KR102039075B1 - 재사용 가능한 높은 거대 다공성 바이오차 벌킹 에이전트 성형물 및 이의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 바이오차; 바이오매스 입자 혹은 입상; 및 바이오매스의 열분해 시 발생하는 타르성 점액질;을 포함하는 벌킹 에이전트 혼합물을 성형 및 소성하여 제조된 다공성 바이오차 벌킹 에이전트 성형물에 관한 것으로, 본 발명에 의한 다공성 바이오차 벌킹 에이전트 성형물은 재사용이 가능하고 미생물의 담지가 용이한 장점이 있다.

Description

재사용 가능한 높은 거대 다공성 바이오차 벌킹 에이전트 성형물 및 이의 제조방법{Reusable High Macro Porous Structured bulking agent Biochar molding and manufacturing method thereof}
본 발명은 재활용이 가능하며, 넓은 표면적으로 수분흡수가 우수하고 넓은 미생물 배양공간을 갖는 다공성 바이오차 벌킹 에이전트 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
음식물 처리, 가축 분뇨의 처리 및 하수의 처리는 1차적으로 액상물질을 분리하고 잔류하는 슬러지가 주요 처리 대상이 된다.
이러한 슬러지는 통상적으로 수분함량이 99% 이상이며, 유기물을 포함하는 고형분등이 엉겨 슬러지를 형성하게 된다. 이렇게 수분이 다량 함유된 슬러지의 경우, 하수 처리 효율에 심각한 저하를 유발한다. 이에 슬러지의 처리효율을 높이기 위하여 슬러지의 농축공정을 거치기도 하나, 이러한 농축공정을 거치는 경우에도 수분함량 97% 이하의 슬러지를 제조하는 것은 매우 어려우며, 탈수기, 건조기 또는 가압 등의 별도 공정을 거침으로써 수분함량 80% 이하의 슬러지를 수득하기도 한다.
그러나 이러한 경우 슬러지의 수분제거에 지나치게 많은 에너지 및 시간을 소요하는 문제점이 있으며, 결과적으로 하수처리 비용 상승으로 이어지기도 한다.
이를 극복하기 위하여 일부 하수처리 과정에서는 톱밥 등의 폐기물을 이용하여 수분을 흡수하기도 한다. 그러나 슬러지에 다량 함유된 수분을 흡수하기에는 부족한 경우가 많으며, 재활용이 불가능하고 분리가 어려운 문제점이 있다.
이에 대한민국 등록특허 10-1703390호에서는 제올라이트를 이용한 수분흡수에 대해서 개시하고 있으나, 제올라이트의 경우 입자 크기가 상대적으로 작아 분리가 어려우며, 반복하여 사용하는 과정에서 쉽게 분쇄되어 소실되는 문제점이 있다.
대한민국 등록특허 10-1703390호
본 발명의 목적은 넓은 미생물 배양공간을 확보하고, 기계강도가 우수하며, 내구성이 높고, 반복 사용이 가능한 다공성 바이오차 벌킹 에이전트 성형물의 제조방법 및 그로부터 제조된 다공성 바이오차 벌킹 에이전트 성형물을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 바이오매스로부터 생성되는 기공의 다공성의 바이오차 및 접착제로 천연 바이오매스 열분해에서 축출된 점액질을 활용함으로써 친환경적이고 미생물을 쉽게 흡착할 수 있는 다공성 바이오차 벌킹 에이전트 성형물 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 제조된 바이오차 벌킹 에이전트 성형물을 순환시켜 유기성 폐기물 등의 열분해 원재료들과 혼합함으로써 열분해 에너지 효율을 향상시키며 수분 함량 조절로 비틀림 및 크랙 등이 발생하지 않으며 미생물 및 공기공극 담지를 위한 거대기공 생성 제어가 가능한 다공성 바이오차 벌킹 에이전트 성형물 제조방법 및 그로부터 제조되는 다공성 바이오차 벌킹 에이전트 성형물을 제공하는 것이다.
본 발명은 바이오차; 바이오매스 입자 혹은 입상; 및 바이오매스의 열분해 시 발생하는 타르성 점액물질을 접착제로 벌킹 에이전트 혼합물을 성형 및 소성하여 제조된 다공성 바이오차 벌킹 에이전트 성형물의 제조방법 및 그로부터 제조되는 다공성 바이오차 벌킹 에이전트 성형물에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 의한 다공성 바이오차 벌킹 에이전트 성형물에서 상기 벌킹 에이전트 혼합물은 바이오차를 30 내지 60 중량%, 바이오매스를 20 내지 50 중량% 및 타르를 10 내지 30 중량% 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 다공성 바이오차 벌킹 에이전트 성형물에서 상기 벌킹 에이전트 혼합물은 1 내지 10 중량%의 발포제를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 의한 다공성 바이오차 벌킹 에이전트 성형물에서 상기 타르는 바이오매스의 열분해 시 발생하는 가스를 냉각하고, 액상 추출물을 제거한 점액성 물질이다.
본 발명의 일 실시예에 의한 다공성 바이오차 벌킹 에이전트 성형물에서 상기 바이오매스 입자 혹은 입상은 평균 입경이 5 ㎜ 이하일 수 있으며, 좋게는 0.01 내지 5 ㎜일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 다공성 바이오차 벌킹 에이전트 성형물에서 상기 발포제는 화학 발포제일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 다공성 바이오차 벌킹 에이전트 성형물에서 상기 발포제는 탄산수소나트륨, 탄산수소암모늄, 탄산암모늄, 아질산암모늄, 붕소화수소나트륨 및 아질산나트륨에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 무기 발포제 또는 아조디카본아미드, 디니트로소펜타메틸렌테트라민, 벤젠술포닐히드라지드, p-톨루엔술포닐히드라지드, p,p'-옥시비스(벤젠술포닐히드라지드), p-톨루엔술포닐세미카바지드 및 5-페닐테트라졸에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 유기 발포제를 포함할 수 있다.
