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CHNS/O Characterization of Municipal and Industrial Waste Using the EMA 502 Elemental Analyzer |
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| - Tested with VELP Scientifica EMA 502 CHNS-O Elemental Analyzer (F30800100) |
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Introduction
인구가 지속적으로 증가함에 따라 폐기물 관리가 오늘날 가장 시급한 환경 문제 중 하나로 떠오르고 있습니다.
전통적인 폐기물 관리 방법으로는 가정과 사업장에서 발생한 폐기물을 매립지에 저장하는 것이었지만, 현재는 생활 및 산업 폐기물이 자원으로 간주되며, 일부는 재활용되고
나머지는 에너지 전환과 같은 자원 회수 작업에 활용되고 있습니다. 여러 산업에서 비용이 많이 들고 온실가스 배출이 높은 화석연료를 대체하기 위해 ‘대체 연료’로 전환하고 있어,
대체 연료 산업이 성장하며 재활용이 불가능한 플라스틱, 종이 및 판지, 화학 처리된 목재, 섬유 폐기물, 하수 슬러지와 같은 에너지 함량이 높은 자원을 고품질 연료로 가공하고 있습니다.
폐기물 유래 연료 중 고형 회수 연료 (SRF, Solid Recovered Fuels) 로 분류되는 연료는 소각, 연소, 열분해 등의 에너지 전환 과정에서 직접 사용될 수 있으며,
이 과정에서 열 또는 전력을 공급하는 데 활용됩니다. 예를 들어, 시멘트 산업에서는 온실가스 배출을 줄이고 천연자원을 보존하며 지속 가능한 폐기물 관리를 위해 SRF 를 채택하여 사용하고 있습니다.
SRF 에 포함된 유기 성분, 특히 탄소(C), 수소(H), 질소(N), 황(S), 산소(O)의 조성을 이해하는 것은 연소 효율, 에너지 잠재력, 환경 영향을 평가하는 데 필수적입니다.
탄소, 질소, 황의 함량은 열처리 시 CO₂, NO?, SO₂의 형성에 영향을 주며, 이는 온실 효과, 산성비, 광화학 스모그와 관련되어 있습니다.
또한, 질소와 황의 농도가 높을 경우 보일러 및 연소 시스템의 부식이 발생할 수 있어, 이를 예방하기 위한 정비에 도움이 됩니다.
수소 함량은 연료 특성 평가에서 핵심적인 요소로, 순 발열량 (NCV, Net Calorific Value), 즉 저위 발열량 (LHV, Lower Heating Value)을 계산하는 데 필요합니다.
NCV 는 산소와 완전 연소 시 방출되는 유효 열에너지의 양을 나타내며, 연료 효율의 직접적인 지표로 사용됩니다.
산화물 함량을 아는 것은 폐유나 열분해 생성물과 같은 샘플에서도 매우 중요합니다. 이는 연료의 화학 구조에 대한 통찰을 제공하고, 연소 거동, 안정성, 산업적 처리 과정을 모델링하는 데 도움을 줍니다.
이 애플리케이션 노트에서는 VELP EMA 502 원소 분석기를 사용하여 폐기물 에너지화 플랜트에서 소각을 목적으로 하는 고체 및 액체 폐기물의 분석 결과를 담고 있습니다.
이 장비는 CHNS/O 원소 조성을 동시에 빠르고 완전 자동으로 분석할 수 있는 솔루션을 제공하며, 이러한 결과는 순발열량을 계산하는 데 활용됩니다.
Sample Preparation
정확한 CHNS 분석은 적절한 시료 준비에서 시작되며, 화학적 균질성의 정도는 결과의 신뢰성에 큰 영향을 미칩니다.
도시 및 산업 폐기물은 매우 이질적인 조성을 가진 시료이기 때문에, 실험실용 cutting mill 을 사용하여 미세하게 분쇄하였습니다.
시료의 입자 크기가 균일 할수록 대표성을 갖게 됩니다.
CHNS 분석을 위해 시료는 별도의 전처리 없이 주석 포일 (tin foil) 에 포장되어 EMA 502 원소 분석기를 통해 직접 분석됩니다.
CHNS 분석 시 연소 효율과 원소 회수율을 높이기 위해 vanadium pentoxide (V₂O?) 를 시료와 5:1의 비율로 첨가하여 사용할 수 있습니다 (V₂O?:시료).
폐유와 같은 액체 시료는 주사기나 유리 피펫을 사용하여 tin foil cup 에 주입하는 방식으로 시료를 준비합니다. 산소(O) 분석의 경우에는 첨가제 없이 시료를 주석 호일에 포장해야 합니다.
