KR101791663B1 - 이산화탄소를 이용한 메탄 생산장치 및 메탄 생산방법 - Google Patents

이산화탄소를 이용한 메탄 생산장치 및 메탄 생산방법 Download PDF

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Abstract

이산화탄소를 이용한 메탄 생산장치 및 메탄생성방법이 소개된다.
이 중에서 이산화탄소를 이용한 메탄 생산장치는 산화전극이 구비된 산화실과, 환원전극이 구비된 환원실을 제공하는 전해조와, 이산화탄소 기체를 환원실에 공급하는 이산화탄소 공급부와 이산화탄소 기체를 용해시키기 위한 용해제를 산화실에 공급하는 용해제 공급부를 포함하는 원료 공급유닛과, 환원실 내 염기성 전해질과 산화실 내 산성 전해질 간 혼합이 이루어지는 혼합조와, 전해조에서 생성된 수소 기체와 혼합조에서 생성된 이산화탄소 수용액을 공급받아, 메탄을 생산하는 혐기소화조를 포함할 수 있다.

Description

이산화탄소를 이용한 메탄 생산장치 및 메탄 생산방법{APPARATUS FOR PRODUCING METHANE GAS USING CO2 AND METHOD THEREOF}
본 발명은 이산화탄소를 이용한 메탄 생산장치 및 메탄 생산방법에 관한 것으로, 보다 자세하게는, 이산화탄소를 안정적인 탄산수소칼슘 수용액 형태로 전환하고, 수소와 함께 탄산수소칼슘 수용액을 혐기소화 공정에 투입하여 메탄 생성 효율을 향상시킬 수 있는 이산화탄소를 이용한 메탄 생산장치 및 메탄 생산방법에 관한 것이다.
지구상의 탄소를 기반으로 한 물질들은, 여러 형태로 탄소 순환을 이루고, 일정한 양을 유지하면서 균형을 이루고 있다. 하지만 대기 중 이산화탄소의 증가로 인해, 탄소 순환을 형성하는 물질의 균형이 깨지고 있다. 예컨대, 대기 중의 이산화탄소 농도의 증가는 대부분 인간 활동에 의하여 진행되고 있으며, 화석연료에 대부분의 에너지를 의존하는 구조에서는 이산화탄소 배출량의 증가는 지속될 것으로 예상된다.
특히, 지구 온난화는 대기 중 이산화탄소 증가로 인해 발생되는 가장 큰 문제라 할 수 있다. 지구 온난화는 대기 중에 온실가스가 지표면에 복사된 후 우주공간으로 방출되는 적외선을 흡수, 차단하여 온실과 같이 지구의 기온 상승이 발생하는 현상이다. 이러한 이산화탄소 증가의 위험성을 인식하면서 전세계적으로 대기 중 이산화탄소를 줄이려는 연구가 활발히 진행되고 있다.
이산화탄소를 줄이는 방법은 크게 이산화탄소 포집 및 저장(Carbon Capture and Storage) 기술과, 이산화탄소 포집 및 활용(Carbon Capture and Utilization) 기술로 나눌 수 있다. 이산화탄소 포집 및 저장(CCS) 기술은, 지구온난화의 대안으로 제시되는데, 이산화탄소 포집 및 저장 기술의 경우, 접근 가능한 저장 장소가 제한적이고, 이들 장소는 대부분 이산화탄소 발생원과 상당히 멀리 떨어져 있기도 한다. 또한, 고투자 비용, 유해 포집제의 대기 방출 가능성, 잠재적 저장 능력의 한계와 불확실성, 이산화탄소 지층 저장의 안정성, 에너지 소비량이 많다는 단점이 있다.
이산화탄소 포집 및 활용(CCU)하는 기술로는, 이산화탄소를 이용한 화학 원료 및 연료 합성, 조류 바이오 연료 생산, 미네랄 탄산염 변환 등이 있다. 이산화탄소 포집 및 활용하는 기술의 경우, 이산화탄소를 단순히 버려지는 물질이 아닌 하나의 유용한 자원으로 고부가 가치의 원료나 친환경적인 연료로 전환하는 노력이 시도되고 있고, CCU 기술이 환경 문제 해결과 수익 창출이 가능한 대안으로 주목을 받아 연구가 활발히 진행되고 있다.
