KR20210063925A

KR20210063925A - 전도성 탄소나노튜브 구조체를 이용한 혐기성 소화 공정에서의 메탄 생성 효율 향상 방법

Info

Publication number: KR20210063925A
Application number: KR1020190152612A
Authority: KR
Inventors: 강석태; 한승엽; 양성민; 윤여명
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2019-11-25
Filing date: 2019-11-25
Publication date: 2021-06-02

Abstract

전도성 탄소나노튜브 구조체를 이용한 혐기성 소화 공정에서의 메탄 생성 효율 향상 방법이 제시된다. 일 실시예에 따른 혐기성 소화 공정에서의 메탄 생성 효율 향상 방법은, 혐기성 반응조 내에 산 생성 미생물과 메탄 생성 미생물 간 전자 전달 속도를 증가시키는 탄소나노물질을 투여하는 단계를 포함하여 이루어질 수 있다.

Description

전도성 탄소나노튜브 구조체를 이용한 혐기성 소화 공정에서의 메탄 생성 효율 향상 방법{METHOD FOR IMPROVING METHANOGENIC ACTIVITY IN ANAEROBIC DIGESTION PROCESS USING CARBON NANOTUBE-BASED CONDUCTIVE MEDIA}

아래의 실시예들은 전도성 탄소나노튜브 구조체를 이용한 혐기성 소화 공정에서의 메탄 생성 효율 향상 방법에 관한 것이다.

최근 음식물 쓰레기, 가축분뇨 및 하수 슬러지와 같은 유기성 폐기물을 혐기성 소화시켜 화석연료를 대체할 수 있는 메탄 등의 바이오가스를 생산하고, 이를 열병합 발전 등에 이용하는 기술이 전세계적으로 보편화하고 있다.

여기서, 유기성 폐기물이란 생물에 유래한 소재로 되어 있으면서 미생물에 의하여 생분해할 수 있는 폐기물을 말하며, 가정에서 발생하는 생활쓰레기 중에 음식물 쓰레기, 종이류, 목재류 및 정원성 폐기물(전지목) 등이 해당하며, 하수처리장 및 폐수처리장에서 발생하는 슬러지류, 축산농가 등에서 발생하는 가축분뇨로 분류되는 것으로서 이러한 유기성 폐기물 처리하여 재활용하는 호기성 미생물을 이용한 호기성 소화 공정과 혐기성 미생물을 이용한 혐기성 소화 공정이 있다.

일반적으로 퇴비로서 이용하는 경우에는 호기성 소화 공정이 이용되고 있으며, 유기물을 분해시켜 감량화함과 동시에 메탄가스를 회수하기 위해서는 혐기성 소화 공정이 사용된다.

그러나, 혐기성 소화 과정 중 바이오가스로 전환되는 공정 속도가 매우 느려 음식물 쓰레기와 같은 유기성 폐기물 처리를 위해 30일 이상의 긴 체류시간을 주어야 하며, 이로 인해 바이오가스 전환 시설의 반응조 부피와 시설비가 증가하는 문제점이 지적되어 왔다.

한국공개특허 10-2016-0063208호는 이러한 유기성 폐기물의 혐기성 소화 공정에서 나트륨에 의한 메탄 생성 저해 억제 방법에 관한 것으로, 혐기성 메탄 발효시 글리세롤을 사용하여 메탄 생성균의 대사 저해를 방지하여 메탄생산 향상 시키는 방법에 관한 기술을 기재하고 있다.

한국공개특허 10-2016-0063208호

실시예들은 전도성 탄소나노튜브 구조체를 이용한 혐기성 소화 공정에서의 메탄 생성 효율 향상 방법에 관하여 기술하며, 보다 구체적으로 탄소나노튜브 물질로 구성된 중공사형 또는 원통형의 구조체에 미생물을 부착하여 혐기성 소화 공정에서의 바이오가스 생산속도를 향상시키는 기술을 제공한다.

실시예들은 전도성이 우수한 탄소나노튜브를 중공사형 또는 원통형의 거대 구조체로 제조하여 미생물의 부착을 용이하게 함과 동시에, 산 생성 미생물과 메탄 생성 미생물간의 직접 전자전달을 통해 혐기성 소화 공정에서의 바이오가스 생산속도를 증가시킬 수 있는, 전도성 탄소나노튜브 구조체를 이용한 혐기성 소화 공정에서의 메탄 생성 효율 향상 방법을 제공하는데 있다.

