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논문 기본 정보

자료유형
학위논문
저자정보

김동섭 (충남대학교, 忠南大學校 大學院)

지도교수
성용주
발행연도
2020
저작권
충남대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

이용수26

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이 논문의 연구 히스토리 (4)

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The utilization of renewable resources is on the rise because of the increasing public awareness regarding sustainable development and environment conservation. In the wake of problems associated with fossil fuel consumption, biomass has been recognized as one of the most important alternatives. Rice husk obtained from the rice industry is one of the most abundant agricultural biomass generated in Korea. Rice husk accounts for about 20% of the total weight of rice and has low protein and available carbohydrates contents, but is rich in silica. Many studies have been carried out to evaluate the composition of rice husk and facilitate its utilization as a useful source for silica, bioenergy, and so on.

In this study, an alkali based biorefinery was used to optimize the operating conditions that allow for maximum silica extraction while retaining most organics in the solid phase. Two different types of biorefinery processes for the rice husk were designed: the digestion process and the low temperature deeping process. The integrated manufacturing methods of the organic and inorganic materials originating from each of the processes were investigated in depth.

The rice husk fibers obtained by the digestion process can be used as an alternative to wood pulp fibers and a high concentration black liquid that yielded silica and lignin-silica hybrid materials. The yield and extraction efficiencies of the rice husk fiber and the high concentration black liquid produced by the digestion process were evaluated. The organic matter content in the high concentration black liquid was 9-15%. The rice husks were delignified, yielding about 1% residual ash. The rice husk fiber, when used in combination with UBKP, served as an alternative pulp with improved bulk properties and dehydration rate; the high concentration black liquid was converted into a lignin-silica hybrid through sol-gelation under acidic conditions. The lignin with low thermal stability was combined with silica to produce lignin with improved thermochemical stability.

The production yield and efficiency of the alkali-treated rice hull and low concentration black liquid obtained through the low temperature deeping process were also evaluated. The concentration of black liquid was found to be 4-7%, with 60-70% of its composition being inorganic material. Considering the yield of rice husk fiber and low concentration black liquor, it was adequately optimized under the conditions of 20% NaOH addition, liquid ratio 5:1, and deeping duration of 18 hours. In addition, chlorine dioxide pre-treatment of the low temperature deeping process improved its extraction efficiency from 35% to 88%.

The liquid extract yielded by the low temperature deeping process showed higher inorganic content with relatively lower impurity. The extract was processed to high purity silica by sequentially applying sol-gelation, aging, washing, and heat treatment.By optimizing the conditions for each of the purification processes, high-quality silica was successfully produced with whiteness 90 and a purity of ≥95%. The black liquid obtained through the low temperature deeping process is considered suitable for producing high purity silica.

The alkali-treated rice husk has been modified to maintain the shape of the husk, resulting in increased water absorption; washing and heat treatment were carried out with the application of sulfuric acid and EDTA to effectively remove the remaining alkali metal salt. Alkali-treated rice husk are considered an easy-to-use soil material because of the similarities in their particle shapes and high moisture characteristics.

The biorefinery process could be a viable method for fractionating the lignocellulosicm biomass into the silica and lignin-silica hybrid. The rice husk pulp and the alkali treated rice husk cab be used for the preparation of high-value products. The major appeal of the proposed process is the integrated utilization of component fractions by alkali treatment, so that the manufactured product can be recovered with a valid overall yield. In particular, the low temperature deeping method is performed utilizing water as a solvent in all the steps and operated at atmospheric pressure. From an industrial scale-up perspective, this could avert the use of expensive and energy consuming machineries and provide a simplified safety management. This study demonstrated a possibility for the commercialization of the organic and inorganic materials yielded from the rice husk biomass to produce high value-added products.

