간행물
한국폐기물자원순환학회 학술대회자료집
- 발행기관 한국폐기물자원순환학회
- 자료유형 학술대회
- 간기 부정기
- 수록기간 1984 ~ 2018
- 주제분류 공학 > 환경공학 공학 분류의 다른 간행물
- 십진분류KDC 539DDC 628
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2014년 추계학술발표회 논문집 (2014년 11월) 142건
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2014.11
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원자력시설의 해체 시 발생하는 폐기물은 금속 조각, 콘크리트, 토양 등 종류도 다양할 뿐만 아니라 발생량 또한 방대하다. EC(European commission)의 자료에 의하면 앞으로 60년 동안 유럽 국가들에 있는 원자력시설의 해체 시 발생되는 금속폐기물의 양이 스테인레스강은 약 30만 톤, 연강이나 탄소강은 약 100만 톤, 알루미늄과 구리는 약 2~3만 톤 정도가 될 것이며, 전 세계적으로는 향후 50년 동안 약 1,200만 톤의 스테인레스강은 약 95만 톤, 탄소강은 870만 톤, 구리 220만 톤이 발생할 것으로 예측하고 있다. 국내적으로도 최초의 원자로인 연구로 2호기 및 우라늄 변환시설의 퇴역으로 제염･해체 사업이 완료되었으며, 현재 연구로 1호기가 해체 중에 있다. 연구로 2호기 및 원자력연구원 내 우라늄변환시설의 해체로 인해 구조재, 배관재 등을 포함하여 수십 톤이상의 금속폐기물이 발생하여 임시 저장 중에 있다. 원전시설에서 규모가 큰 구성품(열교환기, 습분 분리기, 증기발생기) 교체나 해체 시 발생하는 다량의 금속폐기물을 그대로 수용하기에는 부족한 폐기물 처분장 문제뿐만 아니라, 지속적으로 처분 단가의 증가가 예상되므로 방사성 금속 폐기물의 효과적인 감용 및 재활용 기술이 요구된다. 방사성 금속폐기물 감용 및 자체처분기술은 근본적으로 금속 방사성폐기물을 저감하는 기술로 다양한 단위기술의 조합이다. 금속용융제염 기술은 유럽을 추축으로 미국과 일본에서 활발히 연구되었으며 원자력 선진국에서는 대부분 상용규모의 처리시설을 갖추어 원자력시설에서 발생하는 금속폐기물을 처리하고 있다. 국내에서도 2004년부터 금속용융제염 요소기발을 시작으로 파이롯 규모의 금속용융제염 기술개발 및 Scale-up 데이타 회득을 통해 현재는 금속성 해체폐기물 감용 및 실용화 시설 구축 사업을 통해 350 kg/1회 규모의 고주파유도용융로를 원자력연구원내 구축하여 해체폐기물을 용융제염하고 있다. 시설은 금속폐기물 인수 및 절단실, 용융실, 주괴 인출 및 오염검사실, 주괴 임시저장 및 반출실로 구성되어 있다. 용융되는 금속폐기물은 전량 자체처분 대상 폐기물이며 2차폐기물로는 슬래그와 더스트를 포함하여 투입되는 금속폐기물 대비 약 3%이하로 발생되었다. 금속폐기물의 회수율은 약 99% 이다.
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2014.11
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매립가스는 유기물의 소화로 발생되는 복합성 가스이며 주성분인 메탄(CH4), 이산화탄소(CO2) 이외에 황화수소(H2S), 암모니아(NH3), 할로겐 탄화수소, 휘발성유기규소화합물(VMSs)을 포함한다. 매립가스의 구성물질 중 황화수소는 주요 악취물질로 반응성이강하며 휘발성유기규소화합물은 매립가스 내 불순물로 장치 부식의 원인이 될 수 있다. 따라서 매립가스의 효율적인 자원화를 위해서는 매립가스 내 황화수소 및 휘발성유기규소화합물의 전처리가 필요하다. 본 연구는 황화수소와 휘발성유기규소화합물의 전처리공정으로서 흡착공정을 개발하고, 우선 황산철용액으로 개질된 활성탄을 제조하고 개질 활성탄의 흡착특성을 평가하고자 하였다. 실험에 사용된 흡착제는 식물계 활성탄에 황산철(FeSO4･7H2O)용액으로 첨착하였다. 흡착 방법으로는 흡착제가 채워진 유리재질의 흡착관에(∅10×150 mm) 황화수소 및 휘발성유기규소화합물 중 D4를 질소(99.999%)와 함께 0.3 L/min으로 유입시켜 유출농도가 유입농도의 5%로 배출 될 때를 파과점으로 하여 측정하였다. 황화수소는 초기농도 1%에서 질소와 혼합하여 3,333 ppm으로 유입되었으며, 휘발성유기규소화합물인 D4는 650 ppm으로 유입되었다. 황화수소는 10 ppm까지 황화수소 센서를 이용하여 측정하였고 이후 GC-PFPD로 분석하였으며 휘발성유기규소화합물인 D4는 GC-FID를 이용하여 분석하였다. 개질된 활성탄의 비표면적은 1205.4 m²g-1로 비개질 활성탄의 비표면적인 1111.3 m²g-1 보다 큰 값을 보여주었다. 또한, 주사형 전자현미경 분석을 통해 입경크기 및 표면기공을 확인한 결과 개질된 활성탄의 표면기공이 1 μm 이하부터 8 μm 까지 다양하게 분포되어 있었다. 개질된 활성탄의 황화수소 및 휘발성유기규소화합물의 흡착능은 각각 0.256 g/g, 0.413 g/g으로 비개질 활성탄의 흡착능인 0.023 g/g에 비해 매우 높은 흡착능을 보여주었다. 개질된 활성탄의 첨착된 철에 의한 화학흡착과 제조과정에서 형성된 활성탄 표면의 관능기가 황화수소 및 휘발성유기규소화합물의 흡착에 영향을 주는 것을 판단된다.
