KR101470078B1 - 이산화탄소 포집ㆍ고정ㆍ전환을 통한 온실가스 감축 및 부가가치화 방법 - Google Patents

이산화탄소 포집ㆍ고정ㆍ전환을 통한 온실가스 감축 및 부가가치화 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 종래의 이산화탄소 포집?저장 방법을 개선한 발명으로써, 이산화탄소를 포집하여 온실가스를 감축함은 물론, 포집한 이산화탄소를 기능성 오일, 인지질, 바이오디젤, 글루코스 등으로 전환하여 고부가가치화하는 방법을 제공한다.

Description

이산화탄소 포집ㆍ고정ㆍ전환을 통한 온실가스 감축 및 부가가치화 방법 {A method for reducing green-house gases and creating added value through carbon dioxide capture, fixation and conversion}
본 발명은 온실가스인 이산화탄소를 포집ㆍ고정ㆍ전환하여 온실가스를 줄이고 이를 사용하여 부가가치를 높이는 방법에 관한 것이다.
화석 연료 사용에 따른 지구온난화 및 화석 연료 고갈이라는 전지구적 차원의 환경문제가 대두됨에 따라 이를 해결하기 위한 다양한 방안들이 제안되고 있다. 종래의 일반적인 이산화탄소 포집ㆍ저장 방법(Carbon Capture & Storage, CCS)은 화력발전소, 제철 공장, 보일러 등의 발생원으로부터 흡수법, 흡착법, 막분리법 등을 이용하여 이산화탄소를 포집한 후 지중 또는 해양의 유전, 가스전, 석탄층 등으로 이송하여 주입ㆍ저장하는 것이었다. 이러한 방법은 온실가스를 직접적으로 감축시키기는 하나, 포집에는 이산화탄소 1톤당 처리에 $60~70, 이송에 $1~10, 저장에 $2~10의 비용이 발생한다. 포집 후 저장하는 방법 외에 바이오매스 또는 메탄, 메탄올, 플라스틱(예. 폴리카보네이트), 탄산염 등으로 전환하는 기술 또한 개발 되고 있는데 이 생성물들은 그 부가가치가 포집 등에서 발생하는 비용보다 매우 낮다. 종래의 일반적인 이산화탄소 포집ㆍ저장 방법을 도시하여 도1에 나타내었다.
한국공개특허 제2011-0098620호에서는, 이산화탄소 가스를 포집하기 위한 가스 포집 장치, 이산화탄소 및 용수를 공급받아 미세조류를 배양하기 위한 광생물 반응기를 포함하는 미세조류를 이용한 이산화탄소 고정화 시스템을 개시하고 있다. 상기 가스 포집 단계에서는 습식법을 이용할 수 있고, 광생물 반응기에 의해 배양된 미세조류를 저장하기 위한 바이오 매스를 더 포함하고 있다. 그러나 상기 시스템은 이산화탄소를 전환하기 위한 방법 및 장치는 구비하지 않아 궁극적으로 포집, 저장된 이산화탄소의 부가가치를 높이는 데에는 한계가 있으며, 가스 포집에 있어 온도조건과 광생물 반응기에 구비되는 중공사막 접촉기 또는 이용되는 미세조류의 종류를 한정하고 있지 않아 실질적으로 산업상 이용하기에는 불가능하다.
한국등록특허 제1,115,357호에서는, 습식 상태의 미세조류로부터 조오일을 추출하는 방법으로, 상기 미세조류를 물리적으로 파쇄하고, 화학물질(유기용매)을 첨가하여 추출하는 방법을 개시하고 있으나, 이는 미세조류를 처리하는 방법 중 하나로서 온실가스를 줄이고 이를 부가가치화 하는 기술이라고는 볼 수 없다.
일본공개특허 제2010-0528627호에서는, 재생 가능한 디젤을 생산하는 방법으로, 고정 탄소원의 존재하에 미생물을 배양하는 공정과 배양된 미생물로부터 지방질 성분을 분리하는 공정을 개시하고 있으나, 이 역시 고정 탄소원이 존재한다는 가정 하에 실시되는 방법으로서 온실가스인 이산화탄소를 줄이고 이를 부가가치화하는 기술이라고 고려될 수 없다.