한편, 이산화탄소를 활용하는 기술로는, 촉매화학적 방법, 생물학적 방법, 광물형태 변환, 전기화학적 방법 등이 있다. 촉매화학적 방법은 촉매를 통해서 이산화탄소를 유용한 화학원료 또는 화학제품으로 전환하는 것으로, 흡열반응으로 높은 에너지를 소모하고 촉매의 비활성화, 재생 회수율 등의 문제를 해결해야 한다. 생물학적인 방법은 미생물이나 미세조류를 이용하여 이산화탄소를 유기물로 고정하여 바이오 연료를 생산하거나 인공광합성을 통해서 물과 이산화탄소를 메탄올 등의 재생연료로 생산하는 방법이다. 그러나 미생물 및 미세조류의 성장속도가 느리고, 생물량과 종의 유지가 불안정하며 많은 양의 이산화탄소를 제거하기 위해서는 많은 공간이 소요된다는 단점이 있다. 칼슘염, 마그네슘염 등과 반응시켜 광물형태로 변환하여 시멘트 등 건축 가재를 생산하는 방법은, 이산화탄소의 용해도가 낮아서 효율이 낮은 단점이 있다. 전기화학적 방법은 대량의 이산화탄소를 고정화할 수 있는 방법으로 전기에너지를 간단한 전해환원 반응장치에 투입하여 이산화탄소를 상온ㆍ상압 조건에서 전환이 가능하고, 시스템에 사용되는 전극의 종류에 따라서 선택적으로 생성물을 생산할 수 있다는 장점을 가지고 있어 효과적인 이산화탄소 전환이 가능하다.
그런데, 이러한 종래 기술의 경우, 용해된 이산화탄소를 안정적인 형태로 고정하지 못하여, 다시 쉽게 가스 형태로 날아갈 수 있고, 혐기소화 공정에서 미생물이 기질로 이용하는데 한계가 있다.
이에 용해된 이산화탄소를 안정적인 형태로 고정하여, 수소 기체와 함께, 혐기소화 공정에 활용할 수 있는 기술이 요구되고 있다.
등록특허공보 10-1670289(2016. 10. 24.)
본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위해 제공된 것으로서, 수소 기체와 안정한 상태의 이산화탄소를 혐기소화 미생물에 공급하여, 메탄 생성을 극대화할 수 있는 이산화탄소를 이용한 메탄 생산장치 및 메탄 생산방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소를 이용한 메탄 생산장치는, 산화전극이 구비된 산화실과, 환원전극이 구비된 환원실을 제공하는 전해조; 이산화탄소 기체를 상기 환원실에 공급하는 이산화탄소 공급부와, 상기 이산화탄소 기체를 용해시키기 위한 용해제를 상기 산화실에 공급하는 용해제 공급부를 포함하는 원료 공급유닛; 상기 환원실 내 염기성 전해질과 상기 산화실 내 산성 전해질 간 혼합이 이루어지는 혼합조; 및 상기 전해조에서 생성된 수소 기체와, 상기 혼합조에서 생성된 이산화탄소 수용액을 공급받아, 메탄을 생산하는 혐기소화조를 포함할 수 있다.
이때, 상기 전해조는 상기 산화실 및 상기 환원실 사이를 구획하는 이온교환막; 및 상기 산화전극 및 상기 환원전극에 전원을 공급하기 위한 전원공급부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 혐기소화조에는 이산화탄소를 탄소원으로 사용하고 수소를 전자공여체로 사용하여 메탄을 생산하는 메탄 생성 미생물이 수용될 수 있다.
또한, 상기 용해제는 상기 전해조 내 물과 반응하여 칼슘 이온을 생성하는 산화칼슘을 포함하고, 상기 이산화탄소 수용액은 중탄산염 이온과 상기 칼슘 이온이 반응하여 생성되는 탄산수소칼슘을 포함할 수 있다.
