KR20100130460A - A method and device for electro-chemical hydrogen production and biological carbon dioxide reduction - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A carbon dioxide bio-reduction and hydrogen production apparatus is provided to produce hydrogen for using as an environment-friendly energy source while processing wastewater. CONSTITUTION: A carbon dioxide bio-reduction and hydrogen production apparatus comprises the following: an electrochemical wastewater treatment and hydrogen production device(10) treating pollutants inside wastewater using an electro-oxidation reaction, and producing hydrogen for using as a reductant; a gas separator(20) separating the hydrogen with other gas; a gas dissolving unit(30) dissolving carbon dioxide separated from the gas separator to insert into a carbon dioxide bio-reducer; and the carbon dioxide bio-reducer(40).

Description

전기화학적 폐수처리를 이용한 수소 생산 및 생물학적 이산화탄소 저감 장치{A method and device for electro-chemical hydrogen production and biological carbon dioxide reduction}A method and device for electro-chemical hydrogen production and biological carbon dioxide reduction

본 발명은 배가스에 포함된 이산화탄소를 효율적으로 저감하기 위한 다양한 기술 중 생물학적 이산화탄소 저감기술에 있어서, 이산화탄소의 메탄전환에 의해 이산화탄소를 저감하는 과정에서 필수요소인 환원제로서의 수소를 안정적으로 생산, 공급하는 기술을 확립하고, 여기서 공급된 수소와 배가스에 포함된 이산화탄소를 혐기성미생물이 보다 용이하게 사용할 수 있도록 수소와 이산화탄소의 용해도를 증가시킬 수 있는 기술을 확립하여, 혐기성미생물의 생리활성을 이용한 이산화탄소의 메탄전환 효율을 높여 이산화탄소를 고효율로 저감함과 동시에 새로운 에너지 자원인 메탄을 생산하기 위해 개시되었다. 상세하게는 전자폐수 등 폐수에 포함되어 있는 오염물질을 처리하는 과정 중에서 환원제로서의 수소를 생산하고, 여기서 생산된 수소와 배가스에 포함된 이산화탄소는 각 가스의 용해도를 증가시킬 수 있도록 구성한 장치를 통과시켜 용해한 다음, 혐기성 미생물의 생리활성을 이용하여 이산화탄소를 메탄으로 전환시킴에 의해 이산화탄소를 저감할 수 있는 전기화학적 폐수처리를 이용한 수소 생산 및 생물학적 이산화탄소 저감 장치에 관한 것이다.The present invention is a technology for stably producing and supplying hydrogen as a reducing agent, which is an essential element in the process of reducing carbon dioxide by converting carbon dioxide into methane, among various techniques for efficiently reducing carbon dioxide contained in exhaust gas. And methane conversion using the anaerobic microbial physiological activity by establishing a technology that can increase the solubility of hydrogen and carbon dioxide so that anaerobic microorganisms can easily use the carbon dioxide contained in the hydrogen and exhaust gas supplied therein. In order to increase the efficiency to reduce carbon dioxide to high efficiency, it was started to produce a new energy source methane. Specifically, hydrogen is produced as a reducing agent in the process of treating contaminants in wastewater such as electronic wastewater, and the hydrogen and carbon dioxide contained in the exhaust gas are passed through a device configured to increase the solubility of each gas. After dissolving, the present invention relates to a hydrogen production and biological carbon dioxide reduction apparatus using electrochemical wastewater treatment that can reduce carbon dioxide by converting carbon dioxide to methane using the physiological activity of anaerobic microorganisms.

또한, 본 발명은 이산화탄소의 효율적 저감 기술 이외에 전자폐수 등 폐수에 포함된 암모니아성 질소, 질산성 질소, 및 불소를 고효율로 저감할 수 있는 전기화학적 폐수처리 기술이 개시된다. In addition, the present invention discloses an electrochemical wastewater treatment technology capable of efficiently reducing ammonia nitrogen, nitrate nitrogen, and fluorine contained in wastewater such as electronic wastewater in addition to an efficient reduction technology of carbon dioxide.

따라서 본 발명은 배가스에 포함된 이산화탄소7를 효율적으로 저감하는 온실가스 저감 기술, 메탄전환기술, 및 폐수에 포함되어 있는 질소 및 불소를 고효율로 처리할 수 있는 환경오염물질 저감기술에 대한 것이다.Therefore, the present invention relates to a greenhouse gas reduction technology for efficiently reducing carbon dioxide 7 contained in exhaust gas, a methane conversion technology, and an environmental pollutant reduction technology capable of treating nitrogen and fluorine contained in wastewater with high efficiency.

이산화탄소 (CO2)는 최근 교토의정서를 비롯한 많은 법규가 제정되면서 반드시 제거해야 하는 지구온난화가스 중의 하나이다. 또한, 2013년경에는 우리나라도 온실가스 의무 감축국가로 지정될 것으로 확실시 되고 있어서 이산화탄소의 문제는 우리나라의 향후 경제발전에 많은 악영향을 미칠 것으로 판단됨에 따라 효율적이면서 경제적인 이산화탄소 저감기술 확보가 필수적이며, 화석원료 유래 이외의 유용한 에너지 자원을 개발하고, 효율적인 에너지 자원 개발 기술을 확보하는 것 또한 매우 필수적이라 할 수 있다.Carbon dioxide (CO 2 ) is one of the global warming gases that must be removed with the recent enactment of many laws, including the Kyoto Protocol. In addition, it is certain that Korea will be designated as a mandatory country to reduce greenhouse gas emissions by 2013. Therefore, it is essential to secure efficient and economical carbon dioxide reduction technology as the problem of carbon dioxide will have a lot of adverse effects on the future economic development of Korea. It is also essential to develop useful energy resources other than raw materials and to secure efficient energy resource development technology.

또한, 반도체 생산 공정 등에서 발생하는 폐수에는 고농도의 불소와 다량의질소성분이 포함되어 있으며, 폐수 내에 존재하는 질소 성분은 기존의 불소제거 공정으로 제거되지 않고 불소제거 공정 후단에 생물학적 탈질공정과 같은 질소 성분 제거 공정을 추가해야만 한다. 하지만, 생물학적 탈질공정의 경우, 처리비용이 고가이며, 질소 성분 제거 시간이 길기 때문에 탈질공정이 대형화되는 문제가 있고 운전조건 및 관리조건이 까다로운 단점이 있어 효율적이면서 경제적인 질소 성분의 처리 공정이 절실하다.In addition, the wastewater generated in the semiconductor production process contains high concentrations of fluorine and a large amount of nitrogen components, and the nitrogen components present in the wastewater are not removed by the conventional fluorine removal process, but instead of nitrogen, such as a biological denitrification process, after the fluorine removal process. You must add an ingredient removal process. However, in the case of biological denitrification, the treatment cost is expensive and the nitrogen removal time is long, so the denitrification process becomes large and the operating and management conditions are difficult. Do.

현재 이산화탄소를 처리하는 기술로는 물리화학적 분리기술이나 물리화학, 생물학적 전환기술 등이 사용되고 있다. 이 중에서 생물학적 방법을 사용한 이산화탄소의 저감은 광합성미생물 등을 이용한 기술과 혐기성 소화를 이용한 기술로 나눌 수 있다. 이 중에서, 혐기성 미생물의 생리활성을 이용한 혐기성 소화는 유기물로부터 중간생성물인 수소 및 각종 휘발성 유기산을 거쳐 최종생성물인 메탄 및 이산화탄소로 분해되는 것이 일반적인 반응 경로이다. 이 중에서 특히, 최종생성물인 메탄을 생성하는 메탄생성세균은 크게 두 가지로 분류되는데, 하나는 아세테이트로부터 메탄을 생산하는 초산영양성 메탄생성균 (Acetotrophic methanogens)이고, 다른 하나는 수소와 이산화탄소로부터 메탄을 생산하는 수소영양성 메탄생성균 (Hydrogenotrophic methanogens)이다. 이 중에서 초산영양성 메탄생성균은 유기물의 혐기 소화 시 최종생성물로 메탄과 이산화탄소를 생성하는 반면, 수소영양성 메탄생성균은 최종생성물로 메탄만을 생성하는 균주이다. 또한, 혐기성 소화에서 생성되는 메탄의 약 70%는 초산영양성 메탄생성균에 의해 생산되며, 나머지 약 30%는 수소영양성 메탄생성균에 의해 생산된다. 각 기질 (아세테이트와 이산화탄소)로부터 메탄이 생성되는 속도는 수소영양성 메탄생성균이 월등히 빠르지만, 약 2배 이상의 메탄이 초산영양성 메탄생성균에 의해 생산되는 이유는 자연계에는 수소영양 성 메탄생성균보다 초산영양성 메탄생성균이 다량 존재하기 때문이다. 따라서 수소영양성 메탄생성균만을 고농도로 배양하여 우점종화하고 초산영양성 메탄생성균의 활성을 억제하여 이용한다면 효율적으로 이산화탄소를 저감함과 동시에 유용한 에너지 자원인 메탄을 생산할 수 있을 것으로 판단된다. Currently, as a technology for treating carbon dioxide, physicochemical separation technology, physical chemistry, and biological conversion technology are used. Among them, the reduction of carbon dioxide using biological methods can be divided into techniques using photosynthetic microorganisms and techniques using anaerobic digestion. Among them, the anaerobic digestion using the physiological activity of anaerobic microorganisms is a general reaction route that is decomposed from organics to intermediate products hydrogen and various volatile organic acids to final products methane and carbon dioxide. Of these, methane-producing bacteria that produce methane, the final product, are largely classified into two types, one is Acetotrophic methanogens, which produce methane from acetate, and the other produces methane from hydrogen and carbon dioxide. Are hydrogenotrophic methanogens. Among these, acetic acid-methane-producing methane produces methane and carbon dioxide as final products during anaerobic digestion of organic matter, while hydrogen-trophic methane-producing bacteria are methane producing only methane as final products. In addition, about 70% of the methane produced in anaerobic digestion is produced by acetic acid-producing methane-producing bacteria, and about 30% is produced by hydrogenotrophic methane-producing bacteria. The rate at which methane is produced from each substrate (acetate and carbon dioxide) is much faster for hydrogenotrophic methane-producing bacteria, but more than twice as much methane is produced by acetic-acid-producing methane-producing bacteria. This is because a large amount of produced bacteria is present. Therefore, if only hydrogen-trophic methane-producing bacteria are cultivated at high concentration and dominated, and the activity of acetic-acid-producing methane-producing bacteria is inhibited and used, it is considered that carbon dioxide can be efficiently reduced and methane, which is a useful energy source, can be produced.

