1조. 분뇨의 질주

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 난분해성 폐의약품 제거를 위한 TCSPC-MBR 복합기술

영문 : Combination of integrated membrane bioreactors and the TCSPC (TiO2 - Coconut Shell Powder Composite) for the removal of non-degradable drugs

과제 팀명

분뇨의질주

지도교수

한인섭 교수님

개발기간

2020년 3월 ~ 2020년 6월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 환경공학부 20114300** 최**(팀장)

서울시립대학교 환경공학부 20114300** 박**

서울시립대학교 환경공학부 20114300** 최**

서울시립대학교 환경공학부 20114300** 김**

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

◇ 폐의약품을 처리하는데 있어, 약국, 보건소 수거가 제대로 이루어지지 않기 때문에 폐수로 흘러가는 폐의약품이 존재하며, 폐수로 인한 수계오염이 문제로 거두되고 있다.

◇ 폐수로 흘러 들어가는 폐의약품 성분을 처리하기 위해 사용하는 공법에는 대표적으로 AOP와 MBR이 있지만, 두 방식으로도 처리되지 않는 물질이 아직 존재하고, 공법의 단점도 있어 이에 대한 개선이 필요하다.

◇ MBR 공법은 설비가 고가이며 막 성능유지를 위한 유지관리비가 높다는 단점이 있다. 게다가 독립형 MBR 시스템만으로는 로라티딘(Loratidine), 카르바 마제핀(Carbamazepin, CBZ) 및 하이드로클로로티아지드(Hydrochlorothiazide)와 같은 특정 의약품을 거의 제거 할 수 없다. 특히 우리가 익히 간질이라고 알고 있는 뇌전증의 치료 약물성분인 카르바 마제핀은 생물학적 분해에 대한 강한 저항성이 있으며 최대 30 %로 그 제거 효율이 낮다.

◇ 또한 산화환원 지시약이나 동물세포의 핵을 염색하는 데 사용되는 염료인 메틸렌블루(Methylene blue)는 1800년대 말부터 말라리아 치료제, 비뇨기계 진통제로 사용되기 시작했으며, 최근에는 중독치료제, 화장품 등 다양한 의학분야에서 사용되고 있다. 하지만 인체에 지속적인 노출될 시 급성 식도점막 손상, 아나필락시스 쇼크, 급성 폐부종 등의 부작용을 일으킨다.

◇ AOP 공법의 경우 화학물질을 효율적으로 처리할 수 있으나, 처리과정 중 나타나는 중간산물이 기존 화학물질보다 위험한 경우가 있기 때문에, 화학물질의 정확한 변화양상을 알고 있어야 사용 가능하다는 단점이 있다.

◇ 이에 화합물과 중간 부산물의 이차 오염을 발생시키지 않고, 낮은 운영 비용을 보이는 광촉매 TiO₂가 그에 대한 대안으로 사용되고 있지만 TiO₂는 비표면적이 작고, 수중에서의 TiO₂ 분말들은 쉽게 뭉쳐져서 광원에서 발생한 광자를 차단하여 전체적인 광촉매 산화력을 감소시킨다는 단점이 있다.

◇ 따라서 폐수 처리과정에 있어 폐의약품 성분을 효율적으로 제거하기 위해 기존의 MBR 공정에 TiO₂와 코코넛 껍질을 합성한 TSCPC를 이용한 필터를 사용하여 처리효율을 개선하고 카르바마제핀과 메틸렌블루에 대한 처리효율을 추가적으로 얻는 것을 이 설계의 목표로 둔다

개발 과제의 배경 및 효과

내용

개발 과제의 목표와 내용

내용

관련 기술의 현황

State of art

◇ 하수처리장 내 폐의약품 처리 현황

최근 의약물질의 자연계로의 유입을 방지하기 위해 하수 내에 함유된 잔류의약물질을 처리하기 위한 고도화된 하수처리공정들이 도입되고 있다. 위해성과 난분해성이 있는 유기물질의 처리효율을 높이기 위해 대표적으로 오존이나 과산화수소(H₂O₂), UV 등을 사용한 고도산화처리 기술, 활성탄 흡착공정, 막분리 공정 등이 있다.

