KR20140025801A - 멤브레인 기술을 이용한 온실용 이산화탄소 포집 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 멤브레인 기술을 이용한 온실용 이산화탄소 포집 시스템에 관한 것으로, 온실 내,외부에 존재하는 혼합기체를 압축하는 메인 컴프레셔와, 상기 메인 컴프레셔에 압축된 혼합기체 중 수분 분리 및 기체를 냉각하는 드라이어와, 상기 드라이어를 통하여 수분이 제거된 기체 중 특정 기체를 분리하는 멤브레인 필터와, 상기 멤브레인 필터를 통하여 이산화탄소를 분리할 때에 일정한 압력으로 조절하는 유량계와, 상기 유량계를 통하여 일정한 압력이 조절된 이산화탄소를 저장하여 적시적소에 투입하기 위해 압축저장이 가능한 리시브탱크,를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기의 멤브레인 기술을 이용한 온실용 이산화탄소 포집 시스템은 대기 중이나 농가, 난방용 온실에서 버려지는 배출 가스 내에서 CO₂를 분리시켜 포집, 저장하여 적절한 시기에 수경재배용 식물공장 및 온실 내 주입함으로써 작물 생육에 필요한 이상적인 CO₂농도를 만들어 생산성을 향상시키며, 대기로 버려지는 유해가스를 저감시킴으로써 환경오염을 줄일 수 있다.

Description

멤브레인 기술을 이용한 온실용 이산화탄소 포집 시스템{CO2 capture system for greenhouse using membrane technology}

본 발명은 멤브레인 기술을 이용한 온실용 이산화탄소 포집 시스템에 관한 것으로, 더 상세하게는 온실 내,외부에 존재하는 혼합기체를 압축하는 메인 컴프레셔와, 상기 메인 컴프레셔에 압축된 혼합기체 중 수분 분리 및 기체를 냉각하는 드라이어와, 상기 드라이어를 통하여 수분이 제거된 기체 중 특정 기체를 분리하는 멤브레인 필터와, 상기 멤브레인 필터를 통하여 이산화탄소를 분리할 때에 일정한 압력으로 조절하는 유량계와, 상기 유량계를 통하여 일정한 압력이 조절된 이산화탄소를 저장하여 적시적소에 투입하기 위해 압축저장이 가능한 리시브탱크,를 포함하는 것이다.

지구의 환경은 그 오랜 역사 동안 몇 번이나 극적으로 변해왔다는 사실이 다양한 증거를 통해 밝혀지고 있다. 그러나 근래처럼 인간의 활동이 원인이 되어, 급격한 환경 변화를 일으켰던 적은 없었다. 특히 이산화탄소(CO₂)의 농도는 최근 200년 동안 급증하여 기온 상승의 주범으로 불리고 있다. 현재 세계의 평균적인 ‘대기 중 이산화탄소 농도’는 약 387ppm(2009년 말 기준)이다. 이는 공기 분자 100만 개 중에 이산화탄소 분자가 387개 있음을 의미한다. 반면 18세기 산업 혁명이 일어나기 전 지구의 이산화탄소 농도는 약 280ppm으로 추정된다. 또, 얼음 속에 갇힌 공기를 조사한 결과, 적어도 과거 80만 년 동안은 300ppm을 넘은 적이 없다고 밝혀졌다. 그러나 지금은 300ppm을 넘어, 계속해서 상승하고 있는 상태이다.

대기 중의 이산화탄소의 꾸준한 증가는 지구온난화의 주범으로 지목되고 있다. 온난화 현상을 일으키는 주원인으로 생각되는 것은 바로 ‘온실 가스’라고 불리는 여러 종류의 기체들이다. 물론 이산화탄소도 이 중 하나이며, 인류에 의해 가장 많이 배출되고 있는 온실 가스이다. 현대의 과학자들은 이산화탄소가 늘어나면 기온의 상승에 머물지 않고, 지역에 따라서는 기후 변동이나 물, 식량 부족, 해양 산성화 등도 함께 일어날 것이라고 예측하고 있다. 더욱이 이러한 일들은 한 천년 후쯤 일어날 먼 미래의 얘기가 아니라, 수십 년 뒤의 가까운 미래에 일어날 수 있음을 경고하고 있다.

