왕겨 실리카 추출 공정 및 화장품 소재 적용 연구

Abstract

In this study, silica was effectively extracted from rice husk and applied to cosmetics materials to utilize rice husk as high value-added resources. In chapter 1, the current status of rice husk production, utilization and its composition were presented. In addition, current silica extracting methods from rice husk was investigated and presented in the chapter 1. In chapter 2, alkali leaching conditions and processes for extracting silica from rice husk were established. The optimum conditions were established for extracting silica from rice husks into a form of silicate using sodium hydroxide. To find the optimum conditions for pilot scale process, alkali extractions were performed in batch conditions. Afterwards, two-stage continuous process was performed under the condition found in the batch condition. For continuous process, attrition ball mill was employed to prepared micron-sized rice husk slurry to improve the fluidity of the sample. In particular, this study found the extracting conditions under atmospheric pressure conditions and below 100°C to improve the process cost and safety. Firstly, the effects of alkali leaching parameters, such as the alkali solution type and reaction conditions, on the silica extraction yield were investigated in a batch process. The use of NaOH showed a slightly higher silica yield than KOH. The optimum reaction conditions were found to be 0.2 M, 80 ℃, 3 h, and 6%(w/v) for the reaction concentration, temperature, duration time, and solid content, respectively. Based on these conditions, two-stage continuous leaching process was developed in a Lab scale. In the two-stage continuous leaching process, rice husk and alkali solvents were pulverized and mixed through ball mill pretreatment in the first reactor to produce micron-sized rice husk slurry. the rice husk slurry was transferred to the second reactor continuously to extract silica through alkali leaching process. The extraction yield was about 90% during 80 hours of operation. The continuous leaching process in pilot scale was performed using a 30L sized pilot continuous alkali leaching reactor based on the two-stage continuous leaching process. In the pilot scale reactor, rice husk was continuously supplied to the reactor. In the reactor, the ball mill grinding and alkali leaching were simultaneously performed. The extraction yield was maintained about 80% 180 hours. The particle size of the milled rice husk was about 150 ~ 200 μm. The extracted silica was identified as amorphous by XRD and the purity was 99.1%. In chapter 3, the study for using the extracted silica as a cosmetic material was presented. Pot mill pretreatment was performed to improve tactility of rice husk silica for cosmetic application. The metallic impurities in rice husk were removed by acid treatment and, subsequently organic compounds were removed by thermal decomposition. Finally, the high purity silica, 99.91%, was obtained. The particle size was 14.91 μm after the pot milling, and the oil absorption capacity was 0.9 – 1.3 ml/g. The silica prepared in this study is suitable for satisfying the standard of cosmetic materials in oil absorption and can be applied as a cosmetic material. |본 연구에서는 왕겨를 고부가가치 소재로 활용하기 위해 왕겨로부터 효과적으로 실리카를 추출하고 이를 화장품용 소재로 적용하기 위한 연구를 수행하였다. 1장에서는 서론으로 왕겨의 생산 및 활용 현황, 왕겨의 구성 성분, 그리고 왕겨로부터 실리카를 추출하는 기존 방법에 대해 고찰하였다. 2장에서는 왕겨로부터 실리카를 추출하기 위한 알칼리 침출 조건 및 공정을 확립하였다. 왕겨 내에 존재하는 실리카를 실리케이트 형태로 추출하기 위해서 수산화칼륨과 수산화나트륨을 이용하여 추출하는 조건을 확립하였다. Pilot scale로 왕겨를 처리하기 위해서 batch 조건의 알칼리 추출 공정 확립 후 Two-stage 연속 공정을 통한 추출 공정과 Pilot scale 연속식 공정 조건을 확립하는 연구를 수행하였다. 왕겨 시료의 이송을 원활하게 하기 위해서 볼밀링을 통해 왕겨 슬러리를 만들어 시료의 유동성을 향상시켰다. 특히 본 연구에서는 공정 비용 감소 및 안전성을 향상시키기 위해서 100℃ 이하의 상압(대기압) 반응의 조건에서 실리카를 추출하는 조건을 확립하였다. 먼저, 왕겨의 알칼리 침출 조건의 최적화를 위하여 batch 공정 조건에서 여러 가지 변수에 따른 실리카 추출 수율을 비교하였다. 변수로서, 알칼리 용매의 종류, 농도, 반응 온도, 반응 시간, 고체 함량을 선정하여 이에 따른 실리카 추출 수율을 비교하여 최적 조건을 선정하였다. 연속 공정 확립을 위해서 볼밀 전처리 공정을 도입하여 추출 수율을 향상시키면서 동시에 손 쉽게 이송할 수 있도록 미립자 왕겨 슬러리를 제조하였다. 볼밀 전처리 공정 조건에서 실리카 추출 수율과 시료의 유변학적 변화를 분석하였다. 이를 기반으로 Lab scale에서 Two-stage 연속식 침출 공정을 개발하여 첫번째 반응기에서는 왕겨와 알칼리 용매를 볼밀 전처리를 통해 분쇄·혼합하여 미립자 왕겨 슬러리를 제작하고 이를 두번째 반응기로 연속적으로 이송하여 알칼리 침출 공정을 통해 연속적으로 실리카를 추출하였다. 80시간의 운전시간동안 약 90%의 추출 수율을 확인하였다. Two-stage 연속식 침출 공정을 바탕으로 30L Pilot scale 연속식 알칼리 침출 공정을 확립하였다. 연속적으로 왕겨를 반응기로 공급하고 반응기에서는 볼밀 분쇄와 알칼리 침출이 동시에 수행되는 공정으로 180시간 동안 연속적으로 운전하여 약 80%의 추출 수율을 안정하게 유지하는 것을 확인하였다. PSA를 통해서 분쇄된 왕겨의 입자크기가 약 150 ~ 200 ㎛인 것을 확인하였다. 추출된 실리카는 XRD를 통해 비정질임을 확인하였고, ICP-OES를 통해 99.1%의 순도를 보이는 것을 확인하였다. 3장에서는 이렇게 추출된 실리카를 화장료로 사용하기 위한 연구를 수행하였다. 고순도로 추출 된 왕겨 실리카를 화장료로 사용하기 위해 촉감 향상을 위한 Pot milling 전처리를 수행하였다. 산처리를 통해서 왕겨 내 존재하는 금속양이온화합물을 제거하고 이후 열 분해를 통해 유기물을 제거하여 최종적으로 99.91%의 고순도 실리카를 제조하였고, 이렇게 제조된 실리카를 화장료로 사용하기 위해 Pot milling을 통한 촉감 향상시켰다. Pot milling을 통해 평균 입자 크기가 14.91 ㎛인 실리카 입자를 얻었다. 이 입자에 오일 흡유능을 평가하여 0.9 – 1.3ml/g의 오일 흡유량을 보이는 것을 확인하였다. 제조된 실리카는 화장품 재료의 최소 흡유 표준 기준에 적합하며 화장료로서 적용이 가능함을 확인하였다.