따라서, 본 발명은 종래의 기술에서 근본적으로 해결할 수 없었던 온실가스 감축 방법으로서, 이산화탄소를 포집, 고정 및 전환하여 고부가가치화시키는 일련의 방법을 제공한다.
본 발명은 종래의 이산화탄소 포집ㆍ저장 방법을 개선한 발명으로써, 이산화탄소를 포집하여 온실가스를 감축함은 물론, 포집한 이산화탄소를 기능성 오일(오메가3 37 wt% 이상 함유) 인지질, 바이오디젤, 글루코스 등으로 전환하여 고부가가치화하는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 이산화탄소를 포집, 고정하여 바이오매스(C6H12O6)를 얻고, 이를 전환하여 고부가가치 물질을 얻는 방법을 통하여 이산화탄소를 고부가가치화하는 일련의 방법을 제공한다.
이산화탄소를 포집하는 단계는, 발생원으로부터 배출된 이산화탄소-포함 배가스를 흡수액과 기-액상 접촉(gas-liquid phase contact)과정을 통해 화학적으로 흡수한 후, 이 흡수액에 온도를 가하여 이산화탄소만을 분리시키는 단계이다.
이산화탄소를 고정하는 단계는, 상기와 같이 포집된 이산화탄소를 Senedesmus, Chlorella Vulgaris 등과 같은 미세조류의 광합성 반응을 포함하는 미세조류의 성장 과정을 통하여 이루어지며, 성장시킨 미세조류를 건조시켜 바이오매스(C6H12O6)를 얻는 단계이다.
바이오매스(C6H12O6)를 전환하는 단계는, 상기에서 얻어진 바이오매스를 압착기를 통해 세포벽을 파쇄시켜 얻은 오일과 오일 케이크로부터 화학적 처리를 통해 기능성 오일(오메가3 37 wt% 이상 함유), 인지질, 바이오디젤, 글루코스, 단백질 사료, 글리세린 등을 얻는 단계이다.
본 발명은 종래 기술의 프로세스 대비 아래와 같이 고부가가치화 생성물을 얻을 수 있다.
종래의 일반적인 포집ㆍ저장 방법은 온실가스 감축의 효과는 있으나 이산화탄소 1톤 처리당 $63~90 의 비용이 발생하며, 그외의 방법으로 바이오매스 또는 메탄, 메탄올, 플라스틱(예. 폴리카보네이트), 탄산염 등으로 전환하는 기술 또한 개발 되고 있는데 이 생성물들은 그 부가가치가 포집 등에서의 발생비용보다 매우 낮다.
본 발명의 방법은 온실가스 감축 뿐만 아니라, 단가가 높은 고기능성 오일, 바이오디젤, 인지질, 글루코스 등 고부가가치의 생성물 (이산화탄소 1톤 처리당 $300~420) 을 얻을 수 있어, 각 공정에서의 비용 (포집 $60~70, 고정 및 전환 $170~200) 보다 높은 수익을 낼 수 있다.
도 1은 종래의 이산화탄소 포집ㆍ저장 기술을 도식화한 것이다.
도 2는 본 발명의 이산화탄소 포집ㆍ고정ㆍ전환을 통한 온실가스 감축 및 부가가치화 방법을 도식화한 것이다.
도 3은 본 발명의 이산화 탄소 포집 단계 및 고정 단계의 개략도이다.
도 4는 본 발명의 바이오매스(C6H12O6) 전환 단계의 개략도이다.
본 발명의 방법을 하기에 일 구체예로 더욱 상세히 설명하나, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아님을 주지해야 할 것이다.
이산화탄소 포집 단계는 아민계, 탄산칼륨계 또는 암모니아수 등의 흡수액을 이용한 화학적 흡수법을 포함한다. 도 3의 왼쪽 영역에 도시된 바와 같이, 발생원으로부터 배출된 이산화탄소-포함 배가스를 포집 장치의 흡수탑에서 바람직하게는 25~80℃의 흡수액과 기-액상 접촉(gas-liquid phase contact)과정을 통해 화학적으로 흡수하여 이산화탄소가 제거된 배가스 만을 배출한다. 그리고 이산화탄소와 화학적으로 결합된 흡수액을 고온, 바람직하게는 60~150℃의 재생탑으로 보내 화학적 결합을 해리시켜 이산화탄소만을 분리시켜 고농도, 바람직하게는 90% 이상의 이산화탄소를 이산화탄소 고정 장치로 이송하기 위해 저장 탱크 등에 임시 저장한다.