이러한 지구온난화의 원인이 되는 온실가스와 산성가스 배출을 분리회수 둥과 환경적인 문제의 해결허가 위하여 막을 이용한 기체 분리 기술이 연구되어 지고 있다. 막을 이용한 기체분리 기술은 에너지가 절약되는 분리방법으로 다양한 분야에서 연구되어지고 있다. 기체분리막은 산소부화막, 질소부화막, 수소/헬륨 분리막, 이산화탄소 분리막, 유기증기(organic vapor)분리막, 탈습(dehumididication)막, 가습(humidifying)막, 탈기(deaeration)막, 용존산소제거, 급기(aeration)막 등과 같이 다양한 부문에서 연구 진행되고 있으며, 이와 같은 광범위한 기체분리 응용을 보다 빠르게 실용화 단계로 응용을 하기 위해 활발한 연구가 진행되고 있다. 이러한 다양한 기체 분리막은 수소전기 자동차, 고 연소효율 자동차용, 군사 및 의료용 호흡용 가스, 호기성 세균배양용, 방폭용 불활성가스제조, 식품저장용 가스제조, 일부 가스제조업체와 일부 전자회사에 질소제조용 장치, 더 나아가 지구온난화의 원인이 되는 온실가스와 산성가스 배출을 분리회수 등과 환경적인 문제의 해결에도 기여할 수 있을 것이다. 기체 혼합물 중 특정 기체성분만을 기체의 분리막 투과 속도에 따라 분리해낼 수 있는 분리막으로서 낮은 에너지소비, 장치의 간소화, 큰 선택성, 가공의 용이성, 낮은 투자 및 운용비용 등 여러 가지 장점으로 인하여 다른 방법들에 비해 분리가 간단하기 때문에 많은 관심을 가지고 연구하고 있는 분야이다.

따라서, 본 발명은 온실 내 적정 이산화탄소 제어 및 유지를 위해 고효율 멤브레인 시스템을 적용하여 개발하였다.

KR 10-1159211 B1 (2012.06.18)

본 발명은 상기한 바와 같은 제반 문제점을 개선하기 위해 안출된 것으로서, 그 목적은 대기중이나 농가, 난방용 온실에서 버려지는 배출 가스 내에서 CO₂를 분리시켜, 적시적소에 주입함으로써 생산성 증대 및 대기로 버려지는 유해가스를 저감시켜 환경오염을 줄이도록 함에 있다.

또 다른 목적은 가스가 배출되는 모든 공간에서 시스템을 접목하여 이산화탄소 포집이 가능하며 온실이나 식물공장 등과 같은 이산화탄소가 필요한 지역에 살포하여 작물의 생산성 향상에 기여함에 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명의 멤브레인 기술을 이용한 온실용 이산화탄소 포집 시스템은 온실 내,외부에 존재하는 혼합기체를 압축하는 메인 컴프레셔와, 상기 메인 컴프레셔에 압축된 혼합기체 중 수분 분리 및 기체를 냉각하는 드라이어와, 상기 드라이어를 통하여 수분이 제거된 기체 중 특정 기체를 분리하는 멤브레인 필터와, 상기 멤브레인 필터를 통하여 이산화탄소를 분리할 때에 일정한 압력으로 조절하는 유량계와,상기 유량계를 통하여 일정한 압력이 조절된 이산화탄소를 저장하여 적시적소에 투입하기 위해 압축저장이 가능한 리시브탱크를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또, 상기 리시브탱크에 연결된 배출라인을 더 포함하고, 상기 리시브탱크에 저장된 이산화탄소를 상기 배출라인을 통하여 온실 내에 주입하는 것을 특징으로 한다.

또, 상기 멤브레인 기술을 이용한 온실용 이산화탄소 포집 시스템에,

온실 내부에 순환되는 내부 공기의 부유 미생물 및 병원성 균의 제거를 위한 생물학적 필터와 살균시스템 모니터링 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또, 상기 멤브레인 기술을 이용한 온실용 이산화탄소 포집 시스템에,

필요에 따라 이산화탄소 모니터링 장치, 압력계, 유량계, 압축기, 온도조절시스템, 필터, 드라이어 중 하나 또는 둘 이상을 더 설치하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 멤브레인 기술을 이용한 온실용 이산화탄소 포집 시스템은, 대기 중이나 농가, 난방용 온실에서 버려지는 배출 가스 내에서 CO₂를 분리시켜 포집, 저장하여 적절한 시기에 수경재배용 식물공장 및 온실 내 주입함으로써 작물 생육에 필요한 이상적인 CO₂농도를 만들어 생산성을 향상시키며, 대기로 버려지는 유해가스를 저감시킴으로써 환경오염을 줄이는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 멤브레인 기술을 이용한 온실용 이산화탄소 포집 시스템을 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 멤브레인 기술을 이용한 온실용 이산화탄소 포집 시스템을 이용하여 온실 내 위치별 CO₂ 분포를 측정한 것이다.

