Water Environment - Membrane Technology Lab. ( 물환경 - 막기술연구실 ) 이정학교수 Contact 연구실 (302동 816호 ) : tel) 880-7075 실험실 (302동 515호 ) : tel) 874-0896 http://wemt.snu.ac.kr 1
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융합기술에의한창조형 R&D WEMT 연구실 융합기술 CLSM, FISH, PCR-DGGE, Quorum sensing BT 미생물군집, 생리, 분자생물학 IT 영상정보분석기술 생물막 : 공극률, Biovolume, Cluster size + 분리막공정, 활성슬러지 ET 수처리및환경신소재기술 NT 나노구조형상화기술 리소그래피기술분리막제조 3
수 MBR ( 水 ) 처리용? 분리막기술 폐수처리분야 분리막의수처리적용 정수처리분야 중수도분야 해수담수화분야 기능성분리막분야 4
Membrane bioreactor (MBR) : Leading edge technology Environmental Biotechnology + Membrane Process ( 중수도 ) 하폐수유입 MBR 여과수 역삼투막 (RO) RO 공정 RO 여과수 ( 음용수 ) 정밀여과막 (MF) / 한외여과막 (UF) 활성슬러지반응조 MBR 적은부지면적, 양질의처리수, 타공정과혼성가능. 수자원부족문제해결을위한핵심기술. 인구밀도가높고수자원이부족한지역에서높은기술경쟁력을가짐. Ex) 유럽, 아시아 ( 일본, 한국, 중국등 ) 5
공학한림원선정미래유망기술 25 선정근거 : 산업의규모, 전략적측면, 사회적영향구분내용구분내용 지능형텔레매틱스 환경기계기술 WEMT 2006.12 전기전자정보공학 지능형로봇 초미세부품장비 기계공학 차세대반도체 신 재생에너지 ( 풍력발전, 연료전지 ) IPTV 로봇기술 광대역유 무선통합통신망기술 하이브리드자동차 건설환경공학 분리막생물반응조공정 (MBR : Membrane Bioreactor) 고성능콘크리트 U- 건설현장관리제어시스템 화학생명공학 차세대디스플레이용 ( 고분자 ) 소재 신에너지 ( 석탄액화 가스화, 연료전지, 수소에너지 ) 소재혁명, 나노기술 실시간버스통행거리및환승횟수판단기술 차세대전지용 ( 고분자 ) 소개 지속가능건축시스템기술 재생에너지 고질소오스테나이트계스테인리스강 염료감응형유기태양전지 재료자원공학 초내식성지르코늄핵연료피복관개발 화염분무열분해법 (FSP) 을이용한나노분말제조기술 반도체조명기술 출처한국공학한림원, 미래기술전략보고서, 2006
MBR : 세계시장경쟁 1 전세계가동 MBR 플랜트 : 4,000 여개 2 국내가동 MBR 플랜트 : 1,700 여개 ( 설치수기준 43%) 출처 BCC Inc., (2006) 362.6 400 MBR 관련세계적기업 $ 백만 1 11.4 1990 107.9 216.6 1995 2000 2005 2010 MBR 시장의성장추세 MBR 시장의성장추세 연평균성장율 : 10.9% 300 200 100 Year GE-Zenon ( 미국 ) Siemens ( 독일 ) Veolia ( 프랑스 ) Kubota, Mitsibishi ( 일본 ) Shanghai Yiming Filtration Tech ( 중국 ) 삼성엔지니어링, 코오롱대한통운, 제닉스, 한국분리막, ( 한국 ) ( 향후 5년간플랜트최소 1,000개증가 ) 7
차세대 MBR 시스템 (MBR+RO) 의활용및핵심장애물 ( 생물막형성 ) ( 중수도 ) 역삼투막 (RO) 하폐수유입 MBR 여과수 RO 공정 RO 여과수 ( 음용수 ) 정밀여과막 (MF) / 한외여과막 (UF) 생물막 (Biofilm) 활성슬러지반응조 MBR 분리막표면 MBR 시스템의핵심장애물 투수도 (Water Flux) 감소 여과수 (Permeate) 낮은투수도 ; ~15 L/m 2 hr 높은설치비막수명단축 ; 3-53 년 높은운전비용높은에너지소모 ; 0.3~0.6 kwh/m 3 8
New 2. Research paradigm objective in MBR research: Open the black-box, box, Biofilm Biofilm Micro-level research Commercialization Open the black-box!! Physico-chemical chemical approach Biofilm Membrane material Need more challenge Surface modification Microbial activity, physiology, Hybrid system metabolism Chemical additives Biofilm formation mechanism Water Environment - Membrane Spatial Technology distribution Lab. of various components (Cell and EPS) Hydrodynamic & Mass transport approach Critical flux Membrane module Operation parameter (SRT, HRT, Pressure, Pump type Aeration intensity etc.. ) 9
세계적으로 MBR 관련대형프로젝트진행중 EU Research Project 1 : EUROMBRA MBR technology with an EU perspective for advanced municipal wastewater treatment strategies for the 21st century 10 개국, 17 개기관, 연구비 460 만유로, 2005~ EU Research Project 2 : AMEDEUS Accelerate Membrane Development for Urban Sewage Purification 6 개국, 11 개기관, 연구비 530 만유로, 2005~ 10