Fig. 1. Municipal waste ground to a final particle size of less than 1 mm
일부 폐기물 시료는 염소, 플루오린과 같은 할로겐화 화합물이 높은 비율로 포함되어 있을 수 있습니다. 이러한 화합물은 연소 분석기에 매우 공격적인 영향을 미치는 것으로 알려져 있습니다.
할로겐의 함량이 높은 시료 (>10% 할로겐) 를 자주 분석할 경우, 발생할 수 있는 장비 문제를 최소화하기 위해 특별한 주의가 필요합니다.
Quartz ash collector 의 사용, 할로겐을 흡수하는 첨가제의 추가, 시료 계량 시 은박지 (silver foils) 의 사용, 주기적인 유지보수 및 청소가 권장됩니다.
정밀한 무게 측정은 원소 분석 과정에서 매우 중요한 요소입니다. 시료 무게가 10 mg 미만일 경우, 0.001 mg 해상도의 마이크로 저울 사용이 권장됩니다.
준비 된 시료는 EMA 502 원소 분석기의 auto sampler에 넣은 뒤 CHNS 분석 혹은 산소 분석에 사용됩니다.
Fig. 2. Velp EMA 502 in action
Analytical Method
분석은 EMA 502 CHNS/O 원소 분석기를 사용하여 수행되었습니다. 이 장비는 combustion 방식으로 탄소, 수소, 질소, 황을 동시에 측정할 수 있고, pyrolysis 방식을 통해 산소를 측정할 수 있는 미량 원소 분석기입니다.
CHNS 분석은 고온 촉매 연소 기술을 기반으로 각 시료 마다 독립적인 결과를 얻을 수 있습니다. 시료가 연소관 (combustion reactor) 에 들어가기 전 내부를 carrier gas 로 purging 한 뒤,
auto sampler 를 통해 시료가 연소관에 투입됩니다. 연소관에 들어간 시료는 1000°C 이상의 고온에서 촉매와 산소가 있는 조건에서 연소되기 시작합니다. 연소 과정에서 시료의 원소 성분은
산화 생성물 (CO, H₂O, NO?, SO?)로 전환됩니다.
연소관의 하부에는 고활성 구리 분말인 Vcopper™ 가 배치되어 있으며, 이는 질소 산화물 (NO?)을 질소 분자 (N₂) 로 환원합니다.
이후 기체는 가스 크로마토그래피 컬럼 (GC column) 으로 이동하여 연소된 기체 내 모든 원소가 완전한 분리됩니다. Reference gas 없이도 작동하는 혁신적인 LoGas™ 열전도도 검출기 (TCD) 를 통해
최종 검출이 이루어집니다. 검출기에서 나온 신호는 EMASoft™ software 패키지를 통해 PC로 전송되어 계산되며, 전체 CHNS 분석은 12분 내에 완료됩니다.
EMA 502 는 간단한 조작을 통해 몇 분 내에 pyrolysis 모드로 전환하여 산소 함량을 측정할 수 있습니다. 이 분석은 산소가 완전히 없는 조건에서 수행됩니다.
분석을 시작하기 전에 연소로를 니켈 울이 포함된 열 분해관 (pyrolysis reactor) 으로 교체하고, GC column 도 산소 분석 전용 column 으로 교체해야 합니다.
시료가 1000°C 이상의 온도에서 열 분해관에 투입되면, 산소는 일산화탄소 (CO) 로 전환됩니다. 이후 chemical trap 을 통해 산성 열분해 생성물이 제거되고,
생성된 일산화탄소는 가스 크로마토그래피를 통해 다른 생성물과 분리된 후 TCD 검출기로 검출됩니다.
분석이 끝나면 EMASoft™ software 를 통해 자동으로 전체 보고서가 표시되며, 산소 분석은 단 6분 만에 완료됩니다.
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| Flow diagram - CNHS mode (EMA 502 Elemental Analyzer) |
Flow diagram - O mode (EMA 502 Elemental Analyzer) |
Results
다양한 농도와 여러 종류의 기질의 바이오매스 시료를 선정하여 CHNS 분석 성능을 평가하였습니다. 우선, EMA 502 원소 분석기에서 분석 가능한 모든 원소를 포함하는
단일 표준 물질 BBOT (C = 72.5 %; H = 6.1 %; N = 6.5 %; S = 7.4 %) 를 사용하여 보정하였으며, 산소 측정을 위한 보정은 EDTA (O = 43.8 %) 를 표준 물질로 사용하여 calibration 을 수행하였습니다.
