KR20220110968A - 이산화탄소 및 대기오염물질 저감방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 이산화탄소 및 대기오염물질의 저감방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 이산화탄소와 SOx, NOx를 발생하는 오프가스를 황산화 미생물 반응기에 통과시켜 오프가스에 존재하는 이산화탄소는 바이오매스로, SOx는 황산이온으로 NOx는 아미노-N으로 전환시킴으로써 이산화탄소와 대기오염물질을 동시에 저감시키는 방법에 관한 것이다.
Description
본 발명은 이산화탄소 및 대기오염물질의 저감방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 이산화탄소와 SOx, NOx를 발생하는 오프가스를 황산화 미생물 반응기에 통과시켜 오프가스에 존재하는 이산화탄소는 바이오매스로, SOx는 황산이온으로, 그리고 NOx는 아미노-N으로 전환시킴으로써 이산화탄소와 대기오염물질을 동시에 저감시키는 방법에 관한 것이다.
전 세계적으로 온실가스, 미세먼지 등의 대기오염에 대하여 관심이 증가하고 배출 분진 규제가 엄격해짐에 따라 대책이 시급한 실정이다. 기후변화를 유발시키는 가스는 배출경로가 다양한데, 온실가스 방출에 주로 기여하는 것은 화석연료 연소로, 화석연료의 연소를 통해 배출되는 온실가스는 전체 기후변화 유발 가스량의 58%를 차지한다. 발전소와 같은 연소 플랜트에서 석탄, 경유(diesel fuel) 또는 등유(kerosene fuel) 등의 오일, LNG, 토탄, 폐기물 등과 같은 연료의 연소시에 다른 성분들 중에서도 이산화탄소(CO2)를 함유하는 고온 프로세스 가스가 생성된다. 증가하는 환경적 요구에 의해, 프로세스 가스로부터 이산화탄소를 제거하기 위한 다양한 프로세스가 개발되어 왔으며, 기후변화 유발 가스 대책은 화석연료의 연소를 통하여 배출되는 CO2 가스의 저감방안이 중심을 이루고 있다.
이산화탄소를 저감시키기 위한 종래기술로서, 대한민국 공개특허 2018-0034281호는 황산화 미생물의 대사반응을 이용하여 이산화탄소를 유용물질로 전환하는 방법이 개시되어 있다. 그리고 대한민국 공개특허 제2019-0030159호는 이산화탄소 또는 이산화탄소와 금속 분진이 발생하는 오프가스를 이산화탄소를 탄소원으로 성장하는 황산화 미생물 반응기에 통과시켜 이산화탄소와 금속함유 분진을 동시에 저감시키는 방법이 개시되어 있다. 또한, 국제공개특허 WO 2011/056183 A1호는 이산화탄소 및/또는 기타 무기 탄소원을 유기 화합물에 화학합성 고정시키기 위해 화학영양미생물을 이용하는 생물학적 및 화학적 공정을 개시하고 있다.
그러나 이산화탄소 이외에도 대기오염물질 중에서 특히 황산화물(SOx) 및 질소 산화물(NOx)도 저감되어야 할 성분 중 하나이다. 황산화물은 황(S)의 산화물을 일괄하여 칭하는 것이나 주로 SO2(이산화황)와 SO3(삼산화황)가 대부분. 황 또는 황을 함유하는 연료가 연소될 때 양쪽 모두 발생되나 일반적으로 배출가스 중에 SO2가 95% 정도로 가장 많다. 황산화물은 천식 환자나 어린이의 호흡 장애를 일으킬 수 있고, 물에 잘 녹아 황산이 되어 산성비의 주요 원인이 되기도 한다. 또 다른 한 성분인 질소 산화물(NOx)은 연료를 고온으로 연소할 때 대기 중의 질소가 산소와 반응하여 생성된다. 토양과 수중의 미생물이나 번개에 의해 생성되기도 하는데, 대기 중에서 휘발성 유기 화합물(VOCs)과 반응하여 오존을 만들고, 수증기에 녹아 산성비의 원인이 되기도 하며, 눈과 호흡기를 자극한다.
