석탄은 탄화정도에 따라 고품질의 무연탄 및 역청탄(Hard coal)과 아역청탄과 갈탄(Brown coal)으로 크게 분류한다. 무연탄은 고정탄소 함량(85~95%)과 발열량이 높고 수분함량이 낮아 화력발전소 및 연탄 재료로 활용된다. 하지만 저품위 석탄은 발열량이 4,000~6,000kcal/kg으로 낮고, 수분 함량이 30~70%로 높으며, 산소 관능기가 함유된 탄화수소가 높으므로 자연발화 위험성이 높은 등 많은 단점들 때문에 전체 석탄매장량 중 약 절반가량(45%)이나 되지만 상당량이 채굴되지 않고 남아있다(2007, 세계에너지 위원회). 본 연구에서는 풍부한 매장량을 가진 갈탄 등의 고 수분 저급석탄으로부터 바이오메탄을 생산하고자 생물학적 분해효율을 증가시키기 위하여 펜톤산화 및 고전압펄스(High voltage electrical pulses) 전처리를 수행하였다. 실험을 위하여 호주산 갈탄, 캐나다산 갈탄, 러시아산 이탄을 이용하였으며, 펜톤산화 전처리는 석탄을 1mm이하의 입자로 분쇄하여 H2O2/Fe2+비를 75%, 30, 15, 10, 7.5%로 주입하여 120rpm에서 Jar-Tester로 1시간 반응시켰다. 고전압전기충격 전처리는 펜톤산화 전처리실험 조건과 동일하게 시료를 준비하여 고전압 펄스장치를 이용하여 출력전압 40kV에서 15분간 처리하였다. 전처리를 끝낸 시료는 용액의 SCOD와 석탄의 처리 전, 후의 표면분석과 화학조성 변화를 관찰하기 위하여 적외선 흡수 스펙트럼분석(FT-IR)을 수행하였다. 펜톤산화 처리 후 용액의 SCOD농도변화와 SEM촬영 및 FT-IR 분석결과, 전처리 후의 석탄은 바이오메탄 전환율이 높아질 수 있을 것으로 평가되었다.

연안오염퇴적물에 함유된 유기물질과 PAHs의 현장정화를 위한 생물활성촉진제의 효능을 파일럿 규모의 현장실험을 통하여 1년간 평가하였다. 실험 해역의 수온은 계절적인 요인으로 인해 16.5°C에서 21°C까지 변화가 있었으나, 파일럿 반응조의 오염퇴적물의 pH는 8.4-8.5로 서 비교적 일정하였다. 파일럿 실험종료 후 바탕시험구와 초산, 황산이온, 질산이온을 함유한 생물활성촉진제를 주입한 오염퇴적물의 화학적 산소요구량은 각각 39% 및 79%까지 감소하였으며, 휘발성고형물은 초기 약 15 g/kg에서 7 g/kg 및 2.5 g/kg까지 각각 감소하였다. PAHs는 2- ,3- ,4- ,5-ring 과 6-ring 16PAHs를 평가하였으며, 생물활성촉진제를 주입한 오염퇴적물에서 2-ring 화합물인 나프탈렌은 실험시작 2개월 후 100%(바탕시험구의 감소율 55.6%)까지 감소되어 가장 빨랐고, 12개월 후 3-ring 및 4-ring PAHs의 감소율은 모두 100%(바탕시험구의 감 소율 46%-100%)에 달하였다. 5-ring과 6-ring PAHs의 12개월 후의 감소율은 바탕시험구와 생물활성촉진제를 투여한 오염퇴적물에서 각각 26%-87% 및 77%-100%로 평가되었다. 연안오염퇴적물에 투입한 생물활성촉진제는 유기물질 및 난분해물질인 PAHs의 제거속도를 향상시킬 수 있는 것으로 평가되었다.

실험실 규모의 관 실험을 통하여 연안오염퇴적물의 생물정화 효능에 대한 생물활성촉진제 주입 깊이의 영향을 평가하였다. 생물활성 촉진제를 실험관에 충진 된 오염퇴적물의 표면과 표면으로부터 3cm, 6cm, 10cm 위치에 주입한 후 1개월 및 3개월 후 퇴적물의 유기물 및 중금 속의 특성 변화를 조사하였다. 시험 오염퇴적물의 화학적 산소요구량, 총고형물 및 휘발성고형물 함량은 생물활성촉진제를 주입하지 않은 대조 구에 비해 1개월 후 및 3개월 후에서 크게 감소하였으며, 생물활성촉진제 주입 깊이 3cm에서 최대값을 보였다. 그러나, 오염퇴적물에 주입한 생물활성촉진제의 깊이를 6cm 및 10cm로 증가하였을 때 유기오염물질 감량정도는 점차 감소하였다. 중금속 존재형태변화는 생물활성촉진제 주입 깊이 3cm에서 안정한 형태인 유기물 결합분율과 광물내 잔류분율이 현저하게 증가하였다. 오염퇴적물의 현장생물정화를 위한 최적의 생 물활성촉진제 주입 깊이는 퇴적물의 상부 표면으로부터 3cm로 평가되었다.