◇ MBR 기술

MBR (Membrane bioreactor)은 일반적인 생물반응조와 분리막기술(MF막, UF막분리법 등)을 결합시킨 것으로 분리막생물반응기라고도 한다. MBR은 최초 및 최종 침전지가 필요 없고, 농축조의 부피 또한 감소되어 공간과 유지가 용이하다. 또한 추가슬러지가 발생하지 않아 수처리 후의 수질이 고도화되는 특징이 있다.

◇ 광촉매 TiO₂

광촉매는 빛을 받아서 광화학반응을 가속화시키는 물질을 통칭한다. TiO₂는 높은 산화·환원력과 더불어 광촉매능이 뛰어나고, 가격이 저렴할 뿐만 아니라 물리화학적으로 매우 안정하며, 인체에 무해한 물질로 알려져 있기 때문에 다양한 분야에서 많은 연구가 수행되어오고 있다.

TiO₂ 표면에 밴드갭 에너지 이상의 빛 에너지가 조사되면 가전도대(valence band)에 있는 전자가 전도대(conduction band)로 전이하면서, 전자(e−)와 정공(h+) 쌍이 생성된다. 가전도대에서 생성되는 정공은 산화반응에 기여하며, 표면에 흡착된 물 분자와 반응하여 하여 hydroxyl 라디칼(·OH)을 생성시키거나 직접 반응을 통하여 유기물을 산화시킨다. 전도대에서 생성되는 전자는 산소분자의 환원반응을 일으켜 superoxide 이온(·O2−)을 형성하고, 몇 단계의 추가 반응을 통하여 hydroxyl 라디칼을 생성시킨다. 정공과 전자에 의해서 생성된 hydroxyl 라디칼에 의해 유기물이 이산화탄소와 물로 분해될 수 있다.

◇ TiO₂-Coconut Shell Powder Composite (TCSPC)

위에서 설명했듯이 TiO₂는 친환경적 정화소재로 널리 사용되고 있으나, 낮은 비표면적으로 수중의 유기오염물질에 대한 낮은 흡착력을 보여준다. 또한 수중의 TiO₂분말들은 쉽게 뭉쳐져서 광원에서 발생한 광자를 차단하여 전체적인 광촉매 산화력을 감소시키거나 사용된 나노분말을 재사용하기 위해 필터링과 같은 분리공정을 반드시 거쳐야 하는 단점을 가지고 있다. 이러한 단점을 극복하기 위해 높은 비표면적을 가진 다양한 지지체를 TiO₂와 합성하게 되는데, 활성탄을 TiO₂의 지지체로 사용할 경우 광촉매 반응에 의해 분해된 유기오염물질에서 생성된 중간계물질들을 흡착하므로 잔류 오염물질을 완전히 처리할 수 있다. 따라서 높은 탄소함량과 낮은 무기물질 함량을 가지고 있는 농업 폐기물인 코코넛 껍질 분말을 이용하여 TiO₂와 합성한 후, 한 번의 탄화공정을 통해 새로운 형태의 코코넛 껍질 분말 복합체 (TiO₂-Coconut Shell Powder Composite : TCSPC)를 제조할 수 있는 것이 선행연구로 확인되었다.

기술 로드맵

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특허조사

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특허전략

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개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

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경제적 및 사회적 파급효과

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구성원 및 추진체계

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설계

설계사양

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개념설계안

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이론적 계산 및 시뮬레이션

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조립도

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조립순서

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부품도

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제어부 및 회로설계

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소프트웨어 설계

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자재소요서

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결과 및 평가

완료작품 소개

프로토타입 사진

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포스터

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특허출원번호 통지서

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개발사업비 내역서

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완료 작품의 평가

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향후평가

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부록

참고문헌 및 참고사이트

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소프트웨어 프로그램 소스

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