일 실시예에 따른 혐기성 소화 공정에서의 메탄 생성 효율 향상 방법은, 혐기성 반응조 내에 산 생성 미생물과 메탄 생성 미생물 간 전자 전달 속도를 증가시키는 전도성을 가진 탄소나노물질을 투여하는 단계를 포함하여 이루어질 수 있다.

탄소나노물질은, 미생물의 부착을 용이하게 하고 산 생성 미생물과 메탄 생성 미생물간의 직접 전자전달을 하도록 전도성의 탄소나노튜브(Carbon Nano Tube, CNT)를 구조체로 구성할 수 있다.

상기 탄소나노물질을 상기 혐기성 반응조에 투입하기 이전에, 상기 탄소나노물질을 구조체로 제조하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이 때, 상기 구조체는, CNT: PAN: DMSO = 2.85~3.15: 1.9~2.1: 34.675~38.325 중량%인 전도성 탄소 구조체이다.

상기 탄소나노물질을 구조체로 제조하는 단계는, 상기 탄소나노물질과 서로 얽힌 원형 또는 중공사막 형태의 막 구조체를 형성할 수 있다.

상기 탄소나노물질을 구조체로 제조하는 단계는, 습식 방사, 전기 방사, 닥터 블레이드 코팅, 침지-인상법 중에서 선택되는 1종 이상의 방법으로 수행될 수 있다.

상기 탄소나노물질을 구조체로 제조하는 단계는, 상기 탄소나노물질을 유기용매 또는 수성용매에 분산할 수 있다.

상기 탄소나노물질을 구조체로 제조하는 단계는, 탄소나노물질, 고분자가 분산된 용액을 처리하여 막 구조체를 고정되게 형성하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 탄소나노물질을 구조체로 제조하는 단계는, 상기 막 구조체를 열처리하여 상기 고분자를 제거 또는 탄화시키는 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 고분자는 폴리비닐계, 폴리스티렌계, 폴리비닐리덴플루오라이드계, 폴리아크릴계, 폴리아크릴로나이트릴계, 레이온계 또는 이들 고분자의 공중합체로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 이용할 수 있다.

상기 막 구조체를 열처리하여 상기 고분자를 제거 또는 탄화시키는 단계는, 열처리 공정에 의해 상기 탄소나노물질과 탄화된 상기 고분자가 결합되어 복합체를 형성할 수 있다.

상기 탄소나노물질은 탄소나노튜브, 그래핀, 탄소섬유, 탄소나노와이어, 활성탄으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 이용할 수 있다.

다른 실시예에 따른 전도성 탄소나노튜브 구조체는, 혐기성 소화 공정에서의 메탄 생성 효율 향상을 위해 혐기성 반응조에 투입되며, 혐기성 반응조 내에 산 생성 미생물과 메탄 생성 미생물 간 전자 전달 속도를 증가시키는 전도성을 가진 탄소나노물질을 포함하여 이루어질 수 있다.

상기 탄소나노물질은, 미생물의 부착을 용이하게 하고 산 생성 미생물과 메탄 생성 미생물간의 직접 전자전달을 하도록 전도성의 탄소나노튜브(Carbon Nano Tube, CNT)를 구조체로 구성할 수 있다.

상기 탄소나노물질을 상기 혐기성 반응조에 투입하기 이전에, 상기 탄소나노물질을 구조체로 제조하며, 상기 탄소나노물질을 구조체는, 상기 탄소나노물질과 서로 얽힌 원형 또는 중공사막 형태의 막 구조체를 형성할 수 있다.

실시예들에 따르면 전도성이 우수한 탄소나노튜브를 중공사형 또는 원통형의 거대 구조체로 제조하여 미생물의 부착을 용이하게 함과 동시에, 산 생성 미생물과 메탄 생성 미생물간의 직접 전자전달을 통해 혐기성 소화 공정에서의 바이오가스 생산속도를 증가시킬 수 있는, 전도성 탄소나노튜브 구조체를 이용한 혐기성 소화 공정에서의 메탄 생성 효율 향상 방법을 제공할 수 있다.

실시예들에 따르면 제조된 전도성 탄소 구조체는 혐기성 반응조 내에 지속적으로 체류가 가능하여 추가적인 보충이 불필요하고, 메탄 생성 속도와 전환 효율을 향상시킴으로써 혐기성 반응조의 부피를 줄일 수 있는, 전도성 탄소나노튜브 구조체를 이용한 혐기성 소화 공정에서의 메탄 생성 효율 향상 방법을 제공할 수 있다.

