KR20220079421A - 증기를 이용한 표면활성 방식의 활성 바이오차 제조장치 및 이를 이용한 활성 바이오차의 제조방법 - Google Patents

증기를 이용한 표면활성 방식의 활성 바이오차 제조장치 및 이를 이용한 활성 바이오차의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 외부 공기의 유입을 차단한 상태에서 증기를 발생시켜서 바이오매스를 열분해시킴과 동시에 바이오차의 표면을 활성화시킴으로써, 단순하고 소규모의 장비를 이용하여 높은 생산 수율로 바이오차를 생산할 수 있게 되는 바이오차 제조장치 및 바이오차 제조방법에 관한 것이다.

Description

증기를 이용한 표면활성 방식의 활성 바이오차 제조장치 및 이를 이용한 활성 바이오차의 제조방법{Manufacturing Method and Apparatus for BioChar}
본 발명은 바이오차(BioChar)를 제조하기 위한 장치 및 방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 외부 공기의 유입을 차단한 상태에서 외부 가열함으로써 내부의 증기에 의해 바이오차의 표면을 활성화시킴으로써, 단순하고 소규모의 장비를 이용하여 높은 생산 수율로 활성 바이오차를 생산할 수 있게 되는 바이오차 제조장치 및 바이오차 제조방법에 관한 것이다.
바이오매스의 열분해로 얻어지는 바이오차는 비표면적이 넓고 가격이 저렴하여 활성탄과 같은 기존의 흡착제를 대체할 수 있는 저렴한 흡착제로 주목받고 있다. 또한 바이오차는 토양 개량제로 활용할 수 있어서 비료로서도 사용된다. 대한민국 등록특허 제10-2041070호 등에는 바이오차 생산을 위한 종래 기술이 개시되어 있다.
그런데 종래 기술의 경우, 바이오매스의 열분해 과정에서 외부 공기가 유입되며, 그로 인하여 바이오차의 생산 수율이 저하되는 문제점이 있다. 또한 종래 기술은 대단위의 복잡한 설비가 필요하므로 바이오차의 생산에 큰 비용이 소요되며, 그에 따라 농가 등에서 소규모로 바이오차를 생산하여 사용하기에는 적합하지 않다는 한계가 있다.
대한민국 등록특허공보 제10-2041070호(2019. 11. 27. 공고).
본 발명은 위와 같은 종래 기술의 한계를 극복하기 위하여 개발된 것으로서, 외부 공기의 유입을 차단한 상태에서 증기에 의해 바이오차의 표면을 활성화시킴으로써, 단순하고 소규모의 장비를 이용하여 높은 생산 수율로 활성 바이오차를 생산할 수 있게 함으로써, 농가 등의 소규모 단위에서도 쉽게 활성 바이오차를 생산하여 다양한 용도로 유용하게 사용할 수 있게 되는 기술을 제공하는 것을 목적으로 한다.
위와 같은 과제를 달성하기 위하여 본 발명에서는, 외부 공기의 유입을 차단한 상태에서 증기를 발생시켜서 바이오매스를 열분해시킴과 동시에 바이오차의 표면을 활성화시킴으로써, 바이오차를 생산하게 되는 장치 및 방법이 제공된다.
구체적으로 본 발명에서는 내부 공간을 가지는 부재로 이루어져서 연료의 연소에 의해 열에너지가 발생되어 바이오매스의 열분해가 진행되는 가열챔버; 및 밀폐되어 외부 공기가 유입될 수 없는 격리 공간을 가지면서 상기 가열챔버의 내부 공간 내에서 격리된 상태로 위치하며, 물과 혼합된 바이오차가 투입되어 가열챔버로부터 전달되는 열에너지와 그로 인한 내부의 수증기에 의해 바이오차에 대한 표면활성화가 진행되는 표면활성화 챔버를 포함하여 구성되어; 가열챔버에서는 열분해된 바이오차가 생산되고, 표면활성화 챔버에서는 표면활성화가 이루어진 활성 바이오차가 생산되는 것을 특징으로 하는 바이오차 제조장치가 제공된다.
