• 멤브레인
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• 제33권4호
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• pp.168-180
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• 2023

본 총설은 탄소중립 및 에너지순환을 실현하기 위한 재생에너지로부터 그린수소 생산 전략 중 하나인 바이오수소 생산 및 정제법에 관해 소개하고자 한다. 바이오수소는 생물질과 미생물과 같은 재생에너지원을 이용하며, 상온 및 상압 등의 마일드한 실험조건에서 작동하여 에너지소비 및 공정비용이 적게 드는 친환경 공정으로 알려져 있다. 하지만, 이러한 바이오수소를 상업적으로 이용하기 위해서는 해결해야 할 중요한 도전적인 과제가 존재한다. 특히, 바이오수소는 생물반응기내의 복합한 화학반응으로 합성되어, 낮은 수소생산 속도 및 반응기내 다양한 혼합물이 존재하여, 바이오수소 고순도화를 위해서 연속공정 형태의 분리 및 정제 기술이 반드시 필요하다. 이를 위해, 저온 증류법, 압력 흡착법, 분리막법 등을 비롯한 다양한 분리 및 정제 기술이 고순도 바이오수소를 얻기 위해 제안되었다. 본 총설에서는 바이오수소 생산 및 정제 연계화를 위한 비다공성 고분자 분리막의 가능성에 대해 소개하고자 한다.

• Korean Chemical Engineering Research
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• 제51권1호
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• pp.136-143
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• 2013

본 연구에서는 악취 및 휘발성 유기화합물(VOC)를 함유하는 폐가스 처리에 있어서 개선된 바이오필터시스템의 악취 및 VOC의 제거거동 및 제거효율 등을 관찰하고, 전통적 바이오필터의 경우의 악취 및 VOC의 제거거동 및 제거효율 등과 비교하였다. 개선된 바이오필터시스템 운전 1~7단계에서 바이오필터 유효높이 차이에도 불구하고 미생물 population 분포 차이로 인하여, 정해진 시간에 각 단에서 에탄올 농도 순서가 바뀌었다. 반면에 운전 8단계에서 폐가스의 개선된 바이오필터시스템으로의 공급방향들이 바뀌었을 때에 에탄올 농도가 높은 순서는 운전 1~7단계와 다르게 바이오필터의 유효높이가 낮은 순서와 일치하였다. 황화수소 경우도 마찬가지였으나 에탄올 경우와 비교하였을 때에 농도순서가 바뀐 단의 황화수소 농도의 차이는 매우 적었다. 바이오필터 운전 8단계에서 개선된 바이오필터시스템의 에탄올 제거효율은 약 96%로서 전통적 바이오필터반응기의 에탄올 제거효율인 94%보다 약 2% 증가하였다. 개선된 바이오필터시스템 처리가스의 황화수소 농도의 거동은 전통적 바이오필터반응기와 비슷하였으나 황화수소 처리농도가 더 낮았다. 운전 8단계의 개선된 바이오필터시스템의 황화수소제거효율은 전통적 바이오필터반응기의 황화수소 제거효율보다 약 2% 가량 높았다. 따라서 개선된 바이오필터시스템의 제거효율은 에탄올과 황화수소 경우에 전통적 바이오필터반응기보다 각각 2% 제고되었음이 관찰되었다.

• Korean Chemical Engineering Research
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• 제51권5호
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• pp.568-574
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• 2013

퇴비공장 또는 공공시설에서 발생되는 악취폐가스의 대표적인 제거대상 오염원인 황화수소와 암모니아를 포함한 악취폐가스를 처리하기 위하여 여러 운전 조건 하에서의 Thiobacillus sp. IW 및 반송슬러지를 고정한 담체를 충전한 semi-pilot 바이오필터 시스템을 운전하였다. Semi-pilot 바이오필터 운전 초반 및 중반에서는 황화수소 제거효율은 암모니아 부하와 무관하였으나, 암모니아 제거효율은 황화수소 부하가 커짐에 따라서 감소하였다. 그럼에도 불구하고 semi-pilot 바이오필터 운전 후반에서는 황화수소 부하가 커짐에도 불구하고 암모니아 제거효율이 영향을 받지 않았다. 이것은 semi-pilot 바이오필터 운전 후반의 buffer solution의 지속적 투입으로 인하여 semi-pilot 바이오필터담체의 산성화가 크지 않음에 기인한다고 간주된다. Semi-pilot 바이오필터시스템으로 황화수소와 암모니아의 동시제거를 할 때에 황화수소와 암모니아의 최대 elimination capacity 값은 각각 약 58 및 $30g/m^3/h$이었다. 이와 같이 semi-pilot 바이오필터 운전에 의하여 황화수소와 암모니아를 동시 제거한 경우에는 실험실규모 바이오필터의 유사한 운전조건 하에서 둘 중의 하나만을 함유한 경우보다 제거용량이 각각 약 39와 46% 만큼 감소하여서, 황화수소와 암모니아를 동시 제거한 경우에 암모니아 최대제거용량이 황화수소 최대제거용량보다 7% 만큼 더 감소하였다.

