Radionuclides stored in a radioactive waste repository over a long period of time might be leached through the barriers such as engineered rock (cement) and natural rock (granite). Organic complexing agents such as ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA) and isosaccharinic acid (ISA) may also influence the mobility of radionuclides. In this study, a continuous fixed-column reactor packed with engineered and natural rocks was designed to investigate the effect of organic complexing agents on cesium mobility through cement and granite under anaerobic conditions. The influent flow rate of the mixed solution (organic complexing agent and cesium) at the column bottom was 0.1 mL/min, while that of groundwater was 0.2 mL/min, which was introduced between cement and granite layers in the middle of the column. The hydraulic properties such as diffusion coefficient and retardation factor were derived by a bromide tracer test. The effects of different operating parameters, such as initial cesium concentrations, initial EDTA or ISA concentrations, and bed size, on the cesium adsorption were investigated. The Thomas, Adams-Bohart, and Yoon-Nelson models were applied to the experimental data to predict the breakthrough curves using non-linear regression. These results suggest that organic complexing agents such as EDTA and ISA significantly influence the mobility of cesium in the barriers, indicating that the presence of complexing agents enhances the migration of cesium to the geosphere.

H2S adsorption characteristics of adsorbent made by drinking water treatment sludge were investigated. For analyses of the manufactured adsorbent, various methods such as scanning electron microscope(SEM), measurements of BET surface area were adopted. As the major adsorption characteristic, breakthrough curve was measured by using a continuous fixed bed adsorption column for operating variables such as aspect ratio(L/D, 3∼9), gas flow rate(0.2∼1.0 liter/min) and type of samples. The experimental results showed that the breakthrough pint decreased with increasing gas flow rate, but increased with increasing aspect ratio. It was also found that the physical and chemical treatments of drinking water treatment sludge are very important for the improvement in H2S adsorption capacity due to property changes of the sludge.

Synthesis gas is a high valued compound as a basic chemicals at various chemical processes. Synthesis gas is mainly produced commercially by a steam reforming process. However, the process is highly endothermic so that the process is very energy-consuming process. Thus, this study was carried out to produce synthesis gas by the partial oxidation of methane to decrease the energy cost. The effects of reaction temperature and flow rate of reactants on the methane conversion, product selectivity, product ratio, and carbon deposition were investigated with 13wt% Ni/MgO catalyst in a fluidized bed reactor. With the fluidized bed reactor, CH4 conversion was 91%, and Hz and CO selectivities were both 98% at 850℃ and total flow rate of 100 mL/min. These values were higher than those of fixed bed reactor. From this result, we found that with the use of the fluidized bed reactor it was possible to avoid the disadvantage of fixed bed reactor (explosion) and increase the productivity of synthesis gas.

The effects of reaction temperature and flow rate of reactants on the methane conversion, product selectivity, product ratio, and carbon deposition were investigated with 13wt% Ni/MgO catalyst. Reaction temperatures were changed from 600 to 850℃, and reactants flow rates were changed from 100 to 200 mL/mim. There were no significant changes in the methane conversion observed in the range of temperatures used. It is possibly stemmed from the nearly total exhaustion of oxygen introduced. The selectiveties of hydrogen and carbon monoxide did not largely depend on the reaction temperature. The selectivities of hydrogen and carbon monoxide were 96 and 90%, respectively. Carbon deposition observed was the smallest at 750℃ and the largest at 850℃. It is found that the proper reaction temperature is 750℃. The best reactant flow rate was 150 ml/min.

폐기물 용액의 pH 변화에 따른 고정층에서 우라늄 및 코발트 이온의 흡착거동을 다성분 흡착시스템으로 가정하여 이론적으로 예측하였다. 즉 pH 변화에 따라 존재 분율이 달라지는 각 이온 성분들이 상호 경쟁적으로 흡착한다는 가정 하에서, 평형실험에서 얻어진 결과와 우라늄 및 코발트 이온의 용액특성 (Solution chemistry)을 상호 결합하여 각 이온 성분들의 Langmuir 평형상수 값을 Ideal Adsorbed Solution Theory를 도입하여 구하였으며, 이상의 결과를 이용하여 고정층 파과곡선을 이론적으로 계산한 결과 pH 변화에 따른 흡착거동을 비교적 잘 예측할 수 있었다 따라서 본 연구에서 시도한 방법은 이온 농도와 pH가 높은 경우를 제외하고 pH 변화에 따라 용액 내에 이온의 형태가 다양하게 존재하는 흡착 시스템을 이론적으로 예측하는 데 비교적 유용하게 사용할 수 있을 것으로 판단된다.

