KR20200009350A - 바이오촤를 이용한 수처리 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 생산한 바이오촤를 흡착제로 이용하여 오염수의 처리가 가능한 수처리 시스템에 관한 것으로, 연소기; 바이오매스가 투입되며, 상기 연소기에서 생성되는 열이 전달되어, 그 내부에 온도가 상이한 2개의 영역이 형성되고, 투입된 상기 바이오매스가 상기 2개의 영역을 지나며 열분해 되어 바이오촤가 생성되는 반응기; 및 상기 반응기에서 생성된 바이오촤가 수용되며, 유입되는 오염수가 상기 바이오촤에 의해 정화되는 수질 개선부;를 포함하는 바이오촤를 이용한 수처리 시스템을 제공한다.

Description

바이오촤를 이용한 수처리 시스템{Water treatment system using biochar}

본 발명은 바이오촤를 이용한 수처리 시스템으로서, 생산한 바이오촤를 흡착제로 이용하여 오염수의 처리가 가능한 수처리 시스템에 관한 것이다.

바이오매스의 열분해 가스화를 통하여 바이오촤를 생산할때 발생하는 배가스에는 다량의 타르가 포함된다.

특히, 바이오매스 열분해를 통한 배가스를 이용하여 발전 등을 행하는 경우 배가스에 포함된 타르에 의해 터빈 또는 배관의 막힘 등이 발생하게 된다.

특허문헌 1에는 바이오매스 가스화 반응기가 개시된다. 특허문헌 1에 개시된 가스화 반응기는, 반응기 내에서 바이오매스 자체의 산화열원을 통하여 바이오촤를 생산하면서 반응기 내에 타르 분해 촉매를 충전하여 바이오매스의 열분해시 발생하는 배가스에 포함된 타르를 제거한다.

한편, 특허문헌 2에는 바이오매스 가스화를 통하여 발생하는 배가스에서 타르를 제거하여 천연가스로 정제하고, 또한, 발생하는 열을 스팀으로 변환하여 재사용하는 바이오매스 가스화 공정이 개시된다.

특허문헌 2에서는 바이오매스 가스화시 발생하는 배가스를 고온의 공기 유동층을 이용하여 고분자의 타르를 CO, H₂ 등 비교적 낮은 분자량의 가스로 전환 시켜 제거한다.

이와 같이 종래의 바이오매스 가스화 또는 바이오촤 생산 공정에서는 타르 제거를 위하여 추가적인 에너지원 및 촉매 물질을 필요로 한다는 단점이 있고, 이와 같이 생산된 바이오촤의 비표면적이 낮다.

특허문헌 1: KR 1,401,472 B1 특허문헌 2: KR 2015-0001832 A

이에, 본 발명은 바이오매스를 통한 바이오촤 생산시 간접 열분해를 통하여 타르를 효과적으로 제거함과 함께 타르의 제거를 통하여 바이오촤의 비표면적을 높여, 이를 수처리 흡착제로 사용할 수 있도록 하고, 바이오촤의 흡착제로의 사용이후 재사용이 가능한, 바이오촤를 이용한 수처리 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 연소기; 바이오매스가 투입되며, 상기 연소기에서 생성되는 열이 전달되어, 그 내부에 온도가 상이한 2개의 영역이 형성되고, 투입된 상기 바이오매스가 상기 2개의 영역을 지나며 열분해 되어 바이오촤가 생성되는 반응기; 및 상기 반응기에서 생성된 바이오촤가 수용되며, 유입되는 오염수가 상기 바이오촤에 의해 정화되는 수질 개선부;를 포함하는 바이오촤를 이용한 수처리 시스템을 제공한다.

상기 반응기는, 상측으로 투입되는 바이오매스가 하측으로 이송되며 열분해되는 열분해부, 및 상기 열분해부를 둘러싸며 상기 연소기에서 생성된 열이 하측으로부터 상측으로 전달되는 열전달부를 포함하며, 상기 열전달부의 하측으로부터 상측으로 전달되는 열에 의해 상기 열분해부에는 하측의 고온영역 및 상기 고온영역 상측에 상기 고온영역보다 온도가 낮은 저온영역이 형성될 수 있다.