이산화탄소 고정 단계는, 도 3의 오른쪽 영역에 도시된 바와 같이, 포집된 이산화탄소를 광원에 의한 빛 에너지 및 배양액, 바람직하게는 BG-11과 함께 광생물 반응기에 공급함으로써 미세조류의 광합성 작용에 의한 탄소 고정 단계를 포함한다. 더욱 상세하게는, Senedesmus, Chlorella Vulgaris와 같이 탄소 동화 작용이 활발한 미세조류가 배양액과 함께 이동하고 있는 광생물 반응기에, 포집된 이산화탄소를 기-액상간 물질전달 속도를 높이기 위한 Membrane Contactor(중공사막 접촉기)로 투입하여 HCO3 -, CO3 2 - 형태로 빠르게 용해 및 포화시킨다. 이렇게 배양액에 용해된 이산화탄소는 탄소원으로써 활용되어 태양광, 형광등, 또는 LED등의 광원을 이용한 미세조류의 광합성 작용에 의해 바이오매스(C6H12O6)를 얻는다. 이 때의 바이오매스 생산량은 바람직하게는, 30~40 ppm의 미세조류를 0.05~0.2M 농도의 배양액에 25~30℃ 의 온도로 형광등 광원을 이용하여 5~9일 동안 배양시킨 결과, 포집된 이산화탄소 1톤 당 200~400 kg이다.
바이오매스(C6H12O6) 전환 단계는, 도 4에 도시된 바와 같이, 먼저 바이오매스를 압착기를 통해 세포벽을 파쇄시켜 오일과 오일 케이크를 얻는 단계를 포함한다. 상기 오일에 바이오매스 1kg 당 바람직하게는 5% 인산수를 바람직하게는 3~7ml를 첨가하여 바람직하게는 10~60분간 바람직하게는 70~100℃로 가열한 후 정치시키면 고기능성 오일(오메가3 37 wt% 이상 함유)과 인지질을 생산할 수 있다. 또한 상기 오일 케이크에 바이오매스 1kg 당 아세톤 용액을 바람직하게는 90~130ml를 첨가한 후 정치시키면 미셀라(misella)와 탄수화물, 단백질의 혼합물을 얻는데 이 때의 미셀라를 바람직하게는 40~70℃로 가열하여 아세톤을 비등시키면 미세조류 오일(추출유)를 얻을 수 있으며 여기에 메탄올을 바람직하게는 15~25ml와 수산화나트륨을 바람직하게는 0.1~1.0ml로 첨가하여 바람직하게는 30~60분간 바람직하게는 40~100℃로 가열한 후 정치 시키면 바이오 디젤과 글리세린을 생산할 수 있다. 또한 오일 케이크로 부터 얻은 탄수화물과 단백질의 혼합물은 묽은 황산을 첨가하여 바람직하게는 10~40분간 바람직하게는 100~150℃로 가열하면 글루코스와 단백질 사료를 생산할 수 있다. 이 때의 바이오매스 1kg 당 각 생산물질의 수율 및 생산량은 표1과 같다.
이산화탄소 전환 물질의 수율 및 생산량
이산화탄소 전환 물질 수율 생산량
지방 (10%) 기능성오일 90% 0.090kg
지방 (16%) 바이오 디젤 86% 0.138kg
인지질 8.6% 0.014kg
글리세린 8.6% 0.014kg
탄수화물 (49%) 글루코스 72% 0.353kg
회분 (3%) 60% 0.018kg
단백질 (22%) 단백질사료 100% 0.220kg
총 계 0.847kg
본 발명에 의한 포집된 이산화탄소 1톤 처리당 바이오매스를 바람직하게는 35kg을 얻을 수 있으며, 이로부터 생성되는 부가가치 물질의 생산량과 금액은 표2와 같다.