자생하는 미생물의 활성을 촉진시킴으로써 오염된 연안퇴적물을 현장생물정화하기 위하여 사용하는 미생물활성촉진제의 용출특성에 대한 연구를 수행하였다. 미생물의 생리활성을 촉진하는 황산염, 질산염을 오염되지 않은 연안퇴적물과 혼합하였으며, 혼합물을 볼 형태로 만 든 뒤 셀룰로스 아세테이트 및 폴리설펀으로 각각 표면을 코팅하여 볼 형태의 미생물활성촉진제 2종을 제작하였다. 또한, 황산염과 질산염이 용해된 생리활성물질 용액에 입상활성탄을 침지시켜 입자상 미생물활성촉진제를 별도로 준비하였다. 셀룰로스 아세테이트로 코팅한 미생물활 성촉진제를 전자현미경으로 관찰한 결과 코팅층 내부는 다소 큰 공극이 불규칙적으로 존재하였으나 코팅층 외부는 촘촘한 벌집모양의 공극들 이 분포되어있었다. 폴리설펀으로 코팅한 미생물활성촉진제의 경우는 코팅층의 내부와 외부 모두 공극이 없는 치밀한 구조를 보였다. 셀룰로스 아세테이트로 코팅한 미생물활성촉진제의 생리활성물질 용출율은 폴리설펀으로 코팅한 미생물활성촉진제에 비해 증류수와 해수에서 모두 높 았으며, 입자상 미생물활성촉진제로부터의 생리활성물질의 용출율은 폴리설펀으로 코팅한 미생물활성촉진제에 비해 약 9배 이상 높았다. 미생 물활성촉진제로부터 생리활성물질들의 용출속도는 정체조건에 비해 난류조건에서 약 3배 이상 빠른 것으로 평가되었으며, 생리활성물질들 중 에서 질산염은 황산염에 비해 빠르게 용출되는 특성을 보였다.

미생물전해전지(Microbial Electrolysis Cells, MECs)는 산화전극과 환원전극 사이에 적당한 전위차가 유지되도록 외부전원을 이용하여 전압을 인가함으로서 산화전극 표면에 부착 성장하는 전기적으로 활성을 가진 미생물에 의한 유기물 분해를 촉진시키고 수소나 메탄과 같은 유용물질을 생성시키는 장치이다. 따라서, 최근 미생물전해전지를 이용하여 유기성 폐수의 처리 및 에너지회수를 위한 연구들이 활발하게 진행되고 있다. 미생물전해전지의 운전과 성능에서 미치는 가장 중요한 인자 중의 한 가지는 전극이다. 지금까지 미생물전해전지 연구에 사용되어온 전극들은 대부분 전기전도성이 낮거나 부식이 문제가 된 경우가 많아 실용화에 걸림돌이 되고 있다. 여러 가지 전극재료들 중 흑연섬유직물(GFF; Graphite Fiber Fabric)은 내구성이 강하고 비표면적이 넓지만 전기전도성이 낮다는 단점이 있으며, 탄소나노튜브(Carbon Nanotube, CNT)는 전도성이 대단히 우수한 물질이지만 전극으로 성형, 가공하기 위한 제작기술이 없는 상황이다. 본 연구에서는 흑연섬유직물의 표면에 탄소나노튜브를 전기영동전착법(Electrophoretic deposition, EPD)으로 고정함으로서 내구성이 높고 비표면적과 전도성이 우수한 전극을 제작하기 위한 연구를 수행하였다. 탄소나노튜브를 흑연섬유직물의 표면에 전착시키기 위하여 먼저, 탄소나노튜브(1g)와 PEI(Polyethylenimine) 및 nickel pyrite(PEI1000-Ni500ppm, PEI500-Ni250ppm, PEI500- Ni500ppm)를 초순수 1L에 혼합한 다음 초음파를 이용하여 분산시켜 전기영동 용액을 준비하였다. 면적이 동일한 흑연섬유직물(Working Electrode: GFF)과 스텐리스망(Counter Electrode: stainless steel mesh)을 전기영동 용액에 평행하게 고정하고 두 전극 사이에 전압을 인가하여 전착시켰으며, 200℃에서 열처리를 하여 미생물전해전지용 전극을 제작하였으며, 전자현미경(Scanning Electron Microscope, SEM)을 이용하여 흑연섬유직물의 표면에 전착된 탄소나노튜브의 상태를 확인하였다. 준비된 전극들은 1cm² 크기로 잘라 four-point법으로 저항 측정하였다. 흑연직물섬유은 저항이 0.115Ω/cm이었으나, 탄소나노튜브가 표면에 전착된 흑연섬유직물 전극의 저항은 크게 감소하였다. 특히, 탄소나노튜브 및 PEI500-Ni250ppm으로 구성된 전기영동용액으로 탄소나노튜브를 표면에 전착한 흑연섬유직물 전극은 저항이 0.006Ω/cm로서 코팅하지 않은 흑연섬유직물 보다 전기전도성이 약 20배 증가하였다. 탄소나노튜브를 전기영동법으로 흑연섬유직물의 표면에 전착한 전극은 비표면적이 넓고 부식성이 강한 고전도성의 우수한 미생물전해전지용 전극으로 사용 할 수 있을 것으로 판단된다.