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2014.11
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탈황석고는 화석연료를 사용하는 화력발전소와 정유공장 등에서 연소시 배출되는 배기가스로부터 황산화물(SOx)을 화학반응으로 고정함으로써 얻어지는 부산석고이다. 발생하는 탈황석고는 품질이 우수하기 때문에 석고보드나 시멘트 등의 원료로 재활용 판매 처리되고 있다. 하지만 현재 재활용되는 탈황석고에 대한 적절한 관리체계가 미흡하고 이에 대한 품질 기준 및 관련 근거 법령이 미흡한 실정이다. 이에 본 연구는 국내에서 발생되는 탈황석고의 재활용 안정성과 유해물질 특성을 조사하고자 하였다. 시료는 탈황석고 배출량이 높은 순으로 선정하여 국내 화력발전소에서 채취하였으며 폐기물관리법상 규제 유해 중금속 6종(Cr, Cu, Cd, Pb, As, Hg) 및 시안화합물에 대한 용출특성에 관해 조사하였다. 그 결과, 유해 중금속 6종 중 비소(As)의 경우 0.006~0.015 mg/L로 검출 되었으나 폐기물관리법에 따른 유해물질의 기준(1.5mg/L)보다 낮은 수치를 나타내 유해성을 보이지 않았다. 비소를 제외한 5종 유해 중금속(구리, 크롬, 카드뮴, 납, 수은)은 정량한계 미만으로 검출되어 모든 시료에서 불검출로 나타났다. 시안화합물의 경우 폐기물관리법에 따른 정량한계(0.01mg/L) 미만으로 모든 시료에서 불검출로 나타났다. 이와 같은 결과로 국내 화력발전소에서 배출되는 탈황석고의 유해 물질의 용출특성이 낮아 재활용함에 있어 안전한 것으로 판단되며 석고보드나 시멘트 등 재활용으로 적합하고 재활용 확대 가능성도 고려해 볼 수 있다.
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2014.11
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자외선/가시선 분광법에서는 수은을 황산 산성에서 디티존사염화탄소로 추출하고 브롬화칼륨 존재 하에 황산 산성에서 역추출하여 방해성분과 분리한 다음 알칼리성에서 디티존사염화탄소로 수은을 추출하는 복잡한 과정을 거쳐 490nm파장에서 측정한다. 반면에 고상･액상 시료를 직접 주입하여 분석하는 열분해 금-아말감 수은분석기는 분석시간과 전처리 과정에서의 오염 가능성을 줄일 수 있어 전세계적으로 전처리가 까다로운 퇴적물, 토양과 같은 고형시료에 널리 이용되고 있으며, 최근 국내 토양공정시험기준과 수질(퇴적물)공정시험기준에도 추가되었다. 그러나 이 시험법을 액상시료에 대하여 적용할 경우, 최대용량(200ul)을 주입하더라도 오토샘플러(Autosampler)내에서 증발 현상이 일어날 수 있어 회수율 및 재현성을 검토해 볼 필요가 있다. 이에 본 연구에서는 폐기물 용출시료를 가정한 액상시료를 대상으로 오토샘플러 거치시간과 샘플위치에 따른 수은 손실을 검토해 보았다. 각 매질별(3% HNO3, HCl, H2SO4) 10개의 시료를 오토샘플러에 동시에 거치하고 순차적으로 분석하여 연속 측정에 따른 영향을 살펴 본 결과, 대기 시간이 길수록 최대 43%까지 회수율이 떨어지고 매질별 재현성이 상이한 것으로 나타났다. 또한 10셀×10층=100개로 구성되어 있는 오토샘플러에 연속 측정을 할 경우, 편차가 2.84로 매우 큰 반면 한셀씩 건너뛰어 측정할 경우 1.70, 층별로 하나씩 찍을 경우 1.08로 나타나 오토샘플러 위치에 따라서 영향이 있는 것으로 나타났다. 이는 히터에서 분석완료된 시료보트의 열이 분석 전 대기 중인 시료에 영향을 미치쳐 수은이 손실되었기 때문인 것으로 판단된다.
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2014.11
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VOCs는 화학공장에서 방출되는 휘발성 유기물질이며, SOx, NOx등과 함께 최근 심각한 대기오염의 주요인이 되는 물질이다. 주요 발생원으로는 주유 시, 또는 운송 중에 휘발되는 자동차나 제조 시, 또는 각 산업의 도장 공정에서 발생되는 페인트 산업, 인쇄 혹은 세탁시설 등의 세정제 등에서 발생되며, 이의 적절한 처리방법의 개발이 필요한 실정이며, 효율적인 처리와 탈착 후 VOC회수를 동시에 가능케 하는 방안이 개발되어야 할 것이다. 이러한 방법 중 하나로 저온 VSA방식을 통한 흡･탈착 방법이 모색되고 있다. 본 연구는 랩 규모의 VOC흡탈착 장치를 이용하여 온도, 압력별 탈착 성능 평가하였고 이를 통하여 최적 처리조건 도출하였다. 또한 반복 운전시 내구성 확보가 가능한 흡착소재 선정을 위해 활성탄, 활성탄소섬유, 제올라이트, 알루미나 등의 다양한 흡착제를 통하여 VOC 흡･탈착을 수행하였다.