또한, 상기 혼합조는 상기 염기성 전해질과 상기 산성 전해질 간 반응시, 중탄산염 이온이 생성되도록 전해질의 pH 농도를 중성으로 유지할 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 혼합조 내 pH 농도를 감지하기 위한 pH 센서; 및 상기 혼합조 내 pH 농도가 중성으로 유지되도록 상기 이산화탄소 기체의 공급량, 상기 용해제의 공급량, 또는 전해질의 공급량을 조절하는 컨트롤러를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소를 이용한 메탄 생산방법은, 전해조에 전해질을 공급하는 단계; 이산화탄소 기체와, 상기 이산화탄소 기체를 용해시키기 위한 용해제를 상기 전해조에 공급하는 단계; 상기 전해조 내 염기성 전해질과 산성 전해질을 혼합조에서 혼합하는 단계; 및 상기 전해조에서 생성된 수소 기체와, 상기 혼합조에서 생성된 이산화탄소 수용액을 혐기소화조에 공급하여, 메탄을 생산하는 단계를 포함할 수 있다.
이때, 상기 메탄을 생산하는 단계는 상기 수소 기체와 상기 이산화탄소 수용액을 상기 혐기소화조 내 메탄 생성 미생물에 공급하여 메탄을 생산할 수 있다.
또한, 상기 염기성 전해질과 산성 전해질을 혼합조에서 혼합하는 단계는, 상기 염기성 전해질과 상기 산성 전해질 간 반응시, 중탄산염 이온이 생성되도록 전해질의 pH 농도를 중성으로 유지할 수 있다.
또한, 상기 염기성 전해질과 산성 전해질을 혼합조에서 혼합하는 단계는, 상기 혼합조 내 pH 농도를 감지하는 단계; 및 상기 혼합조 내 pH 농도가 중성으로 유지되도록 상기 이산화탄소 기체, 상기 용해제, 또는 전해질의 공급량을 조절하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예는 산화전극에서 낮은 pH 조건으로 칼슘을 물에 최대로 용해시키고, 환원전극에서는 높은 pH를 이용하여 이산화탄소를 중탄산염 또는 탄산염 형태로 용해시키며, 각각 전극에서 생성된 액체의 혼합을 통해서 중성 영역에서 탄산수소칼슘(Ca(HCO3)2) 형태로 생성함으로써, 동일한 액체에 최대의 이산화탄소를 용해 고정시킬 수 있다는 이점이 있다.
또한, 본 발명의 실시예는 수소 기체와 안정화된 상태의 이산화탄소를 혐기소화 미생물에 공급함으로써, 혐기소화 공정에서 메탄 생산을 극대화할 수 있다는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소를 이용한 메탄 생산장치를 도시한 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소를 이용한 메탄 생산장치에서, pH에 따른 탄산의 형태 및 분율을 도시한 그래프이다.
도 3은 본 발명의 변형예에 따른 이산화탄소를 이용한 메탄 생산장치를 도시한 구성도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소를 이용한 메탄 생산방법을 도시한 블록도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 구성 및 작용에 대해 상세하게 설명한다. 이하의 설명은 특허 청구 가능한 본 발명의 여러 측면(aspects) 중 하나이며, 하기의 설명은 본 발명에 대한 상세한 기술의 일부를 이룰 수 있다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어 공지된 구성 또는 기능에 관한 구체적인 설명은 본 발명을 명료하게 하기 위해 생략할 수 있다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예들을 포함할 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
그리고 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. 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '연결되어' 있다거나 '접속되어' 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
이하에서는 첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소를 이용한 메탄 생산장치를 도시한 구성도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소를 이용한 메탄 생산장치에서, pH에 따른 탄산의 형태 및 분율을 도시한 그래프이다.
도 1 내지 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 의한 메탄 생산장치는, 전해조(100), 원료 공급유닛(200), 혼합조(300) 및 혐기소화조(400)를 포함할 수 있다.
구체적으로, 전해조(100)는 전해질이 수용 가능한 저장용기로, 전원인가시 저장용기 내 전해질에 대한 전기 분해가 이루어질 수 있다.
이를 위해, 전해조(100)는 산화전극(121)이 구비된 산화실(120)과, 환원전극(111)이 구비된 환원실(110)과, 산화실(120) 및 환원실(110) 사이를 구획하는 이온교환막(130)과, 산화전극(121) 및 환원전극(111)에 전원을 공급하는 전원공급부(140)로 이루어질 수 있다.
산화실(120)에서는 산화전극(121)의 전기분해 과정을 통해, 아래의 [반응식 1]과 같은 화학반응이 발생될 수 있다.
