보고서 정보
주관연구기관 |
경희대학교 Kyung Hee University |
연구책임자 |
고석오
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보고서유형 | 최종보고서 |
발행국가 | 대한민국 |
언어 |
한국어
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발행년월 | 2019-06 |
과제시작연도 |
2018 |
주관부처 |
과학기술정보통신부 Ministry of Science and ICT |
과제관리전문기관 |
한국연구재단 National Research Foundation of Korea |
등록번호 |
TRKO201900020443 |
과제고유번호 |
1711071062 |
사업명 |
개인기초연구(과기정통부)(R&D) |
DB 구축일자 |
2020-04-25
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키워드 |
고급 산화.나노 반응기.나노 촉매.라디칼.의약 물질.펜톤반응.코어-쉘.하수유출수.산화제.
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초록
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□ 연구개요
본 연구는 난분해성 독성오염물인 의약물질 (pharmaceuticals and personal care products, PPCPs)을 경제적, 안정적, 효율적으로 제거하기 위해, 독창적인 특수 구조의 나노반응기(nano-reactor) 제조 및 적용 기술을 개발하기 위한 것이다. 이를 위하여, 반응성 나노입자(core), 공동 (cavity)와 다공성 외벽으로 이루어진 나노반응기를 개발하고, 다양한 조건에서의 PPCPs 제거특성과 제거 메커니즘을 연구하며, 나노반응기 적용이 가능한 단위공정을 제안한다.
□ 연구개요
본 연구는 난분해성 독성오염물인 의약물질 (pharmaceuticals and personal care products, PPCPs)을 경제적, 안정적, 효율적으로 제거하기 위해, 독창적인 특수 구조의 나노반응기(nano-reactor) 제조 및 적용 기술을 개발하기 위한 것이다. 이를 위하여, 반응성 나노입자(core), 공동 (cavity)와 다공성 외벽으로 이루어진 나노반응기를 개발하고, 다양한 조건에서의 PPCPs 제거특성과 제거 메커니즘을 연구하며, 나노반응기 적용이 가능한 단위공정을 제안한다.
□ 연구 목표대비 연구결과
연구 목표에 따른 연구결과는 다음과 같다.
1. 나노반응기 개발: 반응성 나노입자 (Fe₃O₄), 공동, 그리고 mesoporous shell (SiO₂)로 구성된 yolk-shell 구조의 나노반응기 (Fe₃O₄@SiO₂)와 그 제조방법을 개발하였다. TEM, SEM, EDX, zeta potential, 질소 흡탈착, FTIR, XPS, XRD 등에 의해 특성을 분석하고 구조를 확인하였다.
2. PPCPs 제거능 평가: Fe₃O₄@SiO₂는 Fe₃O₄ 및 SiO₂에 비해 월등히 우수한 PPCPs(acetaminophen, ACT) 제거능과 라디칼 발생능을 나타내었으며, 반복 사용하여도 활성 저하가 거의 없어, 활성이 높고 안정적인 소재임을 나타내었다.
3. 다중 나노입자 나노반응기 개발: Fe₃O₄@SiO₂@Cu (Cu 나노입자 공정화 Fe₃O₄@SiO₂)를 개발하고, TEM, SEM, EDX, zeta potential, 질소 흡탈착, FTIR, XPS, XRD 등에 의해 특성을 분석하고 구조를 확인하였다. Fe₃O₄@SiO₂@Cu는 Fe₃O₄@SiO₂ 또는 Fe₃O₄@Cu (Cu 나노입자 고정화 Fe₃O₄)에 비해 더욱 우수한 ACT 제거능과 안정성을 나타내었다.
4. PPCPs 제거능 상세 평가: pH와 자연유기물 (natural organic matter, NOM)농도 증가는 ACT 제거율을 저하시켰으나, Fe₃O₄@SiO₂@Cu는 Fe₃O₄@SiO₂에 비해 영향이 적었고, Fe₃O₄@SiO₂@Cu는 저농도 NOM에서 활성이 증가하였다. Fe₃O₄@SiO₂과 Fe₃O₄@SiO₂@Cu 모두, NaNO₃와 Ca(NO₃)₂ 주입 시 (0-100 mM), ACT 제거율에 영향이 거의 없었으며, NaCl 주입 시에는 radical scavenging에 의해 효율이 감소하였다. 이는 나노반응기 (특히, Fe₃O₄@SiO₂@Cu)가 다양한 조건에서 높은 활성을 가짐을 나타낸다.
5. PPCPs 제거 메커니즘 연구: Fe₃O₄@SiO₂과 Fe₃O₄@SiO₂@Cu에 의한 오염물 산화는 •OH가 주요 역할을 하는 것으로 나타났다. 한편, 일반적 ACT 산화부산물인 hydroquinone, 1,4-benzoquinone, resorcinol 등이 검출되지 않아, Fe₃O₄@SiO₂@Cu에 의한 ACT 산화가 일반적인 pathway와 다른 것으로 나타났다.
6. 다중 나노입자 나노반응기 응용 공정 개발: vibrating sample magnetometer에 의해 개발된 나노반응기의 자력 선별 가능성을 확인하였으며, 이에 따라, 반응-분리 2단 공정과 반응/분리 1단 공정을 제안하였다.
□ 연구개발결과의 중요성
본 연구는 독창적인 특수 구조 나노소재를 수질오염 제어에 이용하는 새로운 융합기술로, 정수, 하폐수, 지하수, 물 재이용 등 그 적용범위가 매우 넓고 실용화가 용이하다. 이에 따라, NT-ET의 융합 소재 및 융합 공정기술 개발의 패러다임 수립, 나노소재의 용이한 실용화 실현, 경제적, 고효율의 PPCPs 제거의 의한 수질 향상 및 안전한 수원 제공, PPCPs 처리 시장 및 다양한 오염물 처리 시장 선점 및 수익 창출, NT-ET의 새로운 융합사업의 창출, 다양한 분야의 인력 양성 및 인력 수요 (일자리) 창출 등이 가능하다.
(출처 : 요약문 2p)
목차 Contents
- 표지 ... 1
- 연구결과 요약문 ... 2
- 목차 ... 3
- 1. 연구개발과제의 개요 ... 4
- 1.1 연구개발의 필요성 ... 4
- 1.2 연구자가 수행하고자 했던 가설 및 최종목표 ... 6
- 1.3 연구 범위 ... 7
- 2. 연구수행내용 및 연구결과 ... 7
- 2.1 나노반응기 개발 ... 7
- 2.2 PPCPs 제거능 평가 ... 10
- 2.3 다중 나노입자 나노반응기 개발 ... 11
- 2.4 PPCPs 제거능 상세 평가 ... 13
- 2.5 PPCPs 제거 메커니즘 연구 ... 15
- 2.6 다중 나노입자 나노반응기 응용 공정 개발 ... 16
- 3. 연구개발결과의 중요성 ... 17
- 3.1 연구결과 활용 측면 ... 17
- 3.2 학문적, 기술적 측면 ... 17
- 3.3 경제·산업적 측면 ... 18
- 3.4 연구수행과정을 통한 연구인력 양성 효과 ... 18
- 4. 참고문헌 ... 18
- 5. 연구성과 ... 21
- 대표적 연구실적 ... 24
- 끝페이지 ... 40
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