수소영양성 메탄생성균은 메탄을 생산할 때 이산화탄소보다 4배 많은 환원제를 필요로 한다. 즉, 다음 식과 같이 4몰의 수소와 1몰의 이산화탄소로부터 1몰의 메탄과 2몰의 물을 생산한다. Hydrotrophic methane-producing bacteria require four times more reducing agent than carbon dioxide to produce methane. That is, 1 mole of methane and 2 moles of water are produced from 4 moles of hydrogen and 1 mole of carbon dioxide as shown in the following equation.

4H2 + CO2 → CH4 + 2H2O -130.4 ΔG0 (kJ/mol CH4) (1)4H 2 + CO 2 → CH 4 + 2H 2 O -130.4 ΔG 0 (kJ / mol CH 4 ) (1)

참고로 초산영양성 메탄생성균은 다음과 같은 반응을 거쳐 메탄과 이산화탄소를 생산한다.For reference, acetic acid-methane-producing methane produces methane and carbon dioxide through the following reactions.

CH3COO- + H+ → CH4 + CO2 -36 ΔG0 (kJ/mol CH4) (2) CH 3 COO - + H + → CH 4 + CO 2 -36 ΔG 0 (kJ / mol CH 4) (2)

따라서 상기 식과 같이 초산영양성 메탄생성균이 포함되어 있으면 오히려 이산화탄소가 발생되기 때문에, 고효율로 이산화탄소를 저감하기 위해서는 무엇보다도 수소영양성 메탄생성균이 고농도로 우점종화 되어 있어야 하며, 식(1)에서와 같이 다량의 환원제 (특히, 수소)가 원활하게 안정적으로 공급되어야 한다. 이산화탄소의 메탄전환에 사용되는 환원제로는 수소 이외에도 다른 환원제가 이용될 수 있으나, 이산화탄소의 메탄 전환 시 환원 능력은 수소가 가장 높다. Therefore, carbon dioxide is generated when acetic acid-containing methane-producing bacteria are contained as shown in the above formula. Therefore, in order to reduce carbon dioxide with high efficiency, hydrogen-trophic methane-producing bacteria should be predominantly dominated by high concentration, as shown in Equation (1). The reducing agent (especially hydrogen) must be supplied smoothly and stably. In addition to hydrogen, other reducing agents may be used as the reducing agent used for the methane conversion of carbon dioxide, but hydrogen has the highest reduction capability in converting carbon dioxide to methane.

전자폐수 중에서 무기성 폐수에는 불소 이외에도 암모니아성 질소 및 질산성 질소가 다량 포함되어 있다. 현재까지 상기 물질들을 처리하기 위한 많은 기술이 소개되었으나 암모니아성 질소, 질산성 질소, 및 불소를 동시에 제거할 수 있는 기술은 개발되지 않았으며, 폐수 처리와 동시에 고농도의 수소 생산, 이산화탄소 저감, 및 메탄생산 기술도 소개되지 않았다. 즉, 수소를 생산하기 위해 전기분해를 이용하는 경우에는 순수한 물이나 알칼리 용액 등을 이용하는데, 전기분해를 적용하면 수소와 산소가 동시에 생산되는 단점이 있다. 따라서 적당한 막을 사용하여 음극과 양극을 분리하여 산소와 수소의 배출경로를 다르게 하는 등의 특허 및 연구결과는 발표되고 있지만, 본 발명에서와 같이 폐수처리를 하는 과정 중에서 막을 사용하지 않고 수소를 생산하는 기술은 발표되지 않았다. In the electronic wastewater, the inorganic wastewater contains ammonia nitrogen and nitrate nitrogen in addition to fluorine. To date, many techniques for treating such substances have been introduced, but no technique for simultaneously removing ammonia nitrogen, nitrate nitrogen, and fluorine has been developed, and high concentrations of hydrogen production, carbon dioxide reduction, and methane simultaneously with wastewater treatment No production technology has been introduced. In other words, when electrolysis is used to produce hydrogen, pure water or an alkaline solution is used. However, when electrolysis is applied, hydrogen and oxygen are simultaneously produced. Therefore, the patent and research results, such as separating the cathode and the anode by using a suitable membrane to change the discharge path of oxygen and hydrogen have been published, but in the process of wastewater treatment as in the present invention to produce hydrogen without using the membrane The technology was not released.

또한, 생물학적 방법을 사용하여 이산화탄소를 메탄전환 할 때 가장 큰 문제점은 수소의 용해도가 매우 낮다는 것이다. 따라서 식(1)에서와 같이 이산화탄소의 환원제로서의 역할을 하는 수소의 대량생산기술 및 수소 용해도 증가 기술이 개발되어야만 이산화탄소의 메탄전환에 의한 이산화탄소 저감 기술이 효과적으로 운전될 수 있다. 이에, 본 발명에서는 수소 및 이산화탄소의 용해도를 높일 수 있는 기술 및 장치를 개발하여 본 발명에 적용함으로서 이산화탄소의 저감 및 메탄 생산 효율을 높일 수 있는 특징이 있다.In addition, the biggest problem with methane conversion of carbon dioxide using biological methods is that the solubility of hydrogen is very low. Therefore, the carbon dioxide reduction technology by converting carbon dioxide to methane can be effectively operated only when the mass production technology of hydrogen and the hydrogen solubility increasing technology have to be developed as a reducing agent of carbon dioxide as shown in Equation (1). Thus, in the present invention, by developing a technology and apparatus that can increase the solubility of hydrogen and carbon dioxide to apply to the present invention, there is a feature that can reduce the carbon dioxide and increase the methane production efficiency.

또한, 현재까지 개발되어 운전되는 모든 장치에는 화석연료로부터 유래된 전기를 사용하는데, 화석연료에서 전기를 생산하는 과정에서 다량의 이산화탄소를 배출하기 때문에 본 발명에서 사용되는 장치에 화석연료 유래의 전기를 사용하면 잠재적으로 이산화탄소를 배출하는 것이 되어서 본 발명의 목적에 부합되지 않는다. 따라서 본 발명에서는 이산화탄소 저감장치에서 이산화탄소가 전환되어서 생산되는 메탄을 원료로 하여 전기를 생산하고, 여기서 생산된 전기를 본 발명에서 사용되는 모든 장치의 전기공급원으로 사용하게 되어 잠재적인 이산화탄소 발생까지 줄일 수 있는 특징이 있다. In addition, all devices that have been developed and operated to date use electricity derived from fossil fuels, and since fossil fuels emit a large amount of carbon dioxide in the process of producing electricity, the devices used in the present invention are supplied with electricity derived from fossil fuels. If used, it would potentially emit carbon dioxide, which would not serve the purpose of the present invention. Therefore, in the present invention, carbon dioxide is converted into carbon dioxide to produce electricity from the methane produced as a raw material, and the electricity produced here can be used as the electricity source of all the devices used in the present invention to reduce potential carbon dioxide generation. There is a characteristic.

이상에서 살펴본 바와 같이, 이산화탄소 감축 의무가 확실시 되는 우리나라의 입장에서는 이산화탄소를 효율적이면서 경제적으로 처리하는 기술이 반드시 개발되어야 하며, 이와 동시에 유용한 에너지 자원으로 사용 가능한 물질을 생산하는 기술도 개발되어야 할 것으로 판단된다. As mentioned above, in Korea, where the obligation to reduce carbon dioxide is certain, the technology for efficiently and economically treating carbon dioxide must be developed, and at the same time, the technology for producing materials that can be used as useful energy resources should be developed. do.

결과적으로 본 발명에 의해 개시될 전기화학적 폐수처리를 이용한 수소 생산 및 생물학적 이산화탄소 저감 장치는, 폐수처리를 통한 환경문제 개선, 배가스에 포함된 이산화탄소 저감 및 자체 전기 생산을 통한 잠재적인 이산화탄소 발생 저감을 통한 기후변화문제 개선, 및 수소와 메탄생산을 통한 유용한 에너지 자원 생산 기술 개발 등의 효과를 얻을 수 있다.As a result, the hydrogen production and biological carbon dioxide reduction apparatus using the electrochemical wastewater treatment to be disclosed by the present invention, through the improvement of environmental problems through wastewater treatment, reduction of carbon dioxide contained in the flue gas and potential carbon dioxide reduction through its own electricity production Improvements in climate change problems and the development of useful energy resource production technologies through hydrogen and methane production can be achieved.

본 발명의 목적은 배가스에 포함된 이산화탄소를 생물학적으로 저감하는 데 있어, 폐수처리와 동시에 환원제인 수소를 고효율로 생산하고, 여기서 생산된 수소와 배가스에 포함된 이산화탄소를 혐기성 미생물을 이용하여 메탄으로 전환함에 의해 고효율로 이산화탄소를 저감함과 동시에 유용한 에너지 자원으로 활용 가능한 메탄을 생산할 수 있는 전기화학적 폐수처리를 이용한 수소 생산 및 생물학적 이산화탄소 저감 장치를 제공하는 데 있다.An object of the present invention is to biologically reduce the carbon dioxide contained in the flue gas, at the same time to produce a high-efficiency hydrogen as a reducing agent at the same time as wastewater treatment, where the hydrogen and carbon dioxide contained in the flue gas is converted to methane using anaerobic microorganisms The present invention provides a device for producing hydrogen and biological carbon dioxide using an electrochemical wastewater treatment that can reduce carbon dioxide with high efficiency and produce methane that can be used as a useful energy source.

본 발명의 다른 목적은 이산화탄소의 메탄 전환에 반드시 필요한 환원제인 수소를 안정적으로 생산하여 공급하기 위한 전기화학적 폐수처리 공정을 제공하는데, 세밀하게는 전기화학적 방법을 전자폐수 (특히, 무기성 폐수)에 적용하여 암모니아성 질소, 질산성 질소, 및 불소를 동시에 제거하고 이러한 과정 중에서 고농도의 수소를 생산하는 전기화학적 폐수처리를 이용한 수소 생산 및 생물학적 이산화탄소 저감 장치를 제공하는 것이다. Another object of the present invention is to provide an electrochemical wastewater treatment process for stably producing and supplying hydrogen, which is a reductant essential for converting carbon dioxide to methane, and in detail, an electrochemical method is applied to an electrowaste (in particular, inorganic wastewater). The present invention provides a hydrogen production and biological carbon dioxide abatement apparatus using electrochemical wastewater treatment which simultaneously removes ammonia nitrogen, nitrate nitrogen, and fluorine and produces high concentration of hydrogen in the process.

본 발명의 또 다른 목적은 이산화탄소 저감장치에 주입되는 수소와 이산화탄소의 용해도를 높일 수 있는 가스용해장치를 구비하여 이산화탄소의 메탄전환 시 혐기성 미생물에 의해 수소와 이산화탄소를 보다 빠르게 이용할 수 있도록 하는 전기화학적 폐수처리를 이용한 수소 생산 및 생물학적 이산화탄소 저감 장치를 제공하는 것이다. Another object of the present invention is to provide a gas dissolving device to increase the solubility of hydrogen and carbon dioxide injected into the carbon dioxide abatement device electrochemical wastewater to make faster use of hydrogen and carbon dioxide by anaerobic microorganisms when converting carbon dioxide to methane It is to provide a hydrogen production and biological carbon dioxide reduction device using the treatment.