또한 본 발명에서는 상기한 목적을 달성하기 위하여, 상기한 바이오차 제조장치를 이용하여 바이오차를 제조하는 방법으로서, 바이오매스와 물을 혼합하여 표면활성화 챔버 내에 주입한 후 외부 공기가 내부로 유입될 수 없도록 표면활성화 챔버를 밀폐시키는 단계(단계 S1); 표면활성화 챔버가 가열챔버의 내부 공간 중앙에 위치하고 있는 상태에서 가열챔버의 내부 공간에서 연료를 연소시킴으로써 열을 발생시키는 단계(단계 S2); 및 가열챔버의 내부 공간이 사전설정 온도에 이르게 되면, 가열챔버의 내부에 바이오매스를 투입하는 단계(단계 S3)를 포함하여 진행되어, 가열챔버를 통해서 열분해된 바이오차를 생산함과 동시에 표면활성화 챔버를 통해서 열분해 및 표면활성화가 이루어진 바이오차를 생산하게 되는 것을 특징으로 하는 바이오차 제조방법이 제공된다.
위와 같은 본 발명의 바이오차 제조장치 및 제조방법에 있어서, 표면활성화 챔버는, 원기둥 형상을 가지고 있으며; 원기둥 형상에서 지름(D)에 대한 높이(L)의 비율(L/D)은 0.2의 값을 갖는 구성을 가질 수 있다.
본 발명에 따른 바이오차 제조장치 및 제조방법에 의하면 바이오차의 제조에 있어서 우수한 열적 활성화 및 증기 활성화의 효과가 발휘되며, 그에 따라 우수한 표면활성화 성능과 큰 비표면적을 가지는 바이오차를 매우 간단한 구조의 장비를 이용하여 경제적으로 제조할 수 있게 되는 장점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 바이오차 제조장치의 개략적인 투시 사시도이다.
도 2는 도 1의 화살표 A-A에 따른 개략적인 단면도이다.
도 3은 표면활성화 챔버의 원기둥 형상의 높이/지름 비율(L/D)과, 가마의 온도와, 가열시간 간의 상관관계를 보여주는 결과를 표시한 그래프도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 하나의 실시예로서 설명되는 것이며, 이것에 의해 본 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용이 제한되지 않는다.
도 1에는 본 발명에 따른 바이오차 제조장치(100)의 개략적인 투시 사시도가 도시되어 있고, 도 2에는 도 1의 화살표 A-A에 따른 개략적인 단면도가 도시되어 있다.
본 발명에 따른 바이오차 제조장치(100)는 내부 공간을 가지는 부재로 이루어진 가열챔버(1)와, 밀폐되어 외부 공기가 유입될 수 없는 격리 공간을 가지면서 상기 가열챔버(1)의 내부 공간 내에서 격리된 상태로 위치하는 표면활성화 챔버(2)를 포함하여 구성된다.
가열챔버(1)는 내부 공간을 가지는 부재로서, 내부 공간 내에서 연료가 연소됨으로써 열에너지가 발생되는 구성을 가지는 부재이다. 가열챔버(1)는 개폐가 가능한 뚜껑을 가지는 냄비 형태의 부재로 이루어질 수 있다. 후술하는 것처럼 필요에 따라서는 가열챔버(1)의 내부 공간에 바이오매스를 넣은 상태에서 내부 공간 내에서 연료를 연소시킬 수 있으며, 이 경우에는 연료의 연소에 의한 열에너지 발생과 더불어, 연료와 함께 내부 공간에 넣어져 있던 바이오매스의 열분해 공정이 진행됨으로써 바이오매스로부터 열분해된 바이오차가 생산될 수 있다.