고부가가치 물질의 생산량 및 금액
고부가가치물질 생산량 (kg) 금액 ($)
기능성오일 31.5 146.8
바이오 디젤 48.3 48.1
인지질 4.9 9.6
글리세린 4.9 0.5
글루코스 123.6 129.6
단백질사료 77 35.9
총 계 290.2 370.5

Claims (24)

  1. 이산화탄소 발생원으로부터 배출된 이산화탄소-포함 배가스를 탄산칼륨계 수용액인 흡수액과 기-액 접촉시켜서, 이산화탄소와 화학적으로 결합된 흡수액을 60~150℃의 재생탑으로 보내 이산화탄소만을 해리 및 분리시켜 고농도의 이산화탄소를 저장탱크에 저장하는 것을 포함하는 이산화탄소 포집 단계;
    이산화탄소 고정 단계; 및
    바이오매스(C6H12O6) 전환 단계를 포함하는, 대기 중 이산화 탄소 감축 및 고부가가치 물질 제조방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 이산화탄소 포집 단계는 발생원으로부터 배출된 이산화탄소-포함 배가스를 포집 장치의 흡수탑에서 흡수액과 기-액상 접촉(gas-liquid phase contact)과정을 통해 화학적으로 흡수하여 이산화탄소가 제거된 배가스 만을 배출하는 것을 포함하는 것인 방법.
  4. 제3항에 있어서, 흡수액의 온도는 25~80℃인 것인 방법.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서, 고농도의 이산화탄소는 90% 이상인 것인 방법.
  8. 제1항에 있어서, 이산화탄소 고정 단계는, 포집된 이산화탄소를 광원에 의한 빛 에너지 및 배양액과 함께 광생물 반응기에 공급하여 미세조류의 광합성 작용에 의한 바이오매스(C6H12O6)를 얻는 단계를 포함하는 것인 방법.
  9. 제8항에 있어서, 광원은 태양광원 또는 인공광원인 것인 방법.
  10. 제8항에 있어서, 미세조류는 Senedesmus 또는 Chlorella Vulgaris인 것인 방법.
  11. 제8항에 있어서, 광생물 반응기에 공급되는 이산화탄소는 Membrane Contactor(중공사막 접촉기)로 투입되어 HCO3 - 또는 CO3 2 - 형태인 것인 방법.
  12. 제1항에 있어서, 바이오매스(C6H12O6) 전환 단계는 압착기를 통해 바이오매스의 세포벽을 파쇄시켜 오일 또는 오일 케이크를 얻는 단계를 포함하는 것인 방법.
  13. 제12항에 있어서, 바이오매스 전환 단계는 상기 오일에 인산수를 첨가하여 가열한 후 정치시켜 오메가3 37 wt%이상 함유하는 오일 또는 인지질을 생산하는 것을 포함하는 것인 방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 오일에 바이오매스 1kg 당 3~7% 인산수를 3~7ml를 첨가하는 것인 방법.
  15. 제13항에 있어서, 인산수를 첨가한 오일은 10~60분간 70~100℃로 가열한 후 정치시키는 것인 방법.
  16. 제12항에 있어서, 바이오매스 전환 단계는 오일 케이크에 아세톤 용액을 첨가한 후 정치시켜 미셀라(misella)와, 탄수화물과 단백질의 혼합물을 얻는 것인 방법.
  17. 제16항에 있어서, 상기 오일 케이크에 바이오매스 1kg 당 아세톤 용액을 90~130ml 첨가하는 것인 방법.
  18. 제16항에 있어서, 상기 미셀라를 더욱 가열하여 아세톤을 비등시켜 미세조류 오일(추출유)를 얻는 것인 방법.
  19. 제18항에 있어서, 가열온도는 40~70℃인 것인 방법.
  20. 제18항에 있어서, 미세조류 오일에 메탄올 및 수산화나트륨을 첨가하여 가열한 후 정치시켜, 바이오 디젤 또는 글리세린을 얻는 것인 방법.
  21. 제20항에 있어서, 메탄올 15~25ml 및 수산화나트륨 0.1~1.0ml로 첨가하여 30~60분간 40~100℃로 가열하는 것인 방법.
  22. 제16항에 있어서, 오일 케이크로부터 얻은 탄수화물 또는 단백질의 혼합물에 묽은 황산을 첨가하여 가열시켜 글루코스 또는 단백질 사료를 생산하는 것인 방법.
  23. 제22항에 있어서, 가열은 10~40분간 100~150℃로 이루어지는 것인 방법.
  24. 제1항에 있어서, 고부가가치 물질은 오메가3 37 wt%이상 함유하는 기능성 오일, 바이오 디젤, 인지질, 글리세린, 글루코스 및 단백질 사료로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것인 방법.
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