리그노설포네이트 나트륨이란 무엇인가요?

리그노설포네이트 나트륨은 아황산염 펄프화 공정의 부산물입니다. 리그닌 시장의 90% 이상을 차지하는 세계에서 가장 많이 상용화된 리그닌 유도체입니다. 수용성이 우수한 갈색 분말 또는 액체이며 건설, 농업, 광업 등 여러 산업 분야에서 널리 사용됩니다.

현재의 합성 화학 물질을 대체할 수 있는 가능성을 모색하기 위해 지속 가능한 개발 가능성을 조사하고 있습니다. 아래에서는 기본 지식과 산업적 응용에 대해 설명합니다.

1. 리그노설포네이트 나트륨이란 무엇인가요?

리그노설포네이트 나트륨(화학식 C2OH24Na2O1OS2, CAS 등록 번호 8061-51-6)은 음이온성 고분자 전해질 폴리머의 일종입니다. 분자량은 목재 공급원과 가공 조건에 따라 1,000~140,000 Da입니다. 갈색에서 검은색 분말 또는 액체로 나타나며 농도에 따라 점도가 증가합니다. 주로 분산제, 바인더, 유화제 역할을 합니다.

설포기(-SO3一)는 음전하를 띠고 있어 양전하를 띠는 입자 표면에 흡착되어 입자의 응집을 방지할 수 있습니다. 이것이 바로 분산제 기능의 작동 원리이며 콘크리트, 세라믹 및 광업과 같은 산업에서 일반적으로 적용되는 화학적 기초이기도 합니다.

일반 리그닌은 수용성이 아닌데, 리그노설포네이트 나트륨은 술포기를 첨가하여 수용성이 됩니다. 편리하고 용매 없이 사용할 수 있어 적용 범위가 크게 확대됩니다.

2. 리그노설포네이트 나트륨의 출처는 어디인가요?

리그노설포네이트 나트륨은 아황산염 펄프화 공정의 폐용액에서 나옵니다. 제지 공장에서 황산과 아황산염을 사용하여 고온, 고압에서 처리한 후 목재에서 셀룰로오스가 추출되고 폐액에 다량의 리그노술포네이트 나트륨이 남게 됩니다. 최종 제품은 농축 및 정제 후 만들 수 있습니다. 원료는 주로 가문비나무, 소나무와 같은 침엽수와 활엽수이며, 이러한 원료를 사용하여 연간 약 700만 톤의 리그노설포네이트가 만들어집니다.

폐액에는 리그노술포네이트 나트륨 외에도 헤미셀룰로스, 설탕 및 기타 유기물도 남아있었습니다. 현대식 공장에서는 폐액에서 에탄올을 추출하고 효모를 배양하여 폐액을 완전히 활용하고 폐기물을 제로화할 수 있습니다.

중국은 세계 최대의 리그노술포네이트 나트륨 생산국입니다. 주요 원료는 제지 공장에서 나오는 폐용액이며, 일부 공장에서는 시장의 수요가 많기 때문에 포스트 설폰화 방법을 사용하여 크래프트 리그닌으로 생산하기도 합니다.

3. 누가 리그노술포네이트 나트륨을 발명했나요?

1867년 미국 필라델피아에서 벤자민 틸그만이라는 미국인이 아황산염 펄프화 공정에 대한 특허를 출원했습니다. 목재가 유황수에 담근 후 부드러워지는 것을 관찰한 것이 영감이 되었다고 합니다. 이 발견은 현대 아황산염 펄프 및 제지 산업의 토대를 마련했습니다.

1874년 스웨덴의 화학공학자 칼 다니엘 에크만(Carl Daniel Ekman)이 최초의 아황산염 제지 공장을 설립하면서 이 기술을 상용화했습니다. 이 기술의 부산물인 리그노술포네이트 나트륨은 폐기물로 처리되어 직접 배출되어 강을 오염시킵니다.

연구자들은 20세기까지 폐액의 상업적 가치를 조사하기 시작했습니다. 환경 규제가 강화됨에 따라 공장은 폐액을 처리할 방법을 찾아야 했고, 그 결과 리그노술포네이트 나트륨의 일반적인 용도를 발견하게 되었습니다.

4. 리그노설포네이트 나트륨의 종류

리그노설포네이트는 나트륨(Na⁺), 칼슘(Ca2⁺), 마그네슘(Mg²⁺) 또는 암모늄(NH₄⁺)과 같은 다양한 양이온과 결합할 수 있습니다. 리그노설포네이트 나트륨은 리그노설포네이트와 나트륨의 조합입니다. 수용성이 뛰어나고 다양한 용도로 시중에서 흔히 볼 수 있습니다. 칼슘 리그 노 술포 네이트의 수용성은 낮지 만 비용은 상대적으로 합리적입니다. 마그네슘 리그 노 술포 네이트는 특정 특정 목적으로 사용됩니다.

리그 노 술포 네이트 나트륨을 물리적 형태로 분류 할 때 건조 분말은 2024 년 전 세계 생산량의 약 58%를 차지했습니다. 주요 용도는 콘크리트 첨가제입니다. 액체 형태는 42%를 차지했으며 주로 농업용 동물 사료에 사용됩니다. 리그 노 술포 네이트 나트륨을 순도에 따라 분류하면 표준 등급은 건설 및 농업에 사용되며 정제 등급은 동물 사료 및 식품 산업에 사용되며 고순도 등급은 제약 및 정밀 화학에 사용됩니다.

