One-dimensional (1D) piezoelectric nanostructures are attractive candidates for energy generation because of their excellent piezoelectric properties attributed to their high aspect ratios and large surface areas. Vertically grown BaTiO3 nanotube (NT) arrays on conducting substrates are intensively studied because they can be easily synthesized with excellent uniformity and anisotropic orientation. In this study, we demonstrate the synthesis of 1D BaTiO3 NT arrays on a conductive Ti substrate by electrochemical anodization and sequential hydrothermal reactions. Subsequently, we explore the effect of hydrothermal reaction conditions on the piezoelectric energy conversion efficiency of the BaTiO3 NT arrays. Vertically aligned TiO2 NT arrays, which act as the initial template, are converted into BaTiO3 NT arrays using hydrothermal reaction with various concentrations of the Ba source and reaction times. To validate the electrical output performance of the BaTiO3 NT arrays, we measure the electricity generated from each NT array packaged with a conductive metal foil and epoxy under mechanical pushings. The generated output voltage signals from the BaTiO3 NT arrays increase with increasing concentration of the Ba source and reaction time. These results provide a new strategy for fabricating advanced 1D piezoelectric nanostructures by demonstrating the correlation between hydrothermal reaction conditions and piezoelectric output performance.

Magnesium hydroxide sulfate hydrate (MHSH) whiskers were synthesized via a hydrothermal reaction by using MgO as the reactant as well as the acid solution. The effects of the H2SO4 amount and reaction time at the same temperature were studied. In general, MHSH whiskers were prepared using MgSO4 in aqueous ammonia. In this work, to reduce the formation of impurities and increase the purity of MHSH, we employed a synthesis technique that did not require the addition of a basic solution. Furthermore, the pH value, which was controlled by the H2SO4 amount, acted as an important factor for the formation of high-purity MHSH. MgO was used as the raw material because it easily reacts in water and forms Mg+ and MgOH+ ions that bind with SO4 2- ions to produce MHSH. Their morphologies and structures were determined using X-ray diffraction (XRD) and scanning electron microscopy (SEM).

Transition-metal oxide semiconductors have various band gaps. Therefore, many studies have been conducted in various application fields. Among these, methods for the adsorption of organic dyes and utilization of photocatalytic properties have been developed using various metal oxides. In this study, the adsorption and photocatalytic effects of WO3 nanomaterials prepared by hydrothermal synthesis are investigated, with citric acid added in the hydrothermal process as a structure-directing agent. The nanostructures of WO3 are studied using transmission electron microscopy and scanning electron microscopy images. The crystal structure is investigated using X-ray diffraction patterns, and the changes in the dye concentrations adsorbed on WO3 nanorods are measured with a UV-visible absorption spectrophotometer based on Beer-Lambert’s law. The methylene blue (MB) dye solution is subjected to acid or base conditions to monitor the change in the maximum adsorption amount in relation to the pH. The maximum adsorption capacity is observed at pH 3. In addition to the dye adsorption, UV irradiation is carried out to investigate the decomposition of the MB dye as a result of photocatalytic effects. Significant photocatalytic properties are observed and compared with the adsorption effects for dye removal.

수열탄화 (HTC, Hydrothermal Carbonization)는 수분함량이 높은 바이오매스를 바로 적용하여 닫힌계에서(closed system)에서 승온 시키면 150℃∼250℃범위에서 열수(hot water)에 의하여 고형물의 유기물 일부가 분해되기 시작하여, 탈카르복실화(decarboxylation)와 탈수(dehydration)반응이 유도되며 O/C, H/C 비율을 낮추고 탄소고정을 통해 바이오매스 고형연료의 에너지밀도를 높여 연료로서의 특성이 향상된다. 또한 수열탄화 반응시 높은 수분함량을 건조하여 수분을 증발시키지 않고 물로 분리함으로서 수분 제거시 소비되는 에너지를 일반 건조기술 대비 50%이상 절감함으로서 하수슬러지 고형연료화의 경제성을 향상 시킬 수 있다. 이렇게 분리된 액체생성물에는 유기물 분해에 의해서 용해성 유기물이 다량 농축되어 혐기소화의 전처리 기술로도 적용되고 있다. 본 연구에서는 I시 하수슬러지를 1년간 매달 sampling하여 계절별 하수슬러지 물리화학적 특성 변화와 수열탄화 적용 시 반응 및 연료 특성 변화를 확인하였다. 따라서 상용화 수열탄화 기술을 적용시 계절에 상관없이 안정적인 고형연료 확보 가능성을 확인하였다.

