KR20220080918A - Bioelectrochemical Method For Bio-gas Conversion of Coal Using an Alternating Current - Google Patents
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Abstract
본 발명은 종래의 혐기성소화 및 정전계를 사용한 생물전기화학적 석탄의 메탄전환기술이 가진 상기한 과제를 해결하기 위하여 교류전원으로 형성된 전자기장을 사용하여 생물전기화학적 석탄의 메탄전환 효율 향상에 관한 것이다.
본 발명의 분말 석탄과 혐기성미생물을 함유한 혐기성 슬러지를 교류전원으로 형성된 전자기장에 노출시키게 되면 석탄 분자의 영구 이극 모멘트가 분자운동(진동, 회전, 병진)이 활발해짐에 따라 분자의 동력학적 에너지를 증가하고 퍼텐셜에너지 에너지 장벽이 낮아져 석탄의 가수분해반응 및 가수분해 산물들의 연속적인 저분자화반응이 용이하게 되는 효과가 있다.
또한, 분말 석탄과 혐기성미생물을 함유한 배지에 효모추출물, 포도당, 녹말, 초산과 같이 쉽게 분해되는 기질로 이루어진 생물촉진제를 더 주입하게 되면 전자기장이 형성된 혐기성소화조 내부에서 주입된 메탄생성 전기활성균의 성장이 촉진되는 효과가 있다.
따라서 본 발명의 전자기장 하에서 발효성 기질에 의해 성장한 메탄생성 전기활성균은 석탄 가수분해 산물의 연속적인 저분자화를 촉진시켜 중간생성물들의 축적을 완화할 수 있으며 그 결과 메탄생성 전기활성균에 대한 중간생성물들의 독성이 감소하여 석탄의 메탄전환반응이 향상되게 된다.The present invention relates to the improvement of the methane conversion efficiency of bioelectrochemical coal using an electromagnetic field formed from an AC power source in order to solve the above problems of the conventional anaerobic digestion and methane conversion technology of bioelectrochemical coal using an electrostatic field.
When the powdered coal of the present invention and anaerobic sludge containing anaerobic microorganisms are exposed to an electromagnetic field formed by an AC power source, the permanent dipole moment of the coal molecules activates the molecular motion (vibration, rotation, translation), thereby increasing the kinetic energy of the molecules. It increases and the potential energy energy barrier is lowered, thereby facilitating the hydrolysis reaction of coal and the continuous low molecular weight reaction of hydrolysis products.
In addition, when a biostimulant composed of easily decomposable substrates such as yeast extract, glucose, starch, and acetic acid is further injected into the medium containing powdered coal and anaerobic microorganisms, the methanogenic electroactive bacteria injected inside the anaerobic digester where the electromagnetic field is formed It has the effect of promoting growth.
Therefore, the methanogenic electroactive bacteria grown by the fermentable substrate under the electromagnetic field of the present invention can alleviate the accumulation of intermediate products by promoting the continuous low molecular weight of coal hydrolysis products, and as a result, intermediate products for the methanogenic electroactive bacteria. By reducing their toxicity, the methane conversion reaction of coal is improved.
Description
본 발명은 전자기장을 이용하여 석탄을 바이오가스로 전환하는 생물전기화학적방법에 관한 것으로 상세하게는 절연전극이 포함된 혐기성 소화조에 메탄생성 혐기성 미생물이 포함된 혐기성 슬러지와 기질인 분말석탄 등을 주입하고 교류전원을 공급하여 전자기장을 형성하여 운전하는 방법으로 석탄을 바이오가스(메탄)으로 전환시키는 생물전기화학적방법에 관한 것이다.The present invention relates to a bioelectrochemical method for converting coal into biogas using an electromagnetic field, and in particular, anaerobic sludge containing methanogenic anaerobic microorganisms and powdered coal as a substrate are injected into an anaerobic digester including an insulating electrode, It relates to a bioelectrochemical method for converting coal into biogas (methane) by supplying AC power to form an electromagnetic field and driving it.
석탄의 생물학적 메탄전환기술은 친환경적인 메탄의 에너지전환기술로서 혐기성 미생물이 석탄에 포함되어 있는 리그닌 계열의 소수성 유기물질을 대사하여 메탄으로 전환 시키는 기술이다. 그러나 종래의 혐기성미생물을 이용한 석탄의 메탄전환방법은 석탄이 분해되는 과정에서 생성되는 중간생성물의 독성으로 인하여 반응속도가 느리고 메탄의 수율이 낮아 상업화를 적용하지 못하고 있다.Coal biological methane conversion technology is an eco-friendly energy conversion technology for methane, in which anaerobic microorganisms metabolize lignin-based hydrophobic organic substances contained in coal and convert it to methane. However, the conventional method for converting coal to methane using anaerobic microorganisms has not been commercialized due to the slow reaction rate and low yield of methane due to the toxicity of intermediate products generated during the decomposition of coal.
상기 혐기성미생물을 이용하여 석탄을 메탄으로 전환하는 과정은 입자상의 석탄들이 가수분해 되고 그 후 가수분해 산물들이 여러 단계의 발효과정을 거쳐 초산/수소 등의 메탄전구물질인 저분자 물질들로 점차 변환되어 메탄을 생성한다. 석탄의 중간생성물들은 가수분해 산물 또는 연속적인 발효과정에서 생성되며, 탄소 고리가 복잡하게 연결되어 있는 소수성 및 친유성 계열의 다환 방향족/지방족 화합물질(Heterocyclic aromatic/aliphatic compound)로서 혐기성미생물이 대사하기 어렵고 중간생성물의 독성으로 성장 또한 억제되었다. 따라서, 상기 중간생성물의 독성을 완화시켜 메탄생성균의 활성이 억제되지 않고, 연속적인 저분자화를 위한 발효속도를 향상시키도록 하는 전략이 필요하다. In the process of converting coal to methane using the anaerobic microorganisms, particulate coals are hydrolyzed, and then hydrolyzed products go through several stages of fermentation and are gradually converted into low molecular weight substances such as methane precursors such as acetic acid/hydrogen. produces methane. Intermediate products of coal are hydrolysis products or produced in the continuous fermentation process, and are hydrophobic and lipophilic polycyclic aromatic/aliphatic compounds with intricately connected carbon rings, which are metabolized by anaerobic microorganisms. Growth was also inhibited due to difficulty and toxicity of intermediates. Therefore, there is a need for a strategy to alleviate the toxicity of the intermediate product so that the activity of methanogenic bacteria is not inhibited and the fermentation rate for continuous low molecular weight is improved.
이에 중간생성물에 의한 저해효과를 완화시키고 메탄생성균의 활성을 유지하는 방법으로 혐기성소화조에 주입하는 석탄의 부하율을 낮추거나 계면활성제 주입 등을 이용하여 생물이용도를 높이는 방법, 그리고 효모추출물과 같은 생물촉진제를 주입하는 방법 등이 개발된바 있다. 그 예로서 한국출원특허 10-2020-0011558에는 높은 전압을 이용하여 고전계를 형성하는 기술이 개시되어 있으며, 한국출원특허 10-2020-0011095에서는 포도당 등의 여러 가지 발효성물질을 생물촉진제로 활용하고, 정전계를 적용하였을 때 종래의 생물전기화학 혐기성소화조보다 석탄의 메탄전환이 향상될 수 있다는 것이 개시되어 있다. 그러나 상기 생물촉진제 주입방법은 주기적으로 주입해야하는 번거로움과 추가비용이 발생하며, 정전계 조건에서 메탄생성균의 활성을 촉진시켰다 할지라도 석탄을 분해하는 과정에서 지속적으로 생성되는 중간생성물에 의한 메탄생성균의 독성이 여전히 존재하여 석탄의 메탄전환율 향상에 한계가 있었다.Accordingly, as a method of alleviating the inhibitory effect of intermediate products and maintaining the activity of methanogens, the method of lowering the load rate of coal injected into the anaerobic digester or increasing the bioavailability by using surfactant injection, and living organisms such as yeast extract A method of injecting an accelerator has been developed. As an example, Korean Patent Application No. 10-2020-0011558 discloses a technology for forming a high electric field using high voltage, and Korean Patent Application No. 10-2020-0011095 uses various fermentable substances such as glucose as a biostimulant. And, it is disclosed that when an electrostatic field is applied, the methane conversion of coal can be improved than that of a conventional bioelectrochemical anaerobic digester. However, the biostimulant injection method causes the inconvenience and additional cost of periodically injecting, and even if the activity of methanogens is promoted under the electrostatic field conditions, the methanogenic bacteria by intermediate products continuously generated in the process of decomposing coal. There was still a limit to improving the methane conversion rate of coal due to the presence of toxicity.
