KR20230114927A - Method for anaerobic digestion for high quality bio_methane production - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to an anaerobic digestion method for manufacturing high quality biomethane. The anaerobic digestion method can include the steps of: preparing a reactor in which an oxidation electrode and a reduction electrode are placed with an ion exchange membrane therebetween; inoculating the reduction electrode with anaerobic microorganisms; supplying biogas including carbon dioxide to the reduction electrode; applying power to the oxidation electrode and the reduction electrode to cultivate anaerobic microorganisms on the surface of the reduction electrode; and converting carbon dioxide into methane using anaerobic microorganisms cultivated on the surface of the reduction electrode.

Description

고품질 바이오메탄 생산을 위한 혐기성소화방법{METHOD FOR ANAEROBIC DIGESTION FOR HIGH QUALITY BIO_METHANE PRODUCTION}Anaerobic digestion method for high quality biomethane production {METHOD FOR ANAEROBIC DIGESTION FOR HIGH QUALITY BIO_METHANE PRODUCTION}

본 발명은 고품질 바이오메탄 생산을 위한 혐기성소화방법에 대한 발명이다. The present invention relates to an anaerobic digestion method for producing high-quality biomethane.

일반적으로 바이오가스화의 원료로 사용할 수 있는 유기성 폐자원은 음식물류 폐기물, 하수슬러지, 가축분뇨, 농수산물 폐자원등이 있다. 바이오가스는 전통적으로 간단한 장치 구성으로부터 만들 수 있는 산업발전의 원동력이 되는 신재생에너지로 초기에는 난방, 요리를 위한 열에너지로 활용되었으며, 지금은 전력과 수송연료로 사용되고 최근에는 수소로 전환하여 연료전지와 같이 다양한 분야에 이용할 수 있는 에너지원은 근원으로 탈바꿈하고 있다. In general, organic waste resources that can be used as raw materials for biogasification include food waste, sewage sludge, livestock manure, agricultural and marine waste resources, and the like. Biogas is traditionally a new and renewable energy that can be produced from a simple device configuration and is a driving force for industrial development. It was initially used as thermal energy for heating and cooking, and is now used as electricity and transportation fuel, and recently converted to hydrogen for fuel cells. As such, energy sources that can be used in various fields are being transformed into sources.

이처럼 바이오가스의 장점으로 유럽을 중심으로 상용화가 지속적으로 이루어지고 있으며, 유럽의 전국 각지에서 바이오가스를 이용하여 전력생산과 수송용 연료를 생산하는 바이오가스 플랜트는 쉽게 접할 수 있다. 바이오가스를 이용하여 수송용 연료 혹은 도시가스로 전환하기 위한 방법을 고질화라고 한다. 고질화(upgrading)는 바이오 메탄 함량을 높이는 것으로 바이오가스 중 40% 이상을 포함하는 이산환탄소를 분리하고 것이지만, 황화수소, 실록산, 유기화합물을 제거하기 위한 정제과정을 포함하게 된다. 고질화는 사용처에 따라서 90 ~ 97%의 범위에서 공정이 적용된다.As such, commercialization of biogas continues to take place mainly in Europe, and biogas plants that use biogas to produce electricity and transportation fuel are easily accessible throughout Europe. A method for converting biogas into transportation fuel or city gas is called upgrading. Upgrading is to increase the biomethane content, which is to separate carbon dioxide, which contains more than 40% of biogas, but includes a purification process to remove hydrogen sulfide, siloxane, and organic compounds. The process of upgrading is applied in the range of 90 to 97% depending on the place of use.

고질화 기술은 흡수법, 흡착법, 막분리법 등이 다양한 기술이 상용화되었으며, 시설용량과 제조를 위한 메탄순도 등을 고려하여 적합한 기술이 적용되어야 한다. 흡수법은 이산화탄소의 용해도를 이용한 것으로 이산화탄소를 일정압력 조건에서 흡수하고 감압하여 탈기하는 공정으로 황화수소도 제거되기 때문에 전단에 황화수소 정제를 위한 설비 운영비용을 절감할 수 있다. 화학흡수법은 흡수제로서 아민계열 용매 및 메탄올, 클리콜 등 용매를 사용하며, 흡착법은 제오라이트를 이용하여 가압 흡착과 감압 탈착을 이용하여 분리하는 방법으로 상당부분 상용화가 되어 있고, 막분리법은 메탄과 이산화탄소의 기체의 투과 차이를 이용한 것으로 설비가 간단하고 유지보수 측면에서 강점이 있다. 이와 같은 설비는 바이오가스에서 메탄을 분리하여 바이오가스 내 메탄 함량을 높이는 목적이 있었다.As for upgrading technology, various technologies such as absorption, adsorption, and membrane separation have been commercialized, and suitable technologies should be applied in consideration of facility capacity and methane purity for production. The absorption method uses the solubility of carbon dioxide. It is a process of absorbing carbon dioxide under a certain pressure condition and degassing by reducing pressure. Since hydrogen sulfide is also removed, the cost of operating facilities for hydrogen sulfide purification in the front end can be reduced. The chemical absorption method uses amine-based solvents and solvents such as methanol and glycol as absorbents. The adsorption method is a method of separation using pressure adsorption and vacuum desorption using zeolite, which is commercially available to a large extent. It uses the difference in gas permeation of carbon dioxide, and has simple facilities and strengths in terms of maintenance. The purpose of such a facility is to increase the methane content in biogas by separating methane from biogas.

최근 탄소중립정책과 관련하여 이산화탄소를 자원화하기 위한 기술개발이 다양한 분야에서 개발되고 있고, 이중에서 생물전기화학기술을 이용한 이산화탄소의 메탄화 기술은 혐기성 미생물을 활용하여 낮은 소비전력으로 메탄으로 전환할 수 있어 기술적 가치가 높다.Recently, in relation to the carbon neutral policy, technologies for recycling carbon dioxide are being developed in various fields. Among them, the methanation technology of carbon dioxide using bioelectrochemical technology can be converted into methane with low power consumption by using anaerobic microorganisms. It has high technical value.

생물전기화학기술은 전자 흐름을 이용한 기술로 바이오가스 중의 이산화탄소를 메탄으로 전환할 수 있게 산화반응기에서 수소(H+) 이온을 생성하고 생성된 H+ 이온이 환원반응기로 공급되어 혐기성미생물에 의하여 이산화탄소는 메탄으로 전환되게 된다. 이론적으로 1 몰의 이산화탄소에서 1몰의 메탄이 생성되며 이 과정에서 8몰의 수소(H+) 이온이 필요하다.Bioelectrochemical technology is a technology that uses electron flow to generate hydrogen (H + ) ions in an oxidation reactor so that carbon dioxide in biogas can be converted into methane, and the generated H + ions are supplied to a reduction reactor to generate carbon dioxide by anaerobic microorganisms. is converted to methane. Theoretically, 1 mole of methane is produced from 1 mole of carbon dioxide, and this process requires 8 moles of hydrogen (H + ) ions.

이에 이산화탄소를 메탄으로 전환하여 에너지생산성을 높이기 위한 기술이 요구되고 있다.Accordingly, a technology for increasing energy productivity by converting carbon dioxide into methane is required.

특허문헌 : 국내 등록특허 10-1413142호(2014. 06. 23. 등록)Patent Document: Domestic Patent Registration No. 10-1413142 (2014. 06. 23. Registration)

본 발명의 실시예들은 상기와 같은 배경에서 발명된 것으로서, 바이오가스의 메탄함량을 높이고 바이오 메탄을 활용하여 발전량 및 추출 수소량을 향상시킬 수 있는 고품질 바이오메탄 생산을 위한 혐기성소화방법을 제공하고자 한다. Embodiments of the present invention were invented against the above background, and to provide an anaerobic digestion method for producing high-quality biomethane capable of increasing the methane content of biogas and improving the amount of power generation and extraction hydrogen by utilizing biomethane. .

본 발명의 일 측면에 따르면, 이온교환막을 사이에 두고 산화전극 및 환원전극이 배치된 반응기를 준비하는 단계; 환원전극에 혐기성 미생물을 접종하는 단계; 이산화탄소가 포함된 바이오가스를 환원전극 측에 공급하는 단계; 산화전극 및 환원전극에 전원을 인가하여, 환원전극의 표면에 혐기성 미생물을 배양하는 단계; 환원전극의 표면에 배양된 혐기성 미생물을 이용하여 이산화탄소를 메탄으로 전환하는 단계를 포함하는 고품질 바이오메탄 생산을 위한 혐기성소화방법이 제공될 수 있다.According to one aspect of the present invention, preparing a reactor in which an oxidation electrode and a reduction electrode are disposed with an ion exchange membrane interposed therebetween; inoculating anaerobic microorganisms on the cathode; supplying biogas containing carbon dioxide to the cathode side; culturing anaerobic microorganisms on the surface of the cathode by applying power to the anode and the cathode; An anaerobic digestion method for producing high-quality biomethane may be provided, including converting carbon dioxide into methane using anaerobic microorganisms cultured on the surface of a cathode.

이때, 혐기성소화방법은 이산화탄소가 전환된 메탄을 수소 추출설비에서 수소를 추출하는 단계를 더 포함할 수 있다.At this time, the anaerobic digestion method may further include the step of extracting hydrogen from the carbon dioxide-converted methane in a hydrogen extraction facility.

또한, 상기 메탄을 수소 추출설비에서 수소를 추출하는 단계는, 상기 수소 추출설비에서 부산물로 발생된 이산화탄소를 반응기로 피드백할 수 있다.In addition, in the step of extracting hydrogen from methane in a hydrogen extraction facility, carbon dioxide generated as a by-product in the hydrogen extraction facility may be fed back to the reactor.

또한, 상기 환원전극의 표면에 혐기성 미생물을 배양하는 단계는, 상기 산화전극의 수소 이온을 환원제로 이용하는 혐기성 미생물을 상기 환원전극의 표면에 배양하여 바이오필름을 형성할 수 있다.In the step of culturing anaerobic microorganisms on the surface of the cathode, a biofilm may be formed by culturing anaerobic microorganisms using hydrogen ions of the anode as a reducing agent on the surface of the cathode.

또한, 상기 이산화탄소를 메탄으로 전환하는 단계는, 상기 반응기 내 물분해 반응보다 낮은 전압에서 수소 이온이 생성되도록 상기 산화전극 및 상기 환원전극 간에 전위차를 발생시킬 수 있다.In the converting of carbon dioxide to methane, a potential difference may be generated between the anode and the cathode so that hydrogen ions are generated at a voltage lower than that of the water decomposition reaction in the reactor.