본 발명의 또 다른 목적은 본 발명에서 이산화탄소 저감 장치에서 발생하는 메탄을 연소하여 전기를 생산하는 메탄연소장치를 구비하여, 여기서 생산된 전기로 본 특허에서 개시된 모든 장치의 전기공급원으로 사용할 수 있는 전기화학적 폐수처리를 이용한 수소 생산 및 생물학적 이산화탄소 저감 장치를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a methane combustion device for producing electricity by burning the methane generated in the carbon dioxide reduction device in the present invention, the electricity produced here can be used as an electricity source of all the devices disclosed in this patent It is to provide a hydrogen production and biological carbon dioxide reduction device using chemical wastewater treatment.

본 발명의 목적을 해결하기 위한 전기화학적 폐수처리를 이용한 수소 생산 및 생물학적 이산화탄소 저감 장치는, 전자폐수를 전기산화반응과 전기응집반응을 이용하여 처리함과 동시에 환원제로 사용되는 수소가스와 그 외 가스를 발생시키는 전기화학적 폐수처리 및 수소생산 장치와; 상기 전기화학적 폐수처리 및 수소생산 장치에서 발생된 가스를 고농도의 수소와 그 외 가스로 분리시키는 가스분리장치와; 가스분리장치에서 분리된 수소와 배가스로부터 분리한 이산화탄소를 용해시키는 가스용해장치와; 상기 가스용해장치에서 용해된 수소와 이산화탄소를 공급받아 메탄생성세균을 이용하여 메탄으로 전환시키는 이산화탄소 저감장치를 포함하는 것을 특징으로 한다. Hydrogen production and biological carbon dioxide reduction device using an electrochemical wastewater treatment for solving the object of the present invention, the hydrogen gas and other gases used as a reducing agent while treating the electronic wastewater using an electrooxidation reaction and an electrocoagulation reaction Electrochemical wastewater treatment and hydrogen production apparatus for generating a; A gas separation device for separating the gas generated in the electrochemical wastewater treatment and hydrogen production apparatus into a high concentration of hydrogen and other gases; A gas dissolving device for dissolving carbon dioxide separated from hydrogen separated from the gas separation device and exhaust gas; Receiving the hydrogen and carbon dioxide dissolved in the gas dissolving device is characterized in that it comprises a carbon dioxide reduction device for converting to methane using methane generating bacteria.

바람직하게, 상기 이산화탄소 저감장치로부터 발생한 메탄을 연소하여 전기를 생산하는 메탄연소장치를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.Preferably, the methane combustion device for producing electricity by burning the methane generated from the carbon dioxide reduction device is characterized in that it further comprises.

바람직하게, 상기 전자폐수는 무기성 폐수이거나, 암모니아성 질소, 질산성 질소, 혹은 불소 중 어느 하나가 포함되어 있는 폐수 중에서 선택한 것을 특징으로 한다. Preferably, the electronic wastewater is inorganic wastewater, characterized in that selected from wastewater containing any one of ammonia nitrogen, nitrate nitrogen, or fluorine.

바람직하게, 전기화학적 폐수처리 및 수소생산 장치는 전기산화용 전극과 전기응집용 전극이 하나의 반응조에 설치된 것을 특징으로 한다. 또한, 전기응집용 전극의 수명 연장, 용이한 전극교체, 전기응집용 전극의 효율적 사용, 고농도의 수소 생산, 및 처리대상 폐수의 특성을 위해 전기응집반응과 전기산화반응을 분리하여 설치되는 것을 특징으로 한다. Preferably, the electrochemical wastewater treatment and hydrogen production apparatus is characterized in that the electrode for electrooxidation and the electrode for electrocoagulation are installed in one reactor. In addition, in order to prolong the life of the electrode for electroaggregation, easy electrode replacement, efficient use of the electrode for electrocoagulation, high concentration of hydrogen production, and the characteristics of the wastewater to be treated, the electrocoagulation and electrooxidation reactions are separated and installed. It is done.

바람직하게, 상기 가스용해장치는 상기 이산화탄소 저감장치 내의 배양액을 흡입하는 펌프와, 상기 흡입된 배양액을 분사시키는 가스 용해용 노즐 및 수소와 이산화탄소의 혼합가스가 유입되는 가스유입부로 이루어진 것을 특징으로 한다.Preferably, the gas dissolving device is characterized by consisting of a pump for suctioning the culture solution in the carbon dioxide reduction device, a gas dissolving nozzle for injecting the sucked culture solution and a gas inlet for the mixed gas of hydrogen and carbon dioxide flows.

바람직하게, 가스용해장치의 가스 용해용 노즐은 내부면에 나선모양의 홈이 형성된 것 또는 상기 가스 용해용 노즐의 입구에 와류유도용 캡이 부착된 것을 특징으로 한다.Preferably, the gas dissolving nozzle of the gas dissolving apparatus is characterized in that a spiral groove is formed on the inner surface, or a vortex induction cap is attached to the inlet of the gas dissolving nozzle.

바람직하게, 상기 메탄생성세균은 수소영양성 메탄생성균인 것을 특징으로 한다.Preferably, the methane producing bacteria is characterized in that the hydrogen-trophic methane producing bacteria.

본 발명에 의해 개시될 전기화학적 폐수처리를 이용한 수소 생산 및 생물학적 이산화탄소 저감 장치는 전자폐수 등 폐수에 포함된 오염물질을 처리하는 과정 중에서 환원제로서의 수소를 고효율로 생산하고, 여기서 생산된 수소와 배가스에 포함된 이산화탄소를 혐기성 미생물의 생리활성을 이용하여 메탄으로 전환함에 의해 고효율로 저감함과 동시에 유용한 에너지 자원으로 사용할 수 있는 메탄을 생산할 수 있는 장점이 있다.Hydrogen production and biological carbon dioxide reduction apparatus using the electrochemical wastewater treatment to be disclosed by the present invention produces hydrogen as a reducing agent with high efficiency in the process of treating contaminants contained in the wastewater, such as electronic wastewater, in the hydrogen and exhaust gas produced By converting the carbon dioxide contained into methane by using the physiological activity of anaerobic microorganisms, there is an advantage that can be reduced to high efficiency and produce methane that can be used as a useful energy source.

또한, 전기화학적 폐수처리 시, 폐수로부터 암모니아성 질소, 질산성 질소, 및 불소를 동시에 제거할 수 있는 장점이 있으며, 폐수처리와 동시에 친환경 에너지로 사용할 수 있는 수소를 생산할 수 있는 장점이 있다.In addition, the electrochemical wastewater treatment, there is an advantage that can be removed at the same time ammonia nitrogen, nitrate nitrogen, and fluorine from the wastewater, there is an advantage to produce hydrogen that can be used as environmentally friendly energy at the same time as wastewater treatment.

또한, 지구온난화가스인 이산화탄소를 고효율로 저감할 수 있으며, 이와 동 시에 유용한 에너지 자원으로 사용할 수 있는 메탄을 생산할 수 있는 장점이 있다. In addition, carbon dioxide, a global warming gas, can be reduced with high efficiency, and at the same time, there is an advantage of producing methane that can be used as a useful energy source.

또한, 이산화탄소로부터 전환되어 생산된 메탄으로부터 전기를 생산하여 본 발명에서 사용되는 모든 장치에 전기를 공급할 수 있는 자체 전기공급원을 보유하게 되어 화석연료 유래의 전기사용량을 절감할 수 있는 장점이 있다. 이에 따라, 배가스 중의 이산화탄소 저감 이외에 화석연료에 의한 전기 생산 시 발생할 이산화탄소 발생량을 절감할 수 있는 잠재력을 가지는 장점이 있다.In addition, the production of electricity from the methane produced by conversion from carbon dioxide has the advantage of having its own electricity source that can supply electricity to all the devices used in the present invention can reduce the electricity consumption from fossil fuels. Accordingly, in addition to the reduction of carbon dioxide in the exhaust gas, there is an advantage that has the potential to reduce the amount of carbon dioxide generated in the production of electricity by fossil fuel.

따라서 본 발명에 의하면, 폐수처리를 통한 환경문제 개선, 배가스에 포함된 이산화탄소 저감 및 자체 전기 생산을 통한 잠재적인 이산화탄소 발생 저감을 통한 기후변화문제 개선, 및 수소와 메탄생산을 통한 유용한 에너지 자원 생산 기술 개발 등의 효과를 얻을 수 있다.Therefore, according to the present invention, the improvement of environmental problems through wastewater treatment, the reduction of carbon dioxide contained in flue gas and the potential change of climate change through reduction of potential carbon dioxide generation through its own electricity production, and useful energy resource production technology through hydrogen and methane production Development and other effects can be obtained.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 전기화학적 폐수처리, 환원제로서의 수소 생산, 및 생물학적 이산화탄소 저감에 관하여 상세히 설명한다.Hereinafter, electrochemical wastewater treatment, hydrogen production as a reducing agent, and biological carbon dioxide reduction will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명을 구성하기 위한 개념도이고, 도 2는 본 발명의 전기화학적 폐수처리를 이용한 수소 생산 및 생물학적 이산화탄소 저감 장치의 개략도이고, 도 3의 a와 b는 전기화학적 폐수처리 및 수소생산 장치의 개략도이고, 도 4는 본 발명의 가스용해장치의 개략도이며, 도 5는 메탄연소장치가 구비된 전기화학적 폐수처리를 이용한 수소 생산 및 생물학적 이산화탄소 저감 장치의 개략도이다. 1 is a conceptual diagram for constructing the present invention, Figure 2 is a schematic diagram of a hydrogen production and biological carbon dioxide reduction apparatus using the electrochemical wastewater treatment of the present invention, Figure 3 a and b is an electrochemical wastewater treatment and hydrogen production apparatus 4 is a schematic diagram of the gas dissolving apparatus of the present invention, Figure 5 is a schematic diagram of a hydrogen production and biological carbon dioxide reduction apparatus using an electrochemical wastewater treatment equipped with a methane combustion device.

