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한국화학공학회> 화학공학> 수환경 내 미세플라스틱 검출분석법 최신 동향 연구

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수환경 내 미세플라스틱 검출분석법 최신 동향 연구

A Review of Research Trends in Microplastic Analysis in an Aquatic System

오수림 ( Soorim Oh ) , 이도균 ( Do Gyun Lee )
  • : 한국화학공학회
  • : 화학공학 59권3호
  • : 연속간행물
  • : 2021년 08월
  • : 316-325(10pages)
화학공학

DOI


목차

1. 서 론
2. 미세플라스틱 검출방법
3. 결 론
감 사
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인간의 편의를 위해 생산된 플라스틱은 500년 이상 썩지 않고 생태계로 유입되어 육상 및 수생태계를 위협하고 있다. 2025년까지 2억 5천만 톤의 플라스틱이 바다로 유입될 것으로 예상되고, 2015년부터 미세플라스틱 관련 연구가 기하급수적으로 급증하고 있지만, 전 세계적으로 미세플라스틱 정의 및 분석 방법에 대한 표준화가 이뤄지지 않고 있다. 따라서, 본 연구에서는 미세플라스틱 분석방법 표준화를 위해 우선적으로 수환경에서의 미세플라스틱 분석방법의 최신 연구동향을 조사하여 프로세스 순으로 제시하였으며, 이에 대한 분석방향을 제시하고자 하였다. 추후 미세플라스틱 표준화를 위한 기초자료로써 활용 가능하며, 표준화 이후 더욱 효과적인 미세플라스틱 관리 정책이 마련될 것으로 기대한다.
Human-made plastics takes more than 500 years to break down and have been introduced into the ecosystem, threatening terrestrial and aquatic organisms. By 2025, there will be more than 250 million tons of plastics in the ocean. Although studies regarding microplastics have been exponentially increasing since 2015, international standards for defining the size classification for microplastics, as well as methods for qualitative/quantitative analysis have not been concluded yet. Thus, in this study, the latest trends in analytical methodologies have been reviewed. Further, the study suggests directions for future research approaches can be taken to analyze aquatic microplastics, which could be as useful information for establishing effective microplastic management policy via standardization in microplastic analysis.

UCI(KEPA)

I410-ECN-0102-2022-500-000633600

간행물정보

  • : 공학분야  > 화학공학
  • : KCI등재
  • : SCOPUS
  • : 계간
  • : 0304-128x
  • : 2233-9558
  • : 학술지
  • : 연속간행물
  • : 1963-2022
  • : 5405


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60권4호(2022년 11월) 수록논문
최근 권호 논문
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1폐배터리 재활용 공정 폐액 중 리튬 회수를 위한 분리 기술 고찰

저자 : 송대성 ( Daesung Song ) , 김은규 ( Eunkyu Kim ) , Thang-toan Vu

발행기관 : 한국화학공학회 간행물 : 화학공학 60권 4호 발행 연도 : 2022 페이지 : pp. 473-477 (5 pages)

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본 연구에서는 폐배터리 재활용 공정에서 발생하는 공정폐액 중 리튬 회수를 위한 후보 기술들을 검토하고 상용화 관점에서 해당 공정에 적용 가능한 기술들을 정성적 측면에서 검토하였다. 현재 기술 수준에서 상용화 규모로 적용 가능한 증발법, 침전 및 용매추출 기술이 있다. 증발법의 경우 대규모의 땅을 필요로 하고 농축과정에서의 Li 손실로 낮은 회수율 보여 적용하기 어렵다. 침전의 경우, 상용화되어 있는 기술로 인산의 높은 Li/Na 선택도로 높은 회수율을 보이지만 비싼 인산 사용으로 회수 단계 필요로 공정이 복잡하고 Li 농축과정에서 고체를 다루고 있어 연속운전이 불가능하다는 단점이 있다. 용매추출의 경우, Li/Na 선택도가 높은 저렴한 추출제를 찾는다면 전 단계의 다른 금속 추출 시 사용되고 있는 방법으로 연속운전이 가능하고 Li 농축 시 액체 상태이기 때문에 연속운전이 가능하다는 장점이 있다. 침전기술과 비교하여 유사한 회수율을 보인다면 상용화가 가능성이 가장 높을 것이다.


In this study, candidate technologies for lithium recovery from the process waste liquid generated in the waste battery recycling process were reviewed, and technologies applicable to the process from the commercialization point of view were reviewed from a qualitative point of view. The evaporation method is difficult to apply because it requires a large-scale land and shows a low recovery rate due to the loss of Li during the concentration process. In the case of precipitation, a commercially available technology shows a high recovery rate due to the high Li/Na selectivity of phosphoric acid, but there are disadvantages in that the process is complicated due to the use of expensive phosphoric acid, requiring a recovery step, and continuous operation is impossible because solids are handled in the Li concentration process. In the case of solvent extraction, if we find an inexpensive extractant with high Li/Na selectivity, continuous operation is possible with the method used in extraction of other metals in the previous step, and when Li is concentrated, continuous operation is possible because it is in a liquid state. If it shows a similar recovery rate compared to precipitation technology, commercialization will be the most likely.

