31
1 Water Environment Water Environment - - Membrane Technology Lab. Membrane Technology Lab. 이정학교수 W W ater ater E E nvironment nvironment - - M M embrane embrane T T echnology Lab. echnology Lab. ( ( 물환경 물환경 - - 막기술 막기술 연구실 연구실 ) ) Contact 연구실 (302816) : tel) 880-7075 실험실 (302515) : tel) 874-0896 http://wemt.snu.ac.kr

물환경 막기술연구실 - WEMTwemt.snu.ac.kr/introduction of WEMT new.pdfWater Environment - Membrane Technology Lab. 1 이정학교수 Water Environment - Membrane Technology

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1Water Environment Water Environment -- Membrane Technology Lab.Membrane Technology Lab.

이 정 학 교 수

WWater ater EEnvironment nvironment --MMembrane embrane TTechnology Lab.echnology Lab.((물환경물환경-- 막기술막기술 연구실연구실))

Contact 연구실 (302동 816호) : tel) 880-7075

실험실 (302동 515호) : tel) 874-0896

http://wemt.snu.ac.kr

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2Water Environment Water Environment -- Membrane Technology Lab.Membrane Technology Lab.

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3Water Environment Water Environment -- Membrane Technology Lab.Membrane Technology Lab.

융합기술에 의한 창조형 R&DWEMT 연구실WEMT WEMT 연구실연구실

융합기술

미생물미생물 군집군집, , 생리생리,,

분자생물학분자생물학

BT IT영상정보

분석기술

수처리 및환경 신소재 기술

ET+

공극률, Biovolume,Cluster size

분리막 공정,활성슬러지

CLSM, FISH,PCR-DGGE,

Quorum sensing

생물막:

나노구조형상화 기술

NT리소그래피 기술분리막 제조

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4Water Environment Water Environment -- Membrane Technology Lab.Membrane Technology Lab.

MBR ?수(水)처리용 분리막 기술

폐수처리 분야

정수처리 분야

중수도 분야

해수담수화 분야

기능성 분리막 분야

분리막의분리막의수처리수처리 적용적용

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5Water Environment Water Environment -- Membrane Technology Lab.Membrane Technology Lab.

Membrane bioreactor (MBR) : Leading edge technologyEnvironmental Biotechnology + Membrane ProcessEnvironmental Biotechnology + Membrane Process

적은 부지면적, 양질의 처리수 , 타공정과 혼성가능.

수자원 부족 문제 해결을 위한 핵심 기술.

인구밀도가 높고 수자원이 부족한 지역에서 높은 기술 경쟁력을 가짐.

Ex) 유럽, 아시아 (일본, 한국, 중국 등)

하폐수 유입 MBR 여과수

정밀여과막(MF)/ 한외여과막(UF)

활성슬러지 반응조

RO 여과수

(음용수)

역삼투막(RO)

MBR

(중수도)

RO 공정

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WEMT공학한림원 선정 미래유망 기술 25

구 분 내 용 구 분 내 용∙ 지능형 텔레매틱스 ∙ 환경기계기술∙ 지능형로봇 ∙ 초미세 부품 장비∙ 차세대 반도체 ∙ 신․재생에너지 (풍력발전, 연료전지)∙ IPTV ∙ 로봇기술∙ 광대역 유․무선 통합 통신망 기술 ∙ 하이브리드 자동차

∙ 차세대 디스플레이용 (고분자)소재▶ 분리막 생물반응조 공정(MBR : Membrane Bioreactor)

∙ 고성능콘크리트 ∙ 신에너지(석탄액화․가스화, 연료전지, 수소에너지)

∙ U-건설현장 관리 제어 시스템 ∙ 소재혁명, 나노 기술∙ 실시간 버스통행거리 및 환승횟수 판단 기술 ∙ 차세대 전지용(고분자)소개∙ 지속가능 건축시스템 기술 ∙ 재생에너지∙ 고질소 오스테나이트계 스테인리스강

