본 연구에서는 파일럿 및 상용급 규모에서 UF 분리막을 결합한 혐기성 소화 공정을 장기간 운영하여 분리막의 성능, 소화효율, 바이오가스 생산량과 수질 등의 다양한 인자를 도출하였다. 파일럿 규모에서 막의 투과 플럭스는 15∼20 LMH, 막간 차압은 1∼3 kgf/cm2로 운전되었다. 유입수의 TCOD 와 SCOD 는 각각 113 g/L, 62 g/L 이었고, 유출수의 TCOD 와 SCOD는 UF 공정 이후 제거효 율이 93% 및 86% 로 나타났다. 상용급 규모의 운전 결과, 분리막의 투과 플럭스는 12∼15 LMH로 나타났다. 유입수의 CODcr, TS, VS는 각각 236 g/L, 62.5 g/L, 50.2 g/L였으며, 농축여과분리막을 통과 후 제거율은 각각 99%, 94% 및 98%로 조사되었다.

we present a novel pressure-cascaded stripping configuration for membrane contactor biogas upgrading processes. Employing polypropylene (PP) hollow fiber membrane modules and water as physical absorbent, the effects of absorption pressure, gas-liquid flowrate, and vacuum mode were systematically studied. In addition, exploiting the solubility difference between CO2 and CH4, as well as the preferential absorption of CO2 in water, a pressure-cascaded stripping tank was implemented to recover and recycle the absorbed CH4 in high purity. The proposed configuration simultaneously enhanced the bio-methane yield (90%) and purity (97%). This project is supported by the "R&D Center for reduction of Non-CO2 Greenhouse gases (2013001690002)" funded by Korea Ministry of Environment(MOE) as "Global Top Environment R&D Program".

지구 온난화 현상은 화석연료의 사용으로 발생하고 있으며 그에 따른 심각성은 더욱 커지고 있다. 따라서 온난화 현상을 일으키는 온실가스의 감축에 큰 관심이 모이고 있다. 바이오가스의 형태로 배출되는 메탄과 이산화탄소를 분리 정제하여 온실가스를 감축 하여 신재생 에너지로 사용하기 위한 노력이 진행되고 있다. 본 연구에서는 혐기성 소화조에서 발생되는 바이오가스 내 포함된 메탄의 농도를 95%이상으로 분리 농축하기 위한 연구를 진행하였다. 혐기성 소화조에서 발생되는 바이오 가스를 처리하기 위한 다단 분리막 공정을 설계하였고 막 면적 및 막 면적 비율에 따른 성능을 알아보았다.

우리나라의 시설원예 산업은 농업용 필름이 생산되고 보급되면서 우리나라의 시설원예는 급속도로 발 전하였다. 그 후에 골조는 아연도금 파이프, 피복재는 연질필름을 이용하여 보온재배 위주의 시설이 전 국적으로 설치되었다. 바이오가스에 포함된 황화수소 및 메탄은 온실 자재나 작물에 악영향을 유발하는 요소로 작용될 수 있다. 그리하여 본 연구에서는 유기성폐기물인 바이오가스에서 막 분리법을 이용하여 CO2 가스를 정제, 포집하였다. 그리고 정제된 CO2를 온실에 공급하여 바이오가스에 포함된 성분들이 온실의 자재에 미치는 영향을 분석하였다. 실험은 세가지 실험구를 설정하여 시행하였으며, 실험 1은 일반적으로 온실 시용에 판매되고 있는 온실용 액화 CO2를 시비한 경우(온실-1), 실험 2는 바이오가스 에서 분리한 CO2를 시비한 경우(온실-2), 실험 3은 CO2를 공급하지 않은 일반적인 경우인 대조구로 실 험을 행하였다. 실험 결과, 시중에는 판매되고 있는 CO2를 시비한 온실과 대조 실험구와 비교하였을 때, 피복자재의 투과도, 인장강도는 세 실험구에서 모두 유사하게 측정되었다. SEM, EDS 분석 결과, 세 실험구에서 산화철의 결정이 나타났으며, 파이프 자재 표면의 O와 S의 함유량은 두 번째 온실에서 높게 나타났다.