유기성폐기물 내 존재하는 질소를 회수하여 재이용 또는 재활용 하기 위하여 암모니아탈기 방법을 이용한 질소회수 효율 확보 방안을 연구하였다. 고농도 암모니아 함유 폐수에서(매립장 침출수, 식품폐수, 축산폐수 등) 목적으로 암모니아회수를 위한 탈기 기술 개발사례가 있으며 주로 탈기효율을 높임으로서 동력비용을 절감하는 목적으로 개발되었다. 따라서 암모니아 탈기 운영에서 60%이상을 차지하는 pH조절용 약품비용 절감을 위한 기술이 보급되어야 실질적인 상용화 및 보급이 활발해 질 것으로 판단된다. 암모니아 탈기 시 소요되는 공기는 입자성오염원이 존재할 경우 산소전달의 방해인자로 작용하기 때문에 이를 비교 평가하기 위해 고액분리 전･후를 비교 평가하여 이에 따른 탈기 효율 변화를 관찰하였으며 또한 pH에 따른 적정 NH3 /NH4 비율을 선정하여 pH조정용 약품비용 절감을 통해 경제성을 확보 하였다. 탈기 시 온도가 20℃일 때 소요되는 이론적 공기량은 2,400 L-air/L-water이나 70℃일 때는 이보다 약 10배 감소한 262 L-air/L-water 나타낸다. 이에 온도조건 변화를 통해 탈기 공정에서 대부분의 동력비를 소모하는 공기 주입량 절감을 위한 최적 방안을 도출하였다.

우리나라의 폐기물 정책 및 처리방법이 변화됨에 따라 매립지로 반입되는 폐기물들의 유기물함량이 점차 줄어들고 있으며, 매립장내 수분이 낮아져 매립지가 안정화되는데 오랜 시간이 소요되고 있다. 이러한 추세에 따라 매립장의 조기 안정화를 위하여 최근 국내에서는 매립지내 침출수 재순환에 관한 법제화가 이뤄졌다. 한편, 하수슬러지를 고형연료로 생산하기 위하여 수열탄화(Hydrothermal carbonization)공정을 도입시, 해당 공정에서 배출되는 고액분리된 액체생성물 발생량은 투입폐기물량의 80% 정도로 반드시 적정처리 또는 재활용이 필요하다. 따라서 본 연구에서는 매립장의 조기안정화를 목표로 수열탄화액이 매립장 순환수로써 활용가능한지를 파악하기 위하여 수도권매립지로 반입되는 폐기물 조성을 반영한 폐기물과 수열탄화액 등을 serum bottle에 넣고 35℃ 항온 및 혐기적 조건에서 지속적으로 가스발생량 및 가스 조성을 측정하였다. 실험 결과, 수열탄화 반응후 고액분리된 액체생성물은 기존의 침출수 주입효과와 비교할 때 보다 우수한 메탄가스 발생경향을 확인할 수 있었다. 그러나 암모니아 탈기 후의 수열탄화액은 탈기과정에서 투입된 Na+의 영향으로 순환수를 투입하지 않은 경우보다도 낮은 바이오가스 및 메탄가스 발생량 등을 나타내 폐기물 분해에 긍정적인 영향을 주지 못하는 것으로 평가되었다.

