KR101130068B1 - 식생을 이용한 고효율 이산화탄소 저감 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 식생을 이용한 고효율의 친환경 이산화탄소 저감 시스템에 관한 것으로서, 덮개가 있는 반응조, 상기 반응조의 바닥에 식재되어 있는 식생 및 LED 광원 장치를 포함하는 이산화탄소 저감 시스템에 관한 것으로서, 상기 이산화탄소 저감 시스템은 광자의 활성을 최대화하기 위한 부분 반사체, 광자의 분산 조사를 위한 광섬유 조사 장치 및 부분 반사체를 보조하기 위한 전반사체를 더 포함할 수 있다. 상기 이산화탄소 시스템은 광합성의 광원으로서 LED를 제공함으로써 식생에 의한 이산화탄소의 저감율 (탄소고정화)을 극대화한다. 상기 반응조에 질소산화물, 황산화물 및 미세 먼지 등의 유해 가스를 처리하는 전처리 장치 또는 이산화탄소를 농축/송출하는 챔버 를 연결하여 식물 생육 환경을 양호하게 하며 인근 산업 설비에서 배출되는 유해가스도 정화할 수 있고, 이산화탄소 저감율을 증대시킬 수 있다.
이산화탄소 저감 시스템, 부분 반사체, 광섬유 조사 장치

Description

식생을 이용한 고효율 이산화탄소 저감 시스템 {HIGHLY EFFICIENT CARBON DIOXIDE REMOVAL SYSTEMS USING PLANTS}
본 발명은 이산화탄소 저감을 위한, 식생을 이용한 탄소고정화 (carbon fixation) 시스템에 관한 것으로서, 에너지 절감 및 광합성 효율의 증대를 위한 덮개가 있고, 식물이 식재되어 있는 반응조에 기존의 형광등 또는 백열등을 대신하여 LED가 식생의 광합성 광원으로 설치되어 있는 이산화탄소 저감 시스템에 관한 것이다.
식물 또는 미세 조류(潮流) 등의 식생을 이용하여 이산화탄소를 저감하는 기술 (탄소고정화)은 다른 물리?화학적 회수 방법들과 달리 태양에너지를 광원으로 이용하므로 투자 비용이 저렴하고, 환경 유해 물질의 발생으로 인한 2차 처리 비용이 소요되지 않으며, 경관 조성에도 크게 기여할 수 있다는 장점이 있다. 뿐만 아니라 처리 후 얻은 바이오매스는 에너지원, 비료 또는 친환경 재료 등의 다양한 용도로 재사용할 수 있으므로, 상품화가 용이하다.
이러한 식생을 이용한 이산화탄소 저감 시스템을 실제로 적용하기 위하여 종래에는 산지, 초원 또는 습지 등의 거대 탄소 흡수원 (carbon sink)으로서 외부 반 응 시설을 사용하여 왔는데, 이러한 시설의 설치 및 운영은 태국 등의 동남아 국가, 미국 또는 캐나다와 같은 대규모 인공 습지 구축이 용이한 일부 국가에서만 상용화되어 왔다. 그러나 상기 실례를 우리나라와 같이 부지의 확보가 어려운 국가에서 설치하기에는 공간적 제약이 있을 뿐만 아니라, 일조 시간도 제약되며, 현장에 적용한다고 하여도 야간에 운영하는 경우 또는, 지하 시설물 (주차장 또는 터널 등) 또는 내부 시설물 (온실 또는 빌딩 등)로 운영하는 경우에 인공 광원으로서 백열등, 형광등 또는 나트륨 램프 등을 사용하기 때문에 전력 소비량이 높아 관리 비용 측면에서 문제가 있다. 또한, 광원 자체로부터 방출되는 열이 많기 때문에 장시간 운영시 내부 온도가 급상승하여 식물의 생육에 피해를 끼칠 수 있고, 사용 후 폐기되는 광원 부속품 중의 중금속 등의 유해 물질의 2차 처리 문제가 있으며, 외부로부터 유해가스가 유입되어 식물 생육에 영향을 주는 등, 여러 가지 요인으로 인하여 현장 적용에 극히 제약이 따를 수밖에 없다.
