환경 미생물의 실시간 현장 비색 검출을 위한 미세유체 칩

김자영 경희대학교 대학원 2016 국내석사

환경매질의 미생물 오염으로 인한 문제가 심각하여 이를 사전에 방지하기 위한 방안이 필요하다. 그러나 미생물 검사를 위한 기존의 공정시험법 및 관련 기술들은 복잡하고 고가의 장비가 수반되며 시료의 운반 및 분석까지 장시간이 요구되는 단점이 있다. 따라서, 본 연구는 미세유체 칩(Microfluidic analytical device)을 통하여 실시간으로 현장에서 즉시 사용할 수 있는 저비용 미생물 오염 측정 및 분석 장치를 구현해 내는 것을 연구목표로 하였다. 실험실상의 미생물의 시험을 위한 미생물은 Escherichia coli(E.coli, XL-Blue strain)를 사용하였다. 배양된 E.coli 의 현탁액을 멸균 생리식염수로 희석하여 서로 다른 5가지 개체수로 나누었으며 이는 각각 Group 1; 0 cells/mL, Group 2; 5.60 ×106 cells/mL, Group 3; 1.74×108 cells/mL, Group 4; 3.70×108 cells/mL, 및 Group 5; 8.77×108 cells/mL 이었다. 현장에서 육안으로 미생물을 검사하기 위한 비색검출 방법으로 펜톤반응(Fenton’s reaction)을 적용시킨 변형된 카탈라제(Catalase, EC 1.11.1.6) 효소기질 반응을 선정하였다. 미생물을 검출하는 칩으로는 종이기반 미세유체 칩(paper based microfluidic analytical device, μPAD)을 제작하였으며 이는 왁스 프린팅 기법(wax printing method)을 통하여 7초간 100℃에서 처리하는 조건이었다. 제작한 μPAD를 이용하여 0~8.77×108 cells/mL 범위의 E.coli 시료 각각에 대하여 미생물 비색 검출을 수행하였다. 실험 결과 생성된 μPAD의 검출부(detection chamber)의 비색 분석은 색상(hue, H), 채도(saturation, S), 및 명도(value, V)를 뜻하는 HSV 색공간(color space)을 기반으로 300 픽셀(pixels)의 정밀도로 분석되었다. 그 결과 각 시료에 대응하는 검출부의 색의 강도는 미생물 시료의 개체수가 Group 1; 0 cells/mL에서 Group 5; 8.77×108 cells/mL로 갈수록 색상(H)은 13˚에서 35˚로 증가, 채도(S)는 51.4 % 에서 19.0 %로 감소, 그리고 명도(V)는 70.2 %에서 92.9 %로 증가하는 경향성을 확인할 수 있었다. 또한 여러 가지 환경 시료의 비색 검출을 실시하였다. 환경 시료는 수질시료(먹는 샘물, 음용수(정수기물), 가습기 물, 및 수조수)와 토양시료(일반 표토, 농토, 및 축산비료 부유토)을 채취하여 시험하였다. 그 결과 채취한 환경시료의 미생물 개체수 범위는 E.coli 시료를 이용하여 얻은 미생물 색도 기준표(colorimetric reference chart) 범위 내에 포함되었으며 이러한 환경시료의 분석 결과 또한 색도 분석에 있어 유의한 상관관계(r = 0.91, 0.95, 및 -0.84)가 있을 확인하였다. 이는 위에 제시된 미생물의 개체수 범위 내에서 육안으로 비색 검출 판독을 확인할 수 있는 결과이며 10회 반복시험 결과의 재연성(reproducibility)을 통계적으로 검증하였다. 그 결과 색상(H) 및 채도(S) 의 평균값 ± 표준편차 값은 각각 23.00±1.23, 42.10±3.51로 유의성(P < 0.05, n = 10)있게 재연성이 확인되었으며 명도(V)는 82.00±3.80으로 통계적인 유의성(P < 0.01, n = 10)있게 재연성이 있는 것으로 나타났다. 따라서 본 연구에서 개발한 μPAD는 환경시료의 미생물 개체수를 비색반응을 통하여 육안으로 판독하였으며, 기타 분석장비 없이 수행함으로써 현장에서 실시간 검출의 성능이 있는 것으로 확인되었다.

환경변동에 따른 수생태계 먹이망 구조변화 해석을 위한 안정동위원소비 활용

고순미 경희대학교 대학원 2017 국내석사

기수역은 담수와 해수가 교차, 혼합되는 곳으로 다양하고 풍부한 생물의 서식공간으로서 생태학적 중요도가 매우 높은 지역이다. 담수와 해수가 만나는 구역에서는 상·하류 및 상층과 하층간의 밀도차에 의한 성층현상과 정체현상이 빈번히 일어나고, 그 결과 기수역에서는 유기물 퇴적이 발생하며 수체혼합 제한 등의 특이한 환경요건을 가지고 있다. 이와 달리 새만금의 기수역은 해수의 유입량이 배수갑문의 개폐에 의해 조절되고, 상류유역인 만경강과 동진강으로부터의 담수유입의 영향을 크게 받고 있어, 방조제 건설 전과 비교하여 급격한 환경변화가 발생하고 있다. 특히, 기수역에 있어 이러한 환경변화는 어류의 군집구조에 큰 영향을 미칠 것으로 예상된다. 어류는 수생태계 내 최종 소비자로, 다른 생물종들과 밀접한 관계를 가져 해당 생태계의 생물 다양성을 대표한다고 할 수 있다. 따라서 변화하는 새만금의 환경요인과 어류군집 변화의 상관관계를 파악하여야 하며, 새만금 호 내의 환경변화를 모니터링 하는 것은 향후 해역의 이용계획 수립과 관리를 위해 필수적이라 할 수 있다. 안정동위원소비를 이용한 먹이망 구조 분석은 수생태계의 구조 및 다양성을 정량적으로 나타내므로 해수유입 및 부영양화와 같은 다양한 영향을 추적하기 위한 분석에의 적용이 가능하다. 본 연구는 방조제 건설 후부터 2016년까지 만경강과 동진강 유역에서부터 새만금 방조제 부근까지 현장조사를 실시하였으며 이를 바탕으로 새만금 환경요인과 생물상 변화 특성을 파악하고자 하였다. 특히 분석에는 새만금에 서식하고 있는 다양한 생물종들의 탄소 및 질소 안정동위원소비를 이용하여 새만금 어류 및 저차 생산자를 대상으로 기수역의 축소 및 담수영향 정도를 정량적으로 파악하고자 하였다. 분석결과, 담수 및 해수역에서 채집된 어류의 먹이섭식성향은 담수기원과 해수기원 먹이원에 각각 의존하며 양극단으로 치우쳐 향후 새만금의 담수화가 더 진행될 경우 저서성 및 해수종은 환경변화에 민감하게 반응할 것으로 보였다. 따라서 비록 제한적인 해수유통으로 해수기원의 먹이원이 새만금 호 내로 유입되고 있으나, 호 내에 서식하고 있는 해수종은 외부에서 해수와 함께 유입되고 해수성 먹이원에 의존하고 있어, 점차 기수역은 좁아지고 담수기원의 먹이원이 증가하는 새만금 환경에서 다양한 종이 적응하여 서식하기 위해선 대책이 필요할 것으로 판단되었다. 또한 새만금 내 최상위포식자를 이용한 먹이사슬 길이 및 가숭어의 영양단계를 분석한 결과 새만금 생태계는 방조제 건설 후, 보다 불안정한 환경으로 변한 것을 추정할 수 있었으며, 부영양화지수에 따른 가숭어 영양단계의 감소가 뚜렷이 나타나는 것으로 보아 안정동위원소비를 이용한 새만금 영양단계는 새만금 생태계의 먹이환경을 포함한 생태환경을 반영할 수 있을 것으로 추정되며, 목표종을 선정하여 지속적인 모니터링을 실시하여 생태적 정보로서 기존의 지수들과 함께 상호보완적으로 환경을 이해할 수 있는 정량적 지표로 이용할 수 있을 것으로 기대된다. Brackish area provides the various habitats for freshwater, brackish and marine species, therefore the ecosystem structure is dramatically changing spatially as well as temporarily. The Saemangeum reservoir is enclosed brackish reservoir created by huge 33-km long dyke construction. One of main purposes of the construction was desalination to secure freshwater supply from created reservoir with area of 40,100 ha (401 km2). Recently, the reservoir has received strong eutrophication impacts from the basin, and sea water input through the sluice gates of the dyke has been operated to maintain water quality of the reservoir. In particular, fish community of the reservoir includes freshwater fish which extend their distribution with discharge from two rivers, brackish species and marine species introduced by seawater input through the gates of dyke. To analyze the current status of Seamangeum reservoir and the changes of ecosystem according to desalination, intensive environmental monitoring project has begun since 2011. Dual δ13C and δ15N composition indicate the origin of organic matter and nutrients flows (i.e. distribution of food sources and pollutants) and trophic relation. In the present study, we carried out food web analysis using SIA(Stable Isotope Analysis) to understand spatial and temporal dynamics of the food web and their interactions with environmental changes in Seamangeum. Species composition including plankton, macro-invertebrates and fish, and their carbon and nitrogen isotope ratios were monitored from 2013 to 2016. We tried to apply SIA to represent the changes of environment to supplement the existing biological index. We estimated the long-term changes of the origin of food source and trophic level of dominant species. For determining the change of FCL(Food Chain Length), we selected mullet (Mugil heamatocheilus) as target species since they distribute all sampling sites and were tracked continuously at both fresh and seawater areas. Then these stable isotope ratios value was compared with TSIKO(Korean Trophic State Index). From the tendency of δ13C of fish species in Saemangeum, it can be estimated that the benthic and inflowed seawater species are likely to severely affected because of the polarization between fresh and seawater area. Also each species showed different feeding characteristics although the same freshwater and seawater species (ex. Konosirus punctatus and Engraulis japonicus). Therefore, we need to be careful to estimate the impact of environments on fish community. In addition, Trophic levels(TL) of fish by TSIKO showed clear tendency, so we think that the TL can represent the comprehensive environment including food source of ecosystem. Therefore, when continuous monitoring by selecting the target species, TL is expected to be useful supplementary index for understanding the food environment for important fish species.

