벤토나이트를 무기바인더로 이용한 아역청탄 및 반탄화 바이오매스의 연탄화

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 8716(2022) 이 기사 인용

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에너지 생성을 위한 아역청탄 및 반탄화 바이오매스의 연탄을 위한 무기 바인더의 사용은 거의 없습니다. 본 연구는 벤토나이트를 바인더로 사용하여 아역청탄(SubC)과 반탄화된 바이오매스(TM)로부터 생산된 연탄의 물리적 기계적 내구성과 에너지 함량에 중점을 두고 있습니다. 연탄은 95% SubC와 5% TM을 사용하여 생산되었습니다. 벤토나이트는 총 SubC 및 TM 중량의 2~10%로 다양했습니다. 연탄은 유압 프레스에서 일정한 압력(28MPa)으로 생산되었습니다. 브리켓은 일차적으로 실온에서 경화된 후 불활성 조건 하의 관형로에서 60분 동안 300\(^\circ{\rm C}\)에서 경화되었습니다. 브리켓의 밀도와 내수성(WRI)을 평가하였다. 브리켓의 낙하파괴(DF), 충격저항지수(IRI), 냉간압쇄강도(CCS), 텀블링강도지수(TSI+3mm)를 구하였다. 반응성 지수(RI), 근접값, 극한값 및 발열량 분석은 다양한 ASTM 표준을 기반으로 평가되었습니다. EDS와 전자탐침 마이크로분석기가 장착된 주사전자현미경을 사용하여 미세구조 연구와 원소 매핑을 수행했습니다. 벤토나이트 함량이 증가함에 따라 밀도가 증가했습니다. WRI는 벤토나이트 함량이 증가함에 따라 감소하였으며, 바인더 함량 10%에서는 가장 낮은 값(95.21%)을 나타냈다. DF와 IRI의 범위는 각각 100~150 및 2000~3000입니다. CCS의 범위는 19.71~40.23MPa입니다. RI는 34%에서 50%까지 다양합니다. 연탄의 벤토나이트 함량이 증가함에 따라 고정 탄소, 탄소 및 발열량은 손상되었습니다. 기계적 맞물림을 갖는 산소 및 실리카 브릿지가 브리켓의 현미경 사진에서 관찰되었습니다. 2% 벤토나이트 함량으로 생산된 연탄은 동등한 에너지 함량으로 더 나은 물리적 기계적 내구성을 갖습니다. 열 및 야금 응용 분야의 공급 원료로 권장됩니다.