식물의 엽록체는 클로로필 a, b 또는 카르티노이드와 같은 광합성 색소 수용체를 함유하고 있으며, 각 수용체는 고유의 흡수 파장 대역의 빛을 흡수한다. 도 3은 광합성 색소 별 흡수 파장 대역을 나타낸 것인데 클로로필 a 및 b의 경우 청색 및 적색 파장 부근에서 최대 흡수치를 보이고 있다. 이러한 파장 대역에서 광합성 효율이 최적일 것이므로, 이산화탄소의 제거 효율도 최적이 될 것이다.
LED는 전력 소비율이 낮고 유해물질 또한 적어서 환경 친화적인 차세대 에너지원으로 주목받고 있는데, LED를 이용하여 식물의 엽록체에서 최대 파장을 나타내는 빛을 조사하면, 전력 소모가 적을뿐더러 광합성 효율도 증대시킬 수 있다.
특허문헌 1 내지 4에 나타난 바와 같이 종래에는 농가 소득 증대를 위하여 식생 재배 기술 및 장치에 LED를 활용하였으나, 본 발명에서와 같이 이산화탄소를 제거하기 위한 목적으로 LED를 접목한 사례는 전무하였다.
특허문헌 1 : 국내공개특허 2000-0006611
특허문헌 2 : 국내공개특허 2003-0005023
특허문헌 3 : 등록실용 20-0362989
특허문헌 4 : 등록특허 10-0879711
본 발명은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서,
본 발명의 목적은 백열등 또는 형광등 대신 식물의 광합성 광원으로서 LED를 사용함으로써, 에너지 절감 효율 및 광합성 효율이 높은 이산화탄소 저감 시스템을 제공하려는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 부분 반사체, 전반사체 및 광섬유 조사장치를 사용함으로써 에너지 절감 효율 및 광합성 효율을 극대화할 수 있는 이산화탄소 저감 시스템을 제공하려는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 이산화탄소 저감 시스템을 현장에 적용함에 있어서, 인근 산업 설비에서 발생되는 유해 가스가 유입되는 것을 방지하기 위한 전처리 장치 또는 이산화탄소 농도를 조절하기 위한 농축/송출용 챔버를 사용하여 식물 생장에 적합한 환경을 제공하는 이산화탄소 저감 시스템을 제공하려는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 본 발명에 따른 이산화탄소 저감 시스템을 현장에 적용하여 에너지 절감 효율 및 광합성 효율이 높은 이산화탄소를 저감시키는 방법을 제공하려는 것이다.
상기한 목적들은 다음의 본 발명의 구성에 의하여 달성될 수 있다.
본 발명은 덮개가 있는 반응조, 상기 반응조의 바닥에 식재되어 있는 식생 및 상기 식생과 마주하도록 상기 반응조의 상부 내벽 또는 내측면에 설치되어 상기 식생의 광합성을 증진시키는 LED 광원 장치를 포함하는 이산화탄소 저감 시스템.
발명에 따른 상기 이산화탄소 저감 시스템을 지하 주차장, 터널, 지하철 또는 온실에 설치하여 이산화탄소를 저감시키는 방법.
본 발명에 따른 이산화탄소 시스템은 자연광의 공급이 제한적인 온실, 빌딩 또는 지하 시설물 (주차장 또는 터널 등) 등에 설치하여 이산화탄소를 획기적으로 저감시킬 수 있으며 시설물의 경관 조성에도 크게 기여할 수 있다. 또한 본 발명에 따른 이산화탄소 저감 시스템을 이용한 이산화탄소의 제거는 기타 물리?화학적 이산화탄소 제거법에 비하여 에너지 효율이 높고 환경에 유해한 부산물도 적어 환경 친화적이다. 또한 본 발명에 따른 이산화탄소 저감 시스템은 유해가스 농도가 높은 산업 시설 내에 적용할 수 있을 뿐만 아니라, 이산화탄소 저감 시스템의 운영 결과 생산되는 식물 바이오매스는 에너지원, 비료 또는 천연소재 등 다양한 용도로 활용할 수 있다.