수열탄화(HTC, HydroThermal Carbonization)는 수분함량이 높은 바이오매스를 바로 적용하여 닫힌계에서 (closed system)에서 승온시키면 150℃~250℃범위에서 열수(hot water)에 의하여 고형물의 유기물 일부가 분해되기 시작하여, 탈카르복실화(decarboxylation)와 탈수(dehydration)반응이 유도되며 O/C, H/C 비율을 낮추고 탄소고정을 통해 바이오매스 고형연료의 에너지밀도를 높여 연료로서의 특성이 향상된다. 또한 수열탄화 반응시 높은 수분함량을 건조하여 수분을 증발시키지 않고 물로 분리함으로서 수분 제거시 소비되는 에너지를 일반건조기술 대비 50%이상 절감함으로서 하수슬러지 고형연료화의 경제성을 향상 시킬 수 있다. 이렇게 분리된 액체생성물에는 유기물 분해에 의해서 용해성 유기물이 다량 농축되어 혐기소화의 전처리 기술로도 적용되고 있다. 본 연구에서는 Lab scale과 1ton/day pilot plant를 이용하여 수열탄화를 하수슬러지에 적용하여 반응특성 및 연료 효율 향상을 확인하였다. 반응온도별 각 반응생성물의 특성 파악을 통해서 최적의 반응조건을 도출하였다. 또한 수열탄화 반응물에서 후단의 혐기소화 공정의 저해인자 제거를 위한 질소회수 공정으로 생기는 pH 변화에 따른 탈수특성 변화와 원인을 확인하였다.

In this study, hydrothermal carbonization is used to recover energy from sludge. This hydrothermal carbonization is a feasible sustainable energy conversion technology to produce biofuel for renewable energy. The experiments were conducted at 170oC up to 220oC for a 30-min holding period to determine the optimum conditions for hydrothermal carbonization in a lab-scale reactor to apply to a scale-up reactor (1 ton/day). The biochars from sludge were assessed in terms of dewaterability characteristics and fuel properties. The results showed that the optimum temperature of labscale hydrothermal carbonization was 190oC. The 1 ton/day hydrothermal carbonization pilot plant operated at 190oC. The biochar had higher energy content but the char yield sharply decreased. Therefore, an energy of about 49% could effectively be converted from sludge biomass. This sludge from municipal wastewater treatment is a potential energy resource because sludge is composed of organic substances.

런던협약에 의해 해양투기로 대부분이 처리되던 폐기물은 금지되면서 감량화 및 자원화를 고려하게 되었다. 국내의 가축 도축량은 계속해서 늘어나고 있다. 그래서 발생되는 도축 폐기물의 양 또한 늘어나게 되었다. 돼지, 닭, 소 등 가축의 가공 후 발생된 폐기물은 유기성폐기물로 하수슬러지 및 음식물쓰레기처럼 수분을 많이 함유 하고 있어 감량화 및 자원화에 어려움이 많다. 따라서 본 연구에서는 반응온도별로 수열탄화의 특성을 평가하였고, 고형물의 상호관계를 파악하여 감량화 및 에너지화에 대한 효율성을 평가하였다. 그 결과 반응온도가 증가할수록 탈수성 증가 및 고형물의 물리적형태 변화에 따라 감량화율이 높아졌고, 높은 에너지화율을 나타내었다.

This study investigated the optimal sequential hydrolysis conditions by comparing with reducing sugar yield ofsequential hydrolysis of Laminaria japonica processing residue. After acid-catalyzed hydrothermal hydrolysis, sequentialenzymatic hydrolysis was performed with single enzymes such as Celluclast® 1.5L, Saczyme, and Alginate Lyase, andtheir mixture. As a result, the yield of reducing sugar by sequential hydrolysis with the mixed enzymes was the highest,but there would be an economical problem with excessive enzyme loading. Therefore, considering the reducing sugaryield and economics, it is thought that hydrolysis by the mixed enzymes has no advantage, thus, using the Celluclast®1.5L in the sequential hydrolysis was practically more appropriate. The optimal sequential hydrolysis conditions ofLaminaria japonica processing residue were determined to be 8% v/w of enzyme injection, 42.6oC of reaction temperature,pH 4.1, and 26 hours of reaction time after acid-catalyzed hydrothermal hydrolysis (0.108 N-HCl, 144oC of reactiontemperature, and 22 minute of reaction time).