∙ 염료 감응형 유기 태양전지∙ 초내식성 지르코늄핵연료 피복관 개발∙ 화염분무열분해법(FSP)을 이용한

나노분말 제조기술∙ 반도체 조명 기술

재 료자원공학

화 학생명공학

건 설환경공학

기계공학전기전자정보공학

출처 한국공학한림원, “미래기술전략 보고서”, 2006

2006.12선정근거 : 산업의 규모, 전략적 측면, 사회적 영향

Page 7: 물환경 막기술연구실 - WEMTwemt.snu.ac.kr/introduction of WEMT new.pdfWater Environment - Membrane Technology Lab. 1 이정학교수 Water Environment - Membrane Technology

7Water Environment Water Environment -- Membrane Technology Lab.Membrane Technology Lab.

1990

100

200

300

400362.6362.6

11 11.411.4

107.9107.9

216.6216.6

1995 2000 2005 2010

$ 백

Year

1 전세계 가동 MBR 플랜트 : 4,000 여 개

2 국내 가동 MBR 플랜트 : 1,700 여 개 (설치수 기준 43%)

MBR시장의 성장 추세MBR시장의 성장 추세

출처 BCC Inc., (2006) MBR MBR 관련관련 세계적세계적 기업기업

Siemens (독일 )

Veolia (프랑스)

GE-Zenon (미국)

Kubota, Mitsibishi (일본)

삼성엔지니어링, 코오롱

대한통운, 제닉스, 한국분리막, (한국)

Shanghai Yiming Filtration Tech (중국)

연평균성장율연평균성장율 : 10.9%: 10.9%( 향후 5년간 플랜트 최소 1,000개 증가)

MBR : MBR : 세계시장세계시장 경쟁경쟁

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8Water Environment Water Environment -- Membrane Technology Lab.Membrane Technology Lab.

하폐수 유입 MBR 여과수

정밀여과막(MF)/ 한외여과막(UF)

활성슬러지 반응조

RO 여과수

(음용수)

역삼투막(RO)

MBR여과수 (Permeate)

분리막 표면

“생물막(Biofilm)”

투수도(Water Flux) 감소

MBR MBR 시스템의시스템의 핵심핵심 장애물장애물

(중수도)

RO 공정

차세대 MBR시스템(MBR+RO)의 활용 및 핵심장애물(생물막 형성)

낮은낮은 투수도투수도; ~15 L/m; ~15 L/m22⋅⋅hr hr 높은높은 설치비설치비

막막 수명수명 단축단축; 3; 3--55년년

높은높은 에너지에너지 소모소모; 0.3~0.6 kWh/m; 0.3~0.6 kWh/m33

높은 운전비용

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9Water Environment Water Environment -- Membrane Technology Lab.Membrane Technology Lab.

Hydrodynamic Hydrodynamic & Mass transport approach & Mass transport approach

Critical fluxMembrane moduleOperation parameter (SRT, HRT, Pressure, Pump typeAeration intensity etc.. )

Biofilm

Membrane materialSurface modificationHybrid systemChemical additives

2. Research objective

Open the black-box!!

Biofilm

New paradigm in MBR researchNew paradigm in MBR research: : Open the blackOpen the black--box, box, ““BiofilmBiofilm””

Need more challenge

MicroMicro--level level

researchresearch

Commercialization

Microbial activity, physiology, metabolismBiofilm formation mechanismSpatial distribution of various components (Cell and EPS)

PhysicoPhysico--chemical chemical approachapproach

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10Water Environment Water Environment -- Membrane Technology Lab.Membrane Technology Lab.

세계적으로세계적으로 MBRMBR 관련관련 대형대형 프로젝트프로젝트 진행진행 중중

EU Research Project 1 : EUROMBRA

MBR technology with an EU perspective for advanced municipalwastewater treatment strategies for the 21st century

10개국, 17개 기관, 연구비 460만 유로, 2005~

EU Research Project 2 : AMEDEUS

Accelerate Membrane Development for Urban Sewage Purification

6 개국, 11개 기관, 연구비 530만 유로, 2005~

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11Water Environment Water Environment -- Membrane Technology Lab.Membrane Technology Lab.

