Evolution of Natural Organic MatterEvolution of Natural ...dwl/20106NOMstudyinAWP.pdf ·...

2010년 도약연구사업 단계평가, 2010. 6. 9.

Evolution of Natural Organic MatterEvolution of Natural Organic Matter (NOM)

조재원조재원

광주과학기술원 환경공학과

발표발표 순서순서

Ⅰ 1단계 실적 보고

연구 목표 및 내용

Ⅰ. 1단계 실적 보고

연구 목표 및 내용

연구추진전략 및 방법

연구 수행 결과

연구개발 성과

Ⅱ. 2단계 연구계획

1

최종목표최종목표

최종목표최종목표

NOM 초정밀 분리, 분석기술과 관련 프로토콜 개발을 통하여 NOM의 화학, 구조, 반응, 이동을 이해하고 구체적 모형을 제시함으로써, 새로운 경학, 구 , 반응, 이동을 이해하 구체적 형을 제시함 써, 새 운 경제적 가치를 창출할 수 있는 공학응용기술을 만들고 이를 엔지니어링 면에서 응용함과 동시에 과학기술분야의 획기적 도약을 위한 가장 근간이되는 과학기술 기반을 확보하고 제공하는 것이다되는 과학기술 기반을 확보하고 제공하는 것이다.

Rapid & Efficient NOM 분리 분석기술개발Rapid & Efficient NOM 분리, 분석기술개발

NOM분리, 분석기술 공학적 응용

NOM 분리 분석기술의 과학기반기술개발 및 적용NOM 분리, 분석기술의 과학기반기술개발 및 적용

NOM 교육, 공개 랩

2

단계목표단계목표

구분 당초 목표 수정․보완 목표 평가지표

Rapid & Efficient NOM 분리, 분석기술개발 좌동복잡하고 오래 시간 소요되는 NOM분리, 분석기법의 간략화를 위한 기본구상 제안 및 기술보급

NOM분리, 분석기술 공학적 응용 좌동 새로운 경제가치창출을 위한 실적용

1단계

O 분리, 분석기술 공학적 응용 좌동 새로운 경제가치창출을 위한 실적용

NOM 분리, 분석기술의 과학기반기술개발 및적용 좌동

I)NOM 나노입자해석, ii)생태시스템 대상NOM~Bio activity/community 연관 규명을위한 구체적 실험제시

NOM 국내외 교육, 세미나 좌동NOM 교육프로그램 교재의 완성 및 보급

NOM 공개랩 수행 좌동NOM 공개랩 예약 및 교육 실시

Korea NOM 구조 완성 좌동Korea NOM 모델완성, 구조제시

NOM 공학응용 적용 좌동실제적 경제가치 창출 사례 제시

획기적 기초/첨단 과학발전에 기여할 만한2단계 NOM 과학기반기술 완성 좌동

획기적 기초/첨단 과학발전에 기여할 만한NOM 기반기술이 제공

NOM Global Map 완성 좌동Korea NOM, 세계 NOM 지역별; Global Map의 완성의 완성

NOM 교육, 공개랩 좌동 NOM 랩의 교육, 분석방면 국제화달성

3

연구연구 추진추진 전략전략 및및 방법방법

Ⅰ. 초 정밀 NOM 분리 , 분석 기술 개발

Ⅰ-1. “Rapid and Efficient” 분석 ToolsⅠ-2. Korea NOM 구조 분석 완성

Ⅰ-3.NOM-SOM-SeaOM-AOM등 종합 분석기술 정리Ⅰ 4 Global NOM Map 완성Ⅰ-4.Global NOM Map 완성

Ⅱ. 공학적 NOM 응용기술개발 Ⅲ. NOM 과학기반 기술

Ⅱ-1. 실시간 수처리 공정 NOM측면 효율분석 기술Ⅱ-2. 미생물 증식 관여 BOM 물질 진단 기술 개발

Ⅱ-3. 관망부식 관여 BOM 진단 기술 개발Ⅱ 4 멤브레인 Fouling NOM 분석 기술

Ⅲ-1. Korea NOM 연구차원에서의 공급Ⅲ-2. 바이오 연구의 NOM 기반의 제공

(Basics for Quantum Leap)Ⅲ 3 나노 연구분야의 독성 연구 SupportⅡ-4. 멤브레인 Fouling NOM 분석 기술

Ⅱ-5. 하수 재이용, 해수 담수화 연관 NOM 기술Ⅲ-3. 나노 연구분야의 독성 연구 Support

Ⅲ-4.지구 Eco-System 과학적 접근 (C-Cycle등)

Ⅳ. NOM 교육과 활용 랩Ⅳ. NOM 교육과 활용 랩

Ⅳ-1. NOM 교육 프로그램(Short course & Lab education)

Ⅳ-2. NOM 분석 공개랩 운영분석 공개랩 운영

4

11단계단계 연차별연차별 연구목표연구목표 및및 내용내용

구분 연구목표 연구내용구분 연구목표 연구내용

R id NOM 분리 특성분석 및

∘다양한 NOM 특성 분석 기술 개발

∘SEC 방법에 의한 NOM 사이즈 분석 기술 및 형광 3D 분석Rapid NOM 분리, 특성분석 및

초정밀 분리, 분석기술기술

- NOM의 분자량 및 구성성분 측정

NOM의 기능족 및 S 분석

1차년도

( 2007 )