한편, 외부전압원을 교류전압을 사용하게 되면, 전자기장이 형성하게 된다. 전자기장은 전기장과 수직방향으로 자기장이 이동하며 운동하게 되는데, 인가 전위에 따라 진폭이 변화된다. 이 때, 주파수의 변화에 따라 분자운동이 결정되며, 주파수가 높아질수록 분자운동(진동, 회전, 병진 등)이 활발해지면서 분자 내부의 에너지가 증가하여 석탄 분해과정에서 생성되는 중간생성물의 저분자화를 가속화 시킬 수 있다. On the other hand, when an AC voltage is used as an external voltage source, an electromagnetic field is formed. The electromagnetic field moves as the magnetic field moves in the direction perpendicular to the electric field, and the amplitude changes according to the applied potential. At this time, molecular motion is determined according to the change in frequency, and as the frequency increases, molecular motion (vibration, rotation, translation, etc.) becomes more active and the energy inside the molecule increases, reducing the molecular weight of intermediate products generated in the coal decomposition process. can accelerate
상기 전자기장을 형성하게 되면, 석탄의 메탄전환 과정에서 생성되는 중간생성물의 분자운동(진동, 회전, 병진 등)으로 인하여 분자 내부에너지가 증가하여 에너지장벽(Energy potential barrier)이 완화되어 빠르게 저분자화 됨으로써 메탄생성균이 쉽게 이용 가능하여 메탄생성이 향상될 것으로 기대된다. When the electromagnetic field is formed, internal molecular energy increases due to molecular motion (vibration, rotation, translation, etc.) of intermediate products generated in the process of methane conversion of coal, thereby relaxing the energy potential barrier and rapidly reducing the molecular weight. It is expected that methanogenesis will be improved as methanogenic bacteria are readily available.
본 명세서에서 언급된 특허문헌 및 참고문헌은 각각의 문헌이 참조에 의해 개별적이고 명확하게 특정된 것과 동일한 정도로 본 명세서에 참조로 삽입된다. The patents and references mentioned in this specification are hereby incorporated by reference to the same extent as if each publication were individually and expressly specified by reference.
본 발명은 석탄으로부터 메탄가스를 생성하기 위한 생물전기화학적과정에서 발생하는 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 메탄생성을 수행하는 혐기성 미생물이 포함된 혐기성 슬러지와 기질인 분말석탄 등이 주입된 혐기성 소화조에 교류전원을 공급하여 전자기장을 형성한 상태에서 운전하는 방법으로 종래의 정전계를 이용한 방법 대비 메탄 생성율 및 수율이 향상된 것을 특징으로 하는 석탄을 메탄가스로 전환시키는 생물전기화학적방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention is to solve the above problems occurring in the bioelectrochemical process for producing methane gas from coal, anaerobic sludge containing anaerobic microorganisms performing methanogenesis and anaerobic powdered coal as a substrate, etc. To provide a bioelectrochemical method for converting coal into methane gas, characterized in that the methane production rate and yield are improved compared to the conventional method using an electrostatic field by supplying AC power to the digester to operate in a state in which an electromagnetic field is formed. There is a purpose.
본 발명의 다른 목적 및 기술적 특징은 이하의 발명의 상세한 설명, 청구의 범위 및 도면에 의해 보다 구체적으로 제시된다. Other objects and technical features of the present invention are more specifically set forth by the following detailed description of the invention, claims and drawings.
본 발명은 분말석탄을 메탄가스로 전환시키는 생물전기화학적방법으로서, 하수처리장에서 혐기성슬러지를 체거름 후 농축하여 절연전극쌍을 포함하는 혐기성소화조에 메탄생성균을 식종하는 제 1 단계; 상기 혐기성 소화조에 분말석탄을 기질로서 주입하는 제 2 단계; 상기 혐기성 소화조의 절연전극쌍에 교류전원을 공급하여 전자기장을 형성하는 제 3 단계; 및 상기 혐기성 소화조를 포함된 반응물을 교반하여 상기 석탄을 메탄가스로 전환시키는 제 4 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 석탄을 메탄가스로 전환시키는 생물전기화학적방법을 제공한다.The present invention is a bioelectrochemical method for converting powdered coal into methane gas, comprising: a first step of sieving anaerobic sludge in a sewage treatment plant and then concentrating it to inoculate methanogenic bacteria in an anaerobic digester including an insulated electrode pair; a second step of injecting powdered coal as a substrate into the anaerobic digester; A third step of forming an electromagnetic field by supplying AC power to the insulated electrode pair of the anaerobic digester; and a fourth step of converting the coal into methane gas by stirring the reactants including the anaerobic digester; It provides a bioelectrochemical method for converting coal to methane gas, comprising:
상기 혐기성슬러지는 메탄생성균을 포함하며 상기 메탄생성균은 교류전원으로 인해 형성된 전자기장에 의하여 메탄생성 전기활성균으로 우점화되며 상기 메탄생성 전기활성균은 체외전달방출균과 전자영양메탄균을 포함하고 상기 체외전달방출균과 전자영양메탄균의 직접종간전자전달을 통하여 석탄이 메탄가스로 전환되는 것을 특징으로 한다.The anaerobic sludge contains methanogenic bacteria, and the methanogenic bacteria dominate as methanogenic electroactive bacteria by an electromagnetic field formed by an alternating current power source, and the methanogenic electroactive bacteria include in vitro transfer emitters and electrotrophic methanobacteria, and It is characterized in that coal is converted into methane gas through direct interspecies electron transfer between in vitro transfer emitters and electrotrophic methane bacteria.
상기 절연전극쌍에 공급되는 교류전원은 주파수가 10 내지 200MHz이며, 상기 교류전원에 의해 형성되는 전기장은 1 내지 3 V/cm인 것을 특징으로 한다.The AC power supplied to the insulated electrode pair has a frequency of 10 to 200 MHz, and the electric field formed by the AC power is 1 to 3 V/cm.
본 발명은 교류전원을 인가한 전자기장을 사용하여 생물전기화학적 석탄의 메탄전환 효율 향상에 관한 것으로서 종래의 혐기성소화 및 정전계를 사용한 생물전기화학적 석탄의 메탄전환기술이 가진 상기한 과제를 해결하고자 한다. The present invention relates to the improvement of the methane conversion efficiency of bioelectrochemical coal using an electromagnetic field to which an AC power is applied. .
본 발명의 분말 석탄과 혐기성미생물을 함유한 혐기성 슬러지를 전자기장에 노출시키게 되면 석탄 분자에 영구 이극 모멘트가 형성되고, 이극 모멘트가 형성된 석탄입자의 분자운동(진동, 회전, 병진)이 활발해짐에 따라 분자의 동력학적 에너지를 증가하고 퍼텐셜에너지 에너지 장벽이 낮아져 석탄의 가수분해반응 및 가수분해 산물들의 연속적인 저분자화반응이 용이하게 되는 효과가 있다. When the powdered coal of the present invention and anaerobic sludge containing anaerobic microorganisms are exposed to an electromagnetic field, a permanent bipolar moment is formed in the coal molecules, and the molecular motion (vibration, rotation, translation) of the coal particles having the bipolar moment formed becomes active. The kinetic energy of the molecule is increased and the potential energy energy barrier is lowered, thereby facilitating the hydrolysis reaction of coal and the continuous low molecular weight reaction of hydrolysis products.
또한, 분말 석탄과 혐기성미생물을 함유한 배지에 효모추출물, 포도당, 녹말, 초산과 같이 쉽게 분해되는 기질로 이루어진 생물촉진제를 더 주입하게 되면 전자기장이 형성된 혐기성소화조 내부에서 주입된 전기활성균의 성장이 촉진되는 효과가 있다. In addition, when a biostimulant composed of easily decomposed substrates such as yeast extract, glucose, starch, and acetic acid is further injected into the medium containing powdered coal and anaerobic microorganisms, the growth of the electroactive bacteria injected inside the anaerobic digester where the electromagnetic field is formed is reduced. has a stimulating effect.
따라서 본 발명의 교류전압를 인가한 전자기장 하에서 성장한 메탄생성 전기활성균은 석탄 가수분해 산물의 연속적인 저분자화를 촉진시켜 중간생성물들의 축적을 완화할 수 있으며 그 결과 중간생성물에 대한 전기활성균의 독성이 감소하여 석탄의 메탄전환반응이 지속적으로 이루어지게 된다.Therefore, the methanogenic electroactive bacteria grown under an electromagnetic field to which an alternating voltage of the present invention is applied can alleviate the accumulation of intermediate products by promoting the continuous low molecular weight of the coal hydrolysis products, and as a result, the toxicity of the electroactive bacteria to the intermediate products is reduced. The methane conversion reaction of coal is continuously performed.
도 1은 본 발명의 혐기성 소화조의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 혐기성 소화조에서 실시예 및 비교예에 따라 운전한 결과 발생한 메탄의 누적생성량을 보여준다.
