• 공업화학
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• 제34권5호
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• pp.529-533
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• 2023

우리 일상에서 대량으로 생성되는 리그노셀룰로즈(lignocellulose) 물질인 커피 찌꺼기(coffee grounds)를 탄화하여 얻어지는 탄소 소재의 전기화학적 특성과 흡착 성능을 고찰하였다. 커피 찌꺼기를 섭씨 600도 정도의 상대적 저온에서 탄화하여 얻어지는 탄소의 형태적 구조를 주사전자현미경(scanning electron microscope, SEM)으로 고찰하였다. Raman 분석을 통하여 얻어진 탄소 재료의 결정성 정보를 얻었다. 기본적인 전기적 특성을 간단한 옴의 관계(Ohmic relation)를 통하여 확인하였다. 나아가, 탄화된 재료가 리튬 이차 전지의 음극(anode) 소재로 활용될 수 있는지 여부를 반쪽 전지(half-cell) 충방전(charge/discharge) 테스트를 통해 살펴보았으며, 초기 음극재의 비용량은 약 520 mAh/g으로 나타났다. 이어서, 커피 찌꺼기 탄화로 얻어진 탄소 소재의 다공성 구조로 인해 분자를 흡착할 수 있음을 자외선(ultraviolet, UV) 흡광도(absorption) 측정을 통해 확인하였다. 탄소 소재의 표면 개질을 통해 극성이 다른 분자들의 선택적으로 흡착할 수 있음을 추가로 확인하였다. 본 연구는 향후 목질계 폐기물의 활용에 대한 중요한 정보를 제공할 것이다.

• 청정기술
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• 제30권2호
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• pp.113-122
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• 2024

본 연구에서는 이산화탄소 자원화의 일환으로 실험실 규모의 직접 수성탄산화 반응기를 이용하여 소각재와 더불어 탈황 석고, 저급 생석회 및 제강슬래그 등 다양한 알칼리성 산업부산물 6종을 대상으로 이산화탄소 포집 특성을 고찰하였다. 각 시료별 용해 특성과 더불어 반응 전, 후 열중량 분석을 통해 주요 반응 구조를 확인할 수 있었고, 이를 통해 반응성 CaO 함량을 정의하였다. 실험 결과, 생석회의 포집 용량 및 효율은 각각 473 g/kg, 86.9%로 결정할 수 있었으며, 탈황석고 및 소각재 역시 각각 51.1 ~ 131.7 g/kg, 51.2 ~ 87.7% 수준으로 비교적 높게 평가할 수 있다. 이에 반해 제강슬래그의 경우 생성 및 후처리 조건의 영향으로 포집 효율은 10% 미만으로 나타났으며 탄산화 공정 적용을 위해 생산 조건에 따른 영향에 대한 최적화가 요구된다. 본 연구를 통해 소각재를 비롯하여 생석회 및 탈황석고의 이산화탄소 포집특성이 이산화탄소 포집 공정 적용에 적절한 수준으로 판단할 수 있었으며, 이산화탄소전환 탄산칼슘의 건설소재 등 자원화 기술 개발의 기초자료를 확보할 수 있었다.

• 대한환경공학회지
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• 제30권6호
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• pp.659-665
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• 2008