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2014.11
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일반적으로 섬유의 제조공정 중 다양한 기능성을 부여하는 섬유코팅공정에는 다량의 유기용제를 사용하고 있으며, 이러한 유기용제는 대기중에 휘발하여 환경을 심각하게 오염시킬 위험이 있다. 일반적으로 유기용제를 사용하는 사업장에는 흡착시설과 같은 방지시설을 가동하여 폐유기용제를 처리하고 있으며, 대부분이 자원으로서 활용되지 못하고 폐기되고 있는 실정이다. 섬유코팅공정에서 사용되는 유기용제는 톨루엔과 MEK(메틸에틸케톤)으로 크게 두 가지로 나누어 볼 수 있으며, 그 중에서 톨루엔이 약 95%이상을 차지하고 있다. 따라서 본 연구에서 회수/정제하고자 하는 대상물질은 섬유코팅공정에서 발생된 폐톨루엔을 대상으로 하고 있으며, 본 연구의 목적은 폐톨루엔을 회수/정제하여 실제 생산공정에 재사용할 수 있는 톨루엔으로 정제하고자 하는 것이 그 목적이다. 실제 생산공정에서 재사용하기 위해서는 톨루엔의 순도를 95% 이상 높여야 하며, 색도등 오염물질의 배제가 반드시 이루어져야 한다. 섬유에 대한 코팅의 넓은 의미는 어떠한 목적을 갖고 섬유의 표면을 다른 재료 또는 같은 재료로 습윤, 침적, 전사, 도포 등의 방법으로 피막을 입히는 것을 의미하며, 과거 아마인유(Linseed Oil) 등의 건성유와 금속비누 파라핀 등으로 처리한 면직물의 Oil Cloth 등도 포함된다. 그러나 최근 섬유업계에서 통용되는 코팅가공의 개념은 일반적으로 각종 섬유로 만들어진 직･편물의 표면에 아크릴 수지나 우레탄 수지 등의 고분자 폴리머를 이용하여 균일한 피막을 견고하게 형성시켜 직･편물 단독으로는 얻기 힘든 외관과 물성, 성능 등을 부여하는 가공 방법을 말하며 대부분의 코팅공정에서는 변성실리콘오일을 사용하고 있다. 이러한 변성실리콘 오일은 비휘발성물질이나 학계에 따르면 약 3% 정도가 휘발하여 톨루엔과 같이 배출되는 것으로 알려져 있다. 이렇게 휘발된 변성실리콘 오일은 톨루엔에 포함되어 강한취기를 나타내고 톨루엔을 재사용하는데 큰 문제점으로 작용되고 있다.
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2014.11
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인쇄회로기판 폐기물의 발생량은 꾸준히 증가하고 있으며, 구리 등 고가 금속을 함유하고 있어 적절한 재활용 방법의 적용이 시급한 상황이며, 그 대안으로서 열분해가 주목을 받고 있다. 본 연구에서는 페놀 인쇄회로기판(Phenol Printed Circuit Board, p-PCB) 폐기물의 열분해 특성을 규명하여 p-PCB 폐기물 열분해 공정 설계에 기초 자료를 제공하는데 그 목적을 두고 있다. 이를 위해 열중량분석기(Thermogravimetric analyzer; TGA)를 통한 동역학 분석과 더불어 부산물 특성 파악을 위해 Py-GC/MS(Pyrolyzer-Gas Chromatography/Mass Spectrometry, Py-GC/MS)를 적용하였다. 동역학분석과 휘발가스분석(Evolved Gas Analysis, EGA)을 통하여 p-PCB 열분해 반응은 크게 3 단계로 구분할 수 있다. 첫 번째 단계는, 280℃ 이하에서 반응이 일어나며, 초기질량의 10%로 감소하는 구간으로 미경화된 페놀 성분의 휘발과 열적으로 불안정한 물질들이 분해 배출된다고 여겨진다. 두 번째 단계는 280℃~380℃ 구간으로 초기 질량의 60%가 분해되는 구간으로서 주로 p-PCB를 구성하고 있는 종이와 경화된 브롬화(Brominated) 페놀수지의 분해로 판단된다. 마지막 분해구간인 380℃ 이상에서는 비브롬화(Non-Brominated) 페놀수지의 분해 및 촤(Char) 형성 단계로 판단된다. p-PCB의 열분해는 브롬화 페놀수지의 생성으로 특성지울 수 있으며, 열분해를 통해 페놀수지의 추출 재활용 가능성을 시사하고 있다.
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2014.11
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국내 폐자원 에너지분야에서 큰 비중을 차지하는 가연성 폐기물 에너지화는 주로 소각 여열회수와 고형연료생산을 통해서 이루어지고 있다. 고형연료화시설은 가연성 폐기물을 적정 가공하여 장기간에 걸쳐 보관이 쉽고, 운송이 용이, 매립량을 줄이는 점 등에서 많은 장점을 가지고 있다. 그러나 고형연료화시설에서 최종 공정을 거친 잔재물이 발생, 매립되고 있어 이를 개선하기 위한 연구가 필요한 것으로 판단된다. 본 연구에서는 고형연료화시설의 설계, 운영시 효율적인 바이오매스 관리를 위하여 국내 고형연료화시설 2곳을 선정, 각 공정에서 처리되는 가연물과 유기물 그리고 잔재물을 대상으로 물리･화학적 성상분석을 통하여 가연물 및 유기물의 흐름을 파악하였다. 또한, 발열량과 유럽표준시험방법인 SDM의 상관관계를 비교･분석함으로써 각 공정별 시료의 바이오매스 특성을 분석하였다. 연구 결과 육안 선별과 SDM의 상관관계는 높은 것으로 나타났으나 발열량과 SDM을 비교하였을 때에는 상관관계의 경향이 일정하지 않았다. 이는 각 공정별로 처리되어 혼합되는 가연물 및 유기물이 바이오매스 조건에 충족될지라도 성상이 상이함에 따라 차이가 나타나는 것으로 사료된다. 향후 국내와 해외 고형연료화시설간의 프로세스를 분석한 고찰을 통하여 공정에 따른 바이오매스 관리 기준을 모색할 필요성이 있다. 본 연구 자료는 바이오매스 특성을 고려한 고형연료화 시설의 설계, 운영에 기초 자료로 활용될 수 있을 것이다.