또한, 상기 산화전극은 흑연 펠트(Graphite felt)에 백금 파우더(Pt power)와 탄소 파우더(carbon power)를 교반하고 PVDF(polyvinyline fluoride)를 이용하여 코팅 제조된 백금 펠트(Platinized felt) 전극일 수 있다.In addition, the anode may be a platinum felt electrode manufactured by stirring platinum powder (Pt power) and carbon power (Pt power) on graphite felt and coating using polyvinyline fluoride (PVDF). .

또한, 상기 환원전극은 상기 혐기성 미생물이 배양가능한 다공성 전극 표면을 제공할 수 있다.In addition, the cathode may provide a porous electrode surface capable of culturing the anaerobic microorganisms.

또한, 상기 환원전극은 폴리피롤(PPY: Polypyrrole) 및 폴리도파민(PDA: Polydopamine)을 흑연 펠트(Graphite felt)에 전기증착시켜 제조된 PPY/PDA 흑연펠트 전극일 수 있다.In addition, the cathode may be a PPY/PDA graphite felt electrode prepared by electrodepositing polypyrrole (PPY) and polydopamine (PDA) on a graphite felt.

또한, 상기 반응기의 내부 온도는 20℃ 내지 55 ℃ 범위를 만족하고, 상기 혐기성 미생물은 상기 20℃ 내지 55 ℃ 범위에서 활동 가능한 발효 균주를 포함할 수 있다.In addition, the internal temperature of the reactor satisfies the range of 20 °C to 55 °C, and the anaerobic microorganisms may include fermentation strains capable of activity in the range of 20 °C to 55 °C.

본 발명의 실시예들에 따르면, 생물전기화학기술을 이용하여 바이오가스 중 메탄함량을 95% 이상 높이고 바이오가스 생산량은 변화없이 생산하여 바이오 메탄을 활용하여 발전량 및 추출 수소량을 향상시킬 수 있다는 효과가 있다. According to the embodiments of the present invention, by using bioelectrochemical technology, the methane content in biogas is increased by 95% or more, and the biogas production is produced without change, so that the amount of power generation and extraction hydrogen can be improved by using biomethane. there is

또한, 본 발명의 실시예들에 따르면, 생산된 메탄은 이산화탄소를 분리하지 않고 수소추출 설비를 이용하여 수소를 직접 생산할 수 있고, 추출 수소량을 증대시킬 수 있다는 효과가 있다. In addition, according to embodiments of the present invention, produced methane has an effect that hydrogen can be directly produced using a hydrogen extraction facility without separating carbon dioxide, and the amount of extracted hydrogen can be increased.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고품질 바이오메탄 생산을 위한 혐기성소화방법을 나타낸 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 고품질 바이오메탄 생산을 위한 혐기성소화방법에 따라 생산된 메탄로부터 수소 추출설비를 통해 수소를 추출하는 과정을 개략적으로 도시한 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 고품질 바이오메탄 생산을 위한 혐기성소화방법에 따라 생산된 메탄로부터 수소 추출설비를 통해 수소를 추출하고, 수소 추출설비에서 발생된 부산물인 이산화탄소를 혐기성소화장치로 피드백하는 과정을 개략적으로 도시한 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 고품질 바이오메탄 생산을 위한 혐기성소화방법의 수소추출설비에서, 수소가 추출되는 과정을 나타낸 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 고품질 바이오메탄 생산을 위한 혐기성소화방법에 적용되는 혐기성소화장치를 도시한 구성도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 고품질 바이오메탄 생산을 위한 혐기성소화방법에서 사용된 산화전극의 개질 종류에 따른 전위치를 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 고품질 바이오메탄 생산을 위한 혐기성소화방법에서 사용된 환원전극의 개질 종류에 따른 전위치를 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 고품질 바이오메탄 생산을 위한 혐기성소화방법에 사용된 바이오가스의 이산화탄소에서의 메탄화 반응 속도 및 전류 변화를 나타낸 그래프이다.
1 is a block diagram showing an anaerobic digestion method for producing high-quality biomethane according to an embodiment of the present invention.
2 is a flowchart schematically illustrating a process of extracting hydrogen from methane produced by an anaerobic digestion method for producing high-quality biomethane according to an embodiment of the present invention through a hydrogen extraction facility.
Figure 3 extracts hydrogen from methane produced according to the anaerobic digestion method for producing high-quality biomethane according to an embodiment of the present invention through a hydrogen extraction facility, and carbon dioxide, a by-product generated from the hydrogen extraction facility, is an anaerobic digestion device It is a flow chart schematically showing the feedback process.
4 is a flowchart showing a process in which hydrogen is extracted in a hydrogen extraction facility of an anaerobic digestion method for producing high-quality biomethane according to an embodiment of the present invention.
5 is a block diagram showing an anaerobic digestion apparatus applied to an anaerobic digestion method for producing high-quality biomethane according to an embodiment of the present invention.
6 is a graph showing potential values according to the type of modification of the anode used in the anaerobic digestion method for producing high-quality biomethane according to an embodiment of the present invention.
7 is a graph showing the potential value according to the type of reforming of the reduction electrode used in the anaerobic digestion method for producing high-quality biomethane according to an embodiment of the present invention.
8 is a graph showing the methanation reaction rate and current change in carbon dioxide of biogas used in the anaerobic digestion method for producing high-quality biomethane according to an embodiment of the present invention.

이하에서는 본 발명의 사상을 구현하기 위한 구체적인 실시예에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명하도록 한다. Hereinafter, specific embodiments for implementing the spirit of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

아울러 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다. In addition, in the description of the present invention, if it is determined that a detailed description of a related known configuration or function may obscure the gist of the present invention, the detailed description will be omitted.

또한, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '연결', '지지', '접속', '공급', '전달', '접촉'된다고 언급된 때에는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결, 지지, 접속, 공급, 전달, 접촉될 수도 있지만 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.In addition, when a component is referred to as 'connecting', 'supporting', 'connecting', 'supplying', 'transferring', or 'contacting' to another component, it is directly connected to, supported by, or connected to the other component. It may be supplied, delivered, or contacted, but it should be understood that other components may exist in the middle.

본 명세서에서 사용된 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로 본 발명을 한정하려는 의도로 사용된 것은 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다.Terms used in this specification are only used to describe specific embodiments and are not intended to limit the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise.

또한, 본 명세서에서 상측, 하측, 측면 등의 표현은 도면에 도시를 기준으로 설명한 것이며 해당 대상의 방향이 변경되면 다르게 표현될 수 있음을 미리 밝혀둔다. 마찬가지의 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었으며, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니다.In addition, in this specification, expressions such as upper, lower, side, etc. are described based on the drawings, and it is made clear in advance that they may be expressed differently if the direction of the object is changed. For the same reason, some components in the accompanying drawings are exaggerated, omitted, or schematically illustrated, and the size of each component does not entirely reflect the actual size.

또한, 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 해당 구성요소들은 이와 같은 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 이 용어들은 하나의 구성요소들을 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.In addition, terms including ordinal numbers, such as first and second, may be used to describe various components, but the components are not limited by these terms. These terms are only used to distinguish one component from another.

명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.As used herein, the meaning of "comprising" specifies specific characteristics, regions, integers, steps, operations, elements, and/or components, and other specific characteristics, regions, integers, steps, operations, elements, elements, and/or groups. does not exclude the presence or addition of

본 발명에 따른 고품질 바이오메탄 생산을 위한 혐기성소화방법은, 생물전기화학기술(Bioelectrochemical system, BES or Microbial electrochemical synthesis, MES)을 이용하여 이산화탄소를 메탄으로 전환하여 바이오메탄 생산량을 증가시킬 수 있다. 여기서, 생물전기화학기술은 전기적으로 활성을 가진 미생물이 외부 전자수용체와 전자를 교환하는 기작을 이용해 생물학적으로 분해 가능한 각종 유기물로부터 전기 및 수소 등의 화학물질을 생산할 수 있는 기술로 이해될 수 있다. The anaerobic digestion method for producing high-quality biomethane according to the present invention can increase biomethane production by converting carbon dioxide into methane using a bioelectrochemical system (BES or Microbial Electrochemical Synthesis, MES). Here, bioelectrochemical technology can be understood as a technology that can produce electricity and chemical substances such as hydrogen from various biologically degradable organic substances by using a mechanism in which electrically active microorganisms exchange electrons with external electron acceptors.

이하, 도 1 내지 도 8을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 혐기성소화방법의 구체적인 구성에 대하여 설명한다. Hereinafter, a detailed configuration of an anaerobic digestion method according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 8.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고품질 바이오메탄 생산을 위한 혐기성소화방법을 나타낸 블록도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 고품질 바이오메탄 생산을 위한 혐기성소화방법에 따라 생산된 메탄로부터 수소 추출설비를 통해 수소를 추출하는 과정을 개략적으로 도시한 흐름도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 고품질 바이오메탄 생산을 위한 혐기성소화방법에 따라 생산된 메탄로부터 수소 추출설비를 통해 수소를 추출하고, 수소 추출설비에서 발생된 부산물인 이산화탄소를 혐기성소화장치로 피드백하는 과정을 개략적으로 도시한 흐름도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 고품질 바이오메탄 생산을 위한 혐기성소화방법의 수소추출설비에서, 수소가 추출되는 과정을 나타낸 흐름도이다. 1 is a block diagram showing an anaerobic digestion method for producing high-quality biomethane according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is an anaerobic digestion method for producing high-quality biomethane according to an embodiment of the present invention. It is a flowchart schematically showing the process of extracting hydrogen from methane through a hydrogen extraction facility, and FIG. 3 is a hydrogen extraction facility from methane produced according to an anaerobic digestion method for producing high-quality biomethane according to an embodiment of the present invention. It is a flowchart schematically showing the process of extracting hydrogen through and feeding back carbon dioxide, a by-product generated in the hydrogen extraction facility, to an anaerobic digestion device, and FIG. 4 is an anaerobic digestion for producing high-quality biomethane according to an embodiment of the present invention In the hydrogen extraction facility of the method, it is a flow chart showing the process of extracting hydrogen.

