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Enhancement of mass transfer rate of methane in aqueous phase via bubble coalescence inhibition for bubble column reactor

  • 김광민 (서강대학교 일반대학원)

초록/요약

셰일 층에서 주로 발견되는 셰일 가스는 최근 전세계적으로 대체에너지원으로 큰 각광을 받고 있다. 과거에는 주로 값싼 연료로 그 경제적 가치가 있었으나, 최근 셰일 가스를 공급 원료로 하여 높은 부가가치를 가지는 알코올, 올레핀, 유기산 등을 합성하는 것으로 그 가치가 향상되고 있다. 특히나 셰일 가스의 주 성분인 메탄과 메탄자화균을 이용한 생물학적 전환은 큰 각광을 받고 있다. 메탄 가스를 기반으로 원하는 고부가가치 물질을 생산하기 위해서는 메탄자화균의 효율적인 성장이 필요로 된다. 하지만 기본적으로 가스는 물에 잘 녹지 않는 열역학적인 한계로 인해서 물에 녹은 메탄을 주 영양성분으로 성장해야하는 메탄자화균의 고부가가치 화학물질 생산성은 떨어지는 실정이다. 따라서 메탄자화균의 효율적인 고부가가치 화학물질의 생산을 위해서는 메탄-물 물질전달 속도를 향상시키는 연구가 필요로 된다. 많은 연구자들은 반응기의 디자인이나 화학물질을 첨가하는 방법을 통해 기체-액체 용량 물질전달 계수 (kLa) 를 향상시키는 연구를 진행해왔다. 기체-액체 용량 물질전달 계수 (kLa) 는 ‘기체-액체 물질전달 계수 (kL)’ 와 ‘기체-액체 표면면적 (a)’ 의 곱으로 나타나는 값이다. 따라서, 기체-액체 용량 물질전달 계수를 향상시키기 위해서는 ‘기체-액체 물질전달 계수 (kL)’ 를 향상시키거나 ‘기체-액체 표면면적 (a)’ 를 증가시키는 방법이 있다. ‘기체-액체 물질전달 계수 (kL)’ 를 향상시키기 위해서 (나노)파티클을 넣어주거나 물에 녹지 않는 기름을 넣어주는 방법이 있으나 그 향상폭이 크지 않았다. 반면에, 전해질, 양이온계면 활성체, 알코올 등을 넣어 기포합체 억제 현상을 유발하여 ‘기체-액체 표면면적 (a)’ 를 향상시키는 방법은 그 성능에서 효과적이었다. 수용액 상에서 가스 기포의 전기적 특성은 가스 기포가 서로 합체되는지 혹은 분리되어 유지되는지를 결정하는 중요한 특성이다. 가스 기포는 순수한 물에서 물분자의 특유한 배치에 의해서 약한 음전하를 띄게 되지만, 이는 물분자 사이의 반 데르 발스힘에 비해서 약하기 때문에 서로 합체된다. 기포합체를 억제하기 위해서는 여러가지 방법이 있다. 첫번째로, 전해질을 넣어주는 방법은 가스 기포 주변의 전기적 이중층을 강화시키기 때문에 기포합체 현상을 억제하는데 효과적이다. 전해질이 수용액에 녹았을 때, 양이온과 음이온은 기체-물 계면에서 다른 거동을 보인다. 음이온은 기체-물 계면에 가까이 존재하려고 하는 경향을 보이며 양이온은 기체-물 계면에 멀리 존재하려고 하는 경향을 보인다. 이러한 경향성의 차이로 인해 배치에 차이가 생기며 이러한 배치의 차이로 인해 전기적 이중층이 강화되게 된다. 이러한 전기적 이중층은 가스 기포가 서로 전기적 반발력을 가지게 하는 힘이 되며, 전해질 수용액에서 기포는 합체되지 않고 유지된다. 둘째로, 이러한 방법 외에도 양이온계면 활성제를 이용하는 방법이 있다. 수용액에 양이온계면 활성제가 도입되면 양이온계면 활성제는 가스 기포를 둘러싸게 되며 가스 기포를 양전하를 띄게 한다. 대표적인 양이온계면 활성제로는 도데실트리메틸 암모늄 브로마이드 (dodecyltrimethyl-ammonium bromide, DTAB) 과 헥사데실트리메틸 암모늄 브로마이드 (hexadecyltrimethyl- ammonium bromide, HDTAB). 가 있다. 이러한 양이온계면 활성제는 가스 기포를 약 24 – 29 mV 로 대전시키며, 정전기적 반발력을 통한 기포합체 억제 현상을 유발한다. 마지막으로, 이러한 정전기적 반발력을 이용하는 것이 아닌 분자의 움직임을 이용하여 기포합체 억제 현상을 유발하는 경우도 있다. 알코올을 수용액에 첨가하였을 때 가스 기포 사이엔 마랑고니 효과 (Marangoni effect) 가 형성되게 된다. 마랑고니 효과는 알코올 분자와 물 분자가 가스 기포 사이의 계면을 안정시키고 파쇄되는 것을 억제한다. 기포합체 억제 현상에 대해서는 오랫동안 연구되어 왔지만, 실질적인 가스-액체 물질전달 향상에 대한 활용은 널리 연구되지 않았다. 뒤의 쳅터들은 기포합체 억제현상을 이용한 기체-액체 용량 물질전달 계수 (kLa) 의 향상에 대한 연구를 다룰 것이다. 또한 실질적인 메탄자화균을 배양하는데 적용함으로써 본 연구의 실질적 효율성에 대해서도 다룰 것이다.