[반응식 1]
2H2O → 4H+ + O2(g) + 4e-
산화실(120)에는 전해질과 함께, 원료 공급유닛(200)으로부터 이산화탄소 기체를 용해시키기 위한 용해제가 공급될 수 있다. 이 용해제는 산화칼슘(CaO)과 같은 칼슘공급원이 사용될 수 있는데, 산화전극(121)은 전기 분해시 산화실(120) 내 낮은 pH에서 칼슘을 최대한 용해시킬 수 있다. 산화실(120)에서 산화칼슘이 용해된 산성 전해질은 별도의 이송펌프(미도시)에 의해 혼합조(300)로 이동될 수 있다.
환원실(110)에서는 환원전극(111)의 전기분해 과정을 통해, 아래의 [반응식 2] 및 [반응식 3]과 같은 화학반응이 발생될 수 있다.
[반응식 2]
2H+ + 2e- → H2(g)
[반응식 3]
2H2O + 2e- → H2(g) +2OH-
환원실(110)에는 전해질과 함께, 원료 공급유닛(200)으로부터 이산화탄소 기체가 공급될 수 있다. 이 이산화탄소 기체는 환원실(110)의 pH 농도에 따라 아래의 [반응식 4], [반응식 5]와 같은 화학반응이 발생될 수 있다.(도 2 참조)
[반응식 4]
H2CO3 → H+ + HCO3 -
[반응식 5]
HCO3 - → H+ + CO3 2-
[반응식 4] 및 [반응식 5]에서 보듯이, 환원실(110)에서는 이산화탄소 기체가 중탄산염(bicarbonate), 탄산염(carbonate) 형태로 용해될 수 있고, 전기 분해를 통해 수소 기체가 발생될 수 있다. 이산화탄소 기체가 중탄산염 또는 탄산염 형태로 용해된 염기성 전해질은, 이송펌프에 의해 혼합조(300)로 이동될 수 있다.
원료 공급유닛(200)은 이산화탄소 기체를 환원실(110)에 공급하는 이산화탄소 공급부(210)와, 이산화탄소 기체를 용해시키기 위한 용해제를 산화실(120)에 공급하는 용해제 공급부(220)와, 전해질을 전해조(100)에 공급하는 전해질 공급부(230)로 구성될 수 있다. 본 실시예에서는, 물(전해질)과 반응하여 칼슘 이온을 생성하는 산화칼슘(CaO)이 용해제로 사용되지만, 산화칼슘(CaO) 이외에도, 이산화탄소 기체를 전해질에 용해시키기 위한 다양한 종류의 첨가제가 사용될 수 있음은 물론이다.
혼합조(300)는 환원실(110)로부터 제공받은 염기성 전해질과 산화실(120)로부터 제공받은 산성 전해질 간에 혼합이 이루어지는 수용용기로, 수용용기 내 전해질의 pH 농도를 중성으로 유지시킬 수 있다. 혼합조(300) 내 pH 농도를 중성으로 유지하기 위해, 전해조(100)로 공급되는 이산화탄소 기체, 용해제 또는 전해질의 공급량을 선택적으로 조절하거나, pH 농도를 중성으로 유지하기 위한 별도의 첨가제를 혼합조(300) 내에 투입할 수 있다.
이에 따라, 혼합조(300)에서는 염기성 전해질과 산성 전해질 간 반응시, 중탄산염 이온(HCO3 -)이 생성될 수 있고, 아래의 [반응식 6]과 같은 화학반응을 통해 탄산수소칼슘(Ca(HCO3)2)이 생성될 수 있다.
[반응식 6]
Ca2 +(aq) + 2HCO3 - → Ca(HCO3)2(aq)
여기서, 탄산수소칼슘(Ca(HCO3)2)는 탄산칼슘(CaCO3)보다 많은 양의 이산화탄소를 포함할 수 있으므로, 보다 많은 이산화탄소를 유용한 자원으로 사용할 수 있다. 또한, 탄산수소칼슘(Ca(HCO3)2)는 이산화탄소를 안정적인 상태로 고정하여 혐기소화조 내 혐기소화 미생물에 제공할 수 있다.