또한, 부분 반사체 (partially reflecting device), 광섬유 (optic fiber) 조사 장치 및 전반사체를 더 포함시켜 에너지 절감 효율 및 광합성 효율을 극대화하고, 이산화탄소 농축/송출용 챔버를 상기 반응조에 연결하여 상기 식생의 광합성에 적합한 농도의 이산화탄소 농도를 유지시킴으로써 이산화탄소 저감 효율을 증대시키며, 유해가스를 처리하는 전처리 장치를 상기 반응조에 연결하여 식생의 광합성에 더욱 유리한 환경을 조성할 수 있다.
본 발명은 덮개가 있는 반응조 (130), 상기 반응조의 바닥에 식재되어 있는 식생 (140) 및 상기 식생 (140)과 마주하도록 상기 반응조의 상부 내벽 또는 내측면에 설치되어 상기 식생 (140)의 광합성을 증진시키는 LED 광원 장치 (100)를 포함하는 이산화탄소 저감 시스템에 관한 것이다.
본 발명에 있어서 상기 반응조 (130)는 실내 또는 실외에 설치될 수 있으며, 그 크기는 좋기로는 1m× 1m× 1m부터 10~20m× 100m× 5~10m (너비× 길이× 높이)까지 다양하게 할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 있어서 상기 LED 광원 장치 (100)는 파장이 500 내지 900 nm인 광자를 조사하는 장치로서, 시판되는 것을 사용한다. 적색 영역 (파장 : 600 내지 750 nm)의 LED 광원 장치가 좋다. 상기 LED 광원 장치 (100)는 반응조 (130)의 상부 내벽 또는 내측면에 3각, 4각, 원형 또는 타원형으로 배치 가능하며 반응조의 상부 내벽에 배치되는 것이 일반적이나 본 발명에 있어서는 식생 (140)의 잎에 광자가 잘 도달하여 광합성을 증진시키기 위하여 내측면에도 설치하는 것이 바람직하다.
또한 본 발명에 있어 상기 식생 (140)은 반응조의 바닥에 식재되어 광합성에 의하여 이산화탄소를 고정화하는 기능을 수행하는 것으로서, 작물류, 초본류, 수생식물 소목 및 조류(藻類)로 이루어진 군으로부터 1종 이상 선택된다. 작물류로는 토마토, 고추 또는 배추 등을 들 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 초본류로는 쑥, 사철쑥, 까치수영, 산박하, 미나리, 고나리, 단풍취 또는 질경이 등을 들 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 수생식물로는 물칸나, 부레옥잠, 물상추, 부들, 피, 창포, 물양귀비, 물앵무새깃, 줄, 갈대 또는 골풀 등을 들 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 조류로는 클로렐라, 브트리오코카스, 뗏목말 (Scenedesmus acuminatus) 또는 클라미도모나스 등의 녹조류와 스피룰리나 등의 남조류를 들 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 따른 이산화탄소 저감 시스템은 LED 광자를 최대로 활성화하기 위하여 부분 반사체 (partially reflecting device) (110)를 더 포함할 수 있다. 상기 부분 반사체 (110)는 도 1b에 나타난 바와 같이 특정 반사체에 의하여 광자의 일부는 투과하고 일부는 반사하는 특성이 있다. 따라서, 본 발명에 따른 이산화탄소 저감 시스템에서는 광자의 활성이 극대화되고, 이에 의하여 식물의 광합성이 증가하므로 이산화탄소의 제거 효율이 상승하고, 광합성에 소요되는 에너지가 절감된다. 상기 부분 반사체 (110)는 광학 소자인 패브리-페로 에탈론 (Fabry-Perot etalon) 원리를 바탕으로 하여 반사체의 반사율, 흡광도 차이에 따라 흡광 증폭 인자 (α) 또한 변화한다. 부분 반사체에 의한 광자 증폭에 관한 식은 다음과 같다.