도 1 내지 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 혐기성소화방법은, 반응기를 준비하는 단계(S100)와, 환원전극에 혐기성 미생물을 접종하는 단계(S200)와, 바이오가스를 환원전극 측에 공급하는 단계(S300)와, 혐기성 미생물을 배양하는 단계(S400)와, 이산화탄소를 메탄으로 전환하는 단계(S500)와, 수소 추출설비에서 수소를 추출하는 단계(S600)를 포함할 수 있다.As shown in FIGS. 1 to 3, the anaerobic digestion method according to an embodiment of the present invention includes preparing a reactor (S100), inoculating anaerobic microorganisms on a cathode (S200), and biogas Supplying to the cathode side (S300), culturing anaerobic microorganisms (S400), converting carbon dioxide into methane (S500), and extracting hydrogen from a hydrogen extraction facility (S600). can

상기 반응기를 준비하는 단계(S100)에서는, 이온교환막을 사이에 두고 산화전극 및 환원전극이 배치된 혐기성소화장치(10)의 반응기를 준비한다. 산화전극 및 환원전극은 전원공급장치와 전기적으로 연결될 수 있다. 그리고 반응기의 내부 온도는 20℃ 내지 55 ℃ 범위로 유지될 수 있다. In the step of preparing the reactor (S100), a reactor of the anaerobic digestion device 10 in which an oxidizing electrode and a reducing electrode are disposed with an ion exchange membrane interposed therebetween is prepared. The oxidation electrode and the reduction electrode may be electrically connected to the power supply. And the internal temperature of the reactor may be maintained in the range of 20 ℃ to 55 ℃.

그리고 상기 반응기를 준비하는 단계(S100)에서는, 반응기에 음식물 여액, 산발효액, 기타 폐수등이 반응액으로 순환됨으로써, 반응기 내 수소 이온을 풍부하게 공급하여 수소생산량이 향상되도록 할 수 있다. 본 실시예에서, 반응기는 혐기성 소화조와 일체형으로 구성되지만, 설계 환경 및 주변 조건 등에 따라, 반응기는 혐기성 소화조와 분리하여 순환식으로 제작될 수 있다.And in the step of preparing the reactor (S100), the food filtrate, acid fermentation solution, and other wastewater are circulated as a reaction solution in the reactor, so that hydrogen ions are abundantly supplied in the reactor to improve hydrogen production. In this embodiment, the reactor is configured integrally with the anaerobic digestion tank, but depending on the design environment and ambient conditions, the reactor may be manufactured separately from the anaerobic digestion tank in a circular manner.

또한, 상기 반응기를 준비하는 단계(S100)에서, 산화전극은 흑연 펠트(Graphite felt)에 백금 파우더(Pt power)와 탄소 파우더(carbon power)를 교반하고 PVDF(polyvinyline fluoride)를 이용하여 코팅 제조된 백금 펠트(Platinized felt) 전극일 수 있다. 산화전극이 백금 펠트 전극으로 제조되면, 물 분해 반응을 통한 산화전극의 산화로 전위가 불안정하게 되는 것을 방지할 수 있고, 흑연펠트보다 전위가 감소하여 메탄화에 전력이 감소될 수 있다.In addition, in the step of preparing the reactor (S100), the anode is prepared by stirring platinum powder (Pt power) and carbon powder (carbon power) on graphite felt and coating using PVDF (polyvinyline fluoride) It may be a platinum felt electrode. If the anode is made of a platinum felt electrode, it is possible to prevent the potential from becoming unstable due to oxidation of the anode through a water decomposition reaction, and since the potential is lower than that of the graphite felt, methanation power can be reduced.

또한, 상기 반응기를 준비하는 단계(S100)에서, 환원전극은 폴리피롤(PPY: Polypyrrole) 및 폴리도파민(PDA: Polydopamine)을 흑연 펠트(Graphite felt)에 전기증착시켜 제조된 PPY/PDA 흑연펠트 전극일 수 있다. 흑연펠트에 폴리피롤(PPY) 및 폴리도파민(PDA)을 전기증착시켜 반응기에 적용하면, 혐기성 미생물이 환원전극에 생물막을 형성하여 고농도로 배양이 가능하고, 흑연펠트를 단독으로 사용했을 때와 비교하여 낮은 전위차 조건에서 이산화탄로를 메탄으로 전환시킬 수 있다.In addition, in the step of preparing the reactor (S100), the cathode may be a PPY/PDA graphite felt electrode prepared by electrodepositing polypyrrole (PPY) and polydopamine (PDA) on graphite felt. can When polypyrrole (PPY) and polydopamine (PDA) are electrodeposited on graphite felt and applied to the reactor, anaerobic microorganisms form a biofilm on the cathode, allowing them to be cultured at high concentrations, compared to using graphite felt alone. Carbon dioxide can be converted to methane under conditions of low potential difference.

상기 환원전극에 혐기성 미생물을 접종하는 단계(S200)에서는, 이산화탄소를 기질로 하는 혐기성 미생물이 환원전극의 표면에 접종될 수 있다. 혐기성 미생물은20℃ 내지 55 ℃ 범위에서 활동 가능한 발효 균주를 포함할 수 있다.In the step of inoculating the cathode with anaerobic microorganisms (S200), anaerobic microorganisms using carbon dioxide as a substrate may be inoculated on the surface of the cathode. Anaerobic microorganisms may include fermentation strains capable of activity in the range of 20 ° C to 55 ° C.

상기 바이오가스를 환원전극 측에 공급하는 단계(S300)에서는, 혐기성 소화조(500) 내 이산화탄소가 포함된 바이오가스를 혐기성소화장치(10)의 환원전극 측에 공급한다. 이때, 바이오가스는 정제 및 제습과정을 거칠 수 있다. 본 실시예에서, 바이오가스(10,000Nm3/d)에는 메탄(CH4) 65%와, 이산화탄소(CO2) 35% 이외에, H2S, NH3, 실론산(Silozane)이 포함될 수 있다. In the step of supplying the biogas to the cathode side (S300), the biogas containing carbon dioxide in the anaerobic digestion tank 500 is supplied to the cathode side of the anaerobic digestion device 10. At this time, the biogas may undergo a purification and dehumidification process. In this embodiment, biogas (10,000 Nm 3 /d) may include methane (CH 4 ) 65% and carbon dioxide (CO 2 ) 35%, as well as H 2 S, NH 3 , and silozane.

그리고 상기 바이오가스를 환원전극 측에 공급하는 단계(S300)에서는, 이산화탄소가 포함된 바이오가스를 환원전극으로 효과적으로 공급하기 위하여, 별도의 교반장치 혹은 내부 순환 펌프를 이용하여 반응액에 용해된 바이오가스를 환원전극의 혐기성 미생물에 공급되도록 할 수 있다. And in the step of supplying the biogas to the cathode side (S300), in order to effectively supply the biogas containing carbon dioxide to the cathode, a separate stirring device or an internal circulation pump is used to biogas dissolved in the reaction solution. can be supplied to the anaerobic microorganisms of the cathode.

상기 혐기성 미생물을 배양하는 단계(S400)에서는, 산화전극 및 환원전극에 전원을 인가하여, 환원전극의 표면에 혐기성 미생물을 배양될 수 있다. 혐기성 미생물의 배양을 위해서, KH2PO4, K2HPO4, NH4Cl, NaHCO3, MgSO4, CaCl2, Trace elements, Vitamin이 미생물 배지로 사용될 수 있고, 산발효액 혹은 탄소원과 미네랄(mineral)을 포함하는 폐수가 배지를 대체하여 사용될 수 있다.In the step of culturing the anaerobic microorganisms (S400), anaerobic microorganisms may be cultured on the surface of the cathode by applying power to the anode and the cathode. For the cultivation of anaerobic microorganisms, KH 2 PO 4 , K 2 HPO 4 , NH 4 Cl, NaHCO 3 , MgSO 4 , CaCl 2 , trace elements, vitamins can be used as a microbial medium, acid fermentation broth or carbon source and mineral ) can be used in place of the medium.

상기 이산화탄소를 메탄으로 전환하는 단계(S500)에서는, 환원전극의 표면에 배양된 혐기성 미생물을 이용하여 이산화탄소를 메탄으로 전환함으로써, 고품질의 메탄이 생산될 수 있다. 일 예로, 10,000Nm3/d의 바이오가스(CH4 65%와, CO2 35% 포함)가 반응기로 투입되면, 반응기에서는 356Nm3/h의 메탄(CH4)이 생산될 수 있다.In the step of converting carbon dioxide into methane (S500), high-quality methane can be produced by converting carbon dioxide into methane using anaerobic microorganisms cultured on the surface of the cathode. For example, when 10,000 Nm 3 /d of biogas (including 65% CH 4 and 35% CO 2 ) is introduced into the reactor, 356 Nm 3 /h of methane (CH 4 ) may be produced in the reactor.

수소 추출설비에서 수소를 추출하는 단계(S600)에서는, 이산화탄소가 전환된 메탄을 수소 추출설비(20)에서 수소를 추출할 수 있다. 예를 들어, 혐기성소화장치(10)의 반응기에서 356Nm3/h의 메탄(CH4)이 수소 추출설비(20)로 투입될 때, 수소 추출설비에서는 791.4Nm3/h의 수소가 생산될 수 있다. In the step of extracting hydrogen from the hydrogen extraction facility (S600), hydrogen may be extracted from methane converted from carbon dioxide in the hydrogen extraction facility 20. For example, when 356 Nm 3 /h of methane (CH 4 ) is introduced into the hydrogen extraction facility 20 in the reactor of the anaerobic digestion device 10, 791.4 Nm 3 /h of hydrogen can be produced in the hydrogen extraction facility there is.

보다 자세하게, 도 4에서 보듯이, 수소 추출설비에서는 SMR(Steam Methane Reforming process), WGS(Water Gas Shift) 및 PSA(Pressure Swing Adsorption)를 통해 수소가 추출될 수 있다. In more detail, as shown in FIG. 4, in the hydrogen extraction facility, hydrogen may be extracted through a steam methane reforming process (SMR), water gas shift (WGS), and pressure swing adsorption (PSA).