• 에너지공학
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• 제25권4호
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• pp.13-29
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• 2016

본 연구에서는 실제 난지 하수처리장에서 바이오가스를 연료로 사용하여 발전할 때, 가스엔진에서 발생하는 고장 사례에 대한 조사와 분석을 통해 바이오가스 플랜트의 주요 고장원인을 분석하고, 그 대책을 제시하였다. 바이오 가스엔진에 유입되는 바이오 가스 속의 황화수소와 수분 제거설비의 간헐적인 오작동으로 인한 수분이 바이오 가스엔진의 인터쿨러 부식을 초래하였다. 또한 바이오가스 속의 실록산이 이산화규소와 규산염 화합물을 형성하여 피스톤 표면 및 실린더라이너 내벽의 긁힘과 마모 등의 손상을 유발하였다. 연소실과 배기가스 설비에 부착된 물질들은 황화수소와 다른 불순물질이 결합한 것으로 분석되었다. 이러한 원인으로는 바이오 가스 속의 고함량(50ppm이상)의 황화수소가 탈황설비에 장기간 공급되었고, 탈황설비내 활성탄의 파과점 도달에 따른 제거효율 저하 때문에 황화수소가 엔진으로 유입됨으로써 발생한 것으로 사료된다. 또한, 황화수소는 흡착탑의 실록산 제거용 활성탄 기능을 저하시킴으로써 제거되지 않은 실록산 화합물이 엔진으로 유입되어 다양한 형태의 엔진고장을 유발한 것으로 판단된다. 따라서, 황화수소와 실록산, 수분은 바이오 가스엔진 고장의 주요 원인으로 볼 수 있으며, 이 중 황화수소는 고장을 일으키는 다른 물질과 반응하며, 전처리 공정에 중대한 영향을 미치는 물질로 볼 수 있다. 결과적으로, $H_2S$ 제거방법의 최적화가 안정적인 바이오 가스엔진 운영을 위한 필수적인 대책으로 사료된다.

• 한국가스학회지
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• 제28권1호
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• pp.44-52
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• 2024

본 연구에서는 유기성 폐기물로부터 생산되는 바이오가스를 이산화탄소 제거 없이 직접 이용하여 바이오가스 전처리 및 정제 공정 비용을 절감하여 수소를 생산하는 공정의 모델을 구축하고 열교환망 최적화를 통해 공정비용 최소화, 수소 생산량 및 최종 배가스 온도 최대화를 목표로 공정 모사를 진행하였다. 공정 최적화 결과 열교환기 개수 제한조건을 충족하면서 최종 배가스 온도를 최대화하는 공정모델이 가장 효율적임을 확인하였다. 본 연구의 결과는 바이오가스 직접 이용 수소 생산 공정의 상용개념설계에 활용되어 바이오가스의 청정수소 에너지 전환기술 확대에 기여 가능할 것으로 판단된다.

• 공업화학
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• 제31권1호
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• pp.1-6
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• 2020

바이오가스를 이용한 수소 제조는 주요한 에너지 및 환경 관련 이슈들을 동시에 해결할 수 있다는 장점으로 꾸준히 주목받아 왔다. 바이오가스 정제를 통해 얻은 바이오메탄 수증기개질은 천연가스 개질을 대체할 수 있는 좋은 현실적인 대안이다. 하지만, 경제성과 환경 유해성을 모두 고려한다면 바이오가스를 직접 개질반응에 활용하는 바이오가스 수증기 개질 및 건식 개질을 활용한 수소 제조가 보다 효과적이라 평가된다. 본 논문에서는 바이오가스 기반 추출수소 제조 관련 최근의 기술 이슈 및 개발 동향을 소개하며 향후 상업화를 위한 효과적인 적용 방향에 대해서 고찰하고자 한다.

• 한국가스학회지
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• 제25권4호
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• pp.19-26
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• 2021

본 연구에서는 충주시의 음식물바이오에너지센터로부터 음식물류페기물의 혐기발효 처리 후 발생되는 바이오 가스를 전처리 및 고질화공정을 통해 이산화탄소 및 불순물을 제거한 바이오메탄을 원료로 그린수소를 생산하는 수소추출시스템 공정을 모델링하고 경제성 분석을 수행하였다. 고질화된 바이오메탄은 개질 및 정제공정을 통해 하루 약 500 kg의 고순도 수소가 생산되며, 공정모델의 수소생산량 결과를 토대로 현재 실증을 위해 구축하고 있는 그린수소충전소 수소추출시스템의 경제성 분석을 수행하였다. 경제성 분석 결과, 수소추출시스템의 구축년도를 제외한 15년의 사업운영 후 순현재가치는 38억3천1백만 원, 수익성지수법 1.42 및 내부수익률 20.25%로 사회적 할인율 4.5%를 상회하므로 타당성 확보가 가능하다 판단된다.