Figure 112009073238972-pat00001
상기 식에서 흡광 증폭 인자 α는 흡광도 A가 작고, 즉 반사율 Rw가 클수록 커진다. 흡광 증폭 인자 α는 부분 반사체 (110)의 소재로 사용되는 재료에 따라 반사율 Rw 및 흡광도 A가 달라지나, 반사율 Rw가 크면서도 흡광도 A가 작은 재료를 사용하는 것이 좋고 부분 반사체에 피복되는 피복제의 농도 및 피복 부위를 조절하여 반사율 및 흡광도를 조절할 수 있다. 별법으로는 부분 반사체 (110)의 형태를 볼록 또는 오목 형태로 조절하여 반사율 Rw를 조절함으로써 흡광 증폭 인자 α를 조절할 수 있다.
상기 부분 반사체 (110)는 광자의 투과 및 반사의 최대화를 위하여 식생의 근접부에 설치 가능하고 고분자 계열, 스테인리스 또는 알루미늄 등의 금속류 망, 실리콘 (유리 등) 또는 아크릴 등의 다양한 투과성 (흡광도)을 지닌 재료들을 이용하여 제조할 수 있다. 고분자 소재를 이용하는 경우에는 표면에 부분 실버링하여 피복하거나 흰색으로 부분 도색할 수 있으며, 거울 또는 알루미늄 호일 등으로 부분 피복하여 제조할 수 있고, 시판 중인 것을 구입하여 사용할 수도 있다.
본 발명에 따른 이산화탄소 저감 시스템은 부분 반사체의 효율을 증대시키기 위하여 전반사체 (130)를 더 포함할 수 있는데, 상기 전반사체는 상기 반응조의 덮개 내벽에 부착된다. 전반사체 (130)는 상기 부분 반사체 (110)와 같은 방식으로 제조 또는 구입하여 사용할 수 있다.
LED 광원장치로부터 조사된 광자는 부분 반사체 (110)에서 일부는 투과되고 일부는 반사되는데 투과된 광자는 전반사체 (130)에서 반사되어 식물체에 전달되므로, 식물의 잎에 도달하는 광자의 양이 증폭될 수 있다.
본 발명에 따른 이산화탄소 저감 시스템에는 LED 광원의 말단에 부착되어 광합성용 광자의 방향을 다양화하는 광섬유 조사 장치 (120)를 더 포함할 수 있다. 상기 광섬유 조사 장치 (120)는 LED 광원의 말단에 부착되어 광섬유 가닥의 끝부분에서 분산되는 빛의 각도를 조절함으로써 식물체에 광자를 효과적으로 전달하는 역할을 한다. 상기 광섬유 조사 장치 (120)는 도 1c에 나타난 바와 같이, LED에 연결되는 접촉부 (210)과 광섬유 가닥 (220)으로 이루어진다. 상기 광섬유 조사 장치 (120)는 유리, 고분자 및 액체 연결관형으로 이루어진 군으로부터 1종 이상 선택되는 재료로 제조되는데 본 발명에 있어서는 시중에서 판매되는 것을 구입하여 사용한다.
본 발명에 따른 이산화탄소 저감 시스템은 인근 산업단지에서 배출되는 유해가스를 유입하여 이산화탄소를 저감시킬 수 있는데, 이산화탄소를 제외한 유해가스를 처리하기 위하여 상기 반응조에 유해가스 제거용 전처리 장치 (2)를 연결할 수 있다. 상기 전처리 장치 (2)는 집진 세정기, 습식 세정기 및 사이클론 장치로 이루어진 군으로부터 1개 이상을 사용할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
식물의 광합성에 적합한 수준의 이산화탄소 농도를 유지하기 위하여 본 발명에 따른 이산화탄소 저감 시스템에 외부 이산화탄소의 유입 속도를 조절하는 별도의 농축/송출용 챔버 (4)를 연결할 수 있다. 상기 이산화탄소 농축/송출용 챔버 (4)는 이산화탄소 농축용 압축기와 흡착재로 구성되는 송출용 내부 충진제를 포함하는데, 상기 흡착재는 우드칩, 패각, 숯, 규조토, 활성탄 및 석회로 이루어진 군으로부터 1종 이상 선택된다. 산업 설비에서 배출된 유해가스가 가스 이송관 (3)을 통하여 농축/송출용 챔버 (4)로 유입되면 상기 흡착재와 흡착 및 중화 반응을 통하여 이산화탄소의 농도를 적절하게 유지시켜 준다. 광합성에 필요한 최적의 이산화탄소 농도는 3000 내지 4000 ppm의 범위이다.