Dinitramide 계열 이온상 화합물 기반 친환경 액상추진제 연구 : 하이드라진 대체 고에너지 위성추력기 연료

김우람 경희대학교 대학원 2020 국내박사

역사적으로 과학자들은 organic chemical synthesis 분야에서, 새로운 물질의 개발을 탐색하고 다양한 속성을 가진 다양한 에너지물질을 발견하였다. Explosive, propellants 및 pyrotechnics는 탄약, 광업, 유정 천공, 건설 및 철거 산업에 수백 년 동안 사용되어온 에너지물질로서, 각각의 산업분야에서는 보다 우수한 성능과 개선된 감도(Sensitivity) 특성을 나타내며, 생산성 및 품질이 우수하고, 제조공정이 쉬운, 안전한 에너지 재료를 개발하고 있다. 화합물 중 일부는 19세기 에너지 특성이 발견되기 전에 상업적 용도로 사용되었으며, 제 1 차 세계 대전과 제 2 차 세계 대전 동안 에너지물질 개발은 일진월보했다. Hydrazine(N2H4)은 일반적인 우주선 추진과 궤도수정 추력기의 추진제로 가장 일반적으로 사용되고 있다. 전형적인 electric solenoid valve, pressurant tank 그리고 iridium(Shell 405)이 함침된 alumina pellet의 촉매장치로 구성된, hydrazine 추력기들은 단순 설계 방식의 구조 특징이 있으며, 신뢰성이 높다. 또한, 220초 이상의 진공상태 조건 비추력(Isp)을 제공한다. 일반적인 hydrazine 추력기 설계에서, 촉매장치는 ammonia, hydrogen, nitrogen 가스가 1,600 J/g이상 발생되면서 발열반응 분해화가 시작된다. Shell 405 촉매제를 이용한 hydrazine 분해는 촉매장치에 추가적인 열 공급 없이 진행될 수 있지만, 추력기 설계시 안전하고 신뢰할 수 있는 점화환경과 일관된 연소 효율을 확보하기 위해서 촉매장치를 예열한다. 그러나, hydrazine은 심각한 환경 문제들을 제기하는 강력한 환원제(Reducing agent)로, 인간의 생체조직을 심각하게 파괴하는 고위험성 발암물질이다. Hydrazine에 노출시 역 침투성 효과로 인해 간, 신장, 신경계와 적혈구의 손상을 발생을 일으킨다. 이런 생물학적 그리고 독성 영향들 이외에, hydrazine은 우주선과 발사용 로켓에 중대한 환경 위험성을 발생시켰다. 추력시스템 뇌관의 인접 폭발과 같이, 급열이나 심각한 충격에 노출되면, hydrazine은 폭발할 가능성이 있다. Adapter ring 내에 있는 linear charge에 의해서 폭발이 발생되며, 이것은 냉각산소에 의해서 보강된 고체 hydrazine의 압력변화에 따른 현상으로 의심되고 있다. 또한, hydrazine은 실온에서 대략 1,000 kPa(145 psia)의 매우 높은 증기압을 갖는다. 이런 높은 증기압은 많은 양의 증기를 발생 시키며, 그로 인한 현장내의 호흡기 문제와 같은 위험성을 제기한다. Hydrazine을 취급하는 모든 곳에서는 SCAPE(Self Contained Atmospheric Protective Ensemble) 보호장치를 구비하여야 하지만, SCAPE 개인보호장비(PPE)의 사용에 대한 정비는 복잡하며 그리고 이 모든 사항을 준수하며 연료를 탑재 시 상당한 시간을 소비하게 된다. 절차들을 반영하여, hydrazine을 보호구역과 로켓시설물에서 정부나 방위업체의 엄격한 통제에 안전하게 관리를 하더라도, hydrazine의 독성과 폭발 잠재력을 저감시킬 엄격한 취급 예비 조치들이 추가적으로 필요할 것이다. 계속적으로 늘어나는 취급규제 부담으로, hydrazine 운송, 저장, 정비와 돌발적 배출의 제거와 연관된 인프라 요건의 비용이 상당히 소요되고 있다. 소형통신위성 운영들이 정부 운영 기관들에서 벗어난 민간 기업들이나 대학들로 계속 이전되고 있기 때문에, 추진제로 hydrazine을 계속 적용시 문제는 더욱더 증가할 것이다. 즉, 민간우주 시스템으로서 hydrazine의 운영은 사실상 실현 불가능하다. 게다가, 이런 극도의 취급조건은 secondary payloads를 위한 추진제로서 hydrazine을 선호하지 않는다. ESA/ESTEC(European Space Research and Technology Center)의 최근 연구는 저비용 우주진입의 달성을 위한 두 가지 기본적 설계요소를 확인하고 있다. 1)Reduced production, operational, and transport costs due to lower propellant toxicity and explosion hazards, 2) Reduced costs due to an overall reduction in subsystems complexity and overall systems interface complexity 이다. 그 연구에서 취급 절차들과 정비 그리고 추진제 분야를 단순화함으로써 상당한 운영비의 절약에 대한 예측자료를 제시하였으며, hydrazine 대비 비독성이며, 안정적인 “Green propellant” 연구를 강조하였다. ESA/ESTEC 권장사항들이 NASA의 우주 추진력 시스템 지침인 ISPSR(In-Space Propulsion Systems Roadmap) TA02.1.1.1의 액상추진제에 대한 정의 및 사항이 조정되고 있다. ISPSR의 핵심요소는 우주선 추진제로 발생되는 문제점을 확인하고, “less hazardous, less toxic” 대체물질 개발을 권장한다. 최근에 NASA는 친환경 추진제 소재(HAN)를 활용한 추력기 시스템개발과 미국 대학기관과의 협력이 증대되고 있으며, 유럽 또한 ADN을 기반으로 한 친환경 추진제 개발이 완성단계에 도달했다. 현재, 대한민국은 우주개발 선진국 진입을 위해 국내 기술 개발을 이뤄야 하는 액상추진제와 이를 활용한 인공위성 및 발사체 자세제어용 추력기 분야에 대한 발전이 미미하고, 맹독성 hydrazine 추진제 개발에 치중되어 있으며, 관련 연구가 부족한 상태이다. 본 연구는 실제적으로 적용이 가능하며, 검증된 dinitramide[-N(NO2)2] 이온을 기초한 친환경 산화제인 ammonium dinitramide의 개발 그리고 2차 폭발물뿐만 아니라, 액상추진제의 첨가제로 활용 가능한 dinitramide 화합물을 합성하여 현재 국내 미개척 분야인 로켓연료 연료물질의 진일보한 발전을 이루고자 한다. Explosives, propellants, and pyrotechnics are energetic materials that have been utilized for the munitions, mining, oil well perforation, construction, and demolition industries for hundreds of years. In each of these industries, the trend has been to develop and acquire energetic materials that display greater performance and improved sensitivity characteristics, that are less expensive and of better quality, and that are easy and safe to manufacture. Historically, scientists have explored the development of new materials through organic chemical synthesis that resulted in the identification of many energetic materials with varying properties. Several of these compounds were originally intended for commercial applications before their energetic properties were discovered the early 1800s. And then, there was much progress in the development of energetic materials during World War I and II. Hydrazine(N2H4) is by far the most commonly used propellant for primary spacecraft propulsion and attitude control thrusters. Hydrazine thrusters, which typically consist of an electric solenoid valve, a pressurant tank, and a catalyst bed of alumina pellets impregnated with iridium, feature simple design architectures, are highly reliable, and offer vacuum specific impulse(Isp) exceeding 220 seconds. Unfortunately, hydrazine is a powerful reducing agent that poses serious environmental concerns. Hydrazine is extremely destructive to living tissues and is a probable human carcinogen. Exposure produces a variety of adverse systemic effects including damage to liver, kidneys, nervous system, and red blood cells. In addition to these biological and toxicological impacts, hydrazine presents significant environmental dangers for the spacecraft and launch vehicle. The main oxidizing compounds used in composite propellant manufacturing are ammonium perchlorate(AP) and ammonium nitrate(AN). Aluminized composite propellants with polybutadiene binder and ammonium perchlorate as oxidizer (HTPB/AP/Al) have been extremely used in solid space propulsion. Owing to the cheapness and suitability of the raw materials, the use of AP-based propellants is likely to continue for large scale. The high purity of AP and perfectly controlled grain performance of AP-based propellant are the important characteristic parameters that make AP as one of the most common oxidizers. The explosive salts of perchloric acid are considerably more stable and safer to handle as compared to their chlorate analogues. However, during the propellant combustion, a large amount of HCl gas and other chlorine compounds are generated in the motor exhaust. With the moisture in air, these by-products of combustion of the propellant fuel produce an intense white smoke in the atmosphere. The exhaust gases are highly corrosive and toxic in nature and they form semi-opaque clouds under humid conditions. During the firing of large size boosters of launch vehicles such as space shuttle, copious amount of HCl gas is produced and discharged in to the atmosphere. This leads to heavy “acid rain” and depletion of the ozone layer. When the space shuttle is launched, each of its solid rocket booster(SRB) produces on an average 100 tons of HCl gas. The useful monopropellant replacement for hydrazine and AP must be sufficiently energetic to easily decompose and produce good combustion properties. Non storable cryogenic or high freezing point propellants requiring temperature control are not appropriate for space propulsion applications. Most importantly, candidate replacements for hydrazine must be sufficiently chemically and thermally stable to allow storability, and also allow technicians and engineers to safely work with the propellant. Ammonium dinitramide(ADN) is an alternative propellant material that has recently been developed with greater energy efficiency than hydrazine, such that the impulse force of a spacecraft can be increased by approximately 10%. ADN is a high-energy inorganic salt, mainly intended as oxidizer in solid rocket propellants. ADN was first synthesized in 1971 at the Zelinsky Institute of Organic Chemistry in Moscow, USSR, and is one of the most significant discoveries in the field of energetic materials. It is claimed that ADN-based solid propellants are in operational use in missile in Russian and that ADN previously was produced in quantities in the former USSR. In the beginning of the 1990s, FOI in Sweden started research on ADN in order to develop high performance solid propellants. During this development work, it was found that ADN was highly soluble in polar solvents, which led to the realization that it also could be used as an oxidizer in liquid propellants. We are looking to develop synthesis systems that will create leap-ahead advances in propellant capabilities. For energetic materials, this translates into compounds with increased power that are more effective and more survivable in a severe environment. These procedures are process of developing new energetic materials and use other methods that are not necessarily traditional organic chemistry methods. In this work, other dinitramide salts synthesis was initiated with ammonium dinitramide. Through several attempts with various cation precursors, the highest yield was achieved with dinitramide salts, and a result showing low decomposition liquid monopropellant was found in association with the discovered additives.

