KR102319673B1 - 유기 폐수로부터 질소비료를 생산하는 장치 및 방법 - Google Patents

유기 폐수로부터 질소비료를 생산하는 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

유기 폐수로부터 질소비료를 생산하는 장치 및 방법을 개시한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 가축 분뇨를 유입받아, 유입받은 가축 분뇨와 브뢴스테드 염기를 혼합하여 가축분뇨 내 암모니아와 이산화탄소를 탈기시키는 1차 반응기 및 기 설정된 환경을 제공하여 상기 1차 반응기로부터 탈기된 암모니아와 이산화탄소를 용해시켜 액상의 질소비료를 제조하는 2차 반응기를 포함하는 것을 특징으로 하는 질소비료 생산장치를 제공한다.

Description

유기 폐수로부터 질소비료를 생산하는 장치 및 방법{Apparatus and Method for Producing Nitrogen Fertilizer from Organic Wastewater}
본 발명은 유기폐수로부터 질소비료를 생산하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 실시예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.
유기성 폐기물가 매립지에 매립되면, 온실 가스를 발생시키면서 환경 문제를 유발한다. 유기성 폐기물, 특히, 축산폐수는 유용한 영양염류를 함유하고 있기에, 단순하게 매립을 하는 것보다는 영양염류를 회수하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 세계적으로 육류 소비가 증가함에 따라, 가축분뇨는 심각한 환경 문제로 대두되고 있다. 가축분뇨의 처리나 관리가 미흡하면 환경오염뿐 아니라 인간의 건강에 위해를 끼칠 수 있다. 특히, 부적절한 가축분뇨 관리로 과다한 영양염류가 하천, 호수 또는 연안해역에 유입되어서 부영양화를 일으키거나 지하수의 오염을 유발한다.
가축 분뇨로부터 영양염류가 유출 또는 침출되는 것은 농업자원의 낭비이다. USDA(United States Department of Agriculture)에 따르면, 농작물 생산을 위해 필요한 질소 비료 양의 절반이 가축분뇨 내 포함된 질소로 대체할 수 있다고 한다. 따라서, 가축분뇨 내에서 질소와 인을 회수하여 재이용하는 것이 농업자원의 효율적 활용과 환경보호를 위한 열쇠이다.
이에, 암모니아(NH3)를 가축 분뇨로부터 비료로 회수하는 다양한 기술이 개발되고 있다. 그러나 종래의 회수 기술은 암모니아(암모늄)를 회수하는데 있어, 초기 투자비용과 운영비가 높은 문제가 있으며, 그럼에도 불구하고 상대적으로 수율이 낮은 문제가 있다. 또한, 회수 과정 상에서 강산과 같은 합성 화학물질이 사용되기 때문에, 회수한 질소비료가 유기농으로 인증받기 곤란한 문제가 있다.
본 발명의 일 실시예는, 합성 화학물질의 사용없이 유기 폐수로부터 질소 성분을 회수하여 유기농 질소비료를 생산하는 장치 및 방법을 제공하는 데 일 목적이 있다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 가축 분뇨를 유입받아, 유입받은 가축 분뇨와 브뢴스테드 염기를 혼합하여 가축분뇨 내 암모니아와 이산화탄소를 탈기시키는 1차 반응기 및 기 설정된 환경을 제공하여 상기 1차 반응기로부터 탈기된 암모니아와 이산화탄소를 용해시켜 액상의 질소비료를 제조하는 2차 반응기를 포함하는 것을 특징으로 하는 질소비료 생산장치를 제공한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 1차 반응기는 유입받은 가축 분뇨와 브뢴스테드 염기를 혼합하며 산기장치를 이용하여 폭기함으로써, 가축분뇨 내 암모니아와 이산화탄소를 탈기시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 기 설정된 환경은 기 설정된 수치 이하의 pH와 기 설정된 범위 내의 온도를 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 2차 반응기에서 제조되는 질소비료는 탄산 암모늄((NH4)2CO3)인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 질소비료 생산장치는 상기 2차 반응기에서 제조되는 액상의 질소비료 성분 및 외부로부터 액상의 황산 알칼리 성분을 유입받아, 질소비료를 제조하는 3차 반응기를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 3차 반응기에서 제조되는 질소비료는 황산 암모늄((NH4)2SO4)인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 질소비료 생산장치가 가축 분뇨로부터 질소비료를 생산하는 방법에 있어서, 1차 반응기로 가축 분뇨를 유입받아, 유입받은 가축 분뇨와 브뢴스테드 염기를 혼합하여 가축분뇨 내 암모니아와 이산화탄소를 탈기시키는 탈기과정과 탈기시킨 암모니아 기체와 이산화탄소 기체를 2차 반응기로 전송하는 전송과정 및 기 설정된 환경을 제공하여 상기 1차 반응기로부터 탈기된 암모니아와 이산화탄소를 용해시켜 액상의 질소비료를 제조하는 제조과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 질소비료 생산방법을 제공한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 탈기과정은 유입받은 가축 분뇨와 브뢴스테드 염기를 혼합하며 산기장치를 이용하여 폭기함으로써, 가축분뇨 내 암모니아와 이산화탄소를 탈기시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 기 설정된 환경은 기 설정된 수치 이하의 pH와 기 설정된 범위 내의 