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.

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.

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.

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

차세대염기서열분석법을 이용한 기수역 동물플랑크톤(요각류)의 먹이원 군집 분석

채연지 경희대학교 대학원 2022 국내석사

새만금호는 담수화를 위해 방조제를 건설하면서 형성된 기수성 호수이나 현재 두 개의 배수갑문으로 해수 유입을 조절하고 있어, 호 내는 만경강, 동진강으로부터 유입되는 부영양화 담수와 해수의 영향을 동시에 받고 있다. 이로 인해 담수와 해수유입부 사이에 염분 및 영양염의 구배가 발생하여 새만금 호 내는 이질적인 생태환경이 조성되어 있다. 또한 해류의 영향으로 인해 급격한 환경 및 생물상의 변화가 발생하는 개방적인 연안과는 달리, 새만금호는 방조제로 인해 수체가 비교적 안정적이기 때문에 일정한 생물군집이 상호작용하며 존재한다. 따라서 새만금호는 수생태계 내 수리수문학적 및 물리·화학적 환경이 변화함에 따른 생물군집의 반응과 상호작용을 연구하는데 적절하다. 수생태계에서 1차 생산량이 최상위 포식자인 어류까지 연결되는 물질순환 및 에너지 전달이 원활하기 위해서는 1차 소비자의 중간단계 역할(intermediate position)이 중요하다. 이 과정은 현존하는 동·식물플랑크톤의 종 조성에 따라 일차적으로 결정되며, 동시에 식물플랑크톤에 대한 동물플랑크톤의 섭식량, 섭식 범위, 먹이 선호도 등에 따라서도 크게 변화한다. 기후변화 등 여러 환경변화와 동·식물플랑크톤의 군집 조성과의 상관관계는 일반적인 분석 방법으로 해석이 가능하나, 이들 간의 종 특이적인 생물학적 상호작용을 구체적으로 파악하기에는 한계가 있다. 본 연구에서는 연안 및 기수역 환경에서 수산자원 유지 및 어류의 먹이원으로써 생태계건전성 지표로 활용 가능한 기수성 요각류(Sinocalanus tenellus)를 대상으로 장내용물 유전자 분석을 통해 환경변화에 따른 먹이원을 파악하였다. 유전자 분석 기법은 적은 양의 시료로도 분석이 가능하며, 현미경을 통한 육안 분석의 한계를 보완할 수 있기 때문에 요각류를 대상으로 적용하기에 적합하다. 한편, 목표하지 않은 DNA 또한 소량으로부터 증폭 및 검출이 가능하므로 요각류 개체의 전처리를 통해 불필요한 DNA를 제거하는 과정이 필수적이다. 기수역에서 요각류는 동물플랑크톤 생체량의 대부분을 차지함과 동시에 타 분류군과 달리 먹이를 선택적으로 섭식하므로 최근 유전자 기법을 이용한 요각류의 먹이원을 분석하는 연구가 시도되고 있다. 하지만 대부분 해수성 대형 종을 중심으로 이루어져 중소형인 기수성 요각류에 대한 연구는 적절한 연구방법이 제시되지 않아 부족한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 수생태계 생물군집의 반응을 정성 및 정량적으로 파악하고, 동물플랑크톤 군집의 반응을 매개로 수생태계 먹이망 내 물질순환 및 에너지 흐름의 변화를 평가하기 위해 기수역에 우점하는 중소형 요각류의 위내용물을 유전자 기법을 통해 분석할 수 있는 적합한 전처리 방법을 고안하여 적용하였다. 또한 장내용물에서 검출된 유전자로부터 군집 분석을 수행하여 장내 먹이원 군집의 풍부도(Abundance)와 조성(Composition) 및 다양성(Diversity)을 분석하였다. 한편 일부 시료의 처리와 유전자 분석 과정에서의 한계점을 확인하고 개선 방안을 제시하였다. 향후 본 연구에서 시도한 방법적인 측면의 개발은 향후 다양한 수생태계 내 동·식물플랑크톤의 종 특이적 상호작용 분석과 해석에 적용할 수 있을 것으로 기대된다. The intermediate position of the primary consumer is important in order to facilitate the nutrient cycle and energy flow from primary production to the top predator in the aquqtic ecosystem. This process is primarily determined by the species composition of the existing plankton, and at the same time, it varies greatly depending on the amount of zooplankton fed on the phytoplankton, their feeding