바이오차 투입을 통한 가로수 토양의 물환경 개선 연구

유신이 경희대학교 대학원 2019 국내석사

도시 가로수는 도시 미관향상, 기후조절, 대기오염물질 정화기능 뿐 아니라 단절된 도시 녹지네트워크를 연결하는 축으로서 중요한 역할을 하고 있다. 그러나 이들의 생육환경은 인간과 건물에 의한 토양압밀로 통기성 및 투수성이 불량하고 극심한 기후변화로 인한 강수변동 스트레스를 동시에 겪고 있다. 바이오차는 산소가 제한된 환경에서 바이오매스를 열분해하여 생성되는 물질로 토양에 투입할 경우 토양압밀 완화, 수분 및 양분 보유 증대 등의 토양개량효과가 있다. 이에 본 연구에서는 기후변화로 수분 스트레스를 겪고 있는 가로수 토양 내 바이오차 투입을 통한 토양환경의 변화를 분석하고 변화된 토양환경에 대한 식물의 반응을 살펴보았다. 연구는 총 2회에 걸쳐 진행하였는데, 실험Ⅰ은 온실규모에서 홍수 및 가뭄의 수분변동을 고려한 가로수 모사실험을 진행하였고 실제 가로수 토양환경 개선에도 적용가능한지 확인하기 위해 실험Ⅱ를 야외에서 진행하였다. 실험Ⅰ은 과도한 물조건과 일정시점 이후 물공급을 중단하여 수분상태가 변화하는 두 조건에서 은행나무 2년생을 대상으로 130일간 진행하였으며 사양토에 바이오차를 2.5%(w/w)를 투입한 처리구와 아무것도 투입하지 않은 대조구를 비교하였다. 실험Ⅱ는 수원시 느티나무 가로수의 토양을 대상으로 3달간 진행하였으며 왕겨 바이오차와 왕겨를 각각 토양에 2%(w/w) 투입한 처리구와 아무것도 투입하지 않은 대조구를 비교하였다. 배양 후 토양의 구조적, 화학적, 생물학적 변화와 식물의 바이오매스, 엽록소 및 잎수분함량을 분석하였다. 실험Ⅰ 결과, 과도한 물조건에서 바이오차 처리구는 배양기간동안 토양수분함량이 LLWR(least limiting water range)를 벗어나는 일수가 평균 10일인데 반해 대조구는 평균 117일로 과도한 수분에 대한 스트레스를 받음을 확인하였다. 이는 바이오차 투입에 따른 입단분포변화와 관련된다. 바이오차 투입으로 토양 내 거대입단(250-1000um,>1000um)과 대공극이 형성되고 바이오차 자체가 거대입단처럼 작용하여 토양 공극 분포에 영향을 준 것으로 보인다. 물공급의 중단으로 토양이 건조되는 환경에서 대조구는 입단분포 변화가 나타났지만 바이오차 처리구에서는 입단분포 변화가 관찰되지 않았다. 이는 토양 내 바이오차 투입이 수량변동에 저항성 높은 토양구조를 만들었음을 보여준다. 이러한 토양구조는 식물과 미생물이 이용가능한 양분보유에도 영향을 미쳐 바이오차 처리구에서 높은 미생물 활성과 식물생장으로 보였다. 실험Ⅱ 결과, 폭우로 발생되는 토양압밀에 대해 왕겨 바이오차 및 왕겨 처리구에서 대조구에 비해 각각 70%, 96% 높은 토양압밀 저항성을 보였다. 이는 투입물질의 투입을 통해 토양압밀 저항성이 높아졌음을 의미한다. 또한 폭우기간 1일 전후 동안의 수분변화량을 통한 토양의 폭우완충정도를 비교해보면, 왕겨 바이오차 처리구가 0.05%로 0.09%인 대조구, 0.08%인 왕겨 처리구에 비해 급변하는 수량변동에 대한 영향을 덜 받음을 확인하였다. 이러한 결과는 앞선 실험Ⅰ의 결과처럼, 바이오차 투입으로 형성되는 거대입단 또는 거대입단(250-1000um,>1000um)과 비슷한 크기의 입자들로 구성된 바이오차 자체가 거대입단처럼 작용하였기 때문으로 사료된다. 변화된 토양환경에 대한 가로수의 반응은 관찰되지 않았는 데, 투입물질-토양-미생물-식물 간의 상호작용이 이루어지는 데 긴 시간이 필요하기 때문으로 판단된다. 본 연구에서는 바이오차를 토양에 투입할 경우 토양환경이 개선되어 식물 및 미생물이 성장하기에 더 나은 환경을 제공해줄 뿐 아니라 안정된 토양구조로 극심한 기후변화로 발생되는 외부 변화에 대해 토양이 받는 스트레스를 감소시킨다는 것을 알 수 있었다. 그러나 바이오차가 투입되어 토양, 미생물, 식물과 상호작용을 하는 데 시간이 필요하므로 장기적인 관점에서 꾸준한 모니터링이 요구되며 시간이 흐름에 따라 추가적으로 발생되는 바이오차의 토양개량효과도 기대해 볼 수 있다. Urban roadside tree plays an important role not only in enhancing urban aesthetics, climate regulation and purification of air pollutant, but also connecting the scattered urban greens. However, their growth environment is influenced by soil compaction and fluctuating stress of precipitation due to extreme climate change. Biochar, a substance produced by pyrolysis of biomass, which is regarded as a useful soil amendment to enhance soil structural quality and increase plant growth. Two experiments were conducted to investigate the effect of biochar on urban roadside tree soil subjected to severe water status changes due to climate change and to identify the response of plants with biochar addition. The ExperimentⅠwas simulated the common urban roadside tree system considering the water conditions of flood and drought, so we conducted with different extreme water conditions of the excessive and switching water conditions. The 2-year-old Ginkgo trees (Ginkgo biolba) were selected and planted in the soil with biochar addition at application rate of 2.5% (w/w) (BC) in greenhouse for 130 days. ExperimentⅡwas conducted in the urban roadside tree system in Suwon to determine whether biochar application could improve the soil quality in the field for 3 months. In this experiment, the species of urban tree is Zelkova trees (Zelkova serrata) and we applied soil with 2% (w/w) of rice husk biochar (RH_CHAR) and rice husk biomass (RH_RAW), respectively. After the incubation of two experiments, we analyzed soil physicochemical and biological properties, plant biomass, chlorophyll content, and leaf water content. In ExperimentⅠ, the time of soil water content was out of the LLWR (Least limiting water range) in BC soil was only for 10 days, but the time in the CON soil was 117 days during the incubation with the excessive water conditions. This indicated that the CON soil was influenced with flooding stress due to a low hydraulic conductivity which was changed in distribution of soil aggregates by biochar additions. Biochar addition could enhance the formation of soil macroaggregates (250-1000um, > 1000um) and biochar itself could play as macroaggregates resulting in changes of pore size distribution. Also, the resilience of soil structure to switch water conditions in the BC soil was increased. Higher resilience could enhance the nutrient retention which led to high microbial activity and plant growth. In Experiment Ⅱ, compared to CON, RH_CHAR and RH_RAW showed higher resistance of soil compaction by 70% and 96%, respectively. This implied that addition of rice husk biochar and rice husk biomass improved the resistance of soil compaction. In addition, about the changes of amount for soil water content before and after rainfall, CON, RH_RAW and RH_CHAR were 0.09%, 0.08% and 0.05% respectively. Biochar amendment could increase the degree of buffering of rainfall. This result was probably due to the formation of macroaggregates with biochar addition or biochar itself which could act as macroaggregates. However, no response of urban roadside trees was observed for the changed soil environment with biochar and biomass addition. We can assume that making the interaction of added material-soil-microorganisms-plant would take a long time. Overall our study indicated that biochar amendment to soil could improve soil environment which is beneficial for plants and microorganisms. Biochar addition decreased the soil stress for extreme water changes due to climate change by having stable soil structure. However, it takes a long time to form an interaction of biochar with soil, microorganisms, and plants. The continuous monitoring is also required for the long-term experiment to investigate the effects of biochar addition on soil improvement over time.

