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2020년 12월 14일 (월) 22:01 판

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 광촉매를 이용한 유기물 분해

영문 : Decomposition of organic matter using photocatalyst

과제 팀명

4D

지도교수

김정현 교수님

개발기간

2020년 9월 ~ 2020년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 화학공학과 2015340004 고탁현(팀장)

서울시립대학교 화학공학과 2015340038 전현도

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

최근 수처리에 TiO2의 적용을 위하여 다양한 기술들이 연구되고 있다. 본 프로젝트에서는 TiO2를 CuO/Cu2O와 함께 합성하여 광촉매를 만들었으며, 이를 다시 필름형태로 제조하였다. 이를 통해 TiO2재료 자체가 갖고 있는 담점을 개선하였다. 이러한 진일보한 결과로 광촉매가 유기물 분해에 효과적으로 쓰여, 폐수 문제에 큰 도움이 될 것으로 기대된다.

개발 과제의 배경

◇ 세계적으로 급속하게 진행된 산업화와 도시화로 물은 심각하게 오염되었으나 세계적인 인구증가로 인한 수요량 또한 급격히 증가해 최근 사용가능한 물마저 점점 부족해지고 있다. 이에 더해 최근 기후 변화로 가뭄이 빈번하게 발생하면서 물 부족 문제를 심화시키고 있다. 지난 2008년 7월 UN은 세계 물 부족 인구가 현재 7억 명에서 2025년에는 30억 명에 이를 것으로 전망하고 있다. 우리나라도 산업의 발달과 생활수준의 향상으로 인하여 물 수요량은 매년 증가하고 있으며, 1인당 강수량(연 2,591㎥)이 세계 평균의 약 1/8 수준이다. 특히 하천 취수율이 36%에 그쳐 물에 관한 스트레스가 높은 국가군에 속한다. 따라서 국내 뿐 아니라 전 세계적으로 수처리 기술은 미래의 중요한 지속가능기술로 급부상하고 있다.

◇ 우리나라의 수자원은 대부분 강수를 이용하고 있으나, 강수량의 계절적 편차가 심해 우기인 7∼8월에 전체 강수량의 60% 이상 집중돼 있어 건기에는 수량부족 현상을 겪고 있다. 수자원의 지역적인 편차 또한 존재하여 일부 지역에서는 용수부족으로 생산 활동에 차질을 빚고 있다. 이러한 물 부족 상황에 대처하기 위해 댐 건설 등의 방법으로 수자원을 확보하는 정책을 추진해왔으나, 환경파괴 논란 및 민원 등으로 댐 설치는 한계에 도달하여 새로운 수자원의 개발이 필요하게 되었다. 이와 같은 배경으로 수자원 관리 및 개발을 위한 하수 처리한 물의 재이용이 확산되고 있는 추세이다. 버려진 하수를 물 재이용 기술을 이용해 공업용수로 재활용하는 경우가 늘고 있으며, 산업의 발달로 공업용수 수요가 크게 늘면서 전국 각지에 하수 재이용 시설이 들어서고 있다.

개발 과제의 목표 및 내용

◇ 현재 과학기술의 어떤 분야든 가장 뜨거운 주제 중 하나는 단연 친환경이다. 이러한 시대적 흐름에 따라 다양한 산업현장에서 사용되는 화학물질들에 의해 야기된 수질오염이 주요한 문제로 떠오르고 있다. methylene blue(MB)라고 불려지는 cationic thiazine dye는 직물, 플라스틱, 펄프산업과 같은 다양한 화학적, 생물학적 공정에서 사용되고 있다. 중요한 것은 MB가 인간의 건강에 몇 가지 해로운 영향을 끼칠 수 있다는 것이다. 구체적으로 구토, 극도의 발한, 호흡곤란, 눈 따가움, 정신질환을 야기할 수 있다. 더구나 MB가 물에 존재하게 되면 빛의 투과를 방해해 수상 생태계에도 큰 영향을 끼친다.