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2연료 전환 사업의 방법론과 온실가스 배출권거래제 상쇄제도 분석

저자 : 김억용 ( Eok Yong Kim ) , 신민창 ( Min Chang Shin ) , 박정훈 ( Jeong Hoon Park )

발행기관 : 한국화학공학회 간행물 : 화학공학 60권 4호 발행 연도 : 2022 페이지 : pp. 478-485 (8 pages)

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외부사업을 통해 발행받은 인증실적을 배출권 거래제 할당 대상 업체에게 판매하고 할당 대상업체는 구매한 외부사업 인증실적을 상쇄 배출권으로 바꾸어 할당량을 확보할 수 있다. 본 방법론은 기존 기름보일러를(유종별) 사용하던 화석연료를 상대적으로 탄소 함량이 적은 프로판가스를 사용하는 보일러로 교체하였을 때 유종별 이산화탄소 배출 감축분을 인정받아 온실가스 감축을 하지 못해 배출허용량을 넘긴 대기업의 부족된 할당량으로 보충하기 위한 초기 분석으로 탄소감축 배출량과 배출권 거래 금액을 산출하였다.


The certification performance issued through an external business is sold to companies subject to the emission trading system allocation, and the company subject to the allocation can secure the quota by converting the purchased external business certification performance into offset credits. In this methodology, when fossil fuels that used existing oil boilers (by oil type) were replaced with boilers using propane gas with a relatively low carbon content, the amount of carbon dioxide emission reduction by oil type was recognized. As an initial analysis to make up for the insufficient quota of large corporations, the amount of carbon reduction emissions and emission rights trading was calculated.

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3저생 미생물 연료전지(BMFC)의 성능에 미치는 발효 유기물 첨가 효과

저자 : 이미화 ( Mi-hwa Lee ) , 양설화 ( Seol-hwa Yang ) , 김영숙 ( Young-sook Kim ) , 추천호 ( Cheun-ho Chu ) , 박권필 ( Kwonpil Park )

발행기관 : 한국화학공학회 간행물 : 화학공학 60권 4호 발행 연도 : 2022 페이지 : pp. 486-491 (6 pages)

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저생 미생물 연료전지(BMFC)는 바다나 호수의 뻘 속에서 저생 미생물이 유기물을 분해하면서 발생시키는 전기를 이용하는 친환경적인 에너지 변환장치다. 본 연구에서는 갯벌에 유입되는 생활 폐수가 저생 미생물 연료전지 성능에 어떤 영향을 주는지 파악하고자, 음식물에 들어가는 유기물들을 발효시켜 갯벌과 혼합해서 BMFC 성능을 비교검토 하였다. 박력분과 비타민(B2, B6, B12, C, D, E)이 많이 함유된 음식물을 발효시켜 첨가함으로써 BMFC 성능을 49% 향상시켰다. 발효 유기물의 양이 증가할수록 최고 출력밀도가 증가하였고, 25~29일 발효시킨 발효 유기물이 BMFC에 최적임을 보였다.


A benthic microbial fuel cell (BMFC) is an eco-friendly energy conversion device that uses electricity generated by benthic microorganisms decomposing organic matter in the mud of the sea or lake. In this study, in order to understand how domestic wastewater flowing into tidal flats affects the performance of BMFC. BMFC performance was compared and reviewed by fermenting organic substances in food and mixing them with tidal flats. Performance of the BMFC was improved by 49% by adding fermented food rich in vitamins (B2, B6, B12, C, D, E) and soft flour. The maximum power density increased as the amount of fermented organic matter increased, and it was shown that the fermented organic matter fermented during 25~29 days was optimal for BMFC.

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4공정제어시스템의 사이버보안 위험 노출 현황 및 대응방안 연구

저자 : 김영세 ( Youngse Kim ) , 박진형 ( Jinhyung Park ) , 김상기 ( Sangki Kim ) , 김병직 ( Byungjick Kim ) , 이준원 ( Joonwon Lee ) , 박교식 ( Kyoshik Park )

발행기관 : 한국화학공학회 간행물 : 화학공학 60권 4호 발행 연도 : 2022 페이지 : pp. 492-498 (7 pages)

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오늘날 대부분의 국내 석유화학 산업에서 사용되고 있는 공정제어시스템은 Windows 플랫폼 기반을 사용하고 있다. 개방형 기술에 따른 위험 노출이 증가하고 있지만, 사이버 공격에 대한 인식 부족과 오해로 인해 각종 사이버 공격에 대비하는 기업이 많지 않다. 본 연구는 석유화학 공정제어시스템이 OT 사이버보안 취약성에 얼마나 노출된 상태에서 운영 중인지를 조사하였으며, 보안 취약점을 감소시킬 수 있는 현실적인 방법을 제시하고자 하였다. 공정제어시스템의 사이버 위협 상태를 확인하기 위하여, 주요 사이버 위협 인자인 Windows 플랫폼에 대한 취약점을 확인하였으며 이를 위하여 국내 주요 3개 DCS 공급자와 635개 시스템의 Windows 플랫폼 단종 여부를 조사하였다. 조사결과 조사 대상의 77.5%가 아직도 이미 단종된 Windows 플랫폼으로 운영 중인 것으로 확인되어 공정제어 시스템이 보안 위협에 취약한 상태로 운영 중인 것으로 확인되었다. 이러한 사이버 위협에 능동적으로 대처하기 위해서는 미국과 같은 선진국에서 시행하고 있는 주요 석유화학 시설에 대한 중요기반시설 지정과 같은 법률적인 규제가 필요할 것으로 판단되며, 기존 DCS 공급자가 제공하는 보안 솔루션을 적극적으로 도입하여 공정제어시스템에 대한 보안 위협을 적극적으로 감소시키려는 노력이 필요한 시점이라고 판단된다.


