바이오매스란 특정 지역이나 생태계에 존재하는 생물의 무게 또는 총량을 설명하는 데 사용되는 용어입니다. 바이오매스는 종, 커뮤니티 또는 서식지에 따라 달라질 수 있습니다.
바이오매스는 빠르게 보충할 수 있고 성장 과정에서 이산화탄소를 흡수하고 산소를 방출하기 때문에 지속 가능한 재생 에너지원으로 여겨지고 있습니다. 목재, 식물 잔재물, 동물 폐기물, 도시 폐기물 등 다양한 유기 물질로 구성되어 있으며, 이를 활용하여 에너지를 생산할 수 있습니다.
바이오매스는 화석 연료에 대한 실행 가능한 대안을 제공함으로써 탄소 배출을 줄이고 기후 변화를 완화하는 데 필수적인 요소입니다.
바이오매스는 주로 식물의 세포벽에서 발견되는 주요 요소인 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스, 리그닌으로 구성되어 있습니다.
포도당을 기본으로 하는 고분자인 셀룰로오스는 세포벽의 주성분이며, 헤미셀룰로오스는 자일란과 같은 당분을 함유하고 있습니다. 리그닌은 탈수 알코올로 구성된 복합 폴리머입니다.
바이오매스에는 물에 녹는 당분, 아미노산, 지방산 및 기타 화합물도 포함되어 있습니다. 바이오매스의 구성은 에너지 가치, 연소 효율 및 환경에 미치는 영향에 영향을 미치는 수분, 회분, 탄소, 질소 및 황과 같은 파라미터의 함량에 따라 달라집니다.
바이오 연료는 재생 가능한 자원에서 얻은 식물과 동물의 혼합물인 바이오매스로부터 생산되는 연료입니다. 에탄올과 바이오디젤은 바이오 연료의 두 가지 주요 범주입니다.
바이오연료 생산에는 분해, 발효, 전환 등 여러 공정이 포함됩니다. 분해는 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스, 리그닌과 같은 생물학적 분자로 구성된 식물 세포벽의 단단한 구조를 분해하는 과정입니다.
발효는 미생물이 식물 당분을 대사하여 옥수수, 사탕수수, 옥수수와 같은 작물에서 주로 에탄올을 생산하는 반면 바이오 디젤은 콩기름, 카놀라유와 같은 식물성 기름으로 만들어집니다.
바이오 연료는 운송 및 발전 분야에서 화석 연료를 대체할 수 있는 재생 가능한 대안입니다. 바이오매스는 열분해, 가스화, 열수 액화 공정을 통해 액체 또는 기체 연료로 전환할 수 있습니다.
바이오 에너지는 건조 바이오매스 또는 포집된 바이오가스를 제어된 혐기성 소화를 통해 연소하거나 교환하여 생성할 수도 있습니다. 온실가스 배출을 줄이기 위해 석탄 연소에는 화석 연료와 함께 바이오매스를 연소하는 것이 포함됩니다.
인류는 수천 년 전부터 식물이나 동물성 재료를 태워 요리 불을 지피기 시작하면서부터 바이오 에너지를 활용해 왔습니다.
바이오매스 에너지는 오늘날 화석 연료를 대체할 수 있는 재생 가능한 에너지로 점점 더 대중화되고 있으며, 기술도 빠르게 발전하고 있습니다.
연구자들은 폐기물을 활용하여 고급 바이오 연료를 생산하는 바이오 연료 생산 기술을 연구하고 있습니다.
열 중량 분석(TGA) 및 시차 주사 열량 측정(DSC) 는 바이오매스의 열 안정성을 검사하는 데 사용할 수 있는 두 가지 열 분석 기법입니다. 이러한 방법을 사용하여 바이오매스 샘플의 중량 손실 또는 열 흐름을 온도 함수로 측정하여 재료의 열 안정성과 분해 거동을 결정합니다.
열 분해 과정은 수분 분해, 셀룰로오스-헤미셀룰로오스 분해, 리그닌 분해를 포함하는 TGA 곡선으로 확인할 수 있습니다.
야자 잎, 올리브 잎, 밀짚 등 다양한 바이오매스 샘플의 열분해 거동과 화학적 동역학 특성을 TGA를 사용하여 조사할 수 있습니다.
바이오매스의 열 안정성은 가열 속도, 시료 유형 및 크기, 실험 환경, 가스 유량 등의 요인에 의해 영향을 받습니다.
빠른 가열 속도는 반응을 더 높은 온도로 이동시키는 좋은 방법이며, 가열 속도와 가스 흐름을 높이면 시료의 열분해와 무게 감소 속도를 높일 수 있습니다.