본 발명은 다공성 바이오차 벌킹 에이전트 성형물 제조방법을 제공한다.
본 발명에 의한 다공성 바이오차 벌킹 에이전트 성형물 제조방법은
바이오차, 바이오매스 입자 혹은 입상 및 바이오매스의 열분해 시 발생하는 타르성 점액물질을 혼합하는 벌킹 에이전트 혼합물 제조단계; 및
상기 벌킹 에이전트 혼합물을 성형하는 조성형물(crude mold) 형성단계;
상기 조성형물을 열분해 열처리하는 열처리단계;를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 의한 다공성 바이오차 벌킹 에이전트 성형물 제조방법에서 상기 벌킹 에이전트 혼합물은 발포제를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 다공성 바이오차 벌킹 에이전트 성형물 제조방법은 상기 조성형물 형성단계 후 열분해 열처리단계 전,
조성형물을 수분함량 30 중량% 이하, 좋게는 5 내지 30 중량%로 건조하는 건조단계;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 다공성 바이오차 벌킹 에이전트 성형물 제조방법에서 상기 조성형단계는 압출, 사출, 압축 성형 또는 가온가압 성형단계를 포함하며,
압출, 사출, 압축 성형 또는 가온가압 단계의 열에너지는 상기 열분해 열처리 단계에서 발생하는 열을 이용함으로써 열분해 열처리 효율을 향상시키고 공정의 단순화를 달성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 다공성 바이오차 벌킹 에이전트 성형물 제조방법에서
상기 바이오차는 바이오차 형성용 바이오매스 및 다공성 바이오차 벌킹 에이전트 성형물 입자 혹은 입상을 혼합하여, 열분해하여 제조될 수 있으며, 이 경우 수분함량이 조절된 바이오차의 제조가 용이하므로, 최종적으로 제조되는 다공성 바이오차 벌킹 에이전트 성형물의 비틀림 및 크랙방지 효과와 미생물 및 공기공극 담지를 위한 거대기공 생성 제어기능이 더욱 증대될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 다공성 바이오차 벌킹 에이전트 성형물 제조방법에은 열분해 열처리 후 냉각 과정에서 부피 수축이 20% 미만인 것을 특징으로 하는 다공성 바이오차 벌킹 에이전트 성형물 제조방법.
본 발명은 본 발명의 일 실시예에 의한 다공성 바이오차 벌킹 에이전트 성형물에 미생물을 접종하고 배양하여 제조된 미생물 담체를 또한 제공한다.
본 발명은 바이오매스, 바이오차 및 바이오매스의 열분해로 발생하는 타르를 포함하는 벌킹 에이전트 혼합물을 성형 및 소성하는 단계를 포함함으로써 친환경적인 방법으로 미생물의 흡착이 쉬우며, 기계강도가 우수하고, 내구도가 높으면서도 반복 사용이 가능한 벌킹 에이전트 성형물을 제공하는 장점이 있다.
본 발명은 또한 제조된 벌킹 에이전트 분쇄물을 순환시켜 벌킹 에이전트 분쇄물을 원재료와 혼합함으로써 원재료 전체의 수분 함량 조절이 가능하며, 제조되는 벌킹 에이전트 분쇄물의 비틀림 및 크랙 등을 방지할 수 있는 장점이 있다. 그리고 혼합 벌킹 에이전트의 수분함량과 열분해 수축비율은 2차 열분해 온도 및 시간제어를 통하여 거대 기공확장 크기를 제어할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의해 제조된 다공성 바이오차 벌킹 에이전트 성형물의 외관을 촬영하여 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 의해 제조된 다공성 바이오차 벌킹 에이전트 성형물의 단면을 주사전자현미경을 통해 관찰한 결과를 도시한 것이다.
도 3은 다공성 바이오차 벌킹 에이전트 성형물의 다공 구조내 미네랄 및 미생물 담지구조를 개략적으로 도시한 것이다.
이하 본 발명에 따른 다공성 바이오차 벌킹 에이전트 성형물에 대해 상세히 설명한다. 이때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.
본 발명은 바이오차; 바이오매스 입자 혹은 입상; 및 바이오매스의 열분해 시 발생하는 타르;를 포함하는 벌킹 에이전트 혼합물을 성형 및 소성하여 제조된 다공성 바이오차 벌킹 에이전트 성형물에 관한 것이다.
본 발명에 의한 다공성 바이오차 벌킹 에이전트 성형물은 바이오차, 바이오매스 입자 혹은 입상 및 바이오매스의 열분해 시 발생하는 타르성 점액을 포함함으로써, 재사용이 용이하며, 바이오매스 및 바이오매스 열분해로부터 얻어지는 타르성 점액을 사용함으로써 성형물의 강도가 더욱 증가되고 친자연 바이오매스 유래한 접착제로 화학적 독성의 적어서 미생물의 담지가 용이한 장점이 있다. 나아가 본 발명에 의한 다공성 바이오차 벌킹 에이전트 성형물은 친자연 바이오매스 리그닌계에서 열분해 가스 냉각 후 축출하는 탄소 고분자 구조의 타르(Tar)성 접착제와 바이오매스의 반복된 열분해로 기계강도가 우수하며 장기간 반복사용 가능하여 내구도 또한 우수한 장점이 있다.
