R&D최종보고서
| 과제고유번호 | 201919CTAP-C143331-02 | |||||
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| 연구사업명 | 국토교통기술촉진연구사업 | |||||
| 연구과제명 | 30 mg/g의 흡착 성능을 갖춘 산업부산물 활용 자립형 제올라이트-LDH 수질정화 복합체 제조 기술 | |||||
| 총 연구기간 | 2018-04-17 ~ 2019-12-31 | |||||
| 연구책임자 | 이행기 | |||||
| 당해년도 참여 연구원수 |
8명 | 총 연구기간 참여 연구원수 |
11명 | |||
| 당해년도 연구비 |
정부 : 220,000,000 원 기업 : 74,000,000 원 계 : 294,000,000 원 |
총연구비 | 정부 : 370,000,000 원 기업 : 124,000,000 원 계 : 494,000,000 원 |
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| 연구기관명 | 한국과학기술원 | |||||
| 등록 발간번호 | - | |||||
| ISBN | - | |||||
| 주요 내용 |
최근 산업화 및 도시화로 비점오염원으로부터 유래한 오염물질은 토양 및 식생으로부터 정화되지 못하고 직접적으로 하천 지류에 유입되어 수질오염에 심각한 영향을 초래하고 있다. 이렇게 유입된 수질 오염원은 수중생태환경 파괴뿐만 아니라 국가 수자원 확보와 관리에 지대한 영향을 미친다. 이러한 수질 오염 원인물질을 제거하고자 여러 국가들에서 투자 및 연구가 진행 중이며, 일례로 중국은 최근 5개년 계획에서 폐수 및 고체 폐기물 처리를 포함한 환경 보호 및 오염 통제에 연간 약 1,100억 달러를 투자하기 시작했다. 또한 미국 수질관리 분야의 시장 규모는 약 1,550억 달러 규모(2014년)에 이르는 등 전 세계적으로 관련분야의 시장 규모는 나날이 확대되고 있다. 그러나 우리나라의 경우 관련분야 기술개발을 위한 전문가 양성 및 연구비 투자가 매우 미미한 실정이며, 특히 수질오염원 제거를 위한 흡착제 기술은 주로 폐수처리 시설에 머물러 있어 관련분야에 대한 투자가 시급하다. 본 연구진이 제안하는 기술은 기존 수질 정화용 흡착제가 갖고 있는 복잡한 제조 공정, 별도의 지지체 필요 등의 단점을 획기적으로 해결할 수 있는 연구로서, 플라이애쉬, 슬래그 등의 저가의 산업부산물 유래 알루미노 실리케이트계 재료를 이용하여 30 mg/g 양이온 및 10 mg/g 음이온 흡착성능을 갖춘 저비용 자립형(self-supported) 하이브리드 제올라이트-LDH(Layered Double Hydroxide, 층상이중수산화물) 복합체 제조 기술을 개발하는 것이다. 또한, 하천 수질정화 관련 뛰어난 연구성과 및 시공실적을 보유한 참여기업과 하천 구조물 장기내구성 향상을 위한 주요 인자 도출 및 시작품 개발 등의 공동연구를 수행할 것이다. 본 연구의 원천기술은 높은 시장가치와 폐광지역 오염수 유해이온 흡착 블록, 하수처리 여과설비 등 국가수자원 확보 및 수질환경 개선 등에 파급효과가 크지만, 관련 기술은 전 세계적으로 연구사례가 극히 드물어 시장 선점을 위한 국가적 차원에서의 투자가 시급하다. [최종목표] 최근 산업화 및 도시화로 비점오염원으로부터 유래한 수질 오염원은 직접적으로 하천지류에 유입되어 수중생태환경 파괴뿐만 아니라 국가 수자원 확보 및 관리에 지대한 영향을 주어 국가적 차원의 연구지원이 시급하다. 본 연구는 저가의 플라이애쉬, 슬래그 등의 산업부산물을 사용하여 기존 수질정화 소재의 경제성을 혁신적으로 향상시킨 연구로서, 본 연구에서는 연구진이 세계 최초로 확보하고 있는 One-step 합성법 이용 자립형(self-supported) 지오폴리머성 제올라이트 형성 기술을 활용하여 30 mg/g 유해 양이온 및 10 mg/g 음이온 흡착성능을 갖춘 저비용 자립형 제올라이트-LDH(layered double hydroxide, 층상이중수산화물) 수질정화 복합체 제조기술을 개발하고자 한다. [연구내용 및 범위] 1차년도 1. 하이브리드 제올라이트-LDH 복합체 제조공정 도출 - 하이브리드 제올라이트/LDH 복합체의 제조공정을 도출하기 위하여 제올라이트 및 LDH 제조 관련 문헌조사를 수행하고 DB(Data base)를 확보함. 