혐기소화조(400)는 전해조(100)에서 생성된 수소 기체와, 혼합조(300)에서 생성된 이산화탄소 수용액을 공급받을 수 있고, 공급받은 수소 기체와 이산화탄소 수용액을 이용하여 메탄을 생산할 수 있다. 이산화탄소 수용액은 중탄산염 이온과 칼슘 이온이 반응하여 생성되는 탄산수소칼슘 수용액일 수 있다.
이때, 혐기소화조(400) 내 메탄 생산을 위해, 혐기소화조(400) 내에는 혐기소화 미생물이 수용될 수 있다. 혐기소화 미생물은 이산화탄소를 탄소원으로 사용하고 수소를 전자공여체로 사용하여 메탄을 생산하는 메탄 생성 미생물(HydrogenotropHic methanogenesis)일 수 있다.
본 실시예에서, 혐기소화 미생물은 이산화탄소 및 수소를 주로 이용하는 메탄 생성 미생물(HydrogenotropHic methanogenesis)에 대하여 설명하였지만, 이에 한정되지는 아니하며, 혐기소화 미생물은 아세트산과 같은 유기산을 이용하여 메탄을 생성하는 메탄 생성 미생물(Acetoclastic methanogenesis)일 수 있도 있다.
이와 같이, 본 발명은 혐기소화조(400)에 수소 기체 및 이산화탄소 기체를 공급하는 경우와 비교하여, 혐기소화조(400) 내 적합한 중성 pH와 알카리도를 제공하여, 이산화탄소를 이산화탄소 수용액(예를 들어, 탄산수소칼슘 수용액)의 안정화된 상태로 혐기소화조(400)에 공급함으로써, 이산화탄소에 대한 혐기소화 미생물의 이용이 용이하도록 하고, 혐기소화 공정에서 메탄 생산을 극대화할 수 있다.
도 3은 본 발명의 변형예에 따른 이산화탄소를 이용한 메탄 생산장치를 도시한 구성도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 변형예에 의한 메탄 생산장치는, 전해조(100), 원료 공급유닛(200), 혼합조(300), 혐기소화조(400), pH 센서(500) 및 컨트롤러(600)를 포함할 수 있다.
여기서, pH 센서(500) 및 컨트롤러(600)를 제외한 나머지 구성들, 예를 들어, 전해조(100), 원료 공급유닛(200), 혼합조(300) 및 혐기소화조(400) 구성은, 일 실시예에서 설명한 전해조(100), 원료 공급유닛(200), 혼합조(300) 및 혐기소화조(400) 구성과 대응되므로, 이에 대한 자세한 설명은 생략하기로 한다.
pH 센서(500)는 혼합조(300) 내 pH 농도를 감지하기 위한 센서로, 혼합조(300) 내 pH 농도의 측정값은 컨트롤러(600)로 인가될 수 있다. 본 실시예에서, pH 센서(500)는 혼합조(300) 내 pH 농도를 감지하기 위한 센서로 사용되지만, pH 센서(500)는 혼합조(300) 이외에도, 전해조(100)의 산화실(120) 및 환원실(110)의 pH 농도를 감지하기 위해 사용될 수 있음은 물론이다.
컨트롤러(600)는 혼합조(300) 내 pH 농도가 중성으로 유지되도록 이산화탄소 기체의 공급량, 용해제의 공급량 또는 전해질의 공급량을 조절할 수 있다.
예컨대, pH 센서(500)를 통해 혼합조(300) 내 pH 농도가 높거나 낮은 것으로 판단되면, 컨트롤러(600)는 혼합조(300) 내 pH 농도가 중성으로 유지시키기 위한 작동신호를 이산화탄소 공급부(210), 용해제 공급부(220) 또는 전해질 공급부(230)에 선택적으로 인가할 수 있다. 이로써, 전해조(100) 내 이산화탄소 기체, 용해제 또는 전해질의 농도가 조절될 수 있고, 결국, 혼합조(300) 내 pH 농도가 중성으로 유지될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소를 이용한 메탄 생산방법을 도시한 블록도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소를 이용한 메탄 생산방법은, 전해조에 전해질을 공급하는 단계(S100)와, 전해조에 이산화탄소 기체와 용해제를 공급하는 단계(S200)와, 염기성 전해질과 산성 전해질을 혼합조에서 혼합하는 단계(S300)와, 메탄을 생산하는 단계(S400)를 포함할 수 있다.