온도를 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 제조과정에서 제조되는 질소비료는 탄산 암모늄((NH4)2CO3)인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 질소비료 생산방법은 상기 제조과정에서 제조되는 액상의 질소비료 성분 및 외부로부터 액상의 황산 알칼리 성분을 유입받아, 질소비료를 제조하는 제2 제조과정을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 제2 제조과정에서 제조되는 질소비료는 황산 암모늄((NH4)2SO4)인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 가축 분뇨를 유입받아, 유입받은 가축 분뇨와 브뢴스테드 염기를 혼합하여 가축분뇨 내 암모니아와 이산화탄소를 탈기시키는 1차 반응기, 기 설정된 환경을 제공하여 상기 1차 반응기로부터 탈기된 암모니아를 용해시키며, 기 주입된 시트르산을 반응시켜 시트르산 암모늄 용액을 제조하는 2차 반응기 및 상기 2차 반응기에서 제조되는 시트르산 암모늄 용액 및 외부로부터 액상의 황산 알칼리 성분을 유입받아, 질소비료를 제조하는 3차 반응기를 포함하는 것을 특징으로 하는 질소비료 생산장치를 제공한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 3차 반응기는 생성된 질소비료의 용액 일부를 상기 2차 반응기로 반송하는 것을 특징으로 한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 일 측면에 따르면, 합성 화학물질의 사용없이 유기 폐수로부터 질소 성분을 회수하기 때문에, 유기 폐수로부터 유기농 질소 비료를 생산할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 질소비료 생산장치를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 1차 반응기의 구성을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 1차 반응기 내 배관의 직경에 따른 암모늄 농도 변화를 도시한 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 1차 반응기 내 브뢴스테드 염기가 주입되었을 때와 그렇지 않았을 때의 시간에 따른 암모늄 농도 변화를 도시한 그래프이다.
도 5 본 발명의 일 실시예에 따른 1차 반응기와 2차 반응기 내 시간에 따른 암모늄 농도 변화를 도시한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 질소비료 생산방법을 도시한 순서도이다.
도 7은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 질소비료 생산방법을 도시한 순서도이다.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 질소비료 생산장치를 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 질소비료 생산방법을 도시한 순서도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 동력 수단요소로 명명될 수 있고, 유사하게 동력 수단요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에서, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서 "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해서 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
또한, 본 발명의 각 실시예에 포함된 각 구성, 과정, 공정 또는 방법 등은 기술적으로 상호 간 모순되지 않는 범위 내에서 공유될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 질소비료 생산 장치를 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 질소비료 생산 장치(100)는 1차 반응기(110), 2차 반응기(120) 및 파이프(140)를 포함한다. 나아가, 질소비료 생산장치(100)는 3차 반응기(130)를 더 포함할 수 있다.
1차 반응기(110)는 가축 분뇨를 유입받아 암모니아와 이산화탄소를 탈기시킨다.
1차 반응기(110)로 가축 분뇨가 유입된다. 가축분뇨는 내부에 포함된 고형물이 제거된 채 1차 반응기(110)로 유입되며, 액상(液相)을 갖는다. 예로서, 가축분뇨는 가축분뇨가 스크루 프레스, 원심분리기 또는 로터리 프레스 등을 거쳐 고형물이 제거된 소화액이 유입될 수 있다.
1차 반응기(110)는 가축분뇨로부터 암모니아와 이산화탄소를 탈기시킨다. 1차 반응기(110)는 유입받은 가축분뇨를 브뢴스테드(Broensted) 염기와 혼합한 후, 산기한다. 여기서, 브뢴스테드 염기는 양성자(H+)를 받는 화합물로서, 예를 들어, 나트륨, 칼륨, 칼슘 또는 마그네슘 등 알칼리 (토)금속의 탄산염 또는 이탄산염일 수 있다. 가축분뇨와 브뢴스테드 염기가 1차 반응기(110) 내에서 혼합됨으로써 다음과 같은 반응이 일어난다.
Figure 112021022802911-pat00001
여기서, AB는 브뢴스테드 염기이며, A는 알칼리 (토)금속의 성분이고 B는 탄산염 또는 이탄산염 성분이다. 브뢴스테드 염기와 가축분뇨가 혼합되면, 가축분뇨 내 암모늄 이온은 브뢴스테드 염기로부터 전자를 얻으며 (환원) 암모니아로 환원된다. 한편, 브뢴스테드 염기는 산화되며, AOH와 HB가 생성된다.
일 예로서, 브뢴스테드 염기가 탄산 나트륨(Na2CO3)일 경우, 반응은 다음과 같이 일어난다.