생물막분석 / 제어를통한차세대 MBR 개발 현재 MBR 시스템생물막오염 투과도 (Flux) 저하막수명단축높은에너지소모 생물막 (Biofilm) 제어 분석 (Analysis) 정보 (Information) (Control) 차세대 MBR 시스템 분자수준에서막오염제어 투과도 (Flux) 상승막수명연장낮은에너지소모 생물막구조변화유도 : 공극률증가생물막탈착전환 : 침식에서탈리로의전환생물막형성억제 : 정족수감지 분자생물학 Molecular technology for biomolecules CLSM 3D (X,Y,Z) + + 3D Biofilm image 영상분석 Image Structure Analyzer Porosity Fractal dimension Run length Surface coverage ratio 체외고분자물질 (EPS) 의성분및시 공간적분포변화미생물군집분포생물막의 X, Y, Z 방향성장속도생물막의비저항및압축도 Dead and live cell의비율 11
생물막분석 (Biofilm analysis) Volumetric 3D restructured biofilm images Vertical distribution of the live-to dead ratio in the biofilm Top Bottom - Green : Bacterial Cell - Red : Polysaccharide Top Bottom 이미지분석 (Image analysis) 구조 ( 공극률등 ) 의공간적 (3차원), 시간적변화측정 Cell, EPS ( 단백질, 다당류등 ) 의공간분포 Live/Dead cell 의공간분포분석 12
생물막제어방법 1 2 3 4 Quorum Quenching 높은공극률구조유도 기능성분리막제조 TJC 오존처리 미생물신호전달 막오염완화제개발 고효율오존접촉조 자기유도물질차단 생물막 EPS 제어 선형플록유도 * 나노패터닝분리막 RO 전처리 생물막형성억제 슬러지감량 약성물질분해 * 항균코팅막 TJC 오존 13
생물막제어 : Quorum sensing based biofouling control in MBR Basic concept Wastewater High flux Low energy Long life-span X Biofilm Membrane Permeate Molecular level (Signal molecule) Micro-scale (membrane-biofilm) Engineering system (MBR) 14
나노패터닝분리막의제조 (4 세대분리막 ) 분리막제조기술 + 나노패터닝기술 분리막의제조과정에나노패터닝기술을도입 분리막의여과성능을극대화 1. Soft molding 법에의한나노패터닝분리막 2. Imprinting 법에의한등방공경분리막 PVDF sheet polysulfone support layer 15
나노패터닝분리막의제조 (4 세대분리막 ) 나노패턴형분리막 상전이법 + Soft molding 접착에너지감소효과 + 난류효과에의한흡착방해 + 유효막면적증가 등방공경 (Isotropic) 분리막 각인법 (Imprinting) 표면공극률향상 + 표면공극분포의균일화 + 물리적강도향상 16
항균기능막의제조 일반나노여과막 *EPS: Extra cellular-polymeric substance Micro-organism EPS 높은투수도 항균나노여과막 여과방향 생물막형성에의한투수도저하 Water 높은Environment 투수도 - Membrane Technology Lab. 높은투수도유지 17
Prof. Chung-Hak Lee, 초청강연 (2002 ~2008) Let s open the black-box! : enhancing membrane performance in Membrane Bioreactors MBR for the next generation 2002 스위스 2002.8.19 EAWAG (Federal Institute for Environmental Science and Technology) 2005 미국 2005.7.13, (USA) Montana State University (Center for Biofilm Engineering) 2008 러시아 2008.6.2, Moscow (Crocus Expo Exhibition Center) 2003.1.17 INSA, Toulouse 2003 2003 독일 2003.1.21 TUM 2004.7.12 Hokkaido University 프랑스 (Technical University Munich) 2004 일본 2005.8.21 ICOM2005 (International Congress on Membrane and membrane Process 2005) 2005 한국 2006 싱가폴 2007.5.16 Harrogate 2006.7.11 Nanyang Tech. Univ 2007 영국 18
Keynote speaker : Chung-Hak Lee Title : Biofouling in MBR for wastewater treatment: Water Mechanisms Environment - Membrane and Control Technology Lab. 19
National Research Laboratory on membrane technology for water environment by Korea Ministry of Science and Technology (2007.7 2012.6) Prof. Chung-Hak Lee Water Environment Membrane Technology Lab. School of Chemical & Biological Engineering, Seoul National University, Korea (http://wemt.snu.ac.kr)
국제학술회의개최 세계적인 MBR 전문가참가 30 개국 300 여명참석 200 여편의논문발표 Water Environment Membrane Technology 2004 International Water Association Specialty Conference 2004 년 6 월 7-10 일, 서울 Chairman : 이정학 21