도 3는 본 발명의 혐기성 소화조에서 실시예 및 비교예에 따라 운전한 결과를 순환 전류전압법 그래프로 보여준다.1 is a schematic diagram of an anaerobic digester of the present invention.
Figure 2 shows the cumulative amount of methane generated as a result of operating according to Examples and Comparative Examples in the anaerobic digester of the present invention.
Figure 3 shows the results of operation according to Examples and Comparative Examples in the anaerobic digester of the present invention as a cyclic voltammetry graph.
본 발명은 상기 혐기성소화조에 분말석탄 및 혐기성 식종미생물을 포함한 혐기성슬러지를 주입하거나 효모추출물, 포도당, 녹말, 초산과 같이 쉽게 분해되는 기질로 이루어진 생물촉진제 등을 주입한 후 저주파 또는 고주파 전자기장에 노출시켜 운전하는 방법으로 석탄을 메탄가스로 전환 시키는 것을 특징으로 하는 석탄을 메탄으로 전환시키기 위한 생물전기화학적 방법을 제공한다.The present invention injects anaerobic sludge containing powdered coal and anaerobic culturing microorganisms into the anaerobic digester or a biostimulant composed of a substrate that is easily decomposed such as yeast extract, glucose, starch, acetic acid, etc. To provide a bioelectrochemical method for converting coal to methane, characterized in that the operation method converts coal into methane gas.
상기 석탄을 메탄가스로 전환시키는 생물전기화학적방법은 하수처리장에서 혐기성슬러지를 체거름 후 농축하여 절연전극쌍을 포함하는 혐기성소화조에 식종하는 제 1 단계; 상기 혐기성 소화조에 분말석탄을 기질로서 주입하는 제 2 단계; 상기 혐기성 소화조의 절연전극쌍에 교류전원을 공급하여 전자기장을 형성하는 제 3 단계; 및 상기 혐기성 소화조를 포함된 반응물을 교반하여 상기 석탄을 메탄가스로 전환시키는 제 4 단계를 포함한다.The bioelectrochemical method for converting coal into methane gas comprises: a first step of sieving and concentrating anaerobic sludge in a sewage treatment plant to seed an anaerobic digester including an insulated electrode pair; a second step of injecting powdered coal as a substrate into the anaerobic digester; A third step of forming an electromagnetic field by supplying AC power to the insulated electrode pair of the anaerobic digester; and a fourth step of converting the coal into methane gas by stirring the reactants including the anaerobic digester.
본 발명의 석탄을 메탄가스로 전환시키기 위한 혐기성 소화조는 상부덮개(12)가 구비된 혐기성 소화조(1); 상기 혐기성 소화조(1) 상부에 위치한 직류 전동기(6); 상부가 직류전동기(6)에 연결되며 상기 혐기성 소화조(1) 내부로 설치되는 회전축(14); 상기 회전축(14)의 하부에 결합되어 반응물을 교반하는 교반날개(7); 상기 상부 덮개12)의 하단에 부착되고 상기 회전축(14)을 감싸 교반날개(7)까지 연결된 기밀관(13); 상기 기밀관의 외벽과 혐기성 소화조의 내벽에 각각 환형으로 설치된 유전물질로 표면이 피복된 절연전극 쌍(절연전극 1(2) 및 절연전극 2(3)를 포함하며 둘 중 어느 하나가 상기 기밀관(13)에 설치되면 다른 하나는 혐기성 소화조(1)의 내벽에 설치된다.); 상기 절연전극쌍(2, 3)에 도선(5)으로 연결되며 교류전압을 인가하여 절연전극쌍(2, 3) 사이에 전자기장(11)과 주파수를 형성시키는 교류전압원(4); 및 상기 상부 덮개(12)에 설치되어 부유식 가스 포집기(15)의 관과 연결되는 가스 포집구(10)를 포함한다. 또한 본 발명의 혐기성 소화조(1)는 상기 상부 덮개(12)에 설치되는 액상시료 채취구(8), 가스시료 채취구(9)를 더 구비할 수 있다.The anaerobic digester for converting coal to methane gas of the present invention is an anaerobic digester (1) provided with an upper cover (12);
상기 혐기성소화조(1) 내부에 형성된 전자기장(11)의 크기는 인가된 교류전압의 세기 및 절연전극 1(2) 및 절연전극 2(3)의 거리에 따라 결정된다. 따라서 상기 회전축(14) 및 교반날개(7)가 회전할 수 있는 범위로 혐기성 반응조(1)의 직경을 조절하거나 교류전압원(4)의 인가전압의 세기를 조절하면 상기 전자기장(11)의 크기를 조절 할 수 있다. 또한, 상기 교류전압원(4)은 주파수 변환이 가능한 것이 바람직하다.The size of the electromagnetic field 11 formed inside the anaerobic digestion tank 1 is determined according to the strength of the applied AC voltage and the distance between the insulating electrode 1 ( 2 ) and the insulating electrode 2 ( 3 ). Therefore, if the diameter of the anaerobic reactor 1 is adjusted to a range in which the
상기 절연전극 1(2) 및 절연전극 2(3)는 전도성을 지닌 금속 또는 탄소 계열의 물질로 된 바탕전극에 고분자물질 또는 세라믹 계열의 알키드 수지, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리카보네이트, 폴리염화비닐, 폴리에스터, 폴리우레탄, 에폭시, 테프론 및 플루오르화 폴리비닐리덴 등의 유전물질 중에서 선택되며, 이러한 유전물질이 피복된 것을 특징으로 한다. 바람직하게는 상기 바탕전극은 부식에 강한 금속 계열 물질인 티타늄을 사용하며 상기 유전물질은 염화비닐수지를 사용한다. 상기 바탕전극에 코팅된 유전물질의 두께는 얇을수록 유리하나 내구성을 감안하여 0.05 ㎜ 이상이면 바람직하다. The insulating electrode 1 (2) and the insulating electrode 2 (3) is a base electrode made of a conductive metal or carbon-based material, a polymer material or a ceramic-based alkyd resin, polyethylene, polypropylene, polycarbonate, polyvinyl chloride, It is selected from dielectric materials such as polyester, polyurethane, epoxy, Teflon and polyvinylidene fluoride, characterized in that such dielectric material is coated. Preferably, the base electrode uses titanium, which is a metal-based material strong against corrosion, and the dielectric material uses a vinyl chloride resin. The thinner the thickness of the dielectric material coated on the base electrode, the more advantageous, but in consideration of durability, it is preferably 0.05 mm or more.
상기 교반날개(7)는 상기 절연전극 1(2) 및 절연전극 2(3) 사이에 위치할 수 있다. 상기 교반날개(7)는 상기 혐기성 소화조(1) 내부에 위치하며 상부 덮개(12)를 관통하여 회전이 가능하도록 연결된 회전축(14)의 하부에 결합되므로 직류 전동기(6)가 회전축(14)을 회전시키게 되면 혐기성 소화조(1) 내부에서 회전하여 반응물을 교반시킨다. 특히 상기 교반날개(7)는 상기 절연전극 1(2) 및 절연전극 2(3) 사이의 위치하므로 반응물을 효과적으로 혼합되어 분산된다. 따라서 혐기성 소화조(1) 내부의 전기활성 미생물은 형성된 전자기장(11)에 균일하게 노출될 수 있다.The stirring
본 발명의 혐기성 소화조(1)는 상부 덮개(12)에 구비된 가스 포집구(10)와 관을 통해 연결되며 산성화된 포화염수가 채워진 부유식 가스 포집기(15)를 더 포함할 수 있다. 상기 산성화된 포화염수는 부유식 가스 포집기(15)에 수집된 메탄가스의 용해를 방지하는 효과가 있다.The anaerobic digester 1 of the present invention may further include a
상기 혐기성 슬러지는 하폐수처리장 혐기성소화슬러지를 자연 침강시키고 체 거름하는 방법으로 수득할 수 있으며 적절한 농도로 농축 된 후 혐기성 소화조에 식종 될 수 있다. 상기 혐기성 슬러지를 통해 식종되는 미생물은 체외전달방출균과 전자영양메탄균을 포함하는 전기활성균을 포함하며 상기 체외전달방출균과 전자영양메탄균은 직접종간전자전달을 통하여 분말석탄을 메탄가스로 전환하게 된다. 상기 직접종간전자전달은 전극이나 탄소 및 금속 등의 전도성 물질을 통하거나 미생물 간의 직접적인 접촉에 의하여 일어날 수 있다. 상기 직접종간전자전달은 종래의 혐기성 소화에서의 플래빈, 퀴논, 휴믹물질 등을 포함한 전자전달 매개체를 거쳐 이종간에 전자가 전달되거나 복잡한 효소작용을 수반하여 생성되는 중간생성물들(초산, 수소, 개미산 등)을 매개로 하여 전자를 전달하는 방법과는 대비된다. 상기 석탄의 메탄전환 반응에 있어 석탄의 가수분해 과정에서 생성되는 중간생성물들은 대부분 미생물이 분해하기 어려운 다환 방향족 및 지방족 고분자물질들이 주를 이룬다. 상기 다환 방향족 및 지방족 물질은 독성이 있어 석탄 분해과정에 관여하는 미생물의 활성을 저해할 수 있다. The anaerobic sludge can be obtained by natural sedimentation and sieving of anaerobic digestion sludge in a wastewater treatment plant, and after being concentrated to an appropriate concentration, it can be seeded in an anaerobic digester. The microorganisms sown through the anaerobic sludge include electroactive bacteria including in vitro transfer emitters and electrotrophic methane bacteria, and the in vitro transfer emitters and electrotrophic methane bacteria convert powdered coal into methane gas through direct interspecies electron transfer. will switch The direct interspecies electron transfer may occur through electrodes or conductive materials such as carbon and metal, or by direct contact between microorganisms. The direct interspecies electron transfer is an intermediate product (acetic acid, hydrogen, formic acid, etc. ) as a medium to transfer electrons. In the methane conversion reaction of coal, the intermediate products generated during the hydrolysis of coal are mainly polycyclic aromatic and aliphatic polymers that are difficult for microorganisms to decompose. The polycyclic aromatic and aliphatic substances are toxic and may inhibit the activity of microorganisms involved in the coal decomposition process.