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2014.11
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음식물류폐기물은 2011년 기준 13,429ton/day, 축산분뇨는 2011년 기준 135,653ton/day 발생하였다. 2013년 음식물류폐기물과 축산분뇨의 해양 배출이 전면 금지되었고 육상처리기술 대안 중 하나로서 혐기소화공정기술이 떠오르고 있다. 음식물류폐기물은 유분과 염분이 높고, pH는 낮으며, C/N비 및 COD는 높기 때문에 혐기소화 기간이 길고 처리효율이 낮아 어려움을 겪고 있다. 이에 본 연구에서는 음식물류폐기물의 혐기소화 효율을 높이기 위해서 음식물류폐기물과 축산분뇨의 병합처리를 모색하였고, BMP-test를 통하여 혐기소화 효율을 분석 하였다. 사용된 대상 시료의 TS, VS, CODcr, pH 등 기본성상 분석 결과와 문헌조사를 토대로 병합비율을 산정하여 약 30일간 BMP-test를 진행하였다. 그 결과 단일소화에 비해 병합소화에서 바이오가스 발생량(mL/gVS)이 높았고, 병합시료 속에 음식물류폐기물의 비율이 높을수록 초기 바이오가스 발생이 많았는데 이는 축산분뇨에 비해 가용성 유기물질 성분을 많이 포함하기 때문으로 사료된다. 병합소화에서 병합비율은 가장 중요한 인자 중 하나이나 음식물류폐기물과 축산분뇨의 성상은 지역별로 다르고 계절 및 년도에 따라서도 다르며, 발생량도 다르기 때문에 적절한 병합비율을 결정하기 위해서는 향후 음식물류폐기물과 축산분뇨의 병합처리 뿐만 아니라 유기성폐기물의 다양한 병합처리 연구가 필요하다고 사료된다. 본 연구는 혐기소화공정 설계 및 혐기소화 효율을 높이기 위한 기초자료로서 활용될 수 있을 것이다.
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2014.11
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전 세계적인 화석연료 사용의 증가로 인하여 기후변화, 대기오염과 같은 환경 문제와 자원 고갈로 인한 화석연료의 가격 상승과 같은 에너지안보 문제가 지속적으로 대두되고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 화석연료를 대체할 여러 가지 연구가 지속적으로 이루어지고 있으며, 특히 바이오 에너지가 중요한 대체 에너지 자원으로서 각광받고 있다. 바이오연료의 한 종류인 Cashew nuts shell liquid(CNSL)는 견과류의 일종인 캐슈넛(Cashew nuts)을 수확하고 버려지는 견과 껍질 부분에서 추출한 식물성 오일이다. CNSL은 높은 발열량과 인화점을 가지므로 산업용 보일러 설비에 중유와 혼합하여 사용이 가능하다. 하지만 장시간 보관 시에 외부 요인에 의한 산화가 쉽게 일어나며, 안정적인 사용을 위하여 산화를 방지하기 위한 전처리가 필요하다. 본 연구에서는 CNSL의 산화안정도를 향상시키기 위한 전처리 기술로서 산화방지제를 사용하였다. 산화방지제의 종류와 혼합 비율을 변수로 두어 산화방지 효율 및 특성을 연구 하였으며, 산화방지제는 Butylated hydroxytoluene(BHT), Tert-butyl hydroquinone(TBHQ), Pyrogallol(PY), Propyl gallate(PG)를 사용하였다. 가속산화실험을 통하여 CNSL의 장기간 보관으로 인한 산화 환경을 설정하였으며, CNSL의 전산가 측정 시험을 통하여 산화안정성을 평가하였다.