예컨대, 수소 추출설비의 SMR(Steam Methane Reforming process)에서는 메탄(CH4)을 Steam과 반응시켜 일산화탄소(CO)와 수소(H2)가 생산될 수 있다. 이때, 강한 흡열반응이 일어나며, 주로 니켈(Nickel)이 촉매로 사용되고, 반응의 정도와, Soot를 생성하는 부 반응을 최소화 하기 위해, 수소 추출설비의 반응기 내부 온도가 800도 이상에서 운전될 수 있다. 그리고 스팀과 메탄 비율(Steam-Hydrocarbon ratio)이 보통 3.0이 되도록 Steam을 주입한다. 이는 수소 추출설비의 주 반응을 강화하고 soot를 생성하는 부 반응을 억제하기 위함이다. 또한, 반응에 필요한 열을 얻기 위해, 수소 추출설비는 주로 후단 PSA의 tail gas와 Feed gas 중 일부를 연소하여 사용한다. 일 예로, SMR의 Inlet Condition에서, 온도는 약 500~550 degC, 압력(Pressure)은 약10 kg/cm2g일 수 있고, Outlet Condition에서, 온도는 800~850 degC, 압력은 약 9kg/cm2g일 수 있다. 그리고 Steam-Carbon ratio = 3일 수 있고, Catalyst은 Nickel catalyst일 수 있으며, 반응(Reaction)은 CH4 + H20 + Heat ↔ CO + 3H2(Endothermic reaction)일 수 있다.For example, in the steam methane reforming process (SMR) of a hydrogen extraction facility, methane (CH 4 ) may be reacted with steam to produce carbon monoxide (CO) and hydrogen (H 2 ). At this time, a strong endothermic reaction occurs, and nickel is mainly used as a catalyst. . Then, steam is injected so that the steam-hydrocarbon ratio is usually 3.0. This is to enhance the main reaction of the hydrogen extraction facility and suppress the side reaction that produces soot. In addition, in order to obtain the heat required for the reaction, the hydrogen extraction facility mainly burns and uses some of the tail gas and feed gas of the downstream PSA. For example, in the inlet condition of the SMR, the temperature may be about 500 to 550 degC and the pressure may be about 10 kg/cm 2 g, and in the outlet condition, the temperature is about 800 to 850 degC and the pressure is about 9 kg/cm. It may be 2 g. And Steam-Carbon ratio = 3, Catalyst can be Nickel catalyst, and Reaction can be CH4 + H20 + Heat ↔ CO + 3H 2 (Endothermic reaction).

그리고 수소 추출설비의 WGS(water gas shift)에서는, SMR에서 생성된 일산화탄소(CO)를 물(H2O)과 반응시켜 이산화탄소(CO2)를 만들면서 추가적으로 수소가 생산될 수 있다. 일차 반응에서 생성된 일산화탄소(CO)에 steam(H2O)을 공급하여 잔류 수소를 생성할 수 있다. 반응은 300~400degC 영역에서 반응하는 고온전이반응(HTS)과, 200~250degC 영역의 저온전이반응(LTS)으로 구분된다. 고온전이반응은 Iron-oxide계열의 촉매를 주로 사용하며, 온도가 높아 반응이 빠르나 일산화탄소(CO) 전환율이 낮다. 저온전이반응은 Cu계열의 촉매를 주로 사용하며, 반응은 느리나 일산화탄소(CO) 전환율이 높다. 일 예로, WGS의 Inlet Condition에서 온도는 약 350 degC, 압력은 약8.5 kg/cm2g일 수 있고, Outlet Condition에서 온도는 약 420 degC, 압력은 약 8.3 kg/cm2g일 수 있고, Catalyst는 주로 Iron oxide-based catalyst(Fe2O3)이고, 반응은 CO + H20 ↔ CO2 + H2 + Heat(Exothermic reaction)일 수 있다.In addition, in the water gas shift (WGS) of the hydrogen extraction facility, carbon monoxide (CO) generated in the SMR reacts with water (H 2 O) to produce carbon dioxide (CO 2 ), and additional hydrogen can be produced. Residual hydrogen may be generated by supplying steam (H 2 O) to carbon monoxide (CO) generated in the primary reaction. The reaction is divided into a high temperature transition reaction (HTS) reacting in the range of 300 ~ 400degC, and a low temperature transition reaction (LTS) in the range of 200 ~ 250degC. The high-temperature transition reaction mainly uses iron-oxide-based catalysts, and the reaction is fast due to the high temperature, but the carbon monoxide (CO) conversion rate is low. The low-temperature transition reaction mainly uses a Cu-based catalyst, and the reaction is slow, but the carbon monoxide (CO) conversion rate is high. For example, in the inlet condition of WGS, the temperature may be about 350 degC and the pressure may be about 8.5 kg/cm 2 g, and in the outlet condition, the temperature may be about 420 degC and the pressure may be about 8.3 kg/cm 2 g, and Catalyst is mainly an iron oxide-based catalyst (Fe 2 O 3 ), and the reaction may be CO + H 2 0 ↔ CO 2 + H 2 + Heat (Exothermic reaction).

또한, 수소 추출설비의 PSA에서는 SMR과 WGS에서 생성된 수소가 분리될 수 있다. 이때 이산화탄소와 수소가 분리되어 수소 농도를 99.9999% 까지도 가능(일반적으로는 99.995%정도까지만 분리)하다. 수소(H2) recovery는 약 80~85%일 수 있고, 수소(H2)를 분리하고 남은 Tail gas는 일반적으로 SMR의 열원으로 재사용하는 공정으로 이용될 수 있다. 일 예로, PSA의 Inlet Condition에서, 온도는 약 40 degC, 압력은 약8 kg/cm2g 일 수 있고, Outlet Condition에서, 온도는 약 40 degC, 압력은 약 7.5 kg/cm2g일 수 있고, 수소(H2) 순도는 99.995% 보다 크고, 수소(H2) Recovery 는 80~85% 범위일 수 있다.In addition, in the PSA of the hydrogen extraction facility, hydrogen generated from SMR and WGS can be separated. At this time, carbon dioxide and hydrogen are separated, and the hydrogen concentration is possible up to 99.9999% (generally, only about 99.995% is separated). Hydrogen (H 2 ) recovery may be about 80 to 85%, and the remaining tail gas after separating hydrogen (H 2 ) can be generally used as a process for reusing as a heat source for SMR. For example, in the inlet condition of the PSA, the temperature may be about 40 degC and the pressure may be about 8 kg/cm g, and in the outlet condition, the temperature may be about 40 degC and the pressure may be about 7.5 kg/cm 2 g, and hydrogen (H 2 ) Purity is greater than 99.995%, and hydrogen (H 2 ) Recovery may be in the range of 80 to 85%.

상기 메탄을 수소 추출설비에서 수소를 추출하는 단계는, 수소 추출설비에서 부산물로 발생된 이산화탄소를 반응기로 피드백할 수 있다. 예를 들어, 반응기에서 356Nm3/h의 메탄(CH4)이 수소 추출설비로 투입될 때, 수소 추출설비에서 발생된 14,196 kg CO2/d의 이산화탄소가 반응기로 피드백되면, 반응기에서는 312Nm3/h의 메탄이 추가로 생산되어, 수소 추출설비로 다시 투입될 수 있고. 수소 추출설비에서는 693.5.4Nm3/h의 수소가 추가로 생산될 수 있다. In the step of extracting hydrogen from methane in a hydrogen extraction facility, carbon dioxide generated as a by-product in the hydrogen extraction facility may be fed back to the reactor. For example, when 356 Nm 3 /h of methane (CH 4 ) is input from the reactor to the hydrogen extraction facility, and 14,196 kg CO 2 /d of carbon dioxide generated in the hydrogen extraction facility is fed back to the reactor, 312 Nm 3 / methane of h can be additionally produced and put back into the hydrogen extraction facility. The hydrogen extraction facility can additionally produce 693.5.4 Nm 3 /h of hydrogen.

이하에서는 상술한 바와 같은 구성을 갖는 혐기성소화방법에 사용되는 혐기성소화장치의 구성 및 작용에 대하여 구체적으로 설명한다. Hereinafter, the configuration and operation of the anaerobic digestion apparatus used in the anaerobic digestion method having the above configuration will be described in detail.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 고품질 바이오메탄 생산을 위한 혐기성소화방법에 적용되는 혐기성소화장치를 도시한 구성도이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 고품질 바이오메탄 생산을 위한 혐기성소화방법에서 사용된 산화전극의 개질 종류에 따른 전위치를 나타낸 그래프이고, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 고품질 바이오메탄 생산을 위한 혐기성소화방법에서 사용된 환원전극의 개질 종류에 따른 전위치를 나타낸 그래프이며, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 고품질 바이오메탄 생산을 위한 혐기성소화방법에 사용된 바이오가스의 이산화탄소에서의 메탄화 반응 속도 및 전류 변화를 나타낸 그래프이다.5 is a block diagram showing an anaerobic digestion apparatus applied to an anaerobic digestion method for producing high-quality biomethane according to an embodiment of the present invention, and FIG. 6 is a block diagram for producing high-quality biomethane according to an embodiment of the present invention. It is a graph showing the potential value according to the type of modification of the oxidation electrode used in the anaerobic digestion method, and FIG. 8 is a graph showing a potential value, and FIG. 8 is a graph showing the methanation reaction rate and current change in carbon dioxide of biogas used in an anaerobic digestion method for producing high-quality biomethane according to an embodiment of the present invention.

도 5 내지 8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 따른 혐기성소화장치(10)는, 반응기(100), 산화전극(210), 환원전극(220), 기준전극(230), 이온교환막(300), 전원공급장치(400) 및 혐기성 소화조(500)를 포함할 수 있다.5 to 8, the anaerobic digestion device 10 according to the present invention includes a reactor 100, an oxidation electrode 210, a reduction electrode 220, a reference electrode 230, an ion exchange membrane 300 , It may include a power supply 400 and an anaerobic digestion tank 500.

구체적으로, 반응기(100)는 복수 개의 챔버를 제공할 수 있다. 일 예로, 반응기(100)는 산화전극(210)이 배치되는 제1 챔버(110)와, 환원전극(220)이 배치되는 제2 챔버(120)를 포함할 수 있다. 제1 챔버(110)는 반응기(100)의 내부 일측에 배치되는 제1 챔버부(111)와, 제1 챔버부(111)의 상부에 마련되는 산소 배출부(112)로 이루어질 수 있다. 산소 배출부(112)는 산화전극(210)에서 발생된 산소를 외부로 안내하여 배출시킬 수 있다. Specifically, the reactor 100 may provide a plurality of chambers. For example, the reactor 100 may include a first chamber 110 in which an anode 210 is disposed and a second chamber 120 in which a cathode 220 is disposed. The first chamber 110 may include a first chamber unit 111 disposed on one side of the inside of the reactor 100 and an oxygen exhaust unit 112 provided on an upper portion of the first chamber unit 111 . The oxygen discharge unit 112 may guide and discharge oxygen generated from the anode 210 to the outside.