◇ 이렇게 막대한 피해를 끼치는 MB를 적절하게 처리하기 위해 다양한 연구가 몇 십년간 연구되어 왔다. 최근에, 산화금속의 광촉매가 자외선과 가시광선에서 유기물 분해에 효과적인 것으로 밝혀졌다. 대표적으로 TiO2가 있고, 특히 rutile과 anatase에서 채취한 혼합 상으로 nano-powder를 제조했을 때 보다 높은 광분해 효율을 보였다. 하지만 TiO2는 밴드갭이 넓은 반도체로 광촉매 제조에 단독으로 쓰여서는 기대하는 효과를 거두기 힘들다. 따라서 다양한 금속 혹은 비금속과 헤테로 구조를 이루어 TiO2재료 자체가 갖고 있는 단점을 보완하여 사용된다. ◇ 현재 폐수 속에 존재하는 MB와 같은 유기물질을 효과적으로 처리하기 위해 기술은 대부분 정밀여과, 한외여과법, 역삼투법 등 막을 이용한 기술과 염소소독법 등 화학적 처리방법, 응집/침전법 같은 물리적 처리방법이 주를 이루고 있다. 하지만 이 방법들에는 몇 가지 문제점이 있다.

◇ 정밀여과나 한외여과에 사용되는 고분자 분리막의 경우 기공 크기를 이용한 다양한 처리 기술이 개발되었지만, 막오염이 크고, 열안정성이 낮으며, 폐분리막 폐기 시 환경문제를 야기하는 단점이 있다. 염소소독법의 화학적 처리방법은 비교적 고비용이며, 고분자 분리막의 짧은 수명으로 보다 경제적이며 정제효과가 뛰어난 재이용 기술이 필요한 실정이다. 또한, 하수처리 및 재이용에 일반적으로 많이 사용되는 소독제는 염소이나, 최근 들어 강화되는 환경법규와 염소 소독 시 발생되는 소독부산물의 위해성, 염소가스 저장 시 안전문제 등의 이유로 자외선(UV)을 이용한 소독공정이 1980년대부터 계속 증가하고 있다.

