KR102564003B1 - Carbon nanotube-based conductive media combined with iron oxide for generating high purity biogas in anaerobic digest process - Google Patents

Carbon nanotube-based conductive media combined with iron oxide for generating high purity biogas in anaerobic digest process Download PDF

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Abstract

다양한 실시예들은 혐기성 소화 공정에서의 고순도 메탄 생성을 위한 철산화물이 결합된 전도성의 탄소나노튜브 구조체 및 그의 제조 방법에 관한 것으로, 전도성의 탄소나노튜브 구조체, 및 탄소나노튜브 구조체의 표면에 결합되는 철산화물을 포함하는 구조체 및 그의 제조 방법을 제공할 수 있다. 다양한 실시예들에 따르면, 구조체가 혐기성 소화 반응조에 적용될 때, 철산화물의 황 흡착을 통해 바이오가스 내 황화수소 농도를 낮추고, 이로써 구조체에서의 고순도 메탄 생성이 가능하다. Various embodiments relate to a conductive carbon nanotube structure to which iron oxide is bonded for generation of high-purity methane in an anaerobic digestion process and a method for manufacturing the same, which is bonded to the surface of the conductive carbon nanotube structure and the carbon nanotube structure It is possible to provide a structure containing iron oxide and a manufacturing method thereof. According to various embodiments, when the structure is applied to an anaerobic digestion reactor, the hydrogen sulfide concentration in the biogas is lowered through sulfur adsorption of iron oxide, thereby enabling high-purity methane production in the structure.

Description

혐기성 소화 공정에서의 고순도 메탄 생성을 위한 철산화물이 결합된 전도성의 탄소나노튜브 구조체 및 그의 제조 방법{CARBON NANOTUBE-BASED CONDUCTIVE MEDIA COMBINED WITH IRON OXIDE FOR GENERATING HIGH PURITY BIOGAS IN ANAEROBIC DIGEST PROCESS}CONDUCTIVE CARBON NANOTUBE-BASED CONDUCTIVE MEDIA COMBINED WITH IRON OXIDE FOR GENERATING HIGH PURITY BIOGAS IN ANAEROBIC DIGEST PROCESS}

다양한 실시예들은 혐기성 소화 공정에서의 고순도 메탄 생성을 위한 철산화물이 결합된 전도성의 탄소나노튜브 구조체 및 그의 제조 방법에 관한 것이다. Various embodiments relate to a conductive carbon nanotube structure to which iron oxide is bonded for generation of high-purity methane in an anaerobic digestion process and a manufacturing method thereof.

전 세계적으로 인구증가가 계속됨으로 인해 필연적으로 음식물 쓰레기의 양이 증가하고 있다. 음식물 쓰레기를 처리하기 위하여 퇴비화, 비료화 등 다양한 방법을 통하여 음식물 쓰레기를 처리하기 위한 노력을 하고 있을 뿐만 아니라 혐기성 소화 반응조를 활용하여 에너지원으로 재사용하고자 하는 연구도 활발히 진행되고 있다. 하지만, 혐기성 소화를 통한 바이오가스 전환 시 바이오가스 생성 속도가 느리며, 배출되는 바이오가스 내 황화수소의 농도가 높아 악취 및 배관 부식과 같은 문제들을 발생시켰다. 또한, 이러한 고농도의 황화수소는 바이오가스 정제시설의 촉매의 수명을 단축시키게 되어 추가적인 비용이 들어가게 된다.As the population continues to increase worldwide, the amount of food waste inevitably increases. In order to treat food waste, not only efforts are being made to treat food waste through various methods such as composting and fertilizer, but also active research is being conducted to reuse it as an energy source by using an anaerobic digestion reactor. However, when converting biogas through anaerobic digestion, the rate of biogas generation is slow, and the concentration of hydrogen sulfide in the discharged biogas is high, causing problems such as odor and pipe corrosion. In addition, such a high concentration of hydrogen sulfide shortens the lifespan of a catalyst in a biogas purification facility, resulting in additional costs.

다양한 실시예들은, 혐기성 소화 공정에서의 고순도 메탄 생성을 위한 철산화물이 결합된 전도성의 탄소나노튜브 구조체 및 그의 제조 방법을 제공한다.Various embodiments provide a conductive carbon nanotube structure to which iron oxide is bonded for generation of high-purity methane in an anaerobic digestion process and a manufacturing method thereof.

다양한 실시예들은 구조체를 제공하며, 전도성의 탄소나노튜브 구조체, 및 상기 탄소나노튜브 구조체의 표면에 결합되는 철산화물을 포함할 수 있다.Various embodiments provide a structure, and may include a conductive carbon nanotube structure, and iron oxide bonded to the surface of the carbon nanotube structure.

다양한 실시예들은 구조체의 제조 방법을 제공하며, 전도성의 탄소나노튜브 구조체를 제조하는 단계, 및 상기 탄소나노튜브 구조체의 표면에 철산화물을 결합하는 단계를 포함할 수 있다. Various embodiments provide a method of manufacturing a structure, and may include manufacturing a conductive carbon nanotube structure, and bonding iron oxide to a surface of the carbon nanotube structure.