Process control systems used in most domestic petrochemical corporates today are based on the Windows platforms. As technology leans toward opened environment, the exposure risk of control systems is increasing. However, not many companies are preparing for various cyberattacks due to lack of awareness and misunderstanding of cyber intrusion. This study investigated the extent of how much exposed the petrochemical process control system is to security threats and suggested practical measures to reduce OT cybersecurity vulnerabilities. To identify the cyber threat status of process control systems, vulnerabilities of the Windows platform, a principal cyber threat factor, have been analyzed. For research, three major DCS providers in Korea and the discontinuation of Windows platform of 635 control systems were investigated. It was confirmed that 78% of the survey subjects were still operating in the discontinued windows platforms, and those process control systems were operated in a state vulnerable to cyber intrusions. In order to actively cope with these cyber threats, legal regulations such as designation of critical infrastructure for major petrochemical facilities which is implemented in advanced countries such as the United States are needed. Additionally, it is necessary to take the initiative in eradicating security threats to the process control systems by aggressively introducing security solutions provided from existing DCS suppliers. This paper was submitted to Professor Ko JaeWook's retirement anniversary issue.

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5용매 추출을 사용한 바닐린 생산공정의 개념 설계

저자 : 김은규 ( Eunkyu Kim ) , Thang Toan Vu , 송대성 ( Daesung Song )

발행기관 : 한국화학공학회 간행물 : 화학공학 60권 4호 발행 연도 : 2022 페이지 : pp. 499-505 (7 pages)

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본 연구에서는 크라프트 리그닌(Kraft Lignin)을 사용해 바닐린을 생산하는 공정의 개념 설계를 진행하였다. 기존 크라프트 리그닌은 대부분 저품질의 보일러 연료로 사용되거나 폐수로 버려지고 오직 2% 이하의 리그닌만 고품질의 제품으로 정제된다. 버려지는 크라프트 리그닌을 활용하기 위해 새로운 공정을 제안하였다. 기존 바닐린 생산 개념 공정은 NaOH를 사용한 알칼리 산화, 여과, 크로마토그래피, 결정화 단계로 진행됐다. 이중 상용화가 어려운 크로마토그래피를 용매 추출 공정으로 변경하였다. 제안된 용매 추출 공정의 바닐린 회수율 92.9%, 순도 99.5%이며, 이는 기존 크로마토그래피 공정과 유사한 수준이다. 크로마토그래피와 비슷한 결과를 보이는 용매 추출 공정이 기존 크로마토그래피 공정을 대체할 수 있는 이유를 분석하였다.


This study presents a conceptual design of vanillin production from Kraft lignin. Most of the existing Kraft lignin is used as low-quality boiler fuel or discarded as wastewater, and only 2% or less of lignin has been refined into high-quality products. We propose the process developed in this study to utilize discarded Kraft lignin. The existing vanillin production concept process consisted of alkali oxidation using NaOH, filtration, chromatography, and crystallization. Chromatography, which is difficult to commercialize, was changed to a solvent extraction process. The recovery rate of vanillin of the proposed solvent extraction process is 92.9%, and the purity is 99.5%, which is similar to the existing chromatography process. The reason why the solvent extraction process showing similar results to chromatography can replace the existing chromatography process was analyzed.

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6위험도 평가를 통한 사고대비물질별 규정수량 고찰

저자 : 안광재 ( Gwangjae Ahn ) , 김정욱 ( Jungwook Kim ) , 이근원 ( Keunwon Lee ) , 정승호 ( Seungho Jung )

발행기관 : 한국화학공학회 간행물 : 화학공학 60권 4호 발행 연도 : 2022 페이지 : pp. 506-511 (6 pages)

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화학물질관리법에서 장외영향평가서 및 위해관리계획서를 화학사고예방관리계획서로 일원화하는 제도가 시행되었다. 화학사고예방관리계획서에서 다루는 유해화학물질 중 사고대비물질은 화학사고의 발생 가능성이 높거나 화학사고가 발생한 경우에 그 피해 규모가 클 것으로 우려되는 화학물질로서 지정하고 있다. 본 연구에서는 사고대비물질별 규정수량 기준에 따른 위험도를 비교하고자 상위/하위 규정수량이 비슷한 화학물질을 특정하여 동일한 사고 시나리오를 선정하고 위험도 평가를 실시하였다. 연구대상물질은 암모니아, 염화수소, 이황화탄소, 벤젠 등 총 4종의 물질을 선정하였으며, DNV 사의 정량적 위험성 평가 프로그램인 Safeti 8.0을 활용하여 위험도를 비교 분석하였다. 그 결과, 비슷한 상위/하위규정수량임에도 불구하고 상대적으로 높은 위험도를 가지고 있는 물질을 확인할 수 있었다.


In the Chemicals Control Act, a system was implemented to unify off-site risk assessment and risk management plan into the prevention and management system for chemical accidents. Among the hazardous chemicals which have been covered in system, the accident preparation substances are designated as chemical substances that are likely to occur and of which damage scale are likely to be large in the event of chemical accidents. In this study, risks were compared by selecting accident preparation substances with similar regulated quantities. In addition, risk assessment studies were conducted applying the accident scenarios. Four types of materials such as ammonia, hydrogen chloride, carbon disulfide and benzene were selected for the study, and risks were finally analyzed using Safeti 8.0, a quantitative risk assessment program by DNV. As a result, some materials are identified to have high risks comparing to other substances having similar regulated quantities.