본 발명에서 벌킹 에이전트는 음식물 처리, 가축분 처리 및 하수처리 등에 이용되는 수분 흡수제 또는 미생물을 담지하여 수처리에 이용하는 수처리용 여재 등의 용도를 포함하는 것이다. 종래 음식물 처리, 가축분 처리 및 하수처리 등에 이용되는 수분 흡수제의 경우, 농업 또는 임업 폐기물인 바이오매스를 이용하여 수분을 흡수하고, 이후 처리단계를 수행하였다.
이러한 바이오매스의 경우 재사용이 어려우며, 폐기물 발생 대비 수요량이 현저히 높으며, 폐기물을 대체하여 수분 흡수제를 제작하여 사용하는 경우 처리단가가 지나치게 상승되는 문제점이 있다.
그러나 본 발명에 의한 다공성 바이오차 벌킹 에이전트 성형물은 음식물 처리, 가축분 처리 및 하수처리 등에 수분 흡수제로 이용하는 경우에도, 세척 및 건조 후 재사용이 가능할 정도로 기계적 물성이 우수하고, 여러번의 재사용에도 수분 흡수량과 기계적 손상이 발생하지 않는 장점이 있다.
더 나아가, 본 발명에 의한 다공성 바이오차 벌킹 에이전트 성형물에 미생물을 담지하여 수처리용 여재로 이용하는 경우, 천연물인 천연 타르 및 바이오매스를 포함하고 있어서, 합성 고분자 물질 등의 기타 물질을 이용한 수처리 여재와 대비 할 때 미생물의 담지가 쉽고, 담지 후에도 쉽게 탈착되지 않아 오래 동안 미생물 담지체로서의 역할을 수행할 수 있는 장점이 있으며, 또한 폐기 시 흡착된 유기물과 미생물과 더불어서 친자연적인 농업용 바이오차 비료 및 퇴비로 사용되어 환경오염 등의 문제를 유발하지 않는 장점이 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 다공성 바이오차 벌킹 에이전트 성형물에 포함되는 바이오차 및 바이오매스의 열분해 시 발생하는 타르성 점액물질은 바이오매스로부터 도출될 수 있다.
상세하게는 상기 바이오차(biochar)는 바이오매스(biomass)를 무산소 또는 저산소 환경에서 열분해 처리하여 탄화시켜 얻어진 고형물을 의미한다. 나아가 상기 타르성 점액물질은 상기 바이오차의 제조과정에서 발생하는 배출가스를 냉각하고, 냉각된 물질로부터 목초액을 추출하고 남은 점성 물질이다.
이때 무산소 또는 저산소 환경에서 바이오매스의 열분해는 통상적으로 유기물의 열분해에 이용되는 방법인 경우 제한없이 이용이 가능하다. 구체적이고 비한정적인 일 예로 바이오매스의 열분해는 200 내지 1000 ℃에서 수행될 수 있으나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.
즉, 본 발명의 일 실시 예에 의한 다공성 바이오차 벌킹 에이전트 성형물에 포함되는 바이오차 및 바이오매스의 열분해 시 발생하는 타르는 천연물인 바이오매스로부터 유래되어 친환경적으로 제조된 것일 수 있다.
본 발명에 있어서 상기 바이오매스는 자연에서 얻어지며, 에너지로 이용가능한 유기물질을 의미하며, 구체적으로 곡물, 식물, 톱밥, 폐목재, 식물줄기 및 해조류 등에서 선택되는 하나 또는 둘 이상일 수 있으나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다. 좋게는, 상기 바이오매스는 해조류를 10 내지 60 중량%, 더욱 구체적으로는 15 내지 50 중량% 포함할 수 있으며, 해조류를 포함하는 바이오매스로 다공성 바이오차 벌킹 에이전트 성형물을 제조하는 경우 해조류에 포함된 무기질 성분에 의하여 미생물의 담지를 더욱 촉진할 수 있는 장점이 있다. 이때 해조류라 함은 다시마, 미역, 톳, 실말 등의 갈조식물; 우뭇가사리 등의 홍조류; 및 파래 등의 녹조류; 등에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상을 포함할 수 있으나, 통상적으로 해조류로 지칭되는 경우 제한없이 이용이 가능하다.
더욱 상세하게는, 본 발명의 일 실시예에 의한 다고성 벌킹 에이전트 성형물에 포함되는 바이오차는 바이오매스와 다공성 바이오차 벌킹 에이전트 성형물의 분쇄물을을 혼합한 뒤 이를 열분해하여 제조되는 바이오차 혼성물일 수 있다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 의한 다공성 바이오차 벌킹 에이전트 조성물은 일부가 다시 재순환되어 원재료 중 하나인 바이오차의 제조에 이용될 수 있다. 이렇게 제조된 다공성 바이오차 벌킹 에이전트를 분쇄하여 다시 바이오차의 원료와 배합하는 경우 제조되는 조성형물 전체의 수분을 조절하여 비틀림, 크랙 및 부분 파손 등의 문제를 예방하는 예상치 못한 효과를 가진다. 그리고 미생물 및 공기공극 담지를 위한 거대기공 생성 크기 제어가 열분해 수축으로 인한 공극비율로 가능하다.
구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 의한 다공성 바이오차 벌킹 에이전트 성형물의 제조에 이용되는 바이오차는 바이오매스 50 내지 90 중량% 및 다공성 바이오차 벌킹 에이전트 성형물 입자 혹은 입상 10 내지 50 중량%를 균일하게 혼합한 뒤, 이를 무산소 또는 저산소 환경에서 열분해한 것일 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 의한 다공성 바이오차 벌킹 에이전트 성형물에서 상기 타르는 상기 바이오차의 제조 시 부수적으로 생성된 것일 수 있다.