내용

구성원 및 추진체계

내용

설계

설계사양

제품의 요구사항

내용

설계 사양

내용

개념설계안

내용

이론적 계산 및 시뮬레이션

내용

상세설계 내용

내용

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

내용

포스터

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완료작품의 평가

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향후계획

내용

특허 출원 내용

내용

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 ====개발 과제의 배경====
- ◇ 세계적으로 급속하게 진행된 산업화와 도시화로 물은 심각하게 오염되었으나 세계적인 인구증가로 인한 수요량 또한 급격히 증가해 최근 사용가능한 물마저 점점 부족해지고 있다. 이에 더해 최근 기후 변화로 가뭄이 빈번하게 발생하면서 물 부족 문제를 심화시키고 있다. 지난 2008년 7월 UN은 세계 물 부족 인구가 현재 7억 명에서 2025년에는 30억 명에 이를 것으로 전망하고 있다. 우리나라도 산업의 발달과 생활수준의 향상으로 인하여 물 수요량은 매년 증가하고 있으며, 1인당 강수량(연 2,591㎥)이 세계 평균의 약 1/8 수준이다. 특히 하천 취수율이 36%에 그쳐 물에 관한 스트레스가 높은 국가군에 속한다. 따라서 국내 뿐 아니라 전 세계적으로 수처리 기술은 미래의 중요한 지속가능기술로 급부상하고 있다.
+◇ 세계적으로 급속하게 진행된 산업화와 도시화로 물은 심각하게 오염되었으나 세계적인 인구증가로 인한 수요량 또한 급격히 증가해 최근 사용가능한 물마저 점점 부족해지고 있다. 이에 더해 최근 기후 변화로 가뭄이 빈번하게 발생하면서 물 부족 문제를 심화시키고 있다. 지난 2008년 7월 UN은 세계 물 부족 인구가 현재 7억 명에서 2025년에는 30억 명에 이를 것으로 전망하고 있다. 우리나라도 산업의 발달과 생활수준의 향상으로 인하여 물 수요량은 매년 증가하고 있으며, 1인당 강수량(연 2,591㎥)이 세계 평균의 약 1/8 수준이다. 특히 하천 취수율이 36%에 그쳐 물에 관한 스트레스가 높은 국가군에 속한다. 따라서 국내 뿐 아니라 전 세계적으로 수처리 기술은 미래의 중요한 지속가능기술로 급부상하고 있다.
- ◇ 우리나라의 수자원은 대부분 강수를 이용하고 있으나, 강수량의 계절적 편차가 심해 우기인 7∼8월에 전체 강수량의 60% 이상 집중돼 있어 건기에는 수량부족 현상을 겪고 있다. 수자원의 지역적인 편차 또한 존재하여 일부 지역에서는 용수부족으로 생산 활동에 차질을 빚고 있다. 이러한 물 부족 상황에 대처하기 위해 댐 건설 등의 방법으로 수자원을 확보하는 정책을 추진해왔으나, 환경파괴 논란 및 민원 등으로 댐 설치는 한계에 도달하여 새로운 수자원의 개발이 필요하게 되었다. 이와 같은 배경으로 수자원 관리 및 개발을 위한 하수 처리한 물의 재이용이 확산되고 있는 추세이다. 버려진 하수를 물 재이용 기술을 이용해 공업용수로 재활용하는 경우가 늘고 있으며, 산업의 발달로 공업용수 수요가 크게 늘면서 전국 각지에 하수 재이용 시설이 들어서고 있다.
+◇ 우리나라의 수자원은 대부분 강수를 이용하고 있으나, 강수량의 계절적 편차가 심해 우기인 7∼8월에 전체 강수량의 60% 이상 집중돼 있어 건기에는 수량부족 현상을 겪고 있다. 수자원의 지역적인 편차 또한 존재하여 일부 지역에서는 용수부족으로 생산 활동에 차질을 빚고 있다. 이러한 물 부족 상황에 대처하기 위해 댐 건설 등의 방법으로 수자원을 확보하는 정책을 추진해왔으나, 환경파괴 논란 및 민원 등으로 댐 설치는 한계에 도달하여 새로운 수자원의 개발이 필요하게 되었다. 이와 같은 배경으로 수자원 관리 및 개발을 위한 하수 처리한 물의 재이용이 확산되고 있는 추세이다. 버려진 하수를 물 재이용 기술을 이용해 공업용수로 재활용하는 경우가 늘고 있으며, 산업의 발달로 공업용수 수요가 크게 늘면서 전국 각지에 하수 재이용 시설이 들어서고 있다.
