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Kafe 바로가기주관연구기관 | 서강대학교 Sogang University |
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연구책임자 | 이승엽 |
참여연구자 | 이성주 , 이구섭 |
보고서유형 | 연차보고서 |
발행국가 | 대한민국 |
언어 | 한국어 |
발행년월 | 2022-01 |
과제시작연도 | 2021 |
주관부처 | 환경부 Ministry of Environment |
등록번호 | TRKO202200004360 |
과제고유번호 | 1485017536 |
사업명 | 생태모방기반환경오염관리기술개발(R&D) |
DB 구축일자 | 2022-07-02 |
키워드 | 녹조.수질오염.나노버블.충격파.생태모방.Microalgae.Water Contamination.Nanobubble.Shock Wave.Biomimicry. |
□ 연구개발 목표 및 내용
○ 최종 목표
딱총새우의 Cavitation 버블의 급속 생성과 붕괴로부터 발생하는 강력한 충격파를 모사한 고농도의 나노 버블 대량 생성과 붕괴 충격파를 이용한 녹조 제거 및 수질 환경 복원 기술 개발과 이를 적용한 수상 이동형 녹조 제거장치의 개발
○ 전체 내용
■ 딱총새우의 Cavitation 버블 충격파를 모사하여, 고농도의 나노 버블 대량 생성과 붕괴 충격파를 통한 녹조의 대량 파쇄 기술의 개발
■ 기존 마이크로 버블 이용 기술 대비, 시간당 녹조 제거 용량 3배
□ 연구개발 목표 및 내용
○ 최종 목표
딱총새우의 Cavitation 버블의 급속 생성과 붕괴로부터 발생하는 강력한 충격파를 모사한 고농도의 나노 버블 대량 생성과 붕괴 충격파를 이용한 녹조 제거 및 수질 환경 복원 기술 개발과 이를 적용한 수상 이동형 녹조 제거장치의 개발
○ 전체 내용
■ 딱총새우의 Cavitation 버블 충격파를 모사하여, 고농도의 나노 버블 대량 생성과 붕괴 충격파를 통한 녹조의 대량 파쇄 기술의 개발
■ 기존 마이크로 버블 이용 기술 대비, 시간당 녹조 제거 용량 3배 이상 효율 개선, 비용 3배 이상 절감하는 녹조 제거 기술 및 수질 환경 복원 기술의 개발
■ 녹조 제거용 수상 이동형 나노 버블 충격파 장치 개발 및 실증 실험
○ 1단계
□ 목표
딱총새우의 Cavitation 버블의 급속 생성과 붕괴로부터 발생하는 강력한 충격파를 모사한 고농도의 나노 버블 대량 생성과 붕괴충격파를 이용한 녹조 제거 및 수질 환경 복원 기술 개발과 이를 적용한 수상 이동형 녹조 제거장치의 개발
□ 내용
■ 딱총새우의 Cavitation 버블 충격파를 모사하여, 고농도의 나노 버블 대량 생성과 붕괴 충격파를 통한 녹조의 대량 파쇄 기술의 개발
■ 기존 마이크로 버블 이용 기술 대비, 시간당 녹조 제거 용량 3배 이상 효율 개선, 비용 3배 이상 절감하는 녹조 제거 기술 및 수질 환경 복원 기술의 개발
■ 녹조 제거용 수상 이동형 나노 버블 충격파 장치 개발 및 실증실험