목차

제 1 장. 서 론 1
1. 연구배경 목표 1
1.1. 왕겨 바이오매스의 개요 1
1.2. 왕겨의 바이오리파이너리를 통한 유무기 소재화 방안 2
2. 이론적 배경 5
2.1. 왕겨 바이오매스의 자원적 특성과 활용 현황 5
2.2. 식물 유래 실리카의 형성과 왕겨 실리카 6
2.3. 졸겔화 반응에 의한 실리카 소재의 제조 8
2.4. 바이오매스 유래 리그닌의 종류 및 특성 9
2.5. 토양소재로써 유기물 소재의 수분 특성 11
3. 연구사 13
3.1. 왕겨 및 바이오매스 기반 바이오리파이너리 연구 동향 13
3.2. 왕겨 실리카 및 리그닌 활용 연구 동향 17
3.3. 왕겨의 토양 자재화 연구 동향 18
제 2 장. 왕겨의 바이오리파이너리 공정별 성분분리 20
1. 연구 개요 및 목표 20
2. 증해 기반 왕겨 바이오리파이너리 22
2.1. 실험내용 및 방법 22
2.1.1. 공시 재료 22
2.1.2. 왕겨의 증해 방법 및 조건 22
2.1.3. 왕겨의 섬유분 및 흑액 공정수율 측정 23
2.1.4. 증해 조건에 따른 추출효율 평가 23
2.2. 실험결과 및 고찰 24
2.2.1. 증해 조건에 따른 흑액의 특성 및 추출 효율 24
2.2.2. 증해 조건에 따른 왕겨섬유의 수율 및 추출효율 특성 평가 26
3. 저온침지 기반 왕겨 바이오리파이너리 29
3.1. 실험내용 및 방법 29
3.1.1. 공시 재료 29
3.1.2. 왕겨의 저온침지 방법 및 조건 29
3.1.3. 왕겨의 섬유분 및 흑액 공정수율 분석 30
3.1.4. 저온침지 조건에 따른 추출효율 평가 30
3.2. 실험결과 및 고찰 30
3.2.1. 저온침지 조건에 따른 흑액의 특성 변화 30
3.2.2. 저온침지 조건에 따른 알칼리처리 왕겨의 특성 및 추출 효율 32
4. 왕겨 전처리를 통한 분리효율 증대 연구 37
4.1. 실험내용 및 방법 37
4.1.1. 공시 재료 37
4.1.2. 왕겨의 이산화염소 기반 전처리 공정 37
4.1.3. 전처리에 의한 섬유화 특성 분석 38
4.1.4. 전처리 왕겨 기반 저온침지 알칼리 추출 및 특성 평가 방법 38
4.2. 실험결과 및 고찰 39
4.2.1. 전처리 공정에 의한 왕겨특성 변화 39
4.2.2. 전처리에 따른 왕겨의 실리카 추출 특성 변화 43
5. 결과 및 요약 46
제 3 장. 왕겨 유래 유기물 소재화 연구 48
1. 연구 개요 및 목표 48
2. 저온침지 바이오리파이너리 유래 알칼리처리 왕겨의 흡습성 평가 51
2.1. 실험내용 및 방법 51
2.1.1. 공시 재료 51
2.1.2. 알칼리처리 왕겨 제조 조건 52
2.1.3. 알칼리처리 왕겨의 수분특성 평가 52
2.2. 실험결과 및 고찰 53
2.2.1. 알칼리처리 왕겨와 기존 흡습성 소재의 수분특성 평가 53
2.2.2. 저온침지 조건에 따른 알칼리처리 왕겨의 수분특성 평가 54
3. 저온침지 바이오리파이너리 유래 알칼리처리 왕겨의 개질처리 연구 58
3.1. 실험내용 및 방법 58
3.1.1. 공시 재료 58
3.1.2. 알칼리처리 왕겨의 개질처리 방법 58
3.1.3. 제조된 개질처리 왕겨의 염도 및 pH 특성 평가 60
3.2. 실험결과 및 고찰 61
3.2.1. 중화 및 코팅경화 개질처리 조건에 따른 용출 염도 및 pH 특성 평가 61
3.2.2. 중화 및 세척 개질처리 조건에 따른 용출 염도 및 pH 특성 평가 63
4. 증해 바이오리파이너리 유래 왕겨 섬유 소재화 연구 65
4.1. 실험내용 및 방법 65
4.1.1. 공시 재료 65 4.1.2. 왕겨 섬유의 개질처리 및 수초지 제조 방법 65
4.1.3. 왕겨 섬유 및 펄프 섬유의 형태학적 특성 평가 66
4.1.4. 탈수적성 평가 66
4.1.5. 왕겨섬유 적용 수초지의 물성 평가 67
4.2. 실험결과 및 고찰 67
4.2.1. 왕겨 섬유의 형태학적 특성 67
4.2.2. 왕겨 섬유의 적용에 따른 탈수적성 변화 68
4.2.3. 왕겨 섬유의 적용에 따른 수초지의 물성 변화 69
5. 결과 및 요약 72
제 4 장. 왕겨 유래 무기물 소재화 연구 74
1. 연구 개요 및 목표 74
2. 저온침지 유래 흑액의 실리카 분리정제 공정별 제조 특성 평가 76
2.1. 실험내용 및 방법 76
2.1.1. 공시 재료 76
2.1.2. 실리카 정제 방법 76
2.1.3. 공정별 제조특성 분석 79
2.2. 실험결과 및 고찰 80
2.2.1. 졸겔화 공정 조건에 따른 제조 수득율 변화 80
2.2.2. 에이징 공정 조건에 따른 제조 수득율 변화 82
2.2.3. 세척 및 열처리 공정 조건에 따른 제조 수득율 변화 83
2.2.4. 단위공정별 실리카 제조 수득율 변화 84
3. 저온침지 유래 흑액 기반 실리카의 품질제어 연구 86
3.1. 실험내용 및 방법 86
3.1.1. 공시 재료 86
3.1.2. 실리카 품질제어 방법 86
3.1.3. 실리카 특성 분석 방법 88
3.2. 실험결과 및 고찰 88
3.2.1. 졸겔화 공정 조건에 따른 실리카 특성 변화 88
3.2.2. 에이징 공정 조건에 따른 실리카 특성 변화 95
3.2.3. 세척 및 열처리 공정 조건에 따른 실리카 특성 변화 100
3.2.4. 단위 공정의 최적조건 적용을 통한 실리카 특성 개선효과 분석 105
4. 증해 유래 흑액의 리그닌/실리카 복합체 정제 연구 108
4.1. 실험내용 및 방법 108
4.1.1. 공시 재료 108
4.1.2. 왕겨 증해흑액 기반 리그닌/실리카 하이브리드 소재의 제조 방법 108
4.1.3. 졸-겔화를 통한 리그닌/실리카 하이브리드 제조 특성 평가 109
4.1.4. 리그닌/실리카 하이브리드 소재의 표면화학 및 열화학적 특성 평가 109
4.2. 실험결과 및 고찰 110
4.2.1. pH조건에 따른 리그닌/실리카 하이브리드 소재의 제조특성 평가 결과 110
4.2.2. 리그닌 실리카 하이브리드 소재의 표면화학적 특성 평가결과 111
4.2.3. 리그닌 실리카 하이브리드 소재의 열화학적 특성 평가결과 113
5. 결과 및 요약 116
제 5 장. 결 론 118
1. 증해 유래 왕겨섬유 및 리그닌-실리카 소재화 118
2. 저온침지 유래 알칼리처리 왕겨 및 실리카 소재화 121
3. 왕겨의 활용 연구 결론 및 향후 활용방안 127
참고문헌 130
ABSTRACT 141

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