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7용도 변경된 암모니아 탱크 안전밸브 및 흡수시설에 관한 연구

저자 : 배종훈 ( Jong Hoon Bae ) , 이창준 ( Chang Jun Lee )

발행기관 : 한국화학공학회 간행물 : 화학공학 60권 4호 발행 연도 : 2022 페이지 : pp. 512-518 (7 pages)

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본 연구는 울산석유화학공단 내 A사의 암모니아 탱크 안전장치를 대상으로 진행하였다. 탱크는 실린더 형태이며, 1972년에 프로필렌을 저장하기 위해 설계되었다. 그 후 시장환경에 따른 생산계획 변경으로 인해 탱크의 용도가 암모니아 저장으로 변경되었다. 저장 물질을 변경하는 과정에서 안전성을 검토했던 어떠한 과학적인 정보나 검토 자료를 찾을 수가 없었다. 따라서, 본 연구에서는 현재 안전하게 운전되고 있는지를 확인하기 위해 탱크의 상태를 조사하였다. 또한, 현재 설치되어 운영되고 있는 두 개의 안전장치 암모니아 흡수 시스템 및 Water curtain이 어느 정도 사고의 영향을 경감하는지 분석하였다. 마지막으로, 비상대응계획 작성에 활용하기 위한 CA(consequence analysis)를 수행하였다. 그 결과 사고의 영향을 효율적으로 완화할 수 있도록 안전장치가 설치되어 있음을 확인하였으며, 암모니아 누출 시 긴급대응에 필요한 시간을 제시할 수 있었다.


In this study, safety devices for ammonia tanks of a company in Ulsan petrochemical industrial complex were studied. The type of a tank is cylindrical and this tank was originally designed to store propylene in 1972. Due to the changes of the production schedule according to market environments, the usage of this tank has been changed to store ammonia. Despite of the changes of materials, there is no scientific information or reviews for guaranteeing the safety. Therefore, in this study, the current status of this tank is investigated to confirm that the operational conditions are complying with safety conditions. Moreover, the safety devices such as an ammonia absorbing system and water curtains are analyzed how they mitigate the impact of an accident. In addition, consequence analysis is performed to provide a proper emergency response plan. Throughout these analysis, it is confirmed that installed safety devices effectively mitigate the impact of accidents, and the necessary time for an emergency response plan is suggested when ammonia release.

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8가스유해성 평가방법에 따른 유기단열재의 연소특성에 관한 연구

저자 : 심지훈 ( Ji-hun Shim ) , 이재걸 ( Jae-geol Lee ) , 한경호 ( Kyoung-ho Han ) , 김주완 ( Ju-wan Kim ) , 송석훈 ( Seok-hun Song ) , 조형원 ( Hyung-won Jo ) , 윤도영 ( Do-young Yoon )

발행기관 : 한국화학공학회 간행물 : 화학공학 60권 4호 발행 연도 : 2022 페이지 : pp. 519-524 (6 pages)

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국내 건축물 마감재는 국토교통부 고시에 따라 KS F 2271 기준에 의해 평가되어지고 있으며, 이 실험은 실험동물을 사용하여 평가하고 있다. 본 연구에서는 가연성이 높은 유기물 단열재 EPS, 우레탄, 페놀폼에 대해 실험을 진행하였다. 이 3종의 단열재가 연소 시 발생되는 유해성 가스에 의한 실험용 쥐의 평균행동정지시간을 측정하여, 실험용 쥐의 행동정지에 대한 원인을 분석하고자 하였다. 실험용 쥐의 행동정지에 대한 원인분석방법으로는 FTIR 분석과 연기밀도실험을 진행하였고, 마우스의 행동정지 원인을 입자상물질에 의한 질식과 가스상물질에 의한 독성흡입으로 구분하여 실험결과를 분석하였다. 실험결과 우레탄이 가장 유해한 단열재로 평가되었으며, 가스유해성 실험결과에 대한 원인분석으로 FTIR분석과 연기밀도 실험을 진행한 결과, 독성흡입에 의한 영향보다 질식에 의한 실험용 쥐의 행동정지가 높은 것으로 나타났다. 본 연구는 유해성가스의 원인분석에 대한 기초연구로서, 독성의 근거를 마련하고 나아가 다양한 재료와 가스에 대한 분석을 통하여 보다 구체적인 독성평가의 기준이 마련될 수 있을 것으로 기대된다.


Domestic building finishing materials are being evaluated according to KS F 2271 standards according to the notification of the Ministry of Land, Infrastructure and Transport, and this test is evaluated using laboratory animals. In this study, experiments were conducted on highly combustible organic insulation materials such as EPS, urethane, and phenolic foam. The purpose of this study was to analyze the cause of the behavioral suspension of the experimental mice by measuring the average behavioral suspension time of the mice caused by the harmful gas generated when these three types of insulation materials were burned. FTIR analysis and smoke density experiment were performed as a cause analysis method for the behavioral suspension of mice, and the experimental results were analyzed by dividing the causes of behavioral suspension into suffocation by particulate matter and toxic inhalation by gaseous substances. As a result of the test, urethane was evaluated as the most harmful insulation material, and as a result of FTIR analysis and smoke density test as a cause analysis for the gas toxicity test results, it is judged that the behavioral stop of the rats by suffocation is higher than the effect of toxic inhalation. This study is a basic study on the cause analysis of harmful gases, and it will be necessary to prepare the toxicity basis and analyze various materials and gases.