반응기(100)의 제2 챔버(120)는 반응기(100)의 내부 타측에 배치되는 제2 챔버부(121)와, 제2 챔버부(121)의 하부 일측벽에 마련되는 가스유입부(122)와, 제2 챔버부(121)의 상부에 마련되는 가스배출부(123)로 이루어질 수 있다. 제2 챔버부(121)는 이온교환막(300)을 사이에 두고 제1 챔버(110)의 제1 챔버부(111)와 연통되게 연결될 수 있다. 가스유입부(122)는 반응기(100)의 제2 챔버부(121)와 혐기성 소화조(500) 사이를 연결함으로써, 혐기성 소화조(500)로부터 공급받은 바이오가스를 제2 챔버부(121)에 전달할 수 있다. 가스배출부(123)는 제2 챔버부(121)에서 생성된 가스를 외부로 배출시기 위한 배출구를 제공할 수 있다. The second chamber 120 of the reactor 100 includes a second chamber part 121 disposed on the other side of the inside of the reactor 100, and a gas inlet part 122 provided on one side wall of the lower part of the second chamber part 121. ) and a gas discharge unit 123 provided on the upper part of the second chamber unit 121. The second chamber unit 121 may be connected in communication with the first chamber unit 111 of the first chamber 110 with the ion exchange membrane 300 interposed therebetween. The gas inlet 122 is connected between the second chamber 121 and the anaerobic digestion tank 500 of the reactor 100 to deliver the biogas supplied from the anaerobic digestion tank 500 to the second chamber 121 can The gas discharge unit 123 may provide an outlet for discharging the gas generated in the second chamber unit 121 to the outside.

이때, 이들 제1 챔버(110) 및 제2 챔버(120) 사이에 설치되는 이온교환막(300)의 설치 간격은, 최대한 짧은 거리를 유지한다. 예를 들어, 반응기(100)가 원형인 경우, 이온교환막(300)은 반응기(100)의 반지름 이내의 거리를 두고 설치될 수 있고, 반응기(100)가 직사각형인 경우, 이온교환막(300)은 제1 챔버(110) 및 제2 챔버(120)의 설치면 폭 합의 1/2 이내의 거리에서 설치될 수 있다. 그리고 제1 챔버(110) 및 제2 챔버(120)의 표면에는 생물대사산물과 슬러지의 부착에 따른 막오염을 최소화하기 위하여 물리적 세정, 화학적 세정 방식이 적용될 수 있다. 제1 챔버(110) 및 제2 챔버(120) 내 이산화탄소의 용해는 멤브레인 용해방식, 가압 믹싱 방식 또는 가압 산포 방식이 적용될 수 있다.At this time, the installation interval of the ion exchange membrane 300 installed between the first chamber 110 and the second chamber 120 is kept as short as possible. For example, when the reactor 100 is circular, the ion exchange membrane 300 may be installed at a distance within a radius of the reactor 100, and when the reactor 100 is rectangular, the ion exchange membrane 300 is The first chamber 110 and the second chamber 120 may be installed at a distance within 1/2 of the sum of the widths of the installation surfaces. In addition, a physical cleaning method and a chemical cleaning method may be applied to the surfaces of the first chamber 110 and the second chamber 120 in order to minimize membrane contamination due to the adhesion of biological metabolites and sludge. The dissolution of carbon dioxide in the first chamber 110 and the second chamber 120 may be performed using a membrane dissolving method, a pressure mixing method, or a pressure distribution method.

반응기(100)의 내부 온도는 20℃ 내지 55 ℃ 범위로 유지될 수 있다. 이를 위해, 반응기(100)의 내부에는 반응기(100)의 내부 온도를 20℃ 내지 55 ℃ 범위로 유지시키기 위한 히터(미도시)가 마련될 수 있다. 반응기(100)의 내부 온도가 20℃ 내지 55 ℃ 범위로 유지되므로, 반응기(100)에서 배양되는 혐기성 미생물은 20℃ 내지 55 ℃ 범위에서 활동 가능한 발효 균주일 수 있다. 반응기(100)의 내부온도는 혐기성 미생물을 배양할 수 있는 온도 조건과 온도에 따른 이산화탄소의 용해도를 동시에 검토되어야 하기 때문이다.The internal temperature of the reactor 100 may be maintained in the range of 20 °C to 55 °C. To this end, a heater (not shown) may be provided inside the reactor 100 to maintain the internal temperature of the reactor 100 in the range of 20 °C to 55 °C. Since the internal temperature of the reactor 100 is maintained in the range of 20 °C to 55 °C, the anaerobic microorganisms cultured in the reactor 100 may be fermentation strains that can be active in the range of 20 °C to 55 °C. This is because the internal temperature of the reactor 100 should simultaneously examine the temperature conditions for culturing anaerobic microorganisms and the solubility of carbon dioxide according to the temperature.

예컨대, 반응기(100)에 이산화탄소를 직접 투입하는 운전 조건의 경우, 이산화탄소 용해도를 극대화하면서 메탄 균주를 배양할 수 있는 최소 온도는 20도 내외이지만, 메탄 균주의 성장속도는 상당히 느려 이산화탄소의 높은 용해도에 대하여 기질 분해 속도는 높지 않는 단점이 있다. 이와 같은 조건에서는 온도가 증가하면 용해도가 감소하여 혐기성 미생물이 이산화탄소를 기질로 하여 탄소원이 감소하여 혐기성 미생물 농도가 낮게 유지될 수 있는 단점으로 작용한다. For example, in the case of operating conditions in which carbon dioxide is directly injected into the reactor 100, the minimum temperature at which methane strains can be cultured while maximizing carbon dioxide solubility is around 20 degrees, but the growth rate of methane strains is quite slow, due to the high solubility of carbon dioxide However, the substrate decomposition rate is not high. Under these conditions, when the temperature increases, the solubility decreases, and the anaerobic microorganisms use carbon dioxide as a substrate to reduce the carbon source, which acts as a disadvantage in that the concentration of the anaerobic microorganisms can be maintained low.

따라서, 반응기(100)에서 성장하는 혐기성 미생물은 중온(35~38도) 고온(50~55도) 조건으로 분류하여 배양할 수 있다. 중온 혐기성 미생물은 기질 분해 속도가 느린 반면 안정적으로 배양할 수 있으나, 고온 혐기성 미생물은 기질 분해 속도가 빨라 기질로서 탄소원이 고부하로 투입되는 경우 적합하지만, 투입 이산화탄소 농도가 감소하는 경우는 혐기성 미생물량이 빠른 시간동안 감소하는 경향이 있다. 그리고 환원전극 반응기 온도가 38도 이상 55도 미만인 경우는 이산화탄소의 낮은 용해도를 극복하기 위하여 이산화탄소를 재순환하여 이산화탄소와 혐기성 미생물간의 접촉효율을 높여 이산화탄소의 분해율을 높일 수 있다.Therefore, anaerobic microorganisms growing in the reactor 100 can be cultured by classifying them into medium temperature (35 to 38 degrees) and high temperature (50 to 55 degrees) conditions. Mesophilic anaerobic microorganisms have a slow substrate decomposition rate, but can be stably cultured. However, high-temperature anaerobic microorganisms have a fast substrate decomposition rate, so they are suitable when a carbon source as a substrate is input with a high load. tends to decrease over time. In addition, when the temperature of the cathode reactor is 38 degrees or more and less than 55 degrees, carbon dioxide is recycled to overcome the low solubility of carbon dioxide, thereby increasing the contact efficiency between carbon dioxide and anaerobic microorganisms, thereby increasing the decomposition rate of carbon dioxide.

반면, 이산화탄소를 용해한 뒤 반응기(100)에 투입하는 운전 조건의 경우, 이산화탄소는 10도 이하를 낮추고 10~20bar 범위에서 가압조건에서, 이산화탄소를 용해시킨 후 반응기(100)로 투입하므로, 혐기성 메탄화 균주를 고농도로 배양시킬 수 있고 상부로 배출된 이산화탄소를 재순환하여 안정적으로 이산화탄소를 공급하는 조건에서 운전이 가능하다.On the other hand, in the case of operating conditions in which carbon dioxide is dissolved and then introduced into the reactor 100, carbon dioxide is lowered to 10 degrees or less and injected into the reactor 100 after dissolving carbon dioxide under pressurized conditions in the range of 10 to 20 bar, so anaerobic methanation The strain can be cultured at a high concentration, and the carbon dioxide discharged to the top can be recycled to operate under conditions in which carbon dioxide is stably supplied.

반응기(100)에는 반응액이 충진될 수 있다. 일 예로, 반응액은 공정수일 수 있다. 물론, 이에 한정되지는 아니하며, 공정수 이외에도, 반응액으로는 환원제가 풍부하게 포함된 산발효액, 혐기소화 탈수여액 또는 암모니아 함유 폐수 등이 사용될 수 있다.A reaction liquid may be filled in the reactor 100 . For example, the reaction solution may be process water. Of course, it is not limited thereto, and in addition to process water, an acid fermentation solution rich in a reducing agent, an anaerobic digestion dehydration filtrate, or ammonia-containing wastewater may be used as the reaction solution.

산화전극(210)은 환원전극(220)에 상대되는 카운터 전극(Counter Electrode)일 수 있다. 산화전극(210)은 반응기(100)의 내부 일측, 다시 말해 제1 챔버(110)에 배치되어, 전원공급장치(400)와 전기적으로 연결될 수 있다. 산화전극(210)은 전원공급장치(400)로부터 전원을 공급받아 전기 분해를 통해 수소 이온을 생성할 수 있다. 산화전극(210)이 배치된 제1 챔버(110)에서는 아래의 반응식 1과 같은 반응이 진행될 수 있다. The oxidation electrode 210 may be a counter electrode opposite to the reduction electrode 220 . The oxidation electrode 210 may be disposed on one side inside the reactor 100, that is, in the first chamber 110, and electrically connected to the power supply device 400. The oxidation electrode 210 may receive power from the power supply 400 and generate hydrogen ions through electrolysis. In the first chamber 110 where the oxidation electrode 210 is disposed, a reaction as shown in Scheme 1 below may proceed.

[반응식 1][Scheme 1]

2H2O → O2 + 4H+ + 4e- 2H 2 O → O 2 + 4H + + 4e -

산화전극(210)은 탄소 기반의 스펀지 형태(Graphite felt)로 사용될 수 있다. 그리고 산화전극(210)은 물분해반응 촉진을 위한 백금, 루비듐을 이용한 촉매전극을 사용할수 있다. The oxidation electrode 210 may be used in the form of a carbon-based sponge (Graphite felt). In addition, as the oxidation electrode 210, a catalyst electrode using platinum or rubidium for accelerating the water decomposition reaction may be used.

