폐기물 해양투기 방지를 위한 국제협약인 런던협약･의정서에 따라 2012년 가축분뇨의 해양배출이 전면금지 되었으며, 국내 가축분뇨 발생량은 2011년 128,621 ㎥/일에서 2014년 175,651 ㎥/일로 점차 증가하고 있는 실정이다. 또한 가축분뇨를 육상처리 시 발생하는 메탄가스로 인한 악취문제나 처리되지 못한 영양염류 및 고농도의 유기물이 하천으로 배출되어 부영양화를 일으키는 등의 문제가 대두되고 있다. Biochar는 혐기성 상태의 환경에서 분뇨와 같은 바이오매스를 열분해 시켜 생성한 고형물질이다. 최근 연구에 따르면 Biochar를 토양에 적용할 경우 주변의 이산화탄소를 장기간 저장하고 중금속을 흡착하며 토양 내 수분보유능력을 증가시키는 등 친환경 소재로써의 가치가 평가되고 있다. 따라서 본 연구에서는 수분함량이 높아 재활용이 어려운 가축분뇨를 열수가압탄화반응(Hydrothermal Cabonization, HTC)방법으로 Biochar를 제조하여, 중금속 흡착제로서의 사용가능성을 평가하고자 하였다. Biochar는 Stainless재질의 500 mL 용량의 반응기를 사용하였으며 온도, 반응시간, 입경에 따른 생성수율을 도출하고 각각의 원소분석, 삼성분 및 중금속 함량분석 등의 물리·화학적분석을 통한 특성분석을 수행하였다. 이 결과 원료와 비교하여 Biochar의 탄소성분은 약 25 % 증가했고 중금속 함량은 감소하는 경향을 보였다. 또한 흡착능력을 알아보기 위해 요오드 흡착성능을 분석한 결과, 원료 대비 약 52.4 %의 흡착성능 증가를 확인하였다.

The ocean dumping of organic waste as food waste has been prohibited since 2012 and so it is necessary to find alternative methods for its treatment and disposal. The purpose of this study was to treat food waste via hydrothermal carbonization (HTC) that has advantages such as no pre-treatment as drying feedstock and low energy consumption. Additionally, feasibility study for Bio-SRF (Solid Refused Fuel) was conducted to produce hydrochar via HTC. As results from quality standards experiments based on 「Solid Fuel Product Quality Testing Method in Korean」, the optimal condition of 220oC as reaction temperature and 4 hr as reaction time have been selected. Since 2012, the ocean dumping of organic waste as food waste has been prohibited, it is necessary to replace its treatment and disposal. This study applied to treat of food waste via hydrothermal carbonization (HTC) which the method has advantages such as no pre-treatment as drying feedstock and low energy consumption. Moreover, feasibility study for Bio-SRF (Solid Refused Fuel) conducted to producted hydrochar via HTC. As a results from quality standards experiments based「Solid Fuel Product Quality Testing Method in Korean」, the optimal condition of 220oC as reaction temperature and 4 hr as reaction time has been selected.