음식물 및 축산 폐기물 처리장 등 혐기성 공정에서 발생하는 바이오가스의 주성분은 50~70% 메탄과 20~40% 이산화탄소로 구성되어 있다. 바이오 가스 내 메탄을 95% 이상의 고순도로 농축할 경우 도시가스와 이송수단의 연료로 사용이 가능하며 온실가스 감축에도 큰 효과가 있어 신재생 에너지로써 큰 주 목을 받고 있다. 본 연구에서는 혐기성소화조에서 발생하는 바이오가스를 95% 이상의 메탄으로 농축하기 위해 폴리설폰 중공사막과 다단 분리막 공정을 이용하였다. 순수기체 투과도와 혼합기체 투과성능을 알아보았고 폴리설폰 분리막을 이용하여 3, 4 단의 분리막 공정을 설계하여 분리 농축 실험을 실시하였다.

가축 사육형태가 규모화 됨에 따라 가축분뇨 발생량은 지속적으로 증가하고 있으며, 가축분뇨를 에 너지로 이용하고자 하는 자원화에 대한 요구가 점차 증가되고 있다. 국내에서 발생하는 가축분뇨 에너 지화의 경제적 효과는 4,777억원으로 기대되고 있다. 따라서, 축산분뇨를 원료로 하는 바이오가스 플 랜트에서 발생하는 가스의 이용에 관한 연구는 활발히 연구되고 있다. 본 연구에서는 가축분뇨를 원료 로 한 바이오가스 플랜트에서 발생하는 가스의 이용에 대한 다양화를 모색하고자, 바이오가스 내 개별 성분의 분리 및 정제 방법을 구명하였다. 그리고 바이오가스 내 대표적인 성분이 CH4, CO2가스의 분 리를 통하여 독립적인 활용 방안을 제시하고자 한다. 이를 위해 발생하는 가스의 분리를 행하였으며, 분리된 가스의 적정 이용을 위한 정밀분석을 하였다. 그 결과, CH4가스는 약 95%, CO2가스는 약 93.2%로 정제되었으며, 분리된 가스 속에는 황화수소의 경우 1ppm이하로 포함되어 있는 것을 확인하 였다. 정제 CO2가스의 정밀 분석 결과, 도시가스 품질 기준표와 비교하였을 때, 정제 CH4에 포함된 성분들이 품질 기준표에 적합한 농도를 나타내었다. 정제 CO2의 정밀 분석 결과, 농업시설 내의 작업 자와 작물에게 유해한 성분들의 함량이 매우 미세하게 나타났다.

혐기성 소화 공정에서 발생하는 바이오 가스는 주성분이 메탄으로 이루어지며 이산화탄소 및 암모니아, 황화수소 등으로 구성되어 있다. 바이오 가스를 정제하는 기술은 불순물을 제거하는 전처리 공정과 메탄과 이산화탄소를 분리하는 공정으로 나눌 수 있으며, 메탄과 이산화탄소를 분리하는 공정 중에서도 분리막을 이용한 분리 기술이 주목 받고 있다. 이에 따라 막분리 공정을 이용한 음식물 쓰레기 처리장에서 발생하는 바이오가스 중 메탄을 회수 및 농축에 관한 연구를 실시하였다. 상용화된 중공사막 모듈로 이산화탄소, 메탄의 혼합가스 분리 실험을 실시하였고, 그 결과를 통하여 공정을 설계하였다.

본 연구에서는 부분지환족 dianhydride인 5-(2,5-dioxotetrahydrofuryl)-3-methyl-cyclohexene-1,2-dicarboxylic anhydride (DOCDA)와 다섯가지 diamine (2,5-dimethyl-1,4-phenylene diamine (2M), 2,4,6-trimethyl-1,3-phenylene diamine (3M), 1,5-naphthalene diamine (NDA), 4,4-diaminodiphenyl methane (MDA), 4,4’-diaminodiphenyl ether (ODA))을 two-step 이미드화를 통해 공중합하였다. 합성된 폴리이미드 공중합체를 FT-IR, 고유점도, DSC, TGA 그리고 용해도 측정을 통해 구조분석 및 물성을 확인하였다. 또한 6FDA를 dianhydride로 한 공중합체를 같은 방법으로 합성하여 함께 비교하였다. 그 결과, 모든 공중합체는 0.32~0.58의 고유점도를 가졌으며, DOCDA계 공중합체는 6FDA를 포함한 공중합체보다 약간 낮은 값을 보이나 약 400°C까지 견딜 수 있는 열적 안정성과 여러 가지 용매에 대한 우수한 용해성을 나타내었다. 또한 얻어진 폴리이미드를 이용해 평막을 제조하여 CO2 및 CH4에 대한 기체투과도를 평가하였고 공중합체는 구조변화에 따른 투과-선택도의 상충관계를 보여주었다.