표면활성화 챔버(2)는 외부 공기가 유입될 수 없는 밀폐된 구조를 가지는 부재로서, 가열챔버(1)와는 이격된 상태로 가열챔버(1)의 내부 공간에 위치한다. 표면활성화 챔버(2) 역시 개폐가 가능한 뚜껑을 가지는 냄비 형태의 부재로 이루어질 수 있되 공기 유입을 차단할 수 있도록 밀폐되는 구성을 가진다. 표면활성화 챔버(2)는 가열챔버(1)보다 작으며, 따라서 표면활성화 챔버(2)가 가열챔버(1)의 내부 공간 내에 배치된 상태에서 표면활성화 챔버(2)의 외면과 가열챔버(1)의 내면 사이에는 이격된 공간이 존재한다. 이러한 이격된 공간에 앞서 설명한 것처럼 열에너지 발생을 위해 연소될 연료가 담겨지며 더 나아가 앞서 설명한 것처럼 열분해된 바이오차의 생산을 위한 바이오매스가 담겨질 수 있다.
표면활성화 챔버(2)의 밀폐된 내부 공간에는 바이오차와 물이 혼합된 상태로 주입된다. 가열챔버(1)의 내부 공간에 담겨진 연료가 연소되면서 열에너지가 발생하게 되면, 그 열에너지는 표면활성화 챔버(2)로 전달되고, 그에 따라 표면활성화 챔버(2)의 내부에 담겨진 바이오차의 표면활성화가 진행된다.
위와 같은 형태로 본 발명의 바이오차 제조장치(100)를 구성함에 있어서, 열에너지의 효율적인 전달 즉, 열전달 효율을 극대화시키기 위하여 표면활성화 챔버(2)는 원기둥 형상을 가지는 것이 바람직하며, 특히 원기둥 형상의 지름(D)에 대한 높이(L)의 비율(L/D)을 0.2 이하로 함으로써 16㎡/㎥ 이상의 표면적/부피 비율 값을 갖게 만드는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 바이오차 제조방법에서는 상기한 구성을 가지는 바이오차 제조장치(100)를 이용하여 바이오차를 제조하게 된다. 구체적으로 바이오차와 물을 혼합하여 표면활성화 챔버(2) 내에 주입한 후 외부 공기가 내부로 유입될 수 없도록 표면활성화 챔버(2)를 밀폐시킨다(단계 S1). 이 때, 바이오차와 물은 중량비로서 1:1의 비율로 혼합하는 것이 바람직하다.
위와 같이 준비된 표면활성화 챔버(2)가 가열챔버(1)의 내부 공간 중앙에 위치하고 있는 상태에서 가열챔버(1)의 내부 공간에서 연료를 연소시킴으로써 열에너지를 발생시킨다(단계 S2). 가열챔버(1)의 내부 공간에서 연소가 진행되면, 그 열에너지는 표면활성화 챔버(2)로 전달된다. 그에 따라 표면활성화 챔버(2) 내에 물과 혼합되어 상태로 담겨져 있던 바이오매스는 열분해에 의해 바이오차로 만들어지게 된다. 이 때, 표면활성화 챔버(2)에는 바이오차가 물과 혼합되어 담겨져 있고, 표면활성화 챔버(2)는 밀폐되어 있어서 외부 공기의 유입이 완전히 차단된 상태이므로, 표면활성화 챔버(2)로 열에너지가 전달되면서 그 내부의 물이 수증기로 만들어지고, 이러한 수증기에 의해 바이오차의 표면활성화가 진행된다. 그 결과 소정 시간 동안 열에너지에 노출된 표면활성화 챔버(2)에서는 표면활성화가 이루어진 바이오차 즉, 활성 바이오차가 제조된다.
필요에 따라서는 가열챔버(1)에 바이오매스를 투입하여 가열챔버(1)를 통해서 열분해된 바이오차를 추가적으로 생산할 수도 있다. 가열챔버(1) 내에서 연료를 연소시켜서 가열챔버(1)의 내부 공간이 사전에 정해진 온도에 이르게 되면 가열챔버(1)의 내부 공간에 바이오매스를 투입한다. 가열챔버(1)의 내부 공간에 투입된 바이오매스는 연료의 연소 과정에서 소정 시간 동안 열에 노출되고, 그에 따라 열분해가 진행되어 열분해된 바이오차가 된다. 즉, 가열챔버(1)의 내부 공간에서는 열분해된 바이오차가 생산될 수 있는 것이다.
