KR101217259B1 - Method for desulfurization of fossil fuels using iron and sulfur oxidising microorganism in iron free 9k medium - Google Patents

Method for desulfurization of fossil fuels using iron and sulfur oxidising microorganism in iron free 9k medium Download PDF

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김동진
세카 가한 찬드라
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Abstract

PURPOSE: A desulfurizing method of fossil fuel using iron and sulfur oxidizing microorganisms in an iron free 9k medium is provided to implement operational processes using microorganisms at low cost. CONSTITUTION: A desulfurizing method of fossil fuel includes the following steps: microorganism strains, which oxidize iron and sulfur, are grown in an iron-based 9K medium; fossil fuel containing iron pyrite is added into an iron free 9K medium, and the microorganism stains are inoculated into the iron free 9K medium to precipitate and remove sulfur; carbon dioxide and oxygen are respectively supplied to the iron-based 9K medium and the iron free 9K medium. The iron free 9K medium includes (NH_4)_2·SO_4, KCl, K_2HPO_4, MgSO_4·7H_2O, and Ca(NO_3)_2·4H_2O dissolved in distilled water. The microorganisms are Acidithiobacillus ferroxidans(ATCC Nos. 23270). [Reference numerals] (AA) Start; (BB) End; (S110) Growing iron and sulfur oxidizing microorganisms in an iron-based 9K medium; (S120) Inoculating microorganism stains, precipitating and removing sulfur by adding fossil fuel containing iron pyrite into an iron free 9K medium

Description

비철계 9K 배지에서 철 및 황산화 미생물을 이용한 화석 연료의 탈황 방법 {METHOD FOR DESULFURIZATION OF FOSSIL FUELS USING IRON AND SULFUR OXIDISING MICROORGANISM IN IRON FREE 9K MEDIUM}Desulfurization of fossil fuels using iron and sulfated microorganisms in nonferrous 9K media {METHOD FOR DESULFURIZATION OF FOSSIL FUELS USING IRON AND SULFUR OXIDISING MICROORGANISM IN IRON FREE 9K MEDIUM}

본 발명은 화석 연료의 탈황 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 비철계 9K 배지에서 철 및 황산화 미생물을 이용한 화석 연료의 탈황 방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a method for desulfurizing fossil fuels, and more particularly, to a method for desulfurizing fossil fuels using iron and sulfated microorganisms in a non-ferrous 9K medium.

석유에너지의 고갈에 따른 대체 에너지원중의 하나가 석탄이다. 그러나 석탄을 에너지원으로 사용시 야기되는 문제점은 연소과정에서의 아황산 가스(SO2)의 발생에 따른 대기오염이다. 황을 제거하기 위해 주로 사용되는 기술들은 연소 중이나 연소 후에 처리하는 공정들이고, 그 외 전처리 공정 중 하나가 석탄의 연료 손실 없이 황을 제거하는 생물학적 탈황법으로, 이에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.Coal is one of the alternative energy sources due to the depletion of petroleum energy. However, a problem caused by using coal as an energy source is air pollution due to the generation of sulfur dioxide (SO 2 ) during combustion. The main technologies used to remove sulfur are those that are processed during or after combustion, and one of the other pretreatment processes is a biological desulfurization method that removes sulfur without losing fuel of coal.

석탄중의 황은 무기황과 유기황으로 구성되어 있다. 석탄의 종류에 따라 황 함량은 대략 0.5~5 중량% 범위이며, 전체 황 중의 유기황의 함량은 대략 20~50%이다. 석탄중에 유기적으로 결합되어 있는 유기황은 모암의 일부분으로 생물학적 방법으로 제거가 어렵다. 따라서, 지금까지의 생물학적 탈황에 관한 연구는 주로 무기황인 황철광(pyrite, FeS2)의 제거에 집중되고 있다. 일반적으로 무기황의 제거에 사용되고 있는 박테리아들은 티오바실러스 페로옥시단스(Thiobacillus ferrooxidans), 티오바실러스 티오옥시단스(Thiobacillus thiooxidans), 술폴로부스 아시도칼다리우스(Sulfolobus acidocaldarius) 등이다. 이들 박테리아들은 석탄으로부터 불용성인 황철광을 산화시켜 수용성인 산화철과 황산염 형태로 수용액상으로 제거한다. Sulfur in coal is composed of inorganic sulfur and organic sulfur. Depending on the type of coal, the sulfur content is in the range of about 0.5 to 5% by weight and the content of organic sulfur in the total sulfur is about 20 to 50%. Organic sulfur, which is organically bound in coal, is part of the mother rock and is difficult to remove by biological means. Therefore, research on biological desulfurization so far has focused mainly on the removal of pyrite (FeS 2 ), which is inorganic sulfur. Generally, the bacteria used to remove sulfur weapons TiO bacillus Faroe oxy Tansu (Thiobacillus ferrooxidans), Bacillus Tio Tio oxy Tansu (Thiobacillus thiooxidans), alcohol Polo Booth knows sword Darius (Sulfolobus acidocaldarius ). These bacteria oxidize insoluble pyrite from coal and remove it in aqueous form in the form of water-soluble iron oxide and sulfate.

무기영양 호산균을 사용하여 석탄에서 황을 제거하는 대부분의 연구는 철 9g/L를 함유하는 9K 배지를 사용하여 수행하였으나, 이 방법은 석탄으로부터 황 제거시 처리 비용이 높아 비경제적이며, 다량의 자로사이트(Jarosite)가 석출되는 단점이 있다.Most studies on the removal of sulfur from coal using inorganic trophic eosinophils have been carried out using 9K medium containing 9 g / L of iron, but this method is uneconomical and expensive due to the high cost of sulfur removal from coal. Jarosite (Jarosite) is a disadvantage that is precipitated.

관련 선행문헌으로는 대한민국 공개특허공보 제2011-0064581호(2011.06.15. 공개)가 있으며, 상기 문헌에는 석탄을 Gordonia amicalis, Gordonia desulfuricans, Gordonia alkanivorans와 같은 미생물에 의해 탈황 시키는 방법을 개시하고 있다.Related prior arts are Korean Patent Laid-Open Publication No. 2011-0064581 (published on June 15, 2011), which includes coal as Gordonia amicalis, Gordonia desulfuricans, and Gordonia. Disclosed is a method for desulfurization by microorganisms such as alkanivorans .

본 발명의 목적은 미생물 처리공정의 경제성을 확보할 수 있는 화석 연료의 탈황(desulfurization) 방법을 제공하는 것이다.
It is an object of the present invention to provide a method for desulfurization of fossil fuels that can secure the economics of microbial treatment.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 화석 연료의 탈황 방법은 (a) 철계 9K 배지에, 철 및 황을 산화시키는 미생물을 성장시키는 단계; 및 (b) 비철계 9K 배지에 황철광이 함유된 화석 연료를 첨가한 후 성장된 미생물 균주를 접종하여 황을 침출, 제거하는 단계;를 포함하며, 상기 미생물 성장 및 황의 침출반응 중 상기 철계 및 비철계 9K 배지 각각에 이산화탄소 및 산소를 공급하는 것을 특징으로 한다.
Desulfurization method of the fossil fuel according to an embodiment of the present invention for achieving the above object comprises the steps of (a) growing a microorganism oxidizing iron and sulfur in iron-based 9K medium; And (b) adding a fossil fuel containing pyrite to a non-ferrous 9K medium to inoculate and remove sulfur by inoculating the grown microbial strain, wherein the ferrous and non-ferrous metals are grown during the microbial growth and leaching of sulfur. It is characterized by supplying carbon dioxide and oxygen to each of the 9K medium.

