커피찌꺼기 및 폐플라스틱을 이용한 바이오차 제조 및 에너지 회수

Abstract

본 연구에서는 커피 및 폐 플라스틱의 열분해 처리 과정에서 최적의 비율을 찾아 수소 및 메탄가스를 회수 하고 또한 커피찌꺼기를 바이오차로도 활용하여 유기물질을 차 (char) 형태로 변환시켜 오랜 기간 동안 탄소를 격리시키는 방법으로 활용하고자 한다. 뿐만 아니라 바이오에너지로의 사용 가능성을 평가하고자 한다. 총 6가지의 커피 바이오차, 산처리 커피 바이오차, 염기처리 커피 바이오차, H2O2 커피 바이오차, 아르곤 가스로 활성화한 커피 바이오차, 이산화탄소로 활성화한 커피 바이오차와 대조군으로서 Rice straw biochar와 wood chip biochar를 사용하여 니트로화합물인 (2,4-dinitrotoluene (DNT)), 할로겐화 페놀류인 (2,4dichlorophenol (DCP)), 독성음이온 (크롬, 셀레늄) 총 4가지 오염 물질을 선정하여 흡착제로서의 사용가능성을 평가하였다. 연구결과 DNT 흡착의 경우 흡착량은 Coffee(CF) biochar 14.75 mg/g, Ar CF biochar 4.94 mg/g, CO2 CF biochar 6.10 mg/g, Acid CF biochar 1.73 mg/g, Base CF biochar 3.63 mg/g, H2O2 CF biochar 2.55 mg/g이며 대조군인 Rice straw(RS) biochar 와 Wood chip (WC)은 각각 11.65 mg/g와 21.51 mg/g이였다. DNT의 흡착량은 커피바이오차가 가장 많았으며 대조군인 RS biochar 와 WC biochar와 비슷한 흡착량을 나타내었다. DCP 흡착의 경우 흡착량은 CF biochar 8.07 mg/g, Ar Cf biochar 8.25 mg/g, CO2 CF biochar 5.91 mg/g, Acid CF biochar 16.1 mg/g, Base CF biochar 9.41 mg/g, H2O2 CF biochar 7.88 mg/g이며 대조군인 RS biochar 와 WC biochar는 각각 15.92 mg/g와 36.90 mg/g이였다. Acid Coffee 바이오차가 가장 높은 흡착량을 보였는데 이는 DCP의 pKa는 7.9로 pH가 3.9인 Acid 바이오차가 더 낮아 높은 흡착효율을 나타내었다. Chromate 흡착의 경우 Chromate 흡착에 영향을 주는 것은 AEC 이었다. AEC 값이 가장 큰 Acid CF biochar의 흡착량이 가장 높았다. Acid CF biochar의 흡착량은 55.87 mg/g 으로 나타났으며 대조군인 RS biochar 와 WC biochar는 각각 15.00 mg/g와 4.43 mg/g 보다 높은 흡착력을 보였다. Selenate 흡착의 경우 흡착에 영향을 주는 것은 pH이었다. pH가 가장 낮은 Acid CF biochar는 흡착이 되지 않은 것으로 보아 pH가 selenate의 주요 흡착 메커니즘이었다. 오염물질에 따라 흡착량이 다르므로 알맞은 전처리된 바이오차를 선택하면 각각의 오염물질 흡착에 적용 될 수 있다. 가스 회수 실험 결과 메탄의 경우 볏짚보다 커피의 메탄 회수량이 많았으며 또한 PS를 넣었을 때 가장 많은 양의 가스를 회수 하였다. 이는 PS의 원소 분석 결과 가장 많은 탄소를 함유하였기 때문이다. 수소의 경우 커피와 볏짚은 비슷한 양의 수소가 발생하였다. 그리고 실험을 통하여 폐플라스틱의 함량을 증가시켜 열분해를 하고 열분해의 온도를 100~200℃ 높혔을 때 2-3배 더 많은 양의 syngas가 발생할 것으로 확인 되었다. 이를 통해 열분해 후 에너지회수의 가능성을 확인하였다. |In this study, hydrogen and methane gas are recovered by finding the optimum ratio in the process of pyrolysis of coffee and waste plastics. Then the possibility of using it as bioenergy was evaluated. In addition, coffee grounds are also used as biochar, thereby sequestering carbon for a long period of time. The usability as an sorbent was evaluated. A total of 4 contaminants were selected using 7 types of coffee biochar. The pollutants were nitro compounds (2,4-dinitrotoluene (DNT)), halogenated phenols (2,4dichlorophenol (DCP)), and toxic anions (chromate and selenate) and a total of 7 types of biochar (Coffee biochar, acid-treated coffee biochar, base-treated coffee biochar, H2O2 coffee biochar, argon gas-activated coffee biochar and CO2-activated coffee biochar) were used and rice straw biochar and wood chip as controls. In the case of DNT sorption, the sorption amount were CF biochar 14.75 mg/g, Ar CF biochar 4.94 mg/g, CO2 CF biochar 6.10 mg/g, Acid CF biochar 1.73 mg/g, Base CF biochar 3.63 mg/g and H2O2 CF biochar 2.55 mg/g. Rice straw (RS) biochar and wood chip (WC) biochar as controls were 11.65 mg/g and 21.51 mg/g, respectively. The adsorption amount of DNT was the most in coffee biochar, and the sorption amount was similar to that of RS biochar and WC biochar, which were controls. For DCP sorption, the sorption amount were CF biochar 8.07 mg/g, Ar Cf biochar 8.25 mg/g, CO2 CF biochar 5.91 mg/g, Acid CF biochar 16.1 mg/g, Base CF biochar 9.41 mg/g and H2O2 CF biochar 7.88 mg/g. RS biochar and WC biochar as controls were 15.92 mg/g and 36.90 mg/g, respectively. Acid Coffee biochar showed the highest adsorption amount, which showed that the pKa of DCP was 7.9, and the acid biochar with a pH of 3.9 was lower, resulting in high adsorption efficiency. In the case of chromate adsorption, it was AEC that affected chromate sorption. Acid CF biochar with the highest AEC value had the highest sorption amount. The adsorption amount of Acid CF biochar was 55.87 mg/g, and the controls RS biochar and WC biochar, showed lower sorption capacity at 15.00 mg/g and 4.43 mg/g, respectively. In the case of Selenate adsorption, it was pH that affected sorption. Acid CF biochar, which had the lowest pH, did not show adsorption, so pH was the main adsorption mechanism of selenate. Since the amount of sorption is different depending on the pollutant, it can be applied to each pollutant sorption by selecting an appropriate biochar. As a result of gas recovery experiment, in the case of CH4, the amount of methane recovered from coffee was higher than that of rice straw and when polystyrene(PS) was added, the maximum amount of gas was recovered. This is because PS contains the most carbon as a result of elemental analysis of other waste plastic. In the case of hydrogen, coffee and rice straw produced similar amounts of hydrogen. In addition, through experiments and literature research, it was confirmed that when the content of waste plastic was increased and the temperature of pyrolysis was increased, a greater amount of syngas was generated. In conclusion, the possibility of energy recovery after pyrolysis was confirmed.