Evolution of Natural Organic Matter (NOM)

광주과학기술원 환경공학과 조재원

NOM은 무엇인가?

자연에 의한 부패(Humidification), 생물, 미생물 분해과정

(Degradation)에 의하여 생성된다양한 유기물질

Heterogeneous Organic Matters

NOM 분류

Allochthonous NOM (부패 NOM)주로 토양 등에서 부패

휴믹산 등

Autochthonous NOM (미생물 부산물 NOM)조류부산물(Algogenic OM)박테리아 부산물 등

Effluent Organic Matter (하수 NOM)하수처리장 방류수 포함 유기물질

부패 NOM의 생성 예

나뭇잎, 사체 등의 유기물을분해하는 무척추동물

(Invertebrates)

잘게 분해된 혹은Particulate Organic Matter를 먹이로 하는 조류 및 박

테리아

박테리아는 물, 흙, 식물 뿌리에서 생장, 다시 이를 먹이로 하는

조류와 무척추동물

휴믹산(Humic Acids) 모형 예

Proposed Structure of Humic Acid, by Schulten and Schunitzer

기타 휴믹, 퓨빅 물질 모형 예

Suwannee Fulvic Acids (Aquatic)

Soil Humic Acid

하수처리과정에서 생성된 Humic Acid 제안모형

NOM 분류

Allochthonous NOM 주로 토양 등에서 부패

휴믹산 등

Autochthonous NOM조류부산물(Algogenic OM)박테리아 부산물 등

Effluent Organic Matter하수처리장 방류수 포함 유기물질

NOM의 종류

polysaccharides; low MW (C1-C4) alkyl alcohols, aldehydes, and ketones; poly ketones; amidesNeutrals

low MW (C1-C11) alkyl amines; amino acids; purines; pyrimidines; pyridine; hydroxy pyridinesBased

hydroxy acids; sugar acids; sulfonic acids; low MW alkyl monocarboxylic acids (C1-C4), and dicarboxylic acids (C2-C7)Acids

Hydrophilic NOM

(친수성 NOM)

hydrocarbons; high MW (≥C6) methyl ketones; furans; most esters; high MW (≥C5) alkyl alcohols, and aldehydes; lactones; pyrroleNeutrals

amphoteric proteinaceous materials; high MW (≥C12) alkyl amines; alkyl pyridines; aromatic aminesBases

fulvic acids; humic acids; high MW alkyl monocarboxylic acids (≥C9), and dicarboxylic acids (≥C12); aromatic acids

Strong Acids

tannins; phenols; intermediate MW alkyl monocarboxylic acids (C5-C8), dicarboxylic acids (C8-C11)

Weak Acids

Hydrophobic NOM

(소수성 NOM)

성분들 (Compositions)NOM 분류

Leenheer and Noyes, 1984, USGS Water Supply Paper 2230

NOM의 다양성, 복잡성, 분리/분석 난이성

IHSS NOM 분말가격: Suwannee Humic Acids: $175/0.1g

NOM 생성과 순환

NOM is ChemistryNOM is Biogeochemistry

NOM is Separation and CharacterizationNOM is Both Basics and Application

NOM은 왜 중요한가?

- 많은 과학분야의 기초(Basics): 나노, 바이오 분야 등- Global Science- 바이오 에너지의 연료이기도…- 농업생태과학분야 등

3. Scientific Values과학적 가치 높다

- 지구생태 순화 관여

- Eco-System 기반과학

- 물, 토양, 중금속, 대기, 미생물 등에 영향

2. Multi-functional Matters

여러 가지 기능을가지고 있다

- 수처리 연관: 소독부산물, 막 파울링, 관망부식, 미생물 증식

- 독성 연관성: 바이러스 이동, 방사능물질 이동, 금속 착화합, 나노입자 결합 등

- 수계 시스템: 부영양화, 산소, 미생물 먹이

1. Problematic Matters

많은 문제를 야기한다

NOM중요성

Before EvolutionNOM Size (LC-SEC 기술 ) NOM Structure (XAD, IX)