앞서 언급한 것처럼 가열챔버(1) 내의 연소에 의해 발생된 열에너지가 표면활성화 챔버(2)로 전달되는 효율 즉, 열전달 효율을 극대화시키기 위해서는 표면활성화 챔버(2)가 원통형 부재로 이루어지는 것이 바람직하며, 특히 원기둥 형상의 지름(D)에 대한 높이(L)의 비율(L/D)을 0.2 이하로 함으로써 16㎡/㎥ 이상의 표면적/부피 비율 값을 갖게 만드는 것이 바람직하다. 본 발명에서 제시하는 표면활성화 챔버(2)의 원기둥 형상 지름(D)에 대한 높이(L)의 비율(L/D) 값은 본 발명만의 고유한 것으로서, 매우 특별한 기술적 의의를 가진다.
가열챔버(1)의 내부 공간에서 연료가 연소하면서 발생한 열에너지가 표면활성화 챔버(2)로의 전달되는 효율 즉, 열전달 효율을 최대화하기 위하여, 전산유체역학(Computational Fluid Dynamics) 기법을 활용하여 시간에 따른 온도 변화를 연산 도출할 수 있는데, 도 3은 이러한 연산 결과를 보여준다. 구체적으로 도 3에는 가열챔버(1)의 내부 온도가 섭씨 420도로 상승한 후 점차 감소하는 과정에서 표면활성화 챔버(2)의 원기둥 형상의 지름(D)에 대한 높이(L)의 비율(L/D)과, 가마의 온도(temperature)와, 가열시간(time) 간의 상관관계를 보여주는 결과를 표시한 그래프도가 도시되어 있다. 참고로 도 3에서 "가마"라는 용어는 가열챔버(1)를 의미한다. 도 3에 제시된 것처럼 표면활성화 챔버(2)의 원기둥 형상의 지름(D)에 대한 높이(L)의 비율(L/D)이 0.2일 때 가장 우수한 열전달 효율을 보이고 있음을 확인할 수 있다.
본 발명에 따른 바이오차 제조장치와 제조방법의 검증을 위하여, 라이스 허스크(rice husk)로 이루어진 바이오매스를 이용하여 다양한 조건에서 바이오차를 생산하여 실험을 수행하였다. 아래의 표 1은 실험에 사용된 각각의 시료에 대한 실험결과를 정리한 결과이다. 도 4는 실험에 적용된 활성 바이오차 제조 조건을 도식화하여 보여주는 개략도이다.
실험에 사용된 시료는 공통적으로 라이스 허스크(rice husk)로 이루어진 바이오매스를 물과 혼합하여 제조하였다. BC로 표시된 시료("BC 시료")는 바이오매스를 단순히 가열된 가열챔버(1)의 내부 공간에서 2시간 동안 열분해시킴으로써 제조한 바이오차이고, BC-4hr로 표시된 시료("BC-4hr 시료")는 바이오매스를 가열된 가열챔버(1)의 내부 공간에 투입하여 4시간 동안 열분해시킴으로써 제조한 바이오차이다.
ABC로 표시된 시료("ABC 시료")는, 위의 "BC 시료"(바이오매스를 단순히 가열된 가열챔버의 내부 공간에 투입하여 2시간 동안 열분해시킴으로써 제조한 바이오차)에 물을 주입하지 않은 채, 본 발명에 따른 바이오차 제조장치(100)의 활성화 챔버(2)에 주입하여 본 발명의 방법에 따라 2시간 동안 표면활성화시킨 바이오차이다. ABC-S로 표시된 시료("ABC-S 시료")는, 위에서 설명한 "ABC 시료"와 유사하게, 위 "BC 시료"에 물을 더 포함시킨 상태로 본 발명에 따른 바이오차 제조장치(100)의 활성화 챔버(2)에 주입하여 본 발명의 방법에 따라 2시간 동안 표면활성화시켜서 제조한 활성 바이오차이다.
