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Functionalized nano-composite materials for sustainable water production
황유훈 한국공업화학회 2020 한국공업화학회 연구논문 초록집 Vol.2020 No.-
Nanomaterials showed many advantages, such as faster reaction, higher mobility, and easier functionalization. However, there are still big gaps between laboratory studies and practical field applications due to difficulties in separation after use. Designing nano-composite materials, which contain nanomaterials in/on supporting materials, could be an answer to solve the issue without altering the inherent physical and chemical properties of nanomaterials. In this study, several examples of making nano-composite materials and applying them to environmental remediation will be introduced. It includes nanoscale zero-valent iron immobilized in granular activated carbon for groundwater remediation, disulfide organic polymer immobilized on the polymeric filter for road run-off filtration, and Prussian blue immobilized sponge for radioactive cesium adsorption.
모듈형 이동식 물생산 시스템 운전 성능 및 자연 유기물 제거 거동 평가
황유훈,양필제,송지민,홍민지,최창형,고석오,김도군 대한상하수도학회 2018 상하수도학회지 Vol.32 No.1
It is necessary to develop a mobile water production system in order to provide stable water supply in case of disasters such as floods or earthquakes. In this study, we developed a modular mobile water production system capable of producing water for various uses such as domestic water and drinking water while improving applicability in various raw water sources. The water production system consists of three stages of filtration (sand filtration - activated carbon filtration - pressure filtration) to produce domestic water and an additional reverse osmosis process to produce drinking water. In laboratory and field experiments, the domestic water production system showed excellent treatment efficiency for particulate matter, but showed limitations in the treatment of dissolved substances such as organic matter. In addition, ultraviolet irradiation was considered as additional disinfection step, because it does not form precipitates of manganese oxides after disinfection. Reverse osmosis process was added to increase the removal efficiency of dissolved substances and the treated water satisfied drinking water quality standards. Fluorescence analysis of dissolved organic matter showed that the fulvic acid-like substances in raw water was successfully removed in the reverse osmosis process. The mobile water production system developed in this study is expected to be used not only in water supply in case of disaster, but also wildly used in islands and rural area.
나노 영가철 환원 반응성의 정량 분석을 위한 수정된 인도페놀법 적용
황유훈(Yuhoon Hwang),이원태(Wontae Lee),Henrik R. Andersen 대한환경공학회 2016 대한환경공학회지 Vol.38 No.12
나노 기술에 대한 관심이 증가함에 따라 다양한 종류의 나노 물질이 환경 정화 분야에서 활발히 연구되고 있다. 이에 따라 새롭게 개발된 나노 물질의 성능을 쉽고 신속하게 측정할 수 있는 분석법에 대한 요구가 증가하고 있다. 본 연구에서는 토양/지하수 정화 분야에서 활발히 사용되는 나노 영가철의 환원 반응성을 쉽고 신속하게 측정할 수 있는 방법으로써 수정된 인도페놀법을 제시하였다. 인도페놀법에서 한계반응물로 작용하던 암모늄과 과량으로 존재하던 페놀을 치환하여 사용함으로써 페놀류에 대한 정량 분석이 가능하도록 수정하였다. 대상으로 한 나노 영가철에 의한 환원 반응은 4-클로로페놀의 페놀로의 환원과 나이트로벤젠의 아닐린으로의 환원이었으며, 수정된 인도페놀법은 반응생성물인 페놀과 아닐린에 대하여 선택성을 나타내 분석 방법으로 사용이 가능함을 확인하였다. 민감도 향상을 위하여 발색 시약의 농도 및 반응 시간, 시료의 전처리 등의 영향에 대하여 평가하였다. 실제 시료를 대상으로 시험하였을 때, 용존 철 이온에 의한 저해 영향을 확인하여 탄산나트륨 용액 주입의 전처리를 이용하여 해결하였다. 최종적으로 개발된 분석 방법을 이용하여 나노 영가철 및 이중금속 나노영가철의 환원 반응성을 측정하였으며, 결과적으로 환원 반응 속도의 차이뿐 아니라 환원 기작의 차이도 구분할 수 있는 가능성을 보여 주어 나노 영가철의 환원과 관련된 연구 분야에서 유용하게 사용될 수 있을 것으로 사료된다. Nanoscale zero-valent iron (nZVI) has been effectively applied for environmental remediation due to its ability to reduce various toxic compounds. However, quantification of nZVI reactivity has not yet been standardized. Here, we adapted colorimetric assays for determining reductive activity of nZVIs. A modified indophenol method was suggested to determine reducing activity of nZVI. The method was originally developed to determine aqueous ammonia concentration, but it was further modified to quantify phenol and aniline. The assay focused on analysis of reduction products rather than its mother compounds, which gave more accurate quantification of reductive activity. The suggested color assay showed superior selectivity toward reduction products, phenol or aniline, in the presence of mother compounds, 4-chlorophenol or nitrobenzene. Reaction conditions, such as reagent concentration and reaction time, were optimized to maximize sensitivity. Additionally, pretreatment step using Na₂CO₃ was suggested to eliminate the interference of residual iron ions. Monometallic nZVI and bimetallic Ni/Fe were investigated with the reaction. The substrates showed graduated reactivity, and thus, reduction potency and kinetics of different materials and reaction mechanism was distinguished. The colorimetric assay based on modified indophenol reaction can be promises to be a useful and simple tool in various nZVI related research topics.