지금까지 연구된 여러 가지 형상의 미생물연료전지들의 특징들을 조합하여 운전이 용이하고 규모확대가 가능하며 전력생산 성능이 대단히 우수한 3차원 공기환원전극 미생물연료전지를 고안하였으며, 합성폐수를 이용한 성능시험을 수행하였다. 본 연구에 사용된 3차원 공기환원전극 미생물연료전지는 1개의 산화전극부, 4개의 배수구, 그리고 산환전극부 상부에 설치된 1개의 환원전극부로 구성하였다. 미생물연료전지 하단에는 다공판으로 된 유입부를 설치하여 폐수가 산화전극부로 유입되도록 하였으며, 폐수는 산화전극부를 통과한 뒤 환원전극부의 배수구로 이동하도록 설계되었다. 산화전극부에는 EG(Expended Graphite)와 MWCNT(Multi-Wall Carbon Nano Tube)를 스테인리스망에 스크린 프린팅하여 제작된 산화전극을 설치하였고, 환원전극부에는 EG(Expended Graphite)와 MWCNT(Multi-Wall Carbon Nano Tube)에 FePc 및 CuPc를 고정한 촉매를 스테인리스망에 스크린 프린팅하여 제작된 환원전극을 설치하였다. 배수로는 환원전극의 높이의 1cm, 2cm, 3cm, 5cm에 배수구를 각각 설치하여 환원전극 침지깊이에 대한 영향을 평가하였다. 준비된 미생물연료전지는 초기운전을 위하여 혐기성 소화조에서 채취한 슬러지를 식종하였으며, acetate, phosphate buffer solution, minerals, vitamins로 구성된 합성폐수를 연속 주입하였다. 미생물연료전지를 운전하는 동안 DMM(digital multimeter, Keithley 2700)과 컴퓨터를 이용하여 전지에서 발생하는 전압을 관측하였다. 환원전극부의 침지깊이를 변화시킨 뒤 전압이 안정화 되었을 때 외부회로를 개방하여 OCV 값을 측정하였으며, 외부저항을 단계적으로 감소시키는 방법으로 분극실험을 수행하였다. 이때 미생물연료전지에서 얻어진 최대전력수율은 환원전극의 침지깊이에 따라서 1cm < 5cm ≦ 2cm < 3cm 순으로 측정되었다.