이러한 배출가스 처리과정을 상세히 설명하면, 바이오매스를 포함하는 바이오차 원료의 열분해 시 발생하는 열분해가스를 분리하여 수냉각을 먼저 수행한다. 수냉각에 의해서도 액화되지 않는 물질들은 syn gas(합성 가스)로 이러한 합성 가스는 메탄 등을 포함하고 있으며, 이를 별도로 분리하여 정제한 뒤 다공성 바이오차 벌킹 에이전트 조성물의 제조단계 중 열처리단계로 이송되어 에너지원으로 이용될 수 있으며, 이러한 과정을 거쳐 다공성 바이오차 벌킹 에이전트 성형물의 제조 시 열처리 단계에서 소요되는 생산비용을 절감할 수 있다.
상기 열분해가스 중 액화 또는 고화된 물질 중에서 액상 성분을 분리함으로써 목초액을 추출하여 분리하고, 액상 성분을 추출하고 남은 점성물질이 타르로 분리되어, 바이오차 및 바이오매스 입자 혹은 입상을 결착시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 다공성 바이오차 벌킹 에이전트 혼합물은 발포제를 더 포함할 수 있다. 발포제를 혼합하여 성형한 뒤 이를 열분해 열처리하는 경우 발포에 의하여 제조되는 다공성 바이오차 벌킹 에이전트 혼합물에 기공이 더 형성될 수 있으며, 이러한 기공에 의하여 수분흡수를 용이하게 하고, 호기성 미생물의 담지 시 미생물에 산소 공급을 촉진하여 미생물의 활성을 더욱 향상시킬 수 있으며, 미생물의 번식을 위한 영양성분의 충진 또한 용이한 장점이 있다.
이때 발포제는 열처리에 의해 발포되어 기공을 형성할 수 있는 물질인 경우 제한이 없으나, 구체적으로 화학 발포제일 수 있다. 더욱 구체적으로, 상기 발포제는 탄산수소나트륨, 탄산수소암모늄, 탄산암모늄, 아질산암모늄, 붕소화수소나트륨 및 아질산나트륨에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 무기 발포제 또는 아조디카본아미드, 디니트로소펜타메틸렌테트라민, 벤젠술포닐히드라지드, p-톨루엔술포닐히드라지드, p,p'-옥시비스(벤젠술포닐히드라지드), p-톨루엔술포닐세미카바지드 및 5-페닐테트라졸에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 유기 발포제를 이용할 수 있으며, 무기 발포제 및 유기발포제를 혼합하여 이용할 수 있으나 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.
좋게는 상기 발포제는 탄산수소나트륨을 이용할 수 있으며, 탄산수소나트륨을 발포제로 이용하는 경우 발포가스로 이산화탄소 및 수증기가 발생함으로써 발포제에 의하여 미생물의 생장이 저해되는 문제 등을 예방할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 다공성 바이오차 벌킹 에이전트 성형물에 포함되는 기공은 크기가 0.1 내지 5000 ㎛, 구체적으로는 1 내지 2000 ㎛, 더욱 구체적으로는 1 내지 1000 ㎛일 수 있으며, 이러한 범위에서 지나치게 큰 기공크기에 의한 전체 다공성 바이오차 벌킹 에이전트 혼합물 전체의 내구도나 기계강도 저하를 예방하면서도, 넓은 표면적으로 수분 흡수를 촉진할 수 있다.
나아가 본 발명의 일 실시예에 의한 다공성 바이오차 벌킹 에이전트 성형물은 상술한 크기의 기공을 포함하여 공극률이 20% 이상, 구체적으로는 30 내지 90%일 수 있다. 이러한 범위에서 기계강도 저하로 인한 파손을 예방하면서도, 다공성 바이오차 벌킹 에이전트 성형물 전체 중량 대비 500% 이상, 최대 500%의 수분을 흡수할 수 있는 장점이 있다.
또한 상기 다공성 바이오차 벌킹 에이전트 혼합물은 30 내지 60 중량%의 바이오차, 20 내지 50 중량%의 바이오매스, 10 내지 30 중량%의 타르 및 1 내지 10 중량%의 발포제를 포함할 수 있다. 상술한 범위에서 제조되는 다공성 바이오차 벌킹 에이전트 성형물의 내구도를 향상시키면서도, 거대 기공을 다수 형성하는 경우에도 수압에 의해 파손되지 않는 기계강도의 다공성 바이오차 벌킹 에이전트 성형물을 제조할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 다공성 바이오차 벌킹 에이전트 성형물의 형상은 구체적인 이용용도 등에 따라 달라질 수 있으며, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다. 구체적이고 비한정적인 일 예로, 본 발명의 일 실시예에 의한 다공성 바이오차 벌킹 에이전트 성형물의 형상은 접촉면적을 확대하고 산소 공급을 원활히 하기 위한 측면에서 관통부를 포함할 수 있으나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다. 구체적인 하나의 실시예로 상기 다공성 바이오차 벌킹 에이전트 성형물의 형상은 관통부를 포함하는 원기둥 또는 다각기둥형일 수 있으나 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.