- NOM의 기능족 및 Structure 분석

NOM 공학응용 및 과학기반응용

∘FFF(흐름장 분리, 분석시스템)를 이용한 NOM의 나노입자

해석기술개발NOM 공학응용 및 과학기반응용

기술개발

해석기술개발

∘생태습지(혹은 토양 등)의 NOM과 Bio community 연관

연구

NOM 교육프로그램, 공개랩∘NOM 교육프로그램 작성 및 실시

∘NOM 공개랩운영

5


구분 연구목표 연구내용

Rapid NOM 분리, 특성분석 및

초정밀 분리 분석기술

∘NOM indicator 개발을 위한 기원별 NOM 특성 분석

∘새로운 NOM indicator의 제시초정밀 분리, 분석기술

∘EfOM/NOM 분자특성

∘자연유기물질이 나노독성에 미치는 영향연구

2차년도

( 2008 ) NOM 공학응용 및 과학기반응용

자연유기물질이 나노독성에 미치는 영향연구

∘연안습지 NOM~Biodiversity, bio community연구 가설 및 방

법론 정립, 생태습지 적용( ) 공학응용 및 과학기반응용

기술개발∘연안습지 미생물 활동과 NOM, 미량오염물질의 연관 규명

∘Bio연관성 규명 위한 실험 프로토콜 완성

∘Functional genes을 이용한 탈질 미생물 정량분석 및 활동도Functional genes을 이용한 탈질 미생물 정량분석 및 활동도

분석

NOM 교육프로그램 공개랩∘교육 프로그램 1차 실시

NOM 교육프로그램, 공개랩∘NOM 공개랩 지속운영

6


구분 연구목표 연구내용

Rapid NOM 분리 특성분석 및

∘Preperative HPLC를 통한 NOM 성분의 부분 추출 분석

∘여러 가지 멤브레인 공정에서의 파울링 분석

∘파울링분석에서 indicator와 특성변화의 상관관계 조사Rapid NOM 분리, 특성분석 및

초정밀 분리, 분석기술

파울링분석에서 indicator와 특성변화의 상관관계 조사

- 제시된 indicator (SUVA, org-N/C, relative

hydrophobicity/hydrophilicity와 major components

3차년도

( 2009 )

and complexity)의 상관관계 파악

∘자연유기물질이 미량유해물질 제어에 미치는 영향연구

수계 미량오염물질 거동 및 분포와 연관하여 NOM의 상관성 연구NOM 공학응용 및 과학기반

응용 기술개발

∘수계 미량오염물질 거동 및 분포와 연관하여 NOM의 상관성 연구

∘수계 미량오염물질의 대사물질 생성 및 분포와 NOM의 연관성

연구를 위한 기초조사 시행연구를 위한 기초조사 시행

∘NOM과 탈질 미생물 규명 연구

NOM 교육프로그램 공개 랩∘교육 프로그램 2차 실시

NOM 교육프로그램, 공개 랩∘NOM 공개랩 지속운영

7

주요주요 연구개발연구개발 결과결과

Ⅰ. Rapid NOM 분리, 특성분석 및 초정밀 분리, 분석기술

Rapid NOM 분리, 특성분석 및 초정밀 분리, 분석기술

NOM 분자 특성 및 분자 구조 규명NOM 분자 특성 및 분자 구조 규명

Ⅱ. NOM 공학응용 및 과학기반 응용 기술개발

NOM의 미량의약품 제어 영향 및 나노독성 상관관계 연구

Field-Flow Fractionation (FFF)를 이용한 NOM 나노입자 해석

연안습지 수계에서의 유기물질 특성 분석과 미량오염물질, 미생물 군집간의 상관관계 연구

수계 자연유기물질과 미량오염물질 분포의 상관관계 해석

NOM 과 탈질 미생물 활동 연관 규명 연구

Ⅲ. NOM 교육 프로그램, 공개랩

8

Ⅰ. Rapid NOM Ⅰ. Rapid NOM 분리분리, , 특성분석특성분석 및및 초정밀초정밀 분리분리, , 분석기술분석기술

새로운 NOM indicator제시: org-N/C 활용가능성 조사

M)

2.5SUVA

350BSA Humic-like fluorescence

새로운 NOM indicator제시: org N/C 활용가능성 조사

and

org-

N/C

(M

0 5

1.0

1.5

2.0 org-N/C

(nm

)

310

330MF-acid MF-base I MF-base II NF-base SRFA I SRFA II

NF-baseSRHA II

SRFA II

MB-base IIMF-acid

A (L

mg-

1 m

-1) a 0.5

Exc

itatio

n

270

290

SRHA I SRHA II

BSAMF-base I

MF-base MF-acid NF-base NF-acid

SUV

A

0.0

330 350 370 390 410 430 450 470250

270

SRFA I

SRHA I

Emission (nm)<Comparison of variations between SUVA and org-N/C> < Excitation-emission matrix of various membrane foulants>