본 발명의 목적을 달성하기 위한 구성의 개념은 배가스에 포함된 이산화탄소 를 메탄으로 전환하여, 이산화탄소를 저감함과 동시에 유용한 에너지 자원인 메탄을 생산하는 기술을 개발하는 것이다. 즉, 도 1에 도시된 바와 같이, 배가스에 포함된 이산화탄소를 생물학적 전환 기술을 사용하여 메탄으로 전환, 저감하는데 있어 필수적인 환원제로서의 수소는 전기화학적 폐수처리를 통해 생산하여 공급하는데, 여기서 생산된 수소를 환원제로 사용하여 배가스의 이산화탄소를 이산화탄소 저감장치를 사용하여 메탄으로 전환하여 저감하고, 여기서 생산된 메탄은 메탄연소장치에서 연소하여 전기를 생산한 다음 생산된 전기는 본 발명에서 사용되는 모든 장치의 전기공급원으로서 사용되는 구성을 가지도록 하는 것이다. The concept of the configuration for achieving the object of the present invention is to convert the carbon dioxide contained in the flue gas into methane, while reducing the carbon dioxide and at the same time to develop a technology for producing methane, a useful energy source. That is, as shown in Figure 1, hydrogen as a reducing agent necessary to convert and reduce the carbon dioxide contained in the flue gas to methane using biological conversion technology is produced and supplied through electrochemical wastewater treatment, where the hydrogen produced It is used as a reducing agent to reduce the carbon dioxide in the flue gas by converting it into methane using a carbon dioxide abatement device. It is intended to have a configuration used as a source.

이에 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 전기화학적 폐수처리를 이용한 수소 생산 및 생물학적 이산화탄소 저감 장치는 전기화학적 폐수처리 및 수소생산 장치(10), 가스분리장치(20), 가스용해장치(30), 및 이산화탄소 저감장치(40)로 이루어지며, 추가적으로 메탄연소장치(50)를 포함할 수 있다. Thus, as shown in Figure 2, the hydrogen production and biological carbon dioxide reduction apparatus using the electrochemical wastewater treatment of the present invention is an electrochemical wastewater treatment and hydrogen production apparatus 10, gas separation device 20, gas dissolving device (30) ), And carbon dioxide reduction device 40, and may further include a methane combustion device (50).

먼저, 전기화학적 폐수처리 및 수소생산 장치(10)는 폐수처리와 동시에 수소를 생산하기 위해 구성한 장치로서, 본 장치에 유입되는 전자폐수는 무기성 폐수를 사용하는 것이 바람직하나, 전자폐수(특히, 무기성 폐수)에 한정되는 것은 아니며, 암모니아성 질소, 질산성 질소, 혹은 불소 중 어느 하나가 포함되어 있는 폐수는 사용가능하다. First, the electrochemical wastewater treatment and hydrogen production apparatus 10 is a device configured to produce hydrogen at the same time as wastewater treatment, the electronic wastewater flowing into the device is preferably using inorganic wastewater, Inorganic wastewater), and wastewater containing any one of ammonia nitrogen, nitrate nitrogen, or fluorine can be used.

전기화학적 폐수처리 및 수소생산 장치(10)는 하나의 반응조 내에서 암모니아성 질소, 질산성 질소, 그리고 불소를 동시에 제거할 수 있는 특징이 있다. 이를 위해서는 전기응집반응과 전기산화반응이 동시에 유발될 수 있도록 전기응집용 전 극과 전기산화용 전극을 번갈아가며 구성하거나 하나의 반응조 내에서 전기응집반응 영역과 전기산화반응 영역을 구분하여 반응조를 설계, 제작할 수 있다. 이 때 전기산화반응 영역보다 전기응집 반응 영역을 먼저 구성하는 것이 바람직하다. 또한, 전기응집용 전극의 수명 연장, 전기응집용 전극의 효율적 사용, 및 고농도의 수소 생산을 위해 전기산화반응과 전기응집반응을 분리한 공정 내에서 구성할 수도 있다. The electrochemical wastewater treatment and hydrogen production apparatus 10 is characterized in that it can simultaneously remove ammonia nitrogen, nitrate nitrogen, and fluorine in one reactor. To this end, the electroaggregation electrode and the electrooxidation electrode are alternately configured to induce the electroaggregation reaction and the electrooxidation reaction, or the reaction tank is designed by dividing the electroaggregation reaction zone and the electrooxidation reaction zone in one reactor. , Can produce. In this case, it is preferable to configure the electrocoagulation reaction zone before the electrooxidation reaction zone. In addition, in order to prolong the life of the electrode for electrocoagulation, to efficiently use the electrode for electrocoagulation, and to produce hydrogen at a high concentration, the electrooxidation reaction and the electrocoagulation reaction may be configured in a separate process.

폐수가 전기화학적 폐수처리 및 수소생산 장치(10)로 유입되면 폐수처리장치 내에 구성된 전기응집반응과 전기산화반응에 의해 폐수 내에 포함된 암모니아성 질소, 질산성 질소, 및 불소가 동시에 제거된다. 이때 암모니아성 질소, 질산성 질소, 및 불소의 제거효율을 높이기 위해 NaCl, H2SO4, 혹은 NaOH 등을 첨가할 수 있다. When the wastewater is introduced into the electrochemical wastewater treatment and hydrogen production apparatus 10, ammonia nitrogen, nitrate nitrogen, and fluorine contained in the wastewater are simultaneously removed by the electroaggregation and electrooxidation reactions configured in the wastewater treatment apparatus. At this time, in order to increase the removal efficiency of ammonia nitrogen, nitrate nitrogen, and fluorine, NaCl, H 2 SO 4 , or NaOH may be added.

전기화학적 폐수 처리 과정에서 발생된 가스는 가스분리장치(20)로 유입하여 환원제로 사용되는 수소와 그 외 가스로 분리한 다음, 고농도로 분리된 수소는 가스용해장치(30)로 유입하고 그 외 가스는 대기 중으로 배출한다. 전기화학적 폐수 처리 장치에서 처리된 처리수는 침전조(13)로 유입하고 폴리머를 사용하여 부유물질을 제거한 다음 방류한다. The gas generated during the electrochemical wastewater treatment is introduced into the gas separation device 20 and separated into hydrogen and other gas used as a reducing agent, and the hydrogen separated at a high concentration flows into the gas dissolving device 30 and the like. The gas is released into the atmosphere. The treated water treated in the electrochemical wastewater treatment device flows into the sedimentation tank 13 and is discharged after removing suspended solids using a polymer.

도 3에 전기화학적 폐수처리 및 수소생산 장치(10)를 세밀하게 도시하였다. 3 shows an electrochemical wastewater treatment and hydrogen production apparatus 10 in detail.

먼저, 도 3a는 고효율 폐수처리 및 처리시간 단축을 위해 전기산화반응과 전기응집반응이 하나의 반응조 내에서 구현될 수 있도록 구성하여 전자폐수 내에 포 함된 암모니아성 질소, 질산성 질소, 및 불소를 동시에 제거할 수 있도록 구성한 장치를 개략적으로 도시한 도면이다. First, Figure 3a is configured to implement the electro-oxidation reaction and electro-agglomeration reaction in one reactor for high efficiency wastewater treatment and shortening the treatment time at the same time to ammonia nitrogen, nitrate nitrogen, and fluorine contained in the electronic wastewater Figure schematically shows a device configured to be removable.

반응조 내부에 전기산화용 전극과 전기응집용 전극의 구성은 각 전극을 서로 번갈아 가며 구성하거나, 전기산화 영역과 전기응집 영역으로 분리하여 구성할 수 있다. 이 때 용이한 전극교체, 전기응집용 전극의 효율적 사용, 및 고농도의 수소 생산을 위해 전기산화 영역과 전기응집 영역을 구분하여 구성하는 것이 바람직한데, 이 때 전기산화용 전극의 수명연장 등을 위해 전기응집영역을 먼저 구성하는 것이 더욱 바람직하다. 각 반응의 영역을 구분할 때에는 반응조 내부에 일정한 간격 (폐수 특성에 따라 적절히 간격 조정)으로 분리벽(14)을 세워 반응조로 유입된 폐수가 하부에서 상부로, 다시 상부에서 하부로 흐르는 관류 흐름이 일어날 수 있도록 분리한 후, 첫 번째 공간에는 전기응집용 전극을 배치하고 두 번째 공간 이후에는 전기산화용 전극을 배치한다. 이 때 폐수 특성, 폐수처리 효율, 및 폐수처리량 등을 고려하여 전기응집반응 영역과 전기산화반응 영역이 차지하는 비율 및 분리벽의 개수를 조정할 수 있다. 반응조로 유입된 처리대상 폐수는 먼저 전기응집반응을 통해 불소 및 질산성 질소가 처리되고 그 후 계속하여 전기산화반응을 통해 암모니아성 질소가 처리된다. 폐수처리와 동시에 발생하는 가스는 가스분리장치(20)로 유입하여 고농도의 수소와 그 외 가스로 분리한 후 고농도로 분리된 수소는 가스용해장치(30)를 거쳐 이산화탄소 저감장치(40)로 유입된다. 최종처리수는 침전조(13)로 유입하고 폴리머를 사용하여 부유물질을 제거한 다음 방류한다. The configuration of the electrode for electrooxidation and the electrode for electroaggregation in the reactor may be configured by alternating each electrode, or may be configured by separating the electrooxidation region and the electroaggregation region. In this case, it is preferable to configure the electrooxidation region and the electroaggregation region for easy electrode replacement, efficient use of the electrode for electroaggregation, and production of high concentration of hydrogen. More preferably, the electrocoagulation region is configured first. The separation wall 14 is formed at regular intervals (adjusted according to the characteristics of the wastewater) within the reactor to separate the regions of the reaction, so that the flow of wastewater flowing into the reactor from the bottom to the top and then from the top to the bottom occurs. After the separation, the electrode for electrocoagulation is placed in the first space and the electrode for electrooxidation is placed after the second space. At this time, in consideration of wastewater characteristics, wastewater treatment efficiency, and wastewater treatment amount, the ratio of the electroaggregation zone and the electrooxidation zone and the number of separation walls can be adjusted. The treated wastewater introduced into the reactor is first treated with fluorine and nitrate nitrogen through an electrocoagulation reaction and then with ammonia nitrogen through an electrooxidation reaction. The gas generated at the same time as the wastewater treatment is introduced into the gas separation device 20 and separated into a high concentration of hydrogen and other gases, and the hydrogen separated at a high concentration is introduced into the carbon dioxide abatement device 40 through the gas dissolving device 30. do. The final treated water flows into the settling tank 13 and is discharged after removing suspended solids using a polymer.

도 3b는 전기응집용 전극의 수명 연장, 용이한 전극교체, 전기응집용 전극의 효율적 사용, 및 고농도의 수소 생산을 위해 전기산화반응과 전기응집반응을 분리하여 암모니아성 질소, 질산성 질소, 및 불소를 한 공정 내에서 동시에 제거할 수 있도록 구성한 장치를 개략적으로 도시한 도면이다. FIG. 3b shows ammonia nitrogen, nitrate nitrogen, and separation of electrooxidation and electrocoagulation reactions for prolonging the life of the electrode for electroaggregation, easy electrode replacement, efficient use of the electrode for electroaggregation, and high concentration hydrogen production. Fig. 2 is a schematic view showing an apparatus configured to remove fluorine simultaneously in one process.