본 발명에 따른 화석 연료의 탈황 방법은 비철계 9K 무기염 배지에서 철과 황을 모두 산화시키는 무기영양 호산성 미생물을 이용하여 황철광이 함유된 화석 연료로부터 황을 제거함으로써, 9K 배지에 첨가되는 황산제일철 비용을 절감하여 미생물공정의 경제성을 향상시킬 수 있다.
In the desulfurization method of the fossil fuel according to the present invention, sulfuric acid is added to the 9K medium by removing sulfur from the pyrite fuel containing pyrite using an inorganic nutritional acidophilic microorganism which oxidizes both iron and sulfur in the nonferrous 9K inorganic salt medium. By reducing the cost of ferrous metals, it is possible to improve the economics of microbial processes.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 석탄의 탈황 방법을 나타낸 공정 순서도이다.
도 2는 침출 시간에 따른 석탄 시료들의 산화환원 전위를 나타낸 그래프이다.
도 3은 침출 시간에 따른 석탄 시료들 내 잔류 철 농도를 나타낸 그래프이다.
도 4는 침출 시간에 따른 석탄 시료들 내 황산염 이온 농도를 나타낸 그래프이다.
도 5은 석탄이 포함된 비철계 9K 배지 내 균주수를 침출시간에 따라 나타낸 그래프이다.
도 6은 미생물 침출실험에 따른 각 석탄 시료의 황철광 산화율을 나타낸 그래프이다.
도 7은 미생물 침출실험에 따른 석탄 시료의 황 제거율을 나타낸 그래프이다.
1 is a process flowchart showing a desulfurization method of coal according to an embodiment of the present invention.
2 is a graph showing the redox potential of coal samples according to leaching time.
3 is a graph showing the residual iron concentration in the coal samples with leaching time.
4 is a graph showing sulfate ion concentrations in coal samples according to leaching time.
5 is a graph showing the number of strains in non-ferrous 9K medium containing coal according to leaching time.
6 is a graph showing the pyrite oxidation rate of each coal sample according to the microbial leaching experiment.
7 is a graph showing the sulfur removal rate of the coal sample according to the microbial leaching experiment.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 상세하게 후술되어 있는 실시예들 및 도면을 참조하면 명확해질 것이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The advantages and features of the present invention, and how to accomplish them, will become apparent with reference to the embodiments and drawings described in detail below.

그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.However, it is to be understood that the present invention is not limited to the disclosed embodiments, but may be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. It is intended that the disclosure of the present invention be limited only by the terms of the appended claims.

이하에서는, 본 발명의 실시 예에 따른 석탄의 탈황 방법에 대하여 상세히 설명한다.
Hereinafter, a method for desulfurizing coal according to an embodiment of the present invention will be described in detail.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 석탄의 탈황 방법을 나타낸 공정 순서도이다.1 is a process flowchart showing a desulfurization method of coal according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 도시된 본 발명의 실시예에 따른 석탄의 탈황 방법은 철계 9K 배지에서 철 및 황산화 미생물의 성장 단계(S110) 및 비철계 9K 배지에 황철광을 함유한 석탄을 첨가한 후, 미생물 균주를 접종하여 황을 침출, 제거하는 단계(S120)를 포함한다.
Referring to Figure 1, the coal desulfurization method according to an embodiment of the present invention shown in the iron-based 9K medium of the growth step of iron and sulfated microorganisms (S110) and non-ferrous 9K medium after the addition of pyrite containing coal Inoculating the microbial strain, leaching, removing the step (S120).

철 및 황산화 미생물의 성장 단계(S110)는 철계 9K 배지, 및 철 및 황산화 미생물 균주를 반응기에 도입한 후 반응기내에서 실시한다. Growth step of the iron and sulfated microorganism (S110) is carried out in the reactor after introducing the iron-based 9K medium, and the iron and sulfated microorganism strain in the reactor.

보다 구체적으로, 철 및 황산화 미생물의 성장 단계(S110)에서, 석탄의 생물학적 탈황을 위해 사용된 균주는 철과 황 모두를 산화시키는 무기영양 호산성 미생물로서, 일례로 에시디티오바실러스 페로옥시단스(Acidithiobacillus ferroxidans; ATCC Nos. 23270)를 사용할 수 있다.More specifically, in the growth step (S110) of the iron and sulfated microorganisms, the strain used for the biological desulfurization of coal is an inorganic nutritional eosinophilic microorganism that oxidizes both iron and sulfur, for example Esididithiocillus ferrooxydans ( Acidithiobacillus ferroxidans ; ATCC Nos. 23270) can be used.

이러한 에시디티오바실러스 페로옥시단스(Acidithiobacillus ferroxidans)는 제1철(ferrous iron, Fe2+)과 환원된 무기 황화합물들을 산화하여 에너지를 얻고, 이산화탄소(CO2)를 탄소원으로 사용하는 무기영양 세균으로, 25℃ 내지 35℃의 온도, pH 1.5 ± 0.5 조건 하에 철을 함유한 9K 무기염 배지에서 성장할 수 있다. 이때, 배양 온도 및 pH가 상기한 조건을 벗어나면, 균주의 활성 및 성장이 불충분하거나, 철 이온이 염으로 석출될 수 있다. These acidicthiobacillus ferroxidans ( oxidithiobacillus ferroxidans ) are fermented iron (Fe 2+ ) and reduced inorganic sulfur compounds to oxidize energy to obtain energy, carbon dioxide (CO 2 ) as an inorganic nutritional bacteria using carbon as a carbon source , Can be grown in iron containing 9K inorganic salt medium at a temperature of 25 ℃ to 35 ℃, pH 1.5 ± 0.5 conditions. At this time, if the culture temperature and pH out of the above conditions, the activity and growth of the strain is insufficient, or iron ions may be precipitated as a salt.

이러한 에시디티오바실러스 페로옥시단스(Acidithiobacillus ferroxidans)는 이산화탄소 및 산소를 포함하는 공기의 존재하에 철 및 황의 산화로부터 자유로운 에너지를 사용하여, 낮은 pH 조건하에서도 활발하게 성장 및 생존할 수 있다.
These Acidithiobacillus ferroxidans can be actively grown and survived under low pH conditions using energy free of oxidation of iron and sulfur in the presence of air containing carbon dioxide and oxygen.

미생물의 성장은 철계 9K 배지에 철과 황의 공급원으로서 각각 황산제1철 수화물(FeSO4·7H2O)과 칼륨 테트라티오네이트(potassium tetrathionate; K2S4O6)가 보강된 산성 침출액을 갖는 배치 생물반응기에서 수행할 수 있다. 미생물 성장시 300rpm 내지 400rpm 정도의 교반을 수반할 수 있다. 교반 속도가 300rpm 미만일 경우, 성장이 불충분할 수 있고, 반면에 400rpm을 초과하는 경우, 미생물의 성장을 방해하고 배지 온도가 낮아진다는 문제점이 발생된다.The growth of microorganisms was carried out in an iron-based 9K medium with an acid leaching solution supplemented with ferrous sulfate hydrate (FeSO 4 · 7H 2 O) and potassium tetrathionate (K 2 S 4 O 6 ) as sources of iron and sulfur, respectively. This can be done in a batch bioreactor. Microorganism growth may be accompanied by agitation of 300 rpm to 400 rpm. If the stirring speed is less than 300 rpm, growth may be insufficient, whereas if it exceeds 400 rpm, a problem arises that hinders the growth of microorganisms and lowers the medium temperature.

철계 9K 배지의 pH는 황산(H2SO4) 또는 수산화칼슘(Ca(OH)2)을 첨가하면서 1.5 ± 0.5로 조절하여 미생물의 최적 성장 조건을 유지하는 것이 바람직하다. The pH of the iron-based 9K medium is preferably adjusted to 1.5 ± 0.5 while adding sulfuric acid (H 2 SO 4 ) or calcium hydroxide (Ca (OH) 2 ) to maintain the optimum growth conditions of the microorganism.