9


새로운 NOM indicator제시: org-N/C 활용가능성0.6

MF-base MF-acid NF-base NF id

3500-3300N-H Amides

3100-2900 O-HCarboxylic acids 80

73

새로운 NOM indicator제시: org N/C 활용가능성

ce 0.4

0.5NF-acid Carboxylic acids

2900-2800CH Aldehydes

1680-1630

1490-1440N-H Amides

1075-1000C-O Alcohols

1350-1260 OH Alcohols

1210-1100C-O Alcohols

%)

60

Hydrophobic Hydrophilic Transphilic

55

73

Abs

orba

nc

0.3

1680 1630C=O Amides 960-875 O-H

Carboxylic acids850-750N-H Amides

Frac

tions

(%

4033

0.2

0

2012

1610

Wavenumber (cm-1)

10001500200025003000350040000.1 MF-base NF-base

< IR spectra of desorbed membrane foulants><Fractionations of desorbed membrane foulants by XAD 8/4 resins>< IR spectra of desorbed membrane foulants>

10


질량분석법(IT TOF MS)을 활용하여 NOM의 발생기원 파악

11

Ⅱ.Ⅱ. NOM NOM 공학응용공학응용 및및 과학기반과학기반 응용기술응용기술 개발개발

QD의 생태독성과 자연유기물질이 나노독성에 미치는 영향 연구

나노입자의 사용 증가- 생활 용품에 포함된 나노입자: 썬크림, 세제, 화장품 등

- 10년이내 세계 시장규모가 $ 1 trillion조 달러 예상

EfOMEfOM

Lake Lake

RiverRiverOMOM

EfEf

12



100

gna

Mortality of D. magna after 48 hour

60

80

D. m

ag

LC80= 2 nM

40

60

ality

of L 80 M

1 nM of QD1 nM of QD LC50LC50**

CdCd 135135 4343

Unit: Unit: ㎍㎍/L/L

0

20

% M

orta

LC50= 1.1 nM CdCd 135135 4343

SeSe 3333 2,0902,090

ZnZn 244244 6,9006,900

0.1 1 100%

Concentration of QD (nmol/L)

50

CdSe/ZnS LC50 = 1.1 nmol/L (Probit analysis) SS 4,1504,150 --

* ECOTOX Database, EPA 13



연구된 NOM/EfOM은 QD의 독성을 감소 시킴연구된 NOM/EfOM은 QD의 독성을 감소 시킴

14



100

NOM 소수성과 QD독성 저감의 상관관계ic

ity (%

)

60

80

SR-NOM

EfOM

tion

of to

xi

40

60

YR-NOMDL-NOM

Red

uct

0

20

Y=21.85X-9.48R2=0 88

Specific UV absorbance (SUVA)

1 2 3 4

R =0.88

Specific UV absorbance (SUVA)* Submitted to Journal of Nanoparticle Research

15


Field-Flow Fractionation (FFF)를 이용한 NOM 나노입자 해석Field Flow Fractionation (FFF)를 이용한 NOM 나노입자 해석

Sample WWTP Acorus Typha WetlandYeongsan

RiSample WWTP Acorus Typha Wetland

River

DOC (mg/L) 5.7 4.9 26.5 5.5 5.5

UVA254 (cm-1) 0.17 0.19 0.92 0.22 0.07

SUVA 2.99 4.00 5.45 4.09 2.50

Size from FlFFF(nm) 1.2 1.2 1.6 1.2 1.17

(at KCl 1 mM)

16


연안습지 수계에서의 유기물질 특성 분석과 미량오염물질, 미생물 군집간의 상관 관계 연구연안습지 수계에서의 유기물질 특성 분석과 미량오염물질, 미생물 군집간의 상관 관계 연구

400 ON

CH3

C

NH2

O C b iC b iAt l lAt l l

ng/L 200

300

400 ONH

CH3

OH

Due tobiodegradation or

ng/L 80

100

120

140

160

N

NH 2 O

CarbamazepineCarbamazepineAtenololAtenolol

A ugust N ovem ber0

100photodegradation effects in summer

August November0

20

40

60

400

500

600 SulfamethoxazoleSulfamethoxazoleS CH3N

HNH2

O200

250 CaffeineCaffeineN

N

N

N

OCH3

O

CH3

ng/L

0

100

200

300

400

ONO

ng/L

0

50

100

150NNO

CH3

August November0

August November0

17


연안습지 수계에서의 유기물질 특성 분석과 미량오염물질 미생물 군집간의 상관 관계 연구

Proteobacteria Most closely related microorganisms Characteristics

연안습지 수계에서의 유기물질 특성 분석과 미량오염물질, 미생물 군집간의 상관 관계 연구

Proteobacteria (No. of clones) Characteristics

alphaproteobacteriaMesorhizobium sp. (1), Alphaproteobacterium (4),

Phaeobacter sp.(1), Anderseniella baltica (1), Roseobacterdenitrificans (1), Rhodobacteraceae bacterium (2),

Oligotrophic, Chemoautotrophic bacteriaPhototroph (Roseobacter)

Facultative bacteria (Rhodoplanes)Antarctobacter sp. (1), Sulfitobacter sp. (1)

Facultative bacteria (Rhodoplanes)Nitrogen fixing bacteria

betaproteobacteria Uncultured beta proteobacterium (1), Methylophilus sp. (1)Phototrophs