먼저, 처리대상 폐수는 전기응집반응조(11)로 유입되어 전기응집 반응에 의해 주로 불소와 질산성 질소가 처리되고, 여기서 처리된 처리수는 침전조(13)로 유입하고 폴리머를 사용하여 부유물질을 제거한 다음 전기산화반응조(12)로 유입된다. 전기산화반응조(12)로 유입된 폐수는 전기산화반응을 통해 암모니아성 질소를 제거한 다음 방류한다. 전기응집반응조(11)에서 발생한 가스는 가스분리장치(20)로 유입되어 수소와 그 외 가스로 분리한 후 고농도로 분리된 수소는 가스용해장치(30)를 거쳐 이산화탄소 저감장치(40)로 유입하고, 전기산화반응조(12)에서 발생하는 가스는 전기응집반응조(11)에서 발생한 가스와 혼합하여 가스분리장치(20)로 유입하거나 대기 중으로 배출할 수 있다. First, the wastewater to be treated is introduced into the electrocoagulation reaction tank 11, whereby fluorine and nitrate nitrogen are mainly treated by the electrocoagulation reaction, and the treated water is introduced into the precipitation tank 13 and the suspended solids are polymerized. After removal, the solution is introduced into the electrooxidation tank 12. Wastewater introduced into the electrooxidation tank 12 is discharged after removal of ammonia nitrogen through the electrooxidation reaction. The gas generated in the electrocoagulation reactor 11 is introduced into the gas separation device 20, separated into hydrogen and other gases, and the hydrogen separated at a high concentration flows into the carbon dioxide reduction device 40 through the gas dissolving device 30. In addition, the gas generated in the electrooxidation reactor 12 may be mixed with the gas generated in the electrocoagulation reactor 11 to enter the gas separation device 20 or may be discharged into the atmosphere.

전기화학적 폐수처리 및 수소생산 장치(10)에서는 전기산화용 전극과 전기응집용 전극을 사용하는데, 전기산화용 전극은 전기전도도가 우수하면서 전기인가 및 pH에 의한 용출현상이 없는 재질(예를 들어, 티타늄)을 사용할 수 있고, 전기응집용 전극은 전기전도도가 우수하면서 전기인가에 따른 용출현상이 있는 재질 (예를 들어, 알루미늄)을 사용할 수 있다. 또한, 전기산화용 전극은 판형이나 망형 등을 사용할 수 있으며, 전기응집용 전극은 전기응집반응의 특성 상 망형 전극을 제외한 모든 형태의 전극 (판형, 분말형, 그래뉼형 등)을 사용할 수 있다. In the electrochemical wastewater treatment and hydrogen production apparatus 10, an electrode for electrooxidation and an electrode for electroaggregation are used. The electrode for electrooxidation has a good electrical conductivity and a material which does not have an elution phenomenon due to application of electricity and pH (for example, , Titanium), and the electrode for electrocoagulation may be made of a material (eg, aluminum) having excellent electrical conductivity and a dissolution phenomenon due to application of electricity. In addition, the electrode for electrooxidation may be used in the form of a plate or a mesh, and the electrode for electroaggregation may use any type of electrode (plate, powder, granules, etc.) except for the mesh electrode due to the characteristics of the electrocoagulation reaction.

다음으로, 가스분리장치(20)는 상기 전기화학적 폐수처리 및 수소생산 장 치(10)에서 발생된 가스를 고농도의 수소와 그 외 가스로 분리하기 위해 사용된 장치이다. 가스분리장치(10)는 주로 수소와 산소 등 인화성 가스가 사용되기 때문에 취급 가스의 특성상 스파크 등이 일어나지 않는 재질로 제작되거나 방폭장치를 겸비할 수 있다. Next, the gas separation device 20 is a device used to separate the gas generated in the electrochemical wastewater treatment and hydrogen production device 10 into a high concentration of hydrogen and other gases. Since the gas separation device 10 mainly uses flammable gases such as hydrogen and oxygen, the gas separation device 10 may be made of a material that does not cause sparks or the like, or may have an explosion-proof device.

다음으로, 가스용해장치(30)는 이산화탄소 저감장치(40) 내의 수소영양성 메탄생성균이 수소와 이산화탄소를 보다 쉽게 이용할 수 있도록 각 가스의 용해도를 높이고자 구성한 장치이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 가스용해장치(30)는 펌프(31), 가스 용해용 노즐(32), 및 가스유입부(35)로 이루어진다.Next, the gas dissolving device 30 is a device configured to increase the solubility of each gas so that the hydrogen-trophic methane producing bacteria in the carbon dioxide abatement device 40 can easily use hydrogen and carbon dioxide. As shown in FIG. 4, the gas dissolving device 30 includes a pump 31, a gas dissolving nozzle 32, and a gas inlet 35.

펌프(31)를 이용하여 이산화탄소 저감장치(40) 내의 배양액을 순환하는 과정 중에 가스 용해용 노즐(32)을 설치하고, 가스 용해용 노즐(32)에 가스유입부(35)를 연결하면, 가스 용해용 노즐(32)을 통과하면서 발생하는 감압현상에 의하여 가스분리장치(20)에서 배출되는 수소와 배가스로부터 분리한 이산화탄소가 혼합 유입되는데, 가스 용해용 노즐(32)에 의해 수소와 이산화탄소는 미세기포의 형태로 용해되어 이산화탄소 저감장치(40)로 유입된다. 따라서 가스용해장치(30)를 사용하면 가스분리장치(20)에서 배출된 수소나 배가스에 포함된 이산화탄소를 고압으로 저장하거나 일정한 압력으로 이송하는 장치가 필요 없게 되는 특징을 가진다. When the gas dissolving nozzle 32 is installed in the process of circulating the culture liquid in the carbon dioxide reduction device 40 using the pump 31, and the gas inlet part 35 is connected to the gas dissolving nozzle 32, The carbon dioxide separated from the hydrogen and the exhaust gas discharged from the gas separation device 20 is introduced and mixed by the pressure reduction phenomenon generated while passing through the melting nozzle 32. It is dissolved in the form of bubbles and flows into the carbon dioxide reduction device 40. Therefore, using the gas dissolving device 30 has a feature that does not require a device for storing the carbon dioxide contained in the hydrogen or exhaust gas discharged from the gas separation device 20 at a high pressure or at a constant pressure.

또한, 가스용해장치의 구성 중 가스 용해용 노즐(32)의 내부 벽면에 나선모양의 홈(33)을 내거나 와류유도용 캡(34)을 사용할 수 있는데, 이러한 방법을 통해 이산화탄소 저감장치의 배양액이 순환 도중에 와류를 형성할 수 있도록 유도하면, 교반효율을 증대시켜 용해된 수소와 이산화탄소를 균일하게 분포시킬 수 있고, 수 소와 이산화탄소의 용해도를 더욱 높일 수 있으며, 이산화탄소 저감장치의 배양액 (세밀하게는, 수소영양성 메탄생성균)과 수소와 이산화탄소의 접촉빈도 및 접촉횟수가 증가하게 되어 결국 이산화탄소의 저감 효율 및 메탄 생산 효율을 증가시킬 수 있게 된다. 여기서, 가스 용해용 노즐(32)은 원뿔대 형태로서 이산화탄소 저감장치의 배양액은 가스용해용 노즐의 밑면 (원뿔대 형태의 밑면) 쪽으로 유입되어 윗면 쪽으로 유출되도록 설치한다. 즉, 가스 용해용 노즐을 이산화탄소 저감장치의 배양액을 이송하는 관의 정중앙에 수평으로 설치하고, 가스 용해용 노즐의 끝이 수소와 이산화탄소 유입부를 넘지 않게 (바람직하게는 수소와 이산화탄소 유입부의 중앙) 설치한다. In addition, a spiral groove 33 or a vortex guide cap 34 may be used on the inner wall surface of the gas dissolving nozzle 32 of the gas dissolving device. By inducing vortices to form during circulation, the stirring efficiency can be increased to uniformly distribute dissolved hydrogen and carbon dioxide, and the solubility of hydrogen and carbon dioxide can be further increased. In this case, the contact frequency and the number of times of contact between hydrogen-trophic methane producing bacteria and hydrogen and carbon dioxide are increased, and thus the carbon dioxide reduction efficiency and methane production efficiency can be increased. Here, the gas dissolving nozzle 32 is in the form of a truncated cone so that the culture solution of the carbon dioxide abatement device flows toward the bottom of the gas dissolving nozzle (bottom of the truncated cone) and flows out toward the top. That is, the gas dissolving nozzle is installed horizontally in the center of the pipe for transporting the culture medium of the carbon dioxide reduction device, and the end of the gas dissolving nozzle is installed so that the end of the gas dissolving nozzle does not exceed the hydrogen and carbon dioxide inlet (preferably the center of the hydrogen and carbon dioxide inlet). do.

다음으로, 이산화탄소 저감장치(40)는 가스용해장치(30)를 통해 용해된 수소와 이산화탄소를 메탄생성세균 (세밀하게는, 수소영양성 메탄생성균)이 유일탄소원 및 에너지원 등으로 이용하여 메탄으로 전환하는 반응을 이용한 이산화탄소 저감장치이다. 이러한 혐기성 미생물의 생리활성을 통해 이산화탄소를 저비용, 고효율로 저감함과 동시에 유용한 에너지 자원인 메탄을 생산할 수 있다. 이산화탄소 저감장치(40)의 내부에는 교반기(41)를 설치할 수 있으며, 이로 인해 이산화탄소 저감장치 내부로 유입된 용해된 수소와 이산화탄소의 균일분포, 미용해된 수소와 이산화탄소의 용해도 증가, 및 수소영양성 메탄생성균과 혼합가스와의 접촉빈도 및 접촉횟수 등을 촉진하여 이산화탄소 저감 및 메탄 생성 반응 효율이 증가하게 된다. Next, the carbon dioxide reduction device 40 converts hydrogen and carbon dioxide dissolved through the gas dissolving device 30 into methane using methane-generating bacteria (specifically, hydrogen-trophic methane-producing bacteria) as the only carbon source and energy source. It is a carbon dioxide reduction device using a reaction. The physiological activity of these anaerobic microorganisms can reduce carbon dioxide to low cost and high efficiency and produce methane, a useful energy source. An agitator 41 may be installed inside the carbon dioxide reduction device 40, thereby causing a uniform distribution of dissolved hydrogen and carbon dioxide introduced into the carbon dioxide reduction device, increasing the solubility of undissolved hydrogen and carbon dioxide, and hydrogenotrophic methane. By promoting the contact frequency and the number of times of contact between the production bacteria and the mixed gas, carbon dioxide reduction and methane production reaction efficiency is increased.

