[보고서]광전기화학 반응의 나노튜브 멤브레인을 이용한 미세 플라스틱 처리

최진섭

[국가R&D연구보고서] 광전기화학 반응의 나노튜브 멤브레인을 이용한 미세 플라스틱 처리
Microplastic treatment by photoelectrochemical reactions on titanium oxide nanotubes 원문보기

보고서 정보
주관연구기관	인하대학교 InHa University
연구책임자	최진섭
보고서유형	최종보고서
발행국가	대한민국
언어	한국어
발행년월	2022-03
과제시작연도	2021
주관부처	과학기술정보통신부 Ministry of Science and ICT
연구관리전문기관	한국연구재단 National Research Foundation of Korea
등록번호	TRKO202200015216
과제고유번호	1711146812
사업명	개인기초연구(과기정통부)(R&D)
DB 구축일자	2022-11-15
키워드	미세플라스틱.전기응집법.자력분리.광분해.리튬 이차전지 음극소재.microplastic.electrocoagulation.magnetic separation.photodegradation.lithium-ion battery anode material.

초록 ▼

연구개요
본 연구는 수중 미세플라스틱을 전기화학적인 방법으로 처리하고, 처리된 폐기물을 친환경적인 방법으로 분해하거나 다른 용처로의 응용에 관한 연구임. 철 금속의 전기응집법을 통해서 수중 미세플라스틱을 제거할 수 있었고, 반응으로 형성된 자력응집체를 자석을 이용하여 효과적으로 분리하였음. 분리된 응집체는 산처리 후, 광분해하거나 적절한 열처리를 거쳐서 리튬 이차전지 음극소재로 응용할 수 있음.

연구 목표대비 연구결과
본 연구과제를 통해서 다음의 각 연구목표에 대하여 연구결과를 확보하였음.
수중 미세플라스틱의 포집 및 처리공정 확립
- 철전극의 전기응집법을 이용하여 약 98%의 효율로 미세플라스틱의 제거 달성함.
전기응집-자력침전 분리-응집체 응용의 세 단계로 이루어지는 공정을 확립함.
전기응집법의 반응 메커니즘 및 공정변수 영향 확인
- 물성분석을 통하여 전기응집법 반응의 메커니즘을 규명함. 전기응집 반응시 전해질의 농도, 반응기의 교반속도, 반응시간, 처리 플라스틱 크기 입자 변화 등의 공정변수에 의한 영향을 확인함.
포집된 응집체 폐기물의 광분해 효율 확인
- 포집된 응집체에 대하여 광분해 측정을 진행하였고, 응집체 주 구성성분인 마그네타이트가 광분해를 오히려 방해함을 확인함. 이에 산처리를 통해서 광분해 효율을 복구시킬 수 있음을 확인함
포집된 응집체 폐기물의 리튬 이차전지 음극 소재로의 응용
- 포집된 응집체를 Air 또는 Ar 분위기에서 열처리하여 리튬 이차전지 음극 소재로 전환함. 특히 Ar 분위기 열처리를 통해서 포집된 플라스틱을 카본코팅 전구체로 활용할 수 있음을 확인함.

연구개발성과의 활용 계획 및 기대효과 (연구개발결과의 중요성)
일반적인 수처리 공정은 오염된 수질을 개선할 목적으로 외부에서 자본을 투입해야 하는 공정이나, 본 연구기술과 같이 환경처리 기술에 의한 부산물이 부가가치가 높은 에너지 기술 소재인 경우, 부산물을 통해 공정비용을 상쇄하여 기술의 상용화 및 실적용에 따르는 부담을 줄일 수 있음.
이에 더하여, 본 연구개발 성과는 기존 수처리 인프라에 전기인가 및 자기장 형성설비를 단순 추가하여 활용할 수 있으므로 기술 보급 및 전파의 장벽이 보다 낮을 것으로 판단함.
본 과제에서는 수중 미세플라스틱을 제거하는 것에 초점을 맞추었지만, 전기응집과 기존 응집법의 작용 원리는 동일하기 때문에 일반적인 폐수·하수 처리 공정에서도 적용 가능한 기술임.
자력침전 공정은 제외한 전기응집 공정만 적용하더라도 반응 결과물로서 부가가치가 높은 응집체가 얻어지기 때문에 이를 다른 용도로 활용할 수 있음.
한편, 본 연구에서 실증한 연구내용은 고순도 철 전극을 사용하여 얻은 실험 결과이며, 고순도 철보다 비용이 저렴하고 범용성이 높은 스테인리스 금속에 대해서 본 연구내용의 적용 가능성을 검토할 계획임.
추가연구를 통해 스테인리스 전극 적용 가능성이 확인된다면, 추후 전기응집-자력 침전 공정에 폐 스테인리스 금속도 재활용 목적으로 사용하여 친환경적이고 자원낭비를 최소화 하는 수처리 공정을 확립할 수 있을것으로 기대됨.