Acid hydrolysis of cellulose using hydrothermal reaction was conducted to maximize reducing sugar concentration and the response surface methodology (RSM) was applied to study the effects of independent variables, such as reaction temperature (116 ~ 184oC), reaction time (12 ~ 28 min) and hydrochloric acid concentration (HCl, 0.0159 ~ 0.1841 N) on reducing sugar concentration and production yield from the cellulose. With the optimum conditions of the acid-catalyzed hydrothermal hydrolysis, the reducing sugar (RS) was obtained as 369.14 mg-RS/g-cellulose in 172.77oC of the reaction temperature, 28.41 min of the reaction time and 0.067 N of the hydrochloric acid concentration. The glucose (Glu) was obtained as 281.94 mg-Glu/g-cellulose in 154.70oC of the reaction temperature, 11.59 min of the reaction time and 0.184 N of the hydrochloric acid concentration.

생활폐기물 소각재를 용융시켜 제조한 슬래그에는 제올라이트 합성에 영향을 주는 많은 불순물이 포함되어 있다. 이러한 불순물들은 원하는 제올라이트 합성을 방해하며, 수율과 순도를 저하시킨다. 용융 슬래그에는 특히 Fe2O3, FeO 그리고 CaO가 많이 포함되어 있다. 이런 불순물들을 제거하기 위해 염산으로 슬러리의 초기 pH를 1, 3, 5 그리고 7로 하여 각각 처리하였다. 실험결과, 슬러리의 초기 pH가 낮아질수록 SiO2, Fe2O3, TiO2 등의 함량은 증가되었으나, Al2O3, FeO, CaO, Na2O, K2O, MgO 등의 함량은 감소되었다. 염산처리한 슬래그를 NaOH 용액과 함께 80℃에서 반응시킨 결과, 슬래그, pH 7과 pH 5에서 처리한 시료로부터는 토버모라이트(tobermorite)가, pH 3과 pH 1에서 처리한 시료로부터는 Na-P1형과 Na-X형 제올라이트가 생성되었다. 또한 CaO가 제올라이트 합성을 방해한다는 것을 확인하였다.

포항부근에 널리 분포하는 제3기 퇴적암인 규질이암(siliceous mudstone)으로부터 Na2O/SiO2 =0.6, SiO2/Al2O3 = 2.0, H2O/Na2O=119 몰 비의 수열조건에서 반응시간(10~70시간)을 변화시켜 Na-A형 제올라이트를 합성하는 반응기구에 대한 연구를 수행하였다. 각 조건에서의 합성상은 X-선회절분석을 통하여 확인하였고, 적외선 분광분석, 열분석 및 주사전자현미경에 의한 특성분석을 수행하였다. 이러한 결과를 토대로, 규질이암으로부터 Na-A형 제올라이트의 단계별 반응기구는 초기에 규산 소다와 알루민산 소다의 반응에 의해 Na-A형 제올라이트가 1차적인 핵생성이 이루어진 후, 반응시간이 증가됨에 따라 잔여 알루민산 소다와 용해된 규질이암의 반응에 의해 Na-A형 제올라이트의 결정이 성장하였고 또한 하이드록시 소달라이트가 생성되었다. 그리고 반응 시간이 50시간의 장시간이 되면 Na-A형 제올라이트로부터 용해되면서 빠져나온 성분은 하이드록시 소달라이트와 반응에 의해 새로운 상인 Na-P형 제올라이트가 생성되는 일련의 과정으로 해석될 수 있다.