Aerobic or facultative anaerobe

gammaproteobacteria Uncultured gamma proteobacterium (13), UnculturedPseudomonas (7), Olavius algarvensis (1)

Obligate aerobes or facultative anaerobesSulfate-oxidation, nitrogen-fixation,

methane-oxidation

Desulfuromonas michiganensis (1), Uncultured delta anoxic, sulfate-reducing bacteria

deltaproteobacteriaproteobacterium (7), Olavius ilvae (1), UnculturedDesulfuromonadales bacterium (1), Uncultured

Desulfosarcina sp. (2), Pelobacter sp. (1), Desulfobacteriumcatecholicum (1), uncultured Desulfobacteraceae bacterium

(1), uncultured Desulfobulbus sp. (1)

anoxic, sulfate reducing bacteriaDegradation of hydrocarbon contaminants,

Degradation of 50~100% of total organic matter in tidal flat

epsilonproteobacteria Uncultured epsilon proteobacterium (2) abundant in deap-sea hydrothermal system

18


수계 자연유기물질과 미량오염물질 분포의 상관관계 해석수계 자연유기물질과 미량오염물질 분포의 상관관계 해석

azep

ine

(ng/

L)

50

100

150

200 Y = 21.9X -20.4

r2 = 0.8244

azep

ine

(ng/

L)

50

100

150

200Y= 11.0X +3.74

r2= 0.1163

TN (mgN/L)0 2 4 6 8 10

Car

bam

-50

0

50

DOC (mgC/L)0 1 2 3 4 5 6 7 8

Car

bam

-50

0

50

pine

(ng/

L)

50

100

150

200Y= -16.8X +92.3

r2= 0.0989

pine

(ng/

L)

100

150

200Y= 299.7X +12.8

r2= 0.0473

1 2 3 4 5 6

Car

bam

azep

-100

-50

0

50

0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14 0.16 0.18 0.20

Car

bam

azep

-50

0

50

SUVA (L/mg/cm) UVA (cm-1)

19



Target micropollutants n TN DOC UVA SUVAr F p r F p r F p r F p


p p p pATN 30 0.85 72.3 0.000 0.34 3.76 0.063 0.22 1.42 0.244 -0.30 2.82 0.104CPG 27 -0.34 3.29 0.082 -0.80 47.5 0.000 -0.89 91.5 0.000 0.27 1.96 0.174DLT 25 0.78 36.0 0.000 0.59 12.3 0.002 0.67 18.7 0.000 -0.28 1.92 0.179CBZ 31 0.81 53.8 0.000 0.44 6.98 0.013 0.39 5.19 0.030 -0.25 1.97 0.171SMZ 32 0.79 49.7 0.000 0.29 2.72 0.109 0.24 1.88 0.181 -0.18 0.96 0.335FFC 10 -0.47 2.28 0.170 -0.16 0.21 0.660 -0.11 0.10 0.760 0.13 0.14 0.720NPX 19 0.76 23.0 0.000 0.62 10.6 0.005 0.71 17.5 0.001 -0.11 0.21 0.650IBP 21 0.66 14.2 0.001 0.62 11.5 0.003 0.66 14.8 0.001 -0.31 2.00 0.174DCF 12 0.65 7.45 0.021 0.40 1.91 0.197 0.33 1.19 0.302 -0.21 0.44 0.523ACT 32 0 13 0 51 0 482 -0 26 2 20 0 149 -0 02 0 01 0 919 0 47 8 31 0 007ACT 32 0.13 0.51 0.482 0.26 2.20 0.149 0.02 0.01 0.919 0.47 8.31 0.007GMP 23 0.27 1.61 0.218 -0.08 0.14 0.715 0.33 2.60 0.122 0.60 11.9 0.002CAF 32 0.22 1.54 0.224 -0.17 0.91 0.348 -0.14 0.56 0.461 0.22 1.48 0.234IOP 30 0.74 33.3 0.000 0.18 0.89 0.353 0.05 0.08 0.780 -0.21 1.23 0.277

TCEP 31 0.001 0.0 0.996 -0.4 6.26 0.018 -0.47 8.23 0.008 0.19 1.09 0.304N-acetyl-SMX 13 0 56 4 51 0 060 0 51 3 49 0 091 0 56 4 52 0 059 0 17 0 28 0 606N-acetyl-SMX 13 0.56 4.51 0.060 0.51 3.49 0.091 0.56 4.52 0.059 0.17 0.28 0.606

O-desmethyl-NPX 7 0.55 2.15 0.203 0.29 0.46 0.526 0.18 0.17 0.701 0.18 0.16 0.705 IBU-2OH 16 0.87 41.8 0.000 0.54 5.79 0.031 0.38 2.34 0.149 0.56 6.32 0.025

TN과 높은 상관성을 갖는 미량의약품들 : Atenolol, Dilantin, Carbamazepine, Sulfamethoxazole, Naproxen, Iopromide, 2-hydroxy-ibuprofen , i.e. Anthoropogenic molecular markers