본 연구는 서울특별시 소재 S 물재생센터의 하수슬러지 소각로에서 발생하는 비산재를 이용한 제올라이트 합성에 관한 것이다. 이를 위해 출발물질로서 소각비산재의 특성, 제올라이트 합성을 위한 수열반응조건, 합성된 제올라이트의 적용성을 조사하였다. 하수슬러지 소각 비산재에는 중량으로 각각 42.8%와 21.2%로 많은 양의 SiO$_2$와 Al$_2$O$_3$를 함유하고 있어, 제올라이트 합성의 출발물질로 이용이 가능하였다. 소각 비산재의 중금속 유해성 파악을 위해 용출시험과 함유량 시험을 실시하였는데, 용출시험 결과는 폐기물관리법에서 규제하는 용출기준에 비해 매우 적은 양이 검출되었으나, 함유량 시험에서는 비료관리법 상의 보통 비료 중 유기질 비료 및 부산물 비료의 중금속 위해성 기준을 초과하였다. 수열반응 결과, 주로 생성된 제올라이트는 analcime과 zeolite P1이었다. Analcime은 teflon 반응용기에서 생성되었고, 최적의 반응조건은 알칼리(NaOH)용액의 농도 1 N, 합성온도 135$^{\circ}C$, 합성시간 16시간이었다. 한편, Zeolite P1은 붕규산 유리질 반응용기에서 합성되었고, 알칼리(NaOH)용액 농도 5 N, 합성온도 130$^{\circ}C$, 합성시간 16시간에서 가장 많은 양이 합성되었다. 수열반응 후의 유해 중금속 함유량은 합성전과 비교하여 analcime 생성물에서는 비슷한 수준으로, zeolite P1 생성물에서는 약 절반 정도 감소하였다. 합성된 제올라이트의 성능은 암모늄 이온의 교환정도로서 파악하였는데, 소각 비산재에서 0$\sim$1.0 mg NH$_4{^+}$/g, analcime합성물 3.0$\sim$7.4 mg NH$_4{^+}$/g, 그리고 zeolite P1합성물에서 14.6$\sim$17.8 mg NH$_4{^+}$/g이었다. 천연 제올라이트인 clinoptilolite와 phillipsite의 암모니아 제거능력이 15$\sim$35 mg NH$_4{^+}$/g 정도인데, 본 연구에서는 zeolite P1합성물이 이 범위를 충족하였다. 이러한 관점에서 하수슬러지 소각 비산재를 이용한 제올라이트 합성은 폐기물 재활용의 좋은 대안이 될 수 있을 것으로 판단된다.

• 대한환경공학회지
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• 제31권11호
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• pp.997-1006
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• 2009

본 연구에서는 음폐수를 대상으로 5 톤/일 처리규모의 막결합형 2상 혐기성 소화(TPADUF) 플랜트를 운영하며 유기물 제거효율 및 메탄 발생량을 파악하고, 소화가스를 이용한 발전 가능성 및 분리막 적정 운영방안을 검토하였다. 고온 산발효조, 중온 메탄조 및 UF 막으로 구성된 처리 시스템에서 평균 TCOD가 150 g/L인 음폐수를 유기물 부하 11.1 g COD/L/d까지 증가시키며 처리한 결과 최종 유출수의 TCOD는 6 g/L 이하이었으며, TCOD 및 SCOD 제거효율은 모두 95% 이상이었다. 소화 가스의 메탄 구성비는 65%이었으며, 회수된 메탄량은 시스템에서 일부 가스가 누출되었음에도 39 $m^3/m^3$ 음폐수 주입량, 260 $m^3$/톤 COD유입량, 또는 270 $m^3$/톤 COD제거량 이었다. 소모된 가스량 당 발전량은 0.96 kWh/$m^3$ 가스, 또는 1.49 kWh/$m^3$ 메탄으로 다소 낮았으나 이는 소용량 발전기(15 kW급)의 저효율에 기인한 것이다. 분리막은 평균 flux 10 L/$m^2$/hr에서 운전하였으며, 운전 중 flux가 감소하였을 때는 물 또는 화학적(NaOCl)세정을 실시하여 회복시킬 수 있었다. TPADUF 플랜트에서는 메탄조 내액 또는 분리막 농축액을 산발효조로 반송함으로써 산발효조의 pH를 별도의 약품 주입 없이 적정 수준을 유지할 수 있었으며, 산발효조에서 부분적인 메탄생성을 통해 메탄조의 유기물 부하를 낮추는 효과도 있었다.