Figure 112021022802911-pat00002
반응에 의해 암모늄 이온은 암모니아로 환원되며, 브뢴스테드 염기는 산화되어 이산화탄소와 물을 생성한다.
브뢴스테드 염기가 탄산 칼슘(CaCO3) 또는 탄산 마그네슘(MgCO3)으로 구현될 경우, 생성물은 대부분 비슷하며, 수산화 나트륨(NaOH) 대신 수산화 칼슘(Ca(OH)2) 또는 수산화 마그네슘(Mg(OH)2)이 생성된다.
이처럼, 1차 반응기(110) 내에 브뢴스테드 염기가 포함될 경우, 현저한 암모니아 기체의 탈기효율을 가질 수 있다. 이는 도 4의 그래프로 뒷받침된다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 1차 반응기 내 브뢴스테드 염기가 주입되었을 때와 그렇지 않았을 때의 시간에 따른 암모늄 농도 변화를 도시한 그래프이다.
도 4를 참조하면, 1차 반응기 내에서 산기장치의 폭기가 수행되며 탈기로 인해 암모늄 이온의 농도 감소가 발생한다. 이때, 브뢴스테드 염기가 주입되지 않은 1차 반응기 내에서 암모늄 이온의 농도 감소 폭은 약 2시간(120분)이 경과하면서 완만해졌으며, 1차 반응기 내 암모늄 이온의 최종 농도는 약 1160mg/L이었으며, 약 60.4%의 탈기율을 보였다. 반면, 브뢴스테드 염기가 주입된 1차 반응기 내에서는 암모늄 이온의 농도 감소 폭은 약 4시간(240분)이 경과해서야 완만해졌으며, 1차 반응기 내 암모늄 이온의 최종 농도는 약 83mg/L로, 약 97%의 탈기율을 보였다.
다시 도 1을 참조하면, 1차 반응기(110)는 브뢴스테드 염기와 가축분뇨를 혼합한 후, 산기장치(114)를 이용하여 산기시킨다. 산기장치(114)는 멤브레인 산기장치, 산기석, 다공석 플라스틱 산기장치 또는 세라믹/알루미늄 Oxide 등으로 구현되어, 1차 반응기(110) 내 유입물을 산기시킨다. 산기장치의 산기로 인해 1차 반응기(110) 내에서 반응 생성물인 암모니아(NH3)와 이산화탄소(CO2)가 기체로 탈기된다. 탈기된 기체는 1차 반응기(110) 내 포집구(118)로 배출되어, 파이프(140)를 따라 2차 반응기(120)로 유입된다.
이처럼, 1차 반응기(110)가 브뢴스테드 염기와 산기장치만을 이용하여 가축분뇨 내에서 암모니아와 이산화탄소를 탈기시킴에 따라 다음과 같은 이점을 얻을 수 있다. 종래에는 가축분뇨 내에서 암모니아와 이산화탄소를 탈기시키기 위해, pH 또는 온도를 상승시켜왔다. 1차 반응기 내의 pH를 낮추기 위해서는 강산(强酸)을 지속적으로 유입시켜야 하며, 가축분뇨의 유입량이 증가할수록 증가해야 한다. 그러나 강산은 취급에 있어 상당한 제약이 존재하며, 상당히 높은 비용이 소모되는 불편이 존재하여 왔다. 1차 반응기 내의 온도를 상승시키는 것도 유사한 불편을 갖는다. 1차 반응기 내 온도 증가를 위해 난방비가 소모되므로 상당한 운영비가 소모되는 불편이 존재한다. 또한, 종래의 1차 반응기는 가축 분뇨와 산의 접촉시간 또는 면적을 늘리기 위해, 부피가 크거나 길이가 긴 반응조를 필요로 하였다. 반면, 본 발명의 일 실시예에 따른 1차 반응기(110)는 가축분뇨와 함께 브뢴스테드 염기를 혼합한 후 산기만 시키면 되기에, pH를 증가시키거나 온도를 상승시키지 않고도 암모니아 기체를 탈기시킬 수 있다. 또한, 접촉시간이나 접촉 면적을 증가시키기 않더라도 브뢴스테드 염기에 의해 원활한 반응이 일어나기에, 1차 반응기(110)는 종래와 같이 부피가 크거나 길이가 길어질 필요가 없다. 이에 따라, 1차 반응기(110)는 상대적으로 저렴한 비용으로도 암모니아와 이산화탄소 기체를 탈기시킬 수 있다.
1차 반응기(110)의 구체적인 구성은 도 2에 도시되어 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 1차 반응기의 구성을 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 1차 반응기(110)는 산기장치(114), 포집구(118) 및 배관(210)을 포함한다.
산기장치(114)는 배관(210)을 따라 1차 반응기 내를 폭기시킨다. 산기장치(114)는 가축분뇨 내 암모니아와 이산화탄소를 탈기시키기 위해 1차 반응조(110) 내부를 폭기한다. 산기장치(114)는 배관(210)을 따라 폭기시킨다.