다양한 실시예들에 따르면, 철산화물이 결합된 전도성의 탄소나노튜브 구조체를 이용하여, 혐기성 소화 공정에서의 메탄 생성 속도 향상뿐 아니라 황화수소 농도 저감을 달성할 수 있다. 구체적으로, 전도성의 탄소나노튜브 구조체는 산생성 미생물과 메탄생성 미생물 간 직접 전자 전달을 통해 메탄 생성 속도를 향상시킬 수 있다. 아울러, 전도성의 탄소나노튜브에 결합된 철산화물은 황 흡착을 통해 바이오가스 내 황화수소 농도를 낮출 수 있다. 이로써, 추가적인 설비 없이도, 철산화물이 결합된 전도성의 탄소나노튜브 구조체만을 이용하여, 고순도 메탄 생성이 가능하다. According to various embodiments, by using a conductive carbon nanotube structure to which iron oxide is bonded, it is possible to achieve an increase in methane generation rate in an anaerobic digestion process as well as a decrease in hydrogen sulfide concentration. Specifically, the conductive carbon nanotube structure can improve the methane production rate through direct electron transfer between acid-producing microorganisms and methanogenic microorganisms. In addition, iron oxide bound to the conductive carbon nanotubes can lower the hydrogen sulfide concentration in biogas through sulfur adsorption. Accordingly, it is possible to generate high-purity methane using only the conductive carbon nanotube structure to which iron oxide is bonded, without additional equipment.

도 1은 다양한 실시예들에 따른 구조체의 제조 방법을 도시하는 도면이다.
도 2는 도 1에서의 철산화물 결합 전후의 탄소나노튜브 구조체를 나타내는 이미지들이다.
도 3은 도 1의 탄소나노튜브 구조체의 제조 단계를 예시적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 도 3의 방사 장치를 예시적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 다양한 실시예들에 따른 구조체의 혐기성 소화 반응조에서의 메탄 생성 속도를 설명하기 위한 그래프이다.
도 6은 다양한 실시예들에 따른 구조체의 황화수소 제거량을 설명하기 위한 표이다. 1 is a diagram illustrating a method of manufacturing a structure according to various embodiments.
FIG. 2 is images showing the carbon nanotube structure before and after iron oxide bonding in FIG. 1 .
FIG. 3 is a view for illustratively explaining a manufacturing step of the carbon nanotube structure of FIG. 1 .
Figure 4 is a view for explaining the radiation device of Figure 3 by way of example.
5 is a graph for explaining the rate of methane production in an anaerobic digestion reactor of a structure according to various embodiments.
6 is a table for explaining a hydrogen sulfide removal amount of a structure according to various embodiments.

이하, 본 문서의 다양한 실시예들이 첨부된 도면을 참조하여 설명된다. Hereinafter, various embodiments of this document will be described with reference to the accompanying drawings.

다양한 실시예들은 철산화물을 탄소나노튜브 구조체에 결합한 후 혐기성 소화 반응조에 주입하여 바이오가스 생성 속도 증진뿐만 아니라 바이오가스 내 황화수소 농도를 낮추어 고순도 메탄을 생산하고자 한다. 그 첫째로 탄소나노튜브 구조체는 최근 많은 연구가 이루어지고 있는 미생물 상호 간의 전자전달속도를 안정적으로 증진시킬 수 있는 물질로서 다양한 연구가 진행되고 있다. 또한 이 탄소나노튜브를 다양한 형태의 구조체로 제작함으로 인해 반응조 내에서의 유실 문제도 해결이 가능하다. 둘째로, 혐기성 소화 반응조 내의 황화수소 제거를 위해 전 처리에서 많이 이용되고 있는 철산화물은 철산화물(FeOx)의 O가 S로 치환되면서 황화수소를 흡착하는 방식으로 황화수소를 화학적인 방법으로 해결하는데 아주 효과적인 방법이다. 이는, 혐기성 소화 반응조를 통해 생성된 바이오가스 활용 시 발생하는 문제점을 해결할 수 있을 것으로 판단된다.Various embodiments combine iron oxide with a carbon nanotube structure and then inject it into an anaerobic digestion reactor to increase the rate of biogas production and to produce high-purity methane by lowering the concentration of hydrogen sulfide in the biogas. First, the carbon nanotube structure is a material that can stably increase the electron transfer rate between microorganisms, for which a lot of research has been conducted recently, and various studies are being conducted. In addition, it is possible to solve the problem of loss in the reaction tank by manufacturing the carbon nanotubes in various types of structures. Second, iron oxide, which is widely used in pretreatment for the removal of hydrogen sulfide in an anaerobic digestion reactor, adsorbs hydrogen sulfide as O of iron oxide (FeOx) is replaced with S. A very effective method to solve hydrogen sulfide chemically am. This is considered to be able to solve the problems that occur when using biogas generated through an anaerobic digestion reactor.

다양한 실시예들에 따른 구조체는, 전도성의 탄소나노튜브 구조체, 및 철산화물을 포함할 수 있다. A structure according to various embodiments may include a conductive carbon nanotube structure and iron oxide.

