초록 ▼

○ 연구결과
본 연구에서는 본 연구팀이 발명한 독특한 광촉매 나노분말의 합성법인 용액연소법을 이용해서 ZnO광촉매 나노분말을 합성했고, 이러한 광촉매 나노분말을 고정화(immobilization)하는 고정화기술이 개발되었으며, 이를 이용해서 광촉매 수질정화시스템을 제작했다. 여기에 hole scavenger개념을 적용해서, 기존의 광촉매(TiO2 등)를 포함한 여러 가지 기존의 방법으로 제거가 어려운 질산성 질소를 가장 까다로운 조건인 음용수 수질기준을 충족시킬 수 있는 수준으로 제거하는 기술을 개발했다. 그리고 구리나 철 등

○ 연구결과
본 연구에서는 본 연구팀이 발명한 독특한 광촉매 나노분말의 합성법인 용액연소법을 이용해서 ZnO광촉매 나노분말을 합성했고, 이러한 광촉매 나노분말을 고정화(immobilization)하는 고정화기술이 개발되었으며, 이를 이용해서 광촉매 수질정화시스템을 제작했다. 여기에 hole scavenger개념을 적용해서, 기존의 광촉매(TiO2 등)를 포함한 여러 가지 기존의 방법으로 제거가 어려운 질산성 질소를 가장 까다로운 조건인 음용수 수질기준을 충족시킬 수 있는 수준으로 제거하는 기술을 개발했다. 그리고 구리나 철 등의 중금속에 대해서도 음용수 수질기준을 충족시킬 수 있는 수질정화기술을 개발했다.

Abstract ▼

Grounder water, one of the major sources of drinking water, is often contaminated with nitrate, particularly in intensively farmed agricultural regions. Nitrate and its metabolites are toxic for the human body, and can be particularly harmful to infants. The drinking ground water can also be contami

Grounder water, one of the major sources of drinking water, is often contaminated with nitrate, particularly in intensively farmed agricultural regions. Nitrate and its metabolites are toxic for the human body, and can be particularly harmful to infants. The drinking ground water can also be contaminated with metal ions which are generally non-degradable. They have infinite lifetimes and build up their concentrations to toxic levels. In recent years, arrays of industrial activities have been disturbing the geological equilibrium of metal ions through release of large quantities of toxic metal ions into the environment. Especially, heavy metal ions have been watched as chemical ions causing serious problems to the human body.
Various processes for the removal of nitrate and heavy metals in drinking water have been developed and current technologies include reverse osmosis, ion exchange and electrodialysis. These technologies are effective to remove relatively high concentration of pollutants. However, these are not applicable to very low concentrations such as maximum contaminant level for drinking water because of their low efficiencies.
In this study, ZnO photocatalysis technology was developed to solve this problem. The ZnO nanopowder was synthesized by a unique method(slolution combustion method) which was developed by this research team. The photocatalystic characteristics of the ZnO nanopowder were superior to existing photocatlysts such as P-25 $TiO_2$. The technology to immobilize the ZnO nanopowder was also developed. Based on these two technologies, a ZnO photocatalysis system was fabricated. This system was used to remove nitrate and heavy metal ions such as copper, lead and iron ions which are often observed in drinking ground water in agricultural regions. Photoreduction is required to remove these pollutants. It is necessary to maintain maximum number of photogenerated electrons and minimum number of photogenerated holes to enhance the photoreduction efficiency. Hole scavenger(0.2vol % ethanol) was therefore applied to the water to be purified. These superior ZnO photocatalyst and hole scavenger effects allowed us to satisfy the very strict contaminant control level for drinking water.