20



Real time PCR을 이용한 습지 내 탈질 functional gene 우세도 및 활동도 분석

1.0E+10narG nirS nosZ

1.0E+09narG nirS nosZ

1.0E+08

1.0E+09

/ g o

f soi

l

narG nirS nosZ

February. 08 May . 08

1.0E+07

1.0E+08

s / g

of

soil

narG nirS nosZ

February. 08May . 08

1.0E+06

1.0E+07

gene

cop

ies /

1.0E+05

1.0E+06

gene

cop

ies

1.0E+05Acorus Typha Acorus Typha

1.0E+04A B C A B C

A: head B: middle C: mouth

담양인공습지 순천만 연안습지

A: head, B: middle, C: mouthChon et al., 2010, Ecological Engineering, in press

21



탈질 functional gene의 community 분석

< Diversity indices and predicted richness of nirS >

Soil sample No. of clones No. of OTUs (5% cut)

Simpson Index (1/D)

Shannon-WienerIndex (H' ) Chao 1 Ea

< Diversity indices and predicted richness of nirS >

(1/D)

Sept.03.09 Acorus 48 27 20.16 3.02 44.00 0.92

Typha 52 39 88.50 3.58 76.80 0.98

Nov.17.09 Acorus 56 25 15.87 2.87 51.25 0.89

Typha 55 35 51.28 3.42 60.67 0.96

a E, evenness calculated as E= H'/ ln(number of OTUs)

Chon et al., 2010, Desalination, accepted

22



W/O HA W/ HA 5.0E+09/

Wastewater 25 mg HA-C/kg soil 50 mg HA-C/kg soil

3.0E+09

4.0E+09

/g s

oil

w/o HA

w/ HA*

1.0E+09

2.0E+09

copi

es/

0.0E+00

0 day 1 day 3 day 5 day 8 day

Incubation time

< Soil microcosm test >*:significantly different values (P < 0.05)

nirS

< Soil microcosm test >

23

Ⅱ.Ⅱ. NOM NOM 공학공학, , 과학기반과학기반 응용응용 실적실적 요약요약

기존 NOM의 정리, 새로운 분석방법의 제시

-Rapid 분석기법(NOM size, 형광 3D, org-N/C Engineering Indices 등) 개발

-하수재이용 막오염(두산중공업), 정수공정 막 오염 분석(코오롱, Kwater) 문제점 해결에 시도

기존 한계 극복 NOM 구조 분석기법 시도(IT TOF van Krevelen diagram) 절반의 성공-기존 한계 극복 NOM 구조 분석기법 시도(IT-TOF, van Krevelen diagram), 절반의 성공

-NOM을 Dalton단위가 아니라, nano-meter 단위로 해석하는 최초 시도 성공

Engineering Index with NOM

-하수재이용, 정수공정 막 오염(fouling) 해석 위한 공학 인자 개발(3개 기업과 공동 수행)

-광주하수처리장 하수, 거제연초 정수장, 구미/고령 정수장(오존영향), 안양청계 정수장

-해수담수화 공정연구 위한 해수 NOM분석 기법 국내 도입: 사업단, 연구과제에서 활용 중해수담수화 공정연구 위한 해수 NOM분석 기법 국내 도입: 사업단, 연구과제에서 활용 중

Ecological Index with NOM

-생태계에서 NOM은 나노 독성을 감소시킬 수 있다는 것 발견, 현재 2차 리뷰 중

-습지의 정화능 조절 NOM index: 1단계 기초 마련, 2단계 연결 연구

-담양, 보성 인공습지, 호주 Northern Water Feature 습지 등에 적용

-기존 연구와는 달리, Humic NOM의 electron shuttle 역할, 다른 결과 얻음

-하천, 해안 습지 생태에서의 의약품-NOM연관 anthropogenic marker 제시

24

Ⅲ. NOM Ⅲ. NOM 교육프로그램교육프로그램,,공개랩공개랩

NOM 단기강좌 1회/의약품 분석강좌 1회

1단계 NOM 교육 프로그램 및 공개랩

NOM 단기강좌 1회/의약품 분석강좌 1회공개 랩 참여기관: 연세대, 코오롱건설 기술 연구소,

전주 상산고, 순천 신흥중,경남대, 건국대, 고려대, 단국대, 세종대, 아주대, 전북대,창원대, 수자원공사, GIST 대, 세종대, 아주대, 전북대,창원대, 수자원공사,IERC, GIST SeaHero, GIST 신소재공학과, GIST 환경공학과 타연구실 등 총 30 회 이상 공개 랩 시행.

<NOM 단기강좌 2008년 11월 19일>

<NOM 연구실 오픈랩 참여자들의 모습><의약품 분석 단기강좌 2009년 7월 21-22일>

25

대표적대표적 연구업적연구업적

번호 논문명/특허명/기타 게재지명/등록국가 발표일/등록일 비고

1Organic matter, anion, and metal wastewater treatment in

Damyang surface flow constructed wetlands in Korea

Ecological Engineering/

영국2008년 1월

Damyang surface flow constructed wetlands in Korea 영국

2Natural organic matter diffusivity for transport characterizations

in nanofiltration and ultrafiltration membranes

Journal of Membrane

Science/영국2008년 5월

영국

3

Comparison of physico-chemical pretreatment methods to

seawater reverse osmosis: Detailed analyses of molecularJournal of Membrane

Science/영국2008년 7월

weight distribution of organic matter in initial stageScience/영국

4Characterizations of colloidal organic matter

i l t d f f t

Separation Science and

T h l /영국2009년 1월

isolated from surface water Technology/영국

5Biofouling characteristics using flow field-flow fractionation:

effect of bacteria and membrane properties

Bioresource Technology/

영국2010년 3월

26

논문논문 실적실적 현황현황총 published 논문 수: 19편 , 현재 accepted or in press 논문 수: 6편

공학응용 기술

멤브레인 fouling NOM 분석 및미량오몀물질 연관 연구 (총 14편 )