상기 분말 석탄은 석탄을 건조 후 분쇄하여 직경이 1 ㎜ 이하인 분말의 상태로 사용하는 것이 바람직하다. 직경 1 ㎜ 이하의 분말 석탄은 표면적이 넓어 혐기성미생물이 접촉할 수 있는 단면적이 커지고 혐기성소화조 내부에서 교반을 통한 분산이 용이하여 가수분해가 촉진되는 효과가 있다. 상기 분말 석탄은 혐기성 슬러지에 포함된 체외전달방출균과 전자영양메탄균을 포함하는 전기활성균의 기질로서 사용되어 메탄 생성의 재료가 된다. The powdered coal is preferably used in the form of powder having a diameter of 1 mm or less by drying and pulverizing the coal. Powdered coal with a diameter of 1 mm or less has a large surface area, which increases the cross-sectional area that anaerobic microorganisms can contact, and facilitates dispersion through stirring inside the anaerobic digester, thereby promoting hydrolysis. The powdered coal is used as a substrate for electroactive bacteria including extracorporeal transfer emitters and electrotrophic methane bacteria contained in anaerobic sludge, and becomes a material for methane production.
추가적으로 본 발명의 석탄을 메탄가스로 전환시키는 생물전기화학적방법은 상기 제 1 단계 또는 제 2 단계에서 혐기성 배지를 더 추가할 수 있다. 상기 혐기성 배지는 생물 촉진제로서 생분해 가능한 발효성 기질을 포함하여 분말석탄의 메탄가스 전환을 위한 석탄의 가수분해 및 발효과정에서 생성되는 중간산물(다환 방향족 및 지방족 물질)의 연속적인 발효를 촉진하여 메탄전환 효율을 향상시키는 효과가 있다.Additionally, the bioelectrochemical method for converting coal to methane gas of the present invention may further add an anaerobic medium in the first or second step. The anaerobic medium includes a biodegradable fermentable substrate as a biostimulant, and promotes the continuous fermentation of intermediate products (polycyclic aromatic and aliphatic substances) produced in the hydrolysis and fermentation process of coal for methane gas conversion of powdered coal. There is an effect of improving the conversion efficiency.
상기 혐기성 배지는 혐기성 미생물의 성장을 촉진시키기 위한 배지로서 pH의 급격한 변화를 막기 위한 알카리 성분(완충용액성분)과 혐기성 미생물의 생장에 필요한 질소, 인 등의 영양물질이 포함될 수 있으며 생물 촉진제로서 생분해가능한 효모추출물, 발효성 기질인 포도당, 녹말 및 비발효성 기진인 초산 등이 포함되는 경우 COD 기준으로 1.0 g/ℓ의 농도가 되도록 포함될 수 있다.The anaerobic medium is a medium for promoting the growth of anaerobic microorganisms, and an alkali component (buffer component) to prevent a sudden change in pH and nutrients such as nitrogen and phosphorus necessary for the growth of anaerobic microorganisms may be included and biodegradable as a biostimulant When possible yeast extract, fermentable substrate glucose, starch, and non-fermentable substrate acetic acid, etc. are included, it may be included so as to have a concentration of 1.0 g / ℓ based on COD.
본 발명의 혐기성 소화조에 주입된 혐기성 슬러지에 포함된 전기활성균은 절연전극쌍(2, 3)에 공급되는 교류전원으로 인해 형성된 전자기장(11)에 의하여 우점화되는 것을 특징으로 하며 상기 절연전극쌍(2,3)에 공급되는 교류전원은 주파수가 10 내지 200MHz이며, 상기 교류전원에 의해 형성되는 전기장은 1 내지 3 V/cm인 것을 특징으로 한다. 바람직하게는 상기 교류전원은 주파수가 50 내지 500,000 Hz이며, 상기 교류전원에 의해 형성되는 전기장은 1.67 V/cm인 것을 특징으로 한다. 상기 전기장이 1 V/cm미만이거나 주파수가 50 Hz미만이면 중간생성물의 제거가 미미하여 종래의 정전계 방식으로 분말석탄을 메탄가스로 전환시키는 생물전기화학적방법과 메탄생성율 및 수율에서 별 차이가 없게 된다. 추가적으로 상기 절연전극쌍(2, 3)의 거리는 2 내지 5 ㎝인 것이 바람직하나 이에 제한되지 않는다.Electroactive bacteria contained in the anaerobic sludge injected into the anaerobic digester of the present invention is characterized in that it is dominated by the electromagnetic field 11 formed by the AC power supplied to the insulated electrode pair (2, 3), and the insulated electrode pair The AC power supplied to (2,3) has a frequency of 10 to 200 MHz, and the electric field formed by the AC power is 1 to 3 V/cm. Preferably, the AC power has a frequency of 50 to 500,000 Hz, and the electric field formed by the AC power is 1.67 V/cm. If the electric field is less than 1 V/cm or the frequency is less than 50 Hz, the removal of intermediate products is insignificant, so there is no difference in the bioelectrochemical method of converting powdered coal into methane gas by the conventional electrostatic field method and the methane production rate and yield. . Additionally, the distance between the insulated electrode pairs 2 and 3 is preferably 2 to 5 cm, but is not limited thereto.
상기 전자기장(11)의 강도 및 주파수는 혐기성소화조 내부의 반응물 조성에 의해 영향을 받으므로 상기 최적의 산화/환원 전류의 크기를 고려하여 전압의 세기, 주파수 및 절연전극쌍(2,3) 사이의 거리를 적절히 조절하는 것이 바람직하다.Since the strength and frequency of the electromagnetic field 11 are affected by the reactant composition inside the anaerobic digestion tank, the intensity, frequency, and voltage between the pair of insulated electrodes 2 and 3 in consideration of the size of the optimal oxidation/reduction current It is desirable to appropriately adjust the distance.
상기 절연전극쌍(2, 3) 사이에 형성되는 전자기장(11)의 강도는 마주보는 절연전극쌍(2, 3) 사이의 거리 및 상기 교류전압원(4)을 이용하여 인가전압의 세기를 조절을 통해서 변화시킬 수 있다. 상기 주파수는 절연전극쌍(2,3) 사이에서 형성되는 전자기장(11)을 주고받는 주기를 의미하며 고주파일수록 그 속도가 빠르게 된다. 상기 고주파를 사용하게 되면 석탄의 가수분해시 생성되는 중간생성물인 다환 방향족 및 지방족 고분자물질, 메탄전구물질의 분자운동이 증가하게 되며 상기 분자운동의 증가로 인해 증가된 에너지는 열역학적으로 원자들 사이의 연결고리가 쉽게 깨어지게 되는 원인이 된다. 따라서 고주파를 가해주며 운전하게 되면 저주파를 가해주며 운전한 경우에 대비하여 상기 중간생성물의 발효등을 통한 제거가 용이하게 되므로 중간생성물의 축적 및 독성으로 인한 전기활성균의 활성저하가 완화되는 효과가 있다.The intensity of the electromagnetic field 11 formed between the insulated electrode pairs 2 and 3 is controlled by adjusting the distance between the facing insulated electrode pairs 2 and 3 and the intensity of the applied voltage using the AC voltage source 4 . can be changed through The frequency means a period of exchanging the electromagnetic field 11 formed between the insulated electrode pairs 2 and 3, and the higher the frequency, the faster the frequency. When the high frequency is used, the molecular motion of polycyclic aromatic and aliphatic polymers and methane precursors, which are intermediate products generated during hydrolysis of coal, increase, and the increased energy due to the increase in molecular motion is thermodynamically transferred between atoms. This causes the link to break easily. Therefore, if the operation is performed while applying a high frequency, it is easy to remove the intermediate product through fermentation, etc. in preparation for the case where the operation is performed while applying a low frequency. have.
