생분해성 플라스틱과 바이오매스의 공수열액화에 관한 연구 = A Study of the Co-Hydrothermal Liquefaction of Biodegradable Plastic and Biomass

국문 초록 (Abstract)

바이오매스는 화석연료를 대체할 수 있는 탄소중립적 재생에너지 자원으로서 높은 잠재력을 지니고 있다. 그중에서도 왕겨(Rice Husk, RH)는 쌀의 부산물로 전세계 쌀소비량의 증가로 점점 증가하고 있다. 커피찌꺼기(Spent Coffee Grounds, SCG) 또한 높은 발열량을 가지는 유기성폐기물로, 에너지 전환 측면에서 매우 유망하다. 그러나 현재까지 커피찌꺼기 및 왕겨의 효율적인 폐기 및 재활용 기술은 실용화되지 않은 실정이다.
이에 본 연구는 바이오매스를 에너지 자원으로 재활용하기 위해, 공동 수열액화(Co-hydrothermal Liquefaction, Co-HTL) 공정을 활용하여 왕겨와 커피찌꺼기를 생분해성 플라스틱(Polylactic Acid, PLA)을 함께 처리함으로써, 젖산 기반의 PLA에서 나오는 유기산과 시너지 효과를 통한 고부가가치 바이오오일(bio-oil)로 전환하는 기술을 제안하였다.
수열액화 실험에 앞서 시료는 원소분석, FT–IR, TGA를 통해 특성화하였으며, 이를 기반으로 반응 온도, PLA:Biomass의 혼합비, 반응시간, 초기압력, 시료와 물의 혼합비 등을 주요 변수로 설정하여 최적 수율의 바이오오일 조건을 도출하였다. 바이오매스의 단독 실험에서는 왕겨와 커피찌꺼기의 생성물 중 바이오오일 수율이 25.7%, 28.3%였으며 PLA 단독 실험의 경우 32%의 바이오오일 수율을 보였으나 바이오매스와 공수열액화 하였을 때 54.5% 63% 약 두 배에 가까운 수치를 보여준다.
또한, 아세톤을 공용매로 사용하여 물:아세톤 혼합비에 따른 바이오오일 수율 변화를 비교하였다. 그 결과, 공용매 조건에서는 물을 단일 용매로 사용한 경우보다 최대 33.2% 높은 바이오오일 수율을 보였으며, 이는 아세톤이 시료의 오일 전환을 촉진함을 의미한다.
생성된 바이오오일의 특성은 원소분석, GC–MS, FT–IR 분석을 통해 정밀하게 평가하였으며, 이를 통해 공정 변수 변화에 따른 생성물 조성 및 전환 메커니즘을 규명하였다. 본 연구는 폐기물 기반 바이오오일 생산을 통한 에너지 전환 기술로서 그 의의가 있다.

목차 (Table of Contents)

• 표 목 차 ⅲ
• 그 림 목 차 ⅳ
• 국 문 요 약 ⅵ
• Ⅰ. 서론 1
• 1.1 연구배경 1
• 1.2 바이오매스 4
• 1.3 연구 대상 시료9
• 1.3.1 커피찌꺼기(Spent Coffee Grounds, SCG) 9
• 1.3.2 왕겨(Rice Husk, RH) 10
• 1.3.3 PLA(Polilatic Acid)12
• 1.4 수열액화 공정 15
• 1.4.1 수열액화(Hydrothermal Liquefaction, HTL) 15
• 1.3.2 공수열액화(Co-Hydrothermal Liquefaction, Co-HTL) 20
• 1.3.3 공용매(Co-Solvent)21
• Ⅱ. 연구방법 24
• 2.1 재료 및 시약 24
• 2.2 실험 장치 및 반응조건 26
• 2.3 수열액화 공정 및 생성물 분리 29
• 2.4 재료 특성 분석 33
• Ⅲ. 결과 및 고찰 35
• 3.1 시료특성 35
• 3.2 혼합비에 따른 생성물 특성 변화 39
• 3.2.1 수율 변화와 시너지 효과 39
• 3.2.2 원소 분석 및 에너지 특성 42
• 3.3 반응 조건에 따른 생성물 특성 46
• 3.3.1 온도 변화 46
• 3.3.2 반응 시간 50
• 3.3.3 초기 압력 54
• 3.3.4 물:시료 혼합비 57
• 3.3.5 물:용매 혼합비 60
• 3.4 FT-IR 분석 66
• 3.4.1 PLA 바이오매스 혼합비 변화 66
• 3.4.2 최고 수율 조건과 용매 변화 특성· 69
• 3.5 GC-MS 분석 71
• 3.6 반응경로(Reaction pathway) 75
• Ⅳ. 결론 78
• 참고문헌 80
• ABSTRACT 90