분리, 분석기술

Kim et al., 2009Shon et al., 2009Shon et al., 2009Kwon et al 2009

과학기반 기술

Kwon et al., 2009 Chon et al., 2009Kim et al., 2009Park et al., 2009 Park et al 2008

NOM 구조 및 특성분석 연구(총 8 편 )

Lee et al., 2009 Park et al., 2010

바이오 및 생태 독성 연구 (총 4편 )Sarp et al., 2009Okour et al, 2009Park et al., 2009Park et al 2010

Park et al., 2008 Park et al., 2008Shon et al., 2008Kwon et al., 2009

Chon et al., 2010 Chon et al., 2010

Park et al., 2010Chon et al., 2010 Moon et al., 2010Lee et al., 2010

Kim et al., 2009Kim et al., 2010Kwon et al., 2010

27

연구개발성과연구개발성과 현황현황

과학기술/학술적연구성과(단위 :건)

총 published 논문 수: 19편 , 현재 accepted or in press 논문 수: 6편

과학기술/학술적연구성과(단위 : 건)

전문학술지논문게재초청

강연

학술대회

논문발표지식재산권

수상

실적

출판실적

국내논문 국외논문 출원 등록강연

실적

실적국내논문 국외논문국내 국제

출원 등록저역서 보고서

SCI 비SCI SCI 비SCI 국내 국외 국내 국외

0 0 18 1 4 24 20 0 0 0 0 6 0 0

인력양성및연구시설(단위 : 명,건)

학위배출 국내외연수지원

산학강좌 연구기자재박사 석사

장기 단기박사 석사

국내 국외 국내 국외

0 4 0 0 0 0 0 3

국제협력(단위 :명,건)

과학자교류 국제협력기반 학술회의개최

국내과학자

해외파견

외국과학자

국내유치MOU체결 국제공동연구 국제사업참여 국내 국제

0 0 0 0 0 0 3

28

2단계

Ⅱ. 2단계 연구계획

국내외 관련 분야 환경 변화

연구개발 필요성

연구개발 목표 및 내용

연구개발 필요성

연구개발 방법 및 추진체계

연구결과의 활용방안 및 기대성과

29

국내외국내외 관련분야의관련분야의 환경변화환경변화2단계

상대적

연구에 대한 필요성,요구관련 연구 실제 수행 기술개발 정도적

인연구

1. 정수, 하수재이용, 해수담수화 등 공학

관련 연구 실제 수행, 기술개발 정도

구의필요

기존 NOM 분석 기법 활용한 공학적, 생

▪ 정수 고도수처리 분야의 국내 도입이 늘어나

해수담수화 등 공학응용 분야에서의NOM 공학 index 도입, 문제해결 위한정밀 분석요

성,

요구

법 활용한 공학적, 생태과학적 응용(소독부산물,공정효율 검정, 수생태 거동)

면서 발생하는 NOM 정밀 분석, 공학적 문제 해결 위한 대처 분석 기법

정밀 분석2. 생태적 NOM 역할

위한 정밀 분석 기법

구

1990년대~2000년대 초 2000년 초~2010년 현재 현재~ 그리고 향후 10년

분자량 SEC 소수성/친수성 XAD 기능족 FTIR 전하밀도 적정법 성분

NOM 구조 규명 연구: Resolution 등 난관NOM 주요성분: Pyrolysis, 전처리 어려움NOM 야기 공학적 문제점 해결 방법 부재

해당 연구 방법전하밀 적정법 성분

형광 3D 해석 생태학적 NOM 역할 규명 방법 등

30

2단계

연구개발의연구개발의 필요성필요성

♦ 고도수처리 막여과에서 fouling(막오염)은 공정운영 등에서 큰 문제를 야기하는데 과연 어떤

1단계 본 연구과제를 수행하면서 파악된 공학적, 생태과학적 NOM 관련 문제들

♦ 고도수처리 막여과에서 fouling(막오염)은 공정운영 등에서 큰 문제를 야기하는데 과연 어떤물질이 막오염을 주로 유발하는가?(예) 하수처리과정에서 발생하는 MF/UF막 오염물질(두산중공업, 코오롱건설, H2L 등 분석의뢰)(예) 고도정수과정에서 발생하는 막오염물질(Kwater 연초정수장, H2L 광주각화정수장, 해외 적용사례로는 노르웨이 Prof. TorOve Leiknes 연구팀 NOM분석 의뢰)

