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서울시 음식폐기물을 이용한 Biochar 개발연구

최종연구보고서

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요약문

목차

제 1장 연구의 개요
1. 연구의 필요성 19
2. 연구의 목적 22

제 2장 일반 현황
1. 음식물 폐기물의 발생량 및 처리현황 24
2. 하수슬러지의 발생량 및 처리현황 27
3. 국내외 기술동향 29

제 3장 연구 내용
1. 연구 내용의 이론 33
2. 연구의 분석 내용 43

제 4장 연구 결과
1. 감압이 미치는 영향 54
2. Biochar 생성실험 결과 55
3. 삼성분 62
4. 원소분석 64
5. 전자주사 현미경(Scanning Electron Microscope, SEM) 분석 66
6. FT-IR(Fourier Transform Infrared Spectroscopy) 분석 67
7. 요오드 흡착능력 평가 69
8. BET(Brunauer, Emmett, Teller) 비표면적 73
9. 음식물 폐기물과 하수슬러지 혼합 Biochar 분석결과 73
10. 서울시 음식물류 폐기물의 Biochar 생성실험 결과 79
11. Biochar:solution 비율결정실험 85
12. 중금속 흡착능력 평가 88

제 5장 결론
1. 연구의 결론 94
2. Biochar의 형태에 따른 흡착제 개발 99
3. 설계인자 도출 103
4. 경제성평가 106

주의문

표목차
<표 1-1> 전국 음식물 폐기물 발생량 19
<표 1-2> 전국 하수슬러지 발생량 20
<표 1-3> 탄화온도에 따른 Bio-gas, Bio-oil, Biochar의 생성비율 21
<표 2-1> 전국 생활폐기물 및 음식물 폐기물 발생량 24
<표 2-2> 서울시 음식물 폐기물 발생량 25
<표 2-3> 품목별 수거현황 25
<표 2-4> 전국 음식물 폐기물 처리현황 26
<표 2-5> 서울시 음식물 폐기물 처리현황 26
<표 2-6> 전국하수슬러지 발생량 및 처리량 27
<표 2-7> 서울시 하수슬러지 발생량 28
<표 2-8> 전국 하수슬러지의 처리현황 29
<표 2-9> 서울시 하수슬러지의 처리현황 29
<표 3-1> 탄소물질의 분류 37
<표 3-2> 물리적 흡착과 화학적 흡착 38
<표 3-3> 음식물 폐기물의 각 성분의 최대, 최소값의 조성비 44
<표 3-4> 음식물 폐기물을 이용한 Biochar 생성위한 혼합비 46
<표 4-1> BET 비표면적 분석 결과 73
<표 4-2> 혼합 Biochar의 BET 비표면적 분석 결과 79
<표 4-3> Biochar의 원소분석 결과 82
<표 4-4> 2%혼합 Biochar의 Langmuir 등온 흡착식에서 적용 결과 90
<표 4-5> 2%혼합 Biochar의 Freundlich 등온 흡착식에서 적용 결과 91
<표 4-6> 2%혼합 Biochar의 Temkin 등온 흡착식에서 적용 결과 92
<표 5-1> 세공의 종류에 따른 특징 100
<표 5-2> 실험실과 현장크기 실험에서 물질수지 및 에너지수지 109
<표 5-3> 수분함량(60%)이 일정할 때 반응열 변화에 따른 물질수지 변화 110
<표 5-4> 음식물폐기물 처리방법별 비용 및 편익 111

