도되며 O/C, H/C 비율을 낮추고 탄소고정을 통해 바이오매스 고형연료의 에너지밀도를 높여 연료로서의 특성이 향상된다. 또한 수열탄화 반응시 높은 수분함량을 건조하여 수분을 증발시키지 않고 물로 분리함으로서 수분 제거시 소비되는 에너지를 일반 건조기술 대비 50%이상 절감함으로서 하수슬러지 고형연료화의 경제성을 향상 시킬 수 있다. 이렇게 분리된 액체생성물에는 유기물 분해에 의해서 용해성 유기물이 다량 농축되어 혐기소화의 전처리 기술로도 적용되고 있다. 본 연구에서는 I시 하수슬러지를 1년간 매달 sampling하여 계절별 하수슬러지 물리화학적 특성 변화와 수열탄화 적용 시 반응 및 연료 특성 변화를 확인하였다. 따라서 상용화 수열탄화 기술을 적용시 계절에 상관없이 안정적인 고형연료 확보 가능성을 확인하였다.

폐기물 해양투기 방지를 위한 국제협약인 런던협약･의정서에 따라 2012년 가축분뇨의 해양배출이 전면금지 되었으며, 국내 가축분뇨 발생량은 2011년 128,621 ㎥/일에서 2014년 175,651 ㎥/일로 점차 증가하고 있는 실정이다. 또한 가축분뇨를 육상처리 시 발생하는 메탄가스로 인한 악취문제나 처리되지 못한 영양염류 및 고농도의 유기물이 하천으로 배출되어 부영양화를 일으키는 등의 문제가 대두되고 있다. Biochar는 혐기성 상태의 환경에서 분뇨와 같은 바이오매스를 열분해 시켜 생성한 고형물질이다. 최근 연구에 따르면 Biochar를 토양에 적용할 경우 주변의 이산화탄소를 장기간 저장하고 중금속을 흡착하며 토양 내 수분보유능력을 증가시키는 등 친환경 소재로써의 가치가 평가되고 있다. 따라서 본 연구에서는 수분함량이 높아 재활용이 어려운 가축분뇨를 열수가압탄화반응(Hydrothermal Cabonization, HTC)방법으로 Biochar를 제조하여, 중금속 흡착제로서의 사용가능성을 평가하고자 하였다. Biochar는 Stainless재질의 500 mL 용량의 반응기를 사용하였으며 온도, 반응시간, 입경에 따른 생성수율을 도출하고 각각의 원소분석, 삼성분 및 중금속 함량분석 등의 물리·화학적분석을 통한 특성분석을 수행하였다. 이 결과 원료와 비교하여 Biochar의 탄소성분은 약 25 % 증가했고 중금속 함량은 감소하는 경향을 보였다. 또한 흡착능력을 알아보기 위해 요오드 흡착성능을 분석한 결과, 원료 대비 약 52.4 %의 흡착성능 증가를 확인하였다.

우리나라는 런던협약 이행을 위하여 2012년부터 하수슬러지의 해양투기를 금지하고, 매립용 복토재, 발전소 보조연료, 바이오가스 생산 원료 등 하수슬러지를 다양한 재활용 물질로써 활용하기 위한 방법을 모색하여왔다. 이중 수열탄화(Hydrothermal carbonization)방법은 닫힌계에서 180℃~250℃온도조건과 이때 생성되는 반응기내 압력으로 운영되는 기술로, 기존 건조기술대비 에너지소비가 적은 연료화 기술이나 수열탄화 공정이후 다량으로 발생하는 탈리액의 처리가 필요하다. 이처럼 수열탄화 공정이후 고액분리된 액체생성물을 효과적으로 처리·활용하고자 본 연구는 하수슬러지 수열탄화 액체생성물의 단독 혐기소화 및 음폐수와의 혼합소화실험을 통하여 바이오가스 생산추이를 비롯한 혐기소화 특성변화를 관찰하였다. 실험은 유효용적 5L 규모의 혐기성소화조를 이용하였고, 35℃ 항온조건을 유지하기 위하여 water jacket형태로 반응기를 구성하였으며, 반응기 내부 균질화를 위하여 80rpm속도로 기계적 교반을 진행하였다. 유기물부하율(OLR)은 1g VS/L-day로 운영후 1.5g VS/L-day까지 증대시켰다. 실험 결과, OLR 1g VS/L-day 조건에서 하수슬러지 수열탄화 액체생성물의 경우 0.17L/g COD의 메탄전환율을 보였고, 음폐수혼합액의 경우 메탄전환율은 0.30L/g COD로 수열탄화 액체생성물 단독소화일 때 보다 높은 값을 보였다. OLR 1.5g VS/L-day 조건에서는 수열탄화액 액체생성물 단독처리시 OLR 1g VS/L-day 조건보다 메탄전환율이 크게 감소하는 경향을 보였고, 음폐수 혼합액은 OLR 1g VS/L-day 조건과 유사한 메탄전환율을 나타냈다.