도 1은 일 실시예에 따른 혐기성 소화 장치의 구조를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 일 실시예에 따른 전도성 탄소나노튜브 구조체의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 일 실시예를 이용한 수처리 공정 장치 및 장치 내 전극을 나타낸 사진이다.
도 4는 일 실시예에 따른 개량된 전도성 탄소 구조체의 성능 평가를 나타내는 도면이다.
도 5a 및 도 5b는 일 실시예에 따른 혐기성 소화 공정에서의 메탄 생성 효율 향상 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 6은 일 실시예에 따른 혐기성 반응조의 메탄 생성 속도를 비교예와 비교하여 나타내는 그래프이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 설명한다. 그러나, 기술되는 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명되는 실시예들에 의하여 한정되는 것은 아니다. 또한, 여러 실시예들은 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 도면에서 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.

본 실시예에서는 미생물의 바이오가스 전환 속도를 향상시켜 혐기성 소화조의 체류시간을 줄이기 위하여, 혐기성 반응조 내에 산 생성 미생물과 메탄 생성 미생물 간 전자 전달 속도를 증가시킬 수 있는 탄소 물질기반 전도성 물질(즉, 탄소나노물질)을 투여할 수 있다.

또한, 실시예들은 높은 전도성을 가진 탄소나노튜브(Carbon Nano Tube, CNT)를 구조체로 제작하여 산 생성 미생물과 메탄 생성 미생물 간 직접 전자전달을 통해 바이오가스의 생산속도를 증가시키고자 하였다. 그리고, 혐기성 반응조 내에서 전도성 물질의 유출을 방지하기 위하여 mm 크기 이상의 중공사형 또는 원통형 구조를 적용하고자 하였다.

실시예들에 따르면 혐기성 소화 반응조에 탄소나노튜브 물질의 구조체를 적용하여 혐기성 소화 반응조의 산 생성 및 메탄 생성 향상을 통한 반응조 규모 축소를 용이하게 할 수 있다.

아래의 실시예들은 전도성 탄소나노튜브 구조체를 이용한 혐기성 소화 공정에서의 메탄 생성 효율 향상 방법에 관한 것으로, 탄소나노튜브 물질로 구성된 중공사(중공 섬유, hollow fiber)형 또는 원통형의 구조체에 미생물을 부착하여 혐기성 소화 공정에서의 바이오가스(예컨대, 메탄) 생산속도를 향상시킬 수 있다.

도 1은 일 실시예에 따른 혐기성 소화 장치의 구조를 개략적으로 나타내는 도면이다.

도 1을 참조하면, 연속식 혐기성 소화장치는 전도성 탄소 구조체의 투입으로 인한 바이오가스의 생산속도의 향상을 평가하기 위한 혐기성 실험 장치로, 혐기성 조건 하에서 유입구 및 유출구가 구비되어 있고 유입수를 연속식으로 처리할 수 있는 장치이다.

여기에서 일 실시예에 따른 장치를 구성하기 위해 제1 혐기성 반응조(110)에 전도성 탄소나노튜브 구조체(130)를 투여하고, 제1 가스 수집부(120)를 통해 제1 혐기성 반응조로(110)부터 유출되는 바이오가스(예컨대, 메탄)을 수집할 수 있다. 이 때, 전도성 탄소나노튜브 구조체(130)는 전도성이 우수한 탄소나노튜브를 중공사형 또는 원통형의 거대 구조체로 제조하여 제1 혐기성 반응조(110)에 투여할 수 있다.

한편, 일 실시예에 따른 장치의 성능을 평가하기 위해 비교예의 실험을 진행할 수 있다. 여기에서는 제2 혐기성 반응조(111)에 고분자 구조체를 투여하고, 제2 가스 수집부(121)를 통해 제2 혐기성 반응조(111)로부터 유출되는 바이오가스(예컨대, 메탄)을 수집할 수 있다. 여기서, 고분자 구조체는 PAN(Poly-Acrylonitrile)일 수 있다. 한편, 전도성 구조체(높은 전도성을 가진 탄소나노튜브)에서 고분자 물질인 PVB를 PAN으로 대체하는 경우 혐기성 소화조에서 유출수에 탄소나노튜브의 유출을 막을 수 있으며, 이를 극대화 하기 위해 구경 및 강도를 증가시킬 수 있다.

도 2는 일 실시예에 따른 전도성 탄소나노튜브 구조체의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.