각각의 시료에 대해 바이오차의 활성화에 따른 성능을 비교하기 위해 바이오차 생산수율(production yield), 비표면적(surface area), 공극 부피(pore volume) 및 암모니아 흡착량을 측정하였다. 생산수율은 원재료 무게 대비 생산된 바이오차 무게로 계산하였으며, 비표면적과 공극 부피는 Brunauer-Emmett-Teller (BET) 모델을 이용하여 계산하였다. 암모니아 흡착량은 50mg NH4 +-N/L 용액 40mL에 0.1g 바이오차를 주입한 후 48시간 동안 교반하여 평형상태에 이르게 하고, 이때의 물질 수지를 이용하여 산출하였다.
Figure pat00001
표 1의 결과에서 알 수 있듯이, 단순히 한 번의 열분해만을 거쳐서 생산된 바이오차(BC 시료)의 비표면적은 76.2m2/g지만, 바이오차에 물을 주입하여 본 발명의 장치에 의해 증기 활성화 공정을 거쳐서 제작된 활성 바이오차(ABC-S 시료)의 비표면적은 259.4m2/g으로서 BC 시료에 비하여 약 2.4배 증가한 비표면적을 가지게 됨을 확인할 수 있다. 바이오차에 물을 주입하지 않은 채 열로만 활성화시킨 바이오차(ABC 시료)의 비표면적은 203.0m2/g으로 측정되었다.
수율면에서는 열분해 시간이 2시간인 BC 시료의 경우가, 열분해 시간이 4시간인 BC-4hr 시료, ABC 시료 및 ABC-S 시료보다 5.9~8.3% 높은 생산 수율을 나타내었지만, 이러한 생산 수율의 차이는 유의미한 것으로 보기 어렵다. 생산 수율은 총 열분해 시간에 영향을 받는 것이며, 수증기를 이용한 표면 활성화는 생산 수율에 유의미한 영향을 주지 않음이 확인되었다.
바이오차에 흡착된 암모니아의 양은 열분해 시간이 길어질수록 흡착량은 많아졌으며, 수증기 활성화에 의해 유의미한 흡착량의 증가를 확인할 수 있다. 즉, 수증기를 이용한 표면활성화에 따른 비표면적 및 암모니아 흡착량의 상승이 확인되는 것이다.
한편, 바이오매스와 물의 혼합비율에 따른 영향을 확인하기 위하여, "ABC-S 시료"를 준비하되, 바이오매스의 질량에 대한 물의 혼합비율을 각각 0.1와 1 그리고 5와 10으로 달리한 형태로 "ABC-S 시료"를 준비하여 위와 동일한 방식으로 표면활성화시킨 바이오차를 제조하였다. 아래의 표 2는 이러한 제조 실험에 사용된 각각의 시료에 대한 실험결과를 정리한 결과이다. 표 2에서 "ABC-S-W/B 0.1 시료"는 바이오매스의 질량에 대한 물의 혼합비율을 0.1로 설정한 "ABC-S 시료"를 의미하며, "ABC-S-W/B 1.0 시료"는 바이오매스의 질량에 대한 물의 혼합비율을 1.0으로 설정한 "ABC-S 시료"를 의미하고, "ABC-S-W/B 5.0 시료"는 바이오매스의 질량에 대한 물의 혼합비율을 5.0로 설정한 "ABC-S 시료"를 의미하며, "ABC-S-W/B 10.0 시료"는 바이오매스의 질량에 대한 물의 혼합비율을 10.0으로 설정한 "ABC-S 시료"를 의미한다.
Figure pat00002
표 2의 결과에서 알 수 있듯이, 본 발명의 장치에 의해 증기 활성화 공정을 거치되, 바이오매스의 질량에 대한 물의 혼합비율을 각각 0.1와 1 그리고 5와 10으로 달리하여 생산된 활성 바이오차의 비표면적은 각각 219.4, 255, 265 및 260m2/g로 나타났다. 이러한 결과는 바이오매스와 물의 혼합비율 1 이상에서는 바이오차의 비표면적 향상 효과가 커짐을 보여주는 것이며, 이는 본 발명에 따라 활성 바이오차를 제조함에 있어서, 바이오매스와 물의 질량 혼합비율을 1 내지 5로 것이 바람직하며, 특히 바이오매스와 물의 질량 혼합비율을 1로 하는 것이 더욱 바람직하다는 것을 확인시켜주는 것이다. 다만, 바이오매스와 물의 질량 혼합비율이 혼합비율 5를 초과하는 조건에서는 물의 비율 증가에 따른 추가 활성화 효과를 얻을 수 없으며, 특정 활성화 온도를 달성하기 위해 필요한 에너지의 양이 커지는 비효율성도 발생되었다.