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2014.11
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국제적으로 지구온난화와 화석연류 고갈이라는 두 가지 이슈에 대한 관심이 증대되고 있다. 이에 따라 에너지원 다양화 및 대체 에너지 개발이 부각되면서 신･재생에너지에 관한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 우리나라는 2015년까지 총 1차 에너지원의 4.3%, 2020년까지 6.1%, 2030년까지 11.0%를 신･재생에너지 공급을 목표로 하는 국가에너지 기본계획을 수립하고, 이에 따른 기술의 개발 및 산업육성에 주력하고 있다. 기후변화에 관한 국제 연합 기본 협약(UNFCCC; The United Nations Framework Convention Change)의 발표에 의하면 우리나라는 세계 10위의 온실가스 배출국으로서 수년이내에 온실가스 감축의무대상국으로 지정될 것이다. 따라서 친환경 청정에너지 보급을 보다 적극적으로 시행해야 한다. 신･재생에너지로는 태양광, 풍력, 수소연류전지, IGCC(석탄가스화 복합발전), 바이오디젤 등이 있다. 이중 바이오디젤은 동･식물성 유지(대두유, 유채유, 폐식용유, 우지 등)를 이용하여 생산하지만 농지면적과 식량에 대한 윤리적인 문제가 대두되고 있다. 미세조류는 앞에서 언급한 문제가 없으며 신･재생에너지로써의 바이오디젤 뿐만 아니라 산업적으로 건강식품, 화장품, 물고기 먹이 등으로 이용되며 탄소고정이라는 환경적인 면에서도 매력적인 유기자원이다. 조류는 태양에너지를 이용하여 이산화탄소(CO2)와 물(H2O)을 합성하여 다양한 생성물을 형성하는 미생물로써 조류의 자기균체 중 지질은 중량 대비 60% 이상을 생산하며, 이는 바이오디젤을 만드는데 사용되고 있다. 본 연구에서는 담수성 조류인 클로렐라 종(Chlorella vulgaris)을 실험 균주로 선정하였으며, 배양액은 BBM배지에서 working volume 200 ml, 인큐베이터 내부온도 25℃(±1)에서 실험하였다. 미세조류 성장에 가장 큰 영향을 미치는 광원의 종류는 차세대 조명이라고 각광받는 LED를 이용하였다. 실험 제어 인자는 빛의 파장(Rad, Blue, White), 빛의 주기{(24:0), (16:8), (14:10), (12:12)}, CO2 주입량(2%, 5%, 10%)으로 균체성장속도와 최대균체농도를 향상시킬 수 있는 미세조류의 최적배양조건과 최대지질 생산조건을 도출하여 기타 바이오에너지 이용에 대한 기초자료를 제공하고자 한다.
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2014.11
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최근 주거지역 내에서 발생되는 음식물류 폐기물에 대한 관리 및 수거 시스템의 일환으로 가정용 오물분쇄기의 도입이 고려되고 있다. 이와 더불어 가정용 오물분쇄기를 통해 수거되는 음식물류 폐기물의 처리와 에너지화를 동시에 달성할 수 있는 혐기성 소화 공정이 관심을 받고 있다. 가정용 오물분쇄기를 이용하여 음식물류 폐기물을 수거하는 경우 세제의 주성분인 음이온 계면활성제가 잠재적으로 유입 또는 농축될 수 있다. 음이온 계면활성제인 LAS(Linear Alkylbenzene Sulfonate)는 ABS(Acrylonitrile Butadiene Styrene)의 대체 성분으로 생분해도가 높고 친환경적이라고 알려져 있으나 혐기성 상태에서 완전히 분해되지 않는다. 따라서 계면활성제 또는 계면활성제의 주성분인 LAS의 혐기성 메탄 생성에 대한 연구가 많은 연구자들에 의해 수행되었으며 일정 농도 이상에서는 메탄 생성에 저해를 주는 것으로 나타났다. 그러나 계면활성제 또는 LAS가 혐기성 수소 발효에 미치는 영향에 대한 연구는 거의 미미한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 일련의 회분식 실험을 통해 LAS가 혐기성 수소 발효에 미치는 영향을 평가하였다. 수정 Gompertz식을 이용한 비선형회귀분석 결과 LAS의 농도 증가에 따라 최대 수소 발생량은 선형적으로 증가하였으나 수소 발생율은 일정 농도 이상의 LAS가 투입되는 경우 점차 감소하는 결과를 보여 잠재적인 저해현상을 나타내었다.
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2014.11
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혐기소화공정은 유기물을 안정화시키고 부산물로 메탄을 회수할 수 있으며, 후속처리공정의 부하를 감소시키는 친환경적인 방법으로 알려져 있다. 하지만 고농도 유기물의 경우 난분해성으로 인해 혐기소화 시 소화기간이 길어지고 메탄생성효율 또한 감소하는 것으로 알려져 있다. 이를 해결하기 위해 현재까지 연구된 방법들은 열처리, 효소첨가처리, 화학적처리, 기계적처리, 오존처리, 마이크로파처리, 초음파처리 등이 있으며, 이 중 초음파처리는 유기물을 더욱 효과적으로 가용화시키고 소화공정효율 향상을 가능케 하는 방법으로 최근 이에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 따라서 본 연구에서는 음식물류폐기물과 가축분뇨의 가용화효율을 높이기 위해 주파수 20kHz, 최대출력 400W, 유효용적 10L의 초음파처리 장치를 제작하여 조사밀도와 조사시간에 따른 시료의 특성변화를 관찰하였다. 그 결과 용해성 유기물질을 나타내는 SCOD 값과 SCOD/TCOD 값이 증가하였고, 이에 따른 가용화효율 또한 증가하였다. 이에 따라 초음파처리가 소화기간 단축을 위한 혐기소화공정의 전처리로 이용가능하다는 결론을 얻었으며, 향후 Lab-scale 규모의 연구를 진행 한다면 보다 효과적인 소화조 운영이 가능할 것으로 사료된다.