열전도도 검출기(TCD) 는 측정 가능한 모든 원소에 대해 선형 결과를 제공하며, 네 가지 CHNS 원소의 보정 곡선에 대해 최소 0.999의 선형 회귀 계수를 calibration 값으로 결정하였습니다.
EMA 502 Software 에는 시료의 완전 연소를 보장하기 위해 산소 주입 방법의 포괄적인 데이터베이스가 포함되어 있어 원하는 설정 값을 불러올 수 있습니다.
이번 연구에서는 탄소 함량이 매우 높은 시료 (예: 폐식용유 및 열분해유, 약 90% 탄소) 에 대해 가장 높은 산소 투입량을 제공하도록 설계된 사전 설치된 “coal method” 를 사용하였습니다.
도시 및 산업 폐기물과 같은 고체 폐기물 시료에는 산소 투입량이 중간에서 높은 수준인 맞춤형 “waste method” 를 적용하였습니다
(O factor = 2.5 ml/mg, O 유량 = 300 ml/min, 최소 산소량 = 10 ml). 모든 시료는 연소를 최적화하고 원소 회수율을 극대화하기 위해 vanadium pentoxide 를 연소 첨가제로 사용하였습니다.
모든 시료는 반복 분석하였고, 평균 원소 함량과 표준편차를 계산하였습니다.
생활 폐기물, 산업 폐기물, 슬러지 등의 원소 분석 결과는 다음과 같습니다 (Table 1).
생활 폐기물은 주로 가정과 상점, 소규모 사업체 등에서 발생한 것으로, 지방자치단체에 의해 수거되었습니다. 생활 폐기물은 플라스틱, 종이, 금속, 섬유 등 다양한 물질을 포함하고 있어
매우 다양한 성질을 가지고 있습니다. 분석 결과, 플라스틱의 높은 비율로 인해 탄소 함량이 80%를 초과하는 매우 높은 수치를 보였습니다.
시료의 다양한 특성에도 불구하고, 매우 미세한 수준으로 준비된 시료 덕분에 분석 결과는 높은 반복성을 나타냈습니다.
질소 함량은 일반적으로 매우 낮으며, 황은 생활폐기물에서 거의 존재하지 않는 것으로 나타났습니다.
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| Table 1. CHNS elemental analysis experimental results of the investigated waste samples |
산업 폐기물은 산업 또는 제조 활동에서 발생하며, 생산 과정에서 더 이상 사용되지 않는 화학물질, 포장재, 재, 용제, 목재 및 기타 부산물 등을 포함합니다.
분석된 산업폐기물 시료는 상대적으로 낮은 탄소 함량을 보였지만, 황 함량은 1.45%로 상당히 높은 수치를 나타냈습니다.
하수 슬러지는 산업 또는 도시 폐수를 처리하는 과정에서 부산물로 생성되며, 특히 대도시 지역에서 점점 더 흔한 도시 폐기물 유형으로 자리잡고 있습니다.
하수 슬러지는 유기물이 풍부하여 탄소 및 질소 함량이 높았으며, 질소는 9.76%로 나타났습니다. 황 함량은 0.13% 수준이었기 때문에, 최대한 정확한 정량 분석을 위해
시료 무게를 최대 30 mg까지 늘려 별도의 분석이 수행되었습니다.
폐식용유는 일반적인 액체 폐기물 유형으로, 일반적으로 황을 포함하지 않으며 탄소 함량이 높습니다. 이는 폐기물 에너지화 발전소에서 에너지 함량이 높은 원료로 이상적이며,
실제로 분석 결과에서도 77.77%의 높은 탄소 함량이 확인되었습니다.
열분해유(Pyrolysis Oil)의 CHNS 원소 조성은 플라스틱 또는 고분자 함량이 높은 혼합 폐기물의 열분해로부터 유래한 오일에서 일반적으로 나타나는 특성과 일치합니다.
플라스틱 열분해 기술은 산업 후 플라스틱 폐기물을 가치 있는 오일로 전환하며, 이 오일은 기존 석유화학 시설에서 새로운 플라스틱을 생산하는 데 사용되거나 지속 가능한 연료로 혼합되어
완전한 순환 솔루션을 구현할 수 있습니다. Table 3 의 결과는 이러한 유형의 시료가 우수한 반복성으로 분석될 수 있음을 보여줍니다.