요약하면, TGA 및 DSC와 같은 열 분석 기술은 바이오매스 재료의 연소 또는 분해 중 열 거동, 동역학 및 제품 분포를 연구하는 데 사용되며 다양한 조건에서 바이오매스의 거동에 대한 통찰력을 제공합니다.
이러한 기술은 에너지 생산 공정을 최적화하고 다양한 애플리케이션의 바이오매스 특성을 이해하는 데 필수적입니다.
열 분석은 바이오매스 특성 분석에도 매우 유용할 수 있습니다.
TGA(열 중량 측정법)는 질량 변화를 기록하고, DSC(차동 주사 열량 측정법)는 는 열 흐름을 측정하고 와 엔탈피 변화를 측정하고, TMA(열역학 분석)는 치수, 변형, 침투, 굽힘의 변화를 측정하며, 팽창계는 치수/부피의 변화를 기록합니다, EGA(진화 가스 분석) 는 가열 공정에서 방출되는 가스 생성물에 대한 귀중한 정보를 제공합니다.
모든 측정값은 제어된 조건(온도, 압력, 가스 흐름, 산소 존재 여부)에서 온도에 따라 기록됩니다.
위의 방법을 결합할 수 있습니다(TGA-DSC-EGA).
표준 테스트 절차는 ASTM에 설명되어 있습니다:
- ASTM D2584 – 경화된 강화 수지의 발화 손실
- ASTM E1131 – 열 중량 측정법에 의한 성분 분석
- ASTM E1641 – 오자와/플린/벽 방법을 사용한 열 중량 측정에 의한 분해 동역학
- ASTM E2008 – 열 중량 측정에 의한 휘발성 비율
열 중량 분석기를 사용하면 TG 신호(탈착, 단일 또는 다단계 균열, 단일 또는 다중 반응)를 기반으로 시료의 화학적 변화를 분류할 수 있습니다. TG 곡선에는 가열 속도(분해 동역학, 열분해 생성물 비율), 시료 크기(반응 속도, 확산 속도, 온도 분포), 대기(분해 생성물 비율), 압력 또는 가스 흐름(분해 생성물 비율, 반응 속도) 등 여러 가지 요인이 영향을 미칩니다.
열 중량 측정은 열 안정성(분해 연구), 산화 안정성(보관 수명) 및 성분 분석을 조사하는 도구가 될 수 있습니다.
열 균형의 특별한 응용 분야 중 하나는 석탄 가스화 또는 바이오매스 가스화 실험으로, 탄소를 포함하는 시료가 뜨거운 수증기에서 반응(압력 램프 유무에 관계없이)을 거쳐 결합된 탄소에서 CO와 CO2를 생성하는 실험입니다. 이 설정은 바이오매스 전환에 일반적으로 사용되는 대형 원자로 공정의 소규모 실험이므로 쉽게 최적화할 수 있습니다.
DSC는 열분해 및 연소 과정에서 열 흐름과 열용량을 특성화하는 바이오매스 분석에 유용한 방법으로 간주할 수 있습니다. DSC 곡선은 바이오매스의 반응 경로를 나타냅니다. DSC를 사용하면 가열 가스 온도와 시료 온도의 편차에 대한 증발의 영향과 시료 표면의 흡착 에너지를 평가할 수 있습니다. 이는 공정의 흡열/발열 특성에 대한 정보를 제공하므로 TG 곡선에서 감지된 무게 변화 이벤트를 해석하는 데 크게 기여합니다. 또한 DSC 곡선은 판별 특성(예: 리그닌/헤미셀룰로오스)으로도 사용할 수 있습니다.
인용:
- 아메드 I. 오스만, 네하 메타, 아메드 M. 엘가라히, 아메르 알-히나이, 알라 H. 알-무타세브, 데이비드 W. 루니: 바이오매스를 바이오 연료로 전환 및 수명 주기 평가: 리뷰 19권, 4075-4118페이지, 2021년 7월 23일.
- 상기타 마하파트라, 딜립 쿠마르, 브라제쉬 싱, 프라빈 쿠마르 사찬: 바이오 연료와 그 생산원: 식량 및 에너지 넥서스 에너지 넥서스 4권, 2021년 12월 30일, 100036호, 기존 연료에 대한 지속 가능한 청정 대안에 대한 검토.
- 수니타 바로트 박사: 바이오매스와 바이오에너지: 자원, 전환 및 응용 – 제9장 지속 가능한 성장을 위한 재생 에너지 평가, 2022년 2월 25일.