다음으로, 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 전기화학적 폐수처리를 이용한 수소 생산 및 생물학적 이산화탄소 저감 장치에 추가적으로 설치할 수 있는 메 탄연소장치(50)는 이산화탄소 저감장치(40)의 후단에 설치하여 이산화탄소 저감장치(40)에서 배가스에 포함된 이산화탄소가 메탄 전환됨에 따라 생성, 배출된 메탄을 연소시켜 전기를 생산하기 위해 사용할 수 있다. Next, as illustrated in FIG. 5, a methacan combustion apparatus 50 that can be additionally installed in a hydrogen production and biological carbon dioxide reduction apparatus using the electrochemical wastewater treatment of the present invention is installed at the rear end of the carbon dioxide reduction apparatus 40. As the carbon dioxide contained in the exhaust gas in the carbon dioxide reduction device 40 is converted to methane, it can be used to produce electricity by burning the methane produced and discharged.

메탄연소장치(50)를 통해 생산된 전기는 본 발명에 의해 개시된 전기화학적 폐수처리를 이용한 수소 생산 및 생물학적 이산화탄소 저감 장치에서 사용되는 모든 장치의 전기공급원으로 사용된다. 이 때 메탄연소장치(50)에서 메탄 연소에 의해 발생하는 이산화탄소는 다시 가스분리장치(20) 혹은 이산화탄소 저감장치(40)로 유입되어 이산화탄소의 메탄전환반응을 통해 저감할 수 있다. 따라서 메탄연소장치(50)는 본 발명의 자체 전기공급원으로서 운전될 수 있으며, 이를 통해 화석연료 유래의 전기 사용량을 절감하게 되어 화석연료로부터 전기 생산 시 발생하는 이산화탄소양을 저감할 수 있는 잠재력을 가지게 된다. 또한, 메탄연소장치(50)를 통해 생산된 전기를 사용하기 때문에 전력비를 절감할 수 있는 특징이 있다. The electricity produced through the methane combustion device 50 is used as an electricity source for all the devices used in the hydrogen production and biological carbon dioxide reduction device using the electrochemical wastewater treatment disclosed by the present invention. At this time, the carbon dioxide generated by the methane combustion in the methane combustion device 50 is introduced into the gas separation device 20 or the carbon dioxide reducing device 40 to be reduced through the methane conversion reaction of carbon dioxide. Therefore, the methane combustion device 50 can be operated as its own electricity source of the present invention, thereby reducing the amount of electricity derived from fossil fuels, so as to have the potential to reduce the amount of carbon dioxide generated in the production of electricity from fossil fuels. do. In addition, since the electricity produced through the methane combustion device 50, there is a feature that can reduce the power cost.

이하,실험예들을 들어 본 발명에 관하여 더욱 상세히 설명하지만, 본 발명이 이러한 실험예들에 한정되는 것은 아니다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the experimental examples, but the present invention is not limited to these experimental examples.

<실험예>Experimental Example

실험예 1: 전기화학적 폐수처리를 통한 무기성 폐수의 처리Experimental Example 1 Treatment of Inorganic Wastewater by Electrochemical Wastewater Treatment

본 실험예는 전기산화반응과 전기응집반응을 이용하여 암모니아성 질소, 질산성 질소, 및 불소를 제거하고자 전자폐수 중 특히, 무기성 폐수에 상기 두 전기반응을 각각 적용한 경우이다. 먼저 전기응집반응을 이용하여 불소를 제거하기 위 해, 양극과 음극 모두 알루미늄 전극을 사용하였으며, 폐수량은 5L, 전극간격은 5 mm, 체류시간은 5분을 적용하였고 처리대상폐수로는 무기성 폐수 원수, lime으로 원수의 pH를 7로 조정한 폐수, NaOH로 원수의 pH를 7로 조정한 폐수 등 세 가지의 폐수를 사용하여 실험을 진행하였으며, 그 결과를 표 1에 보였다. In this experimental example, the two electrical reactions were applied to the electronic wastewater, particularly the inorganic wastewater, in order to remove ammonia nitrogen, nitrate nitrogen, and fluorine by using an electrooxidation reaction and an electrocoagulation reaction. First, to remove fluorine by electrocoagulation reaction, aluminum electrode was used for both anode and cathode, waste water volume 5L, electrode spacing 5 mm, residence time 5 minutes were applied. The experiments were carried out with three wastewaters: raw water, wastewater adjusted to pH 7 with raw water, and wastewater adjusted to pH 7 with naOH. The results are shown in Table 1.

표 1. 전기응집반응을 이용한 불소 제거 및 수소생산Table 1. Fluoride removal and hydrogen production using electrocoagulation

처리시간
(min)
Processing time
(min)
pHpH F-(mg/L)F - (mg / L) H2(%)H 2 (%)
AA BB CC AA BB CC AA BB CC 00 2.092.09 77 77 336.1336.1 336.1336.1 336.1336.1 00 00 00 55 3.813.81 8.778.77 9.669.66 260.6260.6 11.511.5 231.2231.2 100100 100100 100100

여기서, A: 무기성 폐수 원수, B: lime으로 무기성 폐수의 pH를 7로 조정한 폐수, C: NaOH로 무기성 폐수의 pH를 7로 조정한 폐수.Here, A: the inorganic wastewater raw water, B: the wastewater by adjusting the pH of the inorganic wastewater to 7, C: the wastewater by adjusting the pH of the inorganic wastewater to 7 with NaOH.

표 1에서 볼 수 있듯이, 전기응집반응을 이용할 때, 반응조의 pH를 7로 유지하는 것이 불소 제거 효율에 효과적이며, pH 조정 시 NaOH 보다는 lime을 사용하는 것이 더 효과적이라는 것을 알 수 있다. 하지만, 반응 후의 pH가 약 9까지 상승하는 문제가 발생하여 유입폐수의 pH를 약 3 정도로 조정하여 주입하면 반응 후의 pH가 약 5~7까지 상승하게 되는데, 이 pH 조건에서는 전기응집반응을 통해 생성된 Al(OH)3의 불소제거 효과가 우수하기 때문에 반응조의 pH를 지속적으로 조정하기 보다는 유입폐수의 pH를 3으로 조정하여 주입하는 것이 불소제거 효율에 효과적이라고 할 수 있다. 또한, 반응조의 pH는 전기응집반응에 의해 변화가 심한데, 유입폐수의 pH는 반응조의 pH 보다 변화폭이 작기 때문에 pH 조정용 시약 사용료도 절감 할 수 있다. 전기응집 과정 중에서 발생하는 가스를 가스크로마토그래피로 분석해 본 결과 모두 수소인 것으로 나타났다. 따라서 전기응집반응을 적용하면 불소 제거 및 수소 생산을 효과적으로 수행할 수 있을 것으로 판단된다. As shown in Table 1, when using the electrocoagulation reaction, maintaining the pH of the reactor to 7 is effective for the fluorine removal efficiency, it can be seen that it is more effective to use lime than NaOH when adjusting the pH. However, after the reaction, the pH rises to about 9, and when the pH of the influent wastewater is adjusted to about 3, the pH rises to about 5 ~ 7 after the reaction. Since the Al (OH) 3 has excellent fluorine removal effect, it is effective to remove fluorine removal efficiency by adjusting the pH of the influent wastewater to 3 rather than continuously adjusting the pH of the reactor. In addition, the pH of the reaction vessel is severely changed by the electrocoagulation reaction, the pH of the influent wastewater is smaller than the pH of the reaction vessel, it can also reduce the pH adjustment reagent fee. The gas generated during the electrocoagulation process was analyzed by gas chromatography and found to be all hydrogen. Therefore, it is believed that the application of the electrocoagulation reaction can effectively perform fluorine removal and hydrogen production.

또한, 상기 전기응집반응을 거쳐 처리된 처리수에 여전히 포함되어 있는 암모니아성 질소의 제거가능성을 파악해보기 위하여 화학적 불소제거 처리수에 전기산화반응을 적용하였는데, 전기산화용 전극으로는 티타늄을 모재로 하고 티타늄 옥사이드 등을 코팅한 전극을 사용하였고, 전극간격은 5mm를 유지하였다. 또한, 암모니아성 질소의 제거효율을 증가시키고자 NaCl을 0.3% 주입하여, 실험을 진행한 후 그 결과를 표 2에 보였다. In addition, an electrooxidation reaction was applied to the chemical fluorine removal treatment water to determine the possibility of removal of the ammonia nitrogen still contained in the treated water through the electrocoagulation reaction. And the electrode coated with titanium oxide and the like was used, the electrode spacing was kept 5mm. In addition, in order to increase the removal efficiency of ammonia nitrogen, NaCl was injected 0.3%, and the results are shown in Table 2 after the experiment.

표 2. 전기산화반응을 이용한 암모니아성 질소 제거.Table 2. Ammonia Nitrogen Removal by Electrooxidation.

처리시간
(min)
Processing time
(min)
pHpH NH3-N
(mg/L)
NH 3 -N
(mg / L)
Conductivity
(mS/cm)
Conductivity
(mS / cm)
00 10.910.9 172.6172.6 9.549.54 1010 8.28.2 27.627.6 9.49.4 2020 5.25.2 00 9.129.12

표 2에서 볼 수 있듯이, 시간이 경과함에 따라 pH와 전도도가 떨어지면서 암모니아성 질소는 100% 제거 가능함을 알 수 있다. 따라서 전기응집반응과 전기산화반응을 분리하여 운전하는 경우, 불소 제거와 동시에 고농도의 수소를 생산할 수 있으며, 전기응집 처리 후 처리수는 전기산화반응을 통해 고효율로 암모니아성 질소를 제거할 수 있다. As can be seen in Table 2, it can be seen that as time passes, the pH and conductivity drop and 100% of ammonia nitrogen can be removed. Therefore, when the electrocoagulation reaction is separated and operated, the hydrogen can be produced at the same time as fluorine removal, and the treated water after the electrocoagulation process can remove ammonia nitrogen with high efficiency through the electrooxidation reaction.