전세계적으로 화석연료의 과다한 사용으로 인한 지구온난화 및 고유가 시대에 직면하고 있다. 이에 따라 세계 각국은 신재생에너지 개발 및 적용을 통해 지구온난화문제와 에너지 자립화를 위한 노력을 기울이고 있다. 바이오 메탄은 실현 가능성이 가장 높은 분야의 하나로, 대부분 음식물 쓰레기 처리장, 매립지, 축산폐수 및 하폐수 처리시설에서 혐기성소화공정을 통해 얻어진다. 발생된 메탄가스를 정제하여 고순도로 이용하는 기술은 설치비가 저렴하고 운전이 편리하여 유럽을 비롯한 전세계에서 상용화되어 왔으며 IEA 자료에 의하면 고순도화 플랜트의 설치사례가 2011년 이후 급격히 증가되었다. 본 발표에서는 전세계 정제플랜트의 시장규모, 국내외 기술현황, 화학연구원에서 개발중인 분리막 정제기술의 연구를 소개하고자 한다.

본 연구에서는 소수다공성 중공사막을 이용한 분리막 접촉기를 이용하여 바이오가스 내 이산화탄소를 제거하여 연료로 사용할 수 있는 고순도 바이오메탄을 생산하고자 하였다. 분리막 접촉기는 다공성 분리막의 세공을 통하여 기/액접촉이 효율적으로 이루어지므로 흡수법에 비해 작은 장치규모로도 바이오가스 정제가 가능하며, 기체와 액체의 직접접촉을 통해 흡수제에 대한 용해도가 큰 기체성분을 제거하기 때문에 빠른 물질전달 속도를 갖는 장점이 있다. 본 연구에서는 폴리프로필렌 중공사막을 이용하여 분리막 접촉기 모듈을 제작하여 시험하였다. 바이오가스 정제를 시험하기 위해 모델가스를 이용하였으며, 기체 유량, 액체 유량, 접촉기 모듈 형태, 운전압력을 변화시키며 시험하였고, 이를 통해 최적의 분리조건을 탐색하였다.

국내에서 생산되는 바이오가스는 경제적 가치를 창출하지 못하고 있어 활용 방안 확대를 위한 고효율의 바이오가스 정제 및 메탄 농축시스템 개발이 필요한 상황이다. 본 연구에서는 바이오매스 기반의 바이오가스를 도시가스로 공급하기 위한 최적의 정제 및 메탄 농축시스템 개발을 목적으로 하였다. 농축 공법으로는 멤브레인 공법이 최적의 결과를 도출하였고 다단 멤브레인 공법별 비교분석을 통하여 상황별 최적의 시스템을 개발하였다.

본 연구는 가축분뇨 혐기성소화에서 발생된 바이오가스 이용 활성화를 위하여 효율적인 가스성상별 분리 및 정제 방법을 모색코자 수행하였다. 바이오가스의 분리 및 정제를 위하여 폴리술폰 고분자 소재를 상분리법을 이용하여 중공사막을 제조하였고, 중공사막이 충진된 맴브레인 모듈을 제작하여 바이오 가스 분리 및 정제를 실시하였다. 이러한 특징을 가진 중공사막을 사용하여 멤브레인 모듈을 제작하였으며, 제작된 멤브레인 모듈을 사용하여 혐기성소화조에서 발생하는 바이오가스를 분리 및 정제하였다. 바이오가스의 분리 및 정제를 위해서 멤브레인 모듈에 공급한 바이오가스는 실록산 0.1 ppm 이하, H2S 3 ppm 이하, Dewpoint –20℃ 이하로 제어하여 공급하였다. 멤브레인 모듈의 운전압력은 4∼7 ㎏f/㎠, 온도의 범위는 15∼45℃이였다. 가축분뇨에서 발생하는 바이오가스를 분리 및 정제한 결과, CH4 94.2%, CO2 92.0%로 분리 및 정제되었으며, 회수율은 CH4 102.1%, CO2 83.5%가 회수되었다. 따라서 본 연구에서 제작한 멤브레인 모듈을 사용한 바이오가스의 분리 및 정제 실험을 통해서 분리 전 바이오 가스의 성분(CH4 68%, CO2 28%, O2 0.6%, H2S 1 ppm 이하, Balance 2.7%)에 대해서 CH4 94.2%, CO2 92.0%의 고농도 분리 및 정제가 가능한 것을 알 수 있었다.