 ====개발 과제의 목표 및 내용====
 ◇ 현재 과학기술의 어떤 분야든 가장 뜨거운 주제 중 하나는 단연 친환경이다. 이러한 시대적 흐름에 따라 다양한 산업현장에서 사용되는 화학물질들에 의해 야기된 수질오염이 주요한 문제로 떠오르고 있다. methylene blue(MB)라고 불려지는 cationic thiazine dye는 직물, 플라스틱, 펄프산업과 같은 다양한 화학적, 생물학적 공정에서 사용되고 있다. 중요한 것은 MB가 인간의 건강에 몇 가지 해로운 영향을 끼칠 수 있다는 것이다. 구체적으로 구토, 극도의 발한, 호흡곤란, 눈 따가움, 정신질환을 야기할 수 있다. 더구나 MB가 물에 존재하게 되면 빛의 투과를 방해해 수상 생태계에도 큰 영향을 끼친다.
-그림 . MB의 구조
- ◇ 이렇게 막대한 피해를 끼치는 MB를 적절하게 처리하기 위해 다양한 연구가 몇 십년간 연구되어 왔다. 최근에, 산화금속의 광촉매가 자외선과 가시광선에서 유기물 분해에 효과적인 것으로 밝혀졌다. 대표적으로 TiO2가 있고, 특히 rutile과 anatase에서 채취한 혼합 상으로 nano-powder를 제조했을 때 보다 높은 광분해 효율을 보였다. 하지만 TiO2는 밴드갭이 넓은 반도체로 광촉매 제조에 단독으로 쓰여서는 기대하는 효과를 거두기 힘들다. 따라서 다양한 금속 혹은 비금속과 헤테로 구조를 이루어 TiO2재료 자체가 갖고 있는 단점을 보완하여 사용된다.
+◇ 이렇게 막대한 피해를 끼치는 MB를 적절하게 처리하기 위해 다양한 연구가 몇 십년간 연구되어 왔다. 최근에, 산화금속의 광촉매가 자외선과 가시광선에서 유기물 분해에 효과적인 것으로 밝혀졌다. 대표적으로 TiO2가 있고, 특히 rutile과 anatase에서 채취한 혼합 상으로 nano-powder를 제조했을 때 보다 높은 광분해 효율을 보였다. 하지만 TiO2는 밴드갭이 넓은 반도체로 광촉매 제조에 단독으로 쓰여서는 기대하는 효과를 거두기 힘들다. 따라서 다양한 금속 혹은 비금속과 헤테로 구조를 이루어 TiO2재료 자체가 갖고 있는 단점을 보완하여 사용된다.
- ◇ 현재 폐수 속에 존재하는 MB와 같은 유기물질을 효과적으로 처리하기 위해 기술은 대부분 정밀여과, 한외여과법, 역삼투법 등 막을 이용한 기술과 염소소독법 등 화학적 처리방법, 응집/침전법 같은 물리적 처리방법이 주를 이루고 있다. 하지만 이 방법들에는 몇 가지 문제점이 있다.
+◇ 현재 폐수 속에 존재하는 MB와 같은 유기물질을 효과적으로 처리하기 위해 기술은 대부분 정밀여과, 한외여과법, 역삼투법 등 막을 이용한 기술과 염소소독법 등 화학적 처리방법, 응집/침전법 같은 물리적 처리방법이 주를 이루고 있다. 하지만 이 방법들에는 몇 가지 문제점이 있다.
- ◇ 정밀여과나 한외여과에 사용되는 고분자 분리막의 경우 기공 크기를 이용한 다양한 처리 기술이 개발되었지만, 막오염이 크고, 열안정성이 낮으며, 폐분리막 폐기 시 환경문제를 야기하는 단점이 있다. 염소소독법의 화학적 처리방법은 비교적 고비용이며, 고분자 분리막의 짧은 수명으로 보다 경제적이며 정제효과가 뛰어난 재이용 기술이 필요한 실정이다. 또한, 하수처리 및 재이용에 일반적으로 많이 사용되는 소독제는 염소이나, 최근 들어 강화되는 환경법규와 염소 소독 시 발생되는 소독부산물의 위해성, 염소가스 저장 시 안전문제 등의 이유로 자외선(UV)을 이용한 소독공정이 1980년대부터 계속 증가하고 있다.
+◇ 정밀여과나 한외여과에 사용되는 고분자 분리막의 경우 기공 크기를 이용한 다양한 처리 기술이 개발되었지만, 막오염이 크고, 열안정성이 낮으며, 폐분리막 폐기 시 환경문제를 야기하는 단점이 있다. 염소소독법의 화학적 처리방법은 비교적 고비용이며, 고분자 분리막의 짧은 수명으로 보다 경제적이며 정제효과가 뛰어난 재이용 기술이 필요한 실정이다. 또한, 하수처리 및 재이용에 일반적으로 많이 사용되는 소독제는 염소이나, 최근 들어 강화되는 환경법규와 염소 소독 시 발생되는 소독부산물의 위해성, 염소가스 저장 시 안전문제 등의 이유로 자외선(UV)을 이용한 소독공정이 1980년대부터 계속 증가하고 있다.
 ===관련 기술의 현황===