수처리 공정 효율진단발암 소독부산물수질관리 (부영양화 )관망 미생물 증식관망 Biofilm막 Fouling

공학응용기술

NOM 연구의 지금과 미래 I-1(Before Evolution)

NOM Size (LC-SEC 기술 )

NOM 연구의 지금과 미래 I-2(Before Evolution)

NOM Structure (XAD, IX)

수처리 공정 효율진단발암 소독부산물수질관리 (부영양화 )관망 미생물 증식관망 Biofilm막 Fouling

공학응용기술

Hydrophobic NOM

Transphilic NOM

Hydrophilic NOM: Neutrals

& Based

본 연구실 최근 5년간 발표논문 62편 중

NOM 논문 40편

Before Evolution: 본 연구실 연구성과(1. 한국 대표 수계, 세계 대표 NOM 비교연구)

100 1000 10000 1000000

20406080

100120140

MW (g/mol)

100 1000 10000 1000000

1

2

3

4

5

MW (g/mol)100 1000 10000 1000000

5

10

15

20

25

30

M W (g/m ol)

100 1000 10000 1000000

20

40

60

80

100

M W (g/m ol)

UV UV UV

FL FLFL

금강

낙동강한강

영산강

낙동강

금강

한강

영산강

AOM

AHANHA

SMP

동복호

SHA

SRNOM

WWTP

팔당호

해수

100 1000 10000 100000

0

5

10

15

MW (g/mol)

SMPAOM팔당호

WWTP

동복호

해수

100 1000 10000 1000000

5

10

15

20

25

30

M W (g /m ol)

AHA

SRNOMSHA

NHA

0

0 .0 0 5

0 . 0 1

0 .0 1 5

0 . 0 2

0 .0 2 5

0 2 0 0 0 4 0 0 0 6 0 0 0 8 0 0 0 1 0 0 0 0

M o lec u la r m as s ( g / m o l)

Rela

tive f

ract

ion

C D

N C D H P

N C D

N C D H L

NC D TP

NOM Size 연관 27편, NOM구조분석 논문 25편

Before Evolution: 본 연구실 연구성과(2. 미생물 증식관여 NOM 실 수계 적용)

39.3

14.2

22.0 24.0

37.8

63.0

28.736.0

26.9

38.0

0

20

40

60

80

CD Bulk NCD NCD HP NCD TP NCD HL

BD

OC

/DO

C (%

)

Before ED After ED

NOM 미생물 증식 논문 8편 발표

3. NOM:실제 정수장적용(소독부산물, 미생물 증식도)NOM 실제 정수장 적용: 국내 7곳의 정수장

NOM 수처리 공학 응용논문 29편

NOM~소독부산물 논문 9편

0

20

40

60

80

100

120

140

160

Jul. 18 Aug. 1 Sep. 3 Sep. 19 Oct. 9 Nov. 7 Dec. 19 Jan. 25 Feb. 22 Mar. 14

HA

AFP

(ug/

L)

0

200

400

600

800

1000

1200

BD

OC

(ug/

L)

Raw HAAFP F/A HAAFP NF HAAFPraw BDOC F/A BDOC NF BDOC

Before Evolution: 본 연구실 연구성과(4.비 프로젝트 분석의뢰 및 공개 랩 활용 교육)

한국종합엔지니어링(2007)김해 명동/삼계 정수장 공정별NOM 특성분석

Southern Nevada Water Authority, 미국(2006)EfOM 분자량

Yale 대학, 미국(2005)Alginate/BSA 분자량 분석

대구한의대학교(2005)NOM 분자량 및 구조분석

충남대학교(2004)DBP 분석

Yale 대학, 미국(2004)EfOM 특성분석

한국과학기술원(2003)BDOC/AOC 분석

한국수자원공사(2003)NOM 분자량 및 구조분석

광주시 상수도사업본부(2003)주암호 NOM 특성분석

서울시 상수도사업본부(2002)AOC 교육 및 한강 NOM 분석

Yale 대학, 미국(2002)NOM 특성분석

Univ.of central florida, 미국(2001)

