폐기물매립지의 메탄 저감을 위한 커피잔재물 개질 활성탄의 이용가능성에 관한 연구 :A study on availability of activated carbon derived from coffee grounds to reduce methane emissions from a solid waste landfill site

김란희

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자료유형: 학위논문

저자정보: 김란희 (安養大學校, 安養大學校大學院)

지도교수: 李南勳

발행연도: 2019

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2019

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본 연구에서는 폐기물로 단순소각 또는 매립되어지는 커피잔재물을 재활용하기 위한 방안으로 매립지에서 배출되는 메탄을 저감하기 위한 흡착 및 산화를 위한 담체로서의 활용가능성을 평가하고자 하였다. 이에연구목적으로 첫째, 최적의 커피잔재물을 활성탄으로의 개질방법을 찾고자 하였으며, 둘째, 개질된 활성탄에서의 메탄흡착특성을 분석하고자 하였고, 셋째, 개질된 활성탄에 메탄산화세균을 접종하였을 때 메탄산화반응을 살펴 최종적으로 커피잔재물을 개질한 활성탄의 동시 메탄 흡착 및산화 가능성을 알아보고자 하였다. KOH 7M로 개질하였을 때 1.80 mmol-CH4/g-activated carbon 로 최대메탄흡착량을 나타내었다. 메탄흡착의 영향인자로 CH4 농노, 온도, 활성탄 주입량을 선정하여 등온흡착편형 실험을 통해 메탄흡착특성을 해석한결과, 메탄주입농노가 높을수록, 온도는 낮을수 록 흡착량이 높아지는 것으로 나타났다. 이러한 실험데이터를 바방으로 Langmuir와 Freundlich등온 흡착식을 비교분석한 결과 Freundlich에 더 적합하며, 이는 활성탄표면의 에너지 분포가 불균일하며, 메탄이 흡착이 다분자층으로 일어날가능성이 더 높다는 것을 의미한다. 개질활성탄탄에 의한 메탄산화실험을진행한 결과 3단계로 나뉘어 반응이 일어났다. 1단계는 흡착과 메탄산화가 동시에 일어나는 단계로 3일째까지는 흡착반응으로 급격한 메탄 농도의 감소가 일어나며 이후에는 메탄산화반응으 로 메탄 농노가 감소한다. 다시 메탄을 재주입하였을 때, 메탄 농도가 초반에 급격하게 감소하며 메 탄산화균의 메탄산화반응보다 더 빠르게 메탄 농도가 감소되는 것으로 보아 메탄흡착과 메탄산화반응이 동시에 일어나는 것이라 사료된다. 2단계는 활성탄에 흡착된 메탄을 메탄산화세균이 산화시키 는 반응으로 3단계 메탄 재흡착을 통해 확인할 수 있다. 이는 흡착된 메탄을 메탄산화세균이 산화시켜 공극이 생기게 되어 재흡착이 일어나는 것이라 판단된다.

In order to remove methane from a solid waste landfill, this study evaluates the availability of activated carbon (AC) derived from coffee grounds as a media for the adsorption and oxidation process of methane. For the objective of this study, firstly, an experiment was conducted to find an optimal method for maximizing methane adsorption capacity of the activated carbon, which was prepared using chemical activation of coffee grounds with KOH or KIO3 Secondly, to evaluate adsorption characteristics of methane, experimental isotherms of methane adsorption for AC were determined by the measurement of equilibrium uptake of methane in different temperatures and methane concentrations. The experimental data were fitted to Freundlich, Langmuir, and Temkin equations to determine the model isotherm. Thirdly, the methane oxidation efficiency of the AC inoculated with methane-oxidizing bacteria was evaluated. The results showed that the maximum methane adsorption capacity was 1.80 mmol-CH4/g-AC at KOH 7M. The methane adsorption capacity mcreases as the higher methane concentration and the lower temperature. The results of isothermal adsorption equations means that the energy distribution on the surface of activated carbon may be heterogeneous and methane adsorption occurs as the multi-molecular layer due to fil the Langmuir isotherm poorly but evidence a good fit to the Freundlich isotherm. Temkin plot indicates a physical adsorption process. The results of methane oxidation experiments for AC showed methane concentration rapidly decreased due to adsorption reaction, and thereafter methane concentration decrease due to simultaneous methane oxidation and adsorption reaction. Then, re-adsorption has occurred when methane was re-injected. This showed that methane-oxidizing bacteria can oxidize the adsorbed methane onto AC. It suggests AC may be the semi permanent availability in a landfill due to pore re-formation and re-adsorption.

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Abstract
제1장 서론
제1절 연구배경
제2절 연구목적
제2장 문헌고찰
제1절 커피잔재물 발생 및 처리
제2절 활성탄을 이용한 메탄 흡착
제3절 활성탄 메탄흡착의 영향인자
(1) 전처리 방법
(2) 온도
(3) 압력
제4절 등온흡착식
(1) Langmuir 등온흡착식
(2) Freundlich 등온흡착식
제5절 메탄산화
(1) 메탄산화 메커니즘
(2) 메탄산화 영향인자
제3장 실험재료 및 방법
제1절 실험재료
(1) 커피잔재물
(2) 메탄산화세균 배양
제2절 실험방법
(1) 최적의 개질방법 평가실험
(2) 등온흡착평형 실험
(3) 개질 활성탄에 의한 메탄산화실험
제4장 결과 및 고찰
제1절 최적의 개질 방법 평가
제2절 등온흡착평형 특성 및 해석
(1) 등온흡착평형 특성
(2) 등온흡착식을 통한 흡착특성 평가
제3절 개질 활성탄에 의한 메탄산화실험
(1) 공실험
(2) 메탄산화실험
제5장 결론
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요약

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