또한, 철 및 황산화 미생물 성장 단계(S110)에서는 공기중으로의 통기를 통해 철계 9K 배지에 충분한 양의 산소(O2) 및 이산화탄소(CO2)를 포함하는 공기를 공급할 수 있다. 이 경우, 미생물은 이산화탄소(CO2)를 탄소원으로 사용할 수 있다.
In addition, the iron and sulfated microorganism growth step (S110) may be supplied with air containing a sufficient amount of oxygen (O 2 ) and carbon dioxide (CO 2 ) in the iron-based 9K medium through aeration into the air. In this case, the microorganism may use carbon dioxide (CO 2 ) as a carbon source.

미생물 접종 및 침출 단계(S120)에서는, 비철계 9K 배지의 pH를 1.5 ± 0.5로 유지하면서, 비철계 9K 배지에 황철광을 함유한 석탄을 첨가한 후 성장된 미생물 균주를 접종하여 황철광을 함유한 석탄으로부터 미생물의 철 및 황의 산화를 통해 황을 침출, 제거시킨다. In the microbial inoculation and leaching step (S120), while maintaining the pH of the non-ferrous 9K medium to 1.5 ± 0.5, the addition of coal containing pyrite to the non-ferrous 9K medium inoculated with the microbial strain grown to inoculate pyrite Sulfur is leached and removed through oxidation of the iron and sulfur of the microorganisms.

본 발명의 침출반응에서 사용한 비철계 9K 배지는 3L 증류수에 (NH4)2·SO4 9.0g, KCl 0.3g, K2HPO4 1.5g, MgSO4·7H2O 1.5g 및 Ca(NO3)2·4H2O 0.03g, 오차 범위를 고려할 때, (NH4)2·SO4 9.0±2g, KCl 0.3±0.1g, K2HPO4 1.5±0.4g, MgSO4·7H2O 1.5±0.4g 및 Ca(NO3)2·4H2O 0.03±0.01g을 용해한 조성을 갖는다. Non-ferrous 9K medium used in the leaching reactions of the present invention in 3L distilled water (NH 4) 2 · SO 4 9.0g, KCl 0.3g, K 2 HPO 4 1.5g, MgSO 4 · 7H 2 O 1.5g and Ca (NO 3 ) 2 · 4H 2 O 0.03g, considering the margin of error, (NH 4) 2 · SO 4 9.0 ± 2g, KCl 0.3 ± 0.1g, K 2 HPO 4 1.5 ± 0.4g, MgSO 4 · 7H 2 O 1.5 ± 0.4 g and Ca (NO 3 ) 2 .4H 2 O 0.03 ± 0.01 g.

이러한 조성의 비철계 9K 배지를 이용할 경우, 기존의 9K 배지를 이용하는 것에 비해 첨가되는 황산제일철(ferrous sulfate; FeSO4) 비용을 절감하여 미생물공정의 경제성을 향상시킬 수 있다.When using a nonferrous 9K medium having such a composition, ferrous sulfate added compared to using a conventional 9K medium ( ferrous sulfate ; FeSO 4 ) can reduce the cost and improve the economics of the microbial process.

한편, 비철계 9K 배지의 pH는 황산(H2SO4) 또는 수산화칼슘(Ca(OH)2)을 첨가하면서 1.5 ± 0.5로 조절하는 것이 바람직하다.
On the other hand, the pH of the non-ferrous 9K medium is preferably adjusted to 1.5 ± 0.5 while adding sulfuric acid (H 2 SO 4 ) or calcium hydroxide (Ca (OH) 2 ).

미생물 균주는 배치 생물반응기 내에서 석탄 중의 황철광을 산화시키기 때문에, 미생물 접종 및 침출 단계(S120)에서는 실질적으로 황철광을 함유한 석탄으로부터 황철광이 침출되어 황이 제거된다.Since the microbial strain oxidizes pyrite in coal in a batch bioreactor, in the microbial inoculation and leaching step (S120), pyrite is leached from coal containing substantially pyrite to remove sulfur.

이때, 미생물 균주는 배치 생물반응기 내의 황철광을 함유한 석탄에서 유기황에는 영향을 주지 않으면서 석탄으로부터 황철광을 산화시킨다.The microbial strain then oxidizes the pyrite from coal without affecting organic sulfur in the pyrite containing pyrite in the batch bioreactor.

황철광을 함유한 석탄으로는 무연탄, 갈탄, 역청탄, 아역청탄 등이 이용될 수 있다.Anthracite, lignite, bituminous coal, sub-bituminous coal and the like may be used as coal containing pyrite.

미생물 접종 및 침출 단계(S120)에서, 미생물 접종물 중에 존재하는 Fe3+ 이온은 산화제로 사용되어 FeS2를 산화시켜 Fe2+를 침출 용액 중에 방출하며, 이에 따른 반응식은 다음과 같이 [반응식 1]로 표기할 수 있다.In the microbial inoculation and leaching step (S120), Fe 3+ ions present in the microbial inoculum are used as an oxidizing agent to oxidize FeS 2 to release Fe 2+ in the leaching solution. ].

FeS2 + 6Fe3 ++ 3H2O → 7Fe2 + + S2O3 2 - + 6H+ ---- [반응식 1] FeS 2 + 6Fe 3 + + 3H 2 O → 7Fe 2 + + S 2 O 3 2 - + 6H + ---- [ scheme 1]

이후, Fe3+ 이온에 의해 FeS2의 산화로부터 방출된 Fe2+ 이온이 산소와 반응하여 Fe3+ 이온으로 산화되며, 이에 따른 반응식은 다음과 같이 [반응식 2]로 표기할 수 있다.Subsequently, Fe 2+ ions released from the oxidation of FeS 2 by Fe 3+ ions react with oxygen to be oxidized to Fe 3+ ions, and the reaction scheme may be represented by the following [Scheme 2].

Fe2 + + 1/4O2 + H+ → Fe3 + + 1/2H2O ---- [반응식 2]Fe 2 + + 1 / 4O 2 + H + → Fe 3 + + 1 / 2H 2 O ---- [Scheme 2]

미생물 접종물의 FeS2 산화에 의해 Fe2 + 이온과 함께 방출된 S2O3 2 - 이온은 에시디티오바실러스 페로옥시단스의 황 산화 전위에 의해서 생물학적 또는 화학적인 Fe3+ 이온 중재에 의해서 SO4 2- 이온으로 산화되며, 이에 따른 반응식은 다음과 같이 [반응식 3]으로 표기할 수 있다.By microbial inoculum FeS 2 oxide Fe 2 + ions and released with S 2 O 3 2 - ions in the CD thio Bacillus Perot oxy thiooxidans of sulfur by a biological or chemical oxidation potential by the Fe 3+ ion mediation SO 4 It is oxidized to 2- ions, and the reaction scheme can be represented by the following [Scheme 3].

S2O3 2 - + 8Fe3 + + 5H2O → 2SO4 2 - + 8Fe2 + + 10H+ ---- [반응식 3] S 2 O 3 2 - + 8Fe 3 + + 5H 2 O → 2SO 4 2 - + 8Fe 2 + + 10H + ---- [ Scheme 3]

이로써, 철 및 황산화 미생물을 이용하여 황철광을 함유한 석탄으로부터 불용성인 황철광을 산화하여 수용성인 SO4 2 - 형태로 변형시켜 수용액상으로 황을 제거하게 된다.Thus, iron and sulfated microorganisms are oxidized to insoluble pyrite from coal containing pyrite and transformed into water-soluble SO 4 2 form to remove sulfur in aqueous solution.

철 및 황산화 미생물을 이용한 침출은 Fe2 + 이온이 침출 공정 중에 발생하므로 황 제거를 위한 황산제일철(ferrous sulfate ; FeSO4)을 추가로 공정에 첨가할 필요가 없기 때문에 비용 절감을 통해 생물공정의 경제성을 더욱 확보할 수 있다.Leaching with iron and sulfated microorganisms is a ferrous sulfate for sulfur removal because Fe 2 + ions are generated during leaching. sulfate ; Since no additional FeSO 4 ) needs to be added to the process, cost savings can further increase the economics of the bioprocess.