현재 MBR 시스템

생물막오염

투과도 (Flux) 저하

막 수명 단축

높은 에너지 소모

분석(Analysis)

생물막(Biofilm)

정보(Information)

제어(Control)

CLSM 영상 분석분자 생물학

Molecular technology for biomolecules

+ +

3D (X,Y,Z)

3D Biofilmimage

Image StructureAnalyzer

PorosityFractal dimension

Run lengthSurface coverage ratio

생물막 구조변화 유도 : 공극률 증가

생물막 탈착전환 : 침식에서 탈리로의 전환

생물막 형성억제 : 정족수 감지

차세대 MBR 시스템

투과도 (Flux) 상승

막 수명 연장

낮은 에너지 소모

분자 수준에서막오염 제어

생물막생물막 분석분석//제어를제어를 통한통한 차세대차세대 MBRMBR 개발개발

체외고분자 물질 (EPS)의 성분 및 시·공간적 분포 변화

미생물군집 분포

생물막의 X, Y, Z 방향 성장 속도

생물막의 비저항 및 압축도

Dead and live cell의 비율

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12Water Environment Water Environment -- Membrane Technology Lab.Membrane Technology Lab.

생물막 분석 (Biofilm analysis)

Volumetric 3D restructured biofilm images Vertical distribution of the live-to dead ratioin the biofilm

- Green : Bacterial Cell- Red : Polysaccharide

Bottom

Top

Top

Bottom

구조 (공극률 등)의 공간적 (3차원), 시간적 변화 측정Cell, EPS (단백질, 다당류 등)의 공간분포Live/Dead cell의 공간분포 분석

이미지이미지 분석분석(Image analysis)(Image analysis)

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13Water Environment Water Environment -- Membrane Technology Lab.Membrane Technology Lab.

생물막 제어방법

• 막오염 완화제 개발

• 생물막 EPS 제어

• 선형플록 유도*나노 패터닝 분리막

• 고효율 오존 접촉조

• RO 전처리

생물막 형성 억제

슬러지 감량

약성물질 분해

• 미생물 신호전달

• 자기유도물질 차단

Quorum Quenching

기능성 분리막 제조높은 공극률 구조유도 TJC 오존처리

1 2 3 4

TJC오존

*항균 코팅막

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14Water Environment Water Environment -- Membrane Technology Lab.Membrane Technology Lab.

Quorum sensing based biofouling control in MBR

Molecular level(Signal molecule)

Micro-scale(membrane-biofilm)

Engineering system(MBR)

X Biofilm

• High flux• Low energy• Long life-span

MembranePermeate

Wastewater

Basic concept

제어 :생물막

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15Water Environment Water Environment -- Membrane Technology Lab.Membrane Technology Lab.

나노 패터닝 분리막의 제조 (4세대 분리막)

polysulfone support layer

PVDF sheet

1. Soft molding1. Soft molding법에법에 의한의한 나노나노 패터닝패터닝 분리막분리막 2. Imprinting2. Imprinting법에법에 의한의한 등방공경등방공경 분리막분리막

• 분리 막의 제조과정에 나노 패터닝 기술을 도입• 분리막의 여과 성능을 극대화

분리막제조 기술

나노 패터닝기술+

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16Water Environment Water Environment -- Membrane Technology Lab.Membrane Technology Lab.

접착에너지감소 효과 난류효과에 의한 흡착방해 유효 막면적 증가

나노 패턴형 분리막

등방공경(Isotropic) 분리막

각인법(Imprinting)

상전이법+Soft molding

표면 공극률 향상 표면 공극 분포의 균일화 물리적 강도 향상

+ +

+ +

나노 패터닝 분리막의 제조 (4세대 분리막)

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17Water Environment Water Environment -- Membrane Technology Lab.Membrane Technology Lab.