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9기수담수화와 전력 생산을 위한 폐루프형 압력 지연식 막 증류 공정의 성능 평가

저자 : 조규상 ( Gyu Sang Cho ) , 이준서 ( Jun-seo Lee ) , 박기호 ( Kiho Park )

발행기관 : 한국화학공학회 간행물 : 화학공학 60권 4호 발행 연도 : 2022 페이지 : pp. 525-534 (10 pages)

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본 연구에서는 물과 전기의 동시 생산이 가능한 pressure retarded membrane distillation (PRMD)의 폐루프식 구성디자인을 기수담수화에 적용해 최적 운전 조건과 성능 평가를 수행하였다. 시뮬레이션 결과 80℃ 이상의 폐열이 공급될 때 순 에너지 생산량이 양수 값을 보이며 90℃ 이상일 때 안정적인 전력 생산이 가능한 것을 확인할 수 있었고 최적 유입수 유량은 0.6 kg/s를 나타냈다. 이 조건에서 3 g/L의 기수가 유입될 때 순 에너지 생산량은 2.56 W/m2, 물 플럭스는 8.04 kg/m2/hr의 값을 나타냈다. 기수의 농도가 1-3 g/L로 변화할 때 물 플럭스나 에너지 생산량은 큰 변화가 나타나지 않았고, 해수가 유입수로 사용될 때와 비교하면 더 높은 물 플럭스와 순 에너지 생산량을 보였다. 이를 통해 에너지 생산이라는 측면에 집중한다면 기수를 사용해서 PRMD를 운전하는 것이 더 효율적이라는 것을 확인할 수 있었다.


In this study, we investigated the applicability and optimal operating strategy of a closed-loop pressure retarded membrane distillation (PRMD) for brackish water desalination. For effective operation with net power generation, high temperature of heat source over 90℃ and feed flow rate at 0.6 kg/s are recommended. At 3 g/L of feed concentration, the average permeate flux and net energy density showed 8.04 kg/m2/hr and 2.56 W/m2, respectively. The average permeate flux and net energy density were almost constant in the range of feed concentration from 1 to 3 g/L. Compared to the case with seawater feed, the PRMD with brackish water feed showed higher average permeate flux and net energy density. Thus, PRMD application using brackish water feed can be more effective than that using seawater feed in terms of power generation.

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10CPFD를 이용한 태양열 유동층 흡열기의 수력학적 특성 해석

저자 : 김수영 ( Suyoung Kim ) , 원근혜 ( Geunhye Won ) , 이민지 ( Min Ji Lee ) , 김성원 ( Sung Won Kim )

발행기관 : 한국화학공학회 간행물 : 화학공학 60권 4호 발행 연도 : 2022 페이지 : pp. 535-543 (9 pages)

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실리콘 카바이드 입자(평균 입도 123 μm)의 유동층 태양열 흡열기의 성능 및 효율에 영향을 미치는 입자 거동 해석을 위해 MP-PIC 모델을 이용하여 전산모사를 수행하였고, 기존 실험결과와의 비교를 통해 검증하였다. 특히, 본 연구에서는 실험적으로 접근하기 어려운 유동층 표면 부근에서의 거동을 모사함으로써 흡열 성능과 입자 거동과의 상호영향을 분석하였다. CPFD 모사결과는 입자층 및 프리보드에서의 평균 고체체류량과 압력요동 등 수력학적 특성 실험결과를 잘 예측하였다. 입자 흡열기에서 1차적으로 태양열 에너지를 흡수하여 층 내부로 전달하는 층 표면 부근에서의 국부 고체체류량은 입자층 내 기포거동에 따라 중심부에서 상대적으로 낮은 값을 나타내는 불균일 분포를 나타내었다. 프리보드 영역에서 국부 고체체류량은 기체속도가 증가할수록 축방향과 각 높이에서의 횡방향에서 불균일성이 증가하였고, 이는 입자 흡열기의 프리보드 영역 내 비산된 입자에 의해 반사된 태양광 에너지 손실과 연관된 압력강하 상대표준편차 증가의 원인임을 나타내었다. 입자 흡열기 내 기체속도 증가에 따른 국부적인 기체 및 입자 속도의 변화에 대한 고찰을 통해, 유동층 내 국부적인 입자거동 특성은 Geldart B 입자 물성과 관련된 입자층 내 기포 거동과 밀접하게 연관됨을 확인하였다. 유동층 입자 흡열기의 성능 척도인 일사량 당 유동기체의 출입구 온도차(ΔT/IDNI)는 입자 층 표면 및 표면 상부 프리보드 영역 내 압력요동 RSD와 상관관계가 매우 높음을 확인하였고, 이 결과는 흡열기 성능 개선에 활용할 수 있을 것으로 판단되었다.


