보고서 정보
주관연구기관 |
경북대학교 KyungPook National University |
보고서유형 | 최종보고서 |
발행국가 | 대한민국 |
언어 |
한국어
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발행년월 | 2013-04 |
과제시작연도 |
2012 |
주관부처 |
교육과학기술부 Ministry of Education and Science Technology(MEST) |
등록번호 |
TRKO201300034443 |
과제고유번호 |
1345175343 |
사업명 |
중견연구자지원 |
DB 구축일자 |
2013-12-21
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키워드 |
태양광 활용 시스템.막결합형 광촉매 반응기.투과성 분리막 전극.폐수 재이용.미량오염물질.광전기화학반응.태양광 에너지.물 가수분해.수소 생성.Solar-Driven Process.Photocatalytic Reactor.Permeable Electrode Membrane.Wastewater Reuse.Micropollutants.Photoelectrochemistry.Solar Energy.Water Splitting.Hydrogen Fuel.
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초록
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연구의 목적 및 내용
본 연구에서는 수질을 고급화하고 하폐수를 새로운 수자원으로 활용하기 위해 독성 및 잔류성이 높은 미량 오염물질을 완전 분해하면서 동시에 수소를 생성할 수 있는 태양광 구동 분리막 전극을 제조하여 모듈화, 시스템화하였다. 수처리 효율, 수소 생성률 차원에서 시스템을 최적화하고, 다양한 원수 특성 및 운전조건에 대하여 성능을 비교 평가하여 적정 시스템 설계 및 운전 인자를 도출하였다. 궁극적으로는 수질관리 및 수자원 확보를 위한 첨단 에너지 절약형 핵심 요소 기술 및 시스템을 개발하였다.
연구결과
연구의 목적 및 내용
본 연구에서는 수질을 고급화하고 하폐수를 새로운 수자원으로 활용하기 위해 독성 및 잔류성이 높은 미량 오염물질을 완전 분해하면서 동시에 수소를 생성할 수 있는 태양광 구동 분리막 전극을 제조하여 모듈화, 시스템화하였다. 수처리 효율, 수소 생성률 차원에서 시스템을 최적화하고, 다양한 원수 특성 및 운전조건에 대하여 성능을 비교 평가하여 적정 시스템 설계 및 운전 인자를 도출하였다. 궁극적으로는 수질관리 및 수자원 확보를 위한 첨단 에너지 절약형 핵심 요소 기술 및 시스템을 개발하였다.
연구결과
본 연구과제의 내용은 크게 1) 투과성 분리막 전극 제조 및 특성 평가, 2) 분리막 코팅을 위한 태양광 활성 촉매 제조 및 특성평가, 3) 광전기화학반응 특성 연구 및 시스템 평가, 4) 가수분해 수소 생성 및 에너지 저감 연구, 5) 반응 동력학, 모델링 및 시뮬레이션 연구로 구분된다. 연구내용을 요약하면 다음과 같다.
전극 및 분리막으로써의 양쪽 작용을 할 수 있는 투과성 메탈 분리막 전극을 제조하고 전극 표면의 특성을 평가하였다. 분리막 전극을 하수 고도처리 및 수소생성에 적용하여 그 효율을 평가했다. 또한 전기화학반응에 의한 유기물 분해 및 수소 생성률을 평가하기 위해 전압을 변화시키며 유기물의 산화 분해 정도를 비교하여 최적 조건을 파악하였다. 또한 분리막 전극을 모듈화하고 막여과 시스템을 구성하여 운전성능을 평가하였다.
분리막 전극의 안정성과 성능을 극대화하기 위해 다양한 물질을 이용한 코팅방법을 개발하였다. 특히, 가시광 영역에서도 활성을 가지는 물질을 개발하여 물질구조, 광화학적 특성을 평가하였다. 전기화학적인 반응 메카니즘을 규명하고 반응 생성물의 화학적 조성을 파악하여 전극을 최적화했다.
태양광을 에너지원으로 하여 구동될 수 있는 막결합형 하이브리드 촉매 시스템을 구축하고 연속운전으로 수행하였을 때 전기화학적, 광화학적, 수리학적 운전 인자들이 미량오염물질(1,4-dioxane, bisphenol A 등)의 광화학적 분해 특성을 파악하고 자연산 유기물 등과의 molecular coordination을 모델링하였다.