EPS

*EPS: Extra cellular-polymeric substance일반 나노여과막

항균 나노여과막

Micro-organism

여과 방향높은 투수도

높은 투수도

항균 기능막의 제조

생물막 형성에 의한 투수도 저하

높은 투수도 유지

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18Water Environment Water Environment -- Membrane Technology Lab.Membrane Technology Lab.

2005.7.13, (USA)Montana State University(Center for Biofilm Engineering)

2005.8.21 ICOM2005(International Congress on Membraneand membrane Process 2005)

2002.8.19 EAWAG (Federal Institute for EnvironmentalScience and Technology)

2003.1.17INSA, Toulouse 2004.7.12

Hokkaido University

2002스위스

2003프랑스프랑스

2003독독 일일

2004일일 본본

2003.1.21 TUM(Technical University Munich)

2005미 국

2005한한 국국

2006싱가폴싱가폴

2006.7.11 Nanyang Tech. Univ 2007

영영 국국

2007.5.16Harrogate

“Let’s open the black-box!”: enhancing membrane performance in Membrane BioreactorsMBR for the next generation

Prof. ChungProf. Chung--HakHak Lee, Lee, 초청강연초청강연 (2002 ~2008)(2002 ~2008)

2008러러 시시 아아

2008.6.2, Moscow(Crocus Expo Exhibition Center)

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19Water Environment Water Environment -- Membrane Technology Lab.Membrane Technology Lab.

Keynote speaker : Chung-Hak LeeTitle : Biofouling in MBR for wastewater treatment:

Mechanisms and Control

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Water Environment Water Environment -- Membrane Technology Lab.Membrane Technology Lab.

Prof. Chung-Hak Lee

Water Environment – Membrane Technology Lab.School of Chemical & Biological Engineering,

Seoul National University, Korea

(http://wemt.snu.ac.kr)

National Research Laboratoryon membrane technology for water environment

by Korea Ministry of Science and Technology

(2007.7 – 2012.6)

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21Water Environment Water Environment -- Membrane Technology Lab.Membrane Technology Lab.

Chairman : 이정학

Water Environment–Membrane Technology 2004International Water Association Specialty Conference

세계적인 MBR 전문가 참가30개국 300여명 참석200여편의 논문 발표

2004년 6월 7-10일, 서울

국제국제 학술학술 회의회의 개최개최

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22Water Environment Water Environment -- Membrane Technology Lab.Membrane Technology Lab.

• 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.)

Trilateral Science &Technology Cooperation(Japan, Korea, China) Three laboratories

Basic Understanding

Innovation

System Engineering

Best CombinationIn Asian context

Trilateral S&T

Page 23: 물환경 막기술연구실 - WEMTwemt.snu.ac.kr/introduction of WEMT new.pdfWater Environment - Membrane Technology Lab. 1 이정학교수 Water Environment - Membrane Technology

23Water Environment Water Environment -- Membrane Technology Lab.Membrane Technology Lab.

Presently available MBREurope

North America East AsiaMitsubishi R., Toray, Kubota, Shanghais YFT, KEC, Genbr,

KMS

AMBITIONAsian Membrane Bioreactor Initiative

by Trilateral cooperatION

application

Upgrading

JapanKorea Chinaadvanced MBR

AMEDEUS

Siemens

GE-Zenon

Page 24: 물환경 막기술연구실 - WEMTwemt.snu.ac.kr/introduction of WEMT new.pdfWater Environment - Membrane Technology Lab. 1 이정학교수 Water Environment - Membrane Technology

24Water Environment Water Environment -- Membrane Technology Lab.Membrane Technology Lab.

Physical treatment Chemical treatment

Nanofiltration (NF) Catalytic OxidationO Direct, continuous treatmentX Concentrate treatment problem

O Fundamental treatmentX Hard to recover catalyst

Synergy EffectSynergy Effect

HybridizationHybridization

Homogeneous Catalyst – Nanofiltration system

Endocrine Disrupting Chemicals (EDCs)

Pharmaceutically Active compounds (PhACs)

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25Water Environment Water Environment -- Membrane Technology Lab.Membrane Technology Lab.