위에서 상세히 설명한 것처럼 본 발명에 따른 제조장치 및 제조방법에 의하면 바이오차의 제조에 있어서 열적 활성화뿐만 아니라 증기 활성화의 효과를 확인할 수 있으며, 매우 높은 수율의 우수한 비표면적을 가지는 활성 바이오차를 매우 간단한 구조의 장비를 이용하여 경제적으로 제조할 수 있음을 확인할 수 있다.
특히, 본 발명에서는 바이오매스와 물을 주입한 표면활성화 챔버(2)를 가열챔버(1) 내에 위치시키고, 가열챔버(1) 내에서는 연료 및 바이오매스를 함께 공급한 후 연료를 연소시켜서, 가열챔버(1)를 통해서는 열분해된 바이오차를 제조함과 동시에 표면활성화 챔버(2)에서는 증기 활성화를 통해서 우수한 품질이 활성 바이오차를 생산하게 된다.
1: 가열챔버
2: 표면활성화 챔버
100: 바이오차 제조장치

Claims (5)

  1. 내부 공간을 가지는 부재로 이루어져서 연료의 연소에 의해 열에너지를 발생시키고 바이오매스의 열분해가 진행되는 가열챔버(1); 및
    밀폐되어 외부 공기가 유입될 수 없는 격리 공간을 가지면서 상기 가열챔버(1)의 내부 공간 내에서 격리된 상태로 위치하며, 물과 혼합된 바이오차가 투입되어 가열챔버(1)로부터 전달되는 열에너지에 의해 수증기에 의한 표면활성화가 진행되는 표면활성화 챔버(2)를 포함하여 구성되어;
    표면활성화 챔버(2)를 통해서 표면활성화가 이루어진 활성 바이오차가 생산되는 것을 특징으로 하는 바이오차 제조장치.
  2. 제1항에 있어서,
    표면활성화 챔버(2)는, 원기둥 형상을 가지고 있으며;
    원기둥 형상에서 지름(D)에 대한 높이(L)의 비율(L/D)은 0.2인 것을 특징으로 하는 바이오차 제조장치.
  3. 바이오차의 제조방법으로서,
    청구항 제1항 또는 제2항에 따른 바이오차 제조장치를 이용하며;
    바이오차와 물을 혼합하여 표면활성화 챔버(2) 내에 주입한 후 외부 공기가 내부로 유입될 수 없도록 표면활성화 챔버(2)를 밀폐시키는 단계(단계 S1); 및
    표면활성화 챔버(2)가 가열챔버(1)의 내부 공간 중앙에 위치하고 있는 상태에서 가열챔버(1)의 내부 공간에서 연료를 연소시킴으로써 열을 발생시키는 단계(단계 S2)를 포함하여;
    표면활성화 챔버(2)를 통해서 표면활성화가 이루어진 활성 바이오차를 생산하게 되는 것을 특징으로 하는 바이오차 제조방법.
  4. 제3항에 있어서,
    가열챔버(1)의 내부 공간이 사전설정 온도에 이르게 되면, 가열챔버(1)의 내부에 바이오매스를 투입하는 단계(단계 S3)를 포함하여 진행됨으로써, 가열챔버(1)를 통해서는 열분해된 바이오차를 생산하게 되는 것을 특징으로 하는 바이오차 제조방법.
  5. 제3항에 있어서,
    단계 S1에서 표면활성화 챔버(2) 내에 주입되는 바이오차와 물의 혼합물은, 바이오매스의 질량에 대한 물의 혼합비율이 1 내지 5인 것을 특징으로 하는 바이오차 제조방법.
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