또한, 미생물 접종 및 침출 단계(S120)에서는 충분한 양의 산소(O2) 및 이산화탄소(CO2)를 포함하는 가스, 즉 공기를 공급하며, 이 공기는 공기중으로의 통기를 통해 공급할 수 있다. 이때, 침출 단계에서 공급된 공기는 상기 [식 2]와 같은 Fe2+ 이온의 추가적인 산화를 유도하여 황철광을 함유한 석탄에 잔류하는 황철광의 양이 최소화될 수 있도록 산소와 탄소원인 이산화탄소를 공급한다.
In addition, the microbial inoculation and leaching step (S120) supplies a gas containing a sufficient amount of oxygen (O 2 ) and carbon dioxide (CO 2 ), that is, air, which can be supplied through aeration into the air. At this time, the air supplied in the leaching step induces additional oxidation of Fe 2+ ions as shown in [Equation 2] to supply carbon dioxide, which is an oxygen and carbon source, so that the amount of pyrite remaining in coal containing pyrite is minimized. .

이하의 실험예를 통하여 본 발명을 더욱 자세하게 설명한다. 단, 실험예는 본 발명을 예시하기 위한 것이지 이들 만으로 한정하는 것은 아니다.
The present invention will be described in more detail with reference to the following experimental examples. However, the experimental example is for illustrating the present invention and is not limited only to these.

실험예Experimental Example

미생물 성장 배지 준비Microbial Growth Medium Preparation

0.6048g/L의 K2S4O6 및 22.4g/L의 FeSO4·7H2O가 9K 배지에 첨가 되었다. 배지의 pH는 2M H2SO4로 1.50으로 조절하였다. 이 용액은 단지 미생물의 성장용으로만 사용된다.
0.6048 g / L of K 2 S 4 O 6 and 22.4 g / L of FeSO 4 · 7H 2 O were added to the 9K medium. The pH of the medium was adjusted to 1.50 with 2M H 2 SO 4 . This solution is used only for the growth of microorganisms.

비철계 9K 배지(침출 용액) 준비Preparation of Non-Ferrous 9K Medium (Leaching Solution)

황철광 침출용 배지는 철을 함유하지 않는 비철계 9K 무기염 배지를 사용하였다. 비철계 9K 배지는 (NH4)2·SO4 9.0g, KCl 0.3g, K2HPO4 1.5g; MgSO4·7H2O 1.5g 및 Ca(NO3)2·4H2O 0.03g을 3L의 물에 용해하여 제조하였고, 배지의 pH는 2M H2SO4를 이용하여 1.5로 조절하였다.
As a medium for pyrite leaching, a non-ferrous 9K inorganic salt medium containing no iron was used. Non-ferrous 9K medium was (NH 4 ) 2 SO 4 9.0g, KCl 0.3g, K 2 HPO 4 1.5g; 1.5 g of MgSO 4 · 7H 2 O and 0.03 g of Ca (NO 3 ) 2 · 4H 2 O were prepared in 3 L of water, and the pH of the medium was adjusted to 1.5 using 2M H 2 SO 4 .

균 주 Strain

석탄의 미생물학적 탈황을 위해 사용된 균주는 무기영양 호산성 미생물 중 에시디티오바실러스 페로옥시단스(Acidithiobacillus ferroxidans; ATCC Nos. 23270)를 이용하였다.As a strain used for microbiological desulfurization of coal, acidithiobacillus ferroxidans (ATCC Nos. 23270) among inorganic trophic acidophilic microorganisms were used.

미생물 침출 실험을 위한 균주는 대한민국 달성 광산 부근의 산성 광산 배수 영역으로부터 채취하여 pH 1.5 및 35℃에서 22.4g/L의 FeSO4·7H2O와 2mM K2S4O6가 첨가된 철계 9K 배지 상의 진탕 플라스크에서 성장시켰다. Strains for microbial leaching experiments were collected from acid mine drainage areas near the Mine Achievement Mine in Korea, and iron-based 9K medium containing 22.4 g / L of FeSO 4 · 7H 2 O and 2 mM K 2 S 4 O 6 at pH 1.5 and 35 Grown in shake flasks.

여러 계대 배양 후에 미생물 양을 충분히 확보하고, 16s rDNA 염기서열분석법을 실행하였다. 이를 위해, 총 10세트의 바이오매스 시료를 99% 동일성으로 분석하였고, 에시디티오바실러스 페로옥시단스(Acidithiobacillus ferroxidans; ATCC Nos. 23270)임을 확인하였다. 에시디티오바실러스 페로옥시단스는 철과 황을 모두 산화시키는 균주로 널리 알려져 있다.After several passages, a sufficient amount of microorganism was secured and 16s rDNA sequencing was performed. To this end, a total of 10 sets of biomass samples were analyzed with 99% identity and identified as Acidithiobacillus ferroxidans (ATCC Nos. 23270). Ecidithiobacillus ferrooxydans is widely known as a strain that oxidizes both iron and sulfur.

이후, 미생물 침출 실험에 필요한 균주를 확보하기 위하여, 진탕 플라스크에서 철 공급원으로 22.4 g/L FeSO4·7H2O 및 황 공급원으로 0.6048 g/L (2mM) K2S4O6가 보강된 철계 9K 배지에 100ml 작업부피로 배양 후 1L 작업 부피의 배치 배양기로 옮겼다. 배치 배양기의 pH는 1.40~1.50으로, 산화환원 전위는 690mV로 유지하였다. 침출잔사 및 침출액은 유도결합 플라스마-원자 방출 분광법(Inductively Coupled Plasma - Atomic Emission Spectrometer; ICP-AES)으로 분석하였다. 미생물 성장을 위해 pH, 산화환원 전위, 잔류 철 농도, 잔류 황산염 이온 농도 및 미생물 균주수를 모니터링 하였으며, 이들 결과를 도 2~7 및 표 3에 나타냈다. Then, in order to secure the strains required for the microbial leaching experiments, the iron system reinforced with 22.4 g / L FeSO 4 · 7H 2 O as the iron source and 0.6048 g / L (2 mM) K 2 S 4 O 6 as the sulfur source in a shake flask Incubation in a 100 ml working volume in 9K medium was transferred to a batch incubator of 1 L working volume. The pH of the batch incubator was maintained at 1.40-1.50 and the redox potential was maintained at 690 mV. Leaching residues and leaching liquors were analyzed by Inductively Coupled Plasma-Atomic Emission Spectrometer (ICP-AES). PH, redox potential, residual iron concentration, residual sulfate ion concentration, and number of microbial strains were monitored for microbial growth, and these results are shown in FIGS. 2 to 7 and Table 3.

초기 산화환원 전위는 380mV이었으나 본 실험 조건하에서 5~10일 후에는 690mV에 도달하였다. 미생물 현탁액의 산화환원 전위는 3일 동안 690mV로 유지하였다. The initial redox potential was 380 mV, but reached 690 mV after 5-10 days under this experimental condition. The redox potential of the microbial suspension was maintained at 690 mV for 3 days.

완전히 활성화된 미생물의 균주수는 배치 배양균 반응기에서 2.8 ⅹ 108 cells/mL 이었다.
The number of strains of the fully activated microorganism was 2.8 × 10 8 cells / mL in a batch culture reactor.

석탄 시료 준비Coal Sample Preparation

석탄 시료로 내몽고 맹 타이(Neimenggu Meng Tai)에서 수집한 중국 갈탄, 수마트라 라핫(Sumatra Lahat)에서 수집한 인도네시아 갈탄 및 화순(Hwasun)에서 수집한 한국 무연탄을 사용하였으며 모든 석탄 시료의 평균입자크기는 -100㎛ 이었다. 세 가지 상이한 석탄 시료의 화학적 조성 및 특성을 하기의 표 1에 나타냈다.As coal samples, Chinese lignite collected from Neimenggu Meng Tai, lignite collected from Sumatra Lahat, Indonesia and Korean anthracite collected from Hwasun were used. The average particle size of all coal samples was- It was 100 micrometers. The chemical composition and properties of three different coal samples are shown in Table 1 below.