A CPFD (Computational particle fluid dynamics) model of solar fluidized bed receiver of silicon carbide (SiC: average dp=123 μm) particles was established, and the model was verified by comparing the simulation and experimental results to analyze the effect of particle behavior on the performance of the receiver. The relationship between the heat-absorbing performance and the particles behavior in the receiver was analyzed by simulating their behavior near bed surface, which is difficult to access experimentally. The CPFD simulation results showed good agreement with the experimental values on the solids holdup and its standard deviation under experimental condition in bed and freeboard regions. The local solid holdups near the bed surface, where particles primarily absorb solar heat energy and transfer it to the inside of the bed, showed a non-uniform distribution with a relatively low value at the center related with the bubble behavior in the bed. The local solid holdup increased the axial and radial non-uniformity in the freeboard region with the gas velocity, which explains well that the increase in the RSD (Relative standard deviation) of pressure drop across the freeboard region is responsible for the loss of solar energy reflected by the entrained particles in the particle receiver. The simulation results of local gas and particle velocities with gas velocity confirmed that the local particle behavior in the fluidized bed are closely related to the bubble behavior characterized by the properties of the Geldart B particles. The temperature difference of the fluidizing gas passing through the receiver per irradiance (ΔT/IDNI) was highly correlated with the RSD of the pressure drop across the bed surface and the freeboard regions. The CPFD simulation results can be used to improve the performance of the particle receiver through local particle behavior analysis.

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1교합형 동방향 이축압출기의 스크류 조합에 대한 고찰

저자 : 이시춘 ( Shichoon Lee ) , 김형수 ( Hyungsu Kim )

발행기관 : 한국화학공학회 간행물 : 화학공학 59권 3호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 305-315 (11 pages)

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교합형 동방향이축압출기는 고분자재료의 컴파운딩에 주로 사용되는 기계이다. 이축압출기는 가공하는 재료와 생산제품에 적합한 스크류 조합을 설계하여 품질과 생산성이 양호한 컴파운딩공정을 구축할 수 있다. 스크류조합을 구성하는 스크류와 니딩 엘리먼트의 종류, 형상 및 사양에 대하여 정리하였고, 각각의 엘리먼트가 조합될 때 고분자 수지의 가공성에 미치는 영향에 대하여 알아보았다. 범용수지의 대량생산에 보편적으로 적용되는 스크류 조합의 원리를 설명하였고, 피딩, 용융혼련 및 미터링영역에 적합한 스크류조합의 방향과 사례를 나열하였다. 액상첨가제나 무기필러의 사이드피딩, 반응압출, 탈기공정, 밝은 색상과 투명도가 요구되는 제품의 생산 및 겉보기비중이 낮은 재료의 가공 등 각각의 경우에 맞는 스크류조합의 방향과 원리를 제시하였다.

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2수환경 내 미세플라스틱 검출분석법 최신 동향 연구

저자 : 오수림 ( Soorim Oh ) , 이도균 ( Do Gyun Lee )

발행기관 : 한국화학공학회 간행물 : 화학공학 59권 3호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 316-325 (10 pages)

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인간의 편의를 위해 생산된 플라스틱은 500년 이상 썩지 않고 생태계로 유입되어 육상 및 수생태계를 위협하고 있다. 2025년까지 2억 5천만 톤의 플라스틱이 바다로 유입될 것으로 예상되고, 2015년부터 미세플라스틱 관련 연구가 기하급수적으로 급증하고 있지만, 전 세계적으로 미세플라스틱 정의 및 분석 방법에 대한 표준화가 이뤄지지 않고 있다. 따라서, 본 연구에서는 미세플라스틱 분석방법 표준화를 위해 우선적으로 수환경에서의 미세플라스틱 분석방법의 최신 연구동향을 조사하여 프로세스 순으로 제시하였으며, 이에 대한 분석방향을 제시하고자 하였다. 추후 미세플라스틱 표준화를 위한 기초자료로써 활용 가능하며, 표준화 이후 더욱 효과적인 미세플라스틱 관리 정책이 마련될 것으로 기대한다.

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3수열 합성법으로 제조된 구형의 실리콘/탄소 음극소재의 전기화학적 특성

저자 : 최나현 ( Na Hyun Choi ) , 이종대 ( Jong Dae Lee )

발행기관 : 한국화학공학회 간행물 : 화학공학 59권 3호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 326-332 (7 pages)

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본 연구에서는 수열 합성법을 이용하여 나노 실리콘이 포함된 구형의 탄소 복합체를 합성하고, 석유계 피치로 코팅하여 제조된 음극 소재의 전기화학 특성을 조사하였다. 수크로스의 몰 농도를 변화시켜 수열합성한 후, 유기 용매로 THF를 사용하여 피치로 코팅된 음극 복합소재를 제조하였다. 제조된 음극 소재는 SEM, EDS, XRD 및 TGA를 사용하여 물리적 특성을 분석하였으며, 1.0M LiPF6 (EC : DMC : EMC = 1 : 1 : 1 vol%) 전해액에서 사이클, 율속, 순환전 압전류 및 임피던스 테스트를 통해 리튬이차전지의 전기화학 성능을 조사하였다. 1.5 M의 수크로스와 피치를 사용하여 제조된 실리콘/탄소 소재는 구형 형태를 보였으며, 1756 mAh/g의 높은 초기 용량, 50 사이클 후 82 %의 용량 유지율 및 2 C/0.1 C에서 81%의 우수한 속도 특성을 확인할 수 있었다.