range, and food preference. The correlation between various environmental factors and plankton community, their composition and abundance in the environment are used to understand their interactions. But there is still a limitation in understanding species-specific biological interactions. In particular, copepods account for large proportion of zooplankton biomass in brackish waters and have strong food selectivity. In order to understand the species-specific interactions between producers and primary consumers, many studies have been conducted regarding the feeding behaviors of copepods through gut content analyses. However, since most of these studies are mainly focused on large seawater species, there is a lack of information about brackish copepods, which are small and medium-sized. Therefore, we designed a method to extract prey DNA from the gut contents of the whole body of the copepod specimen and tested the resolution of DNA identification for the prey phytoplankton. The common brackish species, Sinocalanus tenellus, were collected from Saemangeum Reservoir in different sites and seasons, and gut content DNA was extracted using 2.5% bleach treatment for 2 min for removal of potential contamination sources existing in preserved specimens without dissolution of the body. By analyzing the potential food sources and gut contents of S. tenellus through capillary sequencing and NGS, the alpha-diversity, relative abundance, dominant and subdominant species of the community were identified based on the detected phytoplankton OTUs. The key species commonly detected by season were identified through the Venn diagram, and the food selectivity index (Ei) was calculated by identifying potential and overlapping species in the potential food sources and gut contents within the same season. DNA analysis of copepods gut contents has suggested as an effective method to examine the dynamics of primary prey sources at the genus or species level. However, uncertainties such as false negative, false positive and incomplete identification in the detailed information still exist. In this study, I suggested adventages and limitations of gut contents analysis of zooplankton using DNA technology based on the obtained results and errors found during the DNA analysis processes.