탄소나노튜브 구조체는 3차원의 망상 구조체일 수 있다. 그리고, 탄소나노튜브 구조체는 원통형 또는 중공사(hollow fiber)형으로 구현될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 탄소나노튜브 구조체는 탄소나노물질로 이루어질 수 있다. 다른 실시예에 따르면, 탄소나노튜브 구조체는 탄소나노물질과 전도체물질을 포함하며, 탄소나노물질과 전도체물질이 얽힌 구조를 가질 수 있다. 예를 들면, 탄소나노물질은 탄소나노튜브(carbon nanotube), 그래핀(graphene), 탄소섬유(carbon fiber), 탄소나노와이어(carbon nanowire), 또는 활성탄(active carbon) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 예를 들면, 전도체물질은 초이온전도체(super ionic conductor)일 수 있다. 이러한 탄소나노튜브 구조체는, 구조체가 혐기성 소화 반응조에 적용될 때, 산생성 미생물과 메탄생성 미생물 간 전자 전달을 통해 메탄 생성 속도를 향상시킬 수 있다. The carbon nanotube structure may be a three-dimensional network structure. In addition, the carbon nanotube structure may be implemented in a cylindrical or hollow fiber type. According to one embodiment, the carbon nanotube structure may be made of carbon nanomaterials. According to another embodiment, the carbon nanotube structure may include a carbon nanomaterial and a conductor material, and may have a structure in which the carbon nanomaterial and the conductor material are entangled. For example, the carbon nanomaterial may include at least one of carbon nanotube, graphene, carbon fiber, carbon nanowire, or active carbon. there is. For example, the conductor material may be a super ionic conductor. When such a carbon nanotube structure is applied to an anaerobic digestion reactor, the rate of methane production can be improved through electron transfer between acid-producing microorganisms and methanogenic microorganisms.

철산화물은 탄소나노튜브 구조체의 표면에 결합될 수 있다. 예를 들면, 철산화물은, Fe2O3, Fe3O4, 또는 FeOH2 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 이러한 철산화물은, 구조체가 혐기성 소화 반응조에 적용될 때, 황 흡착을 통해 바이오가스 내 황화수소 농도를 낮출 수 있다. 이로써, 다양한 실시예들에 따른 구조체는, 고순도 메탄 생성이 가능하다. Iron oxide may be bonded to the surface of the carbon nanotube structure. For example, the iron oxide may include at least one of Fe 2 O 3 , Fe 3 O 4 , or FeOH 2 . These iron oxides can lower the hydrogen sulfide concentration in biogas through sulfur adsorption when the structure is applied to an anaerobic digestion reactor. Thus, the structure according to various embodiments can generate high-purity methane.

도 1은 다양한 실시예들에 따른 구조체의 제조 방법을 도시하는 도면이다. 도 2는 도 1에서의 철산화물 결합 전후의 탄소나노튜브 구조체를 나타내는 이미지들이다. 도 3은 도 1의 탄소나노튜브 구조체의 제조 단계를 예시적으로 설명하기 위한 도면이다. 도 4는 도 3의 방사 장치를 예시적으로 설명하기 위한 도면이다. 1 is a diagram illustrating a method of manufacturing a structure according to various embodiments. FIG. 2 is images showing the carbon nanotube structure before and after iron oxide bonding in FIG. 1 . FIG. 3 is a view for illustratively explaining a manufacturing step of the carbon nanotube structure of FIG. 1 . Figure 4 is a view for explaining the radiation device of Figure 3 by way of example.

도 1을 참조하면, 110 단계에서, 전도성의 탄소나노튜브 구조체가 제조될 수 있다. 탄소나노튜브 구조체는 3차원의 망상 구조체일 수 있다. 그리고, 탄소나노튜브 구조체는 원통형 또는 중공사형으로 구현될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 탄소나노튜브 구조체는 탄소나노물질로 이루어질 수 있다. 다른 실시예에 따르면, 탄소나노튜브 구조체는 탄소나노물질과 전도체물질을 포함할 수 있다. 예를 들면, 탄소나노물질은 탄소나노튜브, 그래핀, 탄소섬유, 탄소나노와이어, 또는 활성탄 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 예를 들면, 전도체물질은 초이온전도체일 수 있다. 이를 통해, 도 2의 (a)에 도시된 바와 같은 탄소나노튜브 구조체가 제조될 수 있다. Referring to FIG. 1 , in step 110, a conductive carbon nanotube structure may be manufactured. The carbon nanotube structure may be a three-dimensional network structure. In addition, the carbon nanotube structure may be implemented in a cylindrical or hollow fiber shape. According to one embodiment, the carbon nanotube structure may be made of carbon nanomaterials. According to another embodiment, the carbon nanotube structure may include a carbon nanomaterial and a conductor material. For example, the carbon nanomaterial may include at least one of carbon nanotubes, graphene, carbon fibers, carbon nanowires, or activated carbon. For example, the conductive material may be a superionic conductor. Through this, a carbon nanotube structure as shown in (a) of FIG. 2 can be manufactured.

일 예로, 도 3에 도시된 바와 같은 방사 장치(300)에 의해, 탄소나노튜브 구조체(330)가 제조될 수 있다. 일 예로, 방사 장치(300)는 습식 방사 장치로서, 도 4에 도시된 바와 같이 가운데 영역으로 증류수를 방사하고, 가운데 영역을 둘러싸는 둘레 영역으로 방사액을 방사할 수 있다. 이를 통해, 탄소나노튜브 구조체(330)가 원통형 또는 중공사형으로 제조될 수 있다. For example, the carbon nanotube structure 330 may be manufactured by the radiation device 300 as shown in FIG. 3 . For example, the spinning device 300 is a wet spinning device, and as shown in FIG. 4 , distilled water may be spun into a central region and spinning liquid may be spun into a peripheral region surrounding the central region. Through this, the carbon nanotube structure 330 may be manufactured in a cylindrical or hollow fiber shape.