도 2를 참조하면, 본 발명은 중공사막 방사 장치(1)를 통해 탄소나노물질(10)로 구성된 평막 또는 중공사막 형태의 막 구조체(20)로서, 탄소나노물질끼리 서로 얽힌 3차원 망상 구조체인 막 구조체(20)를 형성한다. 여기서, 탄소나노물질(10)로 구성된 평막 또는 중공사막 형태의 막 구조체(20)는 전도성 탄소나노튜브 구조체를 의미할 수 있다.

탄소나노물질(10)은 탄소나노튜브, 그래핀, 탄소섬유, 탄소나노와이어, 활성탄으로 이루어진 군으로부터 1종 이상 선택되는 것일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 통상적인 수처리 과정에서 사용되는 탄소 재료이면 이용이 가능하다.

막 구조체(20)는 탄소나노물질(10)을 포함하며, 원통 및 중공사막 형태의 막 구조체로서 형성된다. 다시 말해, 막 구조체(20)는 탄소나노물질(10)이 서로 얽혀 3차원의 망상 구조체로 형성하였다.

아래에서는 전도성 탄소나노튜브 구조체를 예를 들어 설명한다.

전도성 탄소나노튜브 구조체의 제조 방법은, a) 탄소나노물질, 고분자가 분산된 용액을 처리하여, 탄소나노물질이 서로 얽혀 형성된 3차원 망상 구조물로 이루어진 막 형태로 고정하는 단계 및 b) 열처리하여 고분자를 제거 또는 탄화시키는 단계를 포함할 수 있다.

a) 단계의 처리 공정은 습식 방사, 전기 방사, 닥터 블레이드 코팅, 침지-인상법 중에서 선택되는 1종 이상의 방법으로 수행되는 것일 수 있으며, 바람직하게는 습식 방사일 수 있다. 구체적으로, 탄소나노물질, 고분자가 분산된 용액을 균질한 두께를 갖도록 하면서 용매를 제거하고 형태를 고정할 수 있도록 하는 것일 수 있다.

a) 단계에서 탄소나노물질은 유기용매 또는 수성용매에 분산될 수 있다. 유기용매는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 탄소나노물질을 분산시키는 데에 사용하는 것이면 특별히 제한은 없으며, 바람직하게는 N-메틸-2-피롤리돈 또는 다이메틸설폭사이드가 사용될 수 있다.

a) 단계에서 고분자는 폴리비닐계, 폴리스티렌계, 폴리비닐리덴플루오라이드계, 폴리아크릴계, 폴리아크릴로나이트릴계, 레이온계 또는 이들 고분자의 공중합체로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있다.

b) 단계에서는 열처리 공정에 의해 탄소나노물질과 탄화된 고분자가 결합하여 복합체를 형성할 수 있다.

탄소나노튜브가 분산된 용액(CNT: PAN: DMSO = 2.85~3.15: 1.9~2.1: 34.675~38.325 (중량%))을 수중방사 방법을 통하여 중공사 및 원통형 구조체를 제작하였다. 열처리하여 가연성 고분자를 선택적으로 제거하여 전도성 탄소 막 구조체를 완성하였다. 이 때, 주입 속도는 CNT sol = 160 mL/hr이고, 소성 온도는 +9℃/min for 30min and 300℃ for 2hr, +5℃/min for 80min and 700℃ for 2hr이다. 이러한 일 실시예에 따른 고분자 구조체 PAN(Poly-Acrylonitrile)는 기존의 전도성 탄소 구조체(CHF)에 비하여 강도가 강하고, 중공사 막 형태가 제대로 만들어지지 않으며 CNT sol의 주입 속도를 줄이면서 중공사 막 형태를 관찰할 수 있다.

도 3은 일 실시예를 이용한 수처리 공정 장치 및 장치 내 전극을 나타낸 사진이다.

도 3은 중공사막 방사 장치(1)의 단면을 도식화하여 표현한 것으로, 중공사막 방사 장치(1)는 막 구조체(20)를 형성하기 위한 증류수와 방사액을 포함할 수 있다.

도 4는 일 실시예에 따른 개량된 전도성 탄소 구조체의 성능 평가를 나타내는 도면이다.

도 4를 참조하면, (a)는 기존의 전도성 탄소 구조체(CHF)를 나타내며, (b)는 일 실시예에 따른 개량된 전도성 탄소 구조체의 SEM(Scanning Electron Microscope) 결과를 나타낸다. 여기서, 일 실시예에 따른 개량된 전도성 탄소 구조체는 앞에서 언급한 일 실시예에 따른 PAN(Poly-Acrylonitrile)를 포함하는 고분자 구조체를 의미할 수 있다.