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.

Value Chain에 기반한 미세조류 이용 CO2 전환기술 타당성 연구

조기주 경희대학교 대학원 2013 국내석사

에너지 해외의존도가 높은 국내의 현실에서 CO2를 포집-운송-저장 및 전환하여 지구온난화를 방지하는 기술인 CCS 및 CCU는 매우 유용한 분야이다. 특히, 생물학적 탄소전환 기술은 CO2를 친환경적으로 고부가가치의 제품으로 재이용하는 기술로 친환경적이며 그 활용도가 높아 기존 산업과의 연관성이 뛰어나므로 많은 연구가 활발히 진행되고 있다. 그러나 산업화 초기단계에 위치한 기술적 특성상 CO2를 재이용하는 새로운 과정에서 총 CO2 발생량이 오히려 증가할 수 있고 에너지를 더 많이 소비할 수도 있으며 경제성이 확보되지 않을 수도 있다. 따라서 성공적인 기술 확보를 위해서는 현재의 기술개발 수준과 시장성 및 경제성을 확보할 수준인가에 대한 평가가 매우 중요하다. 본 연구에서는 다양한 평가기법을 통해 CCS와 CCU를 포함한 국내외의 CO2 감축기술에 대한 현황을 파악하고 미세조류를 이용한 탄소전환 기술에 대해 value chain에 기반하여 기술 수준분석을 진행하였다. 먼저, CO2 전환 기술에 대한 거시적인 환경을 분석하기 위해 PEST 분석방법을 적용하였다. 온난화 문제가 정책적인 측면에서 규제강화 분위기를 이끌어내고 있고 시장경제적인 측면에서 온난화 문제는 에너지 문제와 귀결되면서 CO2 저감과 동시에 에너지 및 부가가치를 창출할 수 있는 생물학적 CO2 전환 기술은 에너지 자립도가 낮은 국내 상황에서 매우 유용한 기술로 나타났다. 특히, 원천기술과 에너지확보 측면에서 미세조류를 이용한 CO2 전환기술은 미래기술로서의 잠재력과 가능성을 매우 크다고 하겠다. 미세조류를 이용한 탄소전환기술 관련하여, 국내에 출원 및 등록된 특허를 대상으로 미세조류의 배양, 광생물반응기, 미세조류의 수확 및 이용기술의 국제특허분류와 연도별 등록건수를 조사하였다. 이를 근거로 Value Chain 상의 미세조류를 이용한 탄소전환기술의 각 핵심기술별 기술개발 현황을 분석하였다. Value chain 단계별 펀더멘탈 분석을 통하여 기술적 극복과제를 제시하였다. 생물학적 CO2 전환기술에 대한 특허분석을 실시한 결과, 국내에서 특허출원이 가장 많은 분야는 균주 탐색 및 배양 분야로 나타났다. 출원된 기술의 등록률은 20∼40% 정도이며, 광생물반응기와 폐수처리 관련 기술의 등록률이 높게 나타났다. 그러나 미국특허를 대상으로 국내 기술의 시장성과 기술경쟁력은 모두 평균이하로 저조하게 평가되었다. 즉 양적인 측면에서는 활발한 기술개발이 이루어지는 것으로 판단되나 기술의 질적인 측면에서는 낮은 수준을 벗어나지 못하고 있는 상황이라고 하겠다. 미세조류에 기반한 CO2 전환기술의 Value Chain 분석 결과, 석유화학, 바이오분야의 대기업이 시장을 주도하고 있었다. 시장은 미세조류 자체의 판매, 광배양설비, 바이오매스 이용 등으로 형성된 것으로 나타났다. 미세조류 배양에서는 해양자원이 풍부한 국내 환경에서 담수보다는 해양에서 국내산 신종의 개발가능성이 큰 것으로 나타났다. 광배양기 부분은 정책적 지원과 기업의 사업진출이 활발하나 부지가 부족하고 원천기술이 부족한 한계가 존재하는 것으로 파악되었다. 특히, 회수율이 낮고 에너지 소요가 많은 조류 biomass의 수확단계는 경쟁력 확보에 주력할 분야인 것으로 나타났다. 바이오매스 이용 분야에서는 에너지로 활용할 수 있는 바이오디젤을 제조하거나 Astaxanthin과 같은 유용물질을 회수하는 기술이 상업화 단계에 있는 것으로 나타났다. 그러나 아직까지 식물에서 유래한 바이오디젤에 비해서는 5배 정도 가격이 비싸게 형성된 것으로 나타나 있으므로 기술적 보완이 필요하다. 특히 미세조류의 생산성과 탄소 고정화 수율, 바이오매스의 수확 및 분리 기술이 미세조류에 기반한 CO2 전환기술의 핵심기술로 나타났다. 이를 위해서 고농도 탄소에 저항성을 갖는 신규 미세조류를 선발하거나 형질전환하는 기술의 개발이 필요하고, 저에너지가 소모되는 미세조류의 분리농축 기술과 바이오매스의 수분제거기술이 미래기술로 요구되고 있다. 또한, Value Chain 전과정에서 CO2 저감량과 발생량의 물질수지에 대한 연구가 면밀하게 진행될 필요성이 있다.