상기 전해조에 전해질을 공급하는 단계(S100)는, 전해조 내 산화전극과 환원전극 간의 전기분해를 위해, 전해질을 전해조 내에 공급한다. 이때, 전해질은 별도의 압력펌프에 의해 전해조 내로 펌핑될 수 있다.
상기 전해조에 이산화탄소 기체와 용해제를 공급하는 단계(S200)는, 전해조의 환원실에 이산화탄소 기체를 공급하고, 전해조의 산화실에 이산화탄소 기체를 용해시키기 위한 용해제를 공급한다. 본 실시예에서는, 용해제로 산화칼슘(CaO)와 같은 칼슘공급원이 사용될 수 있는데, 이 산화칼슘은 전기 분해시 산화실 내 낮은 pH에서 칼슘을 최대한 용해시킬 수 있다.
상기 염기성 전해질과 산성 전해질을 혼합조에서 혼합하는 단계(S300)는, 전해조의 환원실 및 산화실로부터 염기성 전해질 및 산성 전해질을 공급받고, 염기성 전해질과 산성 전해질 간 반응시, 중탄산염 이온이 생성되도록 전해질의 pH 농도를 중성으로 유지한다.
혼합조 내 pH 농도를 중성으로 유지하기 위해, 염기성 전해질의 공급량과 산성 전해질의 공급량을 선택적으로 조절할 수 있지만, 이 외에도, pH 농도를 중성으로 유지하기 위한 별도의 첨가제를 투입함으로써, 혼합조 내 pH 농도를 중성으로 유지할 수 있다.
상기 메탄을 생산하는 단계(S400)는, 전해조에서 생성된 수소 기체와 혼합조에서 생성된 이산화탄소 수용액을 혐기소화조에 공급하여, 혐기소화조 내 혐기소화 미생물을 이용하여 메탄을 생산한다.
이때, 이산화탄소 수용액으로는 액체 상태로 안정화된 탄산수소칼슘 수용액이 사용되므로, 혐기소화조 내 혐기소화 미생물은 수소 기체와 함께, 액체 상태로 제공받은 이산화탄소를 용이하게 이용할 수 있고, 결국, 혐기소화 공정에서 메탄 생산을 극대화할 수 있다.
한편, 본 발명의 변형예에 따른 이산화탄소를 이용한 메탄 생산방법에서, 상기 염기성 전해질과 산성 전해질을 혼합조에서 혼합하는 단계(S300)는, 혼합조 내 pH 농도를 감지한 후, 혼합조 내 pH 농도가 중성으로 유지되도록 이산화탄소 기체, 용해제 또는 전해질의 공급량을 조절할 수 있다.
예를 들어, 혼합조 내 pH 농도의 감지를 통해, 혼합조 내 pH 농도가 높거나 낮은 것으로 판단되면, 전해조로 투입되는 이산화탄소 기체, 용해제 또는 전해질의 공급량을 선택적으로 조절하여, 혼합조 내 pH 농도를 중성으로 유지시킬 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 산화전극에서 낮은 pH 조건으로 칼슘을 물에 최대로 용해시키고, 환원전극에서는 높은 pH를 이용하여 이산화탄소를 중탄산염 또는 탄산염 형태로 용해시키며, 각각 전극에서 생성된 액체의 혼합을 통해서 중성 영역에서 탄산수소칼슘(Ca(HCO3)2) 형태로 생성함으로써, 동일한 액체에 최대의 이산화탄소를 용해 고정시킬 수 있고, 수소 기체와 안정화된 상태의 이산화탄소를 혐기소화 미생물의 공급하여, 혐기소화 공정에서 메탄 생산을 극대화할 수 있다는 등의 우수한 장점을 갖는다.
상기에서 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.
