Biocrude와 인 함량의 향상을 위한 미세조류의 hydrothermal liquefaction process 개발

국문 초록 (Abstract)

미세조류는 빠른 성장속도와 높은 지질함량을 가지고 있고 CO2 흡착능력이 뛰어나는 등 많은 장점을 가지고 있어 3세대 바이오매스로 주목받고 있다. Hydrothermal liquefaction (HTL)은 수분 함량이 높은 미세조류를 연료화 하는 공정에 주로 사용된다. HTL은 물의 subcritical 조건(300~375℃, 20~250 bar)을 이용하여 연료화 하는 방법이다. HTL 반응 후에는 gas, biocrude, aqueous phase, solid residue가 생성된다. 이 중 biocrude는 개질 과정을 통해 바이오디젤로 사용할 수 있다. Aqueous phase는 미세조류의 생장에 필요한 nitrogen (N)과 phosphorous (P)같은 영양염류가 풍부해 미세조류 배양에 재사용할 수 있는 장점을 가지고 있어 중요한 물질 중 하나이다. 본 연구에서는 aqueous phase에 N과 P 함량과 biocrude의 수율을 증가시킬 수 있는 HTL 반응조건에 대해 연구했다. Tetraselmis sp.가 미세조류 feedstock으로 사용되었고, HTL 반응은 300℃와 350℃에서 salt bath와 batch reactor를 이용하였다. 첫 번째 목적을 위해 acetic acid가 HTL 반응에서 catalyst로 사용되었고, 첨가한 acetic acid의 농도에 따른 생성물의 수율을 측정하였다. 그 결과 aqueous phase에 phosphate ion (PO43-) 함량이 1.5 M acetic acid를 첨가했을 때 최대 3배 이상 증가하였고, ammonium ion (NH4+) 함량은 첨가한 acetic acid 농도가 증가할수록 점차 감소하였다. Aqueous phase를 HTL 반응에 재사용 하여 biocrude의 수율을 증가시키는 연구를 진행하였다. 연속적으로 HTL 반응 후 생성되는 aqueous phase를 재사용한 결과 300℃에서 biocrude의 수율이 최대 9% 증가하였다. 연속적인 recycling HTL 반응 결과 aqueous phase에 ammonium ion 함량은 계속해서 축적되었지만, phosphate ion 함량은 침전현상으로 축적되지 않았다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Microalgae is regarded as a potential source of third generation biofuels and has a lot of advantages such as fast growth rate, ability to CO2 capture, and high lipid contents. Hydrothermal liquefaction (HTL) is a process that is mainly used for conversion of microalgae having high water content. HTL is performed in a subcritical condition of water corresponding to high pressure and specific temperature (300~375℃). As a result, 4 main products including gas, biocrude, aqueous phase, and solid residue are generated through HTL reaction. In these products, biocrude can be directly converted to biofuel via reforming. Aqueous phase is also an important substance because it has abundant nutrients such as nitrogen and phosphorus compounds, which are necessary for microalgae growth for re-cultivation. In this study, we investigated the HTL condition to increase the N, P contents in aqueous phase as well as the yield of biocrude. Tetraselmis sp. was used as microalgae feedstock, and HTL reaction was performed in a small batch reactor with a salt bath at 300℃ and 350℃. For this purpose, acetic acid was used as a catalyst in HTL reaction and the product yields were investigated according to the acetic acid concentration (0.2 M - 2.0 M). As a result, phosphate ion (PO43-) content in the aqueous phase was increased over three times when acetic acid concentration was adjusted to be 1.5 M, and ammonium ion (NH4+) content in the aqueous phase was slightly decreased as adding acetic acid. In addition, it was found that the yield of biocrude is enhanced when aqueous phase is recycled. A series of recycling was carried out and the yield of biocrude was increased about 9% at 300℃. After recycling HTL reaction, the ammonium ion content in the aqueous phase was continuously accumulated, while the phosphate ion was not, which is supposedly due to precipitation.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서론 1
• 1.1. 연구배경 및 목적 1
• 제 2 장 실험 재료 및 방법 4
• 2.1. 미세조류 feedstock 4
• 2.2. HTL reactor 제작 및 가열 방법 6
• 2.3. HTL 실험 절차 9
• 2.3.1. HTL process 9
• 2.3.2. Aqueous phase recycling HTL 11
• 2.4. 분석 방법 12
• 제 3 장 연구 결과 및 고찰 13
• 3.1. 다양한 반응 조건에서 생성물의 수율 13
• 3.2. 첨가한 acetic acid 농도에 따른 수율 변화 17
• 3.3. Aqueous phase의 분석 19
• 3.3.1. Acetic acid 농도에 따른 N, P 함량과 pH 변화 19
• 3.3.2. 반응 온도와 시간에 따른 N, P 함량 변화 23
• 3.4. pH와 phosphate의 침전과의 관계 26
• 3.5. Acetic acid의 영향 분석 28
• 3.6. Aqueous phase recycling HTL 32
• 3.6.1. 재사용 횟수에 따른 생성물의 수율 변화 32
• 3.6.2. Aqueous phase의 N, P 함량과 pH 변화 36
• 제 4 장 결론 및 향후 연구과제 41
• 참고 문헌 43
• 영문 요약 (Abstract) 47