Membrane-Aerated Biofilm Reactor(MABR)는 하수처리 공정의 에너지 효율을 획기적으로 개선할 수 있는 차세대 기술로 주목받고 있다. 기존 활성슬러지 공정의 기포형 산기 시스템은 산소전달효율(OTE)이 낮고 전체 에너지 소비의 80%까지 차지하는 등 에너지 비효율성을 내포하고 있다. 반면 MABR은 기체 투과성 막(membrane)을 통해 생물막으로 산소를 직접 공급함으로써, 이론적으로 100%까지 OTE 달성이 가능하다. 본 논문은 MABR의 산소전달 메커니즘과 구조적 특징을 정리하고, OTE, 산소전달속도(OTR), 폭기 효율(AE) 등의 에너지 효율 지표를 중심으로 파일럿 및 실규모 적용 사례 11건을 분석하였다. 분석 결과, AE는 기존 활성슬러지 공정 대비 약 4-5배 향상된 수치이다. 그러나 OTE와 OTR 간의 상충관계, 공정 규모, 기질 농도 등 다양한 운영 변수에 따라 성능이 상이하게 나타났으며, 현장 적용에서는 이론적 효율을 하회하는 사례도 확인되었다. 이러한 한계를 극복하기 위한 기술적 접근으로는 간헐 공기 공급, 주기적 환기, 막 소재 개선, 막 이완 제어 등이 시도되고 있다. 동시에, 실증 연구들 간 실험 조건 및 효율 지표 산정 기준의 상이함은 결과 해석의 일관성을 저해하는 요인으로 지적된다. 따라서 본 연구는 향후 MABR 기술의 실용화를 위해 에너지 효율 평가 기준의 표준화와 대규모 현장 검증의 필요성을 강조한다.

바이폴라막은 양이온교환층과 음이온교환층 및 양극접합층으로 이루어진 이온교환막으로 물 분해 특성을 기반으 로 하여 프로톤과 수산화 이온을 생성시키는 막이다. 이러한 특성을 이용하여 화학 산업, 식품 가공, 환경 보호, 에너지 변환 및 저장과 같은 다양한 응용 분야에서 연구가 되고 있다. 본 논문에서는 바이폴라막 기술에 대한 종합적인 이해를 제공하기 위해 바이폴라막의 개념 및 물 분해 메커니즘과 물 분해 촉매에 대한 조사하였다. 마지막으로 최근 에너지 기술에 적용되고 있는 바이폴라막 프로세스를 조사하였다.

Recently, interest in technology for eco-friendly energy harvesting has been increasing. Polyvinylidene fluoride (PVDF) is one of the most fascinating materials that has been used in energy harvesting technology as well as micro-filters by utilizing an electrostatic effect. To enhance the performance of the electrostatic effect-based nanogenerator, most studies have focused on enlarging the contact surface area of the pair of materials with different triboelectric series. For this reason, one-dimensional nanofibers have been widely used recently. In order to realize practical energy-harvesting applications, PVDF nanofibers are modified by enlarging their contact surface area, modulating the microstructure of the surface, and maximizing the fraction of the β-phase by incorporating additives or forming composites with inorganic nanoparticles. Among them, nanocomposite structures incorporating various nanoparticles have been widely investigated to increase the β-phase through strong hydrogen bonding or ion-dipole interactions with -CF2/CH2- of PVDF as well as to enhance the mechanical strength. In this study, we report the recent advances in the nanocomposite structure of PVDF nanofibers and inorganic nanopowders.

최근 국내에서 세계 최초로 개발한 SWRO-PRO 복합해수담수화 시스템은 압력지연삼투(PRO) 기술을 활용하여 역삼투(SWRO) 해수담수화 플랜트에서 발생하는 고염도 농축수의 삼투에너지를 회수하는 기술이다. 고염도 농축수와 저염도 하수처리수를 각각 PRO 시스템의 유도용액과 유입수로 사용하며, 두 용액의 농도차에 의해 발생되는 삼투에너지를 압력교환장치(isobaric pressure exchanger)를 통해 회수하여 SWRO 고압펌프에서 필요한 에너지를 줄이거나, 터빈 형태의 에너지 회수장치(Pelton turbine)를 통해 전력을 생산하는 기술이다. PRO 시스템을 통해 회수된 에너지는 해수담수화 운영비를 절감하는데 기여하고, 고농도 농축수의 희석 방류로 해양생태계 영향을 최소화 시킬 수 있다.