[표 1] 석탄 시료의 화학적 분석Table 1 Chemical Analysis of Coal Samples

Figure 112012053654730-pat00001

Figure 112012053654730-pat00001

미생물 침출 실험Microbial leaching experiment

세 가지의 상이한 석탄 시료를 위한 미생물 침출 실험은 2.5L 용량의 배플(baffle)이 설치된 유리 반응기에서 작업부피 1L로 실행하였다. 컨덴서를 생물반응기의 밀폐형 뚜껑에 부착하여 반응기로부터의 수분증발을 최소화하였다. 핫 플레이트 히터는 반응기 하부에 두어 생물반응기의 내부 온도를 35℃로 유지하였다. Microbial leaching experiments for three different coal samples were run with 1 L of working volume in a glass reactor equipped with a 2.5 L baffle. The condenser was attached to the sealed lid of the bioreactor to minimize water vaporization from the reactor. A hot plate heater was placed at the bottom of the reactor to maintain the internal temperature of the bioreactor at 35 ° C.

프로펠러 교반기는 원료의 균질한 혼합을 위해 320rpm의 회전 속도에서 기계적 교반기에 의해 구동되는 반응기의 기재 상에 1.5cm 높이로 고정하였다. 생물반응기의 벽에 내재된 배플은 소용돌이가 형성되는 것을 피할 수 있게 한다. O2(20.9%) 및 CO2(0.033%)를 포함하는 공기를 프로펠러 교반기 아래쪽에서 1L/분의 속도로 생물반응기로 불어 넣어 생물침출 펄프 중 5mg/L의 용존 산소(D.O.) 수준을 유지한다. The propeller stirrer was fixed at a height of 1.5 cm on the substrate of the reactor driven by a mechanical stirrer at a rotational speed of 320 rpm for homogeneous mixing of the raw materials. The baffles inherent in the walls of the bioreactor help to avoid the formation of vortices. Air containing O 2 (20.9%) and CO 2 (0.033%) is blown into the bioreactor at a rate of 1 L / min under the propeller stirrer to maintain 5 mg / L dissolved oxygen (DO) levels in the bioleaching pulp. .

침출실험은 비철계 9K 무기염 배지(Silvermann 및 Lundgren, 1959)에 석탄 시료 10중량% 및 접종물 10부피%로 실행하였다. 미생물 침출펄프의 pH 및 산화환원 전위를 매일 규칙적으로 측정하였다. 미생물 침출펄프의 pH는 1.5에서 pH 수준이 상승하거나 또는 떨어지는 것에 따라서 산(2M H2SO4) 또는 염기(Ca(OH)2)를 첨가하여 1.5로 유지하였다. 미생물 침출실험은 pH와 산화환원 전위의 추가적인 변화가 없을 때까지 지속하였다. Fe2 + 이온 농도, SO4 2 - 이온 농도 및 생존 가능한 부유 미생물 균주수 측정을 위해 침출과정 중에 생물반응기로부터 매일 1.5ml의 펄프 샘플을 채취하였다. Leaching experiments were carried out in nonferrous 9K inorganic salt medium (Silvermann and Lundgren, 1959) with 10% by weight coal samples and 10% by volume inoculum. The pH and redox potential of the microbial leaching pulp were regularly measured. The pH of the microbial leaching pulp was maintained at 1.5 by adding acid (2M H 2 SO 4 ) or base (Ca (OH) 2 ) as the pH level rose or fell at 1.5. Microbial leaching experiments continued until there was no further change in pH and redox potential. Fe 2 + ion concentration, SO 4 2 - a sample of the pulp daily 1.5ml were collected from the bioreactor during the leaching process to the ion concentration and the viable microorganism strain floating be measured.

침출실험이 종료된 후 미생물 침출펄프를 여과하여 고액분리하였다. 금속 이온의 침전을 피하기 위해서 보통의 탈 이온수 대신 pH 1.5의 묽은 황산 용액으로 세척하였다. 세척수를 포함하는 침출액의 총 부피를 측정하였고, 이를 침출액(liquor) 중 원소 조성 계산을 위해 이용하였으며, 그 결과는 표 2에 나타냈다. 세척된 침출잔사는 중량 변화가 관찰되지 않을 때까지 50℃의 핫 에어 오븐(hot air oven)에서 건조시킨 후에 건조된 침출 잔사를 막자사발로 분쇄하였다.After the leaching experiment was completed, the microbial leaching pulp was filtered and separated into solid and liquid. To avoid precipitation of metal ions, the solution was washed with a dilute sulfuric acid solution of pH 1.5 instead of ordinary deionized water. The total volume of the leachate containing wash water was measured and used for the calculation of the elemental composition in the leach liquor, the results are shown in Table 2. The washed leach residue was dried in a hot air oven at 50 ° C. until no weight change was observed and then the dried leach residue was ground with a mortar.

도 2는 침출 시간에 따른 석탄 시료들의 산화환원 전위를 나타낸 그래프이다.2 is a graph showing the redox potential of coal samples according to leaching time.

도 2에 도시된 바와 같이, 중국 갈탄, 인도네시아 갈탄 및 한국 무연탄을 사용한 미생물 침출실험은 모두 2~3일의 잠복기와 잠복기 이후 20일까지의 증식기 및 이후의 정지기를 갖는 것을 알 수 있다. 또한, 잠복기에는 시간에 따라 산화환원 전위가 감소함을 알 수 있다.As shown in Figure 2, microbial leaching experiments using Chinese lignite, Indonesian lignite and Korean anthracite can be seen that both have a 2-3 days of incubation period and 20 days after the incubation period and subsequent stop phase. In addition, it can be seen that the redox potential decreases with time during the incubation period.

이러한 산화환원 전위의 감소는 용액 중의 Fe3+/Fe2+ 비율의 변화 때문이다. Fe3+ 이온은 FeS2를 산화시켜 Fe2+를 용액 중에 방출하여, Fe3+/Fe2+ 비율을 감소시키기 때문에 실험 0~3일에서 산화환원 전위가 감소한다[반응식 1 참조]. This reduction in redox potential is due to the change in the Fe 3+ / Fe 2+ ratio in solution. Fe 3+ ions oxidize FeS 2 to release Fe 2+ in solution, reducing the Fe 3+ / Fe 2+ ratio, resulting in a reduction in redox potential at experiments 0-3 (see Scheme 1).

FeS2 + 6Fe3 + + 3H2O → 7Fe2 + + S2O3 2 - + 6H+ ---- [반응식 1] FeS 2 + 6Fe 3 + + 3H 2 O → 7Fe 2 + + S 2 O 3 2 - + 6H + ---- [ scheme 1]

이후의 산화환원 전위 변화를 관찰한 결과 석탄 종류와 관계없이 3일 후에는 산화환원 전위가 증가함을 확인하였고, 이것은 Fe2 + 이온이 Fe3 +로 산화되기 때문이다 [반응식 2 참조]. After 3 days after the coal, regardless of the result of the type of observing the oxidation-reduction potential change was confirmed that the oxidation-reduction potential increases, which is due to Fe + 2 ion is oxidized to Fe + 3 [see scheme 2].