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제출문 ... 4
• 요약문 ... 4
• SUMMARY ... 7
• CONTENTS ... 9
• 목차 ... 10
• 제1장 연구개발과제의 개요 ... 13
• 제1절 과제의 개요 ... 13
• 제2절 질산성 질소오염 ... 14
• 제3절 중금속오염 ... 16
• 1. 구리오염이 인체에 미치는 영향 ... 16
• 2. 납오염이 인체에 미치는 영향 ... 17
• 3. 철오염이 인체에 미치는 영향 ... 18
• 제2장 국내외 기술개발 현황 ... 19
• 제3장 연구개발수행 내용 및 결과 ... 21
• 제1절 연구의 이론적 실험적 접근방법 ... 22
• 1. 광촉매의 동작 ... 22
• 2. ZnO광촉매 합성방법: 용액연소법 ... 23
• 3. 바인더를 이용한 광촉매 고정화 ... 24
• 제2절 연구내용 및 결과 ... 25
• 1. 음용지하수 정화시스템을 위한 광촉매 ZnO나노분말의 입체형 고정화 ... 25
• 가. 광촉매용 ZnO 나노분말의 고정화를 위한 최적 binder 개발 ... 26
• 나. 광촉매용 ZnO 나노분말의 고정화를 위한 최적 coating방법 개발 ... 30
• 다. 연구결과 ... 35
• 2. 음용지하수 정화시스템 개발 ... 35
• 가. 음용지하수 정화시스템 설계 ... 35
• 나. 음용지하수 정화시스템 제작 ... 39
• 다. 연구 결과 ... 43
• 3. 음용지하수 정화시스템의 특성분석 및 처리시험 ... 43
• 가. 음용지하수 정화시스템의 특성분석 ... 43
• 나. 음용지하수 정화시스템의 처리시험 ... 45
• (1) 질산성 질소의 제거시험 ... 46
• (2) 중금속 제거시험: 구리 (Cu) ... 51
• (3) 중금속 제거시험: 납 (Pb) ... 52
• (4) 중금속 제거시험: 철 (Fe) ... 54
• 다. 연구 결과 ... 55
• 제4장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 57
• 제1절 목표달성도 ... 57
• 1. 1차년도 목표달성도 ... 57
• 가. 연구개발 목표와 내용 및 평가의 착안점 ... 57
• 1) 연구개발 목표 ... 57
• 2) 연구평가의 착안점 ... 58
• 나. 연구개발 목표의 달성도 ... 59
• 1) 광촉매용 ZnO 나노분말의 제조기술 확립 ... 59
• 가) 70nm 이하의 광촉매용 ZnO 나노분말 제조기술 확립 ... 59
• 나) 합성된 광촉매용 ZnO 나노분말의 특성분석 ... 62
• (1) XRD pattern 분석 ... 62
• (2) SEM 분석 ... 64
• (3) Photoluminescence (PL) spectra 분석 ... 66
• 2) 분말형 농업용수 정화반응기 개발 ... 68
• 가) 광촉매용 ZnO 나노분말을 이용한 농업용수 정화반응기 개발 ... 68
• 나) 분말형 농업용수 정화반응기의 특성분석 ... 71
• (1) Pb이온 제거 특성 ... 71
• (2) Cu이온 제거 특성 ... 75
• 3) 분말형 정화시스템의 최적운전조건 확립 ... 80
• 가) 분말형 농업용수 정화반응기의 처리시험 최적운전조건 ... 80
• 나) 농업용수 중의 NO3-N 제거에 대한 자료조사 ... 82
• 2. 2차년도 목표달성도 ... 83
• 가. 연구개발 목표와 내용 및 평가의 착안점 ... 83
• 1) 연구개발 목표 ... 83
• 2) 연구평가의 착안점 ... 84
• 나. 연구개발 목표의 달성도 ... 85
• 1) 광촉매용 ZnO 나노분말의 고정화 재료 및 방법개발 ... 85
• 가) 바인더 후보군 선정 ... 85
• 나) 유기바인더 ... 86
• 다) 무기바인더 ... 86
• 라) 신개념 무기바인더의 개발 ... 87
• 마) 바인더선정을 위한 표면접촉각 측정 ... 87
• 2) 광촉매용 ZnO 나노분말의 고정화 특성분석 ... 90
• 3) 고정형 농업용수 정화반응기 개발 ... 96
• 4) 고정형 농업용수 정화반응기의 특성분석 ... 101
• 5) 폐수 중의 질산성질소 제거 ... 106
• 6) 고정형 정화시스템의 최적운전조건 확립 ... 106
• 3. 3차년도 목표달성도 ... 108
• 가. 연구개발 목표와 내용 및 평가의 착안점 ... 108
• 1) 연구개발 목표 ... 108
• 2) 연구평가의 착안점 ... 109
• 나. 연구개발 목표의 달성도 ... 110
• 1) 음용지하수 정화시스템을 위한 광촉매용 ZnO 나노분말의 최적 이용조건 개발 ... 110
• 가) 광촉매용 ZnO 나노분말의 고정화를 위한 최적 binder 개발 ... 110
• 나) 광촉매 ZnO 나노분말의 고정화를 위한 최적 coating방법 개발 ... 110
• 2) 음용지하수 정화시스템 설계 및 제작 ... 111
• 3) 음용지하수 정화시스템의 특성분석 및 처리시험 ... 111
• 제2절 관련분야에의 기여도 ... 112
• 1. 수질정화 분야에의 기여 ... 112
• 2. 관련 학문분야의 발전에 기여 ... 113
• 가. 논문 ... 113
• 나. 학회발표 ... 114
• 제5장 연구개발결과의 활용계획 ... 117
• 제1절 추가연구의 필요성 ... 117
• 제2절 타연구에의 응용 ... 117
• 제3절 기업화 추진방향 ... 118
• 제6장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 119
• 제7장 참고문헌 ... 120
• 끝페이지 ... 122