따라서, 이산화탄소, 황산화물과 질소 산화물을 모두 저감시켜 온실가스와 미세먼지의 환경문제를 해결할 수 있는 획기적인 기술이 요구되고 있는 실정이다.
이에, 본 발명자들은 상기 문제점을 해결하기 위하여 이산화탄소와 대기오염물질을 배출하는 오프가스(off gas)를 직접 황산화 미생물 배양기에 통과시킬 경우, 미생물은 오프가스 내의 이산화탄소를 탄소원으로 사용하고, SOx는 물에 용해된 후 산화되어 황산이온으로 전환되고 NOx는 반응기에 공급되는 산소에 의해 산화된 후 용해되어 미생물의 N-소스(source)로 자라 아미노-N으로 전환시킴으로써 이산화탄소와 대기오염물질을 동시에 저감시키고 온실가스 및 미세먼지 환경문제를 해결하는 효과가 있는 것을 확인하고, 본 발명을 완성하게 되었다.
본 발명의 목적은 산업현장에서 발생되는 이산화탄소와 대기오염물질을 동시에 저감시킬 수 있는 방법을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 이산화탄소, SOx 및 NOx으로 구성된 군에서 선택된 하나 이상을 함유하는 오프가스를 황산화 미생물 반응기에 통과시키는 단계를 포함하는 이산화탄소와 대기오염물질의 저감방법을 제공한다.
본 발명에 따른 이산화탄소와 대기오염물질의 저감방법은 오프가스에 포함된 CO2를 탄소원으로 사용하고, 산화 용해된 NOx를 N 영양원으로 사용하는 원리로 이산화탄소와 대기오염물질을 동시에 저감하는 효과가 있다.
다른 식으로 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 모든 기술적 및 과학적 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 숙련된 전문가에 의해서 통상적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 일반적으로, 본 명세서에서 사용된 명명법은 본 기술 분야에서 잘 알려져 있고 통상적으로 사용되는 것이다.
본 발명은 이산화탄소와 대기오염물질을 배출하는 오프가스를 직접 황산화 미생물 배양기에 통과시킬 경우, 미생물은 오프가스 내의 이산화탄소를 탄소원으로 사용하고, SOx는 물에 용해된 후 산화되어 황산이온으로 전환되며 NOx는 반응기에 공급되는 산소에 의해 산화된 후 용해되어 미생물의 N-소스로 자라 아미노-N으로 전환시킴으로써 이산화탄소와 대기오염물질을 동시에 저감시키고 온실가스 및 미세먼지 환경문제를 해결하는 효과가 있는 것을 확인하였다.
따라서, 본 발명은 일 관점에서 이산화탄소, SOx 및 NOx으로 구성된 군에서 선택된 하나 이상을 함유하는 오프가스를 황산화 미생물 반응기에 통과시키는 단계를 포함하는 이산화탄소와 대기오염물질의 저감방법에 관한 것이다.
본 발명은 이산화탄소, SOx 및 NOx으로 구성된 군에서 선택된 하나 이상을 함유하는 오프가스를 황산화 미생물 반응기에 통과시켜 상기 미생물이 오프가스에 포함된 이산화탄소를 탄소원으로 사용하고, 황산화물(SOx)은 물에 용해된 후 산화되어 황산이온으로 전환되고, 질소산화물(NOx)은 반응기에 공급되는 산소에 의해 산화된 후 용해되어 미생물의 질소원으로 사용되어 아미노-N으로 전환되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 지칭하는 황산화 미생물 반응기 또는 황산을 생성하는 미생물 반응기라 함은 선택적으로 탄소원으로 이산화탄소를 사용하고, 황 함유 배지에서 황산화 미생물이 배양되는 반응기를 의미한다.