나아가 본 발명의 일 실시예에 의한 다공성 바이오차 벌킹 에이전트 성형물의 크기는 구체적인 사용용도 및 목적하는 수분 흡수량 등에 따라 달라질 수 있으며, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다. 구체적이고 비한정적인 일 예로, 상기 벌킹 에이전트 성형물의 부피는 제한이 없지만, 예를들면 수 ㎜ 직경의 필라 형상, 수십 ㎝ 길이의 다양한 형상의 시트형, 구형 또는 필라 형상으로 제조할 수 있으며, 크게는 수 m까지 형성할 수 있고, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 일 실시예에 의한 다공성 바이오차 벌킹 에이전트 성형물은 무기계 입자 혹은 입상을 더 포함할 수 있다. 이때 무기계 입자 혹은 입상이라 함은 인공토양, 황토, 제올라이트, 필석, 펄라이트 및 규조토 등과 같이 입자 혹은 입상화된 광물질일 수 있다. 이러한 무기계 입자 혹은 입상을 더 포함하는 경우, 다공성 바이오차 벌킹 에이전트 성형물의 기계강도를 더욱 향상시키면서도 미생물 뿐만 아니라 미생물의 배양을 위해 담지되는 영양분의 흡착을 더욱 촉진할 수 있는 장점이 있다.
이때 상기 무기계 입자 혹은 입상은 전체 다공성 바이오차 벌킹 에이전트 성형물 중 5 내지 20 중량% 포함될 수 있으며, 상술한 범위에서 무기계 입자 혹은 입상이 지나치게 다수 포함되어 발생할 수 있는 수분 흡수량 저하 등의 문제를 예방하면서도 기계강도의 향상을 도모하여 내구성을 더욱 증진시킬 수 있다.
본 발명은 또한 다공성 바이오차 벌킹 에이전트 성형물 제조방법을 구체적으로 제공한다. 본 발명에 의한 다공성 바이오차 벌킹 에이전트 성형물 제조방법은, 상술한 다공성 바이오차 벌킹 에이전트 성형물을 제조하는 방법일 수 있으나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.
구체적으로 본 발명에 의한 다공성 바이오차 벌킹 에이전트 성형물 제조방법은
바이오차, 바이오매스 입자 혹은 입상 및 바이오매스의 열분해 시 발생하는 타르성 점액물질을 혼합하는 벌킹 에이전트 혼합물 제조단계; 및
상기 벌킹 에이전트 혼합물을 성형하는 조성형물 형성단계;
상기 조성형물을 열분해 열처리하는 열처리단계;를 포함한다.
본 발명에 의한 다공성 바이오차 벌킹 에이전트 성형물 제조방법으로 다공성 바이오차 벌킹 에이전트 성형물을 제조하는 경우, 열분해시 발생되는 점액성 타르의 접착성 탄소 고분자 물질에 의한 바인딩 효과로 견고하고 내구성 높은 벌킹 에이전트 성형물을 제조하면서도, 크랙 및 비틀림 등의 불량이 거의 발생하지 않는 다공성 바이오차 벌킹 에이전트 성형물을 제조할 수 있는 장점이 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 다공성 바이오차 벌킹 에이전트 성형물 제조방법은 상기 조성형물 형성단계 후 열분해 열처리 단계 전, 조성형물을 수분함량 30 중량% 이하, 좋게는 5 내지 30 중량%로 건조하는 건조단계를 더 포함할 수 있다.
상술한 범위로 건조 후 열분해 열처리를 수행하는 경우 열처리 시 수분 증발에 의한 조성형물의 갈라짐이나 불균일한 형상의 다공성 바이오차 벌킹 에이전트 성형물이 제조되는 문제를 예방할 수 있다.
더욱 구체적으로, 상기 건조단계는 조성형물의 수분 함량을 3 내지 30 중량%, 더욱 구체적으로는 10 내지 25 중량%로 조절하는 단계일 수 있으며, 이러한 범위에서 지나치게 수분함량이 적어지는 경우 발생하는 열분해 열처리과정 중의 부스러짐 등의 문제를 예방할 수 있다.
이때 건조단계에서의 건조 온도는 30 내지 150 ℃, 더욱 구체적으로는 50 내지 140 ℃ 일 수 있으며, 이러한 범위에서 발포제의 선발포를 유도하고 추가적인 기공확장을 통한 거대 다기공 성형체를 형성하여 이후 2차적인 열분해의 열처리를 통해 기계강도가 우수한 다공성 벌킹에이전트 성형물을 제조할 수 있는 장점이 있다. 나아가 이러한 건조단계에서의 가열온도는, 연속적인 다공성 바이오차 벌킹 에이전트 성형물의 제조공정에 있어서, 상기 열처리 단계에서 발생하는 열을 회수하여 건조단계에 이용할 수 있으며, 이러한 공정을 통하여 건조에 소요되는 에너지를 절약할 수 있다.