(출처 : 요약문 2p)

목차 Contents

표지 ... 1
연구결과 요약문 ... 2
목차 ... 3
1. 연구개발과제의 개요 ... 4
(1) 미세 플라스틱이란? ... 4
(2) 미세 플라스틱의 문제점과 처리기술의 현안 ... 4
(3) 연구가설 및 연구가설의 도출근거 ... 5
(4) 연구목표 및 연구범위 ... 5
2. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 6
3. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 수준 ... 7
1) 정성적 연구개발성과(연구개발결과) ... 7
2) 세부 정량적 연구개발성과 ... 18
3) 목표 달성 수준 ... 18
4. 연구개발성과의 관련 분야에 대한 기여 정도(연구개발결과의 중요성) ... 19
5. 연구개발성과의 관리 및 활용 계획 ... 19
6. 참고문헌 ... 19
붙임1. 세부 정량적 연구개발성과 ... 20
붙임2. 연구책임자 대표적 연구실적 및 증빙(요약문 및 사본) ... 23
끝페이지 ... 38

표/그림 (36)

표 미세 플라스틱 형상, 치약 내 분산된 폴리에틸렌(좌)과 담수에서 채취된 미세 플라스틱(우)
표 미세 플라스틱의 사이즈에 따른 생물 영향성
표 세계 미세 플라스틱 오염도 지표
표 기존 미세 이물질 처리 공법
표 타이타늄 산화물을 통한 폴리에틸렌의 광분해 효율(좌)와 실제 분해 정도의 사진(우)
표 급속 파괴 양극산화 시, 발생하는 시 간-전류밀도 그래프
표 급속 파괴 양극산화 시, 생성되는 TiO2 나노튜브 분말의 SEM 이미지(a, b), TEM을 통한 내부 분석(c)
표 급속 파괴 양극산화로 생성되는 TiO2 XRD 패턴
표 (a) 용액 혼합 후 침전 형태, (b) 열처리 후 제조된 Fe2O3 분말, (c) SEM 분석 결과, (d) XRD 패턴
표 광촉매-미세플라스틱 복합체 필름
표 광촉매 분해 장치 구성 현황
표 광촉매-미세플라스틱 복합체 필름의 광 노출에 따른 무게변화
표 (좌) KOH 용액에 분산된 PE, (우) FeCl3와 응집 침전된 형태
표 분말의 열처리에 따른 변화에 대한 FT-IR 스펙트럼
표 a) 전기응집 셀의 모식도, b) 전기응집 전 분산 용액, c) 전기응집 후 용액
표 a-1) 응집 전 PE 입자, a-2) 응집 전 입자 표면, b-1) 응집 후 PE 입자, b-2) 응집 후 입자 표면
표 a) FT-IR 분석 결과, b) XRD 분석 결과
표 자석 유무에 따른 응집체 침전 속도 비교
표 a) FeCl2 기반의 응집체, b) FeCl3 기반의 응집체
표 자력에 기반한 흐름식 분리 수조 모사
표 자력 기반 흐름식 분리 수조의 미세 플라스틱 제거 효율 추산표 (Fefloc: 응집체 내 철산화물 질량, PEfloc: 응집체 내 PE 입자 질량)
표 a) 광촉매 특성 평가 장비 구조도, b) UV 노출에 따른 질량 감소 그래프
표 EDX 분석을 통한 표면 성분표, a) PE 입자가 포함되지 않은 순수 Fe3O4, b) Air 열처리 후, c) Ar 열처리 후
표 Ar 열처리를 통한 Fe3O4/C 음극 소재의 충방전 그래프, a) 0.1 A/g, b) 0.5 A/g, c) 1 A/g
표 상용 Fe3O4 소재의 배터리 음극재, 0.2 A/g 충방전 그래프 (○,●)
표 교반속도 500, 1000, 1500에 따른 전기응집 반응 진행 정도
표 교반속도 500, 1000, 1500에 따른 응집체 형성 정도
표 a, b) 전기응집 전·후의 SEM image. c) FT-IR 스팩트럼, d) 전기응집 반응 시간에 따른 응집체의 XRD 데이터
표 a) 전기응집 반응 시간에 따른 전극 표면의 XPS 피크. b)응집 floc의 XPS 피크
표 전기응집 반응 시간에 따른 철 기반 응집체의 색깔 변화
표 전기응집 반응 시간에 전해질의 pH 변화
표 a) 큰 플라스틱 입자 (200 μm)의 전기응집 후, b) 3.5 wt% NaCl 전해질 조건에서의 응집체 SEM image
표 NaCl 전해질 농도에 따른 전압-시간 그래프
표 광분해 전·후의 SEM image a) pure PE, b) acid PE, c) acid floc, d) floc e) 광분해 시간에 따른 질량감소율. f) 광분해 전·후의 FT-IR 스펙트럼
표 흑연, 흑연-Air 열처리 응집체, 흑연-Ar 열처리 응집체 샘플의 전기화학평가 결과 a) 100 사이클 이후 EIS 측정, b) 0.5 A g-1의 속도에서의 500 사이클 충방전, c) 율속 평가
표 흑연, 흑연-Air 열처리 응집체, 흑연-Ar 열처리 응집체 샘플의 전기화학평가 결과

참고문헌 (25)

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