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2014.11
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지난 수십년간 미세조류 바이오매스를 활용하기 위한 여러 가지 시도들이 있었다. 대표적인 사례로 식품첨가제, 건강보조식품 원료, 바이오 디젤, 바이오 메탄 생산 등에 이용되어 왔으며 적용 분야가 광범위한 것이 미세조류의 특징이라고 할 수 있다. 그 중 혐기성 소화공정은 미세조류를 기질로 이용하여 메탄가스를 생성함으로써 미세조류 내에 고정된 에너지를 회수할 수 있다. 하지만 혐기성 소화는 긴 체류시간이 요구되는 단점이 있으며, 대부분의 경우 가수분해 반응이 전체 과정 중에서 율속 단계인 것으로 알려져 왔다. 이에 따라 가수분해속도를 증가시키기 위한 전처리 방법에 대한 많은 연구가 진행되고 있다. 본 연구에서는 미세조류(microalgae)를 혐기소화공정에 적용하고자 할 때, 혐기성 소화 효율을 높이기 위한 전처리 방법으로 열수처리공정을 이용하였으며, 이를 확인하기 위해 메탄 잠재량 분석방법(BMP; Biochemical Methane Potential)을 수행하여 바이오가스 생산량 비교와 메탄 생산량 등을 분석하였다. 또한 전처리에 의한 고형물 감량 효과를 측정하기 위하여 휘발성 고형물 감량율(VSR; Volatile solid reduction)을 분석하였으며 탈수성을 평가하기 위해 CST(Capillary Suction Time)를 측정하였다. BMP test 결과 열수처리 온도 280℃에서 전처리한 미세조류의 가스 발생량이 전처리 하지 않은 미세조류의 가스 발생량에 비하여 약 2배 가량 증가한 240mL-biogas/g-VS으로 가장 높은 바이오가스 발생량을 보였으며 전처리에 따른 탈수성의 변화는 뚜렷한 차이를 확인할 수 없었다.
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2014.11
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2013년 폐기물 해양배출 금지로 인하여 음폐수 육상처리가 의무화되었으며, 그로 인하여 음폐수 육상처리방안에 대한 새로운 방안들이 제시되고 있다. 음폐수와 같은 고농도의 폐수는 많은 유기물을 함유하고 있기 때문에, 이러한 유기물로부터 에너지를 회수하는 방안들이 연구되고 있으며, 그중 하나가 미생물 에너지 전환기술이다. 미생물연료전지는 혐기성 조건에서 미생물을 이용하여 유기물질을 에너지발생원으로 이용하여 전기를 생산한다. 따라서, 화학에너지를 전기에너지로 변화시키므로 별도의 오염물질을 발생시키지 않아 친환경 에너지 전환기술로 주목 받고 있다. 본 연구에서는 Single Chamber인 미생물연료전지를 이용하여 음폐수 초기 pH 및 기질교체율에 따른 미생물 연료전지의 성능에 대해 알아보기 위하여 실험을 진행하였다. 대상폐수는 수도권매립지관리공사 내 음폐수처리장 혐기성소화조 처리수(pH 7.56, SCODcr 956 mg/L)를 사용하였다. 산화전극과 환원적극으로 각각 Graphite felt, Carbon cloth를 사용하였으며, 분리막은 Ceramic막을 사용하였고, 외부저항 1,000Ω, 운전온도 35℃이었다. 실험은 초기 pH를 5~9로 설정하여 batch로 진행하였으며, 그 결과 중성 조건 즉, pH 6, 7에서 전력발생량이 가장 안정적으로 발생되는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 기질교체율을 1%, 2%, 4%, 6%, 8%, 10%의 경우로했을 경우, 10%일 때 기질교체시 충격부하에 의해 미생물연료전지의 성능이 저하되는 것을 알 수 있었다. 이를 바탕으로, 기질교체율을 충격부하의 영향을 받지 않는 1%, 2%, 4%, 6%, 8%로 설정하였고 초기 pH를 6~7로 조절하여 각 pH 별 기질교체율에 따른 미생물연료전지의 전력발생량을 비교하였다. 실험은 매일 같은 시간 기질을 교체하는 Fed-batch로 진행하였다. 음폐수 초기 pH 및 기질교체율에 따른 미생물연료전지의 성능을 비교한 결과, pH 6일 경우 기질교체율 1%, 2%, 4%, 6%, 8%에서 평균 0.552 V ~ 0.605 V의 범위를 보였으며, 최대값은 기질교체율 6%에서 나타났다. 또한 pH 7, 기질교체율 1%, 2%, 4%, 6%, 8%에서 전력발생량은 평균 0.486 V ~ 0.569 V의 범위이었으며 pH 6의 경우와 마찬가지로 기질교체율 6%에서 최대값을 나타내었다.
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2014.11
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혐기성소화조에서 발생하는 바이오가스를 도시가스로 사용하기 위해서는 바이오가스 중에 이산화탄소의 제거를 통해 메탄농도를 97% 이상으로 정제해야 한다. 바이오가스 정제기술로는 흡수법, 흡착법, 막분리법이 적용되고 있다. 본 연구에서는 바이오가스 정제기술 중 바이오메탄의 메탄농도와 메탄회수율이 높고 에너지소비율이 낮은 아민을 이용한 흡수법을 적용한 바이오가스 정제기술의 성능을 평가하였다. 아민을 이용한 흡수법의 바이오가스 정제성능을 평가하기 위해 공정모사를 통해 설계인자를 도출하고, 도출된 설계인자를 반영하여 1 Nm³/hr 바이오가스를 처리할 수 있는 Bench scale 아민흡수장치를 혐기성소화조에 설치하여 성능을 평가하였다. 1 Nm³/hr의 바이오가스를 처리한 결과 메탄농도가 98% 이상인 바이오메탄을 생산하였으며, 이때의 메탄회수율을 99% 이상이었다.