하기에서 도면과 실시예 통해 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail through drawings and examples.
실시예Example
1. 혐기성 소화조의 운전1. Operation of anaerobic digester
도 1은 본 발명의 석탄을 메탄으로 전환하기 위한 혐기성 소화조의 개략도를 보여준다.1 shows a schematic diagram of an anaerobic digester for converting coal of the present invention to methane.
도 1을 참조하면, 본 발명의 혐기성 소화조는 상부덮개(12)가 구비된 혐기성 소화조(1); 상기 혐기성 소화조(1) 상부에 위치한 직류 전동기(6); 상부가 직류전동기(6)에 연결되며 상기 혐기성 소화조(1) 내부로 설치되는 회전축(14); 상기 회전축(14)의 하부에 결합되어 반응물을 교반하는 교반날개(7); 상기 상부 덮개12)의 하단에 부착되고 상기 회전축(14)을 감싸 교반날개(7)까지 연결된 기밀관(13); 상기 기밀관의 외벽과 혐기성 소화조의 내벽에 각각 환형으로 설치된 유전물질로 표면이 피복된 절연전극 쌍(절연전극 1(2) 및 절연전극 2(3)를 포함하며 둘 중 어느 하나가 상기 기밀관(13)에 설치되면 다른 하나는 혐기성 소화조(1)의 내벽에 설치된다.); 상기 절연전극쌍(2, 3)에 도선(5)으로 연결되며 교류전압을 인가하여 절연전극쌍(2, 3) 사이에 전자기장(11)과 주파수를 형성시키는 교류전압원(4); 및 상기 상부 덮개(12)에 설치되어 부유식 가스 포집기(15)의 관과 연결되는 가스 포집구(10)를 포함한다. 또한 본 발명의 혐기성 소화조(1)는 상기 상부 덮개(12)에 설치되는 액상시료 채취구(8), 가스시료 채취구(9)를 더 구비할 수 있다.Referring to Figure 1, the anaerobic digester of the present invention is an anaerobic digester (1) provided with an upper cover (12); DC motor 6 located above the anaerobic digester 1; The upper part is connected to the DC motor (6) and the rotation shaft (14) is installed inside the anaerobic digester (1); agitating blades 7 coupled to the lower portion of the rotating shaft 14 to stir the reactants; an airtight pipe 13 attached to the lower end of the upper cover 12 and connected to the stirring blade 7 by surrounding the rotation shaft 14; It includes a pair of insulating electrodes (insulated electrode 1(2) and insulating electrode 2(3)) coated with a dielectric material installed in an annular shape on the outer wall of the hermetic tube and the inner wall of the anaerobic digester, any one of which is the hermetic tube (13), the other one is installed on the inner wall of the anaerobic digester (1)); an AC voltage source (4) connected to the insulated electrode pair (2, 3) with a wire (5) and applying an AC voltage to form an electromagnetic field (11) and a frequency between the insulated electrode pair (2, 3); and a gas collecting port 10 installed on the upper cover 12 and connected to the pipe of the floating gas collector 15 . In addition, the anaerobic digester 1 of the present invention may further include a liquid
본 발명의 혐기성 소화조는 다음과 같이 구동된다. The anaerobic digester of the present invention is driven as follows.
제 1 단계: 하수처리장의 혐기성 소화조에서 채취한 혐기성슬러지를 체거름 후 자연농축하여 상기 혐기성소화조(1)에 식종하는 단계;Step 1: sieving the anaerobic sludge collected from the anaerobic digester of a sewage treatment plant and then naturally concentrating it and planting it in the anaerobic digester (1);
제 2 단계: 분말석탄을 기질로서 주입하는 단계;Second step: injecting powdered coal as a substrate;
제 3 단계: 상기 혐기성소화조(1)의 내부에 설치된 절연전극 1(2) 및 절연전극 2(3)에 연결된 도선(5)를 통하여 상기 교류전압원(4)으로부터 5.0V의 교류전압을 공급하여 상기 혐기성 소화조(1) 내부에 1.67 V/cm의 전자기장(11)을 형성하되, 상기 교류전압원(4)으로부터 주파수를 50, 5,000, 500,000 Hz로 하여 공급하는 단계; 및 Step 3: By supplying an AC voltage of 5.0V from the AC voltage source 4 through the
항온에서 직류 전동기(6)로 교반날개(7)를 회전시켜 혐기성 소화조(1)를 운전하여 상기 분말석탄으로부터 바이오 가스를 생산하는 단계. Produce biogas from the powdered coal by operating the anaerobic digester 1 by rotating the
상기 절연전극은 부식에 강한 전도성 금속 계열의 티타늄 방막판(0.3 ㎜)을 바탕전극으로 하여 염화비닐수지를 이용하여 코팅하였다. 코팅한 절연전극 1(7 X 7 ㎝)과 절연전극 2(9 X 30 ㎝)는 염화비닐수지를 코팅 후 열처리를 하여 코팅이 벗겨지지 않도록 하여 완성하였다. The insulating electrode was coated with a vinyl chloride resin using a titanium barrier plate (0.3 mm) of a conductive metal series strong against corrosion as a base electrode. The coated insulating electrode 1 (7 X 7 cm) and insulating electrode 2 (9 X 30 cm) were completed by coating the vinyl chloride resin and then heat-treating it to prevent the coating from peeling off.
실시예 및 비교예를 통하여 전자기장 하에서 석탄의 메탄 전환에 대한 주파수의 효능을 검증하였다. 이를 위하여 유효부피 0.5 L의 혐기성 소화조(1)를 준비하였으며 유전물질로 피복된 절연전극쌍(2, 3)을 환형으로 혐기성 소화조(1) 내부에 설치하고, 절연전극쌍(2, 3)의 간격은 3cm 간격으로 배치하였다. 상기 절연전극쌍(2, 3)은 둘 중 어느 하나가 기밀관(13)에 환형으로 설치되면 다른 하나는 혐기성 소화조(1)의 내벽에 환형으로 설치되었다(도 1 참조). 실시예 1, 2, 3 및 비교예의 혐기성 소화조의 상부 덮개(12)에는 가스 포집구(10)를 설치하고, 고무재질의 관으로 부유식 가스 포집기(15)와 연결하여 가스발생량을 측정 할 수 있도록 하였다. 또한 혐기성 소화조(1) 상부 덮개(12)에 고무재질의 마개로 밀봉된 액상시료 채취구(8)와 가스시료 채취구(9)를 설치하였다. 상기 가스시료 채취구(9)를 통하여 혐기성소화조(1) 상부의 바이오가스(메탄가스)를 채취한 뒤, 열전도도검출기와 Porapak-Q 분리관이 설치된 가스 크로마토그래피를 이용하여 가스의 조성 변화를 관찰하였다. Through the Examples and Comparative Examples, the efficacy of the frequency on methane conversion of coal under an electromagnetic field was verified. To this end, an anaerobic digester (1) with an effective volume of 0.5 L was prepared, and insulating electrode pairs (2, 3) coated with dielectric material were installed in an anaerobic digester (1) in an annular shape, and the insulated electrode pairs (2, 3) were The intervals were arranged at intervals of 3 cm. The insulated electrode pair (2, 3) is installed in an annular shape on the inner wall of the anaerobic digester 1 when any one of the two insulated electrode pairs is installed in an annular shape in the airtight pipe 13 (see FIG. 1). A
운전을 위하여 하수종말처리장 혐기성 소화조에서 혐기성슬러지를 채취하였으며, 불순물을 체거름하여 제거 후 자연농축하여 준비된 실시예 및 비교예의 혐기성 소화조에 각각 0.25 ℓ씩 식종하였다. 또한, 혐기성미생물의 성장을 촉진시키기 위한 배지를 첨가하여 유효부피 0.5 ℓ가 되도록 하였다. 또한, 혐기성 소화조 운전 초기에 기질과 영양분의 농도는 각각 Na2PO4 2.45 g/ℓ, Na2HPO4 4.58 g/ℓ, NH4Cl 0.31 g/ℓ, KCl 0.13 g/ℓ, 비타민 용액 1 ㎖/ℓ, 미네랄 용액 0.5 ㎖/ℓ이었다.For operation, anaerobic sludge was collected from the anaerobic digester of the sewage treatment plant, and the impurities were removed by sieving and naturally concentrated, and seeded by 0.25 L each in the anaerobic digester of Examples and Comparative Examples. In addition, an effective volume of 0.5 ℓ was added by adding a medium for promoting the growth of anaerobic microorganisms. In addition, the concentration of substrate and nutrients at the initial stage of the anaerobic digester operation is Na 2 PO 4 2.45 g / ℓ, Na 2 HPO 4 4.58 g / ℓ, NH 4 Cl 0.31 g / ℓ, KCl 0.13 g / ℓ, vitamin solution 1 ㎖ /L, the mineral solution was 0.5 mL/L.