Fe2 + + 1/4O2 + H+ → Fe3 + + 1/2H2O ---- [반응식 2]Fe 2 + + 1 / 4O 2 + H + → Fe 3 + + 1 / 2H 2 O ---- [Scheme 2]

더불어 Fe3 + 이온은 연쇄적인 순환 공정으로 인해 FeS2를 산화시키고, FeS2의 산화는 또한 용액으로 Fe2 + 이온과 함께 S2O3 2 - 이온을 방출시킨다[반응식 1 참조]. S2O3 2-는 에시디티오바실러스 페로옥시단스의 황 산화 전위에 의해서 생물학적 또는 화학적인 Fe3+ 이온 중재에 의해서 SO4 2- 이온으로 산화된다[반응식 3 참조].In addition to Fe 3 + ions because of the chain of cyclic process oxidizes FeS 2, FeS 2 is also of a Fe 2 + S 2 O 3 solution with ion oxide 2- emit ions [see Scheme 1]. S 2 O 3 2- is oxidized to SO 4 2- ions by biological or chemical Fe 3+ ion mediation by the sulfur oxidation potential of Esididithiocillus ferrooxydans (see Scheme 3).

S2O3 2 - + 8Fe3 + + 5H2O → 2SO4 2 - + 8Fe2 + + 10H+ ---- [반응식 3] S 2 O 3 2 - + 8Fe 3 + + 5H 2 O → 2SO 4 2 - + 8Fe 2 + + 10H + ---- [ Scheme 3]

황 산화와 함께 FeS2 산화는 산 제조 공정인 반면에 Fe2+ 이온의 산화는 산 소비 공정이다. Fe2+ 산화에 필요한 산의 일부는 FeS2에 의해 제조되는 산에 의해서 공급되지만, pH가 1.5이상일 경우에는2M H2SO4을 첨가하여 pH를 조절하였다. pH가 1.45미만일 경우에는 수산화칼슘(Ca(OH)2)을 미생물 침출펄프에 소량 첨가하여 1.5로 조절하였다. 석탄 1톤의 pH를 1.5로 조절하기 위해서 필요한 H2SO4/Ca(OH)2의 첨가량을 계산하였다[표 2 참조].FeS 2 oxidation with sulfur oxidation is an acid production process, while oxidation of Fe 2+ ions is an acid consumption process. Part of the acid required for Fe 2+ oxidation was supplied by the acid produced by FeS 2 , but when the pH was 1.5 or more, 2M H 2 SO 4 was added to adjust the pH. When the pH was less than 1.45, a small amount of calcium hydroxide (Ca (OH) 2 ) was added to the microbial leaching pulp and adjusted to 1.5. The amount of H 2 SO 4 / Ca (OH) 2 required to adjust the pH of 1 ton of coal to 1.5 was calculated [see Table 2].

[표 2] 미생물 침출실험 결과 요약 [Table 2] Summary of microbial leaching test results

Figure 112012053654730-pat00002
Figure 112012053654730-pat00002

표 2에 도시된 바와 같이, 중국 갈탄 및 한국 무연탄에 있어서의 산 요구량은 각각 70kg/톤, 75kg/톤으로 서로 유사한 반면, 인도네시아 갈탄은 94kg/톤을 소비하였다. 한국 무연탄의 경우, 요구되는 Ca(OH)2의 양이 2 kg/톤으로 무시해도 될 정도로 매우 적었으며, 인도네시아와 중국의 갈탄에 있어서의 Ca(OH)2 요구량은 각각10 kg/톤, 20 kg/톤으로 매우 많았다. 모든 석탄 시료들에 있어서 미생물의 탈황 반응 후에 발생하는 청정석탄(정탄)의 양은 중국 갈탄, 인도네시아 갈탄 및 한국 무연탄 각각에서 906kg/톤, 856kg/톤, 896kg/톤으로서, 석탄 1 톤 당 9%, 14% 및 10%의 질량 손실이 발생한다.
As shown in Table 2, the acid requirements for Chinese lignite and Korean anthracite were 70 kg / ton and 75 kg / ton, respectively, while Indonesia lignite consumed 94 kg / ton. In the case of Korean anthracite coal, the required amount of Ca (OH) 2 was negligibly small at 2 kg / ton, and the Ca (OH) 2 demand in lignite in Indonesia and China was 10 kg / ton and 20, respectively. It was very high at kg / ton. For all coal samples, the amount of clean coal (coal) generated after the desulfurization reaction of microorganisms was 906 kg / ton, 856 kg / ton, 896 kg / ton in China lignite, Indonesia lignite and Korea anthracite, respectively, 9% per ton coal, Mass loss of 14% and 10% occurs.

도 3은 침출 시간에 따른 석탄 시료들 내 잔류 철 농도를 나타낸 그래프이다.3 is a graph showing the residual iron concentration in the coal samples with leaching time.

도 3에 도시된 바와 같이, 중국과 인도네시아 갈탄의 산화제일철 농도가 유사한 경향을 보이는 반면에 한국 무연탄은 잔류 Fe2+ 농도가 높고, 철 산화속도가 비교적 빠르다. 전술한 도2의 한국 무연탄 실험에서 산화환원 전위가 높은 이유는 인도네시아 및 중국 갈탄과 비교해서 한국의 무연탄에서 분리된 철의 농도가 더 높기 때문이다. As shown in FIG. 3, iron and iron concentrations of lignite in China and Indonesia show a similar tendency, whereas Korean anthracite has a high residual Fe 2+ concentration and a relatively fast iron oxidation rate. The reason why the redox potential is high in the above-described Korean anthracite coal experiment of FIG. 2 is that the concentration of iron separated from the anthracite coal of Korea is higher than that of Indonesia and China lignite.

도3에서 보듯이 Fe2+ 이온의 농도는 석탄의 종류와 관계없이 실험 3일차에 가장 높다. 한국의 무연탄에서 방출된 Fe2+ 이온 농도는 실험 3일차에서 0.86g/L 로 인도네시아와 중국 갈탄의 Fe2+ 농도인 0.62g/L, 0.53g/L보다 높다. Fe2+ 이온은 3일 이후부터 에시디티오바실러스 페로옥시단스에 의해 Fe3+ 이온으로 산화되어, 시간이 지날수록 감소한다. 도3 에서 계산된 철의 산화속도는 한국 무연탄에서는0.0052 g Fe2+/L/h으로 상대적으로 높고, 인도네시아 및 중국 갈탄에서 는 각각 0.0022 및 0.0016 g Fe2+/L/h로 비교적 낮다. 석탄의 종류에 따른 철 산화 속도의 차이는 미생물의 활성과 석탄 자체의 물리적 특성의 영향을 받는다.As shown in FIG. 3, the concentration of Fe 2+ ions was the highest on the third day of the experiment regardless of the type of coal. The Fe release from Korea anthracite 2+ ion concentration is higher than in Experiment 3, the primary 0.86g / L with the Fe 2+ concentration of Indonesian and Chinese brown coal 0.62g / L, 0.53g / L. Fe 2+ ions are oxidized to Fe 3+ ions by esididithiocillus ferrooxydans after 3 days, and decrease with time. The oxidation rate of iron calculated in FIG. 3 is relatively high in 0.0052 g Fe 2+ / L / h in Korean anthracite coal and relatively low in 0.0022 and 0.0016 g Fe 2+ / L / h in Indonesia and China lignite, respectively. The difference in iron oxidation rate according to the type of coal is affected by the microbial activity and the physical properties of the coal itself.

도 4는 침출 시간에 따른 석탄 시료들 내 황산염 이온 농도를 나타낸 그래프이다. 4 is a graph showing sulfate ion concentrations in coal samples according to leaching time.

도 4를 참조하면, Fe3+ 중재 화학적 산화 또는 에시디티오바실러스 페로옥시단스에 의한 S2O3 2- 이온으로부터의 SO4 2- 이온으로의 황 산화는 반응시간에 따라 증가 하는 경향을 보이고 있다.Referring to FIG. 4, sulfur oxidation from S 2 O 3 2- ions to SO 4 2- ions by Fe 3+ mediated chemical oxidation or Escidithiobacillus ferrooxydans tends to increase with reaction time. have.