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4PEMFC 고분자막의 화학적 내구성 평가시간 단축

저자 : 오소형 ( Sohyeong Oh ) , 조원진 ( Wonjin Cho ) , 임대현 ( Daehyeon Lim ) , 유동근 ( Donggeun Yoo ) , 박권필 ( Kwonpil Park )

발행기관 : 한국화학공학회 간행물 : 화학공학 59권 3호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 333-338 (6 pages)

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대형 상용차용 PEMFC 스택 내구성은 승용차용보다 5배 이상 되어야 한다. 승용차용 PEMFC 고분자막의 화학적 가속 내구성 평가(AST)를 대형 상용차용에 그대로 적용하면 AST 시간이 2,500시간 이상이 되는 문제점이 있다. DOE(Department of Energy)의 AST 시간을 단축시키기 위해 Cathode 가스로 공기대신 산소를 사용하여 고분자막의 화학적 내구성을 평가하였다. 본 연구에서는 Nafion XL을 고분자막으로 사용해 OCV, 90 ℃, RH 30%, H2 (Anode), 공기 또는 산소조건으로 가속 내구성을 평가하였다. DOE 내구 목표 기준 중 Short 저항 감소가 제일 빨리 나타났다. 공기 대신 산소를 사용함으로써 전극 열화의 영향을 적게 받으면서, 고분자막의 열화 속도를 가속화시켜 고분자막 내구성 평가시간을 절반 이하로 단축시켰다.

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5화학적/기계적 열화 병행방법에 의한 PEMFC 고분자막 내구성 평가

저자 : 임대현 ( Daehyeon Lim ) , 오소형 ( Sohyeong Oh ) , 정성기 ( Sunggi Jung ) , 정지홍 ( Jihong Jeong ) , 박권필 ( Kwonpil Park )

발행기관 : 한국화학공학회 간행물 : 화학공학 59권 3호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 339-344 (6 pages)

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고분자 전해질 연료전지(Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC) 내구성 향상을 위해서 고분자막의 내구성을 짧은 시간에 정확히 평가하는 것은 중요하다. 최근에 미국 에너지부(Department of Energy, DOE)에서 고분자막의 화학적 내구성과 기계적 내구성을 결합해 평가하는 프로토콜을 보고하였다. 이 프로토콜은 개회로전압(Open Circuit Voltage, OCV) 유지 상태에서 가습/건조를 반복함으로써 화학적/기계적 열화를 고분자막에 가한다. OCV 변화 반복에 따른 전극 열화의 영향을 많이 받고 평가시간이 장시간인 점들이 이 프로토콜의 문제점이다. 본 연구에서 DOE 프로토콜의 다른 조건들은 그대로 두고 양극(Cathode) 가스로 공기 대신 산소를 사용함으로써 내구평가 시간을 408시간에서 144시간으로 단축시킬 수 있었다. 전압변화 사이클 횟수를 1/3로 감소시킴으로써 전압변화 사이클에 의한 전극열화는 종료 시점에서 공기에 비해 산소 사용 시 1/12로 감소시켜서, 고분자막 내구 평가를 보다 정확히 할 수 있게 하였다.

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6LNG 냉열을 활용한 저압 액화 공기 생산 공정 설계 및 경제성 평가

저자 : 문하늘 ( Haneul Mun ) , 정근호 ( Geonho Jung ) , 이인규 ( Inkyu Lee )

발행기관 : 한국화학공학회 간행물 : 화학공학 59권 3호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 345-358 (14 pages)

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본 연구에서는 액화천연가스(LNG; liquefied natural gas) 재기화 과정에서 버려지는 냉열을 회수하는 방법으로 액화 공기를 생산하는 공정을 개발하였다. 액화 공기는 LNG 수출국으로 운송하여 천연가스 액화를 위한 냉매를 부분적으로 대체하는 용도로 활용될 수 있다. 이를 위하여, 액화 공기는 LNG 운반선에 저장 가능한 압력을 만족하여야 한다. 따라서, 가장 널리 사용되는 멤브레인 탱크로 액화 공기를 운송하기 위해 약 1.3 bar에서 공기가 액체 상태로 존재할 수 있도록 설계하였다. 제안한 공정에서, 공기는 LNG와의 열교환 이후 추가적인 질소 냉매 사이클과의 열교환을 통해 과냉된다. LNG 운반선의 최대 용량만큼 액화 공기를 생산할 때 운송비용 측면에서 가장 경제적일 수 있으며, 천연가스 액화공정에서 활용할 수 있는 냉열이 많아지게 된다. 이를 비교하기 위하여, 동일한 1 kg/s의 LNG 공급 조건 하에서 기존 공정을 이용한 Base case와 제안공정 내 유입 공기 유량을 각각 0.50 kg/s, 0.75 kg/s, 1.00 kg/s으로 하는 Case1, Case2, Case3를 구성하고 열역학적 및 경제적 측면에서 분석하였다. 액화 공기 생산량이 많을수록 1kg의 생산량 당 더 많은 에너지가 요구되는 경향을 보였으며 Case3는 Base case 대비 0.18 kWh 높게 나타났다. 그 결과 Case3의 액화 공기 1 kg 당 생산 비용이 $0.0172 더 높게 나타났다. 그러나 액화 공기의 생산량이 증가함에 따라 1 kg 당 운송 비용이 $0.0395 감소하여 전체 비용 측면에서 Case3는 Base case에 비해 1 kg 당 $0.0223 적은 비용으로 액화 공기를 생산 및 운송할 수 있음을 확인하였다.

