한국막학회 학술발표회

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2016년도 추계 총회 및 학술발표회 (2016년 11월) 131


2016.11 구독 인증기관·개인회원 무료
Facilitated transport membranes in the solid state have been attractive because they can improve both the permeability and the selectivity simultaneously to overcome the trade-off behavior. The carrier activity for facilitated transport plays a key role in determining separation performance. We have reported the solid-state facilitated transport membranes containing surface-activated Ag nanoparticles (NPs) as an olefin carrier for separation of olefin/paraffin mixtures, particularly propylene/propane mixture. Interestingly, the surface positive charge density of Ag atom in Ag NPs was linearly correlated with the propylene solubility and also with the propylene/propane selectivity. In addition, the separation performance has been maintained unchanged up to 500 hours.

신에너지 환경기술 1MA-1

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접촉막은 기존 흡수 공정과 분리막의 장점을 결합한 하이브리드 공정으로써, 고효율-저에너지 공정으로 주목받고 있다. 접촉막에 사용되는 분리막은 물질전달 저항을 최소화하기 위하여 높은 소수성과 기공도가 확보되어야하며, 화학 흡수제에 대한 내성이 필요하다. 따라서, 본 연구에서는 화학적, 열적 안정성이 뛰어난 세라믹 소재의 중공사막 제조하고, 소수성으로 개질하여 모듈화하였다. 또한, 세라믹 중공사막 모듈을 이용하여 CO2 흡수 성능을 평가하고 분석하였다.

신에너지 환경기술 1MA-2

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Sulfonated poly(arylene ether sulfone) copolymers are prepared by an aromatic substitution polymerization reaction as polymer electrolyte membranes for polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFCs). Thin, ductile films are fabricated by the solution casting method, which resulted in membranes with a thickness of approximately 50μm. The synthesized copolymers and membranes are characterized by 1H NMR, FT-IR, TGA, ion exchange capacity, water uptake and proton conductivity measurements. The prepared membranes are tested in a 9 cm2 commercial single cell at 80 ℃ and 120 ℃ in humidified H2/air under different relative humidity conditions. The prepared membrane is found to perform better than the commercial Nafion 112 membrane at 120℃ under low humidity condition.

신에너지 환경기술 1MA-3

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Salined water electrolysis is an electrochemical reaction to produce chlorine gas and sodium hydroxide as major products from salined water. Perfluorinated sulfonic acid (PFSA) ionomers and their derivatives have been usually used as polymeric electrolytes with high sodium ion selectivity and barrier property to chlorine and hydrogen gases. In spite of their industrial importance, there is little information on the relationship of their chemical features and electrochemical performances. In this study, membrane requirements for salined water electrolysis are described and fundamental and electrochemical characteristics of PFSA and hydrocarbon ionomer materials are compared each other. The obtained results are expected to provide membrane material design factors for low energy-consuming salined water electrolysis.

신에너지 환경기술 1MA-4

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최근 해수와 담수의 염분농도차를 이용하여 발전하는 역전기투석(Reverse Electrodialysis; RED)은 잠재량이 크고 지속적 전력생산이 가능한 친환경적이며 미래지향적 신재생에너지로 인식되어 연구가 활발히 진행되고 있다. 염분차발전은 무한 청정의 바닷물을 이용하는 기술로, 발전 과정에서 이산화탄소, 방사성 물질, 오염 폐수가 거의 발생되지 않는 친환경 미래 블루에너지 기술이다. RED 기술의 상용화를 위해서는 최적화된 소재, 스택 설계 및 공정기술의 개발이 필요하다. 특히 스택의 대용량화 및 막 성능 향상 등 시스템 효율과 관련된 원천 기술의 확보가 필수적이다. KIER에서는 kW급 염분차발전 기술과 전용막 개발을 수행 중에 있으며, 최근 발전성능에서 세계 최고수준의 2.4 W/m2를 얻었다.