또한 전술한 본 발명에 따른 이산화탄소 저감 시스템을 터널, 주차장 및 온실뿐만 아니라 발전소, 난방 시설 및 기타 산업 시설 인근에 설치함으로써 상기 시설에서 배출되는 이산화탄소를 저감시킬 수 있다. 도 2는 본 발명을 실제 현장에 이용한 활용예이다. 도 2에 나타난 바와 같이, 산업 활동 결과 산업 시설에서 유해가스가 배출되면 이 유해가스는 가스 이송관 (3)을 통하여 이동한다. 이동 중 유해가스 처리조 (2)에서 광합성에 악영향을 미칠 수 있는 질소 산화물, 황 산화물 및 미세 먼지가 제거된 후 나머지 가스가 본 발명에 따른 이산화탄소 저감 시스템 내부로 투입된다. 최적의 광합성 조건을 위하여 이산화탄소의 농도를 조절할 필요가 있는 경우, 최종적으로 이산화탄소 가스가 이산화탄소 저감시스템 내부로 투입되기 전에 이산화탄소 농축/송출용 챔버 (4)를 통하여 식생 (140)의 광합성에 적절한 수준의 이산화탄소 농도를 유지한다.
이하 실시예를 통하여 본 발명을 상세하게 설명하고자 한다.
실시예
밀폐된 4개의 반응조 내에 각각 녹엽식물 3종 (석창포, Acorus gramineus Soland, 무늬석창포, Acorus gramineus Ogon, 스킨답서스, Scindapsus aureus)을 식재하고 광원으로 형광등, 청색 LED, 적색 LED 및 백색 LED를 각각 조사하고, 그와 동시에 광합성을 위한 탄소원으로 동일 농도의 이산화탄소 가스를 주입하였다.
도 4는 시간에 따른 반응조 중의 시간에 따른 이산화탄소의 농도 변화를 나타낸 것이다. 도 4a~4d는 각각 형광등, LED-Blue, LED-Red 및 LED-white를 광원으로 사용한 경우의 실험 결과를 그래프로 나타낸 것이다. 도 5는 실시예의 실험 결과를 근거로 하여 계산한 이산화탄소의 제거 속도를 나타낸 것인데, 도 5의 Co는 초기 이산화탄소의 농도이고 C는 시간에 따른 이산화탄소의 농도이다. 도 5의 추세선의 기울기의 크기가 이산화탄소 제거 속도를 나타내는데 도 5에 나타난 바와 같이 LED-Red를 광원으로 사용한 경우에 이산화탄소를 가장 빨리 제거하며 형광등 및 나머지 LED를 광원으로 사용한 경우에 이산화탄소 제거 속도는 비슷하게 나타났다. 도 6은 사용한 광원에 따른 에너지 소비량을 나타낸 것이다. 도 6에 나타난 바와 같이, 형광등은 이산화탄소를 90% 제거하는 데 약 100 watt/hr의 에너지 필요하지만, LED의 경우 그 절반 정도의 에너지만 필요하다.
종합하면, LED를 광원으로 사용한 경우 형광등에 비하여 이산화탄소를 그와 유사한 속도로 또는 그 보다 빨리 제거하면서도 에너지를 적게 소비하므로 경제적이고 효율적이다. 특히, 적색 LED (파장 : 600~900 nm)인 경우에 기타 색상의 LED에 비하여 효율이 높았다.