다중이용시설 실내공간의 부유미생물에 대한 환경적 고찰

이호현 경희대학교 대학원 2024 국내석사

다중이용시설 실내공간의 부유미생물에 대한 환경적 고찰 본 연구는 다중이용시설 실내공간에서 발견되는 부유미생물 (부유세균, 곰팡이)의 농도분포와 각각의 환경요소에 따른 상관관계를 도출하고, 현장에서 적용할 수 있 는 관리방안을 조사하는데 초점을 두고 있다. 코로나-19 팬데믹 상황을 겪으면서 실내공기질 관리의 중요성이 더욱 강조됨에 따라 10 μm 이하의 미세입자와 예방 조치의 효과성에 주목하였다. 연구 결과, 실내 다중이용시설에서 측정된 부유세균 농도는 어린이집에서 26 ~ 3,650 CFU/m3; 지하역사에서 26 ~ 422 CFU/m3; 대중교통에서 18 ~ 764 CFU/m3; 지하주차장에서 15 ~ 333 CFU/m3; 도서관에서 9 ~ 750 CFU/m3; 대규모 점포에서 60 ~ 1,136 CFU/m3로 나타났다. 이 중 어린이집과 대규모 점포를 제외한 다른 시설에서는 실내공기질 유지기준인 「800 CFU/m3 이하」를 충족하였다. 전체적으로 각 시설군들의 부유세균 농도는 어린이집, 대규모점포, 지하역사, 대중교통, 도서관 및 지하주차장 순으로 나타났다. 곰팡이는 어린이집에서 8~ 975 CFU/m3; 지하역사에서 78 ~ 1,142 CFU/m3; 대 중교통에서 17 ~ 497 CFU/m3; 지하주차장에서 8 ~ 825 CFU/m3; 도서관에서 9 ~ 293 CFU/m3; 대규모 점포에서 9 ~ 433 CFU/m3 로 측정되었다. 이 중 어린이집, 지하역사, 지하주차장을 제외한 시설군에서는 실내공기질 권고기준인 「 500 CFU/m3」을 만족하고 있었다. 부유미생물의 실내환경과의 상관성 분석에서 부유세균은 습도와 높은 상관관계 (r=0.215, p<0.001)를 보였으며, 곰팡이는 실내온도(r=0.462, p<0.001)와 습도 (r=0.457, p<0.001) 모두 일정한 상관관계가 있는 것으로 나타났다. 다양한 실내현장을 관찰한 결과, 다중이용실내공간에서 부유미생물을 저감하기 위해서 효과적인 방법은 실내의 온도와 습도를 조절하되, 환기가 적절히 필요한 것 을 확인하였다. 다만, 대부분의 곰팡이는 외부에서 유입되므로 실내에서의 청정기 가동이나 기계식 환기장치의 유입부분에 적절한 필터나 미생물 살균용 고도산화법 등이 필요할 것으로 판단된다. 특히 외부 공기질이 열악하거나 자연환기나 기계식 환기가 어려운 경우, 고도산화법(AOP)의 일환으로 활성이온을 실내공간에 살포하 는 방안을 실험한 결과, 부유세균과 곰팡이를 일정 부분 저감하는 것을 알 수 있었 다. 본 연구는 다수의 시민들이 이용하는 실내공간에 대한 공공 보건과 실내 환경의 공기질을 개선할 수 있는 전략적 접근에 기여할 수 있을 것으로 기대하며, 특히 부 유세균과 곰팡이와 같은 부유미생물을 저감할 수 있는 환경적 조건과 기술을 제시 할 수 있었다. Keywords Indoor air quality, Bioaerosol, Impinger sampling, Colony-forming agent Environmental investigation of indoor bioaerosols for multi-use facilities by Lee, Ho Hyun Master of Applied Environmental Science Graduate School of Kyung Hee University Advised by Prof. Jo, Young Min This study focuses on deriving the correlation between the concentration distribution of airborne microorganisms, so called bioaerosols such as bacteria and mold, found in indoor spaces of multi-use facilities and each environmental factor, and additionally investigates control measures. In particular, the importance of indoor air quality management is being further emphasized through the COVID-19 pandemic. This study focused on bioaerosols present in multi-use indoor facilities. In the field, the concentrations of airborne bacteria were 26 to 3,650 CFU/m3 in daycare centers, 26 to 422 CFU/m3 in underground stations, 18 to 764 CFU/m3 in public transportation, 15 to 333 CFU/m3 in underground parking lots, 9 to 750 CFU/m3 in libraries, and 60 to 1,136 CFU/m3 in large stores. Most facilities satisfied at the national standard 「below 800 CFU/m3」except some daycare centers and large stores. Mold was present at 8 to 975 CFU/m3 in daycare centers, 78 to 1,142 CFU/m3 in underground stations, 17 to 497 CFU/m3 in public transportation, 8 to 825 CFU/m3 in underground parking lots, 9 to 293 CFU/m3 in libraries and 9 to 433 CFU/m3 in large stores. The national guideline recommends the airborne mold concentration below 500 CFU/m3. Correlation analysis between indoor environmental parameters and airborne bacteria showed a high relationship with humidity (r=0.215, p<0.001), and mold highly correlated with indoor temperature (r=0.462, p<0.001) and humidity (r=0.457, p<0.001). The present field study drew out the effective method for indoor air quality management with control of indoor temperature and humidity in addition to proper ventilation. Since most molds are introduced from outside, however, it is necessary to apply appropriate filtration or advanced oxidation technology to sterilize bioaerosols. In particular, a set of brief experiments revealed that dispersion of active ions into the indoor spaces could be one of plausible mitigation methods. Keywords Bioaerosol, Colony-forming agent, Impinger sampling, Indoor air quality

Implementation of microalgal biorefinery system and assessment with energy recovery process application from bioresidue and livestock biowaste