The characteristics of adsorption and desorption of benzene and toluene were investigated at a fixed bed packed with the activated carbon and activated carbon fiber. Through breakthrough experiments under various feed concentration conditions, it was found that the slope of mass transfer zone and the tailing in the breakthrough curves were different from the feed conditions due to different heats of adsorption. In hot nitrogen desorption, the regeneration time and mass transfer zone of the toluene desorption curve were longer than those of the benzene desorption curve because of the difference in adsorption affinity. With an increase in the regeneration temperature, the height of roll-up and the sharpness of desorption curves increased but the regeneration times decreased. The adsorption capacities of the activated carbon and activated carbon fiber after three-time thermal regenerations decreased about 25% and 37% for benzene and 18% and 25% for toluene, respectively. To investigate the effect of the regeneration temperature on the energetic efficiency, the characteristic desorption temperatures of toluene and benzene were investigated by calculating purge gas consumption and temperature.

페놀성 화합물들은 단백질이나 금속 이온들과 결합하는 성질을 지녀 식품분야에서는 영양 저해물질 혹은 갈변의 원인물질로 알려져 있으며 또 이들물질이 상수원에 유입시 염소와 결합하여 악취나 발암물질을 형성하는 등 환경적으로 유해한 물질로 알려져 있다. 그러나 최근에는 이들 물질들의 항미생물 효과, 항암효과 등이 밝혀짐에 따라 유용한 물질로 이용될 가능성이 매우 높아졌다. 이들 물질들의 제거 또는 회수는 곧 유해물질의 제거 혹은 유용성분의 분리의 의미가 된다. 따라서 본 실험에서는 연속식 고정층 흡착을 다성분계 페놀산 용액에서 행하여 실제 흡착공정에 적용시 필수적인 자료인 파과곡선 및 파과점을 nonlinoar curve fitting방법을 이용하여 산정하였다. 흡착질의 종류가 증가할수록 파과곡선의 적합성은 점점 낮아졌으며 흡착속도에 있어서는 gallic acid가 가장 빨리 파과점을 지나고 ferulic acid, p-coumaric acid의 순으로 나타났다. 이들 결과로부터 다성분계에서의 연속식 고정층 흡착은 흡착제와 흡착질간의 ionic strength와 흡착질간의 분자량의 차이가 흡착량과 파과속도에 영향을 미치는 것으로 생각된다.

In this study, to cope with the renewable portfolio standard system, a thermochemical process was applied to coffee residues. After the basic thermal characteristics analysis, it was judged that the gasification process could be applied because the volatile matter in coffee residues was high. The temperature and equivalent air ratio were set by using the data and the gasification characteristics with varying equivalent ratios were evaluated. Also, the experiments were conducted in a downdraft fixed bed reactor which was easy to operate and generates less tar. The best experimental results at equivalent ratio of 0.3 were obtained with syngas composition, lower heating value of product gas, gas yield, and tar yield of 16.94%, 1,410 kcal/Nm3, 2.04 Nm3/kg and 33.33 mg/L respectively. Also, cold gas efficiency and carbon conversion rate as the most important indicators of gasifier performance were 63.83% and 88.59% respectively. Comparing the gasification characteristics with sawdust in the same reactor, the value of coffee residue was higher in the cold gas efficiency but the amount of tar was higher. However, we could apply the gasification technology to coffee residues if we carried out studies to improve the gasification efficiency and to reduce the amount of tar. Furthermore, we take into consideration the fact that the supply of coffee residues was insufficient to use as a single feedstock and the consequent necessity to study the means of using it with other available fuel materials.