○ 해당 연도
□ 목표
초음파와 유체역학 복합방식 나노 버블 충격파 장치 개발 및 녹조 제거 비교 실험
□ 내용
■ 초음파 방법 및 유체역학 방법의 복합 시스템에서 용액의 순환 유량, 초음파 주파수, 초음파 개수 및 노즐 직렬 개수 등의 조건에 따라 나노 버블의 생성 농도를 조절할 수 있으며, 2L/min의 유량 조건에서 가진 및 분사 시간 증가에 따라 최대 8e 8개/ml의 나노 버블 농도 생성이 가능하며, 유량 증가시 최대 1.4e9개/ml의 농도의 나노 버블을 생산할 수 있음
■ 초음파 방법 및 유체역학 방법의 복합 시스템을 이용하여 생성되는 나노 버블의 직경은 초음파의 주파수와 노즐 직렬 개수 증가에 따라 감소하는 특성이 있으며, 나노 버블의 직경을 최소 약 100nm에서 최대 약 150nm 수준의 범위로 조절하여 생산할 수 있음
■ 초음파 진동자로부터 4cm의 이격거리에서 측정되는 수중 초음파의 압력은 기본적으로 약 947kPa이며, 나노 버블의 초기농도가 1e7개/ml로부터 최대 8e9개/ml까지 증가함에 따라 측정되는 초음파의 최고 압력이 약 141kPa 수준 증가하였음
■ 초음파 및 유체역학 복합방식 대량 용액 순환 시스템을 활용하여, 약 1.4e7개/ml와 7.0e7개/ml의 마이크로시스티스는 초기 농도 조건에 따라 단기적으로 각각 약 85%와 70%, 그리고 72h까지의 장기적 파쇄 효과를 함께 고려하는 경우 각각 약 97%와 93%의 제거율을 보이며, 약 2.5e7개/ml의 아나베나는 단기적으로 97%의 파쇄율로 신속히 제거할 수 있음
■ 초음파 조건에서 버블의 발생, 붕괴 및 충격파 현상을 규명하고, 가진 주파수와 세기에 따라 주변에 가해지는 압력과 온도의 순간적인 변화를 예측할 수 있는 해석모델을 개발하고, 그 결과를 국외 저명저널에 게재함.
■ 수중에 존재하는 비응축 가스 나노 버블의 확산과 나노 버블을 핵으로 한 초음파 조건에서의 버블 거동을 해석하고, 기존연구 대비 수중에서의 열전달 및 버블에서의 상변화 효과를 보다 정교하게 적용할 수 있는 버블 캐비테이션 모델을 개발함.
■ 붕괴시에 버블의 온도가 5000K 이상 상승하여 라디칼 생성이 일어나는 캐비테이션 임계값을 예측하는 해석을 수행하고, 수중에 존재하는 나노 버블 크기와 초음파 주파수가 캐비테이션 임계값를 결정하는 주요 인자이며, 참고문헌의 실험결과와 잘 일치함을 확인함.
■ 기포캡슐레이션법에 의한 미세기포 형성 장치개발하여 기존 장치의 기본 베이스에 나노버블 발생 파츠를 입체적으로 3부분 확장하였고 기존에 디자인한 특허 내용을 반영하여 기포캡슐레이션 확류을 높여 나노버블의 생성율을 확장 가능한 설계로 구현함
■ 기 개발한 기포캐슐레인션법에 의한 미세기포 형성 장치의 수율은 기존 대비 60 L/hr에서 90 L/hr로 증대 하였음.또한 미세기포 크기 150nm 이하로 생성하는데 성공하였으며, 개체수면에서는 48억개체/ml 정도의 우수한 농도 형성에 성공하였으며, 과제 목표 대비 크게 상회하는 결과를 얻음.