이때, 배관(210)의 직경은 기 설정된 길이 이내일 수 있다. 배관(210)의 직경은 기체의 탈기효율에 영향을 미친다. 배관(210)의 직경과 탈기 효율에 관한 결과는 도 3에 도시되어 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 1차 반응기 내 배관의 직경에 따른 암모늄 농도 변화를 도시한 그래프이다.
도 3을 참조하면, 직경이 4인치인 배관을 포함하는 1차 반응기는 2시간(120분)이 경과한 후 암모늄 이온의 농도 감소 폭은 완만해졌으며, 최종적인 암모늄 이온의 농도는 약 1100mg/L였다. 반면, 직경이 1인치인 배관을 포함하는 1차 반응기는 5시간(300분)이 지나서여 비로소 암모늄 이온의 농도 감소폭이 완만해졌으며, 암모늄 이온의 농도도 약 550mg/L까지 감소하였음을 확인할 수 있었다.
이를 참조하면, 배관(210)의 직경이 감소할수록 탈기효율이 상승함을 확인할 수 있었다. 배관(210)의 직경은 기 설정된 길이(예를 들어, 1인치) 이내일 수 있다.
다시 도 2를 참조하면, 포집구(118)는 1차 반응기(110)의 상단에 파이프(140)와 연결되어, 탈기되는 암모니아와 이산화탄소 기체를 파이프(140)로 전달한다. 포집구(118)는 1차 반응기(110) 내에서 탈기되는 기체를 포집하기 위치에 유리한 상단에 형성된다.
다시 도 1을 참조하면, 2차 반응기(120)는 탈기된 기체를 유입받아, 기 설정된 환경을 제공하여 탄산 암모늄을 생성한다.
2차 반응기(120)는 신가장치(125)를 포함하여, 유입된 암모니아 기체와 이산화탄소를 재용해시킨다. 2차 반응기(120) 내에서 암모니아 기체와 이산화탄소가 용해되며, 다음과 같이 탄산 암모늄으로 생성된다.
Figure 112021022802911-pat00003
전술한 과정에 의해, 2차 반응기(120) 내에서 암모니아 기체와 이산화탄소 기체는 용해되며, 탄산 암모늄 용액이 파이프(145)를 따라 3차 반응기(130)로 유입된다.
이때, 2차 반응기(120)는 탈기된 기체의 용해와 탄산 암모늄의 생성을 향상시키고자, 기 설정된 환경을 제공한다. 여기서, 기 설정된 환경은 7 이하의 pH를 가지며, 40 내지 50℃의 온도를 가질 수 있다. pH가 7 이하이어야, 용해된 암모니아는 물속에 용해된 이산화탄소 및 물분자와 반응을 수행한다. 이에, 2차 반응기로 산(酸)이 투입된다. 다만, pH가 7이하이면 되기에, 강산이 투입될 필요는 없으며, 시트르산, 빙초산, 젖산 또는 말산 등 유기 인증을 받은 산이 투입되어도 무방하다. 전술한 pH를 유지하여 2차 반응기 내에서 탄산 암모늄 용액이 생성될 수 있다.
또한, 2차 반응기(120)는 40 내지 50℃의 온도를 유지한다. 탄산 암모늄은 58℃ 이상의 온도에서 분해가 활발해지며, 40℃이하의 온도에서는 반응이 원활히 수행되지 못한다. 이에, 2차 반응기(120)는 전술한 pH 조건과 온도 조건을 만족하는 기 설정된 환경을 유지한다.
2차 반응기(120)는 추가적으로 충진재를 더 포함할 수 있다. 충진재는 2차 반응기(120) 내 유입되어, 기체의 상승속도를 감소시켜 체류시간을 증가시킨다. 2차 반응기(120) 내로 유입된 암모니아 기체와 이산화탄소 기체는 물과 결합하여 탄산 암모늄 용액으로 생성되는데, 물과의 접촉시간이 길어야 원활히 반응이 일어날 수 있다. 이에, 충진재가 추가로 2차 반응기(120)에 투입될 수 있으며, 암모니아 기체와 이산화탄소 기체의 상승속도를 저하시켜 물과의 접촉시간(표면적)을 증가시킨다.
이같은 동작에 따라, 2차 반응기(120) 내의 암모늄 이온의 농도는 도 5와 같이 변화한다.
도 5 본 발명의 일 실시예에 따른 1차 반응기와 2차 반응기 내 시간에 따른 암모늄 농도 변화를 도시한 그래프이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 1차 반응기 내 암모늄 농도는 암모늄 이온이 암모니아 기체로 탈기되며 점점 감소하고, 2차 반응기 내 암모늄 농도는 암모니아 기체가 용해되며 점점 증가한다.