이가희 경희대학교 대학원 2020 국내석사

Bioenergy refers to energy generated from biomass containing a large number of organic substances as raw material and converting it into biofuel, or through direct combustion. Most of all, microalgae is the main resource of 3rd generation biofuel that can solve the problem of using existing 1st and 2nd bioenergy, which are land-use area and food-versus-fuel debate. Therefore, the microalgae is one of the potent renewable energy sources which can replace fossil fuel. The biofuel production process using microalgae can produce various byproducts such as fertilizers, dyes, chemical additives, electrical and thermal energy as well as biofuels such as biodiesel and bioethanol. However, the bioenergy production process using microalgae is still limited in application due to low economical efficiency and technical limitations. Despite the importance of research for economic and efficient technologies and processes, previous studies have the following limitations: (1) The study on the application of recycling and reusing various by-products and other biomass in biofuel production processes are still insufficient (2) The impact on direct and indirect environmental impacts from energy sources used in the process is not considered fully Therefore, in order to complement the limitations of the previous studies, this study will design the biorefinery process using microalgae and recycling additional biomass and evaluate the economical technology selection of the biorefinery process and environmental impact of the application case study. In Chapter 3, a superstructure model is constructed, which considers various alternative technologies in the detailed process stages of the biorefinery system using microalgae. Depending on the biomass inflow, the chemicals, energy, and outflow required by each technology were taken into account, which is based on the mass balance and physicochemical reactions inside of technologies. Each technology is linked differently depending on the previous and post requirements of specific technologies. In Chapter 4, the proposed superstructure model was used to optimize the technology pathway of the biorefinery process. The pathway of the process to maximize profits was explored using the net operating margin, which takes into account the operating costs of each stage, the biofuels produced and the sales value of the by-products. The process was determined based on the massive microalgal culture in Incheon, South Korea, and the fuel yield was estimated based on the selected biorefinery system. The biorefinery pathway determined the conventional transesterification-based technology and the emerging hydrothermal liquefaction-based technology respectively, producing biodiesel and biogas as biofuel and glycerol as by-products. In Chapter 5, based on the optimal biorefinery pathway, an energy recovered process is proposed, which can recover the energy through external biomass and bioresidue as a resources. Biogas was produced from biomass using an AD (Anaerobic digestion) process, and electrical and thermal energy was recovered back to the process using a CHP (Combined heat and power) system. Each step was calculated using a mathematical model of CHP and the selected biorefinery process to estimate the yield using bioresidue from the biorefinery process (case 1) and the yield using bioresidue and external biowaste together (case 2). As a result, in the transesterification-based process, the operating cost of CHP utilization increased in case 1, and the total operating profit also decreased due to the very small amount of energy produced from biowaste. However, in case 2, the additional biowastes increase the amount of energy recovered, reducing operating costs by approximately 2,277 US$. Hydrothermal liquefaction-based processes, unlike transesterification-based processes, require relatively little electrical energy, reducing operating costs by about 9% and 51% in both cases 1 and 2 respectively. As a result, the net operating margin decreased by 798 US$ in case 1 but increased by 889 US$ in case 2. In Chapter 6, LCA (Life cycle assessment) was implemented for environmental assessment of each process. The LCA takes into account the indirect environmental impacts of each process, the indirect environmental impacts of the production of energy resources and material resources, and the environmental impacts that occur during the transportation of external biomass. Environmental impacts were estimated using the ReCiPE characterization factors based on the modified Eco-indicator 99 method, and the environmental impacts in the detailed environmental categories of mid-point and end-point level were evaluated, respectively. As a result, it was shown that all processes had the highest environmental impact in the global warming category, showing that the energy recovery system had no significant environmental impact than a single biorefinery system. 바이오에너지는 유기물을 다량 함유한 바이오매스를 원료로하여 바이오 연료로 전환시켜 사용하거나, 직접 연소를 통해 발생하는 에너지를 말한다. 그 중에서도 미세조류는 3차 바이오연료의 주요한 원료로, 기존의 1차, 2차 바이오에너지의 경작지 사용 및 식량용 작물과의 대립문제를 해결하고, 화석연료를 대체할 수 있는 차세대 신재생에너지원으로서 각광받고 있다. 미세조류를 이용한 바이오 연료 생산 공정은 바이오디젤, 바이오에탄올 등의 바이오 연료 뿐만 아니라 비료, 염료, 화학 첨가물, 전기 및 열 에너지 등 다양한 부산물을 생산할 수 있다. 그러나 여전히 미세조류를 이용한 바이오에너지 생산 공정은 낮은 경제성과 기술적 한계로 인해 그 적용이 제한되고 있다. 이러한 경제적이고 효율적인 기술 및 공정 탐색의 중요성에도 불구하고 선행연구는 다음과 같은 한계를 지닌다. (1) 3차 바이오연료 생산 공정의 여러가지 부산물 및 여타 바이오매스의 재활용 및 재사용 가능성에도 불구하고 그 적용에 대한 연구는 미비함 (2) 공정에서 활용하는 에너지 자원에서 발생되는 간접 환경영향에 대한 영향은 고려되지 않음 따라서 본 연구에서는 선행연구들의 한계를 보완하여 미세조류를 이용한 바이오연료 생산 공정의 경제적인 기술 선택 및 추가적인 바이오매스의 재활용을 이용한 공정의 설계와 실제 환경 적용시의 경제성 및 환경성을 평가해보고자 한다. 본 논문의 3장(Chapter 3)에서는 미세조류를 이용한 바이오디젤 생산공정 중 세부 공정 단계의 다양한 대체기술들을 고려한 Superstructure 모델을 설계하였다. 바이오매스 유입량에 따라 각 기술에서 필요로하는 화학물질, 에너지, 유출량 등이 고려되었으며, 이는 각 기술의 효율 및 물리화학적 반응을 기반으로 한 물질수지를 기초로 한다. 각 기술들은 특정 기술들의 전후 필요 조건에 따라 각기 다르게 연결되었다. 본 논문의 4장(Chapter 4)에서는 제안된 Superstructure 모델을 이용하여 해당 Biorefinery 공정의 기술 경로를 최적화하였다. 각 단계에서 소요되는 운영비용과 생산되는 바이오연료, 부산물의 상품 가치를 고려한 총 운영 이윤 (Net operating margin)을 목적함수로 하여 이윤을 최대화 하기 위한 공정의 기술 경로가 탐색되었다. 본 공정은 대한민국 인천의 미세조류 대양배양지를 대상으로하여 유입량을 산정하였고, 선택된 biorefinery 공정 모델을 기반으로 연료 생산량이 예측되었다. 기술 경로는 현재 주로 사용되는 Transesterification 기반의 기술과 새로이 주목받고 있는 Hydrothermal liquefaction 기반의 기술 경로를 각각 결정하였고, 이를 통해 바이오디젤, 바이오가스 등의 바이오 연료 생산과 Transesterification 단계에서는 글리세롤이 추가적인 부산물로서 생산되는 것을 확인할 수 있었다. 본 논문의 5장(Chapter 5)에서는 biorefinery 공정의 최적 기술경로를 기반으로하여 공정에서 배출되는 바이오폐기물과 동물의 배설물이 원료인 외부 바이오매스를 통한 에너지 생산 및 재활용 하기 위한 공정을 제안하였다. 혐기소화공정을 이용하여 바이오매스로부터 바이오가스를 생산하고, CHP(Combined heat and power)시스템을 활용하여 전기 및 열에너지를 다시 공정에 재활용하였다. 각각의 단계는 수학적 모델을 이용하여 그 생산량이 계산되었으며, Biorefinery 공정의 바이오 폐기물을 이용할 경우(case 1), 외부 바이오매스를 활용할 경우(case 2)를 각각 고려하였다. 그 결과 transesterificaction 기반의 공정에서는 case 1에서 CHP 활용에 따른 운영비용이 증가하였고, 바이오 폐기물로부터 생산되는 에너지의 양이 매우 적어 총 운영 이윤 또한 감소하였다. 그러나 case 2에서는 추가적인 바이오매스에 따라 에너지 재활용량이 증가하여 운영비용이 약 2,277 US$ 가량 절감되었다. Hyddrothermal liquefaction 기반의 공정에서는 transesterification 기반의 공정과 달리 전기에너지 필요량이 매우 적어 case 1, case 2 모두에서 운영비용이 약 9%, 51% 가량 감소하였으나, case 1에서는 바이오가스의 에너지 생산 활용으로 인해 판매 이윤이 감소하였다. 따라서 결과적으로 case 1에서는 총 이윤이 798 US$ 가량 감소하였으나, case 2 에서는 889 US$ 가량 증가하였다. 본 논문의 6장(Chapter 6)에서는 각 공정의 환경적 평가를 위해 전과정평가 (Life cycle impact)가 시행되었다. 전과정평가는 각 공정에서 발생하는 폐기물 및 필요로 하는 에너지 자원 생산의 간접적 환경 영향과 물질 자원 등을 고려하였으며, 외부 바이오매스의 운송 시 발생하는 환경 영향까지 포함하여 평가하였다. Eco-indicator 99 방법을 기반으로 변형된 ReCiPE 특성화 계수를 이용하여 환경 영향이 산정되었으며, midpoint와 endpoint 의 세부 환경 카테고리에서의 환경 영향이 각각 평가되었다. 그 결과, 모든 공정에서 Global warming 분야에서 가장 높은 환경 영향을 가지며, Energy recovery 공정에 비해 Biorefinery 공정에서 더 많은 환경 영향을 보이는 것을 확인할 수 있었다.