■ 독성 연구에서는 본 과제를 통해 개발한 녹조 파괴율을 기준 시뮬레이션 시행. 환경부에서 발표한 창녕함안에서 측정한 유해 남조류 측정 결과를 바탕으로 로지스틱 S 성장함수를 적용하여 시간에 따른 녹조 성장률을 예측함. 시뮬레이션 결과 파괴율 25~30% 사이에 녹조류의 성장이 지속 혹은 감소가 결정되는 구간으로 분석됨. 따라서 본 연구에서 기본적으로 기술을 적용하는 시점인 녹조 개화 직전에 녹조 파괴가 이루어진다면 녹조의 독성 정도가 개화 전 일반적인 독성 농도 상태로 유지 가능하다고 판단되며 현재의 기술 개발을 기반으로 녹조 제어의 수율을 높인다면, 녹조 독성 문제는 해결 가능하다고 사료됨
□ 연구개발성과
정성적 성과
■ 초음파 방법, 유체역학 방법과 이들을 통합한 복합 방법에서의 순환 유량, 초음파 주파수, 초음파 개수 및 노즐 직렬 개수 등의 조건에 따른 나노 버블의 특성을 상세히 연구하였으며, 조건별 결과들을 분석하여 나노 버블의 생성 및 붕괴에 효과적인 방법별 조건들을 선정하였고 파쇄 연구시의 최적 조건으로 활용함
■ 다양한 방법별 나노 버블의 특성 상세 연구시의 순환 유량, 초음파 주파수, 초음파 개수 및 노즐 직렬 개수 등의 조건에 따라 생성되는 나노 버블의 직경을 함께 확보 및 분석하여 경향성을 확인하였으며, 초음파의 주파수 및 노즐 직렬 개수 증가에 따라 생성되는 나노 버블의 직경이 감소하여 이를 조절하며 생성할 수 있는 특성을 확인함
■ 초음파 진동자로부터 4cm의 이격거리에서 측정되는 수중 초음파의 기본적인 압력을 측정하고, 나노 버블의 유무 및 초기 농도 조건에 따른 수중 초음파의 압력을 측정 및 비교하여 나노 버블의 붕괴시 충격파에 따른 압력 개선 특성을 연구하였으며, 나노 버블의 초기 농도 증가에 따라 초음파의 최고 압력이 다소 개선되는 특성을 확인함
■ 나노 버블 생성 및 붕괴 연구시 선정된 최적 조건들을 활용한 초음파 방법, 유체역학 방법과 이들을 통합한 방법에서의 초기 농도에 따른 마이크로시스티스의 단·장기적 파쇄 특성과 아나베나의 단기적 파쇄 특성을 상세히 연구하여 방법별 제거 효율과 특성을 비교하였음
정량적 성과
■ SCI 논문 2편:
① Two newly identified Haematococcus strains efficiently accumulated radioactive cesium over higher astaxanthin production (IF 6.498, mrnIF 92.6 %)
② Numerical simulation of cavitating flows around an oscillating circular cylinder
(IF 3.8, mrnIF 100%)
■ 국내특허 등록 2건, 국내특허 출원 1건 (주관기관)
■ 국내특허 등록 2건 (위탁기관)
■ 학술대회 발표 3편
□ 연구개발성과 활용계획 및 기대 효과
■ 버블의 생성, 붕괴 및 녹조의 파쇄에 효율적인 초음파 및 유체역학적 나노 버블 생성 조건 최적화 및 버블 붕괴/충격파를 통해서 효과적으로 녹조를 파쇄하는 최적설계 조건 도출 및 관련 원천 특허 기술 확보
■ 생태모방 나노버블 생성과 충격파 이용 녹조 파쇄 원천기술을 수질 정화 및 녹조제거 산업을 선도하고 있는 ㈜한일이에스티와의 공동 연구를 통해서 세계 최초로 나노버블 충격파 이용 녹조 제거 장치를 개발하고 전세계적으로 관련 기술을 선도할 수 있음
■ 성공적 녹조 제거 기술개발에 의한 대국민 안심 효과 및 양질의 상수원 확보를 통해서 수생태계의 보호와 함께 국민 건강의 증진, 자연 경관의 보전 등 다양한 경제적 효과 및 정수처리에 드는 비용을 절감하고 식수 안전성을 보장.
■ 참여기업을 통한 기술이전 및 사업화를 통해서, 4대강 및 호수/저수지 녹조 제거적용과 매출 확대 및 녹조 제거에 관심이 많은 중국 및 동남아 시장 등으로 해외 진출이 가능함
(출처 : 요약문 3p)
과제명(ProjectTitle) : | - |
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연구책임자(Manager) : | - |
과제기간(DetailSeriesProject) : | - |
총연구비 (DetailSeriesProject) : | - |
키워드(keyword) : | - |
과제수행기간(LeadAgency) : | - |
연구목표(Goal) : | - |
연구내용(Abstract) : | - |
기대효과(Effect) : | - |
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