기존의 전도성 탄소 구조체(CHF)의 경우, 내경이 평균 0.5±0.05 mm이고, 외경이 평균 1.5±0.07 mm이며, 두께가 평균 238±20 μm이며, 일 실시예에 따른 개량된 전도성 탄소 구조체(PAN-CHF)의 경우, 내경이 평균 2.1±0.20 mm이고, 외경이 평균 3.3±0.25 mm이며, 두께가 평균 583±80 μm이다.

즉, 일 실시예에 따른 개량된 전도성 탄소 구조체(PAN-CHF)는 기존의 전도성 탄소 구조체(CHF)와 비교하여 구경 2배 이상 증가 및 강도 향상을 확인할 수 있다. 혐기성 소화조에서 CNT 유출을 방지하기 위하여 기존 기술보다 구경 및 강도를 증가시킬 수 있다.

이와 같이, 실시예들에 따르면 탄소나노튜브로 구성된 중공사형 또는 원통형의 거대 구조체를 제작하여 혐기성 반응조에 적용함에 따라 바이오가스의 생산속도가 향상되는 것을 확인할 수 있다.

도 5a 및 도 5b는 일 실시예에 따른 혐기성 소화 공정에서의 메탄 생성 효율 향상 방법을 나타내는 흐름도이다.

도 5a 및 도 5b를 참조하면, 일 실시예에 따른 혐기성 소화 공정에서의 메탄 생성 효율 향상 방법은, 혐기성 반응조 내에 산 생성 미생물과 메탄 생성 미생물 간 전자 전달 속도를 증가시키는 탄소나노물질을 투여하는 단계(S120)를 포함하여 이루어질 수 있다. 또한, 탄소나노물질을 혐기성 반응조에 투입하기 이전에, 탄소나노물질을 구조체로 제조하는 단계(S110)를 더 포함할 수 있다.

먼저, 단계(S110)에서, 탄소나노물질을 구조체로 제조할 수 있다.

여기서, 탄소나노물질은 미생물의 부착을 용이하게 하고 산 생성 미생물과 메탄 생성 미생물간의 직접 전자전달을 하도록 전도성의 탄소나노튜브(Carbon Nano Tube, CNT)를 구조체로 구성할 수 있다. 이러한 탄소나노물질은 중공사형 또는 원통형의 전도성 탄소 탄소나노튜브 구조체일 수 있다. 이 때, 구조체는, CNT: PAN: DMSO = 2.85~3.15: 1.9~2.1: 34.675~38.325 중량%인 전도성 탄소 구조체일 수 있다.

탄소나노물질을 구조체의 제조 방법은 탄소나노물질과 서로 얽힌 원형 또는 중공사막 형태의 막 구조체를 형성할 수 있다. 이러한 탄소나노물질을 구조체로 제조하는 단계(S110)는, 앞에서 설명한 바와 같이, 탄소나노물질, 고분자가 분산된 용액을 처리하여 막 구조체를 고정되게 형성하는 단계(S111), 그리고 막 구조체를 열처리하여 고분자를 제거 또는 탄화시키는 단계(S112)를 포함할 수 있다. 이에 따라, 열처리 공정에 의해 탄소나노물질과 탄화된 고분자가 결합되어 복합체를 형성할 수 있다.

단계(S120)에서, 혐기성 반응조 내에 산 생성 미생물과 메탄 생성 미생물 간 전자 전달 속도를 증가시키는 탄소나노물질을 투여할 수 있다.

여기에서 사용되는 탄소나노물질은, 상술한 바와 같이, 혐기성 소화 공정에서의 메탄 생성 효율 향상을 위해 혐기성 반응조에 투입되며, 혐기성 반응조 내에 산 생성 미생물과 메탄 생성 미생물 간 전자 전달 속도를 증가시킬 수 있다.

이러한 방법에 따라 전도성 탄소나노튜브 구조체가 형성될 수 있다.