다시 도 1을 참조하면, 2차 반응기(120)는 탄산 암모늄이 최대 용해도에 이를 때까지 폭기를 진행한다. 탄산 암모늄이 형성되기에 암모늄 이온이 부족할 경우, 1차 반응기(110)에서 가축 분뇨의 유입과 폭기가 추가로 진행된다. 이에, 2차 반응기(120)로 유입되는 암모니아 기체와 이산화탄소 기체량이 증가하게 되고, 2차 반응기(120) 내에서 형성되는 탄산 암모늄 양이 증가한다. 2차 반응기(120) 내에서 형성되는 탄산 암모늄의 용해도가 최대 용해도에 이를 경우, 1차 반응기(110)의 동작(폭기)이 중단되며, 탄산 암모늄 용액이 3차 반응기(130)로 파이프(145)를 따라 배출된다.
3차 반응기(130)는 황산 알칼리를 유입받아 질소비료를 생산한다.
3차 반응기(130)로 2차 반응기(120)를 거치며 생성된 탄산 암모늄이 유입되며, 외부로부터 액상의 황산 알칼리가 유입된다. 황산 알칼리는 황산(SO4 2-)이온과 알칼리 (토)금속의 이온이 결합된 화합물을 의미한다. 3차 반응기(130)로 액상의 탄산 암모늄과 액상의 황산 알칼리가 유입되어 다음과 같은 반응이 수행된다. 아래의 반응은 황산 알칼리가 황산 칼슘인 경우로 예시되었으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
Figure 112021022802911-pat00004
3차 반응기(130) 내에서 탄산 암모늄과 황산 알칼리가 반응하며, 질소비료(황산 암모늄)와 부산물(본 반응식에서는 탄산칼슘)이 생성된다. 부산물의 종류는 황산 알칼리의 알칼리 성분에 따라 상이해질 수 있다. 이에, 황산 알칼리는 제조하고자 하는 부산물의 종류에 따라 적절히 선택되어, 질소비료 생산장치(100)는 질소비료와 함께 다양한 부산물을 생산할 수 있다.
3차 반응기(130) 내로 유입된 탄산 암모늄과 동일하거나 그보다 많은 몰농도를 갖는 황산 알칼리가 주입될 수 있다. 이에 따라, 3차 반응기(130) 내에서 질소비료의 최대 용해도에 이를 때까지 반응이 수행될 수 있다. 전술한 예에서는 질소비료인 황산 암모늄의 최대 용해도인 744g/L 까지 반응이 수행될 수 있다. 황산 암모늄의 최대 용해도인 744g/L 에서 암모늄의 농도는 20%에 해당한다. 이에 따라, 상당히 고농도의 질소를 함유한 질소비료로 제조될 수 있다.
3차 반응기(130) 내로 액상의 탄산 암모늄과 액상의 황산 알칼리가 유입되어 질소비료가 생성되기에 다음과 같은 이점을 가질 수 있다. 액상의 탄산 암모늄이 아닌 암모니아 기체와 이산화 탄소 기체가 직접 황산 알칼리와 유입될 경우, 상당히 반응이 더디거나 통제가 곤란해지는 문제가 발생한다. 황산 알칼리는 액상이라 하더라도 종류에 따라 물 속에서 고체 입자로 존재할 수 있다. 이에 따라, 기체성분과 고체성분의 결합이 진행되어야 하기에, 양자의 결합은 상당히 더디게 진행된다. 이에 따라, 종래에서는 암모니아 기체와 이산화 탄소 기체를 직접 황산 알칼리와 반응시키기 위해 큰 반응조를 확보하여 반응을 유도하거나 양자의 혼합의 강도를 높였다.
먼저, 반응 면적을 확보하기 위해, 전체 부피가 크거나 길이기 긴 반응조를 이용하여 기체와 황산 알칼리를 반응시켰다. 그러나 부피나 길이가 큰 반응조를 반드시 구비해야만 하기에, 면적이 커지거나 비용이 증가하게 되는 불편이 있었다.
한편, 종래의 기술 중 양자의 혼합의 강도를 높여 반응시키는 방법은 기체 입자의 확산을 증가시켜 고체입자와의 접촉 빈도를 증가시킨다. 그러나 기체 입자의 확산을 증가시키기 위해 추가적인 구성이 포함되어야 하거나 반응조 내 온도를 높이기 위한 추가적인 난방이 수행되어야 한다. 이처럼 강제적으로 기체입자의 확산을 증가시키거나 환경에 의해 기체 입자의 확산이 증가하여야 한다. 그러나 추가적인 구성의 포함은 제조비용을 상승시키는 결과를 가져오며, 반응조의 부피 증가를 유도한다. 또한, 반응조 내 온도의 상승 역시, 제조비용을 상승시키는 결과를 가져오며, 암모니아 기체가 고체입자와 반응하기 이전에 탈기되어 버리는 문제를 유도할 수 있다.
반대로, 질소비료 생산장치(100)는 2차 반응기(120)를 거치며 암모니아 기체와 이산화 탄소 기체를 용해시켜 액상의 탄산 암모늄을 형성하고, 이를 3차 반응기(130)로 제공한다. 이에, 3차 반응기(130)에서 탄산 암모늄과 황산 알칼리의 접촉면적을 증가시키는 등의 시도를 하지 않더라도, 양자의 충분한 반응을 유도할 수 있다. 이에 따라, 3차 반응기(130)의 면적이 커질 필요도 없으며, 온도를 증가시키는 등 추가적으로 반응을 위한 환경조성을 할 필요가 없다.
