잎담배의 수분 흡착 특성과 흡착 등온식의

모델에 관한 연구

오인혁□김기환□정경락*

한국인삼연초연구원 상품개발부

*전북대학교 공과대학 화학공학부

Adsorption isotherms models and moisture adsorption

characteristics of tobacco

Oh, In-Hyeog, Kim, Ki-Hwan & Jheong, Gyeong-Rak*

Div. of Tobacco Product Development, Korea Ginseng and Tobacco Research Institute, P. O. Box 7, Yousung, Taejon, Korea

*School of Chemical Engineering, Chonbuk National University, Chonju, Korea

서    론

담배제조공정 중에 수분의 조절은 원료 잎담배의 손실방지, 膨嵩性 및 燃燒性 등의 물리적 성질과 담배맛에 큰 영향을 미친다(1). 수분을 효율적으로 관리하고 수분의 표준설정과 관리 시스템을 개발하기 위해서는 잎담배의 흡착율, 조화시간과 평형 함수율 등에 관한 많은 자료와 잎담배 자체의 구조적 특성 및 이화학적 특성과의 상호 관계에 대한 지식을 필요로 한다. 특히 담배 가향 공정 중에서는 여러 가지 휘발성 향료 물질을 회전식 가향기 내에서 잎담배 표면 상에 뿌려 주어 증발 흡착되는 과정을 거친다. 그러므로 가향공정의 최적조건을 찾기 위하여서는 수증기나 휘발성 향료성분에 대한 다성분계 흡착 평형에 대한 지식 습득이 필수적이다고 할 수 있다.

잎담배와 같은 다공성 재료에서의 흡착과정을 일반적으로 다분자층의 등온 흡착과정으로 여겨지는데, 즉 상대습도가 극히 낮은 경우를 제외하고는 수분과 잎담배의 표면사이에는 van der Waals의 힘이 작용하여 물리흡착이 일어난다(2). 그러므로 흡착된 수분은 잎담배 표면에 약하게 묶여 있고 흡착열은 적으므로 온도가 올라가면 흡착량은 현저하게 감소한다. 이러한 특성에 대한 연구는 잎담배의 표면 구조 뿐만 아니라 표면에서 발생하는 수분과의 상호작용에 대한 이해를 도울 수 있다.

본 연구에서는 여러 가지 국내 잎담배 중에서도 대표적인 황색종과 버어리종에 대해서 실험하였다. 황색종 담배잎은 일반적으로 조직이 치밀하므로 밀도가 크며 끽미는 완화하면서도 향기와 감미가 있는 것으로 알려져 있다. 또한 버어리종은 부풀성, 연소성과 보향성과 같은 물리적 성질은 좋으나 향기 성분이 부족하다. 이러한 특성을 갖는 두 가지 시료에 대해서 각 조건 별로 평형 함수율을 구하고 흡착상수(k)는 Arrhenius식에 적용하여 활성화 에너지와 잦음률(frequency factor)을 계산할 수 있었다. 상대습도 변화에 따른 평형함수율을 BET 흡착 등온식과 그 밖의 모델들에 상관화 시켜 실험식을 찾아 비교 고찰하였고, 흡착제로서의 잎담배 표면 구조 성질인 비표면적과 단분자층의[eqn: rm -DeltaH_1^o]도 구하였다.

이    론

원료 잎담배의 건조과정 중에는 탈수가 시작되면서 담배잎은 수축되어 주름살이 증가되고 내용성분이 분해되어 내부 공극은 커진다. 잎담배 표면은 다공성 고체면으로 이루어져 있으므로, 수분이 흡착되는 과정을 Brunauer, Emmet 및 Teller의 다분자층 흡착 이론에 적용하면 다음과 같은 흡착 등온식을 구할 수 있다.

[eqn: p over{ M_e (p^0 -p)} = 1 over {M_m c} + left( c-1 over {M_m c} right)left( p over p^0 right)]	(1)

측정치들로부터 좌변의 양을 구한 다음 이것을[eqn: p/p^0]에 대해서 도시하면 직선의 절편[eqn: (1/M_m c)]와 기울기[eqn: (c-1)/(M_m c)]로부터[eqn: M_m]과[eqn: c]의 값을 구할 수 있다. 그리고 주어진 온도에서의 포화 수증기압은 Calingaert의 식(3)을 이용하여 구하였다.

[eqn: log p^0 =7.991- 1687 over T-43]	(2)

[eqn: M_m]값으로부터 다음식을 이용하여[eqn: N_m]을 계산할 수 있다.

[eqn: N_m = N_A M_m over {18 rm g/mol}]	(3)

그러므로 한 분자가 차지하는 넓이[eqn: alpha]를 알면 흡착제인 잎담배의 단위 질량이 갖는 비면적 s를 계산할 수 있다.

sＡ[eqn: 넓이 over 단위질량 =N_m alpha]	(4)

그리고 잎담배 표면의 단분자 흡착층에서 발생하는 엔탈피 변화량[eqn: rm DeltaH_1^o]은 다음과 같다.

[eqn: DeltaH_1^0 = -DeltaH_vap^0 -RT ln c]	(5)

실    험

1) 잎담배 시료 및 실험

잎담배 시료는 각폭을 0.9mm로 절각한 버어리종과 황색종을 사용하였다. 온도는 25℃에서 상대습도가 조절된 조건하에서 실험을 수행하였다.