일 실시예에 따른 전도성 탄소나노튜브 구조체는 혐기성 소화 공정에서의 메탄 생성 효율 향상을 위해 혐기성 반응조에 투입되며, 혐기성 반응조 내에 산 생성 미생물과 메탄 생성 미생물 간 전자 전달 속도를 증가시키는 전도성을 가진 탄소나노물질을 포함하여 이루어질 수 있다. 여기서, 탄소나노물질은 미생물의 부착을 용이하게 하고 산 생성 미생물과 메탄 생성 미생물간의 직접 전자전달을 하도록 전도성의 탄소나노튜브(Carbon Nano Tube, CNT)를 구조체로 구성할 수 있다. 탄소나노물질을 혐기성 반응조에 투입하기 이전에, 탄소나노물질을 구조체로 제조할 수 있으며, 이러한 탄소나노물질을 구조체는 탄소나노물질과 서로 얽힌 원형 또는 중공사막 형태의 막 구조체를 형성할 수 있다.

실시예들은 전도성이 우수한 탄소나노튜브를 중공사형 또는 원통형의 거대 구조체로 제조하여 미생물의 부착을 용이하게 함과 동시에, 산 생성 미생물과 메탄 생성 미생물간의 직접 전자전달을 통해 혐기성 소화 공정에서의 바이오가스 생산속도를 증가시키는 방법을 제공할 수 있다. 제조된 전도성 탄소 구조체는 혐기성 반응조 내에 지속적으로 체류가 가능하여 추가적인 보충이 불필요하고, 메탄 생성 속도와 전환 효율을 향상시킴으로써 혐기성 반응조의 부피를 줄일 수 있을 것으로 기대된다.

실시예들에 따르면 탄소나노튜브로 구성된 중공사형 또는 원통형의 거대 구조체를 제작하여 혐기성 반응조에 적용함에 따라 바이오가스의 생산속도 향상을 확인할 수 있다.

실시예

일 실시예의 전도성 탄소나노튜브 구조체에 의한 메탄 생성 속도 및 수율 향상을 확인하기 위하여 동일한 양의 고분자 중공사 구조체를 투여한 연속 반응 장치를 혐기성 소화 조건에서 운영하였다.

전도성 탄소나노튜브 구조체와 고분자 구조체를 각각 2g/L를 투여한 상기 혐기성 반응조를 100일 이상 운전한 결과, 전도성 탄소나노튜브 구조체를 투여한 반응조의 메탄 생성 속도는 고분자 구조체가 투여된 반응조에 비해 항상 높았으며, 유기물부하량(Organic Loading Rate, OLR)이 0.5g/L~4g/L로 증가함에 따라 점차 증가하여, OLR 4g/L에서 최대 34% 향상됨을 확인하였다. 이러한 일 실시예에 따른 전도성 탄소나노튜브 구조체를 투여한 혐기성 반응조의 메탄 생성 속도 및 비교예인 고분자 구조체가 투여한 혐기성 반응조의 메탄 생성 속도의 비교 그래프를 도 6와 같이 나타낼 수 있다.

여기에서는 혐기성 소화(Anaerobic Digestion, AD)의 지속적인 작동 동안 탄소나노튜브 구조체(Carbon Nanotube Hollow Fiber, CHF)가 성능에 미치는 영향을 모니터링하고 평가한다. CHF 첨가 반응기 1(R1)을 100일 동안 연속적으로 작동시켰다. 대조구로서, 반응기 2(R2)는 성능을 R1과 비교하기 위해 유사한 바이오 매스 보유 특성을 갖는 절연 물질인 중공사(Hollow Fiber, HF)의 존재에 의해 작동되었다. 주사 전자 현미경(Scanning Electron Microscopy, SEM) 및 공초점 레이저 주사 현미경(Confocal Laser Scanning Microscopy, CLSM)을 사용하여 혐기성 소화 에 대한 CHF의 효과를 시각화 하였다. 또한, 미생물 공동체에 대한 HF 및 CHF의 효과는 16S rRNA 기반 차세대 시퀀싱을 사용하여 직접 전자 이동과 관련된 공정 거동에 대한보다 포괄적인 통찰력을 얻음으로써 조사되었다.

시딩 소스를 준비하기 위해, 한국의 C 양조장 폐수 처리장의 혐기성 소화조에서 얻은 슬러지는 접종 전에 14 일 동안 35 ° C에서 혐기성 조건 하에서 순화되었다. 시드 슬러지의 총 고체 (TS), 휘발성 고체 (VS), 알칼리도 및 pH는 각각 7.2 g / L, 3.6 g / L, 0.33 g CaCO₃ / L 및 7.00이었다.