또한, 상기 황산화 미생물은 환원황을 에너지원으로, 이산화탄소를 탄소원으로 사용하여 성장하는 미생물일 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 황산화 미생물은 에시디티오바실러스(Acidithiobacillus), 티오바실러스(Thiobacillus), 티오스페라(Thiosphaera), 터모트릭스(Thermothrix), 베기아토아(Beggiatoa), 티오플로카(Thioploca), 티오덴드론(Thiodendron), 티오박테리움(Thiobacterium), 매크로모나스(Macromonas), 아크로마튬(Achromatium), 티오스피라(Thiospira), 티오알칼리마이크로븀(Thioalkalimicrobium) 및 티오알칼리스피라(Thioalkalispira)의 박테리아와 술포로부스(Sulfolobus) 및 아키디아누스(Acidianus)의 구세균(Archaea)으로 구성된 군에서 1종 이상 선택될 수 있다.
본 발명에 있어서, 보다 구체적인 미생물의 실례로는 다음과 같다.
A. 에시디티오바실러스(Acidithiobacillus): 에시디티오바실러스 티오옥시단스(Acidithiobacillus Thiooxidans), 에시디티오바실러스 알베르텐시스(Acidithiobacillus albertensis), 에시디티오바실러스 칼더스(Acidithiobacillus caldus), 에시디티오바실러스 큐프리써미커스(Acidithiobacillus cuprithermicus), 에시디티오바실러스 페리두란스(Acidithiobacillus ferridurans), 에시디티오바실러스 페리보란스(Acidithiobacillus ferrivorans) 또는 에시디티오바실러스 페로록시단스(Acidithiobacillus ferrooxidans)
B. 티오바실러스(Thiobacillus): 티오바실러스 디나이트리휘칸스(Thiobacillus denitrificans)
C. 티오스페라(Thiosphaera): Thiosphaera pantotropha
D. 터모트릭스(Thermothrix): Thermothrix thiopara
E. 베기아토아(Beggiatoa): Beggiatoa alba,Beggiatoa leptomitoformis
F. 티오플로카(Thioploca): Thioploca araucae, Thioploca chileae, Thioploca ingrica, Thioploca schmidlei
G. 티오덴드론(Thiodendron): Thiodendron latens
H. 티오박테리움(Thiobacterium): Thiobacterium bovistum
I. 매크로모나스(Macromonas): Macromonas bipunctata
J. 아크로마튬(Achromatium): Achromatium oxaliferum
K. 티오스피라(Thiospira): Thiospira winogradskyi
L. 티오알칼리마이크로븀(Thioalkalimicrobium): Thioalkalimirobium aerophilum, Thioalkalimicrobium cyclicum
M. 티오알칼리스피라(Thioalkalispira): Thioalkalispira microaerophila
N. 술포로부스(Sulfolobus): Sulfolobus solfataricus
O. 아키디아누스(Acidianus): Acidianus infernus
본 발명에 있어서, 상기 오프가스는 발전소, 석유공장, 폐기물 연소공장 또는 제철소의 공정에서 발생된 것일 수 있으며, 오프가스에 공기 중의 미세먼지를 추가로 포함할 수 있다.
[실시예]
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지 않는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
실시예 1: 황산화 미생물 전배양
(NH4)2SO4 1 g/L, MgSO4·7H2O 0.5 g/L, CaCl2·2H2O 250 mg/L, KH2PO4 3 g/L, FeSO4·7H2O 10mg/L, 황 파우더(sulphur powder) 10 g/L 성분이 함유된 배지 50 ml을 100 ml 플라스크에 넣고 황산화 미생물(Acidithiobacillus thiooxidans E29) 1 ml을 접종하였다. 배양온도 30℃, 150 rpm 조건에서 Shaking incubator에서 7일 배양한 후 본배양 접종용으로 사용하였다.