일 실시예에 따르면, 탄소나노물질이 분산된 제 1 용액(310)이 방사 장치(300)에 주입됨에 따라, 방사 장치(300)가 제 1 용액(310)을 방사액으로서 방사하면서, 미리 정해진 형태의 탄소나노튜브 구조 물질을 출력할 수 있다. 여기서, 제 1 용액(310)은 탄소나노물질, 고분자물질, 또는 용매 중 적어도 하나로 이루어질 수 있다. 용매는 유기 용매 또는 수성 용매일 수 있으며, 예컨대 N-메틸-2-피롤리돈 또는 다이메틸설폭사이드가 사용될 수 있다. 고분자물질은, 예컨대 폴리비닐계, 폴리스티렌계, 폴리비닐리덴플루오라이드계, 폴리아크릴계, 폴리아크릴로나이트릴계, 또는 레이온계이거나, 이들 고분자의 공중합체일 수 있다. 이 후, 열처리를 통해, 탄소나노튜브 구조 물질로부터 탄소나노튜브 구조체(330)가 획득될 수 있다. 여기서, 열처리에 의해, 탄소나노튜브 구조 물질에서 고분자가 제거되거나, 탄소나노튜브 구조 물질이 탄화되고, 이로써 탄소나노튜브 구조체(330)가 획득될 수 있다. According to an embodiment, as the first solution 310 in which the carbon nanomaterials are dispersed is injected into the spinning device 300, the spinning device 300 spins the first solution 310 as a spinning solution while spinning the first solution 310 as a spinning solution. It is possible to output a carbon nanotube structure material in the form of Here, the first solution 310 may be made of at least one of carbon nanomaterials, polymer materials, and solvents. The solvent may be an organic solvent or an aqueous solvent, for example N-methyl-2-pyrrolidone or dimethyl sulfoxide may be used. The polymer material may be, for example, polyvinyl, polystyrene, polyvinylidene fluoride, polyacryl, polyacrylonitrile, or rayon, or a copolymer of these polymers. Thereafter, through heat treatment, the carbon nanotube structure 330 may be obtained from the carbon nanotube structure material. Here, by heat treatment, the polymer is removed from the carbon nanotube structural material or the carbon nanotube structural material is carbonized, thereby obtaining the carbon nanotube structure 330 .

다른 실시예에 따르면, 탄소나노물질이 분산된 제 1 용액(310)과 전도체물질이 분산된 제 2 용액(320)이 방사 장치(300)에 주입됨에 따라, 방사 장치(300)가 제 1 용액(310)과 제 2 용액(320)을 방사액으로서 동시에 방사하면서, 미리 정해진 형태의 탄소나노튜브 구조 물질을 출력할 수 있다. 이 때, 탄소나노튜브 구조 물질은, 탄소나노물질과 전도체물질이 얽힌 3차원의 망상 구조체일 수 있다. 여기서, 제 2 용액(320)은 전도체물질, 고분자물질, 또는 용매 중 적어도 하나로 이루어질 수 있다. 용매는 유기 용매 또는 수성 용매일 수 있으며, 예컨대 N-메틸-2-피롤리돈 또는 다이메틸설폭사이드가 사용될 수 있다. 고분자물질은, 예컨대 폴리비닐계, 폴리스티렌계, 폴리비닐리덴플루오라이드계, 폴리아크릴계, 폴리아크릴로나이트릴계, 또는 레이온계이거나, 이들 고분자의 공중합체일 수 있다. 이 후, 열처리를 통해, 탄소나노튜브 구조 물질로부터 탄소나노튜브 구조체(330)가 획득될 수 있다. 여기서, 열처리에 의해, 탄소나노튜브 구조 물질에서 고분자가 제거되거나, 탄소나노튜브 구조 물질이 탄화되고, 이로써 탄소나노튜브 구조체(330)가 획득될 수 있다. According to another embodiment, as the first solution 310 in which the carbon nanomaterials are dispersed and the second solution 320 in which the conductor material is dispersed are injected into the spinning device 300, the spinning device 300 releases the first solution While simultaneously spinning the 310 and the second solution 320 as the spinning solution, a carbon nanotube structure material having a predetermined shape may be output. In this case, the carbon nanotube structure material may be a three-dimensional network structure in which carbon nanomaterials and conductor materials are entangled. Here, the second solution 320 may be made of at least one of a conductive material, a polymer material, or a solvent. The solvent may be an organic solvent or an aqueous solvent, for example N-methyl-2-pyrrolidone or dimethyl sulfoxide may be used. The polymer material may be, for example, polyvinyl, polystyrene, polyvinylidene fluoride, polyacryl, polyacrylonitrile, or rayon, or a copolymer of these polymers. Thereafter, through heat treatment, the carbon nanotube structure 330 may be obtained from the carbon nanotube structure material. Here, by heat treatment, the polymer is removed from the carbon nanotube structural material or the carbon nanotube structural material is carbonized, thereby obtaining the carbon nanotube structure 330 .

전술된 예에서, 습식 방사 방식으로 탄소나노튜브 구조체를 제조하는 방법에 대해 설명하였으나, 이에 제한되지 않는다. 다른 예들로, 탄소나노튜브 구조 물질은 전기 방사, 닥터 블레이드 코팅, 또는 침지-인상법에 의해서도 제조될 수 있다.In the above example, a method for manufacturing a carbon nanotube structure by a wet spinning method has been described, but is not limited thereto. In other examples, the carbon nanotube structural material may be prepared by electrospinning, doctor blade coating, or immersion-pulling.