Trilateral Science &Technology Cooperation (Japan, Korea, China) Three laboratories Three laboratories already have a long experience in MBR research and world-wide reputation in development of submerged MBR (Prof. Yamamoto, Tokyo Univ.) MBR system engineering (Prof. Huang, Tsinghua Univ.) fouling mechanism and its control (Prof. Lee, Seoul national Univ.) Innovation Best Combination In Asian context Trilateral S&T Basic Understanding System Engineering 22
AMBITION Asian Membrane Bioreactor Initiative by Trilateral cooperation Korea Japan advanced MBR China Upgrading application AMEDEUS Europe Siemens East Asia Mitsubishi R., Toray, Kubota, Shanghais YFT, KEC, Genbr, KMS Presently available MBR North America GE-Zenon 23
Homogeneous Catalyst Nanofiltration system Endocrine Disrupting Chemicals (EDCs) Pharmaceutically Active compounds (PhACs) Physical treatment Nanofiltration (NF) O Direct, continuous treatment X Concentrate treatment problem Chemical treatment Catalytic Oxidation O Fundamental treatment X Hard to recover catalyst Hybridization Synergy Effect 24
Super saturation O 3 / Coagulation / UF Hybrid Endocrine Disrupting Chemicals (EDCs) Pharmaceutically Active compounds (PhACs) 25
Microbial Fuel Cell ( 미생물연료전지 ) 2006.2 26
미생물연료전지 : Microbial Fuel Cell 폐수처리 & 전력생산 Power generation e - Treated water Micro- organism Anode Cathode Wastewater Anode chamber Cathode chamber Anode : C 6 H 12 O 6 + 6H 2 O 6CO 2 + 24H + + 24e -, E o = - 430 mv Cathode : O 2 + 4H + + 4e - 2H 2 O, E o = Water Environment + 820 - Membrane mv Technology Lab. 27
외국연구기관과지속적인학술교류 ( 교수및연구원장기체류, 공동연구, 강의등 ) 국가명기관명교류방법 호주 New South Wales University Center for membrane science and technology 교수및연구원장기체류, 공동연구 교류시작년도 1996 ~ 연구원프랑스 INSA de Toulouse, Department of process engineering 2001 ~ 장기체류, 공동연구, 강의 스위스 Swiss Federal Institute for Environmental Science and Technology (EAWAG) 연구원장기체류, 공동연구 2002 ~ 중국 Tsinghua University, Environment Simulation and Pollution Control State Key Joint Lab 공동연구, 세미나 2004 ~ 교수인도 India Institute of Technology, Madras 2005 ~ 장기체류 미국 Montana State University Center for Biofilm Engineering 연구원장기체류 2005 ~ 노르웨이 University of Trondheim (NTNU), Norway 연구원교류 2008.3 ~4 중국 Fudan University, Shanghai, China 연구원지원 2008.9 ~ 프랑스 INSA (Indian National Science Academy), France 연구원교류 (Post. Doc) 2008.9 ~ 28
Publication : 250 papers, Water Research (Associate Editor) Post Doc. (5) (Illinois Univ.,North-west, UNSW 등 ) 교수 (4) 국내 : 3, 해외 :1 ( 환경공학, 화학공학 ) 국책연구기관 (4) ( 수자원공사, STEPI, 건설기술연구원, 환경진흥원, 등 ) 국내외회사 (20) (Nalco, 삼성, LG, 3M, 새한, SK, 등 ) Water Environment - Membrane Technology Lab. 재학생 (8) 박사 (5), 석사 (3) 유학 (10) (Illinois, Princeton, UCLA) 29
http://wemt.snu.ac.kr Introduction of WEMT Lab. Contact 실험실 (302 동 515 호 ) : tel) 880-7075 연구실 (302 동 816 호 ) : tel) 874-0896 30
감사합니다! 31