본 연구에서는 향후 역삼투식 해수담수화 기술의 에너지 효율을 개선하기 위한 3가지 방법을 제안한다. 그리고 제안된 방법이 적용되었을 때, 이론적인 최대 에너지 소모량 감소를 엑서지 분석을 통해 산출하고 현재 개발되고 있는 기술을 분석해서 실질적으로 각 방법에서 에너지 소모량이 얼마나 감소될 수 있는지를 비교하고 분석한다. 이러한 논의를 통해서 향후 역삼투 공정의 에너지 소모량이 얼마나 더 감소할 수 있을지에 대한 가능성을 평가할 수 있고 나아가서 역삼투 해수담수화 플랜트의 에너지 소모량을 낮추는 명확한 아이디어를 제공할 수 있다.

해수담수화는 지구 수자원의 97%에 해당하는 해수를 활용하기 때문에 물부족 문제를 해결할 지속가능한 대안으로 평가받고 있다. 최근에는 증발식 해수담수화 대비 에너지 소모가 낮은 분리막 방식이 널리 적용되고 있으며, 에너지 소모는 3-4 kWh/m3 정도이다. 해수담수화 플랜트 소요비용 중 운영비용이 약 35~65%를 차지하므로 해수담수화 기술의 확대 적용을 위해서는 비용 절감형 운영 기술 개발이 필수적이다. 이에 K-water에서는 ‘중동지역 맞춤형 저에너지 해수담수화플랜트 기술개발’ 과제 참여를 통해 저에너지⋅고효율 해수담수화 운영 기술을 개발하고 있으며, UAE에 구축될 1,000m3/d 규모 플랜트에 적용할 계획이다. 본 기술 적용을 통해 해수담수플랜트 연간 운영비용 증가율을 5% 이내로 유지하는 것을 목표로 한다.

일반적으로 SWRO의 경우 에너지 소비량은 3.5 kWh/m³ 이상의 에너지를 소비한다. 그중 RO트레인은 2.5～3.0 kWh/m³를 소모해 전체 에너지 소비량의 70% 이상을 소비하고 있으며, 전체 시스템 에너지 절감을 위해서는 RO트레인의 최적 설계가 중요하다. 따라서 당사는 다양한 RO트레인의 설계를 최적화 하여 소모되는 에너지의 양을 10% 절감하고자 한다. 1) ISDInternally Staged Desing)을 적용한 1st Pass의 설계최적화, 2) SPSP(Split Partial Sencond Pass) 적용을 통한 2nd 용량 최적화 설계, 3) 초고성능 막을 적용한 Single Pass 설계방법의 최적 조합을 통해 저에너지 역삼투막 시스템 설계 기술을 개발하고자 한다.

광에너지 상향 전환 기술(이하 Upconversion, UC)은, ‘낮은 에너지의 두 개 혹은 그 이상의 광자를 이용해 높은 에너지를 가지는 하나의 광자를 생산해내는 기술’로 비전통적인 광에너지 전환기술의 하나이다. UC 는 광자가 에너지원으로 이용되는 다양한 광학기반 기기(예 : 태양전지)의 광감응 효율을 향상시킬 수 있는 새로운 기술로 평가받고 있으며, 이외에도 Bioimaging 이나 광학센서 등에 높은 활용가치를 지니고 있다. 본 연구발표에서는 삼중항 소멸에 기반한 UC 기술의 기본원리를 소개하고 최신 기술개발 단계와 차기 환경-에너지 공학에의 응용가능분야를 살펴본다. 또한 실제로 본 연구진에서 개발한 다양한 UC 물질의 제조법을 소개하고, Sub-bandgap 에너지의 광자 조사시 UC 에 의해 광촉매가 광활성화된 연구결과와 이외의 다양한 응용분야에 대해 살펴본다.