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

내용

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

특허조사

◇ 이산화티타늄 나노구조체가 결합된 분리막 및 그 제조방법

본 발명(공개특허 10-2014-0006188)은 이산화티타늄을 분리막에 고정시킴에 있어서 분리막의 비표면적이 감소되거나 분리막의 투과성능이 저하되는 것을 억제함과 함께 이산화티타늄 및 분리막에 의한 미량오염물질 제거 효율을 극대화할 수 있는 이산화티타늄 나노구조체가 결합된 분리막 및 그 제조방법에 관한 것이다.

◇ 광촉매 나노입자가 고정된 다공성 알루미나 멤브레인을 포함하는 수처리시스템, 이의 운전방법 및 이를 이용한 폐수의 정화방법

본 발명(공개특허 10-2014-0134990)은 광촉매 나노입자가 고정된 다공성 알루미나 멤브레인을 포함하는 수처리시스템 및 이를 이용한 폐수의 정화방법에 관한 것이다. 상세하게는 유기오염물질을 포함하는 폐수를 공급하는 공급부 및 상기 공급부로부터 폐수가 공급되고, 내벽으로는 복수 개의 자외선 램프가 구비되며, 그 내부로는, 광촉매 나노입자들이 고정된 복수 개의 다공성 알루미나 멤브레인을 포함하는 분리모듈이 구비되는 광촉매 반응기를 포함하는 시스템이다. 본 발명은 알루미나 멤브레인에 광촉매를 고정시키기 때문에 이를 다시 회수해야하는 추가 공정이 없어 비용을 절감할 수 있고, 광촉매를 안정적으로 고정화할 수 있는 고정방법을 개발하여, 알루미나 멤브레인을 이용하여 오염물질을 분리함과 동시에 광촉매를 이용하여 고도산화 수처리를 가능하게 함으로써 고효율의 수처리를 가능하게 한다.

특허전략

◇ 기존 고도 산화처리에 광촉매 반응기를 설치할 경우, 광촉매에 의한 분해 반응 후에 폐수로부터 미세 광촉매 입자를 제거하기 위해 후속곡정으로 MBR를 부가적으로 설치하여 사용하여야 했다.

◇ 게다가 막의 오염으로 인해 광촉매를 전부 회수하는 것이 어려우며, 처리장치 밖으로 유출되는 광촉매의 손실로 인한 처리비용 증가로 인한 문제점이 있다.

◇ 따라서 본 조는 위의 특허 방식을 접목하여 다른 광촉매보다 강한 산화력을 가지고 가격이 저렴한 TiO₂를 광촉매로 설정하고, 여기에 코코넛 껍질 파우더를 합성한 TCSPC 멤브레인에 접목시켜 이를 포함하는 TCSPC-MBR 수처리시스템을 개발하고자 한다.

관련 시장에 대한 분석

경쟁제품 조사 비교

◇ G&C 엔지니어링에서 2019년 개발한 ‘간헐적 미세기포주입 및 TIPS 재질 중공사막에 의한 막오염 저감형 MBR 기술’

- 장점 기존 사용하던 NIPS 재질의 분리막이 아닌 TIPS를 재질로 분리막을 만들었으며, 미세기포 발생장치 공정을 결합함으로써 기존 분리막 공정보다 송풍량을 저감했으며, 전체 전력 소비의 30% 이상을 저감시키는 효과가 확인됐다.

◇ 정우이엔티 2017년 개발한 ‘이삭 MBR 수처리 시스템’

- 장점 loT 기술이 적용돼 스스로 분리막을 진단하고, 이를 세정할 수 있다. 기존 MBR에 비해 세공비용이 저렴하고, 설치 공간이 작으며, 유지관리비를 절감할 수 있다. 물리세정볼을 사용해 MBR 파울링을 제거할 수 있으며, 슬러지 처리비용을 대폭 절감할 수 있다.