EMA 502 분석기는 산소 분석을 위한 열분해 모드로 몇 분 만에 전환할 수 있습니다. 열분해유에 포함 된 산소 농도가 매우 낮기 때문에, 산소 보정은 저산소 표준 (Bitumen 아스팔트, O = 1.26%)을 사용하여
수행되었습니다. TCD 검출기를 통해 산소 검출에 대해 최소 0.999의 회귀 계수를 갖는 선형 calibration 결과를 얻었습니다.
EMA 502 를 통한 실험 결과는 시료 간 산소 농도가 매우 다름을 보여주며, 폐식용유 시료는 10.67%의 산소 농도를, 열분해유는 0.45%의 극히 낮은 산소 농도를 나타냈습니다 (Table 2).
이러한 우수한 반복성은 분석된 시료가 원래 물질을 잘 대표하고 있으며, 이러한 결과는 시료 전처리 과정을 통해 얻을 수 있습니다.
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| Table 2. Oxygen experimental results of waste sample determined by pyrolysis analysis |
현재의 글로벌 에너지 환경에서는 증가하는 에너지 수요와 온실가스 배출 저감이라는 두 가지 과제를 동시에 해결해야 합니다. 이러한 상황에서 폐기물은 유망한 재생 가능 연료로 주목받고 있습니다.
폐기물은 에너지 함량이 매우 높으며, 연소 시 발생하는 에너지가 종종 석탄을 능가하기 때문에 발전용 연료로서 특히 매력적입니다.
이러한 맥락에서 원소 분석은 핵심적인 역할을 하며, 특히 연료의 에너지 잠재력을 나타내는 중요한 지표인 순발열량 (Net Calorific Value, NCV) 을 결정하는 데 중요합니다.
총발열량 (Gross Calorific Value, GCV) 은 bomb calorimeter 를 사용하여 이상적인 조건에서 실험적으로 측정되지만, NCV 는 실제 연소 과정에서 수증기 증발로 인해 손실되는 에너지를 반영하여
실제 발열량을 의미합니다. 이 보정을 위해서는 생성되는 물의 양과 직접적으로 연관 되어 있는 수소 함량의 정밀한 측정이 필요합니다. 국제 표준에 따르면, 정확한 순 발열량 계산을 위해
수소 함량은 반드시 원소 분석을 통해 측정해야 하며, 이는 대체 연료의 특성화와 효율성 평가에서 기본적인 매개변수입니다.
이번 연구 대상 폐기물 시료의 총발열량을 기반으로 계산된 순발열량에서 특히 생활폐기물 및 오일 시료에서 관찰된 높은 수소 함량(H ? 12%)은 NCV에 상당한 영향을 미치며, 폐기물 에너지화 발전소,
시멘트 공장, 열분해 플랜트 등에서 해당 연료를 사용할 경우 실제로 활용 가능한 에너지의 상당한 감소할 수 있다는 것을 알 수 있었습니다 (Table 3).
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| Table 3. Net calorific value (NCV) calculation of alternative fuel samples using hydrogen value correction obtained from elemental analysis |
Conclusions
VELP EMA 502를 이용한 CHNS/O 원소 분석은 대체 연료로 널리 사용되는 다양한 폐기물 물질을 특성화를 위한 연구에서 신뢰성 있고, 정확하며, 다재다능한 역할을 할 수 있는 것을 입증하였습니다.
생활 폐기물, 슬러지, 폐유 등과 같은 복잡하고 다양한 성질을 가지는 시료에 대해 정확하고 재현 가능한 CHNS/O 데이터를 제공할 수 있으며, 이는 촉매 연소 및 열분해 방식의 신뢰성을 입증하였습니다.
원소 분석 결과는 폐기물을 이용한 재생 연료의 에너지 잠재력을 평가하고 환경 영향을 예측하는 데 있어 매우 중요합니다. 특히 수소 원소의 정확한 함량 측정은 연료의 실제 사용 가능한 에너지를 나타내는
순발열량 (NCV) 을 계산하는 데 핵심적인 요소입니다. 또한 탄소, 질소, 황의 정량 분석은 온실가스 배출을 예측하는 데 도움이 되며, 이는 폐기물 에너지화 플랜트에서의 규제 준수 및 공정 최적화에 필수적입니다.
종합적으로 볼 때, Velp EMA 502는 시료의 원소 분석을 위한 빠르고 포괄적인 분석 솔루션을 제공하며, 대체 연료의 품질 관리 및 개발에 있어 핵심적인 역할을 수행할 수 있습니다.
이를 통해 지속 가능한 폐기물 관리와 순환 경제로의 전환을 지원할 수 있습니다.
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