다른 공정구성을 무기성 폐수에 적용한 다음 실험결과를 표 3에 보였다. 본 실험은 고효율 폐수처리 및 처리시간 단축을 위해 전기응집반응과 전기산화반응을 하나의 반응조 내에서 구현하여 무기성 폐수에 포함된 불소 및 암모니아성 질소를 제거하고자 진행한 것이다. 이를 위해, 반응조 내의 pH는 7, 전기응집용 전극은 알루미늄 판을 전기산화용 전극은 티타늄 모재 위에 티타늄 옥사이드 등을 코팅한 전극을 사용하였다. 반응조 내에서의 각 전극의 구성은 먼저 전기응집반응이 유발될 수 있도록 전기응집용 전극을 배치하여 전기응집반응 영역을 두었으며, 그 이후로 전기산화용 전극을 배치하여 전기산화반응 영역으로 구분하였다. 각 전극의 간격은 5 mm를 유지하였고, 전기응집반응과 전기산화반응을 최대화할 수 있도록 NaOH, H2SO4, 및 NaCl을 첨가한 후 60분 동안 진행하였다. The experimental results are shown in Table 3 after applying different process configurations to inorganic wastewater. This experiment was carried out to remove the fluorine and ammonia nitrogen contained in the inorganic wastewater by implementing an electroaggregation reaction and an electrooxidation reaction in one reactor for high efficiency wastewater treatment and shortening treatment time. To this end, the pH in the reaction vessel is 7, the electrode for electrocoagulation was used for the aluminum plate and the electrode for electrooxidation was coated with titanium oxide or the like on a titanium base material. Each electrode in the reactor was configured to have an electrocoagulation reaction area by arranging the electrode for electroaggregation so that the electrocoagulation reaction could be induced. . The spacing of each electrode was maintained at 5 mm, and for 60 minutes after adding NaOH, H 2 SO 4 , and NaCl to maximize the electrocoagulation and electrooxidation reactions.

표 3. 전기응집반응과 전기산화반응을 동시에 적용한 무기성 폐수 처리 결과Table 3. Inorganic wastewater treatment results applying electroaggregation and electrooxidation simultaneously

처리시간
(min)
Processing time
(min)
pHpH Conductivity
(mS/cm)
Conductivity
(mS / cm)
NH3-N
(mg/L)
NH 3 -N
(mg / L)
F(mg/L)F (mg / L) H2(%)H 2 (%) O2(%)O 2 (%)
00 6.916.91 5.775.77 183.4183.4 56.356.3 00 2222 2020 7.137.13 5.405.40 140.1140.1 89.789.7 10.310.3 4040 7.037.03 5.075.07 7070 89.989.9 10.110.1 6060 6.96.9 4.834.83 00 1.591.59 90.190.1 9.99.9

결과적으로 표 3에서 볼 수 있듯이, 불소는 97.2%, 암모니아성 질소는 100% 처리 가능한 것으로 나타났으며, 수소는 90.1%, 산소는 9.9%로 발생하는 것으로 나타났다. 따라서 본 특허에서 개시될 전기화학적 폐수처리 및 수소생산 장치는 하나 의 반응조 내에서 전자폐수 중 특히 무기성 폐수에 포함된 오염물질을 동시에 제거할 수 있으며, 이와 더불어 고농도의 수소를 효율적으로 생산할 수 있는 것으로 나타났다. As a result, as shown in Table 3, 97.2% of fluorine and 100% of ammonia nitrogen were treated, and 90.1% of hydrogen and 9.9% of oxygen were generated. Therefore, the electrochemical wastewater treatment and hydrogen production apparatus disclosed in this patent can simultaneously remove contaminants contained in the inorganic wastewater among the electronic wastewater in one reactor, and can efficiently produce high concentration of hydrogen. Appeared.

실험예 2: 가스용해장치를 통한 수소와 이산화탄소의 용해속도Experimental Example 2: Dissolution Rate of Hydrogen and Carbon Dioxide Through Gas Dissolving Apparatus

본 실험예는 수소와 이산화탄소를 이산화탄소 저감장치에 유입 시 수소영양성 메탄생성균이 보다 쉽게 이용할 수 있도록 각 가스의 용해도를 높일 수 있도록 구성한 가스용해장치의 효과를 알아보고자 실시하였다. 먼저, 수소와 이산화탄소는 시판되는 것을 구입하여 사용하였으며, 수소영양성 메탄생성균에 의해 소비되어 메탄을 생성하는 이론적인 비율(수소:이산화탄소=4:1)로 혼합하여 사용하였다. 가스용해장치를 제외한 모든 실험조건은 동일하게 구성한 다음, 가스용해장치의 사용 유무에 따른 수소와 이산화탄소의 혼합가스의 용해속도를 측정하였다. This experimental example was conducted to examine the effects of the gas dissolving device configured to increase the solubility of each gas so that hydrogen-trophic methane producing bacteria can be easily used when hydrogen and carbon dioxide are introduced into the carbon dioxide reducing device. First, hydrogen and carbon dioxide were purchased from commercially available ones, and were mixed and used in a theoretical ratio (hydrogen: carbon dioxide = 4: 1) which was consumed by hydrogenotrophic methane producing bacteria to produce methane. All experimental conditions except the gas dissolving device were configured in the same manner, and then the dissolution rate of the mixed gas of hydrogen and carbon dioxide was measured according to the use of the gas dissolving device.

측정결과 가스용해장치를 사용한 경우에는, 706.5 ml/L day의 속도로 혼합가스가 용해되었으나, 가스용해장치를 사용하지 않은 경우에는 188.4 ml/L day의 속도로 가스가 용해되었다. 따라서 가스용해장치를 사용하면 그렇지 않은 경우보다 혼합가스의 용해도가 약 4배 높아지게 되고 이로 인해 수소영양성 메탄생성세균에 의해 보다 쉽게 이용되어 이산화탄소 저감 및 메탄생산 효율이 증가할 것으로 판단된다. As a result of the measurement, when the gas dissolving device was used, the mixed gas was dissolved at a rate of 706.5 ml / L day, but when the gas dissolving device was not used, the gas was dissolved at the rate of 188.4 ml / L day. Therefore, if the gas dissolving device is used, the solubility of the mixed gas is about 4 times higher than that of the gas dissolving device, which is more easily used by the hydrogen-trophic methane-producing bacterium, thereby reducing the carbon dioxide reduction and the methane production efficiency.

실험예 3: 이산화탄소 저감장치를 사용한 이산화탄소 저감 및 메탄생산Experimental Example 3: Carbon Dioxide Reduction and Methane Production Using Carbon Dioxide Reduction Device

본 실험예는 상기 실험예 2에서의 실험 결과를 바탕으로 이산화탄소 저감장치 사용유무가 이산화탄소 저감 및 메탄 생산 효율에 주는 영향을 파악해보고자 실시하였다. 본 실험예에서는 가스용해장치를 제외한 모든 실험조건은 동일하게 구성하여 실험을 진행하였으며, 수소와 이산화탄소의 혼합비율은 수소:이산화탄소=5:1로 혼합하여 사용하였다. 이상과 같은 실험을 진행한 후 그 결과를 표 4와 표 5에 보였다. This experimental example was conducted to determine the effect of using a carbon dioxide reduction device on the carbon dioxide reduction and methane production efficiency based on the experimental results in Experimental Example 2. In this experimental example, all the experimental conditions except for the gas dissolving device were configured in the same manner, and the experiment was conducted. The mixing ratio of hydrogen and carbon dioxide was used by mixing hydrogen: carbon dioxide = 5: 1. After the above experiments, the results are shown in Tables 4 and 5.

표 4. 이산화탄소 저감 및 메탄생산 효율 (단위: ml/min)Table 4. CO2 Reduction and Methane Production Efficiency (Unit: ml / min)


주입양Injection amount 배출양Discharge 저감양 혹은 생산양Reduction or Production
H2 H 2 CO2 CO 2 TotalTotal H2 H 2 CH4 CH 4 CO2 CO 2 TotalTotal H2 H 2 CH4 CH 4 CO2 CO 2 TotalTotal R1R1 300300 6060 360360 60.760.7 49.149.1 3.53.5 113.3113.3 239.2239.2 49.149.1 56.756.7 246.7246.7 R2R2 200200 4040 240240 76.476.4 23.623.6 11.411.4 111.4111.4 123.5123.5 23.623.6 28.728.7 128.6128.6

여기서, R1: 가스용해장치를 사용한 이산화탄소 저감장치, Here, R1: carbon dioxide reduction device using a gas dissolving device,

R2: 가스용해장치를 사용하지 않은 이산화탄소 저감장치        R2: CO2 abatement device without gas dissolving device

표 5. 이론식과 비교한 이산화탄소 저감 및 메탄생산효율 Table 5. Carbon Dioxide Reduction and Methane Production Efficiency

AA BB CC DD EE R1R1 59.859.8 49.149.1 56.756.7 1.061.06 0.870.87 R2R2 30.930.9 23.623.6 28.728.7 1.081.08 0.820.82

여기서, A: 소비된 수소양의 1/4, B: 메탄생산양, C: 소비된 이산화탄소양, D: (소비된 수소양의 1/4)/소비된 이산화탄소양, E: 생산된 메탄양/소비된 이산화탄소양.Where: A: 1/4 of hydrogen consumed, B: methane production, C: carbon dioxide consumed, D: (1/4 of hydrogen consumed) / CO2 consumed, E: methane produced / Amount of carbon dioxide consumed.