그림목차
<그림 1-1> 전국 음식물 폐기물 발생량 19
<그림 1-2> 전국 하수슬러지 발생량 20
<그림 2-1> 서울시 음식물 폐기물 발생량 25
<그림 2-2> 서울시 하수슬러지 발생량 27
<그림 3-1> 열수가압탄화반응과 pyrolysis의 반응에 따른 고체, 액체, 기체 상태의 변화 비교 34
<그림 3-2> Brunauer의 흡착등온선 39
<그림 3-3> Biochar 반응기 43
<그림 3-4> S 하수처리장 하수슬러지 탈수동 44
<그림 3-5> LDO-150F 건조로 48
<그림 3-6> C-MF 전기로 48
<그림 3-7> 원소분석기(Thermo electron corporation, CHNS-O Analyzer) 48
<그림 4-1> 음식물 폐기물의 Biochar 생성시 감압이 미치는 영향 54
<그림 4-2> 1시간 가열시 음식물 폐기물 성분(최대/최소)에 따른 Biochar 수율 55
<그림 4-3> 2시간 가열시 음식물 폐기물 성분(최대/최소)에 따른 Biochar 수율 56
<그림 4-4> 3시간 가열시 음식물 폐기물 성분(최대/최소)에 따른 Biochar 수율 56
<그림 4-5> 5시간 가열시 음식물 폐기물 성분(최대/최소)에 따른 Biochar 수율 56
<그림 4-6> 8시간 가열시 음식물 폐기물 성분(최대/최소)에 따른 Biochar 수율 57
<그림 4-7> 220℃에서 음식물 폐기물 성분(최대/최소)에 따른 Biochar 수율 57
<그림 4-8> 230℃에서 음식물 폐기물 성분(최대/최소)에 따른 Biochar 수율 58
<그림 4-9> 240℃에서 음식물 폐기물 성분(최대/최소)에 따른 Biochar 수율 58
<그림 4-10> 음식물 폐기물 성분에 따른 Bio-oil 생성량 59
<그림 4-11> 하수슬러지 Biochar의 생성수율(습윤기준) 60
<그림 4-12> 하수슬러지 Biochar의 생성수율(건조기준) 60
<그림 4-13> 하수슬러지 Bio-oil의 생성수율 61
<그림 4-14> 하수슬러지 Bio-gas & loss의 생성수율 62
<그림 4-15> 음식물류 폐기물 각 성분과 음식물 폐기물 최대(max), 음식물류 폐기물 Biochar(230℃, 8h)의 삼성분 63
<그림 4-16> 하수슬러지의 삼성분 분석결과 63
<그림 4-17> 음식물류 폐기물 각 성분과 음식물 폐기물 최대(max), 음식물류 폐기물 Biochar(230℃, 8h)의 원소분석 64
<그림 4-18> 하수슬러지의 원소분석결과 65
<그림 4-19> 하수슬러지 Biochar의 원소분석결과 66
<그림 4-20> SEM 분석 결과 67
<그림 4-21> 음식물 폐기물과 음식물 폐기물 Biochar의 FT-IR 분석 결과 68
<그림 4-22> 하수슬러지 및 하수슬러지 Biochar의 FT-IR 분석 결과 69
<그림 4-23> 220℃에서 음식물 폐기물 성분(최대/최소)에 따른 Biochar의 요오드 흡착량 70
<그림 4-24> 230℃에서 음식물 폐기물 성분(최대/최소)에 따른 Biochar의 요오드 흡착량 70
<그림 4-25> 240℃에서 음식물 폐기물 성분(최대/최소)에 따른 Biochar의 요오드 흡착량 70
<그림 4-26> 하수슬러지 Biochar의 요오드 흡착성능 평가 결과 72
<그림 4-27> 혼합 Biochar의 Biochar 생성 수율 74
<그림 4-28> 혼합 Biochar의 삼성분 분석 74
<그림 4-29> 혼합 Biochar의 원소분석 75
<그림 4-30> 혼합 Biochar의 SEM분석 결과 76
<그림 4-31> 2%, 5%, 10% Biochar의 FT-IR 분석결과 77
<그림 4-32> 하수슬러지와 음식물 폐기물 혼합 비율에 따른 Biochar의 요오드 흡착량 비교 78
<그림 4-33> Feedstock에 따른 biochar 수율 80
<그림 4-34> Feedstock에 따른 bio-oil 생성량 80
<그림 4-35> Feedstock에 따른 요오드 흡착량 81
<그림 4-36> Feedstock과 Biochar(230℃, 8hr)들의 FT-IR 83
<그림 4-37> Feedstock과 biochar들의 주사 전자 현미경 사진 84
<그림 4-38> 음식물 폐기물 Biochar(FBC)와 하수슬러지 Biochar(SBC)의 비소(As) 흡착률 85
<그림 4-39> 음식물 폐기물 Biochar와 하수슬러지 Biochar의 카드뮴(Cd) 흡착률 86
<그림 4-40> 음식물 폐기물 Biochar와 하수슬러지 Biochar의 구리(Cu) 흡착률 86
<그림 4-41> 음식물 폐기물 Biochar와 하수슬러지 Biochar의 납(Pb) 흡착률 87
<그림 4-42> 음식물 폐기물 Biochar와 하수슬러지 Biochar의 아연(Zn) 흡착률 87
<그림 4-43> 음식물류 폐기물 Biochar와 하수슬러지 Biochar의 니켈(Ni) 흡착률 88
<그림 4-44> 2%, 5%, 10% 혼합 Biochar의 10 ppm 1:200에서 중금속 흡착률 89
<그림 4-45> 중금속 초기농도에 대한 2% biochar의 흡착능 89
<그림 4-46> 2%혼합 biochar의 Langmuir 등온흡착 결과 90
<그림 4-47> 2%혼합 Biochar의 중금속 흡착에 대한 Freundlich 등온 흡착 그래프 91
<그림 4-48> 2%혼합 Biochar의 중금속 흡착에 대한 Temkin 등온 흡착 그래프 92
<그림 5-1> 입상활성탄의 미세세공 100
<그림 5-2> 활성 탄소 섬유의 세공구조 101
<그림 5-3> 탄소섬유를 활용한 활성탄 필터 102
<그림 5-4> 연속 반응기 106
<그림 5-5> Bio-gas와 Biochar 생성반응 개요도 106
<그림 5-6> 물질수지 흐름과 변수를 고려한 현장크기 반응기 공정도 110

Contents
Chapter 1. Introduction 18
 1. Overview 19
 2. Objective 22
Chapter 2. General status 23
 1. The generation rate of the food waste and processing status 24
 2. The generation rate of the sewage sludge and processing status 27
 3. Technology trends 29
Chapter 3. The contents of research 32
 1. The theory of the contents of research 33
 2. Contents of research 43
Chapter 4. The result of the research 53
 1. The effect of sorption 54
 2. Biochar production experimental result 55
 3. Three components 62
 4. Element analysis 64
 5. Scanning electron microscope(SEM) images 66
 6. Fourier transform infrarer spectroscopy(FT-IR) spectrum analysis 67
 7. Iodine adsorption test 69
 8. BET(Brunauer, Emmett, Teller) specific surface area 73
 9. The result of mixed biochar analysis 73
 10. Biochar production experimental result of food waste in Seoul 79
 11. Biochar:Solution ratio 85
 12. The heavy metal adsorption aptitude test 88
Chapter 5. Conclusion 93
 1. The conclusion of research 94
 2. The adsorbent material development according to form of the biochar 99
 3. The design parameter derivation in this field 103
 4. Economical efficiency valuationT 106