신규방법론에 입각한 경기지역 도로수송부문 온실가스 배출량 추정

김기동 경희대학교 2011 국내석사

기후변화문제가 전지구적인 환경문제로 인식되고, 이를 해결하기 위한 대책으로 세계 각국은 온실가스 배출량 감축을 위한 국가 전략을 수립&#8228;수행하고 있다. 효과적인 대책 수립을 위해서는 우선적으로 온실가스 배출량을 정확히 파악하여야 한다. 특히 이동오염원의 경우, 배출량 평가방법 및 체계적인 시스템이 구축되지 않고 있다. 그러므로 이동오염원의 특성을 반영한 배출량 산정이 필요하다. 이연구의 첫 번째 목적은 산정방법별 (Tier 1, Tier 2, Tier 3) 도로수송부문의 온실가스 배출량산정을 비교하는 것이다. Tier 1은 2006 IPCC 가이드라인의 기본배출계수와 연료소비량을 기초로 하였다. Tier 2는 국가고유 배출계수를 사용을 제외하면 도로수송부문 연료소비량을 이용하는 Tier 1과 같은 방법이다. Tier 2는 지자체 온실가스 배출량 산정지침 (한국환경공단)과 차량한대당 연료소비량, 차량등록대수를 기초로 하였다. 세부적 산정방법인 Tier 3은 국가고유의 배출계수 산출식 (국립환경과학원)과 자동차의 총주행거리 (VKT: vehicle kilometer travelled)를 이용하여 배출량을 산정한다. 이번 연구에서의 VKT는 도로구간별 교통량과 GIS 도로맵을 사용하여 산정하였다. 이 연구의 두 번째 목적은 교통량이 측정되지 않는 도로를 추정하는 것이다. 일부 조사된 교통량과 인구, 면적, 도로길이를 이용하여 군집분석을 하였다. 군집분석 결과를 바탕으로 군집분류표를 개발하였다. 군집분류표는 교통량과 인구, 면적, 도로길이를 포함한다. 전문가시스템을 응용한 프로그램은 VBA를 이용하여 만들었다. 그것은 엑셀환경에서 데이터 입력, 결과를 보이면서 2가지 규칙을 이용하여 분류할수 있게 하였다. 이것을 바탕으로 미측정 교통량 구간의 온실가스 배출량을 산정하였다. 2008년 온실가스 배출량은 Tier1 20,022,563 ton CO2eq/yr, Tier 2와 Tier 3는 각각 18,540,695 tonCO2eq/yr and 25,046,625 tonCO2eq/yr 로 나타났다. 이 연구를 바탕으로 우리는 Tier3가 Tier1과 Tier2보다 합리적인 온실가스 배출량이라고 결론지었다. 그 이유는 Tier1은 이동오염원의 특성을 반영하지 못하기 때문이고, Tier 2는 차량등록대수가 실제 교통량을 반영하지 못하므로 차량등록대수가 많고 적음에 따라 실제 배출량보다 과소 혹은 과다 산정을 할 수 있기 때문이다. Climate change is recognizeed as a global issue, and nations around the world are establishing and implementing national stategies to reduce greenhouse gas (GHG) emissions. In order to deal with effective measures, it is needed to figure out precise numbers of sources regarding greenhouse gas emissions. Especially mobile source, it is difficult to estimate emissions and to valuate the estimation methodology organized system. Thus, reflecting the characteristic of mobile source is necessary to calculate GHG emissions. The first objective of this study was to compare greenhouse gas emissions from road transportation by calculation methods (Tier 1, Teir 2, and Tier 3). Tier 1 based on 2006 IPCC guidelines default emission factor and amount of fuel consumption. The Tier 2 approach is the same as Tier 1 except that country-specific carbon contents of the fuel sold in road transport are used. Tier 2 based on emission factor of guidelines for local government greenhouse gas inventories (Korea Environment Corporation), the fuel consumption per one vehicle, and the registered motor vehicles. The Tier 3 approach requires detailed, country-specific data to generate activity-based emission factors for vehicle subcategories (National Institute of Environmental Research) and may involve national models. Tier 3 calculates emissions by multiplying emission factors by vehicle activity levels (e.g., VKT) for each vehicle subcategory and possible road type. In this study, the VKT was estimated by using GIS road map and traffic volume of the section. The second objective of this study was to estimate the traffic volume of roads that were complicated to measure. A cluster analysis was applied using the data sets of investigated traffic volume, popluation, area and road length. A cluster profile was developed relying on the analyzed results. The cluster profile included traffic volume, population, area and road length. An Expert system program was made based on visual basic application(VBA). This program profiled the cluster using 2 types of mechanisms based on data input and results under Excel environment. With this algorithm, the GHG emissions of unmeasurable roads were calculated. The GHG emission rate of 2008 by the Tier 1 was 20,022,563 ton CO2eq/yr, while Tier 2 and Tier 3 were 18,540,695 tonCO2eq/yr and 25,046,625 tonCO2eq/yr, respectively. Based on this study, we concluded that Tier 3 was more reasonable in defining GHG emissions than Tier 1 or Tier 2. The reason was that tier 1 didn't represent the characteristics of the moblie source and tier 3 had the problems that the number of registered motor vehicles could not reflect the real traffic volume.