또한, 바이오매스를 바로 열분해 열처리하는 것이 아닌 바이오차를 형성한 뒤, 바이오매스와 혼합하여 열분해 열처리하는 과정을 통해 다공성 바이오차 벌킹 에이전트 성형물을 제조하는 경우 더욱 높은 공극률을 달성할 수 있어 호기성 미생물의 배양을 촉진할 수 있다. 본 발명은 바이오차를 별도로 제조한 뒤, 이를 바이오매스 및 열분해 후 타르계 점액질 바인더와 혼합하여 건조한 후 열분해 처리함으로써, 냉각과정에서 발생하는 수축을 20% 이하, 좋게는 10% 이하, 더욱 좋게는 5% 이하까지 줄일 수 있고, 이를 통하여 완전히 냉각된 이후에도 수십 ㎛ 크기의 거대 기공을 포함하는 다공성 바이오차 벌킹 에이전트 성형물을 제조할 수 있는 장점이 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 상기 열분해 열처리단계는 200 내지 500 ℃, 구체적으로는 300 내지 500 ℃에서 수행될 수 있으며, 상술한 조건에서 발포체의 발포와 동시에 기공을 형성하면서도, 지나치게 높은 온도에 의한 다공성 바이오차 벌킹 에이전트 성형물의 손상을 예방할 수 있는 장점이 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 다공성 바이오차 벌킹 에이전트 성형물 제조방법에 이용되는 상기 바이오차는 바이오차 형성용 바이오매스 및 다공성 바이오차 벌킹 에이전트 성형물 입자 혹은 입상을 혼합하여, 바이오차의 수분함량을 조절하여 제조된 것일 수 있다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 의한 다공성 바이오차 벌킹 에이전트 성형물 제조방법은, 최종적으로 제조된 다공성 바이오차 벌킹 에이전트 성형물을 재순환하여 바이오차의 제조시 혼합할 수 있다. 이렇게 다공성 바이오차 벌킹 에이전트 성형물을 바이오차에 제조시 바이오매스와 혼합하는 경우, 다양한 수분함량을 가진 바이오매스에서 수분을 일부 흡수함으로써 수분함량을 조절하고, 이를 통하여 최종적으로 형성되는 다공성 바이오차 벌킹 에이전트 성형물의 크랙이나 부서짐을 방지할 수 있는 장점이 있다. 나아가, 다공성 바이오차 벌킹 에이전트 성형물의 공극에 의하여 바이오차의 형성 시 균일한 열 공급을 촉진하고, 열순환 효율을 향상시킴으로써 열분해 속도를 향상시켜 단시간 내에 바이오차의 형성이 가능한 장점이 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 다공성 바이오차 벌킹 에이전트 성형물 제조방법에서, 상기 바이오차 및 바이오매스 입자 혹은 입상은 각각 평균입경이 5 ㎜ 이하, 구체적으로는 평균입경이 0.01 내지 5 ㎜가 되도록 분쇄된 것일 수 있다. 이러한 입경 범위에서 지나치게 큰 입경범위에 의한 내구도 저하, 결착력 저하를 예방하고 열의 균일한 분배로 균일한 제어 가능한 크기의 벌크 에이전트 기공 조성을 갖는 다공성 바이오차 벌킹 에이전트 성형물을 제조할 수 있는 장점이 있다.
나아가 상술한 바와 같이 상기 다공성 바이오차 벌킹 에이전트 혼합물은 발포제 및 무기계 입자 혹은 입상을 더 포함할 수 있으며, 구체적인 물질 및 혼합 비율은 중복기재를 방지하기 위하여 생략한다.
본 발명은 또한 미생물 담체를 제공하며, 본 발명에 의한 미생물담체는 본 발명의 일 실시예에 의한 다공성 바이오차 벌킹 에이전트 성형물에 미생물을 접종하고 배양하여 제조된 것일 수 있다.
본 발명에 의한 미생물 담체는 상술한 바와 같이 기공을 다수 포함함으로써 사전에 탄수화물과 미생물 성장에 필요한 무기물질인 황, 칼륨 또는 마그네슘 등을 바이오차에 흡착시킨 뒤 미생물을 접종하여, 이들의 배양을 촉진하고, 미생물을 이용한 수처리 시 미생물처리 과정의 효율을 더욱 향상시키고, 처리 시간을 단축시킬 수 있는 장점이 있다.
이때, 본 발명의 일 실시예에 의한 미생물 담체는 제조 방법적인 측면에서, 바이오차의 제조 시 발생한 목초액을 이용할 수 있다. 구체적으로, 제조된 다공성 바이오차 벌킹 에이전트 성형물은 염기성을 띠어 바로 미생물 담지 시 배양이 상대적으로 느린 문제점이 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여, 바이오차의 제조 시 부수적으로 발생한 목초액을 희석하고, 영양물질과 배합하여 다공성 바이오차 벌킹 에이전트 성형물에 흡착 시킨 뒤, 미생물을 접종하는 경우, 별다른 처리 없이도 미생물 배양을 촉진할 수 있는 장점이 있다.
이때, 목초액의 희석비율은 제조된 목초액의 pH 또는 다공성 바이오차 벌킹 에이전트 성형물의 pH 등에 따라 달라질 수 있으나, 일예로 100 내지 1000배의 물로 희석하여 이용할 수 있다. 또한 상기 영양물질은 배양되는 미생물의 종류에 따라 달라질 수 있으나, 구체적인 일 예로 감자, 고구마, 타피오카 또는 옥수수 등의 전분질 또는 설탕, 과당 및 엿당 등과 같은 당분을 포함하는 물질일 수 있으며, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.
이때 접종되는 미생물은 제조되는 미생물 담체의 사용처 등에 따라 달라질 수 있음은 물론이며, 미생물의 배양방법 또한 접종되는 미생물에 따라 달리 적용될 수 있으나 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.
이하, 본 발명을 실시예에 의해 구체적으로 설명한다. 아래에서 설명하는 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 아래에서 설명하는 실시예에 의해 제한되지 않는다.
[실시예 1]
왕겨 50 중량% 및 고춧대 50 중량%를 포함하는 농업 및 임업 폐기물을 평균 입경 3 ㎜이하로 분쇄하여 바이오매스를 제조한다. 이중 일부를 150 ℃에서 20분간 건조한 뒤, 500 ℃에서 40분간 열분해하는 단계를 수행하여 바이오차를 제조하고, 일부는 하기의 바이오매스로 이용하였다.
바이오차 제조과정에서 배출되는 배출가스를 수냉각하고, 고상 및 액상 혼합물을 분리한 뒤, 이로부터 액상의 목초액을 추출하고 잔류하는 타르를 분리하였다.
제조된 바이오차 300 g, 탄산수소나트륨 40 g, 상기 바이오매스 500 g, 타르 250 g 및 규조토 100 g을 균일하게 혼합하여 벌킹 에이전트 혼합물을 제조하였다.