활성이온을 이용한 실내환경 부유세균 저감연구 : 학교 및 다중이용시설

권지유 경희대학교 대학원 2022 국내석사

실내 중에 존재하는 부유세균은 재실자들의 호흡기나 피부를 통해 감염성 질환이나 알레르기 염증, 천식, 폐부종 등의 질병을 유발한다. 따라서 환경부 실내공기질 관리법 시행규칙과 교육부 학교보건법에서 부유세균을 800 CFU/m3 이하로 유지하도록 규정하고 있다. 학생들이 생활하는 학교현장에 대한 접근이 제한되어 있으므로 포괄적인 조사가 이루어지지 못하고 있지만, 본 연구에서는 초등학교 18 개교, 중·고등학교 6 개교의 총 42개 교실에서 실내공기질 공정시험기준에 따른 충돌법으로 부유세균 농도를 측정하였다. 고찰 결과, 수업내용, 학생 활동도, 환기 유무에 따라 부유세균 농도가 248.2±204.9 CFU/m3 로 기준치보다 낮게 나타났다. 학생들이 없는 등교 전의 부유세균 농도는 171.71±204.08 CFU/m3, 학생들이 재실 했을 경우에 해당하는 하교 직후의 농도는 379.41±265.87 CFU/m3 로 나타났다. 실내 부유세균에 영향을 주는 요소인 미세먼지 입자, 온도, 습도, CO2 및 재실자 수에 대한 영향인자별 상관분석을 실시한 결과, 부유세균에 대해 습도(r=.433**), 재실자 수(r=.419**), CO2(r=.252*), PM10(r=.205*), 온도(r=.119), PM2.5(r=.084) 순으로 습도와 가장 높은 상관관계를 보였다. 또한, 학교 교실(15개 교실)과 병원(33개 수술실), 다중이용시설(어린이집, 교회 등)에서 실내공기질 공정시험방법에 준하는 충돌법에 의해 부유세균을 채취하여 현황을 파악하고, DBD(Dielectric Barrier Discharge) 장치로부터 발생하는 활성이온을 살포하여 저감효과를 고찰하였다. DBD는 반응성이 높은 활성이온을 생성하여 미생물의 표면에 부착하여 세포를 산화시킴으로써 부유세균을 제거하는 것으로 알려져 있다 (Kim et al., 2018). 실제 활성이온에 의한 부유세균 저감효과를 관찰하기 위하여 실험실에서 500 mm×500 mm×600 mm 규모의 배양기에 E.coli를 배양하여 이온에 의한 사멸효과를 고찰하였다. 각 시험 조건별로 따라 시료를 채취하여 E.coli를 희석한 후, TSA 배지에 접종하고 도말하는 방법을 사용하였다. 활성이온에 대한 노출시간(0-60 min)을 변화시키면서 E.coli 농도 감소율을 관찰하였다. 측정한 학교의 15개 교실에서 학생들이 활동하는 일과시간(8시-15시) 동안 활성이온을 공급한 결과 교실의 환경 여건에 따라 차이가 나지만 평균적으로 61.2 %의 부유세균 감소효율을 나타냈다. 학생들이 재실 중인 일과시간에 공기분자이온을 공급하면 부유세균의 농도는 345.53±198.14 CFU/m3 에서 113.23±29.38 CFU/m3 로 감소한 것을 관찰하였으며, 이는 활성이온이 부유세균을 사멸시키는 효과가 있는 것으로 판단하였다. 33개 중소형 병원의 수술실에서 각각 2-4 시간 동안 이온을 공급하며 관찰한 결과, 평균 41.5 %의 살균효율을 나타냈다. 기타 다중이용시설에 대한 실험에서는 활성이온 공급에 의하여 부유세균 감소율은 음식점 21.2 %, 어린이집 48.7 %, 교회 53.0 %, 하수처리장 79.6 %으로 나타났다. 계속해서 이온효과의 지속성을 관찰하기 위하여 실시한 실험 결과, 이온공급을 중단하고 10-20 분 후의 부유세균 감소율은 음식점 66.4 %, 어린이집 75.9 %, 교회 4.8 %로 나타났다. 음식점과 어린이집의 경우 교회에 비해 좁은 공간으로 실내 공간에 활성이온이 일정 농도로 균일하게 확산되기까지 소요되는 시간이 짧기 때문에 이온 공급을 중단하여도 높은 부유세균 제거효율을 보였다. 현장측정을 통해 실내공간에 오존이 검출되지 않을 정도의 낮은 전압조건에서도 활성이온(#2,000-#100,000 /cc)은 부유세균 농도를 감소시키는데 기여하는 것을 알 수 있었다. E.coli균을 대상으로 실시한 Lab test 결과, 활성이온에 노출되는 시간이 증가할수록 높은 사멸율을 나타냈다. 이는 현장에서의 실내 부유세균 감소 현황을 뒷받침하는 결과이다. 따라서, 활성이온의 공급은 미생물뿐만 아니라 학교, 병원 및 기타 공공시설의 실내 환경의 부유세균 통제에 일정부분 기여할 수 있음을 확인하였다. Bioaerosols present in indoor environments cause infectious diseases, allergic inflammation, asthma, and pulmonary edema by penetrating human respiratory tract or skin. Therefore, the Enforcement Regulations of the Indoor Air Quality Management Act of the Ministry of Environment and the School Health Act of the Ministry of Education stipulate that indoor bioaerosols should be maintained below 800 CFU/m3. However, a comprehensive survey has not been conducted because school access has been strictly limited. Thus, in this study with the aid of the ministry of Education, the concentration of bioaerosol was measured in 42 classrooms (18 elementary schools and 6 middle and high schools) by the collision method according to the Indoor Air Quality Test Standards. The results showed that the bioaerosol concentration was 248.2±204.9 CFU/m3, which was lower than the standard value depending on the different types of class contents, student activities, and ventilation. The concentration of bioaerosol before going to school without students was 171.71±204.08 CFU/m3 while the concentration right after leaving school with students was 379.41±265.87 CFU/m3. Correlation analysis was conducted for each environmental factor that affect indoor bioaerosol such as on PM10, PM2.5, temperature, humidity, CO2 and the number of occupants. It was discovered that humidity is the factor that has the highest correlation with bioaerosol in the order of humidity (r=0.433**), (r=0.419**), CO2 (r=0.252*), PM10 (r=0.205*), temperature (r=0.119) and PM2.5 (r=0.084). In order to determine the current status, bioaerosol samples were collected from school classrooms (15 classrooms), hospitals (33 operating rooms) and multi-use facilities (daycare centers, churches, etc.) according to the ‘Indoor Air Quality Test Method’. Thereafter, the effect of active air ions on bioaerosol reduction was investigated using a DBD(Dielectric Barrier Discharge) reactor. Active ions generated from DBD attach to the surface of microorganisms and oxidize cells (Kim et al., 2018). To closely observe the undermining effect of active air ions on bioaerosols, E.coli was cultured in a lab-scale incubator and exposed to air ions. The average reduction efficiency in school classrooms during class was 61.2% (345.53±198.14 CFU/m3 and 113.23±29.38 CFU/m3 without and with active air ions, respectively). The average sterilization efficiency by ion supply for 2 to 4 hours in operating rooms was 41.5%. For multi-use facilities, the mitigation rates of suspended bacteria were 21.2 % for restaurants, 48.7 % for child care centers, 53.0 % for churches and 79.6 % for sewage treatment plants. The sterilization effect differed depending on the ion spraying time and site conditions at each facility. Field tests revealed that active ions (#2,000-#100,000 /cc) contributed to the reduction of bioaerosol concentration with low level of ozone in indoor spaces. The lab tests showed a similar trend in that the sterilization rate increased with time in an ion atmosphere. It therefore could be concluded that active ions can be one of plausible measures to control aerated microorganisms in public indoor spaces.

소규모 사업장 배출 대기오염물질의 주변지역 영향 연구 : 확산모델 및 전산유체역학 적용

방지훈 경희대학교 대학원 2024 국내박사

산업이 점차 고도화되고, 다양한 화학물질의 취급량이 증가하면서 유해화학물질 배출사고와 대기오염물질 배출로 인한 환경오염피해가 지속적으로 발생하고 있다. 2015년에 제정된 환경오염시설의 통합관리에 관한 법률이 2017년부터 시행되면서, 대형 사업장은 단순히 법 규제치 미만으로 배출하면 문제가 없었던 과거와는 달리 사업장 주변 환경에 미치는 영향을 고려하여 사업장별로 배출기준을 부여하게 되었다. 그러나, 소규모 사업장은 유해물질 관리의 사각지대로서 주변 대기질 및 국지적인 오염을 유발하여 민원을 빈번하게 발생시키고 있다. 소규모 사업장에서 배출되는 유해대기오염물질은 기상조건에 따라 점오염원으로부터 주변 지역으로 확산되는데, 확산모델을 이용하여 영향범위를 예측하고 있는바, 본 연구에서는 미국 EPA의 권장모델인 CALPUFF; 스크리닝 모델 기법인 SCREEN3; 환경부에서 화학물질관리법을 도입하면서 무료로 배포한 유해화학물질 평가 모델인 KORA; 유체의 이동과 확산을 예측하는 전산유체역학(CFD)을 이용하는 수치해석 방법을 활용하여 임의의 지역에서의 주변 확산범위를 예측하고, 실측값과 비교해보았다. 소규모 사업장 (주변 오염물질 배출원이 없고, 주변 건물이 없는 평탄한 지형)의 주변 공간에 대하여, 배출원에서 발생하는 오염물질을 톨루엔(toluene)으로 설정하여, 배출농도와 현장 주변의 공간농도를 측정하여 모델별로 상호 비교하였다. 전산유체역학(CFD)을 이용하였을 때 배출원 주변 건물로 인한 building downwash 영향이 있음을 확인하였다. 지면의 지형구조에 의한 영향은 CFD 기법이 가장 세밀하게 구현할 수 있었으며, 현장 실측농도와 상대적으로 유사하게 예측되었다. CALPUFF 모델은 장거리 및 복잡한 지형에 대한 농도 예측에 적합한 모델로서 본 연구에서 설정한 배출 농도값(0.0951 ppm)의 경우 배출원과 다소 멀리 떨어진 600 m 지점에서 최대지표농도(0.00017 ppm)가 확인되었다. 소규모 국지적 공간에 대한 유해물질의 확산농도를 예측할 때 SCREEN3 모델이 빈번하게 사용되는데, 계산결과치는 실측치의 1.05 %에 해당하는 낮은 수준으로 산출되었다. 즉, SCREEN3 모델은 간단하게 구성되어 단순한 변수(오염물질의 배출량, 굴뚝 높이와 직경, 배출가스의 유속과 온도, 외기의 온도)들을 대입하여 계산하는 바, 굴뚝 배출원의 국지적 확산을 정량적으로 평가를 하는 데 한계가 있음을 확인하였다. KORA 모델은 화학사고가 발생하였을 때 영향범위를 예측하기 위해 개발된 모델로서, 굴뚝에서 측정한 실측값을 반영할 수 없는바, 실제 굴뚝에서의 배출을 모사하기 어렵기 때문에 여타 확산 모델들과는 다소 다른 양상을 보였다. 즉, KORA 모델을 이용하기 위하여 대입한 변수들은 기상정보, 배출 물질, 배출시설 제원, 저장량, 운전온도, 운전압력, 배출 위치, 실내 여부 들로서 계산결과, 지면농도가 9.3 m 거리에서 17.97 ppm 으로 나타남으로써 실측값과 큰 차이를 보여주었다. Various chemicals used in small and large industries cause harmful incidents and local environmental pollutions to water and soil as well as atmosphere. Since the emission regulation of air pollutants has been implemented in 2017, consideration for neighboring areas has emerged as a major concern for manufacturing companies. Nevertheless, because the government could not sufficiently monitor small industries, civic complaints frequently occur. The emission of harmful gases from point sources was traced by theoretical models such as CALPUFF recommended by US EPA; SCREEN3 a screening model; KORA, an evaluation model for hazardous chemical dispersion distributed by Ministry of Environment of Korea; and computational fluid dynamics (CFD), a numerical analysis simulation tool. These model predictions were then compared each other based on field monitoring data. Test flue gas was toluene which was found at high concentrations in target point sources. CALPUFF with the input value of the emission concentration of 0.0951 ppm estimated the landing concentration at 600 m from the source stack to be 0.00017 ppm. This value was significantly lower than field data because CALPUFF primarily is used for long distance predictions rather than surrounding areas. SCREEN3 also showed very low value, representing only 1.05 % of field data. Since SCREEN3 uses only a few parameters including stack height and diameter, exhaust gas flow rate, flue gas temperature and atmospheric temperature, it may lead to potential errors deviating from real situations. KORA model, which was developed to assess the influencing area due to chemical accidents using following information: weather condition, discharged substances, operation pressure, and local condition, revealed the ground concentration of 17.97 ppm at 9.8 m from the stack. Surface topography and local geometry are important parameters that influence the dispersion extent of discharged gases, and this study confirmed that CFD technique is the fundamental model for adequately simulating short-range dispersion including building downwash.