질소비료 생산장치(100) 내에 3차 반응기(130)가 포함되지 않을 경우, 질소비료 생산장치(100)는 탄산 암모늄 성분의 액상 질소비료를 생산할 수 있다. 한편, 질소비료 생산장치(100)가 3차 반응기(130)를 포함할 경우, 황산 암모늄 성분의 질소비료와 부산물을 생산할 수 있다.
질소비료 생산장치(100)는 유기성 산, 브뢴스테드 염기 및 황산 알칼리와 같이 유기농으로 인정된 성분만을 포함하여 질소비료를 생산하기에, 제조된 질소비료는 유기농적인 특성을 가질 수 있다. 또한, 질소비료 생산장치(100)는 설비적인 특징이나 과도한 환경조성없이도 성분들의 반응성을 이용하여 질소비료를 생산하기에, 과도한 투자비용이나 운영비용이 소모되지 않는 장점을 갖는다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 질소비료 생산방법을 도시한 순서도이다.
1차 반응기(110)로 가축분뇨가 유입된다(S610).
1차 반응기(110)는 브뢴스테드 염기를 주입한 후 산기시킨다(S620). 1차 반응기(110) 내에서 가축분뇨와 브뢴스테드 염기가 혼합되며 산기되기에, 암모니아 기체와 이산화탄소 기체가 탈기된다.
1차 반응기(110)는 암모니아 기체와 이산화탄소 기체를 2차 반응기(120)로 전송한다(S630),
2차 반응기(120)는 기 설정된 환경을 제공하여, 암모니아 기체와 이산화탄소 기체를 용해시킨다(S640). 이에, 암모니아 기체와 이산화탄소 기체는 2차 반응기(120) 내에서 용해되며, 탄산 암모늄 용액으로 생성된다.
2차 반응기(120)는 생성된 탄산 암모늄 용액을 3차 반응기(130)로 전송한다(S650).
3차 반응기(130)로 황산 알칼리가 주입되며, 황산 암모늄 및 부산물이 생성된다(S660).
도 7은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 질소비료 생산방법을 도시한 순서도이다.
1차 반응기(110)로 가축분뇨가 유입된다(S710).
1차 반응기(110)는 브뢴스테드 염기를 주입한 후 산기시킨다(S720).
1차 반응기(110)는 암모니아 기체와 이산화탄소 기체를 2차 반응기(120)로 전송한다(S730),
2차 반응기(120)는 기 설정된 환경을 제공하여, 암모니아 기체와 이산화탄소 기체를 용해시킨다(S740).
암모니아 기체와 이산화탄소 기체는 2차 반응기(120) 내에서 용해되며, 탄산 암모늄 용액이 생성된다(S750).
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 질소비료 생산장치를 도시한 도면이다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 질소비료 생산장치(800)는 1차 반응기(110), 2차 반응기(810) 및 3차 반응기(820)를 포함한다.
1차 반응기(110)는 질소비료 생산장치(100)의 1차 반응기와 동일하게 동작한다.
2차 반응기(810)는 1차 반응기(110)로부터 탈기된 기체를 유입받으며, 기 설정된 환경을 제공하여 시트르산 암모늄을 생성한다.
2차 반응기(810)로는 1차 반응기(110)에서 탈기된 암모니아 기체와 이산화탄소 기체가 유입된다. 유입되는 암모니아 기체는 2차 반응기(810) 내에서 재용해된다. 다만, 2차 반응기(120)와는 달리, 2차 반응기(810) 내에는 암모니아 기체가 유입되기 이전에 시트르산이 주입되어 있으며, pH가 중성 또는 그 이상이 될 때까지 폭기가 진행된다. 이에 따라, 2차 반응기(810) 내로 암모니아 기체가 유입될 경우, 다음과 같은 반응이 수행된다.
Figure 112021022802911-pat00005
2차 반응기(810)로 시트르산이 주입되며, 2차 반응기(810) 내에서 시트르산 암모늄 용액이 생성된다. 생성된 시트르산 암모늄 용액은 파이프(145)를 따라 3차 반응기(130)로 유입된다.
이때, 2차 반응기(810)로는 3차 반응기(820)에서 생성된 질소비료(황산 암모늄) 용액 일부가 반송될 수 있다. 질소비료 용액은 산성을 가지며, 산성 용액은 2차 반응기 내 시트르산의 용해도를 증가시킨다. 시트르산의 용해도 증가는 암모니아 기체의 암모늄 이온으로의 용해도를 증가시켜, 암모늄 이온의 생성을 증가시킨다. 질소비료 용액이 3차 반응기(820)로부터 2차 반응기(810)로 반송되었을 때, 2차 반응기(810) 내에서는 다음의 반응이 일어난다.