이러한 지표는 콘크리트의 도포 성능에 영향을 미치므로 조달 시 수분 함량, pH 값(보통 8~11), 건조 분말의 환원당 함량에 주의를 기울여야 합니다. 제품 사양은 공급업체마다 크게 다를 수 있으므로 기술 데이터 시트(TDS)를 요청하는 것이 좋습니다.

5. 리그노설포네이트 나트륨은 어떻게 생산되나요?

제조 공정에는 여러 단계가 있습니다:

우드 칩은 130-160°C, pH 1.5-5의 조건에서 4-14시간 동안 황산 용액에 담근 소화조에 넣습니다.

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리그닌이 설폰화되고 친수성 설폰산기가 유도되어 수용성이 됩니다.

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리그노설포네이트의 건조 고형물 50-60%가 포함된 폐액은 증발 농축, 한외 여과 및 이온 교환 정제를 통해 처리됩니다.

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최종 분말 제품은 분무 건조 후 얻습니다.

전체 생산의 핵심은 소수성 리그닌을 친수성으로 전환하는 설포네이션 공정이며, 이는 리그노설포네이트 나트륨의 모든 기능의 근본적인 원천입니다.

일부 공장에서는 포름알데히드와 아황산나트륨을 고온에서 반응시키는 설포네이션 공정을 크래프트 리그닌에 적용하기도 합니다. 구조는 약간 다르지만 기능은 비슷한 제품을 생산할 수 있습니다. 이 방법은 전 세계적으로 크래프트 리그닌의 가용성이 아황산염 공정의 가용성을 훨씬 초과함에 따라 점점 더 중요해지고 있습니다.

6. 리그노설포네이트 나트륨의 응용 분야

리그노설포네이트 나트륨의 주요 용도는 건설 산업으로, 전 세계 소비량의 40%를 차지합니다. 콘크리트 감수제인 리그노설포네이트 나트륨은 물 소비량을 12%까지 줄일 수 있습니다. 또한 강도와 내구성을 향상시키고 경화 시간을 지연시킬 수 있습니다. 2024년에는 약 2억 2천만 톤의 콘크리트에 이 첨가제가 사용될 것으로 예상됩니다. 건설 산업 외에 농업이 약 25%를 차지하고, 금속 및 광업에서 20%의 리그노설포네이트 나트륨이 사용됩니다.

농업 분야에서 리그노설포네이트 나트륨은 동물 사료 펠릿 바인더, 토양 개량제, 서방성 비료 제제로 사용됩니다. 금속 및 광업의 경우 광물 분말의 바인더 및 드릴링 유체 첨가제로 사용됩니다. 또한 리그 노 술포 네이트 나트륨의 정제 된 제품은 식품 접촉 재료 및 동물 사료에 사용하도록 FDA의 승인을 받았습니다.

새로운 응용 분야도 빠르게 발전하고 있습니다. 리그노설포네이트 나트륨은 현재 납산 배터리 산업에서 충방전 성능을 향상시킬 수 있는 전극 첨가제로 연구 중입니다. 또한 하수 처리에서 중금속 흡착제로 처리되어 비교적 저렴한 비용으로 폐수에서 납이나 카드뮴과 같은 중금속을 제거할 수 있습니다.

7. 리그노설포네이트 나트륨의 장점

폴리카복실레이트 감수제(PCE)와 같은 합성 감수제에 비해 리그노설포네이트 나트륨의 비용은 톤당 약 $50으로 PCE의 10분의 1에 불과합니다. 성능은 일반 건축에 사용하기에 충분합니다. 합성 감수제는 고층 건물이나 고성능 콘크리트에만 필요합니다.

다른 장점으로는 우수한 수용성과 사용 편의성을 들 수 있습니다. 또한 제지 공장에서 나오는 부산물이기 때문에 생분해 및 재생이 가능하여 환경 친화적입니다. 또한 리그노설포네이트 나트륨은 다양한 산업 분야에 적용할 수 있는 다기능성 물질입니다. 천연 항균 특성으로 인해 방부제로도 사용할 수 있습니다.

리그노설포네이트 나트륨의 한계 중 하나는 갈색에서 검은색을 띠기 때문에 흰색이나 밝은 색상의 제품에는 적합하지 않다는 것입니다. 또한 약 5%의 황 함량으로 인해 특정 고급 용도(예: 제약용)에는 적합하지 않습니다. 이것이 바로 순도가 높기 때문에 더 비싼 오가노솔브 리그닌이 여전히 수요가 많은 이유를 설명합니다.

8. 지속 가능성을 위해 리그노설포네이트 나트륨이 중요한 이유 8.

제지 공장에서 연간 리그노설포네이트 나트륨을 생산할 때 상업적 활용 부분은 폐기물을 가치 있는 원료로 전환하는 것과 같습니다. 리그노설포네이트 나트륨 1톤을 합성 화학 물질로 대체하면 약 1.5톤의 이산화탄소 배출량을 줄일 수 있습니다.

합성 첨가제를 리그노술포네이트 나트륨으로 대체하는 것은 화학물질의 등록, 평가, 허가 및 제한(REACH) 및 중국 친환경 건축자재 제품 인증에 의해 촉진됩니다. 이러한 정책 방향은 전 세계적으로 바이오 기반 소재에 대한 수요가 증가함에 따라 산업의 장기적인 발전에 도움이 됩니다. 2024년 세계 시장 규모는 약 46억 위안(중국 위안화)이었으며, 안정적인 성장으로 2030년에는 50억 위안에 달할 것으로 예상됩니다.