실시예 2: SOx 및 NOx의 저감 확인
비교군: 3L 배양기에 물 1600 ml를 준비한 후 온도 30℃, 교반속도 800 rpm 조건에서 물에 의한 SOx 및 NOx 저감 여부를 확인하였다. 대조군과 동일한 조건의 희석배수로 신선한 물을 0.5/day 속도로 공급하는 동시에 생성물을 회수하여 작업량(working volume) 1600ml를 유지하였다. 이때 공급가스 조성은 혼합가스 (CO2 30%, SOx 200ppm, NOx 200ppm, N2 balance) 95ccm, 공기(air) 890 ccm이었다. 1회/hr 오프가스 분석을 통해 SOx 및 NOx 함량을 분석하였다.
대조군: 3L 배양기에 (NH4)2SO4 1 g/L, MgSO4·7H2O 0.5 g/L, CaCl2·2H2O 250 mg/L, KH2PO4 3 g/L, FeSO4·7H2O 10mg/L, 황 파우더(sulphur powder) 10 g/L 성분이 함유된 배지 1600 ml를 준비한 후 전배양액 50ml를 접종한 후 pH 3.5, 온도 30℃, 교반속도 800 rpm 조건에서 4일 배치(batch) 배양한 후 희석배수 0.5/day 속도로 동일조성의 신선한(fresh) 배지를 추가하는 동시에 생성물을 회수하는 연속배양을 실시하였다. 이때 공급가스 조성은 혼합가스 (CO2 30%, SOx 200ppm, NOx 200ppm, N2 balance) 95ccm, air 890 ccm이었다. 1회~2회/day 오프가스 분석을 통해 SOx 및 NOx 함량을 분석하였다.
그 결과, 표 1과 같이 SOx는 비교군과 대조군 모두 95% 이상 제거됨을 확인하고 NOx는 비교군은 거의 제거가 되지 않지만 대조군에서 45% 저감되는 것을 확인하였다. 대조군에서의 미생물 농도는 초기 접종 시 4.2*10^7 cells/ml이었고 연속 배양 시 미생물 농도는 8.5*10^9 cells/ml이었다. 미생물 바이오매스(biomass)는 유일한 탄소원(sole carbon source)인 CO2를 고정(fixation)하여 증가한 것임을 알 수 있다.
| 가스 측정 결과 | SOx (ppm) | NOx (ppm) |
SOx 제거율[%] | NOx 제거율[%] |
| 공급가스 | 21 | 20 | ||
| 비교군 배출 가스 | 1.0 | 19 | 95.2 | 5 |
| 대조군 배출 가스 | 1.0 | 11 | 95.2 | 45 |
이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시 양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.
Claims (4)
- 이산화탄소, SOx 및 NOx으로 구성된 군에서 선택된 하나 이상을 함유하는 오프가스를 황산화 미생물 반응기에 통과시키는 단계를 포함하는 이산화탄소와 대기오염물질의 저감방법.
- 제1항에 있어서, 상기 황산화 미생물은 환원황을 에너지원으로, 이산화탄소를 탄소원으로 사용하여 성장하는 미생물인 것을 특징으로 하는 이산화탄소와 대기오염물질의 저감방법.
- 제2항에 있어서, 상기 황산화 미생물은 에시디티오바실러스(Acidithiobacillus), 티오바실러스(Thiobacillus), 티오스페라(Thiosphaera), 터모트릭스(Thermothrix), 베기아토아(Beggiatoa), 티오플로카(Thioploca), 티오덴드론(Thiodendron), 티오박테리움(Thiobacterium), 매크로모나스(Macromonas), 아크로마튬(Achromatium), 티오스피라(Thiospira), 티오알칼리마이크로븀(Thioalkalimicrobium), 티오알칼리스피라(Thioalkalispira), 술포로부스(Sulfolobus) 및 아키디아누스(Acidianus)로 1종 이상 선택되는 것을 특징으로 하는 이산화탄소와 대기오염물질의 저감방법.
- 제1항에 있어서, 상기 오프가스는 발전소 또는 제철소의 공정에서 발생되는 것을 특징으로 하는 이산화탄소와 대기오염물질의 저감방법.
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