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2014.11
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경제성장과 급격한 산업화는 생활수준을 향상시켰으며 인구증가와 맞물려 세계적으로 물 사용량을 증가시켰고 결과적으로 하수슬러지의 발생량을 증가 시켰다. 국내의 하수도보급률을 85%를 상회하며 이로 인해 발생되는 하수슬러지의 양은 2006년 2,717,790 톤/년에서 2013년 말 기준으로 3,995,290 톤/년으로 3배가량 증가하였으며 하수슬러지의 양은 지속적으로 증가할 것으로 예상된다. 하수슬러지를 처리하기 위해 선진국에서는 육상 처리를 전제로 여러 가지 처리 기술들을 개발하고 있으며 국내에서도 여러 가지의 처리 방법이 연구되고 있는 상황이다. 하수슬러지를 처리하는 방법으로는 매립과 해양투기 이외에 소각, 용융, 탄화, 퇴비화, 시멘트 자원화 등의 여러 기술 등이 있다. 하지만 기술적, 경제적인 이유로 국내에서는 쉽게 적용되지 못하고 있는 실정이다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 환경부에서는 공공하수처리장의 혐기성 소화조 효율을 향상시킴으로서 하수슬러지의 감량화를 통한 바이오가스의 생산량 증대를 위한 다양한 전처리 기술들이 연구되고 있다. 혐기성 소화단계는 가수분해, 산생성, 초산생성, 메탄생성 단계로 구분되어 있으며 이 중 가수분해 단계는 혐기성 소화의 율속 단계로서 혐기성 소화 전체 과정의 소화효율과 속도를 조절한다. 따라서 본 연구에서는 공기주입과 영가철(ZVI)을 이용한 산화 반응을 이용하여 하수슬러지속 세포벽을 파괴시켜 세포내의 각종 유기물을 용출시킨 후 가수분해 단계 촉진을 위한 가용화를 이용한 전처리 공정을 적용하고자 한다. 실험방법으로 슬러지 1kg 당 0.015 L/hr의 사전 공기 주입 후 0.1%, 0.5%, 1%, 1.5%, 2%, 3%의 영가철(ZVI)을 투입하여 전처리를 실시한다. 전처리 실시 후 실험결과 가용화율은 영가철(ZVI) 1.5% 투입시에 85%까지 상승하였으며 2% 투입 이후 부터는 더는 증가하지 않았다. 이를 통하여 산소주입과 영가철(ZVI)을 이용한 전처리가 하수슬러지의 가용화에 효과가 있는 것으로 나타났으며, 최종적으로 바이오가스 생산량 증가에 효과가 있을 것으로 판단된다. 향후 추가실험을 통해 하수슬러지의 오염부하의 저감 가능성을 평가하고 공기주입과 영가철(ZVI)을 이용한 전처리가 바이오가스 생성에 방해가 되는 H2S의 생성 억제에 미치는 영향에 대하여 연구하고자 한다.
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2014.11
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인산질 비료는 인광석(Ca3(PO4)2)에 물(H2O)과 황산(H2SO4)을 처리하여 생산하고 있으나, 이와 같은 과정에서 형성된 인산･석고 혼합물은 분리･여과과정을 거쳐 인산과 석고로 분리가 되고, 이때 분리･여과에 사용된 필터를 세척하는 과정에서 발생되는 침전물인 인산슬러지 성분은 칼슘(CaO) 14.6±1%, 인(P2O5) 8.0±1%, 미량 요소로 칼륨(K), 마그네슘(Mg), 황(S)등을 포함하고 있어 비료 성분으로써 활용가치 높다. 하지만 수분(H2O)이 60±5%으로 수분 함유량이 높아 제품 생산 원료 투입이 힘든 실정이다. 인산슬러지를 건조하기에는 비용이 많이 들며, 건조 후에는 분말이라 비료시비에 불편함이 따른다. 인산슬러지(60%)에 비료로서 사용가능한 Dolomite계 폐내화물(부산고토비료, 23%), 40%인산액(17%)과 배합하여 발열 반응을 일으켜 수분을 제거하면서 원형으로 입상화하여 건조하였다. 성분 분석 및 작물 재배시험을 통하여 확인 및 비료로서 사용여부를 확인 하였다. 성분은 수분측정기(105℃, 2H) 및 ICP-OES를 이용하여 비료공정시험법으로 분석한 결과로 수분(H2O) 9.54%, 마그네슘(MgO) 11.51%, 인(P2O5) 17.01%, 캄슘(CaO) 12%로 나왔다. 유해성분은 비료공정시험법과 폐기물공정시험법으로 분석하였고, 납(Pb), 구리(Cu), 비소(As), 시안(CN-), 6가크롬(Cr-6), 카드뮴(Cd), 수은(Hg) 등은 불검출 구리(Cu)는 기준치 이하 나왔으며, 크롬(Cr), 니켈(Ni), 티탄(Ti)은 비료공정규격에 나와 있는 유해성분 기준 이하로 나타났다. 작물효과시험에서는 대조구와 시험구를 비교시 엽장, 엽폭, 생체중, 엽수 등과 같이 모든 항목에서 비슷한 생육결과를 보였다.