마케팅 전략

◇ 강점 - 기존 공정들에 비해 특정 화학물질(특히 CBZ)을 제거하는데 탁월한 효과를 보인다. - 기존에 사용된 TiO2를 개조함으로써 수거비용을 줄일 수 있다. - 전체 공정이 아닌 사용 막의 재질만을 바꾸기 때문에 교체 가격이 저렴하다.

◇ 약점 - MBR 공법의 특성상 선택한 대상물질만을 처리하기 때문에 처리할 수 있는 화학물질이 한정적이다.

◇ 기회 - 세계의 화학물질에 의한 위험성에 대한 관심이 커져감에 따라, 본 공법은 친환경 공정으로써 그 방향성이 세계적 추세와 같은 선상에 있다. 독일, 프랑스를 필두로 세계 주요 국가들의 친환경 정책이 추진되고 있는데, 추가적인 의약물질을 제거할 수 있는 것은 물론 이산화탄소 배출량을 저감할 수 있는 이 공법도 같은 목표를 지향하고 있다.

- 질병의 치료와 예방을 위해 의약품을 연구 및 제조하는 산업인 제약 산업은 바이오 산업과 더불어 5차 산업 혁명의 기반으로 주목 받고 있으며, 우리나라 역시 적극 투자하고 있는 산업 중 하나이다. 2018년 글로벌 의약품 시장의 규모는 1조 3492억 달러에 다다를 만큼 큰 해외 시장으로 지속적으로 더 많은 연구가 이루어 질 것으로 예상된다. 시장이 성장해나가고 있는 지금, 의약품의 처리 방법에 대한 관심의 필요성을 인식하고 미리 투자할 수 있도록 한다.

◇ 위협 - 사람에게 직접적으로 와 닿는 피해가 나타나지 않아, 본 공법에 대한 대중들의 필요성에 관한 인식이 부족하다. 따라서 본 공법의 처리효율을 최대한 부각하기 위해 현재 폐의약품으로 인한 수계오염의 실태를 알릴 필요가 있다.

-우리나라에서는 2010년 폐의약품 수거사업이 대대적으로 일어났지만, 법적 규제가 없고 지역마다 일관된 규칙이 없었고 처리비용의 책임소재에 대한 합의점을 찾지도 못하여 큰 효과를 얻지 못한 채 다시 방치되어 있는 수준이다.

◇ 판매대상 - 따라서 지자체, 국가적 차원에서 폐의약품 미세오염 물질 처리를 지원할 수 있도록 본 공법의 도입을 강력하게 주장할 수 있다.

- 이는 비단 우리나라뿐만 아니라 미국, 유럽 등 세계 각국에서도 염두하고 있는 문제이다. 따라서 국내를 비롯해 수계오염을 일으키는 폐의약품 관련 미세오염물질을 최대한 제거하고자 하는 다양한 국가 및 기업에 판매할 수 있다.

◇ 판매대상에게 호소하기 위한 전략 - 폐의약품 관련 투자에 대한 중요성을 인지시키기 위해 ‘5차 산업혁명’이라는 키워드를 강조할 필요가 있다. 의약품 시장의 규모가 성장하고 있는 모습과 함께 지금부터 사업에 참여하면 다른 국가들보다 한 발 앞서 주도권을 갖고 우위를 점할 수 있다는 점을 드러낸다. 이외에도 설계 공정 운영 시 갖게 되는 장점 중에서 ‘이산화탄소 저감’을 강조한다. 저탄소 성장은 모든 국가에서 내걸고 있는 목표이기 때문에 좋은 이미지를 얻을 수 있을 것으로 예상한다.

- 설계 공정이 가지는 효과를 극대화시켜 보여주기 위해 처리효율을 강조한다. 처리 대상물질의 위험성과 인체에 축적될 경우의 부작용도 함께 나타내주어 본 설계의 중요도와 필요성을 각인시킨다. 현재까지의 시민들의 폐의약품 처리에 대한 낮은 인식도 또한 함께 보여줄 필요가 있다.