♦ 하천 NOM의 성분들이 어떤 기원을 가지는지 어떻게 쉽고 효율적으로 파악할 수 있는가?(예) 영산강 오염원 규명을 위한 NOM연구(영산강 물환경연구소 영산강/섬진강 수계 NOM 근원(예) 영산강 오염원 규명을 위한 NOM연구(영산강 물환경연구소, 영산강/섬진강 수계 NOM 근원파악 연구)(예) 한강 NOM분석위한 분석기법 필요성(세종대 연구팀, 본 연구팀의 Pyrolysis 활용)

♦ 하수처리장 방류수를 추가로 처리하는 인공습지에서의 NOM/EfOM 조절이 어려운데 그이유는 무엇인가:(예) 담양 인공습지, 보성 Biopark 등지에서 질소 조절은 매우 우수하나, NOM/EfOM조절이안되는데 그 구체적인 이유는 무엇인가?안되는데 그 구체적인 이유는 무엇인가?(예) 호주 Northern Water Feature Wetland, 태국 Laem Pak Bia습지, 라스베가스 Arid 습지 연구에서의 NOM거동 연구분석의 어려움

♦ 생태 미생물의 활동도(탈질, 철환원, 오염물 제어 등)에서 NOM의 역할이 발표되고 있는데, 이러한 전자 전달자의 역할을 어떻게 규명할 수 있는가?

31

연구개발연구개발 목표목표 및및 내용내용2단계

2단계 목표, 연구개발 내용

Rapid & Efficient NOM 분리, 특성분석 및 초정밀 분리, 분석기술 개발

NOM의 특성과 질소성 소독부산물의 상관관계 파악

DBP 연구를 바탕으로 한 EfOM 특성연구DBPs 연구를 바탕으로 한 EfOM 특성연구

다양한 NOM의 연구를 통한 NOM Database의 구축

인공 습지를 이용한 대안적 수처리 기술의 축적

Eco-system에서 미량오염물질 및 그 대사물질과 자연유기물질의 연관성 파악

32

NOM NOM 분석분석 방법방법 연구연구2단계

초정밀 (+ Rapid & Efficient) NOM 구조 규명 기술(FTIR, Fluorescence 3D, Elemental Analyzer, Prep-LC etc)

FTIR

+Preparative-LC (2단계 추가)

Flu o 3DL C -MS -MS

나노 독성 NOM 나노입자 해석 NOM-Bio Metabolism, Community나노 독성, NOM 나노입자 해석(1단계 규명) NOM-Carbon Cycle (2단계 수행 계획)

NOM Bio Metabolism, Community (1단계 규명, 2단계 계속)

나노 독성 연구 지원

FFF 시스템을 이용하여 NOM을 나노 입자로 분석

33

NOM NOM 분석방법분석방법 연구연구2단계

34

NOM NOM 분석분석 연구연구2단계

Rapid & Efficient NOM 분리, 특성분석 및 초정밀 분리, 분석기술 개발

(Pyrolysis GC-MS)(HPSEC)

초정밀 NOM 분리 및 분석 기술(Rapid & Efficient)

(3D Fluore EEM)(한국고유NOM의특성파악)

(XAD 8/R resins)

Korea NOM

NOM Global Map 작성룹으(FTIR spectra) NOM leading 그룹으로

성장

Korea NOMNOM Global Map 작성세계여러나라

NOM 특성파악 공학적, 과학기반 한계극복 기술개발

p 작성

35

Korea & Global NOM MapKorea & Global NOM Map가능성가능성2단계

36

NOM NOM 공학응용공학응용: : 하수재이용하수재이용 분야분야2단계

NOM의 특성과 질소성 소독부산물의 상관관계 파악

초정밀 NOM 분리 및 분석 기술(Rapid & Efficient)

(Pyrolysis GC-MS)(HPSEC) (3D Fluore EEM)

(한국고유NOM의특성파악)

NOM 특성과 NDBPs 상관관계

Concentration of DOCConcentration of DONLevel of SUVA(XAD 8/R resins) Level of SUVA Level of org-N/CFunctionalityRelative polarity

(FTIR spectra)

(XAD 8/R resins)

NDBPs 분석법개발

(LC-MS/MS) (GC/MS)

37

NOM NOM 공학응용공학응용: : 정수분야정수분야2단계

NOM 존재하에서 염소소독에 의한 의약품 변환물질 규명

NOM이 염소에 의한 의약품 변환 반응에 미치는 영향 조사

NOM은 염소와 반응하여 소독부산물을 생성하는 등 산화제의 sink로 작용하수에는 암모니아 organic-N 화합물을 상당량 포함하고 있고 이들이 염소와 반응하여 클로라민을

NOM이 염소에 의한 의약품 변환 반응에 미치는 영향 조사

하수에는 암모니아, organic-N 화합물을 상당량 포함하고 있고 이들이 염소와 반응하여 클로라민을형성하는 등 산화제의 sink로 작용

염소소독에 의한 의약품 변환물질(TPs Transformation products) 규명

수계에 존재하는 의약품은 상수와 하수처리공정의 최종 처리 단계에서 염소소독을 거치면서 새로운물질로 변환되어 수생태계로 유입되는 등 수생태계 및 인체에 유해한 영향을 줌

염소소독에 의한 의약품 변환물질(TPs, Transformation products) 규명

의약품과 염소의 반응에 대한 반응 경로를 조사하여 변환물질 규명

< Reaction pathway for the reaction of ATL with NaOCl >

38

NOM NOM 공학응용공학응용: : 정수분야정수분야2단계

NOM 의 MW fraction에 대한 소독부산물 생성특성 연구

0 015

0.02

V)

raw water

DWTP의 공정별 처리수를 대상으로, Preparative LC에서 MW에

NOM MW profile for surface water MW distribution in DWTPs

0.015

0.02

(mV)

2

5

4

3

0

0.005

0.01

0.015

0 10 20 30

RI in

tensi

ty (

mV

Retention time (min)

p따라 분리한 각각의 fraction에 대해 염소와 반응을 거쳐 다양한 소독부산물 생성특성 조사

0.005

0.01RI in

tensi

ty

1

0.02

0.03

0.04

ensi

ty (

mV)

coag./sed.