Figure 112021022802911-pat00006
전술한 수식과 같이, 3차 반응기(820)로부터 질소비료 성분이 유입된다. 질소비료 성분은 암모늄 이온과 시트르산 이온의 반응에는 영향을 미치지 않으며, 전술한 대로, 암모니아 기체의 용해도를 향상시켜 시트르산 암모늄의 생성을 증가시킨다.
3차 반응기(820)는 황산 알칼리를 유입받아 질소비료를 생산한다.
3차 반응기(820)로 2차 반응기(810)를 거치며 생성된 시트르산 암모늄이 유입되며, 외부로부터 액상의 황산 알칼리가 유입된다. 이에, 3차 반응기 내에서는 아래의 반응이 일어나며 질소비료와 부산물이 생성된다.
Figure 112021022802911-pat00007
3차 반응기(820)로는 시트르산 암모늄 용액이 유입되기 때문에, 질소비료(황산 암모늄)와 함께 부산물로서 스트르산 칼슘(Ca3(C6H5O7))이 생성된다.
전술한 대로, 3차 반응기(820)에서 생성된 질소비료 용액 중 일부는 2차 반응기(810)로 반송될 수 있다. 질소비료 용액이 2차 반응기(810)로 반송된 후 2차 반응기(810)에서 생성된 시트르산 암모늄 용액이 유입될 경우, 3차 반응기(820) 내에서는 다음의 반응이 일어난다.
Figure 112021022802911-pat00008
2차 반응기(810)로 반송된 질소비료 성분은 시트르산 이온과 암모늄 이온의 반응에 영향을 미치지 않기에, 질소비료 용액 일부가 2차 반응기(810)로 반송되더라도 생성되는 질소비료의 총량은 변하지 않는다.
2차 반응기(810)로 시트르산이 주입되며, 3차 반응기(820)에서 질소비료 용액의 일부가 반송됨에 따라, 생성되는 부산물의 종류가 달라질 수 있으며 충분한 양의 질소비료가 생산될 수 있다.
도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 질소비료 생산방법을 도시한 순서도이다.
1차 반응기(110)로 가축분뇨가 유입된다(S910).
1차 반응기(110)는 브뢴스테드 염기를 주입한 후 산기시킨다(S920).
1차 반응기(110)는 암모니아 기체와 이산화탄소 기체를 2차 반응기(810)로 전송한다(S930),
2차 반응기(810)는 암모니아 기체를 용해시킨다(S940).
2차 반응기(810)는 시트르산 암모늄 용액을 생성하여 3차 반응기(820)로 전송한다(S950). 이때, 2차 반응기(810)로는 3차 반응기(820)에서 생성된 질소비료 용액 일부가 반송될 수 있다. 반송된 질소비료 용액에 의해 2차 반응기(810)에서는 더 진한 농도의 시트르산 암모늄 용액이 생성될 수 있다.
3차 반응기(820)로 황산 알칼리가 주입되며, 황산 암모늄 및 부산물이 생성된다(S950).
3차 반응기(820)는 황산 암모늄 용액 일부를 2차 반응기(810)로 반송한다(S960).
도 6, 7 및 9에서는 각 과정을 순차적으로 실행하는 것으로 기재하고 있으나, 이는 본 발명의 일 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것이다. 다시 말해, 본 발명의 일 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 일 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 각 도면에 기재된 순서를 변경하여 실행하거나 각 과정 중 하나 이상의 과정을 병렬적으로 실행하는 것으로 다양하게 수정 및 변형하여 적용 가능할 것이므로, 도 6, 7 및 9는 시계열적인 순서로 한정되는 것은 아니다.
한편, 도 6, 7 및 9에 도시된 과정들은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 즉, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 마그네틱 저장매체(예를 들면, 롬, 플로피 디스크, 하드디스크 등) 및 광학적 판독 매체(예를 들면, 시디롬, 디브이디 등)와 같은 저장매체를 포함한다. 또한 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다.