미생물연료전지의 전극재료 중 결합제는 전극의 성능, 내구성 및 비용 등을 결정짓는 핵심 물질 중 하나이다. 전극의 결합제는 기본적으로 전극을 구성하는 기본물질들과 결합력이 좋아야 하고, 전극물질들과 집전체간의 전자전달이 가능한 물질이여야 한다. 따라서, 전극 결합제는 미생물연료전지의 성능향상을 위해 필수적인 역할을 담당한다. 좋은 결합제는 전극의 성능을 향상시킬 수 있어야 하고, 전극물질과의 접착력과 전극물질의 본성 등을 유지시킬 수 있어야 한다. 지난 수년 동안 미생물연료전지의 성능향상을 위해 다양한 결합제에 대한 연구가 이루어 졌으며, 결합제를 활용하기 위한 다양한 기술들이 연구되어 왔다. 현재, 많은 연구자들이 여러 장점들을 가지고 있는 탄소나노튜브를 미생물연료전지의 산화 및 환원전극 제조를 위한 기초물질로 이용하고 있는데, 탄소나노튜브는 가공성이 나쁘고, 용해성이 낮은 등 전극제작에 있어서 몇몇 결점들을 가지고 있다. 이러한 탄소나노튜브의 결점을 보완하면서 친수성이고, 전도성이 높은 결합제로 종종 Nafion 용액을 사용해오고 있는데 이는 고가이며, 결합력이 약하여 미생물연료전지의 실용화에 걸림돌이 되고 있다. 실리카겔은 친수성물질로 알려져 있으며, 물을 따라 이동하는 양이온의 전도성이 좋은 물질로 평가된다. 또한, 헤테로 다중산은 양이온 전도성을 향상시킨다는 많은 연구결과들이 보고된 바 있다. 따라서, 본 연구에서는 헤테로 다중산과 실리카겔을 미생물연료전지의 전극 결합제로 사용하여 고가의 전극결합제인 Nafion 용액을 대체하고자 하였다. 헤테로 다중산을 실리카겔에 도핑하여 결합제를 제조하고 이를 환원전극제작에 사용하였다. 제작된 환원전극의 성능은 3차원 공기환원전극 미생물연료전지를 이용하여 평가한 결과 전력밀도 및 내구성이 헤테로 다중산을 실리카겔에 도핑한 결합제를 이용한 환원전극의 성능이 Nafion 용액을 결합제로 사용한 환원전극보다 우수한 것으로 평가되었다. 헤테로 다중산을 실리카겔에 도핑하여 제조한 결합제는 큰 고가의 Nafion 용액을 대체할 수 있을 것으로 평가되었다.

연안 준설퇴석물을 열처리, 생물침출공정을 이용한 중금속처리, 중화처리 등의 다양한 방법으로 전처리한 재료를 이용하여 연안해수에 함유된 질산염의 흡착특성에 대한 실험실적 연구를 수행하였다. 전처리된 퇴적물의 흡착평형시간은 생물침출-열처리 퇴적물이 17분으로 가장 빨랐으며 생물침출-중화-열처리 퇴적물과 생물침출퇴적물이 각각 25분. 27분으로 황토와 열처리 황토에서의 3,3분, 32분 보다 빠르게 흡착되는 것으로 평가되었다. 시험된 재료들에 대한 흡착공정은 Freundlich 등온흡착식으로 해석할 수 있었으며, 전처리한 퇴적물의 흡착속도가 황토에 비해 빠름을 알 수 있었다. 질산염의 흡착량은 퇴적물과 열처리 퇴적물에서 각각 2.l2, 2.19 mg NO3-N/g 으로 가장 많았으며 열처리 등으로 전처리된 퇴적물은 연안해수의 수질개선을 위한 흡착재로서 활용 가능한 것으로 평가되었다.

수리조선소에서 발생하는 TBT 함유 선박세척폐수의 용매추출 처리기술을 개발하기 위한 기초연구로서 인공 선박세척폐수를 이용하여 선박용 및 자동차용 디젤, 벙커 B유, 신너, 톨루엔, 에테르 등의 여러 가지 용매들의 TBT 추출효율을 비교하였으며, 추출효율에 대한 추출용매의 양 및 교반시간, 강도, pH 등의 추출조건의 영향을 평가하였다. 선박용 경유는 신나, 병커B 등에 비해 상대적으로 우수한 TBT 추출효율을 보였으며, 적정 추출용매 주입량은 폐수 IL 당 용매 10mL로 평가되었다 TBT 추출을 위한 교반강도가 50rpm에서 250rpm으로 증가함에 따라 잔류 TBT 농도는 약 120ppb에서 2.8ppb로 크게 감소하였다 잔류 TBT는 추출 1시간이후 크게 감소하였으며, 5시간 이후부터는 다시 증가하였다. 추출효율에 대한 Ph의 영향은 크지 않았으나, pH 6∼7의 약산성영역에서 양호한 추출효율을 보였다.

국제해사기구-해양환경보호위원회 제 46차(외교회의 결정 2001년 10월 5일)회의에서 유기주석계 방오도료 사용금지(2003년 1월 1일 선체 사용금지, 2008년 1월 1일 선체 잔존금지)에 따른 TBT함유 페인트 폐기물의 다량 발생에 대한 처리기술의 개발로 방오 도료 페인트의 최적 처리시스템을 연구하였다. 열분해 반응장치를 이용하여 TBT함유 페인트 폐기물의 열분해 특성 및 처리성능을 평가하였다. TBT함유 페인트 폐기물을 열분해 반응조에서 온도를 1000℃, 반응시간을 1시간 동안 처리했을 때 유기주석이 99% 제거되어 처리효율이 뛰어났다.