Fraction(high MW, low MWhumic, N-containing aromatic)별로 상이한 소독부산물 생성특성을 나타낼 것으로 예측

0

0 10 20 30


0

0.01

0 10 20 30

RI in

te


공정별 MW profile비교를 통해,공정을 거치면서 쉽게 제거되는organic fraction, 제거되지 않는

0

0.01

0.02

0.03

0.04

RI in

tensi

ty (

mV)

ozonationFraction 1~3 : High MW HumicsFraction 4 : Low MW Fraction 5 : N-containing aromatics

organic fraction을 파악하고, 제거되기 어려운 fraction에 대한 분자특성을 파악함으로써, 이들의 처리효율을 향상시키기 위한 정수처

0

0 10 20 30Retention time (min)

리 공정 운영 최적화 도모

39

2단계

NOM NOM 과학기반과학기반: : 생태분야생태분야

습지를 이용한 대안적 수처리 기술의 축적

NOM 과 미량 오염물질 사이의 상호작용 습지 내의 NOM, 철 이온, 의약품의 상관 관계

철 환원 박테리아 NOM-

Fe2+

철 환원 박테리아 NOM

의약품

연구의 결과를 소규모 인공습지에 적용한 후 실제 현장에서 적용할 수 있도록 연구 범위를 연장

인공 습지에 존재하는 NOM 성분의 정밀 분석을 토대로, NOM과 미량유기오염물질사이의 상호작용을 분석

40

2단계

NOM NOM 과학기반과학기반: : 생태공학분야생태공학분야

: RI (C b h d t ) : UV (Aromatic compounds)

Preperative HPLC를 이용한 NOM의 정밀분석

3

: RI (Carbohydrates) : UV254 (Aromatic compounds)

1 2 31 2

3

44

Fe/DOC(µg/mg-C)

Mn/DOC(µg/mg-C)

Fe/DOC(µg/mg-C )

Mn/DOC(µg/mg-C)

(µg/mg-C) (µg/mg-C)

부들 1 0.08 0.17

부들 2 0.24 0.16

하수 방류수 1 0.66 0.26

하수 방류수 2 0.61 0.27

하수 방류수 3 0.46 0.76

부들 3 0.32 0.95 하수 방류수 4 0.31 0.35

41

2단계

NOM NOM 과학기반과학기반: : 생태분야생태분야

Inten. (x100,000)

560.5893

1.75

2.00

2.25

502.6340

312.8515(1)

444 6751

57.9553

Specific NOM having complexation

1.00

1.25

1.50

444.6751

618.5495

446.6764794.4237

268.7996676.5056(1)

386 7180

57.9602

57.9589 Specific NOM, having complexation

with Ni

0 25

0.50

0.75

386.7180

326.7589 576.5647

234.8406(1) 736.4634(1)732.4551(1)

854.3801(1)

200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 950 m/z0.00

0.25906.3268(1) 970.2947

IT-TOF 결과

42

연구결과연구결과 활용방안활용방안 및및 기대성과기대성과2단계

공공기반 , 지구환경 공헌기술 -신개념 공학 , 과학가치창출-지구환경 ,생태 기반 신개념

Global Warming Issue습지연구 등

Advanced 수처리 응용기술

지구환경 ,생태 기반 신개념경제가치창출

습지연구 등

재생가능에너지 분야

Stepping Stone 역할 기술

도약기술

생태적용기술BioTechnology응용기술

기존기술 효율향상

pp g

NOM 기술

Chemical &Photooxidation\

물리학적 처리기술에서의 응용

관

기존기술 효율향상

Photooxidation\관련기술

(Membrane, GAC, 관부식 방지 기술 등 )

광학적 실시간 모니터링 분석기기 산업분야

43

연구결과연구결과 활용방안활용방안 및및 기대성과기대성과2단계

Global NOM 규명을 통한 세계NOM 연구에 기여NOM 연구에 기여

NOM 공학적, 생태과학적 indices 제시를 통한 관련 핵심연구에 기여제시를 통한 관련 핵심연구에 기여

기업과 함께 하는 랩기업과 함께 하는 랩

기업위탁 교육

공개 랩공개 랩

(수처리, 엔지니어링,

모니터링 등)

NOM 연구

Agricultural Ecology(농업생태) 연구기반

NOM NOM 연구의연구의 다른다른 분야분야 파급기대파급기대

모니터링 등)

44

2010년 도약연구사업 단계평가, 2010. 6. 9.

45

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