• 한국축산시설환경학회지
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• 제17권sup호
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• pp.61-68
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• 2011

본 연구는 가축분뇨 처리시설의 평가 및 최적 선택의 의사결정에 있어서, 시설물은 내구성이 있는 자산이므로 내용연수 전 기간에 걸친 비용측면에서의 경제성이 고려되어야 하는 바, 이를 위하여 LCC (Life Cycle Cost) 기법의 적용 가능성을 검토하고자 수행하였다. 경제성의 비교 분석을 위해 양돈 분뇨 1일 100톤 처리규모의 공동자원화시설 설치 공법들 중 4개 공법에 대한 시설투자 및 연간 운영비를 조사하였는데, 초기 투자비는 2,699~3,202 백만원 수준으로 T 공법이 가장 높았고 E 공법이 가장 낮았다. 연간 운영비에 있어서는 378~498 백만원 수준으로 T 공법, J 공법, E 공법, B 공법 순으로 유리한 것으로 조사되었다. LCC 분석을 위해 한국은행 및 통계청의 10년간 ('00~'09) 자료를 이용하여 이자율 (4.7%), 물가상승율 (3.13%), 실질 할인율 (1.52%)를 기준하고, 현가계수 산정을 위해 내용연수를 토목 건축 (30년), 기계 (10년), 전기계장 (15년) 으로 기준하였다. 이를 바탕으로 한 분석 결과, 톤당 운영비로 보면 17,570~18,998원/톤 수준으로서 E공법이 17,570원/톤으로 가장 낮은 반면, B 공법이 20,661원/톤으로 가장 높아 상대적으로 가장 비경제적이었다. 특히 초기투자비가 높더라도 연간 운영비가 낮은 T 공법이 초기투자비는 T 공법보다 낮으나 연간 운영비가 상대적으로 높은 B 공법에 비해 LCC가 낮게 평가되었다. 따라서 가축분뇨 처리시설의 경제적 측면에서의 공법 선택에 있어서는 초기시설투자비 또는 연간 운영비 중 어느 한쪽만 평가하여 결정하기 보다는 LCC 분석을 적용하여 평가하는 것이 합리적임을 알 수 있다. 또한 경제성 분석에 있어서, 불확실성에 따른 LCC 분석 결과의 변화를 파악하기 위해 '00~'09년 간의 할인율 변동폭을 적용하여 민감도분석을 실시한 결과, 변동범위 안에서 변화하더라도 각 대안별 비용우위에 대한 변화는 달라지지 않아 안정적이라고 할 수 있다. 따라서 LCC를 이용한 경제성 평가는 가축분뇨 처리시설의 선택을 위한 의사결정에 유용한 평가 지표가 될 수 있으리라 판단된다. 향후 분석의 신뢰성 제고와 활성화를 위해서는 각 비용요소들에 대해 공신력 있는 데이터베이스 구축이 대단히 중요하며, 아울러 시설평가 시 정성적인 요인도 고려할 수 있는 연구가 추가적으로 이루어져야 할 것이다.

• 자원환경지질
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• 제50권4호
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• pp.257-266
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• 2017