이하, 본 발명에 따른 멤브레인 기술을 이용한 온실용 이산화탄소 포집 시스템의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명한다. 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 멤브레인 기술을 이용한 온실용 이산화탄소 포집 시스템을 나타낸 것이며, 도 2는 본 발명에 따른 멤브레인 기술을 이용한 온실용 이산화탄소 포집 시스템을 이용하여 온실 내 위치별 CO₂ 분포를 측정한 것이다.

도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 멤브레인(Membrane) 기술을 이용한 온실용 이산화탄소(CO₂) 포집시스템은 크게 메인 컴프레셔(10), 드라이어(20), 멤브레인 필터(30), 유량계(40), 리시브탱크(50)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 메인 컴프레셔(10)는 온실 내,외부에 존재하는 혼합기체를 압축한다.

상기 드라이어(20)는 기체의 원활한 분리를 위해서 상기 메인 컴프레셔(10)에 압축된 혼합기체 중 수분 분리 및 기체를 냉각한다.

상기 멤브레인 필터(30)는 상기 드라이어(20)를 통하여 수분이 제거된 기체 중 특정 기체를 분리한다.

상기 유량계(40)는 상기 멤브레인 필터(30)를 통하여 이산화탄소를 분리할 때에 일정한 압력으로 조절한다.

상기 리시브탱크(50)는 상기 유량계(40)를 통하여 일정한 압력이 조절된 이산화탄소를 저장하여 적시적소에 투입하기 위해 압축저장이 가능하도록 한다.

또한, 상기 리시브탱크(50)에 연결된 배출라인(60)을 더 포함하여 상기 리시브탱크(50)에 저장된 이산화탄소를 상기 배출라인(60)을 통하여 온실(100) 내에 주입할 수 있도록 한다.

또한, 상기 멤브레인 기술을 이용한 온실용 이산화탄소 포집 시스템에 온실 내부에 순환되는 내부 공기의 부유 미생물 및 병원성 균의 제거를 위한 생물학적 필터(70)와 살균시스템 모니터링 장치(80)를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 멤브레인 기술을 이용한 온실용 이산화탄소 포집 시스템은 필요에 따라 이산화탄소 모니터링 장치, 압력계, 유량계, 압축기, 온도조절시스템, 필터, 드라이어 중 하나 또는 둘 이상을 더 설치하여, 이산화탄소를 더욱 원활하게 포집할 수 있다.

상기와 같은 구조를 갖는 본 발명의 일 실시예에 따른 멤브레인 기술을 이용한 온실용 이산화탄소 포집 시스템의 작동원리를 설명하고자 한다.

먼저, 메인 컴프레셔(10)에서 온실 내,외부에 존재하는 혼합기체를 수용하여 압축한 후, 상기 메인 컴프레셔(10)에서 압축된 혼합기체 중 수분 분리 및 기체를 드라이어(20)에서 냉각하고, 상기 드라이어(10)를 통하여 수분이 제거된 기체 중 멤브레인 필터(30)에서 이산화탄소를 분리하고, 상기 멤브레인 필터(30)를 통하여 이산화탄소를 분리할 때에 유량계(40)를 통하여 일정한 압력으로 조절하며, 상기 유량계(40)를 통하여 일정한 압력이 조절된 이산화탄소를 저장하여 리시브탱크(50)에 압축저장한다.

상기 리시브탱크(50)에 연결된 배출라인(60)을 통하여 상기 리시브탱그(50)에 압축저장된 이산화탄소를 온실(100) 내에 필요한 양만큼 주입하게 된다.

이때, 온실(100) 내부에 설치된 생물학적 필터(70)와 살균시스템 모니터링 장치(80)를 통하여 순환되는 내부 공기의 부유 미생물 및 병원성 균을 원활하게 제거할 수 있게 된다.