다만, 산화전극(210)에서는 물 분해 반응이 원활하게 발생되어야 하는데, 장기간 운전시 산화전극(210)의 산화로 인하여 전위가 불안정해질 수 있다. 이러한 문제를 해소하기 위해, 산화전극(210)은 개질되어 사용될 수 있다. 예를 들어, 산화전극(210)은 흑연 펠트(Graphite felt)에 백금 파우더(Pt power)와 탄소 파우더(carbon power)를 교반하고 PVDF(polyvinyline fluoride)를 이용하여 코팅 제조된 백금 펠트(Platinized felt) 전극으로 개질되어 사용될 수 있다.However, a water decomposition reaction should occur smoothly in the oxidizing electrode 210, but the potential may become unstable due to oxidation of the oxidizing electrode 210 during long-term operation. To solve this problem, the oxidation electrode 210 may be modified and used. For example, the anode 210 is a platinum felt coated with graphite felt by stirring platinum powder (Pt power) and carbon powder (carbon power) and using PVDF (polyvinyline fluoride). It can be modified and used as an electrode.

종래 흑연펠트(Graphite felt) 전극이 산화전극(210)으로 사용될 때, 반응기(100)에 부가되는 전체 전압(Voltage)은 2.9 ~ 3.1V값인데 반하여, 백금 펠트 전극이 산화전극(210)으로 사용될 때, 반응기(100)에 부가되는 전체 전압(Voltage)은 2.5 ~ 2.7V값으로 감소되는 것을 확인할 수 있었다. 이에 따라, 루베당 메탄 생성 가격 또한 감소될 수 있을 것으로 예측될 수 있다. When a conventional graphite felt electrode is used as the anode 210, the total voltage applied to the reactor 100 is 2.9 to 3.1V, whereas a platinum felt electrode is used as the anode 210. At this time, it was confirmed that the total voltage added to the reactor 100 was reduced to a value of 2.5 to 2.7V. Accordingly, it can be expected that the cost of methane production per rube can also be reduced.

환원전극(220)은 이산화탄소를 기질로 하는 혐기성 미생물에 의해 이산화탄소를 메탄으로 전환할 수 있도록 하는 작용전극(working electrode)일 수 있다. 혐기성 미생물에 의해 이산화탄소를 메탄으로 전환시키기 위해서, 환원전극(220)은 산화전극(210)에서 생성된 수소 이온을 환원제로 이용할 수 있다. The reduction electrode 220 may be a working electrode that converts carbon dioxide into methane by anaerobic microorganisms using carbon dioxide as a substrate. In order to convert carbon dioxide into methane by anaerobic microorganisms, the reduction electrode 220 may use hydrogen ions generated at the oxidation electrode 210 as a reducing agent.

환원전극(220)은 탄소 기반의 스펀지 형태(Graphite felt)로 사용될 수 있다. 환원전극(220)은 흑연종이(Graphite paper), 흑연브러쉬(Graphite felt brush), 스테인리스 스틸 메쉬(Stainless steel mesh) 형태로 사용될 수 있다.The cathode 220 may be used in the form of a carbon-based sponge (Graphite felt). The cathode 220 may be used in the form of graphite paper, graphite felt brush, or stainless steel mesh.

환원전극(220)은 혐기성 미생물이 배양가능한 다공성 전극 표면을 제공할 수 있다. 환원전극(220)은 다공성 그물망 형태로 제공되므로, 환원전극(220)의 다공성 전극 표면에는 이산화탄소를 기질로 한 메탄전환 미생물인 Hydrogentrophic methanogen과 전극 표면의 electromethanogen과 같은 균주가 고농도로 배양될 수 있다. The cathode 220 may provide a porous electrode surface capable of cultivating anaerobic microorganisms. Since the cathode 220 is provided in the form of a porous mesh, strains such as hydrogentrophic methanogen, a methane-converting microorganism using carbon dioxide as a substrate, and electromethanogen on the surface of the electrode can be cultured at high concentration on the surface of the porous electrode of the cathode 220.

환원전극(220)은 개질되어 사용될 수 있다. 일 예로, 환원전극(220)은 폴리피롤(PPY: Polypyrrole) 및 폴리도파민(PDA: Polydopamine)을 흑연 펠트(Graphite felt)에 전기증착시켜 제조된 PPY/PDA 흑연펠트 전극으로 개질되어 사용될 수 있다. 폴리피롤(PPY)같은 경우 전도성 고분자로서, 높은 전도성과 화학적 안정성을 가진다. 폴리도파민(PDA)은 홍합 접착단백질의 모사 고분자로서, 다양한 표면에 잘 붙는 특성을 가지며, 높은 생체적합성과 우수한 친수성을 가진다. 흑연펠트만이 환원전극(220)에 적용된 경우, 반응기(100)의 전체 압력(voltage)은 2.9 ~ 3.1 V의 값을 나타낸 반면에, PPY/PDA 흑연펠트 전극에 환원전극(220)에 적용된 경우, 반응기(100)의 전체 압력(voltage)은 2.4 ~ 2.6V의 낮은 값을 나타내었다.The reduction electrode 220 may be modified and used. For example, the cathode 220 may be modified with a PPY/PDA graphite felt electrode prepared by electrodepositing polypyrrole (PPY) and polydopamine (PDA) on a graphite felt. As a conductive polymer, polypyrrole (PPY) has high conductivity and chemical stability. Polydopamine (PDA) is a polymer that mimics the adhesive protein of mussels, and has properties that adhere well to various surfaces, as well as high biocompatibility and excellent hydrophilicity. When only the graphite felt was applied to the reduction electrode 220, the total voltage of the reactor 100 showed a value of 2.9 to 3.1 V, whereas when the PPY/PDA graphite felt electrode was applied to the reduction electrode 220 , the total voltage of the reactor 100 showed a low value of 2.4 ~ 2.6V.

환원전극(220)은 반응기(100)의 내부 타측, 다시 말해 제2 챔버(120)에 배치되어, 전원공급장치(400)와 전기적으로 연결될 수 있다. 환원전극(220)이 배치된 제2 챔버(120)에서는 아래의 반응식 2와 같은 반응이 진행될 수 있다. The cathode 220 may be disposed on the other side of the reactor 100, that is, in the second chamber 120, and electrically connected to the power supply 400. In the second chamber 120 where the reduction electrode 220 is disposed, a reaction as shown in Scheme 2 below may proceed.

[반응식 2][Scheme 2]

CO2 + 8H+ + 8e- → CH4 + 2H2O CO 2 + 8H + + 8e - → CH 4 + 2H 2 O

CO2 + 4H2 → CH4 + 2H2O CO 2 + 4H 2 → CH 4 + 2H 2 O

이를 위해, 환원전극(220)의 표면에는 혐기성 미생물이 배양된 바이오필름(221: Biofilm)이 형성될 수 있다. 혐기성 미생물의 배양을 위해서, KH2PO4, K2HPO4, NH4Cl, NaHCO3, MgSO4, CaCl2, Trace elements, Vitamin이 미생물 배지로 사용될 수 있고, 산발효액 혹은 탄소원과 미네랄(mineral)을 포함하는 폐수가 배지를 대체하여 사용될 수 있다.To this end, a biofilm 221 in which anaerobic microorganisms are cultured may be formed on the surface of the cathode 220 . For the cultivation of anaerobic microorganisms, KH 2 PO 4 , K 2 HPO 4 , NH 4 Cl, NaHCO 3 , MgSO 4 , CaCl 2 , trace elements, vitamins can be used as a microbial medium, acid fermentation broth or carbon source and mineral ) can be used in place of the medium.

여기서, 바이오필름(221)은 혐기성 미생물이 환원전극(220)의 표면에 접종된 상태에서 소정 두께로 배양된 혐기성 미생물의 배양층으로 이해될 수 있다. 바이오필름(221)의 혐기성 미생물은 산화전극(210)으로부터 수소 이온을 전달 받아 메탄을 생성할 수 있다. Here, the biofilm 221 may be understood as a culture layer of anaerobic microorganisms cultured to a predetermined thickness in a state in which anaerobic microorganisms are inoculated on the surface of the cathode 220 . Anaerobic microorganisms of the biofilm 221 may generate methane by receiving hydrogen ions from the anode 210 .

본 발명에 따른 미생물 균주에 대한 평가에서, 주요 메탄 전환 군집들이 전극상에 부착 되어있는 것을 확인한 후, 세롬용기(Serum bottle)를 이용하여 메탄전환 생물전기화학 반응기(100)에서 각각 바이오필름이 형성된 환원전극(220)과 배양액을 분리하여 배양하였다. 세롬용기를 이용하는 실험 같은 경우, 수소(H2) 가스를 공급하여 환원력을 공급해주었다. In the evaluation of the microbial strain according to the present invention, after confirming that the main methane conversion populations are attached to the electrode, biofilms are formed in the methane conversion bioelectrochemical reactor 100 using a Serum bottle The cathode 220 and the culture solution were separated and cultured. In the case of an experiment using a cerium container, hydrogen (H 2 ) gas was supplied to supply reducing power.

실험 결과, 바이오필름이 형성된 환원전극(220)이 투입된 세롬용기에서만 이산화탄소와 수소(H2) 가스의 소모를 확인할 수 있었다. 액상만 투입된 세롬용기에서는 가스의 생성이나 소모가 없었다. 이는 이산화탄소(CO2)로부터 메탄(CH4)의 생성에 환원전극(220)의 표면에 부착되어 있는 바이오필름(221)이 주요한 역할을 한 것을 나타낸다.As a result of the experiment, consumption of carbon dioxide and hydrogen (H 2 ) gas could be confirmed only in the cerium container into which the reduction electrode 220 on which the biofilm was formed was put. There was no generation or consumption of gas in the CEROM container into which only the liquid phase was input. This indicates that the biofilm 221 attached to the surface of the cathode 220 played a major role in generating methane (CH 4 ) from carbon dioxide (CO 2 ).