가정용 정수기술 및 오염물질과 인증 동향 1MB-1

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물은 신체의 대부분을 구성하고 있는 기본 물질로서 생명유지의 필수 요소이다. 특히 WHO에서는 인류 건강유지의 1등 공신으로 깨끗한 물공급을 꼽고 있다. 우리나라는 산업화, 도심화를 통해 신규오염물질 발생이 증가하고 있으며 특히 먹는물의 경우 중금속 및 소독부산물 중심의 관리에서 난연제, 코팅제, 의 약물질 등 신규오염물질 관리에 주력하고 있다. 우리나라 먹는물 수질기준은 1963년 최초 도입된 이래 1984년, 1986년 개정 강화되었으며, 1995년 먹는물 관리법이 제정되었고 1997년 감시항목이 설정되 어 기준과 감시의 2원화된 관리체계가 유지되고 있다. 먹는물 수질기준은 외국 사례 도입방식에서 체계적 장기 모니터링을 통한 위해도 평가를 수행하여 기준을 강화하고 있으며 현재 60개 항목으로 확대 강화되었다.

가정용 정수기술 및 오염물질과 인증 동향 1MB-2

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NSF developed NSF p477, which covers POU active media systems. Exact types and quantities of cyanotoxins vary. In 2015 USEPA set recommended health advisories for microcystins in drinking water at or below 0.3 μg/L for children less than 6 years old, and at or below 1.6 μg/L for older children and adults. NSF developed and characterized a natural source for microcystin compounds to be used as a contaminant challenge for the POU active media systems being tested. Analytical methodologies were refined to reliably identify and quantify microcystin at levels in the sub part per billion range. Laboratory column studies using various activated carbons were conducted to determine the relative retention of various microcystin congeners, to assess the appropriateness of various congeners for testing purposes.

가정용 정수기술 및 오염물질과 인증 동향 1MB-3

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The biocidal activity of Cu(II) is greatly enhanced by the addition of H2O2 or hydroxylamine (HA), which accelerates the production of cytotoxic Cu(I) and generates a reactive oxidant (cupryl ion, Cu(III)) capable of exerting oxidative cell damages. The bimetallic Fe-Cu nanoparticles also exhibit excellent biocidal activity in the similar biocidal mechanism. These copper-based hybrid disinfection systems were assessed for their potential to inactivate surrogate bacteria and viruses. In addition, combinations of Cu(II) with HA and H2O2 (i.e., Cu(II)/HA, Cu(II)/H2O2, and Cu(II)/HA/H2O2 systems) were tested for the control of bacterial biofilms on reverse osmosis (RO) membranes. The detailed mechanisms for the cell inactivation by different copper-based disinfection systems were discussed.

가정용 정수기술 및 오염물질과 인증 동향 1MB-4

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역삼투막 기술은 이온을 효과적으로 제거할 수 있어 다양한 분야에 널리 활용되고 있으며, 가정용 정수기에도 사용되고 있다. 그러나 역삼투막 기술은 투과율과 회수율이 낮은 단점이 있다. 소형 가전제품에 적용하기 위해서는 이러한 단점들을 극복하는 것이 필요하다. 이를 극복할 수 있는 대체 기술의 하나로 전 기탈이온 방식을 들 수 있다. 전기탈이온 방식은 역삼투막과 중공사막의 장점을 결합한 것으로 이온교환 및 전극 소재에 전기를 걸어 높은 제거율과 풍부한 유량을 구현하는 기술이다. 또한, 전기적인 힘을 조절해 역삼투막급(순정수)와 미네랄을 함유한(청정수)를 생성할 수 있다. 본 발표에서는 전기탈이온 기술 개발 동향에 대해서 소개하고 소형 가전제품에 적용하기 위한 응용 연구사례를 소개하고자 한다.

차세대 에너지발생 및 저장장치용 고분자전해질막 2MA-1

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The asymmetric porous polybenzimidazole membranes were prepared to increase the doping level of phosphoric acid to increase ionic conductivity, to block the fuel/oxidant gas permeation to keep open circuit potential and to maintain chemical and mechanical stability to have good durability for proton exchange membrane fuel cells. The poly(benzimidazole) was synthesized and the asymmetric porous membranes were prepared by pore forming agents and proprietary film formation technology. As a result, it showed higher ionic conductivity, low gas permeability and similar chemical and mechanical stability.

차세대 에너지발생 및 저장장치용 고분자전해질막 2MA-2

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Novel sulfonated poly(arylene ether sulfone)s multi-block copolymer membranes containing highly sulfonated hydrophilic blocks were synthesized. Different local concentration of sulfonic acid in their hydrophilic blocks affected chemical and physical properties of the SPAES. To investigate the effects of chemical composition on their membrane properties, different hydrophilic oligomers sharing same hydrophobic blocks gave us exact comparison of effect of hydrophilic blocks. The higher concentration of sulfonic acid groups resulted in higher proton conductivity under certain relative humidity conditions than that of the state-of-the-art perfluorinated sulfonic acid membrane and showed that the well-developed phase separation of SPAES.