미국 Tampa 강 NOM 및 DBP 분석

한국수자원공사(1999)금강수계 NOM 및 DBP 분석

한국에너지기술연구원(2007)멤브레인 특성분석

Colorado School of Mines, 미국(2006)멤브레인 제타전위측정

LG 반도체(2005)반도체 제조용 멤브레인 막오염분석

Georgia Tech., 미국(2005)멤브레인 제타전위측정

Colorado 대학, 미국(2004~2006)멤브레인 제타전위측정

한국과학기술연구원(2005 ~ 2006)NOM 구조분석 및 분자량

한국과학기술원(2003)BDOC/AOC 교육

대구 한의대학교(2005)NOM 분자량 분포도 교육

한국과학기술원(2006)NOM 분자량 측정 교육

Univ. of Tech. Sydney, 호주(2003)NOM 특성분석 교육

광주시 상수도 사업본부(2003)NOM 특성분석 교육

Univ. of central florida, 미국(2002)NOM 구조분석 교육

서울시 상수도사업본부(2002)NOM 특성분석 교육

NOM 교육프로그램, 실습 교육 지속!

NOM Short Course 강의 프로그램

[제 1 일 ]1. NOM이란 무엇인가 ? (1 hr)

2. NOM Chemistry (2 hr)3. NOM 기초 분석 Methods 소개 (4 hr)

[제 2 일 ]4. NOM 공학적 응용기술 (3 hr)

5.나노 /바이오 분야 연관 NOM (2 hr)6. 생태계 순환 NOM (2 hr)

NOM Short Course 실습 프로그램[3~4 일차 ]

1. NOM Size, Structure, Charge 실습- SEC with HPLC

- FFF using Asym. FFF system- XAD, FTIR

- 마이크로 적정 , IX 막 방법2. NOM 수처리공정 모니터링 실습

3. 멤브레인 Fouling 분석 실습4. Biodegradable NOM 분석 실습5. 생태습지 샘플링 및 분석 실습

국내외 NOM 연구의 현황, 한계

◯◯NOM 전문교육기관, 공개 분석랩

◯◒Ecological NOM 연구

◯◒미생물 대사 NOM연구

◯◒Rice University, Yale, GIT 등나노독성 연관 NOM연구

◯●International Humic Substances

Society과학적 연구 표준화 NOM

과학기반기술

◯GIST ◒USGS, 유럽 멤브레인 연구팀Seawater Organic Matter (SOM)

분석기술

◒GIST ●예일대, UCLA, Univ. of Colorado, 독일 베를린공대, 네덜란드 IHE

Delft, 호주 등

하수처리수내의 유기물질(EfOM) 분석기술

●정수처리관련 연구소, 수자

원공사, 대학, GIST ●

예일대, UCLA, Univ. of Colorado, 프랑스 Poitiers 대학, 독일 베를린공대, 네덜란드 IHE Delft, 일본/호

주 대학 등

수처리 응용기술

NOM 공학적 응용기술

●GIST 보유기술◯NOM의 나노입자로의 해석

◒GIST Equivalent Charge방법◒USGS(적정방법) NOM 전하특성

국내외 모두 일반화된 기술 ●NOM Structure (XAD 등)

◒수자원공사, 국민대, GIST 등●USGS, Univ. of Colorado, 독일

Carlsruhe대학, 일본 여러 대학, 호주 시드니대 등

NOM Size 분리, 측정기술

◯연구실적 거의 없음●미국 USGS NOM 구조

NOM 분리 및 특성분석

국내 현황국외 개발 주도 현황연구 개발 분야

●기술수준 매우 높음, ◒기술수준 중간 정도, ◯기술수준 매우 낮음 혹은 전무함.

국내외 NOM 연구의 현황, 한계

국내기술선진기술국내기술선진기술국내기술선진기술국내기술선진기술국내기술선진기술

NOM 교육NOM 과학기반기술공학적 NOM 응용분야NOM 정밀 분석분야NOM 분리, 특성분석

이러한 기술한계 극복하고 경쟁력 확보 위해어떤 연구들이 수행되는가?