알지네이트를 활용한 이화학적 수처리 방안 연구 : 해파리 저항물질의 활용가능성 연구

김종환 경희대학교 대학원 2024 국내석사

알지네이트를 활용한 이화학적 수처리 방안 연구 : 해파리 저항물질의 활용가능성 연구 김종환 경희대학교 일반대학원 환경응용과학과 지도교수 오종민 본 연구에서는 수중에 존재하는 납, 구리, 카드뮴 3가지 중금속 이온을 제거하기 위해 생분해성, 무독성으로 친환경적인 흡착제인 알지네이트를 이온교환 수지로 선 정하였다. 이에 추가로 최근 기후변화로 문제가 되고있는 해파리를 활용하고자 해 파리에서 면역반응을 유발하여 저항물질(Jellyfish Extract at Immunity reaction, JEI)을 추출하고 이를 알지네이트 비드에 혼합하여 비드(Bead)를 제작, 실험을 통 해 중금속 이온의 제거 성능을 확인하고 수처리 과정에서 JEI의 활용 가능성을 탐 구하였다. 비드 분석 결과, 무게와 크기는 거의 유사하게 나타났다. FT-IR 분석을 통한 작용 기 스팩트럼은 오히려 JEI가 높은 농도로 함유된 비드에서 더 약하게 분석되었다. 비드들은 기존 알지네이트의 특성에 맞게 납> 구리> 카드뮴의 선택성을 보였다. 흡 착 평형에서 각 시료 중의 중금속 농도는 납 약 1mg/L, 구리 0.68~0.75mg/L, 카 드뮴 0.27~0.39mg/L로 분석되었다. 흡착은 90~120분 사이에 급격히 진행되었으 며 흡착평형은 300분에서 형성되었다. 따라서 본 실험에서 중금속 흡착을 위한 교 반 시간은 300분으로 설정하였다. 등온흡착실험 결과 납을 Freundlich식에 적용하 여 구한 parameter가 R2 : 0.888~0.930, 1/n : 0.41~0.45 로 나타나 설명되는 것으로 분석되었으나 구리와 카드뮴은 두 식 모두 잘 맞지 않은 것으로 나타났다. 최종적으로 JEI의 농도가 높을수록 더 많은 양의 중금속을 흡착제거 하지만 흡착량 의 증가와 JEI의 농도의 증가가 서로 비례하지 않는 것을 확인하였다. 본 연구를 통해 이화학적 수처리에 유해생물인 해파리의 활용 가능성을 탐구해 보 았다. JEI는 충분히 활용 가능성이 있다고 판단되나, JEI의 추출 비용, 대량 발생한 해파리의 보관 비용 등의 경제성 문제와 작은 규모의 실험으로 인한 실적용 가능성 여부 등의 해결해야 할 문제가 존재한다. 이와 같은 문제를 해결한다면 생물유래 재료로서 JEI는 충분히 친환경적인 수처리 재료가 될 수 있다고 생각된다.

Locality-sensitive Health and Comfort management in Smart Buildings: Monitoring, Digital Twins, Renewable Design, and Autonomous control towards Net Zero-Energy