다음으로, 120 단계에서, 탄소나노튜브 구조체의 표면에 철산화물이 결합될 수 있다. 예를 들면, 철산화물은 Fe2O3, Fe3O4, 또는 FeOH2 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 이 때, 철산화물은, 예컨대 침지 코팅(dip-coating) 기법 또는 스프레이 코팅(spray coating) 기법 중 적어도 하나에 의해, 상기 탄소나노튜브 구조체의 표면에 결합될 수 있다. 이를 통해, 도 2의 (b)에 도시된 바와 같이 철산화물이 결합된 탄소나노튜브 구조체가 제조될 수 있다. Next, in step 120, iron oxide may be bonded to the surface of the carbon nanotube structure. For example, the iron oxide may include at least one of Fe 2 O 3 , Fe 3 O 4 , or FeOH 2 . In this case, the iron oxide may be bonded to the surface of the carbon nanotube structure by, for example, at least one of a dip-coating technique and a spray coating technique. Through this, as shown in (b) of FIG. 2, a carbon nanotube structure to which iron oxide is bonded can be manufactured.

다양한 실시예들에 따른 구조체, 즉 철산화물이 결합된 전도성의 탄소나노튜브 구조체는, 혐기성 소화 공정에 적용될 수 있다. 즉, 구조체가 혐기성 소화 반응조에 주입될 수 있다. 이러한 경우, 구조체에서의 탄소나노튜브 구조체는 산생성 미생물과 메탄생성 미생물 간 직접 전자 전달을 통해 메탄 생성 속도를 향상시킬 수 있다. 아울러, 구조체에서의 철산화물은 황 흡착을 통해 바이오가스 내 황화수소 농도를 낮출 수 있다. 이로써, 다양한 실시예들에 따른 구조체는 고순도 메탄 생성이 가능하다. A structure according to various embodiments, that is, a conductive carbon nanotube structure to which iron oxide is bonded, may be applied to an anaerobic digestion process. That is, the construct may be injected into an anaerobic digestion reactor. In this case, the carbon nanotube structure in the structure can improve the methane production rate through direct electron transfer between the acid-producing microorganism and the methanogenic microorganism. In addition, iron oxide in the structure can lower the hydrogen sulfide concentration in biogas through sulfur adsorption. Thus, the structure according to various embodiments can generate high-purity methane.

도 5는 다양한 실시예들에 따른 구조체의 혐기성 소화 반응조에서의 메탄 생성 속도를 설명하기 위한 그래프이다. 5 is a graph for explaining the rate of methane production in an anaerobic digestion reactor of a structure according to various embodiments.

도 5를 참조하면, 다양한 실시예들에 따른 전도성의 탄소나노튜브 구조체(실시예)와 비교하기 위해, 고분자 구조체(비교예)가 준비되었다. 즉, 탄소나노튜브 구조체(실시예)와 고분자 구조체(비교예)가 각각 2 g/L만큼 준비되었다. 그리고, 탄소나노튜브 구조체(실시예)와 탄소나노튜브 고분자 구조체(비교예)가 동일한 조건의 혐기성 소화 반응조들에 각각 투입되었다. 100 일 이상 운전한 결과, 탄소나노튜브 구조체(실시예)의 메탄 생성 속도는 고분자 구조체(비교예)의 메탄 생성 속도에 비해 항상 높았다. 이 때, 탄소나노튜브 구조체(실시예)의 유기물 부하량(organic loading rate; OLR)은 0.5 g/L 내지 4 g/L로 점차로 증가하며, 4 g/L에서 최대 34 % 향상되었다. 이는, 다양한 실시예에 따른 구조체에서의 탄소나노튜브 구조체가 메탄 생성 속도를 향상시킴을 나타낸다. Referring to FIG. 5 , in order to compare with the conductive carbon nanotube structure (Example) according to various embodiments, a polymer structure (Comparative Example) was prepared. That is, each of the carbon nanotube structure (Example) and the polymer structure (Comparative Example) was prepared by 2 g/L. Then, the carbon nanotube structure (Example) and the carbon nanotube polymer structure (Comparative Example) were respectively put into the anaerobic digestion reactors under the same conditions. As a result of driving for more than 100 days, the methane production rate of the carbon nanotube structure (Example) was always higher than that of the polymer structure (Comparative Example). At this time, the organic loading rate (OLR) of the carbon nanotube structure (Example) gradually increased from 0.5 g/L to 4 g/L, and was improved by up to 34% at 4 g/L. This indicates that the carbon nanotube structure in the structure according to various embodiments improves the methane generation rate.

도 6은 다양한 실시예들에 따른 구조체의 황화수소 제거량을 설명하기 위한 표이다. 6 is a table for explaining a hydrogen sulfide removal amount of a structure according to various embodiments.