유기성 폐기물인 하수슬러지는 특성상 다량의 수분과 유기물을 함유하고 있어 처리하기가 까다롭다. 우리나라에서는 하수슬러지를 대부분 매립과 해양투기에 의해 처리했으나 2005년 이후 직･매립이 금지되고 최근 해양투기마저 금지됨에 따라 슬러지 처리방법의 개발이 시급하다. 따라서 본 연구에서는 하수슬러지를 재활용하기 위해 열분해 반응 중 하나인 열수가압탄화 반응을 사용하여 Biochar를 생성하였고 생성된 Biochar의 미세기공을 발달시키기 위해 수산화칼륨(KOH)을 이용하여 화학적 활성화 반응을 통하여 활성 Biochar를 생성하였다. 또한 생성된 Biochar 및 활성 Biochar의 특성을 분석하고 카드뮴(Cd), 구리(Cu), 납(Pb), 아연(Zn), 니켈(Ni)에 대하여 중금속 흡착제로써의 흡착능력 실험을 통해 기존에 연구된 lab-scale실험과 비교평가 하였다. 기존연구에 따르면 하수슬러지를 200ml 용량의 반응기에서 열수가압탄화반응을 통해 하수슬러지 Biochar를 생성하고 수산화칼륨(KOH)을 이용하여 화학적 활성화 반응을 거친 후 카드뮴(Cd), 구리(Cu), 납(Pb), 아연(Zn), 니켈(Ni)에 대해 중금속 흡착능력을 평가한 결과 80% 이상의 효율이 나타났다. 본 연구에서는 하수처리장에서 발생되는 슬러지 중 탈수 후 배출되는 탈수cake를 이용하여 130L 용량의 반응기에 하수슬러지 100kg을 넣고 220℃ 온도에서 2시간 반응을 통해 Biochar를 생성하였다. 생성된 Biochar는 수산화칼륨(KOH)을 이용하여 600℃, 60분에서 화학적 활성화를 진행하였으며 이후 생성된 활성화 Biochar에 대해 삼성분, 원소분석, 중금속 용출, 양이온교환수지(CEC), SEM, FT-IR 실험을 진행하여 기본특성을 분석하였다. 그 후, 카드뮴(Cd), 구리(Cu), 납(Pb), 아연(Zn), 니켈(Ni)에 대하여 등온 흡착실험을 수행하여 중금속 흡착제로써 흡착성능을 비교평가 하였다.

화석연료는 현재 가장 많이 이용되는 에너지 수단이다. 그러나 화석연료는 매장량이 한정되어 있고 사용하면서 배출되는 배출가스는 지구온난화와 여러 가지 환경문제를 일으키고 있다. 이러한 화석연료의 대체할 에너지로 자연 에너지로서 재생 가능하여 반영구적으로 사용이 가능한 재생가능에너지(Renewable energy)가 주목되어지고 있다. 바이오매스는 다른 재생가능에너지와는 다른 탄소계의 에너지 자원이고 전기에너지 이외에 고체, 액체, 기체연료나 화학연료 및 원료로 변환 할 수 있다는 장점이 있다. 또한 지역적으로 편재되어 있지 않고 carbon neutral 에너지로 지구온난화 문제에서도 자유로운 장점으로 인해서 현재 기술적, 경제적 관점에서 가장 현실적인 대체에너지라 할 수 있다. 그러나 이러한 바이오매스도 에너지밀도가 낮고 분산되어 있어 수집, 저장 및 운반비용이 크고 기후의 영향을 받으며, 다양성으로 인한 불균일성으로 인해서 사용 측면에서 어려움이 있다. 따라서 이러한 바이오매스의 단점을 극복하기 위한 방법으로 열수탄화 방법을 이용한 고형연료 생산기술이 주목을 받고 있다. 본 연구는 실험실 규모의 압력반응기로 바이오매스 중에서 폐목재를 이용하여 열수탄화 반응 특성을 반응조건별로 확인하였다. 생성된 고체생성물의 고형연료 특성과 액체생성물의 특성을 평가하였다. 반응온도와 반응 시간은 증가할수록 발열량은 증가하고 수득율은 감소한다. 또한 휘발분의 함량은 감소하고 고정탄소의 함량은 증가한다. 물과 폐목재의 혼합비율도 반응에 영향을 미치는 것으로 나타났다. 액체생성물은 반응온도와 시간이 증가할수록 COD와 유기산의 농도는 증가하고 총질소와 총인의 농도에는 변화가 없었다. 열수탄화 전후의 수분 재흡수성을 비교하면 반응 후 고체생성물의 수분 재흡수성이 크게 향상되는 것을 확인할 수 있다. 또한 기존의 반탄화(torrefaction) 고체생성물보다 성형성이 좋은 것으로 확인되었다.