연구결과의 활용계획
연구결과의 활용방안 및 기대효과는 다음과 같다. 1) 막결합형 태양광 촉매 시스템은 수질 고급화, 에너지 효율의 획기적 개선으로 기후변화, 지속가능한 물이용에 능동적으로 대응하는 신개념 기술로 광범위하게 활용될 수 있다. 2) 내분비계 장애물질, 의약품류, 개인관리용품 등을 포함한 미량 독성 유기물을 제거할 수 있으므로 다양한 산업폐수와 농업폐수 재생 및 재이용, 고도 정수처리, 해수 담수화 등에 폭넓게 활용될 수 있다. 3) 수자원 개발 및 에너지 이용의 고효율화, 환경 및 생태계의 보호․보전, 첨단 환경기술 확보를 통해 신뢰성 있고 저비용의 생활환경을 조성하여 국민들이 쾌적하고 안정되며 즐거운 생활을 영위할 수 있는 사회기반을 확충한다. 4) 수질 및 에너지 분야의 기술적 접목을 통해 신기술 영역을 발굴함으로써 산학연 연구 활성화 및 산업화의 촉매제 역할이 기대된다. 5) 문헌 연구 및 실험, 교육훈련, 국제학술회의 발표 등을 통해 글로벌 사회에 적합한 창의성, 독립성, 생산성을 갖춘 고급 연구 인력을 양성할 수 있다.
Abstract
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Purpose&contents
The focus of this research was to develop and investigate solar-driven permeable electrode membranes (PEMs) and their systems, which have dual functionalities of organic degradation and particle separation, for enhanced water reclamation and simultaneous hydrogen generation; to o
Purpose&contents
The focus of this research was to develop and investigate solar-driven permeable electrode membranes (PEMs) and their systems, which have dual functionalities of organic degradation and particle separation, for enhanced water reclamation and simultaneous hydrogen generation; to optimize contaminants treatability and hydrogen productivity under various solution and operating conditions; and thereby, to establish novel water mining strategies for sustainable water and energy.
Result
This research project was composed of the following five major tasks: 1) fabrication and characterization of PEMs; 2) design and manufacturing of the solar-driven photocatalytic membrane system; 3) enhanced micropollutant degradation and photoelectrochemistry; 4) hydrogen production and energy minimization; 5) reaction kinectics, modeling and simulation. The contents of the research were delineated as follows:
Bifunctional PEMs were fabricated and characterized in terms of organics degradation and hydrogen generation. The pore structure and surface morphology of the PEM prepared was analyzed by electron microscopy and porometry. The electrochemical activity was compared with conventional non-porous metal electrodes.
To enhance stability and electrochemical performance of PEM, novel photocatalysts were fabricated and characterized. Various combinations of anode and cathode were investigated to optimize the electrochemical system. Mechanistic studies on reaction mechanisms and byproducts identification were explored with solar-driven PEM modules. Addition of photocatalysts to the PEM reactor was evaluated with regard to organic removal and hydrogen production.
A solar-driven photocatalytic membrane system, connected to photovoltaic cells, was constructed with the selected PEM couples and a raked photoreactor plate. This hybrid system is applied for continuous decomposition of 1,4-dioxane. Oxidative organics degradation and cathodic hydrogen production are monitored under various electrochemical and hydraulic conditions.
Expected Contribution
The following outcomes and contributions are expected with the completion of this research: 1) The solar-driven hybrid system, developed for enhanced water reclamation with simultaneous hydrogen production, may provide an innovative solution for water and energy sustainability. 2) Broader impacts of this novel technology on high-quality water reuse and seawater desalination are expected. 3) Society's demands, such as safe water and affordable expenses, are met by the utilization of renewable resources. 4) The marriage of water and energy technologies may stimulate new areas of research and development, as well as industry and commerce. 5) The participants are well educated and trained to work in creative, independent, and productive manners.
목차 Contents
- 중견연구자지원사업(핵심연구) 최종보고서 ... 1
- 목차 ... 2
- 연구계획 요약문 ... 3
- 연구결과 요약문 ... 4
- SUMMARY ... 5
- 연구내용 및 결과 ... 6
- 1. 연구개발과제의 개요 ... 6
- (1) 수자원 확보와 수질 안전성 ... 6
- (2) 물과 에너지의 연관성 ... 8
- (3) 폐수 에너지화 ... 8
- (4) 폐수처리 및 전기화학적 수소 생성 ... 9
- 2. 국내외 기술개발 현황 ... 12
- 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 17
- 3.1. 투과성 메탈전극 제조 및 전극표면 평가 ... 17
- 3.2. 투과성 메탈전극 성능평가 ... 22
- 3.3. 전기화학 공정에 따른 유기물 분해 효율 및 수소 생성율 검토 ... 27
- 3.4. 태양광 구동 광전기화학적 시스템 구성 및 운전 ... 49
- 3.5. 가시광 영역에서 활성이 가능한 광촉매 개발 ... 60
- 4. 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 81
- 5. 연구결과의 활용계획 ... 82
- 6. 연구과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 83
- 7. 주관연구책임자 대표적 연구실적 ... 84
- 8. 참고문헌 ... 85
- 9. 연구성과 ... 88
- 10. 기타사항(해당사항 없음) ... 93
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