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7부유 분진의 정전압에 의한 최소착화에너지 위험성평가

저자 : 한우섭 ( Oue-sup Han )

발행기관 : 한국화학공학회 간행물 : 화학공학 59권 3호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 359-365 (7 pages)

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본 연구에서는 분진의 착화 특성 및 정전기 위험성 평가법을 실험적으로 조사하였다. 착화에너지 시험은 PE(HD), PE(LD), PMMA 분진에 대해 MIKE-3장치를 사용하여 실시하였다. PE (HD)의 경우 약 8 ms의 일정 시간 경과 후에 분진운의 착화 화염이 형성되고, 착화원 중심부에서는 화염 핵이 관찰되지 않았다. 분진의 분산 횟수가 증가함에 따라 정전압이 증가하고 분진 농도에 따른 정전압 발생 증가율은 PMMA, PE(LD), PE (HD) 순으로 가장 높았다. PE(HD) 분진의 분산 조건이 정전압에 미치는 영향을 조사하였으며, 분산 횟수가 많아질수록 정전압이 증가하였고 동일한 분산 횟수에서는 분진 농도가 높아질수록 정전압이 증가하였다. 정전기 착화에 의한 화재폭발사고 예방을 위한 안전 정전압은 PE(HD), PE(LD)-1, PE(LD)-2, PMMA에 있어서 각각 2.58, 44.72, 25.82, 8.16 kV로 추정되었다. 정전압 측정 자료를 사용하여 정전기 착화 위험성을 효율적으로 조사하여 최소착화에너지를 추정하는 방법을 제안하였다.

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8형광공명에너지전이 알파카테닌 센서를 활용한 세포 부착접합부에서의 힘 전달 이미징

저자 : 장윤관 ( Yoon-kwan Jang ) , 서정수 ( Jung-soo Suh ) , 석명은 ( Myungeun Suk ) , 김태진 ( Tae-jin Kim )

발행기관 : 한국화학공학회 간행물 : 화학공학 59권 3호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 366-372 (7 pages)

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캐드헤린-카테닌 복합체는 세포의 부착 접합부에서 힘의 전달에 중요한 역할을 하는 것으로 생각된다. 그러나 기계적 힘 신호를 시각화 하고 감지하는 적절한 도구의 부재로, 캐드헤린-카테닌 복합체가 세포 간 접합에서 힘 전달을 조절하는 기본 메커니즘은 아직 파악하기가 어렵다. 본 연구에서는 형광공명에너지전이를 기반으로 설계된 알파카테닌 센서를 사용하여 캐드헤린에 의해 매개되는 힘 전달을 시각화 하였다. 이러한 결과는 알파카테닌이 세포-세포 접합부에서 캐드헤린 매개 기계적에너지변환(mechanotransduction) 경로의 핵심적인 힘 트랜스듀서(force transducer) 임을 보여준다. 본 연구는 향후 기계적 힘의 세포-세포 상호간의 의사소통에 미치는 영향과 생리학적/병리학적 현상과의 관계를 연구하는 데 중요한 이해를 제공할 것이라 본다.

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9젖산 연료전지용 효소전극 제작 및 특성 분석

저자 : 장연청 ( Yanqing Zhang ) , 김창준 ( Chang-joon Kim )

발행기관 : 한국화학공학회 간행물 : 화학공학 59권 3호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 373-378 (6 pages)

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본 연구는 땀에 존재하는 젖산을 연료로 사용하여 전기를 생산하는 웨어러블 연료전지용 고전력 젖산 산화효소 전극을 개발하는 데 그 목적이 있다. 유연성 있는 탄소종이 기반의 고정화효소 전극을 제작하고 평가하였다. 전해질 내 젖산농도 증가에 따라 젖산 산화효소(lactate oxidase, LOx)의 촉매작용으로 전류생성량이 증가하였다. 금 나노입자가 부착된 탄소종이에 고정화된 LOx가 탄소종이에 부착된 LOx보다 1.5배 많은 전류를 생성하였다. 빌리루빈 산화효소(bilirubin oxidase, BOD)가 고정화된 cathode는 질소로 퍼지(purge)된 전해질보다 산소로 포화된 전해질에서 높은 환원전류를 발생시켰다. 두 전극으로 구성된 연료전지를 제작하여 방전전류 변화에 따른 셀전압을 측정하였다. 방전 전류밀도 값이 66.7 μA/㎠에서 셀 전압은 0.5±0.0 V였고, 셀 전력량은 최대치인 33.8±2.5 μW/㎠를 나타내었다.

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10Taxus chinensis로부터 파클리탁셀 정제를 위한 개선된 아세톤-물 분별침전 공정 개발 및 그 동역학 및 열역학적 해석

저자 : 강회종 ( Hoe-jong Kang ) , 김진현 ( Jin-hyun Kim )

발행기관 : 한국화학공학회 간행물 : 화학공학 59권 3호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 379-392 (14 pages)

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본 연구에서는 초음파 캐비태이션 버블와 가스 버블를 이용한 파클리탁셀의 개선된 아세톤-물 분별침전 공정을 개발하였다. 전통적 방법에 비해 침전에 소요되는 시간이 20~25배 단축되었다. 또한 파클리탁셀의 침전물 크기는 3.5~5.5배 감소하였으며 파클리탁셀의 확산 계수는 3.5~6.7배 증가하였다. 초음파 캐비태이션 버블을 이용한 침전의 경우 초음파 파워는 증가할수록, 침전 온도는 감소할수록 침전 속도 상수는 증가하였다. 가스 버블을 이용한 침전의 경우 가스 유량은 증가할수록, 침전 온도는 감소할수록 침전 속도 상수는 증가하였다. 열역학적 해석을 통해 개선된 분별침전은 비자발적 발열 공정이었다.

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화학공학
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