차세대 에너지발생 및 저장장치용 고분자전해질막 2MA-3

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Ionomers are polymeric materials containing fixed charged ions (e.g., – SO3 -) to transport their counter ions (e.g., H+, Li+, Na+ and so on) selectively and have been widely used as key components for membrane and unit cell formation targeted for renewable energy generation (e.g., polymer electrolyte membrane fuel cells(PEMFC), redox flow batteries, and reverse electrodialyses) and valued chemical production (e.g., water and brine electrolysis). There are advantages such as high processability, easy solvent evaporation, and chemical inertness, when the ionomers are in the dissolved or dispersed states in water-alcohol mixtures to be applied for these applications. Unfortunately, it is difficult to make homogeneous solution or dispersion using the ionomers with hydrophilic levels undissolved in water. In this study, water-alcohol nanodipsersion with perfluorinated or hydrocarbon sulfonic acid ionomers are fabricated and their feasibilities as PEMFC and electrolysis materials are evaluated.

차세대 에너지발생 및 저장장치용 고분자전해질막 2MA-4

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The water uptake, ionic conductivity, vanadium (VO2+) permeability and stability of polysulfone (PSF) based AEMs in alkaline media and in strongly oxidizing solutions were assessed. The highest ion conductivity was obtained with PSF-trimethylammonium (TMA)+. PSF-TMA+ also had better alkaline stability in comparison to PSF-AEM with different bases. PSF-TMA+ was demonstrated to show fuel cell performance. PSF-TMA+ demonstrated a 40-fold reduction in vanadium (VO2+) permeability when compared to Nafion® membrane. Comprehensive 2D NMR studies verified that PSF-TMA+ remained chemically stable even after exposure to a 1.5 M vanadium(V) solution for 90 days. Excellent energy efficiencies (85%) were attained and sustained over several charge–discharge cycles for a vanadium redox flow battery prepared using the PSF-TMA+ separator.

차세대 에너지발생 및 저장장치용 고분자전해질막 2MA-5

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Recently, there has also been much attention towards ion-exchange membranes (IEMs) for the applications in the energy generation and storage systems such as reverse electrodialysis (RED) and redox flow batteries (RFBs). IEMs are one of the key components dominating the overall performances of both the RED and RFB processes. Low ion transport resistance through membrane, excellent chemical and mechanical stability, high permselectivity, and low cross-over rate of undesirable components are required for the successful applications of the IEMs in the processes. In this work, we have prepared high performance pore-filled IEMs for successful RED and RFB applications. (this work was supported by the project, No. 10047796)

혐기성 MBR 수처리공정 2MC-1

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납석광물(Al2Si4O10(OH)2)은 알루미나, 실리카 등으로 조성된 비금속광물로 국내 매장량이 풍부하고 매장상태가 양호하여 산업원료소재로서 가치가 높다. 비금속광물 중 전라남도 A 광산에서 생산되는 납석은 세계 납석가격의 표준이 될 정도로 높은 품질을 보유하고 있으나, 분체기술력의 부족으로 원료만 수출하고 있는 실정이다. 본 연구에서는 납석 세라믹 분리막 지지체 표면에 알루미나 코팅액을 사용하여 0.3μm의 기공크기를 가진 세라믹 분리막을 개발하였다. 또한, 혐기성 분리막 생물반응조 운전을 통해 세라믹 분리막의 여과 성능을 평가하였으며, 바이오 메탄가스 발생량 측정과 체류시간 변화에 따른 슬러지의 물리화학적 특성변화 조사를 통해 분리막 파울링의 원인을 규명하고자 하였다.

