초록 ▼

□ 연구개요
나노영가철(nZVI)이 수중에서 부식을 통해 수소(H₂)를 생성하고 이를 수소이용메탄균이 사용하여 소화가스내 잔류하는 이산화탄소(CO₂)를 메탄(CH₄)으로 전환하는 바이오메탄화 가능성과 공정기술을 개발함. 해당기술개발을 위해 1) nZVI 최적 주입농도, 2)CO₂ 흡수액 조성, 3)최적 주입방법, 4) 공정구성 및 운전방법 등에 대한 연구가 수행되었음. nZVI를 이용한 바이오메탄화에 있어 고농도로 분산 주입시 수소이용 메탄화 반응을

□ 연구개요
나노영가철(nZVI)이 수중에서 부식을 통해 수소(H₂)를 생성하고 이를 수소이용메탄균이 사용하여 소화가스내 잔류하는 이산화탄소(CO₂)를 메탄(CH₄)으로 전환하는 바이오메탄화 가능성과 공정기술을 개발함. 해당기술개발을 위해 1) nZVI 최적 주입농도, 2)CO₂ 흡수액 조성, 3)최적 주입방법, 4) 공정구성 및 운전방법 등에 대한 연구가 수행되었음. nZVI를 이용한 바이오메탄화에 있어 고농도로 분산 주입시 수소이용 메탄화 반응을 유도하는 다양한 균주에 영향을 줄 수 있으며, 고농도 수소발생시 CO₂는 CH₄이 아닌 아세트산(HAc) 생성반응(Homoacetogenesis)이 주반응으로 일어남을 확인하였음. 이러한 저해기작을 저감하기 위해 다양한 nZVI를 포함한 담체개발을 수행한 결과, 커피찌꺼기입자를 이용해 합성한 경우 메탄전환효율이 보다 우수하였음.

□ 연구 목표대비 연구결과
다음 세 가지의 세부연구목표에 대한 연구결과를 정리함.

1)나노영가철(nZVI)의 바이오메탄화 반응특성 최적화: 영가철입자와 나노영가철을 대상으로 바이오메탄화 특성을 평가한 결과, nZVI의 수소발생량과 속도가 매우 우수하였으며, CO₂의 바이오메탄화 가능성을 확인하였음. 다만, 고농도 nZVI 존재시 수소이용메탄균의 생화학적 대사에 직간접적인 영향을 미칠 수 있었음.

나노영가철(nZVI)과 메탄생성균 안정적 고정화: nZVI를 고정화하면서 높은 바이오메탄화 성능을 확보할 수 있는 담체연구에서는 제철공정의 폐기물인 파쇠(STS)와 커피 찌꺼기를 비교평가하였으며, 그 결과 커피담체를 이용하여 합성된 nZVI-CG의 주입농도 6.25 g nZVI-CG/L에서 최대 메탄 발생 효율을 도출하였음.

바이오메탄화 시스템 구축 및 운전 최적화: 반연속식 공정을 통해 nZVI(15 g/L)를 일정한 간격으로 주입할 때 CH₄의 생성 속도와 CO₂의 전환 속도는 각각 0.59±0.26 mmol/d와 4.95±0.39 mmol/d로 유지됨. 이 둘의 차이는 용존된 CO₂의 대부분이 바이오메탄화로 진행되기 전 산화된 nZVI와의 침전(FeCO₃)반응을 통해 제거되었기 때문인 것으로 판단됨. 공정을 장기 운전한 경우 메탄생성속도는 0.05±0.04 mmol/d로 약 1/10로 저하되었으며, nZVI의 축적이 계속 이루어지면서 메탄화 반응이 아닌 Homoactogenesis 반응이 이루어져 운전 후기 아세트산 농도가 증가하였음.

□ 연구개발결과의 중요성
국내에서 발생하는 유기성폐기물에 바이오가스화 적용추세는 지속적으로 증가하고 있으나 바이오가스의 품질저하로 인한 에너지활용 측면에 제한적인 사용만 이루어지고 있어 바이오가스 고품질화는 현장에서 매우 중요한 문제임.
생산된 바이오가스를 고품질 차량연료 및 난방용 도시가스로 상업화하기 위해서는 불순물 제거 이외에 메탄함량(50~60%)을 천연가스 수준(>93%) 이상으로 증가시켜야 하며, 특히 바이오가스 내 잔류 이산화탄소함량(40~50%)을 저감시키는 것이 중요함.
본 연구를 통해 확보된 기술은 유기성폐기물 바이오가스화 공정 이외에 매립지 혹은 기타 CO₂ 에너지 자원화 원천기술로 활용성이 높음.

(출처 : 연구결과 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 2
• 목차 ... 3
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 4
• 2. 연구수행내용 및 연구결과 ... 4
• 2-1 영가철(ZVI) 선정을 위한 스크리닝 프로토콜 개발 ... 4
• 2-2 바이오메탄화를 위한 최적 반응환경조건 결정 ... 5
• 2-3 입상 ZVI와 nZVI 바이오메탄화(CO2→ CH4) 반응특성 비교 ... 6
• 2-4 nZVI 농도 증가가 CO2의 바이오메탄화에 미치는 영향(장기영향평가) ... 8
• 2-5 nZVI 이용 반연속식 바이오메탄화 공정 ... 9
• 2-5 nZVI 고정화를 위한 담체의 제조 및 바이오메탄화 영향 ... 11
• 3. 연구개발결과의 중요성 ... 15
• 4. 참고문헌 ... 15
• 5. 연구성과 ... 16
• 대표적 연구실적 ... 17
• 끝페이지 ... 30