도 6을 참조하면, 다양한 실시예들에 따른 구조체의 황화수소 제거 성능을 확인하기 위해, 다양한 실시예들의 구조체, 즉 철산화물이 결합된 전도성의 탄소나노튜브 구조체(실시예)와 철산화물이 결합되지 않은 전도성의 탄소나노튜브 구조체(비교예)가 준비되었다. 동일한 조건의 혐기성 소화 반응조들의 각각에 Na2S·H2O 용액을 pH 7에서 1g/L 녹인 후, 혐기성 소화 반응조들 중 하나에는 어떤 구조체도 투입하지 않고(Blank), 나머지 혐기성 소화 반응조들에는 철산화물이 결합된 전도성의 탄소나노튜브 구조체(실시예)와 철산화물이 결합되지 않은 전도성의 탄소나노튜브 구조체(비교예)를 각각 투입하였다. 그 결과, 철산화물이 결합되지 않은 전도성의 탄소나노튜브 구조체(비교예)의 경우, 6.66 %의 황화수소 제거량을 나타낸 데 반해, 철산화물이 결합된 전도성의 탄소나노튜브 구조체(실시예)의 경우, 50 %의 황화수소 제거량을 나타냈다. 이는, 다양한 실시예에 따른 구조체에서의 철산화물이 황화수소 농도를 현저하게 낮춤을 나타낸다. Referring to FIG. 6 , in order to check the hydrogen sulfide removal performance of the structure according to various embodiments, the structure of various embodiments, that is, the conductive carbon nanotube structure (Example) to which iron oxide is bonded and the iron oxide are not combined. A non-conductive carbon nanotube structure (comparative example) was prepared. After dissolving 1 g/L of Na 2 S H 2 O solution at pH 7 in each of the anaerobic digestion reactors under the same conditions, no structure is added to one of the anaerobic digestion reactors (Blank), and the remaining anaerobic digestion reactors A conductive carbon nanotube structure to which iron oxide is bonded (Example) and a conductive carbon nanotube structure to which iron oxide is not bonded (Comparative Example) were respectively introduced. As a result, in the case of the conductive carbon nanotube structure to which iron oxide is not bonded (Comparative Example), the hydrogen sulfide removal amount was 6.66%, whereas in the case of the conductive carbon nanotube structure to which iron oxide was bonded (Example), It showed a hydrogen sulfide removal of 50%. This indicates that the iron oxide in the structure according to various embodiments significantly lowers the hydrogen sulfide concentration.

다양한 실시예들에 따르면, 철산화물이 결합된 전도성의 탄소나노튜브 구조체를 이용하여, 혐기성 소화 공정에서의 메탄 생성 속도 향상뿐 아니라 황화수소 농도 저감을 달성할 수 있다. 구체적으로, 전도성의 탄소나노튜브 구조체는 산생성 미생물과 메탄생성 미생물 간 직접 전자 전달을 통해 메탄 생성 속도를 향상시킬 수 있다. 아울러, 전도성의 탄소나노튜브에 결합된 철산화물은 황 흡착을 통해 바이오가스 내 황화수소 농도를 낮출 수 있다. 이로써, 추가적인 설비 없이도, 철산화물이 결합된 전도성의 탄소나노튜브 구조체만을 이용하여, 고순도 메탄 생성이 가능하다. According to various embodiments, by using a conductive carbon nanotube structure to which iron oxide is bonded, it is possible to achieve an increase in methane generation rate in an anaerobic digestion process as well as a decrease in hydrogen sulfide concentration. Specifically, the conductive carbon nanotube structure can improve the methane production rate through direct electron transfer between acid-producing microorganisms and methanogenic microorganisms. In addition, iron oxide bound to the conductive carbon nanotubes can lower the hydrogen sulfide concentration in biogas through sulfur adsorption. Accordingly, it is possible to generate high-purity methane using only the conductive carbon nanotube structure to which iron oxide is bonded, without additional equipment.

다양한 실시예들에 따른 구조체는, 전도성의 탄소나노튜브 구조체, 및 탄소나노튜브 구조체의 표면에 결합되는 철산화물을 포함할 수 있다.A structure according to various embodiments may include a conductive carbon nanotube structure and an iron oxide bonded to a surface of the carbon nanotube structure.

다양한 실시예들에 따르면, 철산화물은, 구조체가 혐기성 소화 반응조에 적용될 때, 황 흡착을 통해 바이오가스 내 황화수소 농도를 낮출 수 있다.According to various embodiments, iron oxide can lower the hydrogen sulfide concentration in biogas through sulfur adsorption when the structure is applied to an anaerobic digestion reactor.

다양한 실시예들에 따르면, 철산화물은, Fe2O3, Fe3O4, 또는 FeOH2 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.According to various embodiments, the iron oxide may include at least one of Fe 2 O 3 , Fe 3 O 4 , or FeOH 2 .

다양한 실시예들에 따르면, 구조체가 혐기성 소화 반응조에 적용될 때, 산생성 미생물과 메탄생성 미생물 간 전자 전달을 통해 메탄 생성 속도를 향상시킬 수 있다. According to various embodiments, when the structure is applied to an anaerobic digestion reactor, the rate of methane production may be improved through electron transfer between acid-producing microorganisms and methanogenic microorganisms.

다양한 실시예들에 따르면, 철산화물은, 침지 코팅 기법 또는 스프레이 코팅 기법 중 적어도 하나에 의해, 탄소나노튜브 구조체의 표면에 결합될 수 있다. According to various embodiments, iron oxide may be bonded to the surface of the carbon nanotube structure by at least one of a dip coating technique and a spray coating technique.

다양한 실시예들에 따르면, 탄소나노튜브 구조체는, 탄소나노물질과 전도체물질이 얽힌 3차원의 망상 구조체일 수 있다.According to various embodiments, the carbon nanotube structure may be a three-dimensional network structure in which carbon nanomaterials and conductor materials are entangled.

다양한 실시예들에 따르면, 탄소나노물질은, 탄소나노튜브, 그래핀, 탄소섬유, 탄소나노와이어, 또는 활성탄 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. According to various embodiments, the carbon nanomaterial may include at least one of carbon nanotubes, graphene, carbon fibers, carbon nanowires, or activated carbon.

다양한 실시예들에 따르면, 전도체물질은, 초이온전도체일 수 있다.According to various embodiments, the conductive material may be a superionic conductor.