제조된 벌킹 에이전트 혼합물을 외부지름이 5 mm, 높이 5-7 mm이며, 길이방향으로 형성된 지름 2-2.5 mm의 관통부를 포함하는 조성형물을 제조하였다.
제조된 조성형물을 140 ℃에서 20분간 건조하여 수분함량을 약 20% 수준으로 조절하고, 건조된 조성형물을 420 ℃에서 45분간 열분해 열처리하여 최종적으로 다공성 바이오차 벌킹 에이전트 성형물을 제조하였다.
제조된 다공성 바이오차 벌킹 에이전트의 기공률을 나타내는 비표면적은 100㎡/g 이고, 기공크기는 1 내지 1000 ㎛ 범위에서 고르게 분포하고 있으며, 특히 유용미생물들의 거주공간을 제공하기 위해서 형성시킨 100 내지 500 ㎛의 대형 기공 80% 이상의 비율로 형성된 것을 확인하였다.
[실시예 2]
실시예 1과 같은 방법으로 제조하되, 상기 바이오차의 제조 시 바이오매스 80 중량% 및 실시예 1에서 제조된 다공성 바이오차 벌킹 에이전트 성형물을 평균 입경 4 ㎜로 분쇄한 다공성 바이오차 벌킹 에이전트 성형물 입자 혹은 입상 20 중량%를 혼합하여 열분해하는 단계를 수행한 것을 제외하고는 나머지 단계를 동일하게 수행하여 다공성 바이오차 벌킹 에이전트 성형물을 제조하였다.
제조된 다공성 바이오차 벌킹 에이전트 성형물은 기공률을 나타내는 비표면적은 115㎡/g으로 나타났다.
[실시예 3]
실시예 2와 같은 방법으로 제조하되, 상기 바이오매스를 왕겨 80 중량% 및 건조 분쇄 다시마 20 중량%를 혼합하여 제조한 것을 제외하고는 나머지 단계를 동일하게 수행하여 다공성 바이오차 벌킹 에이전트 성형물을 제조하였다.
제조된 다공성 바이오차 벌킹 에이전트 성형물은 기공률을 나타내는 비표면적은 119㎡/g으로 나타났다.
[실시예 4]
실시예 1과 같은 방법으로 제조하되, 벌킹 에이전트 혼합물의 제조 시 제조된 바이오차 350 g, 탄산수소나트륨 40 g, 상기 바이오매스 550 g 및 타르 250 g를 균일하게 혼합하며, 규조토를 제외한 조성으로 벌킹 에이전트 혼합물을 제조하고 이를 이용하여 다공성 바이오차 벌킹 에이전트 성형물을 제조하였다.
제조된 다공성 바이오차 벌킹 에이전트 성형물 비표면적은 85㎡/g 나타났다.
[비교예 1]
탄산수소나트륨 40 g, 바이오매스 800 g, 타르 250 g 및 규조토 100 g을 균일하게 혼합하여 성형용 반죽을 형성하였으며, 이를 다공성 바이오차 벌킹 에이전트 혼합물 대신 이용하여 실시예 1과 같은 방법으로 성형물을 제조하였다.
[비교예 2]
실시예 1과 같은 방법으로 제조하되, 벌킹 에이전트 혼합물의 제조 시 제조된 바이오차 350 g, 탄산수소나트륨 40 g, 상기 바이오매스 550 g 및 규산나트륨(KS-2종) 250g을 균일하게 혼합하며, 규조토를 제외한 조성으로 벌킹 에이전트 혼합물을 제조하고 이를 이용하여 다공성 바이오차 벌킹 에이전트 성형물을 제조하였다.
다공성 바이오차 벌킹 에이전트 성형물의 수분흡수량 측정
실시예 및 비교예에서 제조된 다공성 바이오차 벌킹 에이전트 성형물의 무게를 각각 측정하고, 수돗물에 완전히 잠기도록 함침하여 30분 동안 방치한 뒤, 이를 체반에 받쳐 5분간 잔여 수분을 제거하고 무게를 측정하는 방법으로 수분흡수량을 측정하였다.
이때 수분흡수량은 [(수분흡수 후의 무게)-(최초 무게)]/(최초 무게)×100으로 계산하였으며, 이를 표 1로 나타내었다.
표 1을 참고하면, 본 발명의 실시예에 의한 성형물이 상대적으로 큰 기공을 포함함으로써 수분 흡수량이 현저히 높음을 확인할 수 있다.
다공성 바이오차 벌킹 에이전트 성형물의 미생물 흡착정도 측정
실시예 및 비교예에서 제조된 다공성 바이오차 벌킹 에이전트 성형물을 영양 용액(타피오카 입자 혹은 입상 중량10%, 흑설탕 입자 혹은 입상 중량5%, 목초액 중량1%, 소금 중량3%, 및 기타 무기물 영양소 중량1%를 물 중량80% 혼합 포함함)에 각각 100분간 담지하여 영양성분을 충진하여 영양성분이 충진된 다공성 바이오차 벌킹 에이전트 성형물을 제조하였다.
영양분이 충진된 다공성 바이오차 벌킹 에이전트 성형물을 호기성 세균 배양액에 12시간동안 침지하여 미생물을 배양시킨 뒤, 이를 잘게 분쇄하여 10 g을 증류수 10 ㎖과 혼합하하고, 10분간 침지한 뒤 액상 성분만을 분리하여 pH를 측정하고 표 1로 나타내었다.
이때 호기성 세균 배양액은 농업기술원에서 분양받은 유용 미생물 균주를 구입처에서 제조한 조건으로 3일간 배양하고, 이를 100 배의 증류수와 희석하여 제조하였다.