제올라이트-LDH 복합체의 수열합성 반응을 위한 주요 변수들(온도, 압력, 반응시간 등)의 조건 및 출발물질(플라이애시, 슬래그), 활성용액(SiO2/Na2O)의 배합비를 고려하여 고기능성 하이브리드 제올라이트-LDH 복합체의 역학적 성능 및 결정화도 확보에 필요한 인자를 도출함. 흡착성능 향상을 위한 공극 제어기법을 개발하고, 관련 자료를 조사함. 수집한 DB를 바탕으로 하이브리드 제올라이트/LDH 복합체의 제조공정을 도출함. 2.하이브리드 제올라이트-LDH 복합체 제조공정 최적화 - 앞서 도출한 제조공정으로 제작된 하이브리드 제올라이트/LDH 복합체의 성능 평가를 실시하여 복합체의 제조공정을 최적화함. 지오폴리머 고화체를 양생한 후 수열합성에 의해 제올라이트로 전환시키는 일반적인 2단계(two-step) 방법이 아닌, 본 연구진이 보유한 제올라이트 결정핵 형성과 비정질 지오폴리머 겔의 제올라이트로의 전환이 동시에 발생하는 One-step 방법을 사용하여 효율적으로 하이브리드 제올라이트/LDH 복합체를 제조할 수 있는 제조공정을 최적화함. XRD, FT-IR 등의 분석기기를 사용하여 제올라이트 생성 여부를 확인하고, 복합체 내부의 제올라이트의 결정화도 25% 이상을 확보를 목표로 함. 압축강도 실험을 수행하여 복합체의 압축강도 12MPa 이상 확보하고, MIP 등의 분석을 수행하여 복합체 내부 공극구조를 분석하여 목표성능을 충족하는 하이브리드 제올라이트/LDH 복합체 제조공정을 최적화함. 2차년도 1. 실험실환경 성능평가: 하이브리드 제올라이트-LDH 복합체의 흡착성능 연구 - 하이브리드 제올라이트-LDH 복합체의 실험실 수준 환경 흡착성능 평가를 실시함. 하이브리드 제올라이트-LDH 복합체의 수중 유해 이온 흡착성능 평가를 위해 유해 이온의 농도, 제올라이트와의 접촉 시간 등을 변수로하여 실험을 수행함. - 하이브리드 제올라이트-LDH 복합체의 수중 유해 양이온 및 음이온 흡착성능 실험을 위해 흡착된 이온의 정량적 평가, 흡착속도, 흡착시간 등의 환경변수에 따른 흡착 효율을 평가함. 또한, 복합체의 비표면적이 이온의 흡착 및 교환 성능에 영향을 미치므로 BET 비표면 측정을 통해 하이브리드 제올라이트-LDH 복합체의 공극부피, 공극직경 등을 측정하여 이온흡착 성능 향상을 위한 복합체의 최적 공극크기를 선정함. 2. 유사환경 성능평가: 하이브리드 제올라이트-LDH 복합체 시작품 개발, 하이브리드 제올라이트/LDH 복합체의 내구성 평가 - 하이브리드 제올라이트/LDH 복합체의 수중에서의 장기 내구성 확보를 위해 탄산화실험, 동결융해 실험, 화학적 침식실험 등을 수행함. CO2와 Ca(OH)2와의 반응에 의해 형성되는 CaCO3는 복합체의 내구성을 저해시키므로 내부 공극분포 제어에 따른 탄산화억제 실험을 수행함. 수중의 지속적인 한난의 환경에 노출될 경우 복합체 내부 수분의 동결융해로 인한 팽창압 증가로 기인한 복합체 표면 미시적 박리현상이 일어남. 이러한 동결융해로 인한 열화를 억제하기 위해 AE제와 같은 공기연행제 등을 혼입하여 미시적 균열 억제를 위한 실험을 수행함. 하수 터널의 경우 황화물로부터 형성된 황화수소가 유황산화세균에 의해 구조체의 강도를 억제하는 황산이 만들어짐. 상하수처리시설에 본 기술의 적용을 위한 화학적 침식에 대한 하이브리드 제올라이트-LDH 복합체 시작품의 내구성 평가를 수행함. - 시작품 제작후 실험실 규모에서 유해 이온 흡착성능 실험을 수행하고 흡착성능을 평가함. 각 하천, 하수처리 시설 등의 적용 대상지별 유해인자 및 중금속 이온 등 수질환경을 측정한 후 실제 수질환경을 모사한 수조를 구축함. 실제 하천 등에 설치 가능한 20 X 20 X 20 cm3 크기의 블록을 제조하여 모의 수조에서 시작품 성능을 평가함. |
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| 색인어 | 한글 | 제올라이트-층산이중수산화물 | 산업부산물 | One-step 합성법 | 이온 흡착 | 수질정화 블록 |
| 영문 | Zeolite-LDH | Industrial by-products | One-step synthesis | Ion adsorption | Water purification block | |
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