다양한 실시예들에 따른 구조체의 제조 방법은, 전도성의 탄소나노튜브 구조체를 제조하는 단계(110 단계), 및 탄소나노튜브 구조체의 표면에 철산화물을 결합하는 단계(120 단계)를 포함할 수 있다. A method of manufacturing a structure according to various embodiments may include manufacturing a conductive carbon nanotube structure (step 110) and bonding iron oxide to a surface of the carbon nanotube structure (step 120). .

다양한 실시예들에 따르면, 철산화물은, 구조체가 혐기성 소화 반응조에 적용될 때, 황 흡착을 통해 바이오가스 내 황화수소 농도를 낮출 수 있다.According to various embodiments, iron oxide can lower the hydrogen sulfide concentration in biogas through sulfur adsorption when the structure is applied to an anaerobic digestion reactor.

다양한 실시예들에 따르면, 철산화물은, Fe2O3, Fe3O4, 또는 FeOH2 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.According to various embodiments, the iron oxide may include at least one of Fe 2 O 3 , Fe 3 O 4 , or FeOH 2 .

다양한 실시예들에 따르면, 철산화물을 결합하는 단계(120 단계)는, 침지 코팅 기법 또는 스프레이 코팅 기법 중 적어도 하나에 의해, 수행될 수 있다. According to various embodiments, the combining of the iron oxide (step 120) may be performed by at least one of a dip coating technique and a spray coating technique.

다양한 실시예들에 따르면, 탄소나노튜브 구조체는, 탄소나노물질과 전도체물질이 얽힌 3차원의 망상 구조체일 수 있다.According to various embodiments, the carbon nanotube structure may be a three-dimensional network structure in which carbon nanomaterials and conductor materials are entangled.

다양한 실시예들에 따르면, 탄소나노물질은, 탄소나노튜브, 그래핀, 탄소섬유, 탄소나노와이어, 또는 활성탄 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.According to various embodiments, the carbon nanomaterial may include at least one of carbon nanotubes, graphene, carbon fibers, carbon nanowires, or activated carbon.

다양한 실시예들에 따르면, 전도체물질은, 초이온전도체일 수 있다. According to various embodiments, the conductive material may be a superionic conductor.

본 문서의 다양한 실시예들 및 이에 사용된 용어들은 본 문서에 기재된 기술을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 해당 실시 예의 다양한 변경, 균등물, 및/또는 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 도면의 설명과 관련하여, 유사한 구성 요소에 대해서는 유사한 참조 부호가 사용될 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다. 본 문서에서, "A 또는 B", "A 및/또는 B 중 적어도 하나", "A, B 또는 C" 또는 "A, B 및/또는 C 중 적어도 하나" 등의 표현은 함께 나열된 항목들의 모든 가능한 조합을 포함할 수 있다. "제 1", "제 2", "첫째" 또는 "둘째" 등의 표현들은 해당 구성 요소들을, 순서 또는 중요도에 상관없이 수식할 수 있고, 한 구성 요소를 다른 구성 요소와 구분하기 위해 사용될 뿐 해당 구성 요소들을 한정하지 않는다. 어떤(예: 제 1) 구성 요소가 다른(예: 제 2) 구성 요소에 "(기능적으로 또는 통신적으로) 연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 상기 어떤 구성 요소가 상기 다른 구성 요소에 직접적으로 연결되거나, 다른 구성 요소(예: 제 3 구성 요소)를 통하여 연결될 수 있다.Various embodiments of this document and terms used therein are not intended to limit the technology described in this document to a specific embodiment, and should be understood to include various modifications, equivalents, and/or substitutes of the embodiment. In connection with the description of the drawings, like reference numerals may be used for like elements. Singular expressions may include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In this document, expressions such as "A or B", "at least one of A and/or B", "A, B or C" or "at least one of A, B and/or C" refer to all of the items listed together. Possible combinations may be included. Expressions such as "first," "second," "first," or "second" may modify the elements in any order or importance, and are used only to distinguish one element from another. The components are not limited. When a (e.g., first) element is referred to as being "(functionally or communicatively) connected" or "connected" to another (e.g., second) element, it is referred to as being "connected" to the other (e.g., second) element. It may be directly connected to the component or connected through another component (eg, a third component).

다양한 실시예들에 따르면, 기술한 구성 요소들의 각각의 구성 요소는 단수 또는 복수의 개체를 포함할 수 있다. 다양한 실시예들에 따르면, 전술한 해당 구성 요소들 중 하나 이상의 구성 요소들 또는 단계들이 생략되거나, 또는 하나 이상의 다른 구성 요소들 또는 단계들이 추가될 수 있다. 대체적으로 또는 추가적으로, 복수의 구성 요소들은 하나의 구성 요소로 통합될 수 있다. 이런 경우, 통합된 구성 요소는 복수의 구성 요소들 각각의 구성 요소의 하나 이상의 기능들을 통합 이전에 복수의 구성 요소들 중 해당 구성 요소에 의해 수행되는 것과 동일 또는 유사하게 수행할 수 있다. 다양한 실시예들에 따르면, 모듈, 프로그램 또는 다른 구성 요소에 의해 수행되는 단계들은 순차적으로, 병렬적으로, 반복적으로, 또는 휴리스틱하게 실행되거나, 단계들 중 하나 이상이 다른 순서로 실행되거나, 생략되거나, 또는 하나 이상의 다른 단계들이 추가될 수 있다. According to various embodiments, each of the components described above may include a single entity or a plurality of entities. According to various embodiments, one or more components or steps among the aforementioned components may be omitted, or one or more other components or steps may be added. Alternatively or additionally, a plurality of components may be integrated into one component. In this case, the integrated component may perform one or more functions of each of the plurality of components identically or similarly to those performed by the corresponding component among the plurality of components prior to integration. According to various embodiments, steps performed by a module, program, or other component are executed sequentially, in parallel, iteratively, or heuristically, or one or more of the steps are executed in a different order, omitted, or , or one or more other steps may be added.