It is valuable research area regarding to developing manufacturing process of biogas from organic wastes take a side view of alternative for fossil energy and to improve the environmental atmosphere leads to decrease the greenhouse gas be discharged. The regulation which is prepared by environmental department shows that biogas as a transportation fuel is required to purity of above 95%, while it of natural gas is above 88%. However, in this situation it is necessary to prepare the regulation which is distributed by department of transportation as for the fuel be connected to vehicles as well in order to take step forward, and it is suggest to develop the technics of biogas this country's own original one, not be the technics imported from foreign countries, and also to turn to higher practical use of biogas for transportation area, since it shows far much less ratio have compared to other application areas.

This study evaluated the biochemical methane potential (BMP) of primary sludge, secondary sludge, and food waste in batch anaerobic mono-digestion tests, and investigated the effects of mixture ratio of those organic wastes on methane yield and production rate in batch anaerobic co-digestion tests, that were designed based on a simplex mixture design method. The BMP of primary sludge, secondary sludge and food waste were determined as 234.2, 172.7, and 379.1 mL CH4/g COD, respectively. The relationships between the mixing ratio of those organic wastes with methane yield and methane production rate were successfully expressed in special cubic models. Both methane yield and methane production rate were estimated as higher when the mixture ratio of food waste was higher. At a mixing ratio of 0.5 and 0.5 for primary sludge and food waste, the methane yield of 297.9 mL CH4/g COD was expected; this was 19.4% higher than that obtained at a mixing ratio of 0.3333, 0.3333 and 0.3333 for primary sludge, secondary sludge, and food waste (249.5 mL CH4/g COD). These findings could be useful when designing field-scale anaerobic digersters for mono- and co-digestion of sewage sludges and food waste.

Organic wastewater generated from polyester manufacturing processes was selected from H company to investigate the feasibility of anaerobic digestion that produces gases including methane. Bio Methane Potential (BMP) tests were conducted to measure the gas production and methane concentration for 7 process wastewater and 2 kinds of sludges from the H company. Also, along with monitoring pH and alkalinity during the anaerobic digestion process, the concentrations of COD and 1,4-dioxane were measured with 4 different operating conditions for N Emulsion (NE) and Ethylene Glycol (EG) wastewater. The BMP tests showed that 65% of methane was produced from NE and EG wastewater. This suggests that the organic wastewater from H company can be effectively treated by an anaerobic digester by which more than 90% of COD was removed.

The Malaysian biogas upgrading technologies and policies were examined. In Malaysia, the regulation of palm oil mill effluent (POME) has been enforced to reduce the biochemical oxygen demand to 20 ppm and the biogas capture in the palm oil mills have been recently enforced for renewable energy. A huge amount of organic waste is produced from POME, and 80 million tons from palm oil trees, every year. Due to the renewable energy trends, the Malaysian government is modifying the use of biogases as fuels in favor of their conversion into compressed natural gas (CNG) and other chemicals; various green policies are being promoted because of many advantages of the organic substances. The Korean policies for biogas are a good model for exporting environmental plants after upgrading the digestion and purification technologies. Therefore, this article introduces the current status of POME and biogas production in Malaysia, it could encourage creating a new market for biomethane.

Removal of siloxane compounds is very important to protecting the biogas energy conversion system from decreased efficiency and parts damage. Among various siloxane removal technologies, adsorption towers are mostly used for performance and ease of operation. However, due to the difficulty of measuring the concentration of siloxane compounds in the gas stream and the complicated matrix of siloxane compounds, adsorption characteristics are not well known. In this study, the adsorption characteristics for multi siloxane components are experimentally studied. Four siloxane components are vaporized in the nitrogen stream supplied continuously to a lab-scale adsorption tank with commercially available silica gel or activated carbon and an FTIR (Fourier-transform infrared spectroscopy) analyzer was used for the online siloxane analysis to find out the adsorption characteristics. While a mixture of L2, L5, D4 and D5 adsorption capacity of silica gel and activated carbon are similar -11.13 and 11.56wt% respectively-adsorption characteristics of each adsorbent was well distinguished in terms of breakthrough behavior. Silica gel shows sequential breakthrough for each siloxane compound and a more noticeable unique time range for Rc > 1, while relatively simultaneous breakthrough was shown for activated carbon adsorbents.