SHAHZEB TARIQ 경희대학교 대학원 2024 국내박사

Over the past century, urban landscapes have experienced profound transformations due to demographic shifts and technological advancements. The expansion of populations and urban infrastructure has given rise to the concept of smart cities, envisioned as a sustainable trajectory for future urban development. Nevertheless, these advancements may exacerbate environmental burdens, threatening global ecological stability. The 2022 Global Building Performance Report indicates that the building sector accounts for 30% of global energy consumption. To mitigate these challenges, integrated Building Management Systems (IBMS) have become crucial, leveraging the Internet of Things, cyber-physical monitoring, and autonomous control systems. This thesis introduces AI-driven subsystems designed to enhance various aspects of IBMS, including sequential modeling methods for characterizing non-linear behavior and temporal correlations in data-deficient and sensor-limited indoor environments. It also presents solutions for developing cyber-physical systems capable of autonomous fault detection and root cause discovery in complex building environments. Moreover, the framework supports the decarbonization of the building sector by optimizing the sizing of renewable energy storage and supply systems and implementing autonomous ventilation control for multizone buildings. Chapters 1 and 2 provide the introduction and a detailed literature review. The remainder of the dissertation is organized as follows: Part I entitled “Computational Intelligence for locality-sensitive Modeling in Data-Deficient, Sensor-devoid Indoor Environments Through Transfer Learning and Probabilistic Networks” consists of three chapters. In Chapter 3, a transfer learning-based deep residual network (ResNet) is developed for sequential modeling of PM2.5 health risk levels in data-deficient subway stations. The proposed ResNet structure, aided by a sliding window, is compared with conventional regression and RNN models for early detection of health risk levels. The ResNet model demonstrated improved modeling accuracy, reducing errors by 10.6% and 8.91% relative to S-LSTM2 and S-GRU2, respectively. Additionally, the transfer learning framework mitigated errors caused by data scarcity by up to 40%. The supervisory control schema driven by the TL-ResNet effectively reduced PM2.5 concentrations by 29.21% compared to a standalone ResNet model lacking sufficient data. In Chapter 4, a data-driven PM2.5 deep-AI soft sensor is developed to forecast one-hour-ahead air quality index levels for metro stations lacking PM2.5 monitoring capabilities. This model combines an attention-aware GRU (MH-BiGRU) network with a zero-shot transfer learning (ZSTL) substructure. The ZSTL employs a similarity function to optimally match source and target domains, thereby reducing prediction error. The similarity function effectively reduces zero-shot prediction errors by 75.6%, 17.5%, and 82.8% for three target metro stations by ensuring an optimal match of source and target station pairs. In Chapter 5, a gated probabilistic transformer (PT-Trans) framework is developed for probabilistic sequential forecasts of PM2.5 concentrations and health risk levels within underground subway stations. The PT-Trans framework is combined with a multi-objective genetic algorithm (MOGA) to integrate probabilistic models with building monitoring and control systems. Compared to conventional models, the proposed PT-Trans model demonstrates a 17.4% improvement in prediction interval coverage probability and a 34.3% reduction in the Winkler score. Part 2 entitled “Attention architectures for autonomous Cyber-Attack Detection, root cause discovery, and Correction towards sustainable building management” consists of two chapters. Chapter 6 presents a sensor validation framework that combines a denoising autoencoder (AE) with a deep learning prediction module to effectively address multiple sensor failures (MSFs). This integrated approach underpins the proposed GRU integrated attention-based fault detection and reconstruction network (GADRN). The GADRN demonstrates a 51% improvement in critical success index (CSI) compared to standard AE. Sensor fault identification results show that the GADRN consistently identifies faulty sensors across various fault periods. Accurate sensor reconstruction for MSFs enabled a reduction in ventilation energy use by 22.5%. Chapter 7 presents a cyber-attack detection and diagnosis framework specifically tailored for HVAC systems within modern multizone building environments. The framework integrates a Granger causality-based causal graph with a denoising GRU-AE model to enable fault detection, root cause analysis, and correction of cyber-attacks in complex environments. The Granger causality-based causal graph effectively highlighted the root causes of each cyber-attack, facilitating timely corrective actions to mitigate their cascading effects. Part 3 entitled “Enhancing Indoor Comfort Control in Pursuit of Net Zero Building Realization through RESS sizing and Deep Reinforcement Learning” consists of two chapters. Chapter 8 presents an optimal sizing framework for a PV-Hydrogen-battery based renewable energy storage and supply (RESS) system for net-zero energy buildings. The methodology combines techno-economic analysis and energy self-sufficiency to determine the optimal sizes of the electrolyzer, fuel cell, and battery-based energy storage system (BESS). The results demonstrate the effectiveness of the NSGA-III based optimal configuration in achieving nearly 90% self-sufficiency for the building, with a weighted average cost of electricity (Cwa) of $0.0866 per kWh. Finally, Chapter 9 enhances the IBMS with a multi-agent reinforcement learning (MARL) framework for autonomous thermal comfort control in multizone buildings, focusing on improving building energy self-sufficiency. The findings demonstrate that, compared to conventional rule-based systems, the multi-agent deep Q-learning network significantly improves the predicted mean vote (PMV) within the comfortable range throughout the year. Furthermore, the MARL framework achieves reductions in energy consumption by 15% and 20% compared to conventional on-off and scheduled control systems, respectively. 지난 한 세기 동안 도시 경관은 인구수의 증가와 급격한 기술 발전에 의해 많은 변화를 겪었다. 이러한 급격한 기술 발전은 환경에 대한 부담을 증가시키므로, 글로벌 환경 안정성에 위험을 야기할 수 있다. 특히, 2022 글로벌 빌딩 성능 보고서 (2022 Global Building Performance Report)에 따르면, 건물 부문의 에너지 소비량이 전세계 에너지 소비의 30%를 차지하는 것으로 나타났다. 이러한 문제를 해결하고 지속가능한 미래 도시 개발을 위해 스마트 시티의 개념이 대두되었으며, 사물 인터넷, 사이버 물리적 모니터링 및 자율 제어 시스템을 통합하는 통합 빌딩 관리 시스템 (IBMS, Integrated Building Management Systems)가 필수적인 기술이 되었다. 본 논문은 IBMS의 다양한 기능을 강화하기 위한 인공지능 (AI, Artificial intelligence) 기반 서브시스템들을 개발하였다. 개발된 AI 기반 서브시스템은 비선형 거동 및 시계열적 상관관계를 추출하기 위한 순차적 모델링 방법을 포함하고, 측정 데이터와 센서가 부족한 실내 건축물 환경에 적용될 수 있다. 또한 복잡한 건축물 환경에서 자율 센서 오류 감지 및 근본 원인 발견이 가능한 사이버-물리 시스템 (CPS, cyber-physical systems) 개발을 위한 솔루션을 제공한다. 마지막으로, 신재생 에너지 기반 저장 및 공급 시스템의 크기를 최적화하고 멀티존 건축물에 대한 자율 환기 제어를 구현하여 건물 부문의 탈탄소화를 지원한다. 1장과 2장은 서론과 문헌 조사이고, 논문의 나머지 내용은 다음과 같이 구성된다: 제 1부의 연구 주제는 "전이학습과 확률적 네트워크를 통한 데이터가 부족하고, 센서가 미설치된 실내 건물 환경에서의 지역-민감 (locality-sensitive) 모델링을 위한 컴퓨팅 인텔리전스"이며, 3장 및 4장, 5장으로 구성되어 있다. 3장에서는 데이터가 부족한 지하역사에서 PM2.5에 대한 위해성 수준을 순차적으로 모델링하기 위해 전이 학습 기반 심층 잔차 네트워크(ResNet, Residual network)를 개발하였다. 심층 잔차 네트워크는 슬라이딩 윈도우 기법을 적용하여 통합 실내공기질 지수 (CIAI, Comprehensive Indoor Air quality Index) 수준을 조기에 감지하기 위해 PM2.5를 모델링하도록 개발되었으며, 회귀 및 순환신경망 (RNN, Recurrent neural network) 모델과 그 모델링 정확도를 비교하였다. 개발된 심층 잔차 네트워크는 모델링 정확도를 향상시켜 S-LSTM2 및 S-GRU2에 비해 오류를 각각 10.6% 및 8.91% 감소시켰다. 또한 전이 학습은 데이터 부족으로 인한 오류를 최대 40%까지 저감했다. 전이학습 기반 심층 잔차 네트워크기반 감독 제어 (Supervisory control) 방법론은 학습 데이터가 부족한 기존 심층 잔차 네트워크기반 감독 제어 방법에 비해 PM2.5 농도를 29.21% 감소시켰다. 4장에서는 데이터 기반 PM2.5 심층 인공지능 소프트 센서를 개발하였다. 개발된 데이터 기반 PM2.5 심층 인공지능 소프트센서는 PM2.5 모니터링 성능이 부족한 지하역사의 공기질 지수 (Air quality index)를 한 시간 조기에 예측할 수 있다. 이 소프트 센서는 소스 도메인과 타겟 도메인의 최적 매칭을 위한 유사성 함수를 통해 어텐션-인식 GRU(MH-BiGRU) 네트워크와 제로샷 전이 학습(ZSTL, Zero-shot transfer learning) 를 결합하여 예측 오류를 줄인다. 5장에서는 지하역사 내 PM2.5 농도와 인체 위해성수준을 확률적으로 예측하기 위해 게이티드 확률 트랜스포머(PT-Trans, gated probabilistic transformer) 프레임워크를 개발하였다. PT-Trans는 확률적 모델과 건물 모니터링 및 제어 시스템을 통합하기 위해 다목적 유전 알고리즘(MOGA, Multi-objective genetic algorithm)과 결합되었다. 개발된 PT-Trans는 기존 모델에 비해 예측 오류 수렴 확률(PICP, Prediction error converge probability)을 17.4% 향상시켰으며, 윙클러 점수는 34.3% 감소시켰다. 제 2부의 연구 주제는 “지속 가능한 건물 관리를 위한 자율 사이버 공격 탐지, 근본 원인 분석 및 오류 복원 방법론을 위한 어텐션 구조”이며, 6장과 7장으로 구성되어 있다. 6장에서는 여러 센서 오류 문제를 효과적으로 처리하기 위한 센서 검증 방법론를 개발한다. 개발된 센서 검증 방법론은 잡음 제거 오토인코더(DAE, Denoising autoencoder)와 심층 학습 모델을 통합하여 여러 센서 오류 문제를 처리한다. 이 통합 접근 방식을 이용하여 GRU 통합 어텐션 기반 오류 탐지 및 재구성 네트워크(GADRN, GRU integrated attention-based fault detection and reconstruction network)를 형성한다. GADRN은 표준 오토인코더보다 51% 높은 주요 성공 지수(CSI, Critical success index) 를 나타냈다. 센서 오류 식별 결과는 GADRN이 다양한 오류 기간 동안 일관되게 센서 오류를 식별할 수 있음을 나타냈다. 다중 센서 고장의 정확한 센서 복원은 환기 에너지 사용을 22.5% 감소시켰다. 7장에서는 현대 멀티존 건물 환경 내 공조환기시스템 (HVAC, Heating, ventilating, and Air conditioning) 시스템에 특화된 사이버 공격 탐지 및 진단 방법론을 개발한다. 이 방법론은 오류 탐지, 근본 원인 분석 및 복잡한 환경에서 사이버 공격의 복원이 가능하도록 그랜저 인과 기반 인과 그래프 (Granger causality-based causal graph)와 잡음 제거 GRU-AE 모델을 통합한다. GRU-AE 모델은 100%의 오류 탐지율, 82%의 CSI, 그리고 17%의 오탐율을 기록하며 높은 오류 탐지 성능을 보였다. 그랜저 인과 기반 인과 그래프는 각 사이버 공격의 근본 원인을 효과적으로 강조하여, 그 영향을 줄이기 위한 시기적절한 교정을 용이하게 하였다. 제 3부의 연구 주제는 “신재생 에너지 시스템 크기 최적화 및 심층 강화 학습을 통한 넷제로 건물 실현을 위한 실내 쾌적성 향상”이며, 8장과 9장으로 구성되어 있다. 8장에서는 넷제로 에너지 건물을 위한 태양광-수소-배터리 기반 재생 에너지 저장 및 공급(RESS, Renewable energy storage and supply) 시스템의 최적 크기 결정 방법론을 개발한다. 이 방법론은 전해조, 연료전지 및 배터리 기반 에너지 저장 시스템의 최적 크기를 제공하기 위해 기술경제성 분석 및 에너지 자립성을 결합한다. 또한, 수요 관리 기술을 건물 에너지 저장 시스템과 통합하여 그리드 이용률을 향상시킨다. 그 결과, NSGA-III 기반 최적 구성이 건물의 90% 에너지 자립성을 달성하는 데 효과적임을 보여주었으며, 가중 평균 전력 비용(Cwa, Cost of electricity)은 0.0866 $/kWh였다. 마지막으로, 9장은 멀티존 건물의 자율 열 쾌적성 제어를 위한 다중 에이전트 강화 학습(MARL, Multi-agent reinforcement learning) 방법론을 IBMS에 적용한다. 이 연구는 건물 에너지 자립성을 향상시키는 데 중점을 두었다. 연구 결과, 다중 에이전트 심층 Q-러닝 네트워크는 연중 쾌적 범위 내 예측 평균 투표(PMV, Predicted mean vote)를 크게 향상시키며, 기존의 규칙 기반 on-off 제어 시스템과 스케줄 제어 시스템에 비해 에너지 소비를 각각 15% 및 20% 줄이는 데 성공했다.