급속한 경제 성장과 함께 국내 하수처리 시설의 수는 증가하여 왔으며, 이로 인해 하수처리 시설로부터 발생되는 하수슬러지의 양도 꾸준히 증가하여 왔다. 2014년 기준 연간 발생량이 3,651,029 톤에 이르는 하수슬러지는 국제협약과 국내 법제도로 인해 해양투기와 직매립이 금지됨에 따라 이를 처리하기 위한 적절한 방법의 개발이 요구된다. 최근 하수슬러지 처리 방법을 살펴보면 전체 재활용되는 양의 43.8% (w/w)인 상당량의 하수슬러지가 건조 및 탄화의 방법을 통해 연료화 되고 있다. 하지만 슬러지의 경우 높은 함수율로 인해 건조 및 탄화 공정에 많은 양의 에너지가 소모되는 문제점이 있다. 이를 극복하기 위한 수단으로 슬러지에 함유되어 있는 수분을 열분해 반응에 이용할 수 있으며 비교적 낮은 온도에서 바이오매스의 탄화가 가능한 수열탄화가 많은 관심을 받고 있다. 본 연구에서는 슬러지의 수열탄화를 실시하고 생성된 바이오차를 이용하여 고형연료로서의 특성을 분석하는 한편 연료특성 개선을 위한 타 바이오매스와의 혼합처리 가능성을 확인하였다. 연구결과 180-270 ℃의 온도조건에서 생성된 바이오차는 모두 국내 바이오고형연료제품의 기준 발열량인 3,000 kcal/kg 보다 높은 4,000 kcal/kg 이상의 발열량을 보였다. 하지만 바이오고형연료제품 기준 중 회분함량에 대한 항목을 살펴보면 원시료 기준 29.11% (w/w)로 관련 기준인 15% (w/w)와 비교할 때 높았던 슬러지내 회분함량이 수열탄화 과정을 거치며 처리 온도에 따라 32.75-47.64% (w/w)로 오히려 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 슬러지를 고형연료로 사용하기 위해서는 회분함량 개선을 위한 혼합물의 투입이 필요할 것으로 판단되었다. 이를 위하여 최근 대량 생산이 용이하여 차세대 에너지원으로 주목받고 있는 미세조류와의 혼합을 통한 연료특성 개선 가능성을 확인하였다. 미세조류의 경우 슬러지와 동일한 조건에서 수열탄화를 통하여 처리될 경우 회분함량이 1.29-2.96% (w/w)로 현저히 낮고, 발열량 또한 6,740 kcal/kg으로 높은 값을 보였다. 따라서 적절한 비율로 혼합된 슬러지와 미세조류의 수열탄화를 통한 처리 시 생성된 바이오차는 국내 바이오고형연료제품 기준을 만족할 수 있을 것으로 판단된다.