The aim of this project was to explore the potential of the torrefaction treatment for upgrading sewage sludge into valuable product. An ancillary investigation on the cold fluidization and the behavior of sewage sludge was analyzed. The effects of the main torrefaction variables, temperature and residence time, on the performance parameters such as fixed carbon, calorific value; molar ratios, ultimate and proximate analysis, chemical exergy etc. were investigated for torrefied sewage sludge. Results for both the reactors showed that the thermochemical transformations that sewage sludge underwent, as a results of the release of volatile matter due to thermal decomposition of its organic constituents, resulted in significant improvement of their chemical and physical properties. Results obtained from this study showed that despite the leverage that fluidized bed offers (heat and mass transfer) fixed bed configuration was more pronounced for torrefaction of sewage sludge. However, a decisive conclusion cannot be made at this stage as more detail study would be required to draw a definitive conclusion over the preference of reactor for torrefaction.

지난 10년간 신재생에너지 시장은 꾸준히 증가하고 있으며, 이와 더불어 폐기물 에너지화(WtE, Waste to Energy) 기술은 매년 5% 이상 꾸준히 성장할 것으로 예측된다. 폐기물 에너지화 기술은 폐기물 처리방식에 따라 물리적, 열화학적, 생물학적 기술로 분류되며 그중 하나인 폐기물 가스화 기술은 폐기물의 고부가가치 연료화 및 온실가스 감축 증대의 효과로 최근 더욱 각광받고 있다. 공급된 폐기물 내 탄소 및 수소 성분은 가스화 반응을 통해 CO, H2가 주성분인 합성가스로 전환되고 생산된 합성가스는 메탄올, 디젤류, DME 등 다양한 화학원료로 이용될 수 있으며 가스엔진 등 발전분야에 이용이 가능하다. 본 연구에서는 생활폐기물을 기반으로 제조된 비성형 고형연료를 대상으로 8 TPD급 고정층 가스화 반응기에서 합성가스의 생산특성에 대하여 연구하였다. 본 연구의 반응기는 가스화제 주입을 Down-draft 및 Up-draft의 방향으로 공급할 수 있도록 제작하였으며, 이와 더불어 가스화 반응 영역 후단에 Gas Chamber를 두어 추가적인 타르 크랙킹을 유도할 수 있도록 하였다. 기존 공기 가스화의 경우 공기 중의 대부분을 차지하는 비활성 물질인 질소의 공급량이 많아 생산가스 내 합성가스의 비율이 상대적으로 낮아 활용측면에서 발전부분에 국한 되는 한계가 있었다. 이에 반해 본 연구는 공기비(ER, Equivalent Ratio)와 더불어 순산소의 추가 공급으로 산소부화율을 제어하여 발생되는 합성가스의 주성분인 CO, H2의 비율을 30% 이상으로 높게 유지할 수 있었고 이를 통해 생산 가스의 열량 및 냉가스 효율 등 고품질의 합성가스를 생산할 수 있었다.

전 세계적으로 자원의 고갈과 온실가스로 인한 기후변화가 지구의 환경을 위협하는 요인으로 작용하고 있다. 이에 국내에서는 폐기물의 재활용을 촉진하고, 더 높은 부가가치를 부여하기 위한 기술･정책적 노력들이 이루어지고 있다. 그 중 하나로 생활폐기물을 기계적 선별공정과 생물학적 처리 공정이 결합된 MBT(Mechanical Biological Treatment) 시설이 도입되었다. 국내에서 발생되는 폐기물은 가연분 함량이 높아 SRF(Solid Refuse Fuel)로 생산할 경우 에너지 자원의 대체제로 사용 가능성이 크다고 판단된다. 이에 본 연구에서는 국내에서 생산되는 SRF에 대하여 기초특성분석을 실시하고 효율적인 열에너지 회수를 위해 연소실험을 진행하였다. 시료의 기초특성분석결과, 수분, 회분함량이 낮고 탄소성분과 발열량이 높게 나타났다. 연소 특성 및 오염 물질의 발생 특성을 파악하기 위하여 고정층 반응기에서 공기비 1.8~2.6 범위에서 실험을 진행하였다. 뿐만 아니라 각 공기비에서의 배가스 성분을 연소가스측정기(MK9000)를 이용해 그 특성을 알아보았으며 가스상 오염물질 배출특성을 알아보기 위하여 오염물질인 HCN, HCl 에 대해 분석을 실시하였다. 배가스 특성에서 CO의 농도가 거의 0%로 나타난 것으로 보아 완전연소가 잘 일어나고 있음을 판단 할 수 있었다. 또한 배출된 가스상 오염물질의 경우 배출 허용기준(HCl 15ppm, HCN 5ppm)을 모두 만족하는 것으로 나타났지만 NOx의 경우, 배출 허용 기준(80ppm)에 비해 약간 높은 값을 보였다. 모든 조건을 고려하였을 때 연소 반응이 활발히 일어나는 것을 알 수 있었지만 SRF를 연소공정에 적용시 추가적인 NOx 제어 시설이 필수적으로 설치되어야 할 것으로 판단된다.