또한, 세롬용기의 계대 배양을 통해 전극상 특정 군집을 배양하였고, 새로운 생물전기화학 반응기(100)에 세팅하여 이산화탄소 이용 메탄전환 속도가 증가함을 확인할 수 있었다. 최종 메탄함량 97%, 생산속도는 전극면적당 2.9L CH4/m2cat/hour로 확인되었다. NGS(next-generation sequencing) 분석을 통한 균주 분석은 아래의 표 1과 같다.In addition, it was confirmed that a specific population on the electrode was cultured through subculture of the cerium container, and the methane conversion rate using carbon dioxide increased by setting in the new bioelectrochemical reactor 100. The final methane content was 97%, and the production rate was 2.9L CH 4 /m 2 cat/hour per electrode area. Strain analysis through NGS (next-generation sequencing) analysis is shown in Table 1 below.

[표 1][Table 1]

본 실시예에 사용되는 혐기성 미생물은 주로 반응기(100) 내 부유되는 Methane producing species과, 주로 환원전극(220)에 부착되는 Acetate producing species을 포함할 수 있다. Methane producing species는 Methanobacterium movens, Methanobacterium petrolearium, Methanobacterium subterraneum, Methanobrevibacter arboriphilus, Methanothrix soehngenii을 포함할 수 있다. Acetate producing species는 Proteiniphilum acetatigenes, Proteiniphilum saccharofermentans, Acetivibrio alkalicellulosi, Soehngenia saccharolytica을 포함할 수 있다.The anaerobic microorganism used in this embodiment may include a methane producing species mainly suspended in the reactor 100 and an acetate producing species mainly attached to the reduction electrode 220 . Methane producing species may include Methanobacterium movens, Methanobacterium petrolearium, Methanobacterium subterraneum, Methanobrevibacter arboriphilus, Methanothrix soehngenii. Acetate producing species may include Proteiniphilum acetatigenes, Proteiniphilum saccharofermentans, Acetivibrio alkalicellulosi, and Soehngenia saccharolytica.

한편, 기준전극(230)은 제2 챔버(120)에 마련될 수 있다. 기준전극(230)은 전위를 발생시키기 위한 전위의 기준이 되는 전극으로, 작용전극(working electrode)인 환원전극(220)에 인접하게 위치될 수 있다. 일 예로, 기준전극(230)은 Ag/AgCl 전극일 수 있다.Meanwhile, the reference electrode 230 may be provided in the second chamber 120 . The reference electrode 230 is an electrode that is a reference for a potential for generating a potential, and may be positioned adjacent to the working electrode, the reduction electrode 220 . For example, the reference electrode 230 may be an Ag/AgCl electrode.

이온교환막(300)은 산화전극(210)이 배치된 제1 챔버(110)와, 환원전극(220) 배치된 제2 챔버(120) 사이에 설치될 수 있다. 이온교환막(300)은 산화전극(210)에 의해 제1 챔버(110)에서 생성된 수소이온(H+)을 환원전극(220)이 배치된 제2 챔버(120)로 전달할 수 있다. 본 실시예에서는, 양이온교환막(proton exchange membrane(PME))이 이온교환막(300)으로 사용되었지만, 양이온교환막 이외에도, 이온교환막(300)은 양이온 분리막, 부직포, 세라믹 분리막, 이온 교환 분리막 등으로 이루어질 수 있다. The ion exchange membrane 300 may be installed between the first chamber 110 in which the oxidation electrode 210 is disposed and the second chamber 120 in which the reduction electrode 220 is disposed. The ion exchange membrane 300 may transfer hydrogen ions (H + ) generated in the first chamber 110 by the anode 210 to the second chamber 120 where the cathode 220 is disposed. In this embodiment, a cation exchange membrane (proton exchange membrane (PME)) is used as the ion exchange membrane 300, but in addition to the cation exchange membrane, the ion exchange membrane 300 may be made of a cation separator, a nonwoven fabric, a ceramic separator, an ion exchange separator, or the like. there is.

전원공급장치(400)는 산화전극(210) 및 환원전극(220)에 전원을 공급할 수 있다. 전원공급장치(400)가 전기회로를 통해 산화전극(210) 및 환원전극(220)에 전원을 공급하면, 환원전극(220)에 환원전위 또는 환원전류가 인가될 수 있고, 산화전극(210)에서 생성된 전자(e-)는 환원전극(220)으로 이동될 수 있다.The power supply 400 may supply power to the anode 210 and the cathode 220 . When the power supply 400 supplies power to the oxidation electrode 210 and the reduction electrode 220 through an electric circuit, reduction potential or reduction current may be applied to the reduction electrode 220, and the oxidation electrode 210 The electrons (e ) generated in may move to the reduction electrode 220.

그리고 전원공급장치(400)는 반응기(100) 내 물분해 반응보다 낮은 전압에서 수소 이온이 생성되도록 산화전극(210) 및 환원전극(220) 간에 전위차를 발생시킬 수 있다. 일 예로, 전위차계를 이용한 반응기(100)에 인가된 전위는 1.0V(vs. Ag/AgCl) 일 수 있다.Further, the power supply device 400 may generate a potential difference between the oxidizing electrode 210 and the reducing electrode 220 so that hydrogen ions are generated at a voltage lower than that of the water decomposition reaction in the reactor 100 . For example, the potential applied to the reactor 100 using a potentiometer may be 1.0V (vs. Ag/AgCl).

이때, 물분해반응보다 낮은 전압에서 수소(H+)이온이 생성되도록 하기 위한 전원공급장치의 제어는, Potentiostat이라는 장비가 사용될 수 있다. 이론적으로 물분해반응을 통한 수소가스 생성을 위해, E total = Ecathode - Eanode: -0.83V - (0.40V) = -1.23V(25도, pH=0, Standard조건) 전압이 인가되어야 한다. 만일, 탄소기반의 전극을 사용할 경우 전극이 가지는 overpotential 때문에 이론적인 전압보다 높은 전압을 인가해야하는 단점이 있다. 본 발명에 사용된 실험방법은, GC장비를 이용하여 수소 생성반응을 확인하였으며, -1.1V(vs.Ag/AgCl)이상 인가하였을때는 수소가스 생성을 확인하였기에, 그 이하로, -1.0V(vs.Ag/AgCl) 전압을 인가하였을때는 GC(Gas chromatography)상에 수소 peak를 확인하지 못하였고, -1.0V 보다 낮은 전압을 인가시에는 이산화탄소(CO2)를 이용하여 메탄(CH4)의 전환속도가 현저히 늦어지는 것을 확인하였다. 탄소기반 전극을 하였을 때 제안하는 범위는 Cathode 기준(-0.8 ~ -1.0V vs. Ag/AgCl, 탄소기반의 전극사용시) 수소(g) 생성없이 H+와 전자의 공급을 통해 이산화탄소(CO2)를 이용하여 메탄(CH4) 전환이 이루어지며, 백금과 같은 전도도가 높은 전극을 사용하였을 때 Cathode 기준(-0.5 ~ -0.8 V vs. Ag/AgCl) 수소(g) 생성없이 H+ 와 전자 공급으로 메탄전환이 가능하다.At this time, a device called Potentiostat may be used to control the power supply to generate hydrogen (H + ) ions at a voltage lower than that of the water decomposition reaction. Theoretically, for hydrogen gas generation through water decomposition reaction, E total = Ecathode - Eanode: -0.83V - (0.40V) = -1.23V (25 degrees, pH = 0, standard condition) voltage should be applied. If a carbon-based electrode is used, there is a disadvantage in that a voltage higher than the theoretical voltage must be applied due to the overpotential of the electrode. In the experimental method used in the present invention, the hydrogen generation reaction was confirmed using a GC equipment, and hydrogen gas generation was confirmed when applied over -1.1V (vs.Ag/AgCl), so below that, -1.0V ( When vs.Ag/AgCl) voltage was applied, hydrogen peak was not confirmed on GC (Gas chromatography), and when voltage lower than -1.0V was applied, carbon dioxide (CO 2 ) was used to remove methane (CH 4 ) It was confirmed that the conversion rate was significantly slowed down. When carbon-based electrode is used, the suggested range is based on cathode (-0.8 ~ -1.0V vs. Ag/AgCl, when using carbon-based electrode). Methane (CH 4 ) conversion is performed by using an electrode with high conductivity, such as platinum, based on cathode (-0.5 ~ -0.8 V vs. Ag/AgCl), and methane is supplied with H+ and electrons without generating hydrogen (g). Conversion is possible.

산화전극(210) 및 환원전극(220) 간 전위차를 이용하여 물분해 반응보다 낮은 전압에서 생성된 수소 이온(H+)이 환원전극(220)으로 공급되면, 환원전극(220) 측에서는 혐기성 미생물에 의해 이산화탄소가 기질로 하여 메탄으로 전환될 수 있다. 특히, 이산화탄소가 용해될 때, 수소 이온은 중탄산염, 탄산염 등으로 전환되면서 pH 중화 작용을 하기 때문에, 수소 이온은 혐기성 미생물의 활성 유지에 중요한 역할을 할 수 있다. When hydrogen ions (H + ) generated at a voltage lower than that of the water decomposition reaction are supplied to the reduction electrode 220 using the potential difference between the oxidation electrode 210 and the reduction electrode 220, the reduction electrode 220 side to anaerobic microorganisms Carbon dioxide can be converted into methane as a substrate. In particular, since hydrogen ions neutralize pH while being converted into bicarbonate, carbonate, etc. when carbon dioxide is dissolved, hydrogen ions can play an important role in maintaining the activity of anaerobic microorganisms.

예컨대, 혐기성 미생물이 포함되어 있는 환원챔버(Cathode chamber)인 제2 챔버(120)의 경우 메탄생성균(Methanogen)의 적정 생장 pH 범위가 6.5~8.2 pH 사이이며, 실험결과, 또한 6.5~8.2 pH 범위를 유지하는 것이 확인되었다. 적정 pH를 유지하기 위하여, 미생물배지에 인산 일수소 칼륨(K2HPO4)과 인산 이수소 칼륨(KH2PO4)을 이용하여 적정 pH를 유지할 수도 있지만, 이산화탄소가 용해된 경우 중탄산염 효과에 의하여 pH는 7.8~ 8.2 사이에 유지될 수 있다.For example, in the case of the second chamber 120, which is a reduction chamber containing anaerobic microorganisms, the pH range for methanogen growth is between 6.5 and 8.2 pH, and as a result of the experiment, it is also in the range of 6.5 to 8.2 pH It was confirmed that the In order to maintain an appropriate pH, potassium monohydrogen phosphate (K 2 HPO 4 ) and potassium dihydrogen phosphate (KH 2 PO 4 ) may be used to maintain the appropriate pH, but when carbon dioxide is dissolved, the bicarbonate effect The pH can be maintained between 7.8 and 8.2.