수소영양성 메탄생성균이 이산화탄소와 수소를 이용하여 메탄을 생산하는 이 론식은 식 (1)에서 보인 바와 같은데 식 (1)에서 보면, 수소영양성 메탄생성균은 4몰의 수소와 1몰의 이산화탄소를 이용하여 1몰의 메탄과 2몰의 물을 생산한다. 즉, 소비된 수소양의 1/4과 소비된 이산화탄소양, 그리고 생산된 메탄양이 같아야 수소영양성 메탄생성균을 이용한 메탄생산 반응이 이론적으로 성립한다. 이러한 이론식을 바탕으로 이산화탄소 저감장치 운전 결과를 비교하면, 표 5의 D와 E에서 보는 바와 같이 R1과 R2 모두 이론적인 값과 유사하게 반응한 것을 알 수 있다. 따라서 두 반응기 모두 수소영양성 메탄생성균의 메탄생산 반응에 의해 메탄이 생산된 것으로 판단된다. 표 5의 E의 값도 이론상 1에 가까워야 하지만 표에서 보듯이 0.87과 0.82가 나온 것은 실제 메탄생산에 사용된 이산화탄소 이외에 배양액에 용해되어 있는 이산화탄소의 양을 더하여 계산하였기 때문인 것으로 판단된다. 하지만, 표 4의 B에서 보는 바와 같이 메탄생산양은 R1이 R2보다 약 2배 더 많이 생산한 것을 알 수 있다. 즉, R1과 R2 반응기 모두 이론식과 유사하게 수소와 이산화탄소를 사용하여 메탄을 생산하였으나, R1 반응기에 부착된 가스용해장치에 의하여 보다 많은 양의 수소와 이산화탄소가 용해되어 R1 반응기에 배양된 수소영양성 메탄생성균에 의해 더 많이 이용된 것으로 판단되며, 이로 인해 R1에서의 메탄생산량이 R2보다 많은 것으로 판단된다. 만일, 가스용해장치의 효과가 없다고 가정하면, R2 반응기에서의 수소사용량, 메탄생산량, 및 이산화탄소 사용량이 R1과 유사해야 하는데, 표 4와 표 5에서 볼 수 있듯이, 가스용해장치가 부착된 R1 반응조에서 약 2배 정도의 메탄이 더 생산된 것으로 보아 가스용해장치에 의한 수소와 이산화탄소의 용해도 증가에 따른 이산화탄소 저감 및 메탄생산 효율이 증가한 것으로 판단된다. 따라서 가스용해장치를 사용하여 보다 많은 양의 수소와 이산화탄소를 용해하면 더욱 높은 이산화탄소 저감 및 메탄생산효율을 보일 것으로 판단된다.The theory that hydrogen-trophic methane-producing bacteria produce methane using carbon dioxide and hydrogen is shown in Equation (1). In Equation (1), hydrogen-trophic methane-producing bacteria use 4 moles of hydrogen and 1 mole of carbon dioxide. Produces one mole of methane and two moles of water. In other words, methane production reaction using hydrogen-trophic methane-producing bacteria is theoretically established when 1/4 of hydrogen consumed, carbon dioxide consumed, and methane produced are equal. Comparing the operation results of the carbon dioxide abatement device based on this theoretical formula, it can be seen that both R1 and R2 reacted similarly to the theoretical values as shown in Tables D and E. Therefore, both reactors are considered to be methane produced by the methane production reaction of hydrogenotrophic methane producing bacteria. The value of E in Table 5 should also be close to 1 in theory, but as shown in the table, 0.87 and 0.82 were determined to be calculated by adding the amount of carbon dioxide dissolved in the culture solution in addition to the carbon dioxide used for actual methane production. However, as shown in B of Table 4, the amount of methane produced can be seen that R1 produced about twice as much as R2. That is, both the R1 and R2 reactors produced methane using hydrogen and carbon dioxide similar to the theoretical formula, but the hydrogen-trophic methane cultured in the R1 reactor by dissolving more hydrogen and carbon dioxide by the gas dissolving device attached to the R1 reactor. It is judged to be used more by the production bacteria, and thus the methane production in R1 is believed to be more than R2. If the gas dissolving device is not effective, the hydrogen consumption, methane production, and carbon dioxide consumption in the R2 reactor should be similar to R1. As shown in Tables 4 and 5, an R1 reactor with a gas dissolving device is installed. As methane was produced about twice as much as in, the reduction of carbon dioxide and methane production efficiency increased due to the increased solubility of hydrogen and carbon dioxide by gas dissolving device. Therefore, dissolving a larger amount of hydrogen and carbon dioxide using a gas dissolving device will result in higher carbon dioxide reduction and methane production efficiency.

이상에서는 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실험예가 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다. In the above, a preferred experimental example according to the present invention has been described with reference to the drawings, but this is only an example, and those skilled in the art can understand that various modifications and equivalent other embodiments are possible therefrom. There will be. Therefore, the protection scope of the present invention will be defined by the appended claims.

도 1은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 구성의 개념도.1 is a conceptual diagram of a configuration for achieving the object of the present invention.

도 2는 본 발명의 전기화학적 폐수처리를 이용한 수소 생산 및 생물학적 이산화탄소 저감 장치의 개략도.Figure 2 is a schematic diagram of a hydrogen production and biological carbon dioxide reduction apparatus using the electrochemical wastewater treatment of the present invention.

도 3a는 본 발명의 제1실시예에 따른 전기산화용 전극과 전기응집용 전극이 하나의 반응조로 형성된 전기화학적 폐수처리 및 수소생산 장치의 공정 개략도.3A is a process schematic diagram of an electrochemical wastewater treatment and hydrogen production apparatus in which an electrode for electrooxidation and an electrode for electroaggregation according to a first embodiment of the present invention are formed in one reactor.

도 3b는 본 발명의 제2실시예에 따른 전기산화조와 전기응집조가 분리된 전기화학적 폐수처리 및 수소생산 장치의 공정 개략도.3b is a process schematic diagram of an electrochemical wastewater treatment and hydrogen production apparatus in which an electrooxidation tank and an electrocoagulation tank are separated according to a second embodiment of the present invention;

도 4는 가스용해장치의 개략도.4 is a schematic view of a gas dissolving device.

도 5는 본 발명의 제3실시예에 따른 메탄연소장치가 구비된 전기화학적 폐수처리를 이용한 수소 생산 및 생물학적 이산화탄소 저감 장치의 개략도.Figure 5 is a schematic diagram of a hydrogen production and biological carbon dioxide reduction apparatus using an electrochemical wastewater treatment equipped with a methane combustion apparatus according to a third embodiment of the present invention.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>

10: 전기화학적 폐수처리 및 수소생산 장치 11: 전기응집반응조10: electrochemical wastewater treatment and hydrogen production apparatus 11: electrocoagulation reactor

12: 전기산화반응조 13: 침전조12: electrooxidation tank 13: settling tank

14: 분리벽 20: 가스분리장치14: dividing wall 20: gas separation device

30: 가스용해장치 31: 펌프30: gas dissolving device 31: pump

32: 가스 용해용 노즐 33: 나선홈32: nozzle for gas melting 33: spiral groove

34: 와류유도용 캡 35: 가스유입부34: vortex induction cap 35: gas inlet

40: 이산화탄소 저감장치 41: 교반기40: carbon dioxide reduction device 41: stirrer

50: 메탄연소장치50: methane combustion device

Claims (8)

전자폐수를 전기산화반응과 전기응집반응을 이용하여 폐수 내에 포함된 오염물질을 처리함과 동시에 환원제로 사용되는 수소가스와 그 외 가스를 발생시키는 전기화학적 폐수처리 및 수소생산 장치와;An electrochemical wastewater treatment and hydrogen production apparatus for generating pollutants contained in the wastewater using electrooxidation and electrocoagulation reactions and generating hydrogen gas and other gases as reducing agents; 상기 전기화학적 폐수처리 및 수소생산 장치에서 발생된 가스를 고농도의 수소와 그 외 가스로 분리시키는 가스분리장치와; A gas separation device for separating the gas generated in the electrochemical wastewater treatment and hydrogen production apparatus into a high concentration of hydrogen and other gases; 상기 가스분리장치에서 분리된 수소와 배가스로부터 분리한 이산화탄소를 용해시켜 이산화탄소 저감장치로 주입할 수 있는 가스용해장치와;A gas dissolving apparatus capable of dissolving carbon dioxide separated from hydrogen and exhaust gas separated by the gas separation apparatus and injecting the same into a carbon dioxide reducing apparatus; 상기 가스용해장치에서 용해된 수소와 이산화탄소를 메탄생성세균을 이용하여 이산화탄소를 메탄으로 전환시켜 이산화탄소를 저감함과 동시에 메탄을 생산하는 이산화탄소 저감장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학적 폐수처리를 이용한 수소 생산 및 생물학적 이산화탄소 저감 장치.Hydrogen using electrochemical wastewater treatment, comprising a carbon dioxide reduction device for producing carbon dioxide while reducing carbon dioxide by converting carbon dioxide into methane using hydrogen and carbon dioxide dissolved in the gas dissolving device methane generating bacteria Production and biological carbon dioxide abatement device. 제1항에 있어서, 상기 이산화탄소 저감장치에서 생산된 메탄을 연소하여 전기를 생산하는 메탄연소장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학적 폐수처리를 이용한 수소 생산 및 생물학적 이산화탄소 저감 장치.According to claim 1, Hydrogen production and biological carbon dioxide reduction device using an electrochemical wastewater treatment, characterized in that it further comprises a methane combustion device for producing electricity by burning the methane produced in the carbon dioxide reduction device. 제1항에 있어서, 상기 전자폐수는 무기성 폐수이거나, 암모니아성 질소, 질산성 질소, 혹은 불소 중 어느 하나가 포함되어 있는 폐수 중에서 선택한 것을 특징으로 하는 전기화학적 폐수처리를 이용한 수소 생산 및 생물학적 이산화탄소 저감 장치.The method of claim 1, wherein the electronic wastewater is inorganic wastewater, hydrogen production and biological carbon dioxide using an electrochemical wastewater treatment, characterized in that selected from wastewater containing any one of ammonia nitrogen, nitrate nitrogen, or fluorine. Abatement device. 제1항에 있어서, 전기화학적 폐수처리 및 수소생산 장치는 전기산화용 전극과 전기응집용 전극이 하나의 반응조에 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 전기화학적 폐수처리를 이용한 수소 생산 및 생물학적 이산화탄소 저감 장치.According to claim 1, Electrochemical wastewater treatment and hydrogen production apparatus hydrogen production and biological carbon dioxide reduction apparatus using an electrochemical wastewater treatment, characterized in that the electrode for electrooxidation and the electroaggregation electrode is configured in one reactor. 제1항에 있어서, 상기 가스용해장치는 상기 이산화탄소 저감장치 내의 배양액을 흡입하는 펌프와, 상기 흡입된 배양액을 분사시키는 가스 용해용 노즐 및 수소와 이산화탄소의 혼합가스가 유입되는 가스유입부로 이루어진 것을 특징으로 하는 전기화학적 폐수처리를 이용한 수소 생산 및 생물학적 이산화탄소 저감 장치.According to claim 1, wherein the gas dissolving device is composed of a pump for sucking the culture medium in the carbon dioxide reduction device, a gas dissolving nozzle for injecting the sucked culture solution and a gas inlet to which a mixed gas of hydrogen and carbon dioxide flows in Hydrogen production and biological carbon dioxide reduction device using an electrochemical wastewater treatment. 제5항에 있어서, 상기 가스용해장치의 가스 용해용 노즐은 내부면에 나선모양의 홈이 형성된 것을 특징으로 하는 전기화학적 폐수처리를 이용한 수소 생산 및 생물학적 이산화탄소 저감 장치.[6] The apparatus for reducing hydrogen and biological carbon dioxide of claim 5, wherein the gas dissolving nozzle of the gas dissolving device has a spiral groove formed on an inner surface thereof. 제5항에 있어서, 상기 가스 용해용 노즐의 입구에 와류유도용 캡이 부착된 것을 특징으로 하는 전기화학적 폐수처리를 이용한 수소 생산 및 생물학적 이산화탄소 저감 장치.6. The apparatus of claim 5, wherein a cap for vortex induction is attached to an inlet of the gas dissolving nozzle. 제1항에 있어서, 상기 메탄생성세균은 수소영양성 메탄생성균인 것을 특징으로 하는 전기화학적 폐수처리를 이용한 수소 생산 및 생물학적 이산화탄소 저감 장치.The apparatus of claim 1, wherein the methane-producing bacterium is a hydrogen-trophic methane-producing bacterium.
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