100 :전해조 110 :환원실
120 :산화실 130 :이온교환막
140 :전원공급부 200 :원료 공급유닛
210 :이산화탄소 공급부 220 :용해제 공급부
300 :혼합조 400 :혐기소화조
500 :pH 센서 600 :컨트롤러

Claims (10)

  1. 산화전극이 구비된 산화실과, 환원전극이 구비된 환원실을 제공하는 전해조;
    이산화탄소 기체를 상기 환원실에 공급하는 이산화탄소 공급부와, 상기 이산화탄소 기체를 용해시키기 위한 용해제를 상기 산화실에 공급하는 용해제 공급부를 포함하는 원료 공급유닛;
    상기 환원실 내 염기성 전해질과 상기 산화실 내 산성 전해질 간 혼합이 이루어지는 혼합조;
    상기 전해조에서 생성된 수소 기체와, 상기 혼합조에서 생성된 이산화탄소 수용액을 공급받아, 메탄을 생산하는 혐기소화조;
    상기 혼합조 내 pH 농도를 감지하기 위한 pH 센서; 및
    상기 혼합조 내 pH 농도가 중성으로 유지되도록 상기 이산화탄소 기체의 공급량, 상기 용해제의 공급량, 또는 전해질의 공급량을 조절하는 컨트롤러를 포함하고,
    상기 혼합조는
    상기 염기성 전해질과 상기 산성 전해질 간 반응시, 중탄산염 이온이 생성되도록 전해질의 pH 농도를 중성으로 유지하는 이산화탄소를 이용한 메탄 생산장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전해조는
    상기 산화실 및 상기 환원실 사이를 구획하는 이온교환막; 및
    상기 산화전극 및 상기 환원전극에 전원을 공급하기 위한 전원공급부를 포함하는 이산화탄소를 이용한 메탄 생산장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 혐기소화조에는
    이산화탄소를 탄소원으로 사용하고 수소를 전자공여체로 사용하여 메탄을 생산하는 메탄 생성 미생물이 수용되는 이산화탄소를 이용한 메탄 생산장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 용해제는
    상기 전해조 내 물과 반응하여 칼슘 이온을 생성하는 산화칼슘을 포함하고,
    상기 이산화탄소 수용액은
    중탄산염 이온과 상기 칼슘 이온이 반응하여 생성되는 탄산수소칼슘을 포함하는 이산화탄소를 이용한 메탄 생산장치.
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 컨트롤러는
    상기 pH 센서를 통해 상기 혼합조 내 pH 농도가 높거나 낮은 것으로 판단되면, 상기 혼합조 내 pH 농도가 중성으로 유지시키기 위한 작동신호를 상기 이산화탄소 공급부, 상기 용해제 공급부 또는 전해질 공급부에 선택적으로 인가하여, 상기 전해조 내 이산화탄소 기체, 용해제 또는 전해질의 농도를 조절하는 이산화탄소를 이용한 메탄 생산장치.
  7. 전해조에 전해질을 공급하는 단계;
    이산화탄소 기체와, 상기 이산화탄소 기체를 용해시키기 위한 용해제를 상기 전해조에 공급하는 단계;
    상기 전해조 내 염기성 전해질과 산성 전해질을 혼합조에서 혼합하는 단계;
    상기 전해조에서 생성된 수소 기체와, 상기 혼합조에서 생성된 이산화탄소 수용액을 혐기소화조에 공급하여, 메탄을 생산하는 단계를 포함하고,
    상기 염기성 전해질과 산성 전해질을 혼합조에서 혼합하는 단계는,
    상기 염기성 전해질과 상기 산성 전해질 간 반응시, 중탄산염 이온이 생성되도록 전해질의 pH 농도를 중성으로 유지하기 위해, 상기 혼합조 내 pH 농도를 감지하는 단계와, 상기 혼합조 내 pH 농도가 중성 pH가 유지되도록 상기 이산화탄소 기체, 상기 용해제, 또는 전해질의 공급량을 조절하는 단계를 포함하는 이산화탄소를 이용한 메탄 생산방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 메탄을 생산하는 단계는
    상기 수소 기체와 상기 이산화탄소 수용액을 상기 혐기소화조 내 메탄 생성 미생물에 공급하여 메탄을 생산하는 이산화탄소를 이용한 메탄 생산방법.
  9. 삭제
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 이산화탄소 기체, 상기 용해제, 또는 전해질의 공급량을 조절하는 단계는,
    pH 센서를 통해 상기 혼합조 내 pH 농도가 높거나 낮은 것으로 판단되면, 상기 혼합조 내 pH 농도가 중성으로 유지되도록 이산화탄소 기체의 공급량, 용해제의 공급량 또는 전해질의 공급량을 조절하여 상기 전해조 내 이산화탄소 기체, 용해제 또는 전해질의 농도를 조절하는 이산화탄소를 이용한 메탄 생산방법.
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