기질로 사용된 석탄은 갈탄(lignite)으로 섭씨 105 ℃의 건조기에서 석탄에 함유되어 있는 수분을 제거한 후 파쇄하고 1 ㎜체로 체거름하여 분말 석탄으로 만든 후 비교예, 실시예 1, 실시예 2 및 실시예 3의 혐기성 소화조에 각 5 g/ℓ로 주입하였다. Coal used as a substrate is lignite, after removing moisture contained in the coal in a dryer at 105 ° C., crushing it, sieving it through a 1 mm sieve to make powdered coal, Comparative Examples, Examples 1, 2 and Each 5 g / ℓ was injected into the anaerobic digester of Example 3.
준비가 완료된 혐기성 소화조는 섭씨 35도의 항온실에 설치하였다. 직류 전동기(6)에 장착된 교반날개(7)를 200rpm으로 회전시켜 운전을 시작하였다.The prepared anaerobic digester was installed in a constant temperature room at 35 degrees Celsius. The stirring blade (7) mounted on the DC motor (6) was rotated at 200 rpm to start operation.
각 혐기성 소화조(1)에는 실시예 1, 실시예 2 및 실시예 3에는 교류전압원(4)을 이용하여 교류전압 5.0V를 인가하여 전자기장 1.67 V/㎝를 형성하였으며, 주파수를 50, 5,000, 500,000 Hz로 하였다. 비교예는 직류전압원을 이용하여 직류전압 5.0V를 인가하여 정전계 1.67 V/㎝로 형성하였다. 상기 실시예 및 비교예에 사용된 혐기성소화조의 초기 VSS 및 총 COD는 각각 18.9±0.3 g/ℓ, 17.2±0.2 g/ℓ이었다.In each anaerobic digester (1) in Examples 1, 2 and 3, an AC voltage of 5.0V was applied using an AC voltage source (4) to form an electromagnetic field of 1.67 V/cm, and the frequencies were 50, 5,000, 500,000 Hz. In the comparative example, a DC voltage of 5.0 V was applied using a DC voltage source to form an electrostatic field of 1.67 V/cm. The initial VSS and total COD of the anaerobic digester used in Examples and Comparative Examples were 18.9±0.3 g/L and 17.2±0.2 g/L, respectively.
또한, 혐기성 슬러지 자체에서 발생하는 메탄발생량을 보정하기 위하여 실시예 1, 2, 3 및 비교예와 동일 방법으로 분말석탄을 주입하지 않은 혐기성 소화조를 별도로 준비하여 보정예로서 운전하였다. In addition, in order to correct the amount of methane generated from the anaerobic sludge itself, an anaerobic digester was separately prepared and operated as a correction example in the same manner as in Examples 1, 2, 3 and Comparative Examples.
실시예 1, 2, 3 및 비교예의 혐기성 소화조는 상기 절연전극쌍(2, 3)에 5.0 V의 전압을 인가하여 1.67 V/㎝의 전계를 형성시켰다. 실시예 1, 2, 3의 혐기성소화조에는 각각 교류전압원(4)으로 5.0 V의 교류전압을 인가하였으며, 주파수를 50, 5,000, 500,000 Hz로 하였다. 비교예1의 혐기성 소화조는 실시예와 동일한 규격으로 사용하되 직류전압원으로 5.0 V를 인가하였다.Examples 1, 2, 3 and the anaerobic digester of Comparative Examples by applying a voltage of 5.0 V to the insulating electrode pair (2, 3) to form an electric field of 1.67 V / cm. An AC voltage of 5.0 V was applied to the anaerobic digestion tank of Examples 1, 2, and 3 as an AC voltage source 4, respectively, and the frequencies were 50, 5,000, and 500,000 Hz. The anaerobic digester of Comparative Example 1 was used in the same standard as in Example, but 5.0 V was applied as a DC voltage source.
2. 바이오가스의 발생2. Generation of biogas
1) 정전계 방식과 전자기장 방식의 석탄-바이오가스(메탄) 전환 결과 비교1) Comparison of results of coal-biogas (methane) conversion between the electrostatic field method and the electromagnetic field method
상기 실시예 1, 실시예 2, 실시예 3, 비교예 및 보정예의 혐기성 소화조를 운전하는 동안 바이오가스의 성분 및 발생량을 측정하였다. While operating the anaerobic digester of Examples 1, 2, and 3, Comparative Examples and Corrected Examples, the components and the amount of biogas generated were measured.
도 2는 본 발명의 실시예 및 비교예의 운전시간에 따른 석탄-바이오가스(메탄) 전환 결과(누적 메탄 발생량)를 보여준다. 검정 동그라미를 포함하는 선은 직류전압원을 이용하여 직류전압 5.0 V를 인가하여 정전계 1.67 V/㎝를 형성하며 운전한 비교예의 누적 메탄 발생량에 대한 결과를 보여주며, 붉은색 역삼각형을 포함하는 선은 교류전압 5.0 V를 인가하여 전자기장 1.67 V/㎝를 형성하되 주파수를 50 Hz로 하여 운전한 실시예 1의 누적 메탄 발생량에 대한 결과를 보여주며, 녹색 사각형을 포함하는 선은 교류전압 5.0 V를 인가하여 전자기장 1.67 V/㎝를 형성하되 주파수를 5,000 Hz로 하여 운전한 실시예 2의 누적 메탄 발생량에 대한 결과를 보여주며, 노란색 사각형을 포함하는 선은 교류전압 5.0 V를 인가하여 전자기장 1.67 V/㎝를 형성하되 주파수를 500,000 Hz로 하여 운전한 실시예 3의 누적 메탄 발생량에 대한 결과를 보여준다.2 shows coal-biogas (methane) conversion results (cumulative methane generation amount) according to the operating time of Examples and Comparative Examples of the present invention. The line including the black circle shows the result of the cumulative methane generation of the comparative example, which was operated by applying a DC voltage of 5.0 V using a DC voltage source to form an electrostatic field of 1.67 V/cm, and the line including the red inverted triangle shows the results for the cumulative methane generation of Example 1, which was operated with an electromagnetic field of 1.67 V/cm by applying an AC voltage of 5.0 V, but operated at a frequency of 50 Hz, and the line including the green square indicates an AC voltage of 5.0 V The result of the accumulated methane generation in Example 2 was shown, which was applied to form an electromagnetic field of 1.67 V/cm, but operated at a frequency of 5,000 Hz, and the line including the yellow square was applied with an AC voltage of 5.0 V and an electromagnetic field of 1.67 V/ cm, but shows the results for the cumulative methane generation of Example 3 operated with a frequency of 500,000 Hz.
직류전원을 공급하여 정전계를 형성한 생물전기화학 혐기성 소화조(비교예)와 교류전원을 공급하여 전자기장을 형성한 생물전기화학 혐기성 소화조(실시예 1, 2 및 3)에서 석탄의 누적 메탄 발생량 (cumulative methane production)을 비교한 결과, 두 결과 모두 매우 짧은 지체기를 보인 후 급격하게 누적 메탄 발생량이 증가하는 것이 확인되었다. 비교예의 경우 8시간 운전한 결과 총 161.4㎖의 바이오가스(메탄)가 발생하였으며, 실시예 1(주파수 50 Hz)의 경우 8시간 운전한 결과 총 160.9㎖의 바이오가스가 발생하였으며, 실시예 2(주파수 5,000 Hz)의 경우 8시간 운전한 결과 총 172.2㎖의 바이오가스가 발생하였으며, 실시예 3(주파수 500,000 Hz)의 경우 8시간 운전한 결과 총 185.2㎖의 바이오가스가 발생한 것으로 확인된다. 실시예 1의 경우 비교예와 유사한 수준의 바이오 가스 발생량을 보였으나 실시예 2 및 3은 비교예에 대비하여 각각 6.7% 및 14.7% 수준으로 바이오 가스 생산량이 증가한 것이 확인된다(표 1 참조). Cumulative amount of methane generated from coal in the bioelectrochemical anaerobic digester (comparative example) in which an electrostatic field was formed by supplying DC power and the bioelectrochemical anaerobic digester (Examples 1, 2 and 3) in which an electromagnetic field was formed by supplying AC power ( As a result of comparing cumulative methane production), it was confirmed that both results showed a very short lag period, followed by a sharp increase in the cumulative methane production. In the case of Comparative Example, a total of 161.4 ml of biogas (methane) was generated after 8 hours of operation, and in the case of Example 1 (frequency of 50 Hz), a total of 160.9 ml of biogas was generated as a result of 8 hours of operation, Example 2 ( In the case of a frequency of 5,000 Hz), a total of 172.2 ml of biogas was generated as a result of 8 hours of operation, and in the case of Example 3 (frequency of 500,000 Hz), it was confirmed that a total of 185.2 ml of biogas was generated as a result of 8 hours of operation. In the case of Example 1, it was confirmed that the biogas production amount was similar to that of Comparative Example, but in Examples 2 and 3, the biogas production was increased to 6.7% and 14.7%, respectively, compared to Comparative Example (see Table 1).