세라믹 여재를 활용한 상향류식 여과형 비점오염저감시설의 최적 운전 및 역세척 조건
황유훈(Yuhoon Hwang),서영교(Younggyo Seo),김효원(Hyowon Kim),노건완(Kunwan Roh),신현상(Hyunsang Shin),김도군(Dogun Kim) 대한환경공학회 2017 대한환경공학회지 Vol.39 No.8
도로변 등에 여과형 강우유출수 처리시설이 많이 이용되고 있으나, 유지관리의 최소화, 성능의 검증 및 최적 조건의 수립이 선행되어야 한다. 본 연구에서는 강도가 우수하고 성형이 용이한 세라믹 여재를 사용하고, 하단 지지부와 상단의 여과조로 이루어진 상향류식 여과 시스템을 구성하고, SS 제거능과 역세척 조건을 검토하여, 최적 운전 조건을 설정하였다. 여과 선속도 20-40 m/h 조건에서 운전하였을 때, 총 고형물 부하 30 kg/m² 에 이르는 조건에서도 최대 수두 손실 상승이 3 cm 내외이었으며, SS 처리 효율이 96% 이상으로, 안정적인 운전이 가능하였다. 운전 중의 손실수두와 여재층 공극률은 급수 모델에 의해 모사가 가능하였다. 특히, 하단 지지부에서 일정 입도 이상의 SS가 상당량 제거되어, 여과조에 부하를 감소시킬 수 있음을 확인하였다. 최적의 역세척 조건을 설정하기 위하여 공기 및 수세척의 시간과 유량, 그리고 정체수 배출 공정의 유무에 따른 영향을 확인하였으며, 실험한 모든 조건에서 만족할 만한 손실수두의 회복을 달성할 수 있었다. 다만, 역세척 직후 SS의 배출을 최소화하기 위해서는 공기세척과 수세척 공정 사이에 정체수 배출 공정의 도입이 효과적인 것으로 파악되었다. 본 연구에서 설정한 역세척 조건을 적용하였을 때, SS 부하 400-450 kg/m² 의 여재층이 성공적으로 세척될 수 있어, 장기운전이 충분히 가능할 것으로 판단된다. Stormwater filtration is widely used for the urban runoff treatment. However, intensive maintenance and lack of information about the performance have resulted in an increased need of proper evaluation. In this study, the performance of an upflow stormwater runoff filtration system, consisting of a supporting unit and a filtration unit filled with a ceramic media, was investigated. The maximum head loss increase was about 3 cm under the suspended solid (SS) load of 30 kg/m² and the SS removal was more than 96%, when the filtration velocity was 20-40 m/h. The head loss and the porosity of the media can successfully be described by a power model. It was confirmed that the a significant amount of SS can effectively be removed at supporting unit, minimizing SS load to the filter media bed. Several backwashing strategies have been tested to establish the optimum condition. It was found that the stagnant water discharge is important to minimize the SS release immediately after backwashing. Also, the filter bed loaded with 400-450 kg/m² SS can almost completely be washed to reduce the head loss to the that of empty bed. The results in this study indicate that the upflow ceramic media filter is an excellent alternative to stormwater treatment, with high SS removal and long lifespan.