전술한 바와 같이, pH 조절을 위해 첨가된 Ca(OH)2가 SO4 2 - 이온과 결합하여 석고(CaSO4)로서 침전될 수 있다. 미생물 산화공정 중 침출 펄프의 최대 SO4 2 - 이온 농도는 중국 갈탄, 인도네시아 갈탄 및 한국 무연탄 각각에서 16.2, 15.7 및 18.6 g/L였다. pH를 1.5로 조절하기 위해 첨가된 황산이 전체 SO4 2- 이온농도에 많은 영향을 주고, 황철광 산화로 인해 형성된 SO4 2- 이온도 영향을 미친다.As described above, Ca (OH) 2 added for pH adjustment can be precipitated as gypsum (CaSO 4 ) in combination with SO 4 2 ions. The maximum SO 4 2 - ion concentrations of leached pulp during the microbial oxidation process were 16.2, 15.7 and 18.6 g / L in Chinese lignite, Indonesian lignite and Korean anthracite, respectively. Sulfuric acid added to adjust the pH to 1.5 greatly influences the total SO 4 2- ion concentration, and SO 4 2- ions formed due to pyrite oxidation also affect.

도 5은 석탄이 포함된 비철계 9K 배지 내 균주수를 침출시간에 따라 나타낸 그래프이다. 5 is a graph showing the number of strains in non-ferrous 9K medium containing coal according to leaching time.

도 5를 참조하면, 침출실험 3일차 이후부터 석탄 시료와 관계없이 108 cells/mL 이상의 균주수가 유지되어 안정적인 활성을 보였다. 특히 인도네시아와 국산 석탄이 들어있는 비철계 9K 배지내의 균주수에 비해 중국산에서 2배 가량 많은 미생물 균주가 관찰되었다. Referring to FIG. 5, since the third leaching experiment, the number of strains of 10 8 cells / mL or more was maintained regardless of coal samples, indicating stable activity. In particular, about twice as many microbial strains were observed in China compared to the number of strains in non-ferrous 9K medium containing Indonesia and domestic coal.

이상의 실험예에서 알 수 있는 중요한 사실은 양호한 수준의 미생물 균주수가 침출 실험 동안 유지되어 미생물 침출 반응이 활발하게 일어난다는 것이다.An important fact that can be seen in the above experimental example is that a good level of microbial strains is maintained during the leaching experiment so that the microbial leaching reaction takes place actively.

침출잔사와 용액에 포함된 Fe와 S의 총량을 기본으로 하고, 실험과정에서 첨가된 Fe의 양을 고려하여 황철광 산화율을 계산하였다.
Based on the total amount of Fe and S contained in the leaching residue and solution, the pyrite oxidation rate was calculated in consideration of the amount of Fe added during the experiment.

황철광 iron pyrites 산화율Oxidation rate 및 황 제거율 분석법 And sulfur removal rate methods

황철광 산화 정도는 하기의 [수학식 1]에 따라 공급물과 침출잔사 분석을 기초로 계산하였다.Pyrite oxidation was calculated based on the analysis of the feed and leaching residue according to the following [Equation 1].

[수학식 1][Equation 1]

Figure 112012053654730-pat00003
Figure 112012053654730-pat00003

(여기서, Fe(r)은 침출잔사 중 철 함량을, Fe(f)는 석탄 시료에서 분리된 철 함량을 포함하는 공급물 중 철 함량을 의미한다.)
(Where Fe (r) is the iron content in the leach residue and Fe (f) is the iron content in the feed including the iron content isolated from the coal sample.)

또한, 황 제거율(%)은 하기의 [수학식 2]에 따라 계산하였다.In addition, the sulfur removal rate (%) was calculated according to the following [Equation 2].

[수학식 2]&Quot; (2) "

Figure 112012053654730-pat00004
Figure 112012053654730-pat00004

(여기서, S(r)은 잔류물 중 총 황 함량을, S(f)는 H2SO4 첨가물 및 석탄 원시료에서 분리된 황 함량을 합한 공급물 중 총 황 함량을 의미한다.)(Where S (r) is the total sulfur content in the residue and S (f) is the total sulfur content in the feed that combines the H 2 SO 4 additive and the sulfur content separated from the coal feedstock).

[표 3] 미생물 침출잔사 및 침출액의 화학적 분석 [Table 3] Chemical analysis of microbial leaching residue and leaching solution

Figure 112012053654730-pat00005
Figure 112012053654730-pat00005

도 6은 미생물 침출실험에 따른 각 석탄 시료의 황철광 산화율을 나타낸 그래프이다.6 is a graph showing the pyrite oxidation rate of each coal sample according to the microbial leaching experiment.

도 6에 도시된 바와 같이, 한국 무연탄의 황철광 산화율은 79.4%인 반면에 인도네시아 및 중국 갈탄은 각각 37.3% 및 44.2%였다.As shown in FIG. 6, pyrite oxidation of Korean anthracite coal was 79.4%, while Indonesia and China lignite were 37.3% and 44.2%, respectively.

그러나, 인도네시아 및 중국 갈탄에서 황철광 산화가 비교적 낮은 이유는 인도네시아 및 중국 갈탄으로부터의 황철광 광물의 분리가 충분하지 않았기 때문으로 사료된다. 황철광 광물의 단체분리는 대부분 석탄의 분쇄성에 따라서 달라지며 석탄의 분쇄성은 이들의 분쇄성 지수(Hardgrove Grindability Index, HGI)로부터 결정된다. 한국 무연탄의 HGI 지수는 106.5이고, 중국과 인도네시아 갈탄은 각 48.4 및 63.9이므로 무연탄과 비교해서 갈탄의 분쇄성이 낮다는 것을 알 수 있다. However, the reason for the relatively low pyrite oxidation in Indonesia and China lignite is presumably due to insufficient separation of pyrite minerals from Indonesia and China lignite. The bulk separation of pyrite minerals largely depends on the crushability of the coal and the crushability of the coal is determined from their Hardgrove Grindability Index (HGI). The HGI index of Korea's anthracite coal is 106.5, and Chinese and Indonesian lignite are 48.4 and 63.9, respectively.

HGI 지수가 낮은 값을 갖는 석탄이 분쇄하기가 보다 어려우며, 높은 값은 더 용이하게 분쇄되어 결과적으로 무연탄과 비교해서 갈탄으로부터의 황철광 광물의 단체분리가 비교적 어렵다는 것을 예측할 수 있다. 그러나, 한국 무연탄에서의 황철광 산화율은 배치 공정을 작동시키는 경우에 특히 유망할 것으로 보이며, 황철광 산화는 완전한 규모의 작동에서 정상적으로 실행되는 2~3 단계의 연속 미생물산화 공정 상에서 작동하는 경우에 추가로 향상될 수 있다.
It can be predicted that coals with low values of the HGI index are more difficult to grind, and higher values are more easily comminuted and consequently the simpler separation of pyrite minerals from lignite compared to anthracite. However, pyrite oxidation in Korean anthracite seems to be particularly promising when operating batch processes, and pyrite oxidation is further improved when operating on two to three stages of continuous microbial oxidation processes normally performed at full scale operation. Can be.

도 7은 미생물 침출실험에 따른 석탄 시료의 황 제거율을 나타낸 그래프이다.7 is a graph showing the sulfur removal rate of the coal sample according to the microbial leaching experiment.

도 7에 도시된 바와 같이, 중국 갈탄, 인도네시아 갈탄 및 한국 무연탄으로부터의 황철광 제거율은 각각 92%, 96% 및 98%로 확인되었다.As shown in FIG. 7, pyrite removal from Chinese lignite, Indonesia lignite and Korean anthracite was found to be 92%, 96% and 98%, respectively.