범지구적인 산업활동으로 인하여 발생된 지구온난화에 대처하기 위하여, 기후변화협약 당사국총회에서는 신 기후변화체제 합의문인 파리 협정을 채택하였다. 이를 위해 대부분 국가가 다양한 에너지 정책을 펼치고 있으며, 우리나라는 2035년까지 신재생에너지 보급률 11 % 달성을 위하여 제4차 신재생에너지 기본계획을 수립, 발표하였다. 이러한 신재생에너지는 다양한 에너지원으로 구성되어 있으며, 이 중 폐기물 에너지화 기술로부터 생산된 폐기물에너지는 신재생에너지 보급량 중 63.5 %로 가장 높은 보급량을 차지하고 있다. 현재 폐기물의 효율적인 자원화 기술 중 하나인 고형연료(SRF, solid refuse fuel)를 이용한 발전 사업이 추진되고 있다. 국내에서 생산되는 SRF의 경우, 생활폐기물 속 재활용 자원을 최대한 회수함으로써 가연분 함량이 높아 대체 에너지로서의 가능성이 높게 평가받고 있으며, 본 연구에서는 경제성을 확보하기 위해 성형 SRF가 아닌 비성형 SRF를 사용하여 연구를 진행하였다. 또한, 열 회수 및 합성가스(H2+CO) 생산을 위해 가스화 공정을 적용해보았으며, 고정층 반응기인 down draft fixed bed와 유동층 반응기인 bubbling fluidized bed의 가스화 특성을 알아보고자 하였다. 이뿐만 아니라 가스화 공정의 주요 운전 요인 중 하나인 ER(Equivalent Ratio)에 따른 합성가스 조성, 가스 수율, 고 탄화수소 물질인 C2-C6의 함량, 합성가스의 저위발열량 그리고 가스화 효율의 가장 중요한 지표라 할 수 있는 냉가스 효율과 탄소 전환율을 통해 최적 조건을 도출하고자 하였다.

기후변화가 가속되는 현 상황에서 신재생에너지의 적극적 활용은 전세계적인 추세이며, 국내에서도 가연성 폐자원의 효율적인 친환경적 처리, 에너지 회수를 위한 다양한 연구가 진행되고 있으며, 관련정책과 법규가 만들어져 있다. 가연성 폐기물로부터 에너지를 회수할 수 있는 가스화 기술은 생산된 합성가스를 다양한 방법으로 활용할 수 있다. 합성가스가 가지고 있는 화학적 에너지를 활용하여 직접 엔진을 가동할 수 있으며, 가스화 방식에 따라 합성가스 내에 포함된 수소, 일산화탄소 등의 성분을 화학반응의 원료로 사용할 수도 있다. 따라서, 국내에서도 폐기물로부터 얻어진 합성가스를 다양한 방법으로 활용하기 위한 많은 연구들이 진행중에 있다. 본 연구에서는 폐기물 고형연료 가스화 플랜트 기술의 개발을 위해 생활폐기물을 대상으로 비성형 고형연료를 제조하고, 제조된 고형연료를 파일럿 규모의 고정층 가스화를 통해 합성가스를 생산하여 이를 직접 가스엔진 발전기에 도입함에 있어서, 고정층 반응기에서 발생되는 합성가스의 생산특성에 대해 알아보고자 한다.