이상의 설명은 본 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 질소비료 생산장치
110: 1차 반응기
114, 125: 산기장치
118: 포집구
120, 810: 2차 반응기
130, 820: 3차 반응기
140, 145: 파이프
210: 배관

Claims (14)

  1. 고형물이 제거된 가축 분뇨를 유입받아, 유입받은 가축 분뇨와 브뢴스테드 염기를 혼합하여 가축분뇨 내 암모니아와 이산화탄소를 탈기시키는 1차 반응기; 및
    기 설정된 환경을 제공하여 상기 1차 반응기로부터 탈기된 암모니아와 이산화탄소를 용해시켜 액상의 질소비료를 제조하는 2차 반응기를 포함하며,
    상기 브뢴스테드 염기는 알칼리 금속의 탄산염, 알칼리 금속의 이탄산염, 알칼리 토금속의 탄산염 또는 알칼리 토금속의 이탄산염이며,
    상기 1차 반응기 내에서 가축 분뇨 내 암모늄 이온이 브뢴스테드 염기로부터 전자를 얻으며 암모니아로 환원되며,
    상기 1차 반응기 내에서 브뢴스테드 염기가 산화되어 이산화탄소 기체를 생성하는 것을 특징으로 하는 질소비료 생산장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 1차 반응기는,
    유입받은 가축 분뇨와 브뢴스테드 염기를 혼합하며 산기장치를 이용하여 폭기함으로써, 가축분뇨 내 암모니아와 이산화탄소를 탈기시키는 것을 특징으로 하는 질소비료 생산장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 기 설정된 환경은,
    기 설정된 수치 이하의 pH와 기 설정된 범위 내의 온도를 갖는 것을 특징으로 하는 질소비료 생산장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 2차 반응기에서 제조되는 질소비료는,
    탄산 암모늄((NH4)2CO3)인 것을 특징으로 하는 질소비료 생산장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 2차 반응기에서 제조되는 액상의 질소비료 성분 및 외부로부터 액상의 황산 알칼리 성분을 유입받아, 질소비료를 제조하는 3차 반응기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질소비료 생산장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 3차 반응기에서 제조되는 질소비료는,
    황산 암모늄((NH4)2SO4)인 것을 특징으로 하는 질소비료 생산장치.
  7. 질소비료 생산장치가 가축 분뇨로부터 질소비료를 생산하는 방법에 있어서,
    1차 반응기로 고형물이 제거된 가축 분뇨를 유입받아, 유입받은 가축 분뇨와 브뢴스테드 염기를 혼합하여 가축분뇨 내 암모니아와 이산화탄소를 탈기시키는 탈기과정;
    탈기시킨 암모니아 기체와 이산화탄소 기체를 2차 반응기로 전송하는 전송과정; 및
    기 설정된 환경을 제공하여 상기 1차 반응기로부터 탈기된 암모니아와 이산화탄소를 용해시켜 액상의 질소비료를 제조하는 제조과정을 포함하며,
    상기 브뢴스테드 염기는 알칼리 금속의 탄산염, 알칼리 금속의 이탄산염, 알칼리 토금속의 탄산염 또는 알칼리 토금속의 이탄산염이며,
    상기 1차 반응기 내에서 가축 분뇨 내 암모늄 이온이 브뢴스테드 염기로부터 전자를 얻으며 암모니아로 환원되며,
    상기 1차 반응기 내에서 브뢴스테드 염기가 산화되어 이산화탄소 기체를 생성하는 것을 특징으로 하는 질소비료 생산방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 탈기과정은,
    유입받은 가축 분뇨와 브뢴스테드 염기를 혼합하며 산기장치를 이용하여 폭기함으로써, 가축분뇨 내 암모니아와 이산화탄소를 탈기시키는 것을 특징으로 하는 질소비료 생산방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 기 설정된 환경은,
    기 설정된 수치 이하의 pH와 기 설정된 범위 내의 온도를 갖는 것을 특징으로 하는 질소비료 생산방법
  10. 제7항에 있어서,
    상기 제조과정에서 제조되는 질소비료는,
    탄산 암모늄((NH4)2CO3)인 것을 특징으로 하는 질소비료 생산방법.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 제조과정에서 제조되는 액상의 질소비료 성분 및 외부로부터 액상의 황산 알칼리 성분을 유입받아, 질소비료를 제조하는 제2 제조과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질소비료 생산방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제2 제조과정에서 제조되는 질소비료는,
    황산 암모늄((NH4)2SO4)인 것을 특징으로 하는 질소비료 생산방법.
  13. 가축 분뇨를 유입받아, 유입받은 가축 분뇨와 브뢴스테드 염기를 혼합하여 가축분뇨 내 암모니아와 이산화탄소를 탈기시키는 1차 반응기;
    기 설정된 환경을 제공하여 상기 1차 반응기로부터 탈기된 암모니아를 용해시키며, 기 주입된 시트르산을 반응시켜 시트르산 암모늄 용액을 제조하는 2차 반응기; 및
    상기 2차 반응기에서 제조되는 시트르산 암모늄 용액 및 외부로부터 액상의 황산 알칼리 성분을 유입받아, 질소비료를 제조하는 3차 반응기를 포함하며,
    상기 브뢴스테드 염기는 알칼리 금속의 탄산염, 알칼리 금속의 이탄산염, 알칼리 토금속의 탄산염 또는 알칼리 토금속의 이탄산염이며,
    상기 1차 반응기 내에서 가축 분뇨 내 암모늄 이온이 브뢴스테드 염기로부터 전자를 얻으며 암모니아로 환원되며,
    상기 1차 반응기 내에서 브뢴스테드 염기가 산화되어 이산화탄소 기체를 생성하는 것을 특징으로 하는 질소비료 생산장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 3차 반응기는,
    생성된 질소비료의 용액 일부를 상기 2차 반응기로 반송하는 것을 특징으로 하는 질소비료 생산장치.
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