상기 반응기 내의 2개의 영역은 600℃~800℃의 온도 범위 내에서 2개의 영역으로 형성될 수 있다.

상기 반응기에서 상기 바이오매스의 열분해에 의해 생성되는 가스는 상기 연소기로 유입되어 연소될 수 있다.

상기 반응기에서 상기 바이오매스의 열분해에 의해 생성되는 가스가 수집되는 수집부를 더 포함할 수 있다.

상기와 같이, 본 발명에 따른 바이오촤를 이용한 수처리 시스템에 의하면, 바이오촤의 표면적 활성화를 통한 생산/합성가스 생산/수질 개선을 한 시스템에서 해결하면서도 필요한 에너지를 저감하고, 또한, 생산되는 바이오촤의 비표면적을 늘려 수처리 흡착제로 사용이 가능하며, 수질 개선에 활용된 바이오촤는 후처리를 통해 농경지의 비료 등으로 활용하여 부수적인 효과를 기대할 수 있어 환경적인 측면에서 이점을 갖는다.

도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오촤를 이용한 수처리 시스템을 개략적으로 나타낸다.
도 2는, 기존의 열분해를 통하여 생산된 바이오촤와 본 발명에 따른 반응기의 촤-타르 반응을 통하여 활성화된 바이오촤의 비표면적을 비교한 도면이다.
도 3은 바이오촤에 의한 물의 pH 변화를 나타낸다.
도 4는 pH에 따른 카드뮴 제거량을 나타내며 좌측은 바이오촤를 통한 흡착시의 카드뮴 제거량, 우측은 바이오촤 미흡착시 pH 변화에 따른 카드뮴 제거량을 나타낸다.

본 발명의 상기와 같은 목적, 특징 및 다른 장점들은 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명함으로써 더욱 명백해질 것이다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 기술되어야 할 것이다.

또한, 기술되는 실시예는 발명의 설명을 위해 예시적으로 제공되는 것이며, 본 발명의 기술적 범위를 한정하는 것은 아니다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오촤를 이용한 수처리 시스템을 상세히 설명한다.

먼저, 도 1을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오촤를 이용한 수처리 시스템의 구성을 설명한다.

도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오촤를 이용한 수처리 시스템은, 연소기(100), 반응기(200), 및 수질 개선부(300)를 포함한다.

연소기(100)는 연료 및 공기(산화제)가 투입되며, 투입된 연료와 공기의 연소가 이루어지고, 배가스가 발생한다.

반응기(200)는 연소기(100)와 연결되며, 반응기(200) 내부로 바이오매스가 투입된다.

연소기(100)의 연소에 의해 발생하는 배가스가 반응기(200)로 투입되고, 투입된 배가스의 열에 의해 반응기(200) 내부로 투입된 바이오매스의 열분해가 이루어진다.

반응기(200)는 열분해부(220) 및 열전달부(210)를 포함한다.

열분해부(220)는 반응기(200) 내측에 위치하고 상측으로 투입되는 바이오매스의 열분해가 이루어지는 부분이다.

열분해부(220) 내부에는, 상측으로 투입된 바이오매스를 하측으로 이송하기 위한 스크류 등의 이송부재가 구비될 수 있다.

열전달부(210)는 열분해부(220)의 주위를 둘러싸도록 위치하며, 연소기(100)에서 발생된 열이 열전달부(210)의 하측을 통하여 상측으로 전달된다.

열전달부(210)로 전달되는 열에 의해 열분해부(220)로 투입된 바이오매스의 열분해가 이루어진다.

열분해부(220)에서 바이오매스의 열분해를 통하여 바이오촤 및 타르를 포함하는 합성가스가 생성된다.

수질 개선부(300)는 반응기(200)와 연결되며, 반응기(200)에서 생성된 바이오촤가 수질 개선부(300)로 투입된다.