이때, 유용 미생물 균주는 Acetobactor JBA 05, Baciilus subtils PM-2. Baciilus subtils PM-5, Baciilus subtils PM-6, Lactobacillus buchneri BK-1, Pediococcus inopinatus BK-3, Lactobacillus sakei C-11, Lactobacillus sakei M-5, Leucorostoc mesenteroidesi M-17, Pediococcus inopinatus BK-6, Saccharomycess JBS 08, 09 및 Weissella koreensis BK-4)를 동일한 비율로 포함하는 유용 미생물 복합체를 이용하였다.
미생물 배양 전 다공성 바이오차 벌킹 에이전트 성형물의 pH를 측정하는 경우 8과 9사이로 나타나며, 미생물이 많이 배양될수록 pH가 낮아지는 경향을 보인다.
이에 따라 표 1을 검토하면, 본 발명의 실시예에 의한 다공성 바이오차 벌킹 에이전트의 미생물 담지가 우수한 것을 확인할 수 있으며, 나아가 규조토를 포함하여 제조된 실시예 1 및 실시예 2의 경우에서 미생물이 더욱 많이 담지된 것을 확인할 수 있다.
다공성 바이오차 벌킹 에이전트 성형물의 경도 측정
공업규격(KSM 1421-1993)에 의하여 실시예 및 비교예에 의한 다공성 바이오차 벌킹 에이전트 성형물의 경도(%)를 측정하고 이를 표 1로 나타내었다.
표 1을 참고하면, 본 발명의 실시예에 의한 다공성 바이오차 벌킹 에이전트 성형물이 90% 이상의 높은 경도를 나타냄을 확인할 수 있으며, 나아가 제조된 다공성 바이오차 벌킹 에이전트 성형물을 재순환하여 바이오차의 제조 시 이용한 실시예 2의 경우에서 가장 높은 경도가 나타남을 확인할 수 있다.
실시예 1 실시예 2 실시예 3 실시예 4 비교예 1 비교예 2
수분흡수량 350% 376% 364% 342 167% 215%
미생물 담지후
PH		 4.3 4.2 3.8 5.4 6.5 6.3
경도 92.5% 93.3% 93.7% 90.7% 82.9% 89.4%

Claims (14)

  1. 바이오차; 바이오매스 입자 혹은 입상; 및 바이오매스의 열분해 시 발생하는 타르성 점액질;를 포함하는 벌킹 에이전트 혼합물을 성형 및 소성하여 제조된 다공성 바이오차 벌킹 에이전트 성형물.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 벌킹 에이전트 혼합물은 바이오차를 30 내지 60 중량%, 바이오매스를 20 내지 50 중량% 및 열분해 시 발생하는 타르성 점액질을 10 내지 30 중량% 포함하는 다공성 바이오차 벌킹 에이전트 성형물.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 벌킹 에이전트 혼합물은 1 내지 10 중량%의 발포제를 더 포함하는 다공성 바이오차 벌킹 에이전트 성형물.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 열분해 시 발생하는 타르성 점액질은 바이오매스의 열분해 시 발생하는 가스를 냉각하고, 액상 추출물을 제거한 점액성 물질인 다공성 바이오차 벌킹 에이전트 성형물.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 바이오매스 입자 혹은 입상은 평균 입경이 5 ㎜ 이하인 다공성 바이오차 벌킹 에이전트 성형물.
  6. 제 3항에 있어서,
    상기 발포제는 화학 발포제인 것인 다공성 바이오차 벌킹 에이전트 성형물.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 발포제는
    탄산수소나트륨, 탄산수소암모늄, 탄산암모늄, 아질산암모늄, 붕소화수소나트륨 및 아질산나트륨에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 무기 발포제를 포함하는 다공성 바이오차 벌킹 에이전트 성형물.
  8. 바이오차, 바이오매스 입자 혹은 입상 및 바이오매스의 열분해 시 발생하는 타르성 점액질을 혼합하는 벌킹 에이전트 혼합물 제조단계; 및
    상기 벌킹 에이전트 혼합물을 성형하는 조성형물 형성단계;
    상기 조성형물을 열분해 열처리하는 열처리단계;를 포함하는 다공성 바이오차 벌킹 에이전트 성형물 제조방법.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 벌킹 에이전트 혼합물은 발포제를 더 포함하는 다공성 바이오차 벌킹 에이전트 성형물 제조방법.
  10. 제 8항에 있어서,
    상기 조성형물 형성단계 후 열분해 열처리단계 전,
    조성형물을 수분함량 30 중량% 이하로 건조하는 건조단계;를 더 포함하는 다공성 바이오차 벌킹 에이전트 성형물 제조방법.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 건조단계에 이용되는 열에너지는 상기 열분해 열처리 단계에서 발생하는 여열을 이용한 것인 다공성 바이오차 벌킹 에이전트 성형물 제조방법.
  12. 제 1항에 있어서,
    상기 바이오차는
    바이오차 형성용 바이오매스 및 다공성 바이오차 벌킹 에이전트 성형물 입자 혹은 입상을 혼합하여, 바이오차의 수분함량을 조절하여 제조된 것인 다공성 바이오차 벌킹 에이전트 성형물 제조방법.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 다공성 바이오차 벌킹 에이전트 성형물 제조방법은 상기 열분해 열처리 단계 후 냉각 과정에서 부피 수축이 20% 미만인 것을 특징으로 하는 다공성 바이오차 벌킹 에이전트 성형물 제조방법.
  14. 제 1항 내지 제 7항에서 선택되는 어느 한 항의 다공성 바이오차 벌킹 에이전트 성형물에 미생물을 접종하여 배양한 미생물 담체.
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