- 한 편으로 실제 운영 이후의 방향에 대해서도 고민해본다. 공익광고, SNS를 이용한 홍보를 통해 국민 들을 대상으로 본 공법의 장점에 대해 설명하거나, 이미지에 대한 여론 조사를 실시하는 등 본 공정뿐만 아니라 국가적 차원에서 폐의약품 수거, 처리 방법에 대한 홍보를 병행하며 국민들의 관심을 얻는다. 더 나아가 폐의약품 처리와 관련해 정치적, 제도적인 지원을 통해 자연스럽게 제약 산업에 대한 관심도 증가시키며 ‘폐의약품처리 강국, 5차 산업혁명 선두 대한민국’으로 발돋움할 수 있는 첫걸음을 함께할 수 있다는 비전을 제시한다. 이 때, 2010년 사업이 실패로 돌아갔던 원인과 해결책을 면밀히 분석해낼 필요가 있다.

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

◇ 코코넛 껍질 분말을 이용하여 흡착능력을 높인다.

◇ 광촉매 산화력을 높인다.

◇ 난분해성 폐의약품 제거율을 높인다.

◇ 탄화공정의 감소를 통해 이산화탄소 배출량을 감소시킨다.

경제적 및 사회적 파급효과

◇ 막 제조 시 여러 번 합성할 필요 없이 단 한 번의 탄화 공정으로 진행하여 제조비용을 줄인다.

◇ 수체 속 의약물질을 제거함으로써 의약화학물질이 토양과 수계에 잔존하여 생태계 및 인간의 건강에 악영향을 미칠 수 있는 가능성을 줄인다.

◇ 의약물질의 환경 배출 억제를 위해 제안되고 있는 국제협약과 규제를 고려할 때, 국제적인 동향에 부합하는 공공이익을 추구한다.

◇ PPCPs 처리기술개발과 대책수립을 촉진시킨다.

◇ 더 나아가 폐의약품 관리에 대해 공학적 측면뿐만 아니라 정치적, 제도적 측면에서의 접근에 대한 필요성을 인식시킨다.

구성원 및 추진체계

내용

설계

개념설계안

막 모듈의 종류 Tublar membrane

Tubular membrane module은 모세관막과 할로파이버멤브레인과 유사한 기하하적 구조를 가지지만 규모의 차이가 크다. 이러한 관형 멤브레인은 5~25mm의 외경을 갖추고 있다. 또한 모세관막과 할로파이버막과는 다르게 독립적으로 쓰이지 않는다. 이러한 막은 다공성 스테인리스강, 세라믹 또는 플라스틱 튜브에 설치되는데, 이 때 튜브의 직경은 10mm이상이다. 모듈에 들어가는 튜브의 수는 4~18개까지 다양하지만 이 범위에 제한되지는 않는다. 이중 내부 직경이 비교적 높은 세라믹 튜브는 대부분 이러한 tublar module로 구성되는데, 열교환기 속 튜브와 유사하게 내부에 평행하게 위치한다. 공급 용액은 양극화의 영향을 피하기 위해 유로 입구를 크게 해유 속을 크게 유지시킨다. 반면 침투액은 선택적 막을 통해 전달된다. 이 모듈은 유체 역학 전난류의 형성이 용이해 농도 분극 및 오염에 대한 저항성이 크지만 비용이 상대적으로 높다는 특징을 가지고 있다. 또한 Tublarmodule은 고농도의 현탁액을 분리할 수 있다는 장점이 있지만 충진밀도는 300m2/m3 미만으로 다소 낮고 크기가 크다는 단점이 있다.

그림 1. Tubular membrane, 출처: Basic Equationsof Mass Transport Through a Membrane Layer (Second Edition), 2019

이론적 계산 및 시뮬레이션

내용

조립도

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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관련특허

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소프트웨어 프로그램 소스

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