수질 개선부(300)로 투입된 바이오촤가 흡착제로서 기능하여, 수질 개선부(300) 일측으로 유입되는 오염수에 포함된 오염물질이 바이오촤에 흡착되며 오염수의 정화가 이루어지고 정화된 처리수는 수질 개선부(300) 타측으로 배출된다.

다음, 도 1를 다시 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오촤를 이용한 수처리 시스템의 작용을 설명한다.

먼저, 연소기(100)로 연료 및 산화제(공기)가 투입되며, 투입된 연료와 산화제의 연소가 이루어진다.

연소기(100)에서의 연소에 의해 발생하는 배가스는 반응기(200)로 투입된다.

구체적으로 배가스는 반응기(200)의 열전달부(210) 하측으로 투입되며, 투입된 열은 열전달부(210) 하측으로부터 상측으로 이동하게 된다.

열전달부(210)의 하측으로부터 상측으로 전달되는 열에 의해 반응기(200)의 열분해부(220)의 하측에는 대략 800℃의 고온영역(212)이 형성되고, 고온영역(212) 상측에는 대략 600℃ 정도로 고온영역(212)보다 온도가 낮은 저온영역(211)이 형성된다.

바이오매스는 질소와 함께 반응기(200)의 열분해부(220) 상측으로 투입된다.

반응기(200)는 열전달부(210)에서 열분해부(220)로 전달되는 열에 의해 간접 접촉식으로 열분해가 이루어진다.

반응기(200)의 열분해부(220)로 투입된 바이오매스는 열분해부(220) 상측의 저온영역(211)에서의 1차 저속열분해가 이루어지며, 이를 통해 생산된 타르와 바이오촤가 스크류를 통하여 열분해부(220) 하측의 고온영역(212)으로 이송된다.

바이오촤의 생산속도와 타르의 생산속도가 상이함에 따라, 고온 영역에서 타르는 바이오촤와 촉매 반응을 일으키게 되며, 열분해도 함께 이루어진다.

상기와 같이, 타르와 바이오촤의 촉매 반응(촤-타르 촉매반응)에 의해 타르가 바이오촤로부터 빠져나오면서 바이오촤의 표면에는 다수의 미세기공이 형성되며, 이로써 활성화된 바이오촤는 흡착능을 갖게 되며, 최종적으로 생성되는 활성화된 바이오촤의 온도는 약 600℃ 내외가 된다.

일반적인 타르 분해 공정은 추가적인 에너지원 및 촉매 물질이 필요하지만 본 발명에서는 연소기(100)에서 생성되는 배가스를 열원으로 활용하여 생성되는 바이오촤를 직접 촉매로 활용하기 때문에 추가적인 물질투입이 필요없고 에너지가 감소될 수 있다.

도 2을 참조하면, 기존의 저속열분해를 통하여 생산된 바이오촤와 본 발명의 촤-타르 반응을 통하여 활성화된 바이오촤(Activated biochar)의 비표면적을 비교하여 나타내었다.

도 2에 나타낸 바와 같이, 활성화된 바이오촤의 비표면적이 기존 저속 열분해를 통하여 생산된 바이오촤에 비해 약 2배 정도임을 알 수 있다.

이와 같이, 타르 분해 과정에서 바이오촤의 표면적을 활성탄과 비슷한 수준까지 상승시킬 수 있다.

한편, 바이오매스 열분해를 통해 생성되는 타르가 포함된 합성가스는 반응기(200)로부터 배출된다.

연소기(100)와 반응기(200) 사이에는 팬(400)과 댐퍼(500)가 설치되며, 댐퍼(500)의 조절을 통하여, 반응기(200)에서 배출되는 타르가 포함된 합성가스를 연소기(100)로 다시 투입하여 연소기(100)의 연료로 사용되도록 하거나, 합성가스를 수집부(600)로 유입되도록 하여 수집할 수 있다.

수집부(600)에 수집된 합성가스는 별도의 공정에 연료로서 사용될 수 있다.

열분해부(220)에서 생성된 바이오촤는 수질 개선부(300)로 투입된다.