본 발명에서 제안하는 적용되는 pH범위는 환원액에서 6.5 내지 8.2 pH 범위로 혐기성 미생물의 성장 및 배양이 가능하다. pH가 8.2 pH 초과하여 높아질 경우 이산화탄소(CO2)를 이용한 메탄(CH4) 전환속도가 현저히 감소될 수 있다. 산화챔버(Anode chamber)인 제1 챔버(110)의 경우, 물분해반응으로 인하여 pH가 2~3 pH 범위까지 감소하여 수소 이온이 풍부해진 조건에서는 같은 몰 질량에 해당하는 이산화탄소가 용해되어 공급되어 용해되어야 생물반응에 의한 메탄화가 이루어질 수 있다.The applied pH range proposed in the present invention is 6.5 to 8.2 pH range in the reducing solution, and anaerobic microorganisms can be grown and cultured. When the pH is higher than 8.2 pH, the conversion rate of methane (CH 4 ) using carbon dioxide (CO 2 ) may be significantly reduced. In the case of the first chamber 110, which is an oxidation chamber (Anode chamber), the pH is reduced to the 2-3 pH range due to the water decomposition reaction, and under the condition that hydrogen ions are enriched, carbon dioxide corresponding to the same molar mass is dissolved and supplied It must be dissolved for methanation by bioreaction to occur.

혐기성 소화조(500)는 이산화탄소가 포함된 바이오가스를 환원전극(220) 측에 공급할 수 있다. 이때, 혐기성 소화조(500)의 바이오가스는 황화수소 흡착장치를 통해 반응기(100)에 공급됨으로써, 바이오가스에 포함된 황화수소(H2S)가 제거될 수 있다. 혐기성 소화조(500)는 처리수내 잔류하는 유기물을 분해하여 생성된 메탄과 이산화탄소를 반응기(100)에 공급할 수 있다. 본 실시예에서, 바이오가스는 메탄(CH4) 65%와, 이산화탄소(CO2) 35%로 이루어질 수 있다. The anaerobic digestion tank 500 may supply biogas containing carbon dioxide to the reduction electrode 220 side. At this time, the biogas of the anaerobic digestion tank 500 is supplied to the reactor 100 through a hydrogen sulfide adsorber, so that hydrogen sulfide (H 2 S) contained in the biogas can be removed. The anaerobic digestion tank 500 may supply methane and carbon dioxide generated by decomposing organic matter remaining in the treated water to the reactor 100. In this embodiment, biogas may consist of 65% methane (CH 4 ) and 35% carbon dioxide (CO 2 ).

일 예로, 혐기성 소화조(500)는 바이오 가스(CH4 65%, CO2 35%)를 20분간 반응기(100) 내에 주입(40ml/min)하여, 반응기 내 헤드스페이스(Headspace)의 완전한 가스 교체를 하고, 반응기(100)의 외부에서 주사기를 연결하여 배치 타입(Batch type)으로 운전될 수 있다.For example, the anaerobic digester 500 injects biogas (CH 4 65%, CO 2 35%) into the reactor 100 for 20 minutes (40ml/min), complete gas replacement of the headspace in the reactor And, it can be operated in a batch type by connecting a syringe from the outside of the reactor 100.

이상 본 발명의 실시예들을 구체적인 실시 형태로서 설명하였으나, 이는 예시에 불과한 것으로서, 본 발명은 이에 한정되지 않는 것이며, 본 명세서에 개시된 기초 사상에 따르는 최광의 범위를 갖는 것으로 해석되어야 한다. 당업자는 개시된 실시형태들을 조합/치환하여 적시되지 않은 형상의 패턴을 실시할 수 있으나, 이 역시 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 것이다. 이외에도 당업자는 본 명세서에 기초하여 개시된 실시형태를 용이하게 변경 또는 변형할 수 있으며, 이러한 변경 또는 변형도 본 발명의 권리범위에 속함은 명백하다.Although the embodiments of the present invention have been described as specific embodiments, this is merely an example, and the present invention is not limited thereto, and should be construed as having the widest scope according to the basic ideas disclosed herein. A person skilled in the art may implement a pattern of a shape not indicated by combining/substituting the disclosed embodiments, but this also does not deviate from the scope of the present invention. In addition, those skilled in the art can easily change or modify the disclosed embodiments based on this specification, and it is clear that such changes or modifications also fall within the scope of the present invention.

10 :혐기성소화장치
100 :반응기 110 :제1 챔버
111 :제1 챔버부 112 :가스유입부
113 :가스배출부 120 :제2 챔버
121 :제2 챔버부 122 :산소배출부
210 :산화전극 220 :환원전극
230 :기준전극 300 :이온교환막
400 :전원공급장치 500 :혐기성 소화조
10: anaerobic digestion device
100: reactor 110: first chamber
111: first chamber unit 112: gas inlet unit
113: gas discharge unit 120: second chamber
121: second chamber unit 122: oxygen discharge unit
210: oxidation electrode 220: reduction electrode
230: reference electrode 300: ion exchange membrane
400: power supply 500: anaerobic digester

Claims (9)

이온교환막을 사이에 두고 산화전극 및 환원전극이 배치된 반응기를 준비하는 단계;
환원전극에 혐기성 미생물을 접종하는 단계;
이산화탄소가 포함된 바이오가스를 환원전극 측에 공급하는 단계;
산화전극 및 환원전극에 전원을 인가하여, 환원전극의 표면에 혐기성 미생물을 배양하는 단계;
환원전극의 표면에 배양된 혐기성 미생물을 이용하여 이산화탄소를 메탄으로 전환하는 단계를 포함하는,
고품질 바이오메탄 생산을 위한 혐기성소화방법.
Preparing a reactor in which an anode and a cathode are disposed with an ion exchange membrane interposed therebetween;
inoculating anaerobic microorganisms on the cathode;
supplying biogas containing carbon dioxide to the cathode side;
culturing anaerobic microorganisms on the surface of the cathode by applying power to the anode and the cathode;
Containing the step of converting carbon dioxide into methane using anaerobic microorganisms cultured on the surface of the cathode,
Anaerobic digestion method for high-quality biomethane production.
제 1 항에 있어서,
이산화탄소가 전환된 메탄을 수소 추출설비에서 수소를 추출하는 단계를 더 포함하는,
고품질 바이오메탄 생산을 위한 혐기성소화방법.
According to claim 1,
Further comprising the step of extracting hydrogen from carbon dioxide converted methane in a hydrogen extraction facility,
Anaerobic digestion method for high-quality biomethane production.
제 2 항에 있어서,
상기 메탄을 수소 추출설비에서 수소를 추출하는 단계는,
상기 수소 추출설비에서 부산물로 발생된 이산화탄소를 반응기로 피드백하는,
고품질 바이오메탄 생산을 위한 혐기성소화방법.
According to claim 2,
The step of extracting hydrogen from methane in a hydrogen extraction facility,
Feeding back the carbon dioxide generated as a by-product in the hydrogen extraction facility to the reactor,
Anaerobic digestion method for high-quality biomethane production.
제 1 항에 있어서,
상기 환원전극의 표면에 혐기성 미생물을 배양하는 단계는,
상기 산화전극의 수소 이온을 환원제로 이용하는 혐기성 미생물을 상기 환원전극의 표면에 배양하여 바이오필름을 형성하는,
고품질 바이오메탄 생산을 위한 혐기성소화방법.
According to claim 1,
The step of culturing anaerobic microorganisms on the surface of the cathode,
Forming a biofilm by culturing anaerobic microorganisms using hydrogen ions of the anode as a reducing agent on the surface of the cathode,
Anaerobic digestion method for high-quality biomethane production.
제 1 항에 있어서,
상기 이산화탄소를 메탄으로 전환하는 단계는,
상기 반응기 내 물분해 반응보다 낮은 전압에서 수소 이온이 생성되도록 상기 산화전극 및 상기 환원전극 간에 전위차를 발생시키는,
고품질 바이오메탄 생산을 위한 혐기성소화방법.
According to claim 1,
The step of converting the carbon dioxide to methane,
Generating a potential difference between the oxidizing electrode and the reducing electrode so that hydrogen ions are generated at a voltage lower than the water decomposition reaction in the reactor,
Anaerobic digestion method for high-quality biomethane production.
제 1 항에 있어서,
상기 산화전극은
흑연 펠트(Graphite felt)에 백금 파우더(Pt power)와 탄소 파우더(carbon power)를 교반하고 PVDF(polyvinyline fluoride)를 이용하여 코팅 제조된 백금 펠트(Platinized felt) 전극인,
고품질 바이오메탄 생산을 위한 혐기성소화방법.
According to claim 1,
The anode is
A platinum felt electrode prepared by stirring platinum powder (Pt power) and carbon powder (Pt power) and carbon power in a graphite felt and coating using polyvinyline fluoride (PVDF),
Anaerobic digestion method for high-quality biomethane production.
제 1 항에 있어서,
상기 환원전극은
상기 혐기성 미생물이 배양가능한 다공성 전극 표면을 제공하는,
고품질 바이오메탄 생산을 위한 혐기성소화방법.
According to claim 1,
The reduction electrode is
Providing a porous electrode surface on which the anaerobic microorganisms can be cultured,
Anaerobic digestion method for high-quality biomethane production.
제 1 항에 있어서,
상기 환원전극은
폴리피롤(PPY: Polypyrrole) 및 폴리도파민(PDA: Polydopamine)을 흑연 펠트(Graphite felt)에 전기증착시켜 제조된 PPY/PDA 흑연펠트 전극인,
고품질 바이오메탄 생산을 위한 혐기성소화방법.
According to claim 1,
The reduction electrode is
A PPY/PDA graphite felt electrode prepared by electrodepositing polypyrrole (PPY) and polydopamine (PDA) on graphite felt,
Anaerobic digestion method for high-quality biomethane production.
제 1 항에 있어서,
상기 반응기의 내부 온도는
20℃ 내지 55 ℃ 범위를 만족하고,
상기 혐기성 미생물은
상기 20℃ 내지 55 ℃ 범위에서 활동 가능한 발효 균주를 포함하는,
고품질 바이오메탄 생산을 위한 혐기성소화방법.
According to claim 1,
The internal temperature of the reactor is
Satisfies the range of 20 ℃ to 55 ℃,
The anaerobic microorganisms
Including a fermentation strain capable of activity in the range of 20 ℃ to 55 ℃,
Anaerobic digestion method for high-quality biomethane production.
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