• 한국수소및신에너지학회논문집
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• 제17권1호
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• pp.98-108
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• 2006

본 연구에서는 이 단계 연속 바이오 수소/메탄 생산공정의 경제성을 조사하였다. 경제적 관점에서 다양한 수소 및 메탄 발효용 생물반응기를 비교 평가하였다. 이를 바탕으로 포도당으로부터 일 단계 수소발효를 위해 고온 trickling biofilter 반응기 (TBR, $100\;m^3$ 규모)를, 일 단계 반응의 부산물로 생성된 유기산과 알콜류의 이 단계 메탄전환을 위해 고온 upflow anaerobic sludge 반응기 (UASB; $700\;m^3$ 규모)를 선정하였다. 본 이 단계 공정의 수소생산 비용은 $$\;0.26/Nm^3$으로 계산되었고, 이는 고온 TBR 반응기만을 이용한 경우보다 약 30 % 낮았다. 이 단계 공정의 낮은 수소생산 비용은 높은 에너지 회수율과 낮은 슬러지 처리비용에 의한 것이었다. 생물학적 수소 생산공정의 경제성은 탄소원의 종류, 생물반응기의 형태 등 여러 인자에 의해 변경될 수 있으나, 본 연구결과는 향후 연구를 위한 유용한 기준으로 고려될 수 있다.

• Korean Chemical Engineering Research
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• 제52권2호
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• pp.240-246
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• 2014

황화수소와 암모니아를 포함한 악취폐가스를 처리하기 위하여 여러 semi-pilot 바이오필터 운전 조건 하에서 Bacillus cereus DAH-1056과 Arthrobacter sp. KDE-0311를 고정한 semi-pilot 바이오필터 시스템을 운전하였다. Semi-pilot 바이오필터 운전조건에서 Thiobacillus sp. IW와 반송슬러지를 고정한 바이오필터의 황화수소 removal efficiency는 약 80%이었고 암모니아의 removal efficiency는 약 50% 정도이었던 반면에 Bacillus cereus DAH-1056과 Arthrobacter sp. KDE-0311를 고정한 본 연구에서 황화수소의 removal efficiency는 약 90%이었고 암모니아의 removal efficiency는 약 60% 정도이었다. 따라서 본 연구에서 Thiobacillus sp. IW와 반송슬러지를 고정한 semi-pilot 바이오필터의 경우를 기준으로 황화수소 및 암모니아의 removal efficiency가 각각 약 13% 및 20% 정도 제고되었다. 또한 본 연구에서는 암모니아의 최대 elimination capacity가 약 $35g/m^3/h$로서 Thiobacillus sp. IW와 반송슬러지를 고정한 semi-pilot 바이오필터의 경우보다 $3{\sim}5g/m^3/h$ 정도 제고되어 10~17% 더욱 높았다. 한편 본 연구의 황화수소의 최대 elimination capacity는 약 $63g/m^3/h$ 정도로 약 15% 증가하였다. 본 연구에서는 같은 inlet load의 황화수소라 할지라도 높은 농도의 황화수소가 낮은 농도의 황화수소보다 바이오필터의 암모니아 처리를 더 어렵게 하거나, 같은 inlet load의 암모니아라 할지라도 낮은 농도의 암모니아의 경우가 높은 농도의 암모니아보다 더 큰 removal efficiency와 elimination capacity를 갖는 것이 관찰되었다. 본 연구에서의 황화수소 최대처리용량은 황화수소와 암모니아를 동시처리 하였음에도 불구하고 황화수소만을 바이오필터로 처리한 선행연구에서의 황화수소 최대처리용량을 초과하거나 비슷하였다. 또한 본 연구에서는 바이오필터로 황화수소와 암모니아를 동시처리한 선행연구보다 더 높은 암모니아 제거용량을 보였다.

• Korean Chemical Engineering Research
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• 제49권6호
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• pp.688-696
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• 2011

수소는 에너지를 방출하는 과정에서 부산물로 물만 배출하기 때문에 지속가능한 청정에너지원 중의 하나이다. 현재 세계적으로 사용되는 수소는 대부분 화석연료의 개질에 의해 생산되고 있으며 1kg 수소를 생산하는 과정에서 7kg 이상의 이산화탄소를 배출하고 있다. 수소를 생산하는 과정에서 투입되는 에너지와 자원이 지속가능하고 재생 가능해야 수소를 청정에너지원이라 할 수 있다. 바이오매스는 화석연료를 대체할 수 있는 에너지원중의 하나인데, 그 이유는 바이오매스로부터 수소를 생산할 수 있으며 수소생산과정에서 발생하는 이산화탄소는 바이오매스 생산과정에서 소비되기 때문에 이론적으로 이산화탄소를 발생시키지 않는 에너지원이다. 태양에너지와 물로부터 수소를 생산하는 기술은 지구상에 널려있는 자연에너지와 물을 사용하기 때문에 인류가 직면한 에너지와 환경문제를 해결하기 위한 가장 이상적인 기술 중의 하나이다.