모델 기판으로서 에탄올을 사용하였다. 배지는 또한 다음 영양소 및 미량 금속 (리터당)을 함유하였다: NaHCO₃, 4.12 g; 효모 추출물, 0.56 g; NH₄Cl, 955.4 mg; KH₂PO₄, 219.4 mg; FeCl₂, 37.8 mg; 레자 주린 용액, 1 mL; 미량 원소 용액, 0.1 mL. 레자 주린 용액의 조성은 (리터당) 다음과 같다: 레사 주린, 0.5 mg; MgCl2x6H2O, 10 mg; CaCl2, 5 mg. (리터당) 미량 원소 용액의 조성: MgCl2Х6H2O, 1,000 mg; CaCl2, 750 mg; Na2MoO4Х4H2O, 0.1 mg; H3BO3, 0.5 mg; 82 MnCl2Х4H2O, 5 mg; ZnCl2, 0.5 mg; CuCl2, 0.3 mg; NiCl2Х6H2O, 0.5 mg; CoCl2Х2H2O, 5 mg; 83 Na2SeO3, 0.5 mg; EDTA, 5 mg; AlCl3, 0.5 mg.

일 실시예에 따른 개량된 전도성 탄소 구조체(PAN-CHF)는 습식 방사법에 이어 열 소성에 의해 제조되었다. 균일한 방사 용액을 제조하기 위해, 표면 기능화된 다중 벽 탄소 나노 튜브(surface-functionalized multiwall carbon nanotubes, MWCNT)(또는 CNT) 및 PAN 용액을 DMSO(dimethyl sulfoxide)에 용해시켰다. 30 분 동안 초음파 처리하였다. 이어서, 제조된 방적 용액을 정류 펌프에 의해 외부 스테인레스 스틸 모세관을 통해 물로 압착하여 CNT / PAN 중공사를 제조하였다. CNT / PAN 중공사를 물로 5 회 애싱 한 후, 실온 (20 ℃)에서 밤새 건조시켰다. 아르곤 가스 흐름 (3 m / h)으로 350 ℃에서 1 시간 동안 소성한 후, CNT / PAN 중공사를 최종적으로 자립 PAN-CHF로 전환시켰다.

도 6는 일 실시예에 따른 혐기성 반응조의 메탄 생성 속도를 비교예와 비교하여 나타내는 그래프이다.

도 6에 도시된 바와 같이, 일 실시예에 따른 혐기성 반응조의 메탄 생성 속도 및 비교예에서 시간이 증가함에 따라 메탄 생성 속도는 증가되며, 일 실시예에 따른 혐기성 반응조의 메탄 생성 속도는 비교예보다 매 시간마다 높은 메탄 생성 속도를 가진다. 특히, 일 실시예에 따른 혐기성 반응조의 메탄 생성 속도는 시간이 증가할수록 비교예보다 크게 메탄 생성 속도가 향상되는 것을 확인할 수 있다.

현재 혐기성 소화 공정은 처리 속도가 느려 반응조 부피를 크게 제작하여야 하는 문제점을 지니고 있다. 이에 대한 여러 가지 방안들이 나오고 있지만, 현재 혐기성 소화조의 구성을 바꾸는 데에는 많은 경제적인 부담감으로 인하여 상용화가 불가능한 현실이다. 본 실시예에서 개발한 전도성 구조체는 추가적인 반응조의 구성변화 없이 문제점을 해결할 수 있다.

본 실시예에서는 전도성 물질로 혐기성 소화조를 향상시킬 수 있고, 상용화를 고려하여 유출 방지를 위해 전도성 물질을 구조체로 제작하여 그 영향을 확인할 수 있다.

이상과 같이, 실시예들에 따르면 전도성이 우수한 탄소나노튜브를 중공사형 또는 원통형의 거대 구조체로 제조하여 미생물의 부착을 용이하게 함과 동시에, 산 생성 미생물과 메탄 생성 미생물간의 직접 전자전달을 통해 혐기성 소화 공정에서의 바이오가스 생산속도를 증가시킬 수 있다. 제조된 전도성 탄소 구조체는 혐기성 반응조 내에 지속적으로 체류가 가능하여 추가적인 보충이 불필요하고, 메탄 생성 속도와 전환 효율을 향상시킴으로써 혐기성 반응조의 부피를 줄일 수 있다.