Super saturation O3 / Coagulation / UF Hybrid

Endocrine Disrupting Chemicals (EDCs)

Pharmaceutically Active compounds (PhACs)

Page 26: 물환경 막기술연구실 - WEMTwemt.snu.ac.kr/introduction of WEMT new.pdfWater Environment - Membrane Technology Lab. 1 이정학교수 Water Environment - Membrane Technology

26Water Environment Water Environment -- Membrane Technology Lab.Membrane Technology Lab.

Microbial Fuel Cell(미생물 연료전지)

2006.2

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27Water Environment Water Environment -- Membrane Technology Lab.Membrane Technology Lab.

◆◆ 미생물 연료전지 : Microbial Fuel Cell

““폐수처리폐수처리 & & 전력생산전력생산””

• Anode : C6H12O6 + 6H2O 6CO2 + 24H+ + 24e- , Eo = -430 mV• Cathode : O2 + 4H+ + 4e- 2H2O , Eo = + 820 mV

Anode chamber Cathode chamber

An

ode

Cath

ode

Wastewater

e-

Treated water

MicroMicro--organismorganism

Power generation

Page 28: 물환경 막기술연구실 - WEMTwemt.snu.ac.kr/introduction of WEMT new.pdfWater Environment - Membrane Technology Lab. 1 이정학교수 Water Environment - Membrane Technology

28Water Environment Water Environment -- Membrane Technology Lab.Membrane Technology Lab.

국가명 기 관 명 교류방법교류

시작년도

호주New South Wales UniversityCenter for membrane science and technology

교수 및 연구원 장기체류, 공동연구

연구원장기체류,공동연구, 강의

연구원

장기체류, 공동연구

공동연구,세미나

교수

장기체류

미국 Montana State UniversityCenter for Biofilm Engineering

연구원

장기체류2005 ~

중국중국 FudanFudan University, Shanghai, ChinaUniversity, Shanghai, China 연구원연구원 지원지원 2008.9 ~2008.9 ~

프랑스프랑스 INSA (Indian National Science Academy), FranceINSA (Indian National Science Academy), France 연구원연구원 교류교류 (Post. (Post. Doc)Doc) 2008.9 ~2008.9 ~

연구원연구원 교류교류

1996 ~

프랑스 INSA de Toulouse, Department of process engineering 2001 ~

스위스Swiss Federal Institute for Environmental Science and

Technology (EAWAG) 2002 ~

중국Tsinghua University, Environment Simulation and

Pollution Control State Key Joint Lab 2004 ~

인도 India Institute of Technology, Madras 2005 ~

노르웨이노르웨이 University of Trondheim (NTNU), NorwayUniversity of Trondheim (NTNU), Norway 2008.3 ~42008.3 ~4

외국외국 연구기관과연구기관과 지속적인지속적인 학술학술 교류교류

((교수교수 및및 연구원연구원 장기체류장기체류, , 공동연구공동연구, , 강의강의 등등))

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29Water Environment Water Environment -- Membrane Technology Lab.Membrane Technology Lab.

WWater ater EEnvironment nvironment --MMembraneembrane TTechnologyechnology

Lab.Lab.

교수 (4)국내: 3, 해외:1

(환경공학, 화학공학)

유학 (10)(Illinois, Princeton, UCLA)

국내외 회사 (20)(Nalco, 삼성, LG, 3M, 새한,

SK , 등)

국책연구기관 (4)(수자원공사, STEPI, 건설기술연구원,

환경진흥원, 등 )

Post Doc. (5)(Illinois Univ.,North-west, UNSW 등)

재학생 (8)박사(5), 석사(3)

Publication : 250 papers, Water Research (Associate Editor)

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30Water Environment Water Environment -- Membrane Technology Lab.Membrane Technology Lab.

Contact

실험실 (302동 515호) :

tel) 880-7075

연구실 (302동 816호) :

tel) 874-0896

http://wemt.snu.ac.kr

Introduction of WEMT Lab.

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31Water Environment Water Environment -- Membrane Technology Lab.Membrane Technology Lab.

감사합니다 !