또한 1 g의 석탄에서 발생된 최종 메탄 수율을 분석한 결과 전자기장을 형성한 반응조의 실시예 1(주파수 50 Hz)의 경우 64.4 ml/g Lignite, 실시예 2(주파수 5,000 Hz)의 경우 68.9 ml/g Lignite, 실시예 3(주파수 500,000 Hz)의 경우 74.1 ml/g Lignite로 주파수가 높은 실시예 3에서 최대로 발생하였으며, 이는 정전계를 형성한 반응조(비교예)의 64.5 ml/g Lignite보다 크게 높은 것으로 확인되었다.In addition, as a result of analyzing the final methane yield generated from 1 g of coal, 64.4 ml/g Lignite in Example 1 (
(1.67 V/㎝ 전자기장) 5.0 V AC
(1.67 V/cm electromagnetic field)
(1.67 V/㎝ 전자기장)5.0 V AC
(1.67 V/cm electromagnetic field)
(1.67 V/㎝ 전자기장)5.0 V AC
(1.67 V/cm electromagnetic field)
(1.67 V/㎝ 정전계) 5.0 V DC
(1.67 V/cm electrostatic field)
상기 결과는 직류전원을 이용한 정전계 방식보다 교류전원을 이용한 전자기장 방식의 운전이 더 우수한 바이오가스의 발생량을 보이며 특히 주파수를 5,000 Hz이상으로 수행하는 경우 바이오가스의 발생량이 향상되는 것으로 확인되었다.The above results show that the operation of the electromagnetic field method using an alternating current power supply has better biogas generation than the electrostatic field method using a DC power source.
전자기장을 형성한 실시예의 경우 정전계를 형성한 비교예 1에 대비하여 전기장에 의한 분자운동(진동, 회전, 병진)이 증가하게 된다. 따라서 생물전기화학적으로 석탄의 가수분해 및 발효과정에서 생성된 다환 방향족 및 지방족 물질의 분해가 촉진되고 이는 이는 전기활성균의 체외전자전달이 향상되는 결과로 이어지므로 바이오 가스의 생산량이 향상된 것으로 판단된다.In the case of the example in which the electromagnetic field was formed, the molecular motion (vibration, rotation, translation) by the electric field was increased compared to Comparative Example 1 in which the electrostatic field was formed. Therefore, bioelectrochemical decomposition of polycyclic aromatic and aliphatic substances generated in the hydrolysis and fermentation process of coal is promoted, which leads to improved in vitro electron transfer of electroactive bacteria, and thus it is judged that the production of biogas is improved. .
도 2의 결과에 따르면 주파수가 크기에 비례하여 누적 바이오가스 발생량이 증가하는 것이 확인된다. 상기 결과는 주파수의 크기에 따라 석탄의 분해과정에서 분자운동(진동, 회전, 병진)이 활발해져 석탄의 가수분해시 생성되는 다환 방향족 및 지방족 화합물이 연속적인 발효에 의한 저분자물질로의 변환이 촉진되었다는 것을 의미한다.According to the result of FIG. 2 , it is confirmed that the cumulative amount of biogas generated increases in proportion to the frequency. The above results show that the molecular motion (vibration, rotation, translation) is active in the decomposition process of coal according to the magnitude of the frequency, and the conversion of polycyclic aromatic and aliphatic compounds generated during the hydrolysis of coal into low-molecular substances by continuous fermentation is promoted. means that
정리하면, 본 발명에 의한 전자기장을 형성한 생물전기화학 혐기성 소화조(실시예)는 정전계를 형성한 생물전기화학 혐기성 소화조(비교예)에 대비하여 누적바이오가스발생량이 높았으며 주파수를 500,000 Hz으로 설정한 경우 주파수를 50 Hz보다 누적메탄발생량이 15%가량 증가한 것이 확인되었다. 상기 결과는 주파수가 강할수록 석탄의 가수분해 단계에서 생성된 다환 방향족 및 지방족 물질의 분자운동(진동, 회전, 병진)이 활발해져 저분자화 효과가 증가한다는 것을 의미하므로 석탄의 바이오가스 전환 시 고주파의 전자기장을 가해주는 것이 석탄의 메탄전환 시 유리하다는 것을 의미한다.In summary, the bioelectrochemical anaerobic digester (Example) that formed the electromagnetic field according to the present invention had a high cumulative biogas generation amount compared to the bioelectrochemical anaerobic digester (Comparative Example) that formed an electrostatic field, and the frequency was set to 500,000 Hz. In the case of setting the frequency, it was confirmed that the accumulated methane production increased by 15% compared to 50 Hz. The above result means that the molecular motion (vibration, rotation, translation) of polycyclic aromatic and aliphatic substances generated in the hydrolysis step of coal increases as the frequency increases, thereby increasing the molecular weight reduction effect. It means that adding , is advantageous when converting coal to methane.
도 2의 결과에 따르면 운전 6일경 이후 바이오가스의 발생량이 더 이상 증가하지 않는 것이 확인된다. 상기 결과는 운전 6일 이후에는 석탄분해 중간생성물이 더 이상 분해되지 못하고 축적되어 전기활성균 등의 혐기성미생물들의 활성이 저하되었기 때문으로 판단된다.According to the result of FIG. 2 , it is confirmed that the amount of biogas generated no longer increases after about 6 days of operation. The above result is judged because the activity of anaerobic microorganisms, such as electroactive bacteria, is reduced because the coal decomposition intermediate product is no longer decomposed and accumulated after 6 days of operation.
2) 주파수 크기에 따른 전기활성균의 우점화 분석2) Analysis of dominance of electroactive bacteria according to frequency size
도 3은 본 발명의 실시예 및 비교예에 순환 전류전압법 분석을 수행하여 전기활성균의 활성정도를 비교한 결과를 보여준다. 검은색 선은 직류전압원을 이용하여 직류전압 5.0 V를 인가하여 정전계 1.67 V/cm를 형성하며 운전한 비교예의 순환 전류전압법 분석결과를 보여주며, 붉은색 선은 교류전압 5.0V를 인가하여 전자기장 1.67 V/cm를 형성하되 주파수를 50 Hz로 하여 운전한 실시예 1의 순환 전류전압법 분석결과를 보여주며, 녹색 선은 교류전압 5.0 V를 인가하여 전자기장 1.67 V/cm를 형성하되 주파수를 5,000 Hz로 하여 운전한 실시예 2의 순환 전류전압법 분석결과를 보여주며, 노란색 선은 교류전압 5.0 V를 인가하여 전자기장 1.67 V/cm를 형성하되 주파수를 500,000 Hz로 하여 운전한 실시예 3의 순환 전류전압법 분석결과결과를 보여준다. 상기 순환전류전압법은 혐기성소화조 내부 용액에서 전압을 단계적으로 증감시키면서 산화/환원전류를 모니터링하는 방법으로 수행하였다. 측정되는 산화/환원 전류피크의 크기가 클수록 전기활성균의 활성정도, 우점화 되는 것을 의미한다.3 shows the results of comparing the degree of activity of electroactive bacteria by performing cyclic voltammetry analysis in Examples and Comparative Examples of the present invention. The black line shows the analysis result of the cyclic current voltammetry of the comparative example, which was operated by applying a DC voltage of 5.0 V using a DC voltage source to form an electrostatic field of 1.67 V/cm, and the red line shows the analysis result of the AC voltage 5.0 V applied. The cyclic voltammetry analysis result of Example 1 was shown in which an electromagnetic field of 1.67 V/cm was formed but the frequency was 50 Hz, and the green line was applied with an AC voltage of 5.0 V to form an electromagnetic field of 1.67 V/cm but the frequency was lowered. The cyclic voltammetry analysis result of Example 2 operated at 5,000 Hz is shown, and the yellow line is an electromagnetic field of 1.67 V/cm by applying an AC voltage of 5.0 V, but operating at a frequency of 500,000 Hz. The results of the analysis of cyclic voltammetry are shown. The cyclic voltammetry was performed as a method of monitoring the oxidation/reduction current while increasing or decreasing the voltage in the internal solution of the anaerobic digester in stages. As the size of the measured oxidation/reduction current peak increases, it means that the degree of activity of the electroactive bacteria is dominant.