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2014.11
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일반적으로, 플라스틱은 자연생태계 내에서 생분해되지 않고 오랫동안 형태를 유지하는 특성이 있다. 그래서 사용 후 버려지는 플라스틱의 재활용에 대한 많은 연구가 진행되고 있으며, 이에 따라 농업용 비닐하우스, 음료수 병등은 각각의 성분별로 분리 배출하거나 수거하여 재사용이 비교적 용이한 편이어서 재사용에 대한 많은 연구가 진행되어 현재에는 상용화 되고 있는 기술이다. 하지만 2성분 이상 혼합된 복합 플라스틱의 재활용 기술은 아직까지 많이 개발되고 있지 못하고 있다. 예를 들면, 2성분 이상의 복합 플라스틱의 재활용 방법으로 각각의 수지를 종류별로 분리하여 재사용하거나 2성분 외에 다른 제3의 플라스틱 수지를 첨가하여 재사용하는 방법이 있다. 이러한 경우, 제3의 성분이 기존 플라스틱의 물리화학적 물성에 영향을 미치고 또한 재활용에 따르는 원료의 가격 상승요인으로 작용하여 재활용의 경제적 효과가 반감되는 경우가 있다. 따라서 이러한 복합성분으로 구성된 플라스틱 폐기물들은 주로 매립 또는 소각하는 방법으로 처리되고 있는 실정이다. 섬유연사기는 폴리에스테르 필라멘트 섬유의 합사공정에 적용되는 기계로 기계부품 중에서 가장 중요한 드럼 부분은 TPU/ABS 복합수지로 제조된 원통 형태의 플라스틱 사출성형 제품이다. 연사기 드럼은 평균적으로 2 ~ 3년 주기로 교체되는데, 이때 발생되는 연사기의 드럼은 전량 소각하거나 폐기 처분하고 있어 자원의 낭비가 막대하기 때문에 본 연구에서는 주기적으로 교체되어 버려지는 TPU/ABS 수지로 구성된 실린더 드럼을 재사용하는 기술을 연구하였다. 위와 같이, 섬유연사기 드럼은 장기간 사용으로 인해 표면에 이물질 등이 부착되어 세척공정이 필요하고 이때 효과적인 세정작업을 수행하기 위해 적절한 세정제 및 기계적인 공정이 요구된다. 특히 섬유연사기 드럼은 실린더 형태로 내부가 비어있는 원통 형태로 일반적인 세척공정에서는 쉽게 오염물질의 제거가 곤란하다. 이로 인하여 본 연구에서는 실린더 드럼을 세척하는 공정에서 좀 더 효과적으로 이물질을 제거하기 위해 상하 좌우에서 노즐을 통해 물을 분사하는 장치를 적용하였다. 그리고 세척공정에서 거품과 오염물질의 재부착을 방지할 수 있는 특수 계면활성제를 적용하였으며, 세척 후 건조한 드럼은 분쇄공정을 거쳐 입자크기를 1 ~ 5mm로 분쇄하였다. 이렇게 절단된 수지는 냉각장치 및 가열장치가 동시에 부착된 용융압출기를 사용하여 복합수지로 가공되며, 특히 TPU/ABS 복합수지는 2가지 성분의 고분자수지가 열적 물리적 특성이 상이하여 일반적인 압출방법으로 재활용하는 것이 현재까지 불가능하였다. 그러나 본 연구에서는 수지 복합체의 조성을 최적의 상태로 조절함과 아울러, 압출기의 용융온도 및 냉각온도를 조정하여 복합수지의 용융압출이 가능한 방법을 개발하였다. 복합수지의 상용성을 확인하기위해 시차주사열분석(DSC)를 사용하여 열적 특성을 분석하였고 표면 형상은 시차주사현미경(SEM)을 통해 분석 실시하였다. 열적 표면형상 특성에서 우수한 상용성을 확인하였으며 이성분 플라스틱의 혼화성을 물리적 특성을 실험을 통해서 확인한 결과 우수한 기계적 특성을 보이는 것을 확인하였다. 최종 복합수지의 물리적 특성은 충격강도 25 ~ 35Kg cm/cm, 유동성 30 ~ 40g/10min, 인장강도 350 ~ 450 Kg/cm², 신장율 40 ~ 60%를 갖는다. 따라서 현재 사용 중인 ABS수지를 대체할 수 있는 복합수지로 개발 하였으며 버려지거나 소각처리되는 자원순환 네트워크 구축이 가능할 것으로 사료된다.
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2014.11
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최근 휴대전화와 노트북 PC등 휴대전자기기의 보급과 함께 이온전지의 수요가 해마다 늘어나고 있고, 특히 개인용 휴대장비의 발달과 함께 동력원으로 사용되고 있는 이온전지의 기술이 빠르게 발전하여 왔다. 현재 국내에서 상용되고 있는 리튬이온전지(Lithium Ion Battery)는 거의 대부분 사용 후 폐기되고 있는 실정이며, 대기업 중심의 소형 리튬이온전지 양산에 주력해 현재 세계 2위 수준으로 성장하였지만, 여전히 소재와 부품은 상당 부분 수입에 의존하고 있어 상대적으로 산업기반이 취약한 실정이다. 국내에서도 폐전지 재활용을 통하여 전략 광물인 코발트(Co), 망간, 아연, 니켈 등을 국내에서 원료로 확보 가능하며, 폐전지로 인한 환경오염문제를 해결함으로써 전지 산업의 활성화와 더불어 국내 제조 산업의 경쟁력을 향상할 필요성이 대두되고 있다. 이에 본 연구에서는 폐리튬이온전지로부터 코발트(Co)회수 기술개발 및 회수효율 향상을 위하여 공정장비를 제작/최적화 하고, 물리적 처리공정 기술개발을 통한 회수율 향상 및 화학적 처리공정을 통한 최적의 코발트 추출 기술을 도출하였다. 또한 이러한 추출된 코발트(Co)를 이용한 재생 Battery를 제작, 리튬이온전지 평가(Full cell&Coin Cell) 및 인증기관평가(KOLAS)를 통한 검증 과정도 진행하였다. 그 결과 폐이온전지의 물리적 파쇄 공정 기술 및 파쇄기 제작, 추출/회수를 위한 최적의 화학적 처리공정 확립, 폐코발트를 활용한 리튬이온전지 제조기술을 확보하였다. 현재 첨단 소재산업 및 녹색 성장 소재산업에서 희유금속의 수요가 급증할 것으로 예상되며, 이러한 연구개발을 통하여 경제적 효과는 물론, 원료 확보도 가능할 것으로 기대된다.