본 발명의 멤브레인 기술을 이용한 온실용 이산화탄소 포집 시스템의 구체적인 사용 실시예는 다음과 같다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 멤브레인 기술을 이용한 온실용 이산화탄소 포집 시스템에서 포집된 CO₂를 실제 온실에 적용을 하였다. CO₂주입 6시간 후 온실 내 분포를 확인하기 위해 각 지점마다 CO₂를 측정하였다. 측정 시간은 2012년 6월 1일 이였으며, 측정 시간은 낮 2시에 측정을 하였다. 측정 당시 외부 공기의 CO₂농도는 380-400ppm이였다. CO₂의 투입은 2400mm지점에서 분당 160/min으로 투입을 하였으며, 이때 투입되는 CO₂의 유속 V=53.058m/s였고, 막 분리를 거친 CO₂의 농도는 8000ppm이상을 유지하고 있었다. 측정에 사용된 CO₂측정기로는 모델 Testo_535_CO₂를 사용하였으며, 측점은 가로*세로 300mm 단위로 전체 분포 중 중앙 라인을 측정하여 나타내었다. 총 320점을 측정하였으며, 그 결과 도 2와 같은 형태의 분포를 보이고 있었다. 측정된 데이터를 SigmaPlot.v10.0을 이용하여 분석하였다. 바닥에서 약 2000mm지점에서 높은 분포를 보이고 있는 것을 알 수 있다. 투입구에서 1000mm, 4200mm, 7500mm 떨어진 지점에서 1000ppm이상의 CO₂농도를 보여주고 있다. 실험 시 온실 내 온도는 약 45℃를 나타내었으며, 온도의 영향으로 CO₂ 분포가 중층 이상에 분포되어 있는 것으로 생각된다. CO₂투입구로부터 6000mm 떨어진 곳부터 점차 아래로 분포되는 경향을 보이며, 이는 투입되는 유속이 줄어들며 아래로 떨어지는 경향이 나타나는 것으로 파악된다. 그리고 투입구 쪽 바닥에서부터 1500mm지점에서 약 1100ppm이상의 농도를 보여주고 있으며, 이는 온실 구조물에 의해 와류가 형성된 것이라 파악된다. 분리된 CO₂의 투입과정에서 구조물 기둥에 의해서 다른 방향으로 흘러 한곳에 높은 농도를 유지하고 있는 것으로 파악된다. 따라서 본 발명의 멤브레인 기술을 이용한 온실용 이산화탄소 포집 시스템을 통해 온실에서 작물이 필요한 최적의 CO₂를 용이하게 투입할 수 있을 것으로 판단된다.

이상과 같이 본 발명에 따른 멤브레인 기술을 이용한 온실용 이산화탄소 포집 시스템에 대해서 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 당업자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 물론이다.

10 : 메인 컴프레셔 20 : 드라이어
30 : 멤브레인 필터 40 : 유량계
50 : 리시브탱크 60 : 배출라인
70 : 생물학적 필터 80 : 살균시스템 모니터링 장치
100 : 온실

Claims (4)

1. 멤브레인 기술을 이용한 온실용 이산화탄소 포집 시스템에 있어서,
   온실 내,외부에 존재하는 혼합기체를 압축하는 메인 컴프레셔;
   상기 메인 컴프레셔에 압축된 혼합기체 중 수분 분리 및 기체를 냉각하는 드라이어;
   상기 드라이어를 통하여 수분이 제거된 기체 중 특정 기체를 분리하는 멤브레인 필터;
   상기 멤브레인 필터를 통하여 이산화탄소를 분리할 때에 일정한 압력으로 조절하는 유량계;
   상기 유량계를 통하여 일정한 압력이 조절된 이산화탄소를 저장하여 적시적소에 투입하기 위해 압축저장이 가능한 리시브탱크;를 포함하는 것을 특징으로 하는 멤브레인 기술을 이용한 온실용 이산화탄소 포집 시스템.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 리시브탱크에 연결된 배출라인을 더 포함하고,
   상기 리시브탱크에 저장된 이산화탄소를 상기 배출라인을 통하여 온실 내에 주입하는 것을 특징으로 하는 멤브레인 기술을 이용한 온실용 이산화탄소 포집 시스템.
   
3. 제 1항에 있어서,
   상기 멤브레인 기술을 이용한 온실용 이산화탄소 포집 시스템에,
   온실 내부에 순환되는 내부 공기의 부유 미생물 및 병원성 균의 제거를 위한 생물학적 필터와 살균시스템 모니터링 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 멤브레인 기술을 이용한 온실용 이산화탄소 포집 시스템.
   
4. 제 1항에 있어서,
   상기 멤브레인 기술을 이용한 온실용 이산화탄소 포집 시스템에,
   필요에 따라 이산화탄소 모니터링 장치, 압력계, 유량계, 압축기, 온도조절시스템, 필터, 드라이어 중 하나 또는 둘 이상을 더 설치하는 것을 특징으로 하는 멤브레인 기술을 이용한 온실용 이산화탄소 포집 시스템.

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