오늘날 인구밀도의 증가와 산업 활동의 증가로 하･폐수처리장이 급속하게 증가하였고, 이에 따라 하･폐수슬러지의 발생량이 많아지고 이를 감량 및 처리하기 위한 연구 및 개발도 증가하는 추세이다. 고함수(함수율 80%)의 특성을 가지고 있는 슬러지에 대한 처리 및 에너지화는 이전부터 많이 진행되고 있으나, 고형연료화에 있어서 높은 에너지 소비비용을 줄이기 위해 수열탄화의 공정에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 2012년부터 런던협약에 의해 유기성폐기물의 해양투기가 금지되면서 하수슬러지 뿐만 아니라 가축분뇨, 음식물류폐기물 등이 육상처리 및 에너지화의 방향으로 진행되어야 할 것이다. 이에 본 연구에서는 유기성폐기물 종류에 따른 수열탄화의 반응특성변화를 평가하고, 수열탄화 반응물의 탈수성, 고형연료 생산수율, 발열량, 탈리여액의 메탄포텐셜 등을 평가하여 종류별 최적의 수열탄화 반응온도를 평가해보았다. 또한, 유기성폐기물 종류별 수열탄화 적용에 따른 고형연료 생산성을 평가하여 유기성폐기물별 연료화 가치를 판단해 보았다.

우리나라의 폐기물 정책 및 처리방법이 변화됨에 따라 매립지로 반입되는 폐기물들의 유기물함량이 점차 줄어들고 있으며, 매립장내 수분이 낮아져 매립지가 안정화되는데 오랜 시간이 소요되고 있다. 이러한 추세에 따라 매립장의 조기 안정화를 위하여 최근 국내에서는 매립지내 침출수 재순환에 관한 법제화가 이뤄졌다. 한편, 하수슬러지를 고형연료로 생산하기 위하여 수열탄화(Hydrothermal carbonization)공정을 도입시, 해당 공정에서 배출되는 고액분리된 액체생성물 발생량은 투입폐기물량의 80% 정도로 반드시 적정처리 또는 재활용이 필요하다. 따라서 본 연구에서는 매립장의 조기안정화를 목표로 수열탄화액이 매립장 순환수로써 활용가능한지를 파악하기 위하여 수도권매립지로 반입되는 폐기물 조성을 반영한 폐기물과 수열탄화액 등을 serum bottle에 넣고 35℃ 항온 및 혐기적 조건에서 지속적으로 가스발생량 및 가스 조성을 측정하였다. 실험 결과, 수열탄화 반응후 고액분리된 액체생성물은 기존의 침출수 주입효과와 비교할 때 보다 우수한 메탄가스 발생경향을 확인할 수 있었다. 그러나 암모니아 탈기 후의 수열탄화액은 탈기과정에서 투입된 Na+의 영향으로 순환수를 투입하지 않은 경우보다도 낮은 바이오가스 및 메탄가스 발생량 등을 나타내 폐기물 분해에 긍정적인 영향을 주지 못하는 것으로 평가되었다.

지속적인 경제 성장으로 인한 생활 패턴 및 소비구조의 변화에 의해 폐기물 발생량은 급격히 증가하였으며, 발생 및 특성에 따른 적정처리에 대한 어려움을 겪고 있다. 특히, 유기성 폐기물은 2012년 해양 투기의 전면금지에 따라서 대체할 수 있는 처리 방안에 대해 지속적으로 방법을 강구하고 있는 실정이다. 음식물 폐기물의 경우 높은 유기물 함량과 높은 수분함량으로 직접적인 연료화보다는 퇴비화 및 사료화 등으로 처리하고 있으나, 악취 및 폐수 처리문제 등이 야기되고 있다. 본 연구에서는 수열탄화를 이용하여 Biochar를 생산하고, 생산한 Biochar 특성변화에 대한 연구를 진행하였다. 수열탄화의 온도변화에 따라서 음식물퓨 폐기물의 유기물의 특성 변화 및 연료 특성 변화에 대한 상관관계와 적용성에 대한 평가하였으며, 실험조건은 180-240℃에서 1시간동안 반응하였다. Biochar의 특성분석을 위행원소분석, 공업분석, 발열량 및 유기물 변화 등을 분석하였다. 수열탄화를 통해 발열량이 증가하였으며, 탈수성이 향상되는 결과를 얻었다. 음식물의 유기물의 용해에 의해 Product yield는 낮아지는 결과를 보였다. 화학적으로는 탄소함량의 증가를 통해 발열량이 증가하였다고 판단되며, 높은 온도에서는 분해율이 높아서 고형물 및 탄소 함량이 낮아지는 결과를 알수있었다. 수열탄화를 통해 얻어진 Biochar는 국내 Bio-SRF 기준에 적합한 결과를 보였으며, 수열처리는 음식물류 폐기물 처리의 한 방법으로 제시가능하다고 판단된다.