도 1a는 식생을 이용한 이산화탄소 저감 시스템의 구성도이고, 도 1b는 빛의 반반사 공법을 이용한 에너지 재활용 장치 모식도이며, 도 1c는 LED가 접합된 다방향 분산 광섬유 조사장치에 관한 모식도이다.
도 2는 식생을 이용한 이산화 저감 시스템의 현장 활용예이다.
도 3은 광합성 반응인자인 엽록소 및 카로티노이드의 흡광 스펙트럼이다.
도 4는 실시예에 따른 이산화탄소 농도의 시간에 따른 변화값을 그래프로 나타낸 것으로서, 도 4a는 형광등의 결과, 도 4b는 LED-Blue의 결과, 도 4c는 LED-Red의 결과, 도 4d는 LED-White의 결과이다 (● 대조군, □ 석창포, ◇ 무늬 석창포, △ 스킨답서스).
도 5는 실시예의 결과 및 그 결과를 근거로 계산한 추세선을 나타낸 것이다.
도 6은 파장에 따른 광원의 일정 강도에서의 에너지 소비량 측정값 (이산화탄소를 50% 또는 90%로 제거하기 위한 소비량)이다.
*도면 부호 설명*
1 : LED-Red 2 : 유해가스 처리조
3 : 가스 이송관 4 : 이산화탄소 농축/송출 챔버
5 : 식생 100 : LED 광원 장치
110 : 부분 반사체 120 : 광섬유 부착 LED
130 : 반응조 140 : 식생
210 : LED 접촉부 220 : 광섬유

Claims (11)

  1. 덮개가 있는 반응조,
    상기 반응조의 바닥에 식재되어 있는 식생,
    상기 식생과 마주하도록 상기 반응조의 상부 내벽 또는 내측면에 설치되어 상기 식생의 광합성을 증진시키는 LED 광원 장치 및
    LED의 광원의 말단에 부착되어 광자의 방향을 다양화하는 광섬유
    를 포함하는 이산화탄소 저감 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 식생은 작물류, 초본류, 수생식물, 소목 및 조류(藻類)로 이루어진 군으로부터 1종 이상 선택되는 것인 이산화탄소 저감 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 LED 광원 장치는 적색 영역의 광자를 조사하는 것인 이산화탄소 저감 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 반응조의 내벽은 전반사체이고, 상기 식생 사이에 설치되어 광자를 활성화시키는 부분 반사체를 더 포함하는 이산화탄소 저감 시스템.
  5. 제4항에 있어서, 상기 부분 반사체 또는 전반사체의 재질은 고분자, 실리콘, 스테인리스, 알루미늄 및 아크릴으로 이루어진 군으로부터 1종 이상 선택되는 것인 이산화탄소 저감 시스템.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서, 상기 광섬유의 재질은 유리, 고분자 및 액체형으로 이루어진 군으로부터 1종 이상 선택되는 것인 이산화탄소 저감 시스템.
  8. 제1항 내지 제5항 또는 제7항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 반응조의 외부에 연결되어 유해 가스를 제거하는 전처리 장치를 더 포함하는 이산화탄소 저감 시스템.
  9. 제1항 내지 제5항 또는 제7항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 반응조의 외부에 연결되어 이산화탄소의 유입 속도를 조절하는 챔버를 더 포함하는 이산화탄소 저감 시스템.
  10. 제9항에 있어서, 상기 챔버는 이산화탄소 농축용 압축기와 우드칩, 패각, 숯, 규조토, 활성탄 및 석회로 이루어진 군으로부터 1종 이상 선택되는 흡착재로 구성되는 송출용 내부 충진재를 포함하는 것인 이산화탄소 저감 시스템.
  11. 제1항 내지 제5항 또는 제7항 중 어느 하나의 항에 기재된 이산화탄소 저감 시스템을 이용하여 이산화탄소를 저감시키는 방법.
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