폐기물 발생은 인간의 필수적인 부분입니다. 이러한 폐기물 중 일부는 다양한 산업 및 가정용 응용 분야에 적합한 원료입니다. 석탄 채굴, 취급, 운송으로 인한 폐기물의 단위는 항상 백만 톤입니다1. 석탄 미세분(< 3mm)은 종종 폐기물로 지칭되며 덩어리 석탄을 처리하거나 취급할 때 필연적으로 생성됩니다2,3. 목재 가공 산업에서 발생하는 폐기물은 특히 개발도상국에서 백만 톤에 달하는 것으로 보고되었습니다4,5. 이러한 폐기물은 에너지 생성6,7, 금속 매트릭스 복합재 강화8,9,10, 미세 전자 기계 시스템3 등 다양한 응용 분야에서 유용한 것으로 밝혀졌습니다. 주로 개발도상국은 낮은 에너지 혼합 문제를 안고 있습니다. 따라서 다양한 분야의 연구자들은 이러한 폐기물(석탄 및 바이오매스)을 기존 폐기물에 대한 가능한 추가 에너지원으로 계속 활용하고 있습니다. Adeleke11은 가벼운 열분해를 통해 바이오매스 폐기물의 에너지 함량을 향상시키고 이를 희박등급 석탄 폐기물에 첨가하여 복합 연탄을 생산했습니다. 생산된 연료 연탄은 산업용 및 가정용으로 권장되었습니다. Adeleke 등12은 업그레이드된 바이오매스와 석탄 미세분말을 고체 연료로 사용하여 연탄을 생산했습니다. 연탄은 좋은 연소 특성을 가지며 기계적으로 안정한 것으로 보고되었다. Trubetskaya et al.13은 반탄화된 바이오매스와 석탄으로 만든 장작 난로 연탄을 특성화했습니다. 무기물질은 원료의 유기성분보다 연탄의 반응성에 덜 영향을 미쳤다. 무기물 함량이 증가함에 따라 브리켓의 기공률은 감소하였다. 연탄의 물리적 기계적 완전성은 보고되지 않았습니다. Guo et al.14 갈탄 연탄에 최적화된 복합 바인더. 사용된 결합제는 폴리비닐알코올과 휴민산나트륨이었습니다. 더 나은 기계적 강도를 위한 최적의 복합 바인더로서 부식산나트륨(2wt.%)과 폴리비닐알코올(0.5wt.%)이 얻어졌습니다. 갈탄 연탄은 산업용으로 권장되었습니다. 석탄 폐기물로부터 강한 연탄을 생산하기 위한 시도로 Zhong et al.15은 당밀과 콜타르 피치를 바인더로 혼합했습니다. 생산된 최고의 연탄은 13.06MPa의 압축 강도와 56.6시간/2m의 파괴 강하를 갖는 것으로 보고되었습니다. 연탄은 주로 COREX 제철 공정을 위해 생산되었습니다. Adeleke 등2은 피치 바인더를 사용하여 석탄과 목재 미세분으로 복합 연탄을 생산하고 특성화했습니다. 향상된 발열량과 접착 특성을 구현하기 위해 처음에는 목재 미세분을 반탄화했습니다. 연탄은 반탄화된 바이오매스 3~20%와 석탄 미세분 80~97%로 생산되었습니다. 복합 브리켓의 최적 냉간 파쇄 강도는 4MPa, 낙하-파단은 54회/2m, 내충격성 지수는 1350으로 기록되었습니다. 연탄은 산업용으로 권장되었습니다. Adeleke 등4은 당밀과 혼합 피치가 결합제로 사용되는 반탄화된 바이오매스와 석탄으로부터 연탄을 추가로 생산했습니다. 샘플의 텀블링 강도 지수(TSI+3 mm) 및 반응성 지수(RI)를 야금 응용 분야에서 공급원료로 사용할 수 있는지 평가했습니다. 경화된 샘플과 1200\(^\circ{\rm C}\)에 노출된 샘플에 대해 TSI+3 mm가 얻어졌습니다. 경화된 연탄 샘플의 TSI+3mm는 95.5~98.3%였으며 샘플이 1200\(^\circ{\rm C}\)에 노출된 경우 57.4~77.4%로 급격히 감소했습니다. 연탄의 RI는 48~56%로 반응성이 높은 것으로 나타났다. TSI+3 mm와 RI의 결과, 연탄은 직접환원철 제조에 있어 특히 회전가마에서 탄소질 재료로 적합한 것으로 보고되었다. 석탄과 바이오매스가 혼합되어 생산되는 다양한 연탄의 기계적 안정성에 대한 논쟁은 끝이 없습니다. 이로 인해 에너지 가치를 손상시키지 않으면서 더 나은 기계적 강도를 가진 연탄을 생산하기 위해 다양한 유형의 바인더를 사용하는 것에 대한 새로운 관심이 생겼습니다. 이는 궁극적으로 연구원과 산업가가 고체 연료 연탄의 표준화된 허용 가능한 기계적 및 에너지 특성을 안내할 수 있습니다. 따라서 본 연구에서는 무기결합제인 벤토나이트를 이용하여 아역청탄과 반탄화된 바이오매스로부터 생산된 연탄의 기계적 건전성을 향상시키는 데 중점을 두고 있다. 벤토나이트는 화산재 변형에서 자주 얻어지는 알루미늄 필로실리케이트입니다. 이 바인더는 나이지리아에서 백만 톤 단위로 구입할 수 있습니다16. 벤토나이트는 복합재료에 오염물질을 첨가하지 않고도 연탄의 강도를 향상시키는 경향이 있는 우수한 결합제입니다17. 본 연구는 아역청탄 및 반탄화 바이오매스의 연탄을 위한 바인더로서 벤토나이트의 사용에 대한 제한된 연구 작업을 기반으로 제안되었습니다. 연탄은 아역청탄(95%)과 반탄화된 바이오매스(5%)로 생산되며, 연탄의 총 중량을 기준으로 벤토나이트를 2~10%로 다양하게 만듭니다. 연탄에 대해 물리역학적 및 에너지 함량 분석이 수행되었습니다. 무기 바인더로 벤토나이트를 사용하면 하이브리드 브리켓의 물리역학적 특성이 향상될 것으로 기대됩니다. 이는 다른 유기 및 무기 바인더로 생산된 연탄에 대한 좋은 비교 역할을 할 것입니다.