In this study, hydrothermal carbonization is used to recover energy from sludge. This hydrothermal carbonization is a feasible sustainable energy conversion technology to produce biofuel for renewable energy. The experiments were conducted at 170oC up to 220oC for a 30-min holding period to determine the optimum conditions for hydrothermal carbonization in a lab-scale reactor to apply to a scale-up reactor (1 ton/day). The biochars from sludge were assessed in terms of dewaterability characteristics and fuel properties. The results showed that the optimum temperature of labscale hydrothermal carbonization was 190oC. The 1 ton/day hydrothermal carbonization pilot plant operated at 190oC. The biochar had higher energy content but the char yield sharply decreased. Therefore, an energy of about 49% could effectively be converted from sludge biomass. This sludge from municipal wastewater treatment is a potential energy resource because sludge is composed of organic substances.

This study is to identify the effects of DRE (destruction and removal efficiency) and carbonization of Xylene when using the electron beam energy. The irradiation intensity of electron beam energy was 10 mA, 20 mA and irradiation time was 5.7, 11.4, 22.8, 45.6 sec (Absorbed dose are 41.41, 82.82, 165.64, 331.28, 662.55 kGy). The Xylene was completely removed at 331.28 kGy. Main by-products was carbon particles. Carbon particle formation was increased with irradiation intensity increasing. Most of the by-products of particle were Carbon black and Graphite.

Since sewage sludge has low heating value as an energy source, it is desirable that sewage sludge is mixed with woody waste to enhance energy potential. Among thermal methods for waste to energy, carbonization process is used in this study. In order to estimate reaction kinetics for carbonization process using mixture of woody waste and sewage sludge, the content of sewage sludge is varied from 10 ~ 30% in mixture of woody waste and sewage sludge in carbonization process. Carbonization time is changed from 10 min to 50 min and carbonization temperature is varied from 250oC to 350oC. The carbonization process for mixture of woody waste and sewage sludge was optimized at carbonization temperature of 300oC for 20 min, 20% of sewage sludge content. As increased carbonization temperature, reaction rate constant, frequency factor and degree of carbonization were increased. As increased the content of sewage sludge, conversion, ash content and degree of carbonization were decreased. At optimal conditions for carbonization process, frequency factor and activation energy in Arrhenius equation can be decided by 3.61 × 10−2 min−1, 7,101.8 kcal/kmol respectively.

The ocean dumping of organic waste as food waste has been prohibited since 2012 and so it is necessary to find alternative methods for its treatment and disposal. The purpose of this study was to treat food waste via hydrothermal carbonization (HTC) that has advantages such as no pre-treatment as drying feedstock and low energy consumption. Additionally, feasibility study for Bio-SRF (Solid Refused Fuel) was conducted to produce hydrochar via HTC. As results from quality standards experiments based on 「Solid Fuel Product Quality Testing Method in Korean」, the optimal condition of 220oC as reaction temperature and 4 hr as reaction time have been selected. Since 2012, the ocean dumping of organic waste as food waste has been prohibited, it is necessary to replace its treatment and disposal. This study applied to treat of food waste via hydrothermal carbonization (HTC) which the method has advantages such as no pre-treatment as drying feedstock and low energy consumption. Moreover, feasibility study for Bio-SRF (Solid Refused Fuel) conducted to producted hydrochar via HTC. As a results from quality standards experiments based「Solid Fuel Product Quality Testing Method in Korean」, the optimal condition of 220oC as reaction temperature and 4 hr as reaction time has been selected.