요약하면, 황철광 제거율은 석탄 시료와 관계없이 90% 이상으로 높다. 황 제거율은 한국의 무연탄에서 가장 높았고, 그 다음이 인도네시아와 중국의 갈탄이었다. 황철광 제거율은 본 실시예와 같은 배치 미생물 침출 시스템에서도 높은 효율을 보이며, 더 나아가 2~3 단계 연속 미생물산화 공정을 실행하는 경우에 더욱 향상된 탈황 효율을 기대할 수 있다. In summary, pyrite removal is as high as 90% or higher regardless of coal samples. Sulfur removal was highest in anthracite in Korea, followed by lignite in Indonesia and China. The pyrite removal rate shows high efficiency even in a batch microbial leaching system as in the present embodiment, and further improved desulfurization efficiency can be expected when the two to three step continuous microbial oxidation process is performed.

한편, 본 발명의 실시예에서는 설명의 편의를 위하여 황철광을 함유한 석탄에 한정하여 설명하였으나, 황철광을 함유하는 물질만 이에 한정되는 것은 아니며, 부분적으로 정제되거나 거칠게 정련된 고체, 목재 유래 공급원료 및 고형물의 혼련물 등의 화석 연료에도 이용될 수 있다.
On the other hand, in the embodiment of the present invention described for the convenience of the description of the coal containing pyrite, but not limited to only the material containing pyrite, but partially refined or roughly refined solid, wood-derived feedstock and It can also be used for fossil fuels such as kneaded solids.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예 및 실험예를 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예 및 실험예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예 및 실험예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.Although the embodiments and experimental examples of the present invention have been described above with reference to the accompanying drawings, the present invention is not limited to the above examples and experimental examples, but may be modified in various forms, and in the technical field to which the present invention pertains. Those skilled in the art will understand that the present invention can be implemented in other specific forms without changing the technical spirit or essential features of the present invention. Therefore, it is to be understood that the embodiments and the experimental examples described above are exemplary in all respects and not restrictive.

Claims (12)

(a) 철계 9K 배지에, 철 및 황을 모두 산화시키는 미생물 균주를 성장시키는 단계; 및
(b) 비철계 9K 배지에 황철광이 함유된 화석 연료를 첨가한 후 상기 철계 9K배지에서 성장시킨 상기 미생물 균주를 접종하여 황을 침출, 제거하는 단계;를 포함하며,
상기 미생물 균주의 성장 및 상기 미생물 균주와 황의 침출반응 중 상기 철계 및 비철계 9K 배지 각각에 이산화탄소 및 산소를 공급하는 것을 특징으로 하는 화석 연료의 탈황 방법.
(a) growing a microbial strain that oxidizes both iron and sulfur in an iron-based 9K medium; And
(b) inoculating and removing sulfur by inoculating the microbial strain grown on the iron-based 9K medium after adding fossil fuel containing pyrite to the non-ferrous 9K medium;
The desulfurization method of the fossil fuel, characterized in that the supply of carbon dioxide and oxygen to each of the iron-based and non-ferrous 9K medium during the growth of the microbial strain and leaching reaction of the microbial strain and sulfur.
제1항에 있어서,
상기 비철계 9K 배지는
3L 증류수에 (NH4)2·SO4 9.0±2g, KCl 0.3±0.1g, K2HPO4 1.5±0.4g, MgSO4·7H2O 1.5±0.4g 및 Ca(NO3)2·4H2O 0.03±0.01g을 용해한 조성을 갖는 것을 특징으로 하는 화석 연료의 탈황 방법.
The method of claim 1,
The non-ferrous 9K medium is
In 3L distilled water (NH 4) 2 · SO 4 9.0 ± 2g, KCl 0.3 ± 0.1g, K 2 HPO 4 1.5 ± 0.4g, MgSO 4 · 7H 2 O 1.5 ± 0.4g and Ca (NO 3) 2 · 4H 2 A method for desulfurizing fossil fuels, having a composition in which O is dissolved in 0.03 ± 0.01 g.
제1항에 있어서,
상기 미생물은
에시디티오바실러스 페로옥시단스(Acidithiobacillus ferroxidans; ATCC Nos. 23270)인 것을 특징으로 하는 화석 연료의 탈황 방법.
The method of claim 1,
The microorganism is
A method for desulfurizing fossil fuels, characterized in that it is Acidithiobacillus ferroxidans (ATCC Nos. 23270).
제3항에 있어서,
상기 (b) 단계는
pH 1.5 ± 0.5 조건하에서 실시되는 것을 특징으로 하는 화석 연료의 탈황 방법.
The method of claim 3,
The step (b)
Desulfurization method of fossil fuel, characterized in that carried out under pH 1.5 ± 0.5 conditions.
제4항에 있어서,
상기 비철계 9K 배지의 pH는
상기 비철계 9K 배지에 황산(H2SO4) 또는 수산화칼슘(Ca(OH)2)이 첨가되어 조절되는 것을 특징으로 하는 화석 연료의 탈황 방법.
5. The method of claim 4,
PH of the non-ferrous 9K medium is
Sulfuric acid (H 2 SO 4 ) or calcium hydroxide (Ca (OH) 2 ) is added to the non-ferrous 9K medium is controlled by the desulfurization of the fossil fuel.
제3항에 있어서,
상기 (a) 단계는
pH 1.5 ± 0.5 조건하에서 실시되는 것을 특징으로 하는 화석 연료의 탈황 방법.
The method of claim 3,
The step (a)
Desulfurization method of fossil fuel, characterized in that carried out under pH 1.5 ± 0.5 conditions.
제6항에 있어서,
상기 철계 9K 배지의 pH는
상기 철계 9K 배지에 황산(H2SO4) 또는 수산화칼슘(Ca(OH)2)이 첨가되어 조절되는 것을 특징으로 하는 화석 연료의 탈황 방법.
The method according to claim 6,
PH of the iron-based 9K medium is
Sulfuric acid (H 2 SO 4 ) or calcium hydroxide (Ca (OH) 2 ) is added to the iron-based 9K medium to control the desulfurization of the fossil fuel.
제3항에 있어서,
상기 (a) 단계는
25℃ 내지 35℃의 온도에서 실시되는 것을 특징으로 하는 화석 연료의 탈황 방법.
The method of claim 3,
The step (a)
Desulfurization method of fossil fuel, characterized in that carried out at a temperature of 25 ℃ to 35 ℃.
제1항에 있어서,
상기 (a) 단계는
철계 9K 배지, 및 철 및 황을 산화시키는 미생물 균주를 반응기에 도입하는 단계와,
상기 반응기에 도입된 철계 9K 배지에서 상기 미생물 균주를 성장시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 화석 연료의 탈황 방법.
The method of claim 1,
The step (a)
Introducing an iron-based 9K medium and a microbial strain oxidizing iron and sulfur into the reactor,
The desulfurization method of the fossil fuel comprising the step of growing the microbial strain in the iron-based 9K medium introduced into the reactor.
제1항에 있어서,
상기 철계 9K 배지는
철 및 황의 공급원으로 각각 황산제1철 수화물(FeSO4·7H2O) 및 칼륨 테트라티오네이트(potassium tetrathionate; K2S4O6)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 화석 연료의 탈황 방법.
The method of claim 1,
The iron-based 9K medium
A method for desulfurizing fossil fuels, further comprising ferrous sulfate hydrate (FeSO 4 .7H 2 O) and potassium tetrathionate (K 2 S 4 O 6 ) as sources of iron and sulfur, respectively.
제1항에 있어서,
상기 화석 연료는
황철광 함유 석탄인 것을 특징으로 하는 화석 연료의 탈황 방법.
The method of claim 1,
The fossil fuel is
A method for desulfurizing fossil fuels, which is pyrite-containing coal.
제1항에 있어서,
상기 이산화탄소 및 산소는
공기중으로의 통기를 통해 공급되는 것을 특징으로 하는 화석 연료의 탈황 방법.
The method of claim 1,
The carbon dioxide and oxygen
A method for desulfurizing fossil fuels, which is supplied through aeration into the air.
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