지속적인 화석 연료의 사용으로 인해 발생하는 환경오염 때문에 대체에너지를 찾는데 많은 연구가 진행되고 있다. 국내에서 발생되는 폐기물은 가연분 함량이 높아 폐기물 고형연료로 생산할 경우 화석원료의 대체제로 사용 가능성이 크다. 이러한 SRF는 최근 주목 받기 시작한 기술로 폐기물을 선별･파쇄 및 건조를 거쳐 생산되며, 국내 SRF의 발열량 기준은 약 3,500kcal/kg 으로 화석연료 및 바이오매스와 비교했을 때 연료로 사용하는데 문제가 없을 정도의 품질기준을 만족시키고 있다. 하지만 SRF의 생산 효율이 60%이하로 낮은 실정에 있어, 연료로 사용가능한 폐기물들이 버려지고 있다. 따라서 본 연구에서는 이를 극복하기 위한 방안으로 SRF를 생산하고 남은 잔재물(저품위 폐기물)을 다시 고형연료로 생산하여 열처리 시설에서 에너지 회수 시설에 적용하기 위한 실험의 하나로 저품위 폐기물의 기초특성분과 본 폐기물의 연소특성에 대해서 평가하였다. 실험결과 비록 MBT(Mechanical Biological Treatment) 처리를 거친 저품위 폐기물을 사용했지만 기존 SRF 연소특성과 비교했을 때 좋은 연소특성을 보였으며, 대기배출허용기준 또한 만족하였다. 본 연구에서는 SRF를 이용하여 에너지화 기술 중 하나인 가스화기술을 적용해 실험을 진행하였다. 실험조건으로는 고정층 반응기에서 공기 산화제를 사용하였으며 반응온도와 시료투입량을 900℃와 1g/min으로 고정하였다. 최적 ER(Equivalent ratio)을 찾기 위하여 0.2,0.4,0.6으로 변화를 주었다. 또한, 가스특성을 평가하기 위하여 Micro-GC를 통해 합성가스의 조성을 파악하였으며, 건조가스수율, 냉가스 효율, 탄소 전환율을 가스화특성 평가 인자로 사용하였다.

This research performed the effects of the air ratio to produce the syngas from the fixed-bed gasifier for municipalsolid waste. At the inside of reactor, temperature depends on amount of the oxidant to classify four distinct process,combustion, reduction (gasification), pyrolysis and dry zone. As decreasing the air flow rate, the particulate matters hada tendency to decrease, proportionally. In this system, the producer gas needs the clean-up process over 98% efficiencyfor connecting the internal combustion engine to generate electric power. At the test 1 and 2, while the air ratio decreased,the LHV of syngas and CGE were increased. however, at the test 3, because the oxidizer had injected more less thandemanded, these showed a decreasing tendency.

This research investigated the feasibility of rice husk as a biosorbent for removal of ammonium ion from aqueous solutions. To improve the sorption functionality of rice husk, the carboxyl groups were chemically bound to the surface of the rice husk by graft polymerization of acrylic acid using potassium peroxydisulphate as a redox initiator. The removal of ammonium ion by rice husk grafted with acrylic acid (RH-g-AA) was studied in a batch mode and fixed bed columns. The kinetic and equilibrium data obtained from batch experiments follow the second-order kinetics and fit well with the Langmuir isotherm model. The sorption energy determined from D-R model was 8.61 kJ/mol indicating an ion-exchange process as the primary sorption mechanism. To determine the characteristic parameters of the column useful for process design, four mathematical models; Bed Depth Service Time (BDST), Bohart-Adams, Clark and Wolborska models were applied to experimental data obtained from the fixed bed columns with varying bed heights. All models were found to be suitable for simulating the whole or a definite part of breakthrough curves, but the Wolborska model was the best. The fixed bed sorption capacity determined from the Wolborska model was in the range 33.3 ~ 40.5 mg/g close to the value determined in the batch process. The thickness of mass-transfer zone was calculated to be approximately 40 mm from DBST model. The RH-g-AA sorbent could be regenerated by a simple acid washing process without a serious lowering the sorption capacity or physical durability.

The adsorption experiments of lithium ions were conducted in the fixed bed column packed with activated carbon modified with nitric acid. Effect of inlet concentration, bed hight and flow rate on the removal of lithium ions was investigated. The experimental results showed that the removal and the adsorption capacity of lithium ions increased with increasing inlet concentration, and decreased with increasing flow rate. When the bed height increased, the removal and the adsorption capacity increased. The breakthrough curves gave a good fit to Bohart-Adams model. Adsorption capacity and breakthrough time calculated from Bohart-Adams model, these results were remarkably consistent with the experimental values. The adsorption capacity was not changed in the case of 3 times repetitive use of adsorbent.