Characterization of Degradation features and Degradative Products of Poplar Wood(Populus alba${\times}$glandulosa) by Flow Type-Supercritical Water Treatment

초임계수에 의한 현사시 목분의 분해특성 및 분해산물 분석

In this study, the possibility of sugar conversion of poplar wood(Populus $alba{\times}rglandulosa$) and their degradation features of major wood components were characterized using flow type supercritical water treatment system. The finely ground poplar wood meals were treated for 2min. under subcritical condition$(23MPa,\;275^{\circ}C\;and\;325^{\circ}C)$ and supercritical condition $(23MPa,\;375^{\circ}C\;and\;415^{\circ}C)$. respectively. The degradation products of poplar wood meals appeared brownish colors, including undegraded solids. Increasing the temperature of the system, the degradation rate of poplar wood meals was accelerated and reached up to $94\%\;at\;375^{\circ}C$. The total amount of reducing sugars in degradation products determined by DNS method were gradually lowered when the temperature condition became severe. This indicated that the reducing sugars formed were further degraded to kan derivatives by certain side reaction such as pyrolysis under higher temperature. In order to characterize degradation features of lignin, the degradation products were extracted with ethylacetate and the organic phases were subjected to GC-MS analysis. Main lignin degradation products were identified to vanillin, guaiacol, syrinaldehyde, 4-prophenyl syringol and dihydrosinapyl alcohol, which could be formed by the cleavage of ether linkages in lignin polymers by high temperature condition.

본 연구에서는 연속형 초임계수 분해장치를 이용하여 처리온도 별로 현사시목재의 당화 가능성과 현사시목재 각 성분의 분해특성을 분석하였다. 미세하게 분쇄한 현사시목분을 물의 초임계압력(23MPa) 조건하에서 각각 아임계온도$(275^{\circ}C,\;325^{\circ}C)$와 초임계온도$(375^{\circ}C,\;415^{\circ}C)$에서 각각 2분간 처리하였다. 갈색을 띤 현사시목분의 액상분해산물에는 어느 정도의 미분해 고형분이 포함되어 있었다. 초임계수 분해온도가 높을수록 현사시목분의 분해율은 증가하여 초임계조건인 $375^{\circ}C$에서는 현사시목분의 $94\%$까지 분해되었다. 각 처리조건에서 생성된 환원당량을 DNS법으로 측정한 결과, 처리온도가 상승함에 따라 생성된 환원당량은 점차 감소하는 경향을 나타내었다. 이는 반응 초기에 생성된 환원당들이 높은 온도의 반응기를 통과하면서 열분해와 유사한 화학적 반응에 의해 더욱 분해되어 퓨란계 화합물로 전환된 것으로 예측되었다. 리그닌의 분해특성을 살펴보기 위하여 액상의 분해산물을 ethylacetate로 추출하여 유기용매 가용부를 GC-MS로 분석하였다. 리그닌의 분해산물은 대부분 페놀성 유도체인 vanillin, guaiacol, syringaldehyde, 4-prophenyl syringol과 dihydrosinapyl alcohol등으로 확인되었으며, 이들의 농도는 처리온도가 상승함에 따라 증가하는 것으로 나타났다. 이러한 리그닌 분해산물은 리그닌고분자의 주요 결합인 에테르 결합이 높은 온도조건하에서 분해에 의한 것으로 예측되었다.