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초록/요약

Shale gas, natural gas found within shale formations, has recently sparked an energy revolution as an alternative energy resource around the world. Although direct use of shale gas would have significant economic value, its use as feedstock to produce high value chemicals, such as alcohols, olefins, and organic acids, could potentially reshape chemical industries. In particular, the biological conversion of methane by microorganisms or enzymes has gained much interest. Dissolved methane in aqueous solution is the major carbon source for the microorganisms to produce the desired products. However, the low methane solubility in culture medium (~21.7 mg/L at STP) limits biological conversion of methane, due to the low methane conversion yield. Improving the mass transfer rate of methane in aqueous solution could possibly overcome this hurdle, leading to efficient methane conversion. Many researchers have attempted to enhance the volumetric mass transfer coefficient (kLa), an indicator for the mass transfer rate of gas in water, in various ways, such as of reactor design or chemical additions. To increase kLa, we can increase either kL (the gas-water mass transfer coefficient), a (the interfacial area between gas bubbles and liquid), or both. To increase kL, several approaches have been reported including addition of (nano)particles and oil. Whereas a can be effectively increased by inhibiting bubble coalescence, by addition of electrolytes, cationic surfactants, and/or alcohols. The electrical characteristics of gas bubbles in aqueous solution are important factors determining bubble coalescence behavior. Gas bubbles coalesce in pure water even though the gas bubbles are negatively charged, because the negative charge arises solely from the orientation of water molecules, and is insufficient to inhibit coalescence. When electrolytes are added, cations and anions are differently arranged at the gas-water interface, with cations being repelled and anions attracted to the gas-water interface. This enhances the electrical double layer (EDL) around the gas bubbles, and inhibits bubble coalescence via the electrorepulsive force. Cationic surfactants, which charge gas bubbles positively can also be used. Bubble coalescence can also be inhibited via molecular movement rather than electrorepulsive force. The Marangoni effect is induced between gas bubbles by the addition of alcohol, and causes alcohol and water molecules to move toward the narrowest point between the gas bubbles, hence stabilizing the water film and inhibiting bubble coalescence. Although bubble coalescence inhibition has widely been researched, the application of the same phenomenon to enhancing gas-water mass transfer rate has hardly been studied. The following chapters focus on enhancing the gas-water mass transfer rate for a methane-water system by inhibiting bubble coalescence. Fermentation of methanotroph microorganism is also enhanced with enhanced methane-water mass transfer rate.

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