Claims

혐기성 소화 공정에서의 메탄 생성 효율 향상 방법에 있어서,
혐기성 반응조 내에 산 생성 미생물과 메탄 생성 미생물 간 전자 전달 속도를 증가시키는 전도성을 가진 탄소나노물질을 투여하는 단계
를 포함하는, 메탄 생성 효율 향상 방법.
제1항에 있어서,
상기 탄소나노물질은,
미생물의 부착을 용이하게 하고 산 생성 미생물과 메탄 생성 미생물간의 직접 전자전달을 하도록 전도성의 탄소나노튜브(Carbon Nano Tube, CNT)를 구조체로 구성하는 것
을 특징으로 하는, 메탄 생성 효율 향상 방법.
제1항에 있어서,
상기 탄소나노물질을 상기 혐기성 반응조에 투입하기 이전에, 상기 탄소나노물질을 구조체로 제조하는 단계
를 더 포함하는, 메탄 생성 효율 향상 방법.
제3항에 있어서,
상기 구조체는,
CNT: PAN: DMSO = 2.85~3.15: 1.9~2.1: 34.675~38.325 중량%인 전도성 탄소구조체인 것
을 특징으로 하는, 메탄 생성 효율 향상 방법.
제3항에 있어서,
상기 탄소나노물질을 구조체로 제조하는 단계는,
상기 탄소나노물질과 서로 얽힌 원형 또는 중공사막 형태의 막 구조체를 형성하는 것
을 특징으로 하는, 메탄 생성 효율 향상 방법.
제3항에 있어서,
상기 탄소나노물질을 구조체로 제조하는 단계는,
습식 방사, 전기 방사, 닥터 블레이드 코팅, 침지-인상법 중에서 선택되는 1종 이상의 방법으로 수행되는 것
을 특징으로 하는, 메탄 생성 효율 향상 방법.
제3항에 있어서,
상기 탄소나노물질을 구조체로 제조하는 단계는,
상기 탄소나노물질을 유기용매 또는 수성용매에 분산하는 것
을 특징으로 하는, 메탄 생성 효율 향상 방법.
제3항에 있어서,
상기 탄소나노물질을 구조체로 제조하는 단계는,
탄소나노물질, 고분자가 분산된 용액을 처리하여 막 구조체를 고정되게
형성하는 단계
를 포함하는, 메탄 생성 효율 향상 방법.
제8항에 있어서,
상기 탄소나노물질을 구조체로 제조하는 단계는,
상기 막 구조체를 열처리하여 상기 고분자를 제거 또는 탄화시키는 단계
를 더 포함하는, 메탄 생성 효율 향상 방법.
제8항에 있어서,
상기 고분자는 폴리비닐계, 폴리스티렌계, 폴리비닐리덴플루오라이드계, 폴리아크릴계, 폴리아크릴로나이트릴계, 레이온계 또는 이들 고분자의 공중합체로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 이용하는 것
을 특징으로 하는, 메탄 생성 효율 향상 방법.
제9항에 있어서,
상기 막 구조체를 열처리하여 상기 고분자를 제거 또는 탄화시키는 단계는,
열처리 공정에 의해 상기 탄소나노물질과 탄화된 상기 고분자가 결합되어 복합체를 형성하는 것
을 특징으로 하는, 메탄 생성 효율 향상 방법.
제3항에 있어서,
상기 탄소나노물질은 탄소나노튜브, 그래핀, 탄소섬유, 탄소나노와이어, 활성탄으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 이용하는 것
을 특징으로 하는, 메탄 생성 효율 향상 방법.
혐기성 소화 공정에서의 메탄 생성 효율 향상을 위해 혐기성 반응조에 투입되며, 상기 혐기성 반응조 내에 산 생성 미생물과 메탄 생성 미생물 간 전자 전달 속도를 증가시키는 전도성을 가진 탄소나노물질
을 포함하는, 전도성 탄소나노튜브 구조체.
제13항에 있어서,
상기 탄소나노물질은,
미생물의 부착을 용이하게 하고 산 생성 미생물과 메탄 생성 미생물간의 직접 전자전달을 하도록 전도성의 탄소나노튜브(Carbon Nano Tube, CNT)를 구조체로 구성하는 것
을 특징으로 하는, 전도성 탄소나노튜브 구조체.
제13항에 있어서,
상기 탄소나노물질을 상기 혐기성 반응조에 투입하기 이전에, 상기 탄소나노물질을 구조체로 제조하며, 상기 탄소나노물질을 구조체는, 상기 탄소나노물질과 서로 얽힌 원형 또는 중공사막 형태의 막 구조체를 형성하는 것
을 특징으로 하는, 전도성 탄소나노튜브 구조체.