Claims (15)

구조체에 있어서,
탄소나노물질과 전도체물질이 얽힌 3차원의 망상 구조체로 구현되는 탄소나노튜브를 포함하는 전도성의 탄소나노튜브 구조체; 및
상기 탄소나노튜브 구조체의 표면에 결합되는 철산화물
을 포함하고,
상기 철산화물은,
Fe2O3 또는 FeOH2 중 적어도 하나를 포함하는,
구조체.
in the structure,
A conductive carbon nanotube structure including carbon nanotubes implemented as a three-dimensional network structure in which carbon nanomaterials and conductor materials are entangled; and
Iron oxide bonded to the surface of the carbon nanotube structure
including,
The iron oxide,
At least one of Fe 2 O 3 or FeOH 2 ,
struct.
 제 1 항에 있어서,
상기 철산화물은,
상기 구조체가 혐기성 소화 반응조에 적용될 때, 황 흡착을 통해 바이오가스 내 황화수소 농도를 낮추는,
구조체.
According to claim 1,
The iron oxide,
When the structure is applied to an anaerobic digestion reactor, lowering the hydrogen sulfide concentration in biogas through sulfur adsorption,
struct.
 삭제delete 제 2 항에 있어서,
상기 탄소나노튜브 구조체는,
상기 구조체가 혐기성 소화 반응조에 적용될 때, 산생성 미생물과 메탄생성 미생물 간 전자 전달을 통해 메탄 생성 속도를 향상시키는,
구조체.
According to claim 2,
The carbon nanotube structure,
When the structure is applied to an anaerobic digestion reactor, the methane production rate is improved through electron transfer between the acid-producing microorganism and the methanogenic microorganism,
struct.
 제 1 항에 있어서,
상기 철산화물은,
침지 코팅(dip-coating) 기법 또는 스프레이 코팅(spray coating) 기법 중 적어도 하나에 의해, 상기 탄소나노튜브 구조체의 표면에 결합되는,
구조체.
According to claim 1,
The iron oxide,
Bonded to the surface of the carbon nanotube structure by at least one of a dip-coating technique or a spray coating technique,
struct.
 삭제delete 제 1 항에 있어서,
상기 탄소나노물질은,
탄소나노튜브, 그래핀, 탄소섬유, 탄소나노와이어, 또는 활성탄 중 적어도 하나를 포함하는,
구조체.
According to claim 1,
The carbon nanomaterial,
Including at least one of carbon nanotubes, graphene, carbon fibers, carbon nanowires, or activated carbon,
struct.
 제 1 항에 있어서,
상기 전도체물질은,
초이온전도체(super ionic conductor)인,
구조체.
According to claim 1,
The conductor material,
As a super ionic conductor,
struct.
 구조체의 제조 방법에 있어서,
탄소나노물질과 전도체물질이 얽힌 3차원의 망상 구조체로 구현되는 탄소나노튜브를 포함하는 전도성의 탄소나노튜브 구조체를 제조하는 단계; 및
상기 탄소나노튜브 구조체의 표면에 철산화물을 결합하는 단계
를 포함하고,
상기 철산화물은,
Fe2O3 또는 FeOH2 중 적어도 하나를 포함하는,
구조체의 제조 방법.
In the manufacturing method of the structure,
Manufacturing a conductive carbon nanotube structure including carbon nanotubes realized as a three-dimensional network structure in which carbon nanomaterials and conductor materials are entangled; and
Bonding iron oxide to the surface of the carbon nanotube structure
including,
The iron oxide,
At least one of Fe 2 O 3 or FeOH 2 ,
A method of manufacturing a structure.
 제 9 항에 있어서,
상기 철산화물은,
상기 구조체가 혐기성 소화 반응조에 적용될 때, 황 흡착을 통해 바이오가스 내 황화수소 농도를 낮추는,
구조체의 제조 방법.
According to claim 9,
The iron oxide,
When the structure is applied to an anaerobic digestion reactor, lowering the hydrogen sulfide concentration in biogas through sulfur adsorption,
A method of manufacturing a structure.
 삭제delete 제 9 항에 있어서,
상기 철산화물을 결합하는 단계는,
침지 코팅 기법 또는 스프레이 코팅 기법 중 적어도 하나에 의해, 수행되는,
구조체의 제조 방법.
According to claim 9,
The step of combining the iron oxide,
Performed by at least one of a dip coating technique or a spray coating technique,
A method of manufacturing a structure.
 삭제delete 제 9 항에 있어서,
상기 탄소나노물질은,
탄소나노튜브, 그래핀, 탄소섬유, 탄소나노와이어, 또는 활성탄 중 적어도 하나를 포함하는,
구조체의 제조 방법.
According to claim 9,
The carbon nanomaterial,
Including at least one of carbon nanotubes, graphene, carbon fibers, carbon nanowires, or activated carbon,
A method of manufacturing a structure.
 제 9 항에 있어서,
상기 전도체물질은,
초이온전도체인,
구조체의 제조 방법. According to claim 9,
The conductor material,
superionic conductor,
A method of manufacturing a structure.
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