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근적외선 분광법을 이용한 열수 탄화 리그닌의 탄화 거동 예측 모델 개발
여환명 ( Hwanmyeong Yeo ),황성욱 ( Sung-wook Hwang ),이태경 ( Tae-kyeong Lee ),황운택 ( Un Taek Hwang ),김종찬 ( Jong-chan Kim ),최인규 ( In-gyu Choi ),박진석 ( Jinseok Park ),곽효원 ( Hyo Won Kwak ) 한국목재공학회 2021 한국목재공학회 학술발표논문집 Vol.2021 No.1
펄핑 공정의 부산물인 크라프트 리그닌을 이용하여 고성능 흡착재료를 개발하기 위한 전처리 단계로서 열수 탄화(hydrothermal carbonization, HTC)를 수행하였다. 열수 탄화는 유기성 폐기물 바이오매스를 일정 온도까지 승온시켜 탈수 반응을 유도하여 고형연료화를 도모하는 공정이다. 고액비 2/50의 리그닌 분말과 증류수의 현탁액을 온도 200℃에서 각각 1, 2, 3, 5, 10시간 동안 열수 탄화 후 자연 냉각하였다. 원소 분석기를 이용하여 HTC 리그닌 시료의 원소 조성을 조사하였으며, 근적외선(near-infrared, NIR) 스펙트럼을 측정하였다. NIR 스펙트럼은 2차 미분으로 전처리하였다. 탄소 함량은 열수 탄화 시간의 증가와 함께 증가하였으나 3시간 이후에는 유사한 수준이 유지되었다. 최소 제곱 회귀(partial least squares regression, PLSR)를 이용하여 NIR 스펙트럼을 입력 변수로 그리고 C(wt%), H/C, O/C를 각각 출력 변수로 하는 예측 모델을 수립하였다. 수립된 예측 모델은 모든 출력 변수를 결정 계수(R<sup>2</sup>) 0.9 이상의 높은 정확도로 예측하였다. NIR 스펙트럼의 전처리 여부에 상관없이 모델의 성능은 비슷하였다. PLSR 모델의 C 예측 성능은 R<sup>2</sup> 0.942였으며, 이 수치는 일반 최소 제곱 회귀 모델의 0.834를 크게 앞선다. 회귀 계수 분석으로부터 1450 nm 스펙트럼 영역에 할당된 리그닌의 페놀기가 탄화 거동을 설명하는 중요한 영역이라는 것이 확인되었다. NIR과 PLSR을 이용하여 HTC 리그닌의 탄화 특성을 빠르고 정확하게, 그리고 비파괴적으로 예측할 수 있었다.
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