혐기성 MBR 수처리공정 2MC-2

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혐기성 MBR은 에너지 소비가 높은 기존 호기성 처리를 대체할 수 있는 에너지 중립형 기술로서 최근 하폐수 처리의 차세대 기술로 주목받고 있다. 혐기성 MBR은 다양한 장점을 가지고 있지만, 분리막 파울링은 해결해야하는 과제이다. 따라서 본 연구에서는 막 파울링 억제를 위하여 섬유볼 미디어와 회전판을 이 용하여 혐기성 MBR의 막 파울링을 제어하였다. 혐기성 MBR을 이용하여 저농 도의 유기물 부하 조건에서 안정적인 처리수질을 보였으며, 유기물 부하가 높을 수록 높은 메탄가스 생산량을 보였다. 이를 토대로 혐기성 MBR의 적용에 효율적일 것으로 보이는 고농도 폐수의 처리 가능성 확인하기 위하여 음폐수를 대상으로 혐기성 MBR의 처리 특성을 살펴보고 고효율 혐기성 MBR 기술의 에너지 자립의 가능성을 평가하였다.

혐기성 MBR 수처리공정 2MC-3

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기존의 혐기성 MBR 기술의 파울링 제어방식은 높은 에너지가 요구되어 저에너지 파울링 감소기술의 개발이 필요하다. 혐기성 유동상 MBR 기술은 혐기성 유동상 생물학적 반응기와 침지식 멤브레인 기술이 조합된 기술로서 에너지원인 바이오가스의 파울링 제어를 위한 사용 없이 반응기 내부 벌크용액의 순환 하에 유동메디아를 유동시켜 파울링을 감소시키는 기술이다. 본 연구에서는 혐기성 유동상 MBR 기술의 최적화를 위해 유동메디아 기계세정의 이해와 에너지 저감방안에 대한 연구들과 향후 연구방향을 제시하고자 한다.

혐기성 MBR 수처리공정 2MC-4

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혐기성 Membrane Bioreactor 공정은 기존 단점을 보완하고 고-액을 효과적으로 분리시켜 혐기슬러지를 소화조로 재순환시켜 미생물 체류시간을 연장시킬 뿐만 아니라 슬러지 멤브레인 폐쇄공정 속에서 취급되기 때문에 악취발생도 최소화되는 장점이 있다. 본 연구에 적용된 UF 여과막 결합 혐기소화공정에서 사용된 음폐수 유입 pH는 4.12, TS 12%이었다. UF 여과 분리막은 운전 335일 이후부터 가동시켰으며, flux는 15~20 LMH, TMP는 1~3 kgf/㎠(In-Out), 교차여 과속도는 1~3 m/sec로 운전하였다. 유입수의 TCOD와 SCOD의 는 각각 113 ± 29, 62 ± 8 g/L로 변화될 때, 유출수의 TCOD, SCOD는 각각 25 ± 6, 12 ± 3 g/L이었다.

혐기성 MBR 수처리공정 2MC-5

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현재, 하수처리분야에서 MBR 공정은 대부분 침지식 분리막에 의존하고 있다. 하지만, 실제 적용현장에서는 유지관리 및 막오염 제어의 어려움 그리고 낮은 처리 flux로 인해 대안이 필요한 실정이다. 본 연구에서는 이러한 침지식 MBR의 문제점을 보완하고자 가압식 분리막을 이용한 85m3/일 규모의 MBR 공정을 구성하여 운전 특성을 고찰하였다. 슬러지 원천감량 기술을 결합한 가압식 MBR공정은 분리막 내부로 MLSS와 공기를 동시에 주입함으로써 40~50 LMH의 높은 여과 성능을 나타냈을 뿐 아니라 약 60%의 잉여슬러지 감량효과도 보여 주었다.

정수처리용 막여과 및 막증발 기술 2MB-1

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기후 변화 및 상수원 오염 등으로 원수 내 조류 증식의 빈도가 높아짐에 따라 모래여과와 마찬가지로 막여과 정수처리 공정 운영에서도 문제를 유발할 수 있기 때문에 이에 대한 기술적 대응 방안이 수립되어야 한다. 특히 우리나라와 같이 계절적 구분이 뚜렷한 지역에서 조류는 수온에 따라 우점하는 조류의 종이 변화하여, 외형 적 형태 및 성상이 종별로 다른 조류의 특성을 감안한 대처 방안이 검토되어야 한 다. 본 연구는 낙동강 수계를 원수로 하는 500m3/d 규모의 파일럿 플랜트를 이용하여 계절별로 상이하게 유입되는 조류의 분류에 따라 겨울철 저수온 시기에 규조류가 번성할 경우 염기 역세정 방법을 적용하고, 여름철 시기에 남조류가 번성할 경우에는 분말활성탄으로 처리하는 조류 대응 막여과 운전 방법과 전처리 공정에 대해 검토하였다.
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