본 연구에서는 초임계 $CO_2$($scCO_2$)를 이용하여 폐콘크리트 순환골재와 반응한 용출수의 pH를 9.8 이하로 유지시켜(중성화) 재활용할 수 있는 기술을 개발하기 위한 실내 배치실험을 수행하였다. 실험재료로는 건설폐기물중간처리업체에서 제공받은 세 종류의 순환골재를 사용하였으며, 각 종류별로 골재 입자크기 별로 선별하여 총 7개의 시료를 사용하였다. 먼저 $scCO_2$-물-순환골재 반응에 의해 순환골재의 pH가 지속적으로 낮게 유지되는지를 확인하는 반응실험을 수행하였다. 스테인레스강철로 만들어진 고압셀(150 mL 용량)에 테플론 비이커를 고정시킨 후, 3차 증류수 70 mL와 순환골재 시료 35 g을 혼한한 후 고압용 오븐과 고압시린지 펌프 및 압력조절 장치를 이용하여 10 MPa(100 bar), $50^{\circ}C$ 조건에서 50일간 반응시켰다. 반응시간(1, 5, 10, 15, 30, 50일)에 따른 증류수의 pH, 용존 양이온과 음이온 농도를 측정하였다. $scCO_2$ 반응에 의한 순환골재의 지화학적 및 광물학적 변화를 확인하기 위하여 반응 전/후 XRD, SEM-EDS 등의 분석을 실시하였다. 마지막으로 $scCO_2$ 반응 후 순환골재의 용출수 pH 변화를 용출실험을 통하여 규명하였다. $scCO_2$-물-순환골재 반응 결과, 반응 전 순환골재의 pH는 평균 12보다 높은 값을 나타내었으나, $scCO_2$와 반응한 지 1시간 경과 후 증류수의 pH는 7이하로 낮아졌고 반응 50일 까지 pH가 8 이하로 안정되게 유지되었다. 순환골재 종류와 관계없이 $scCO_2$와의 용해 반응에 의해 수용액 내 $Ca^{2+}$, $Si^{4+}$, $Mg^{2+}$, $Na^+$ 이온들의 농도가 증가하였으며, $scCO_2$ 반응 후 골재의 XRD, SEM-EDS 분석 결과, 다량의 방해석과 일부 무정형의 규산염과 수산화물이 침전되었다. $scCO_2$로 처리하지 않은 순환골재의 용출수 pH는 용출 시간에 관계없이 12-13을 유지하였으나, $scCO_2$로 50일 처리한 경우와 1일 처리한 순환골재의 경우 모두, 입자크기와 관계없이 용출수의 pH가 9이하를 유지하여 건설현장에서 순환골재의 재활용이 가능할 것으로 판단되었다.

• 마이크로전자및패키징학회지
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• 제27권4호
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• pp.83-89
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• 2020

지난 수십년간 인류에게 핵심적인 에너지 자원이었던 화석연료가 갈수록 고갈되고 있고, 산업발전에 따른 오염이 심해지고 있는 환경을 보호하기 위한 노력의 일환으로, 친환경 이차전지, 수소발생 에너지 장치, 에너지 저장 시스템 등과 관련한 새로운 에너지 기술들이 개발되고 있다. 그 중에서도 리튬이온 배터리 (Lithium ion battery, LIB)는 높은 에너지 밀도와 긴 수명으로 인해, 대용량 배터리로 응용하기에 적합하고 산업적 응용이 가능한 차세대 에너지 장치로 여겨진다. 하지만, 친환경 전기 자동차, 드론 등 증가하는 배터리 시장을 고려할 때, 수명이 다한 이유로 어느 순간부터 많은 양의 배터리 폐기물이 쏟아져 나올 것으로 예상된다. 이를 대비하기 위해, 폐전지에서 리튬 및 각종 유가금속을 회수하는 공정개발이 요구되는 동시에, 이를 재활용할 수 있는 방안이 사회적으로 요구된다. 본 연구에서는, 폐전지의 재활용 전략소재 중 하나인, 리튬이온 배터리의 대표적 양극 소재 Li2CO3의 나노스케일 패턴 제조 방법을 소개하고자 한다. 우선, Li2CO3 분말을 진공 내 가압하여 성형하고, 고온 소결을 통하여 매우 순수한 Li2CO3 박막 증착용 3인치 스퍼터 타겟을 성공적으로 제작하였다. 해당 타겟을 스퍼터 장비에 장착하여, 나노 패턴전사 프린팅 공정을 이용하여 250 nm 선 폭을 갖는, 매우 잘 정렬된 Li2CO3 라인 패턴을 SiO2/Si 기판 위에 성공적으로 형성할 수 있었다. 뿐만 아니라, 패턴전사 프린팅 공정을 기반으로, 금속, 유리, 유연 고분자 기판, 그리고 굴곡진 고글의 표면에까지 Li2CO3 라인 패턴을 성공적으로 형성하였다. 해당 결과물은 향후, 배터리 소자에 사용되는 다양한 기능성 소재의 박막화에 응용될 것으로 기대되고, 특히 다양한 기판 위에서의 리튬이온 배터리 소자의 성능 향상에 도움이 될 것으로 기대된다.