표 2는 정전계를 형성한 생물전기화학 혐기성 소화조(비교예)와 전자기장을 형성한 생물전기화학 혐기성 소화조(실시예 1, 2 및 3)에서의 순환전류전압법을 이용한 전기화학적 분석 결과를 비교한 것이다.Table 2 compares the electrochemical analysis results using the cyclic voltammetry in the bioelectrochemical anaerobic digester (Comparative Example) forming an electrostatic field and the bioelectrochemical anaerobic digester (Examples 1, 2 and 3) forming an electromagnetic field did it
(1.67 V/㎝ 전자기장) 5.0 V AC
(1.67 V/cm electromagnetic field)
(1.67 V/㎝ 전자기장)5.0 V AC
(1.67 V/cm electromagnetic field)
(1.67 V/㎝ 전자기장)5.0 V AC
(1.67 V/cm electromagnetic field)
(1.67 V/㎝ 정전계) 5.0 V DC
(1.67 V/cm electrostatic field)
산화/환원피크 전류의 크기를 비교한 결과, 주파수 50 Hz에서 전자기장을 형성한 반응조 (실시예 1)의 Ipa=0.446 ㎃ 및 Ipc=0.357 ㎃는 정전계를 형성한 반응조(비교예) Ipa=0.456 ㎃ 및 Ipc=0.369 ㎃와 비슷한 수치를 보이는 반면, 주파수 5,000 Hz에서 전자기장을 형성한 반응조 (실시예 2)의 경우 Ipa=0.561 ㎃ 및 Ipc=0.464 ㎃의 값을 보이며 주파수 500,000 Hz에서 전자기장을 형성한 반응조(실시예 3)의 경우 Ipa=0.603 ㎃ 및 Ipc=0.488 ㎃을 보여 정전계를 형성한 반응조(비교예) 보다 큰 것을 확인되었다(표 2 참조). 상기 결과는 교류전원을 가하여 전자기장을 형성하되 주파수의 크기를 크게 할수록 전기활성균이 반응조 내에 풍부하게 우점화된다는 것을 의미하며 주파수의 크기가 증가함에 따라 누적 바이오가스 발생량이 증가한 것과 동일한 경향을 보이는 결과이다. 상기 표 1 및 2에서와 같이 1.67 V/㎝의 동일한 전자기장을 형성하고 주파수만을 증가시키는 경우 최종메탄발생량(누적 바이오가스 발생량)과 1 g의 석탄에서 발생된 최종 메탄 수율이 모두 증가하는 것이 확인되었다. 상기 결과는 교류전원을 가하여 전자기장을 형성하되 큰 주파수를 형성하게 되면 전기활성균이 반응조 내에 풍부하게 우점화되므로 바이오가스 발생량이 증가한다는 것을 의미한다.As a result of comparing the magnitude of the oxidation/reduction peak current, I pa =0.446 mA and I pc =0.357 mA of the reactor in which an electromagnetic field was formed at a frequency of 50 Hz (Example 1) were the reaction tank in which an electrostatic field was formed (Comparative Example) I On the other hand, values similar to pa = 0.456 mA and I pc =0.369 mA are shown, whereas in the case of the reactor (Example 2) in which an electromagnetic field is formed at a frequency of 5,000 Hz, I pa = 0.561 mA and I pc =0.464 mA, and the frequency is 500,000 In the case of the reactor in which the electromagnetic field was formed at Hz (Example 3), it was confirmed that I pa = 0.603 mA and I pc = 0.488 mA, which was larger than the reactor (Comparative Example) in which an electrostatic field was formed (see Table 2). The above result means that an electromagnetic field is formed by applying AC power, but as the size of the frequency increases, the electroactive bacteria are abundantly dominant in the reaction tank. As the size of the frequency increases, the cumulative amount of biogas generation increases. to be. As in Tables 1 and 2, when the same electromagnetic field of 1.67 V/cm was formed and only the frequency was increased, it was confirmed that both the final methane production (accumulated biogas production) and the final methane yield from 1 g of coal were increased. . The above result means that when AC power is applied to form an electromagnetic field, but a large frequency is formed, the amount of biogas generated increases because the electroactive bacteria are abundantly dominant in the reaction tank.
본 명세서에서 설명된 구체적인 실시예는 본 발명의 바람직한 구현예 또는 예시를 대표하는 의미이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되지는 않는다. 본 발명의 변형과 다른 용도가 본 명세서 특허청구범위에 기재된 발명의 범위로부터 벗어나지 않는다는 것은 당업자에게 명백하다. Specific examples described herein are meant to represent preferred embodiments or examples of the present invention, and the scope of the present invention is not limited thereby. It will be apparent to those skilled in the art that modifications and other uses of the present invention do not depart from the scope of the invention as set forth in the claims herein.
1: 혐기성 반응조
2: 절연전극 1
3: 절연전극 2
4: 교류전압원
5: 도선
6: 직류전동기
7: 교반날개
8: 액상시료 채취구
9: 가스시료 채취구 10: 가스 포집구
11: 전자기장 12: 상부 덮개
13: 기밀관 14: 회전축
15: 부유식 가스 포집기1: Anaerobic reactor 2: Insulated electrode 1
3: Insulated electrode 2 4: AC voltage source
5: Conductor 6: DC motor
7: Stirring blade 8: Liquid sample collection port
9: gas sample collection port 10: gas collection port
11: electromagnetic field 12: top cover
13: airtight pipe 14: rotation shaft
15: Floating gas collector
Claims (6)
하수처리장에서 혐기성슬러지를 체거름 후 농축하여 절연전극쌍을 포함하는 혐기성소화조에 식종하는 제 1 단계;
상기 혐기성 소화조에 분말석탄을 기질로서 주입하는 제 2 단계;
상기 혐기성 소화조의 절연전극쌍에 교류전원을 공급하여 전자기장을 형성하는 제 3 단계; 및
상기 혐기성 소화조를 포함된 반응물을 교반하여 상기 석탄을 메탄가스로 전환시키는 제 4 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 석탄을 메탄가스로 전환시키는 생물전기화학적방법.
A bioelectrochemical method for converting powdered coal into methane gas, comprising:
A first step of sieving the anaerobic sludge in a sewage treatment plant, concentrating it, and planting it in an anaerobic digester including an insulated electrode pair;
a second step of injecting powdered coal as a substrate into the anaerobic digester;
A third step of forming an electromagnetic field by supplying AC power to the insulated electrode pair of the anaerobic digester; and
a fourth step of converting the coal into methane gas by stirring the reactants including the anaerobic digester;
A bioelectrochemical method for converting coal into methane gas, comprising:
The bioelectrochemical method for converting coal to methane gas according to claim 1, wherein the anaerobic sludge includes methanogenic bacteria, and the methanogenic bacteria are predominantly methanogenic electroactive bacteria by an electromagnetic field formed by an AC power source. .
[Claim 3] The method of claim 2, wherein the methanogenic electroactive bacteria include in vitro transport emitters and electrotrophic methanobacteria, and the conversion of coal to methane gas through direct interspecies electron transfer between the in vitro transport emitters and electrotrophic methanobacteria. A bioelectrochemical method for converting coal into methane gas, characterized in that
The method of claim 1, wherein the AC power supplied to the insulated electrode pair has a frequency of 10 to 200 MHz, and the electric field formed by the AC power is 1 to 3 V/cm. Bioelectrochemical method.
The bioelectrochemical method for converting coal into methane gas according to claim 1, wherein an anaerobic medium is further added in the first or second step.
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CN115231701A (en) * | 2022-07-29 | 2022-10-25 | 东北电力大学 | Adjustable electrostatic field pretreatment enhanced anaerobic digestion gas production device |
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR20200095415A (en) | 2019-01-31 | 2020-08-10 | 한국해양대학교 산학협력단 | Method for Biological Methane Conversion of Coal using High Strength Electrostatic Field and Ferrous sulfate |
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Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR20200095415A (en) | 2019-01-31 | 2020-08-10 | 한국해양대학교 산학협력단 | Method for Biological Methane Conversion of Coal using High Strength Electrostatic Field and Ferrous sulfate |
KR20200095136A (en) | 2019-01-31 | 2020-08-10 | 한국해양대학교 산학협력단 | Bioelectrochemical Device for Methane Conversion of Coal And Methane Conversion Method of Coal |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN115231701A (en) * | 2022-07-29 | 2022-10-25 | 东北电力大学 | Adjustable electrostatic field pretreatment enhanced anaerobic digestion gas production device |
CN115231701B (en) * | 2022-07-29 | 2024-03-29 | 东北电力大学 | Adjustable electrostatic field pretreatment strengthening anaerobic digestion gas production device |
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