우리나라는 인구의 증가 및 도시의 산업화, 소비에 따른 축산업의 발달로 인해 하수처리 및 음식물류와 가축 분뇨폐기물인 유기성폐자원의 처리규모와 발생량이 매년 증가하는 추세이다. 유기성폐기물의 육상처리와 신재생 에너지원으로서 효과적 활용에 대한 정책 추진과 연구가 진행되어왔다. 매립, 소각을 포함한 육상처리 방법 중, 바이오가스화는 혐기소화 과정에서 신재생 에너지원인 메탄가스를 생산하는 시설로 현 상황에 대응하는 새로운 방안으로 각광받고 있다. 국내 유기성폐자원의 바이오가스화 시설은 신규설치가 많이 이루어지는 반면, 시설의 메탄가스 생산량이 아직 미흡하거나 생산된 바이오가스를 이용하지 못하는 경우가 많은 실정이며, 15년도 유기성폐자원 바이오가스화 시설 중 하수슬러지를 이용한 바이오가스 발생량은 10.99 m3/ton이며, 음식물 72 m3/ton, 가축분뇨 14.84 m3/ton, 병합처리 14.51 m3/ton을 생산하고 있어, 혐기소화효율이 미국 등 선진국대비 약 54.2%에 불과한 실정이다. 전국 8개 시설에 대해서 다양한 유기성폐자원의 원료유입에서 기원하는 유입에너지와 바이오가스화 설비 운전을 위한 전력 소비에너지를 유입에너지로 설정하고, 혐기소화를 통한 바이오메탄의 잠재에너지와 미분해 유기물의 잠재에너지를 유출에너지로 산정하여 에너지수지분석을 진행하였다. 음식물/음폐수 시설의 바이오가스 에너지전환율은 80.1%이며, 가축분뇨 86.5%, 하수슬러지 22.8~57.7%로 분석되었다. 유입원료의 생산효율로는 음식물/음폐수 시설이 72.2% 이상으로 분석되었고 일부 유입에너지의 과소평가 및 바이오가스 생산량 과다측정으로 이론적으로 불가능한 수치로도 분석되었다. 따라서 에너지수지분석은 에너지전환효율과 시설 효율과 시설 효율을 평가할 수 있는 중요한 수단이지만 정확한 측정을 위한 유량계측 표준화 및 설비 별 전력사용량을 확인할 수 있는 전력계측 표준화작업이 요구되어진다.

유기성폐자원의 바이오가스화는 혐기소화를 통한 메탄가스(CH4)를 생산하는 시설로 현 상황에 대응하는 방안으로 15년도 기준 전국 61 개소의 하수처리장에서 하수슬러지 소화시설을 운영 중에 있다. 생산된 바이오가스는 스팀보일러를 가동하거나 발전기를 가동하여 전기를 생산하게 된다. 최초 혐기소화조에서 생산된 바이오가스는 유입된 폐기물에 따라 메탄함량 약 55~70%이며, 황화수소(H2S) 2,500~5,000ppm, 상대습도 약 90%를 나타난다. 바이오가스를 전처리 없이 바로 사용하게 되면 황화수소가 수분과 결합하여 황산을 생산하게 된다. 황산은 기계적 마찰이 많은 발전기 내부를 마모시키고 부식시키는 원인이 되고, 배관의 부식을 유발한다. 우리나라는 급격하게 바이오가스화 시설이 추진되면서 많은 시행착오로 인한 고장과 효율이 낮은 문제점이 보여 왔다. 전국 11개 바이오가스화 시설의 각 공정 별 가스상의 수분을 측정하였고, 해외기과 발전기 운전적정 수분값을 구하여 바이오가스 이용을 위한 수분함량 가이드라인 설정을 하고자 한다. 국내 소화조 후단 바이오가스 수분측정 결과 음식물/음폐수의 경우 노점온도 26.8 ℃, 절대습도 25.7 g/m3, 상대습도 82.9%로 측정되었고, 가축분뇨는 노점온도 28.7 ℃, 절대습도 28.0 g/m3, 상대습도 82.7%이고, 하수슬러지의 경우 노점온도 24.8 ℃, 절대습도 22.6 g/m3, 상대습도 77.2%로 측정되었다. 또한 제습설비가 운영되고 유지가 잘된 시설의 경우 절대습도 25.5 g/m3에서 12.0 g/m3으로 약 51.1% 감소되었고, 상대습도도 77.2%에서 34.9%로 감소되는 것을 확인할 수 있었다. 반면 제습설비가 미흡한 시설에서는 역으로 증가하는 추세를 보였다. 따라서 국내 바이오가스화 시설에서는 제습처리가 적정수준으로 처리할 경우 노점온도 약 14 ℃를 만족하며, 절대습도 15.4 g/m3과 평균 가스온도인 31 ℃ 기준 상대습도 48%를 유지할 수 있을 것으로 판단하였다.