수분 흡착 실험용 시료는 80℃의 열풍순환식 건조기에서 약 2시간 건조시켜 시료의 수분을 균일하게 예비 건조한 후 시료 약 2g을 평량병(50ml)에 넣어 정확한 무게를 달고, 그 시료는 각 RH 조절용 용액이 든 데시케이터에 넣어 25℃로 온도가 유지된 조화기내에서 흡착조화 시켰다. 흡착조화된 시료는 약 100시간에 걸쳐 평균 10시간 간격으로 그 무게를 정확히 칭량하고, 그 시료는 다시 100℃의 열풍순환식 건조기에서 3시간 건조한 후 무게를 칭량하였다.

2) 평형 함수율의 계산

수분의 흡착에 따른 평형 함수율을 계산하기 위해서 흡착과정을 1차 반응과 동일한 형태로 가정하면 반응속도 상수 k(즉 여기서는 흡착상수)를 이용한 1차반응식으로 나타낼 수 있다.

[eqn: M-M_e over {M_0 -M_e} = e^{-rmkt}]	(6)

각 시간 별 함수율 자료에서 식 (6)과 같은 형태로 상관화 시켜서 실험식을 구한 후 평형 함수율을 계산하였다.

결과 및 고찰

1) 흡착상수(k)의 계산

RH 60%에서 각 시료의 시간 경과에 따른 함수율 측정치와 식 (6)과 같은 실험식의 곡선을 비교하여 본 결과 잎담배 상에서 수분의 흡착량이 거의 지수적으로 증가함을 확인할 수 있었다. 그러므로 잎담배 표면에서 발생하는 수분의 흡착과정을 1차반응식과 동일하게 사용할 수 있다. 그리고 Arrhenius의 식 (7)에 적	[eqn: rm log_10 k=log_10 F - E^* over {2.303RT}]	(7)

용하면 그 직선의 기울기로부터 활성화 에너지를 구할 수 있고 그 절편으로부터는 잦음률를 구할 수 있다. 본 연구에서는 온도의 변화에 따른 잎담배의 흡착특성에 대한 데이터를 얻지 못하였으므로 Walton and Henson(4)이 발표한 자료를 이용하여 그 특성에 대해서 알아보았다. 액상의 수분은 다공성 재료의 표면 상에서 기화된 후 흡착 되므로 활성화에너지[eqn: rm E^*]는 수분의 증발열 보다 약간 클 것으로 예상 되어진다. 그 이유는 흡착되기 전의 수분은 혼합 용액으로 존재하므로, 증발하는데 필요한 열량은 순수한 물의 증발열(40,595J/mol) 보다 클 것으로 예상되는데, RH93%를 제외하고는 활성화에너지 값이 약간 큰 것을 확인할 수 있었다. 즉 이 사실은 액상 수분의 흡착과정을 1차 반응식과 같은 형태로 가정하여 Arrhenius 식에 적용할 수 있다는 사실을 나타내준다.

2) 흡착 등온식의 모델

각 평형 함수율을 상대습도 별로 도시한 흡착 등온 곡선은 Fig. 1과 같이 sigmoid형의 곡선을 나타낸다. 담배 종류별로는 RH43%∼RH68% 범위를 제외하고 대체적으로 버어리종의 평형함수율이 높다고 할 수 있다. 버어리종은 RH65%, 황색종은 RH78% 부근에서 평형 함수율이 크게 증가하는데 그 이유는 이 부근에서 기체가 완전히 액화되기 시작하기 때문이다.

버어리종과 황색종 담배의 흡착 등온 곡선을 여러 가지 형태의 실험식에 적용하여 그 결과를 비교하여 보았다. 여기서 각 상관식의 상관계수는 통계 처리 프로그램(SPSS for Windows Release 6.1)을 이용하여 구하였다. 그 결과 Gladkov의모델을 제외하고는 상관계수 r이 0.95 이상이었으며, 그 중 Kamei 모델의 r은 0.998로서 버어리종과 황색종 잎담배의 흡착 등온 모델로 가장 적합하였다. 그리고 버어리종에 대한 4가지 모델의 흡착 등온 곡선을 Fig. 2에 나타내어 보았다.

3) 비표면적과 단분자층의[eqn: rm -DeltaH_1^o]

본 실험에서 계산된 버어리종의 단분자층 흡착량은 0.0436g/g이며, 황색종은 0.0421g/g이다. Salwin(5)은 건조식품이 가장 안정한 저장성을 나타내주는 수분 함량은 그 식품의 표면에서 단분자층 흡착량과 일치한다고 발표하였다. 따라서 버어리종은 약 4.36%, 황색종은 약 4.21% 정도의 함수율이 저장성에 좋음을 보여준다.

그리고 단분자층의 흡착량을 식 (3)와4) 적용하여 풀면, 버어리종과 황색종의 비표면적은 각각 157[eqn: rm m^2 /g], 152[eqn: rm m^2 /g]이다. 또한 단분자층의[eqn: rm -DeltaH_1^o]는 각각 45,972J/mol, 45,486J/mol인데, 물의 응축열(40,595J/mol) 만을 흡수하는 두 번째 이상의 층에 비해서 흡착제인 잎담배 표면이 흡수하는 열량이 크다는 사실을 알 수 있다. 이는 Nakanishi and Kobari(2)가 발표한 결과와도 잘 일치하였다.

참고문헌

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Fig. 1. Adsorption isotherms for moisture of various tobaccos at various levels of RH% and at 25 ℃.

Fig. 2. Regression analysis of moisture adsorption isotherms models for burley.