수질 개선부(300)로 투입된 바이오촤는 강이나 저수지에서 펌프(310)를 통해 수질 개선부(300)로 유입되는 오염수와 직접 접촉하여 미세기공을 통하여 오염물질을 흡착한다.

도 3 및 도 4는 각각 바이오촤에 의한 물의 pH 변화 및 pH에 따른 카드뮴 제거 특성을 나타낸다.

도 3에 나타낸 바와 같이, 바이오촤는 염기성 물질로써 물에 적용할 경우 pH를 증가시켜 오염된 산성 물의 정화효과를 갖는다.

또한, 바이오촤 표면이 음전하를 띄고 있어 양전하를 띄는 오염물질에 대한 흡착에 유리하다고 판단된다. 도 4에 나타낸 바와 같이, 카드뮴 용액은 pH 9 이상에서 침전이 급격하게 일어난다. pH 6의 카드뮴 수용액과 비교하였을 때 약 8%의 차이가 나는데, 이는 바이오촤의 흡착에 의한 카드뮴의 제거 효과이다.

바이오촤에 의해 오염물이 흡착된 처리수는 강이나 저수지로 다시 배출된다.

또한, 수질 개선부(300)에서 사용된 바이오촤는 배출되어 추가적인 정제 시스템을 거쳐 농경지 토양 내의 비료 등으로 재활용될 수 있다.

상기와 같이, 본 발명에 따른 바이오촤를 이용한 수처리 시스템에 의하면, 바이오촤의 표면적 활성화를 통한 생산/합성가스 생산/수질 개선을 한 시스템에서 해결하면서도 필요한 에너지를 저감할 수 있고, 수질 개선에 활용된 바이오촤는 후처리를 통해 농경지의 비료 등으로 활용하여 부수적인 효과를 기대할 수 있어 환경적인 측면에서 이점을 갖는다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니한다. 즉, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 첨부된 특허청구범위의 사상 및 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능하며, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정의 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.

100: 연소기
200: 반응기
210: 열전달부
220: 열분해부
211: 저온영역
212: 고온영역
300: 수질 개선부
310: 펌프
400: 팬
500: 댐퍼

Claims (5)

1. 연소기(100);
   바이오매스가 투입되며, 상기 연소기(100)에서 생성되는 열이 전달되어, 그 내부에 온도가 상이한 2개의 영역이 형성되고, 투입된 상기 바이오매스가 상기 2개의 영역을 지나며 열분해 되어 바이오촤가 생성되는 반응기(200); 및
   상기 반응기(200)에서 생성된 바이오촤가 수용되며, 유입되는 오염수가 상기 바이오촤에 의해 정화되는 수질 개선부(300);를 포함하는,
   바이오촤를 이용한 수처리 시스템.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 반응기(200)는,
   상측으로 투입되는 바이오매스가 하측으로 이송되며 열분해되는 열분해부(220), 및 상기 열분해부(220)를 둘러싸며 상기 연소기(100)에서 생성된 열이 하측으로부터 상측으로 전달되는 열전달부(210)를 포함하며,
   상기 열전달부(210)의 하측으로부터 상측으로 전달되는 열에 의해 상기 열분해부(220)에는 하측의 고온영역(212) 및 상기 고온영역(212) 상측에 상기 고온영역(212)보다 온도가 낮은 저온영역(211)이 형성되는,
   바이오촤를 이용한 수처리 시스템.
   
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 반응기(200) 내의 2개의 영역은 600℃~800℃의 온도 범위 내에서 2개의 영역으로 형성되는,
   바이오촤를 이용한 수처리 시스템.
   
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 반응기(200)에서 상기 바이오매스의 열분해에 의해 생성되는 가스는 상기 연소기(100)로 유입되어 연소되는,
   바이오촤를 이용한 수처리 시스템.
   
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 반응기(200)에서 상기 바이오매스의 열분해에 의해 생성되는 가스가 수집되는 수집부(600)를 더 포함하는,
   바이오촤를 이용한 수처리 시스템.

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