After EvolutionI. 초정밀 NOM 분리 , 분석기술개발

I-1. "Rapid and Efficient" 분석 ToolsI-2. Korea NOM 구조분석 완성

I-3. NOM-SOM-SeaOM-AOM 등 종합 분석기술 정리I-4. Global NOM Map 완성

II. 공학적 NOM 응용기술개발

II-1. 실시간 수처리공정 NOM측면 효율분석 기술II-2. 미생물 증식 관여 BOM 물질 진단 기술개발

II-3. 관망 부식 관여 BOM 진단 기술개발II-4. 멤브레인 Fouling NOM 분석기술

II-5. 하수재이용 , 해수담수화 연관 NOM기술

III. NOM 과학 기반 기술

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

(Basics for Quantum Leap)III-3. 나노연구분야의 독성 연구 Supports

III-4. 지구 Eco-System 과학적 접근 (C-Cycle 등 )

IV. NOM 교육과 활용 랩

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

IV-2. NOM 분석 공개랩 운영

연구방법 1 (NOM 정밀분리, 분석)

Elemental Analyzer

(C:H:O:N:S)

NMR

(13C)

LC-MS-MS

(Functional Groups and

Fundamental Structures)

연구방법 1 (NOM 정밀분리, 분석)

FTIR, liquid cell

for Functional groups

Fluorescence 3D

(Excitation & Emission)for specific constituents

-0.1

-0.05

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000

Wave Numbers (1/cm)

BSA 100ppmBSA 50ppmBSA 25ppm

BSA290/355

Humic330/445

Korea NOM 모형완성

Humics (소수성 강하고, 분자량 크며, 미생물 증식 어려움)

부분

Hydrophilic, aliphatic NOM

(친수성 높고, 미생물 분해가능, 전하밀도 낮음)

미생물(조류 등)의 부산물이 원인으로 분자량 크며, N/C비가 높고 단백질 portion 어느 정도 있

는 부분

COOH, OH 기능족 비율 높아중금속 흡착, 나노입자 치환

등의 가능성 높은 부분

4대강 대표 NOM

한국 하수 EfOM

한국 해수 SeaOM

한국 습지 NOM

연구방법 2 (NOM 나노입자 해석연구)Initial

Sample Zone Field

ChannelFlow

Accumulation wall “Membrane”Parabolic Flow Profile by channel flow

SeparatedComponent Zones

Diffusion

Convection

retention time

적용:1. NOM 나노입자정보=이동, 반응해

석 가능

2. 생태계 순환 모델 가능

3. 세포 독성 등 나노독성 분야의 획기적 전기 마련 가능

Cho et al., Colloids and Surfaces A (2006) 2편 발표

연구방법 3 : Bio 분야 연구 Basics지원

바이오 분야 지원

Bio Activity, Metabolisms,Environmental Degradation,

Microbial Ecology 관여 NOM분석 (from Aquatic Ecosystem,

edited Stuart Findlay)

-국내외 연구자에 KoreaNOM 및 분석자료 공급 등

연구방법 3 : 미생물 Functions, Biodiversity다양한 NOM이 어떤 영향을 주는가? 줄 수 있는가?

61086011501120700164115331

SRB5

SRB4SRB3SRB2SRB1DNB(③)

AOB(②)

Total Bacteria

(①)

①②③SRB

습지 내 물, 토양 내 박테리아 PCR 분석결과

(담양 인공습지 분석결과, 2007 봄; EcoSummit 2007 구두발표)

우포늪 미생물 다양성 조사 결과

(2006년 가을 PCR결과)

연구방법 4 (Nano 독성 연구)NOM 존재 시 나노독성 증가 혹은 감소?

Porous medium as a series of tubes

NOM + Fullerene (C60)

NOM + Bacteria

ComplexationNOM + Heavy metals

NOM + Carbon Nano Tube

NOM

나노독성 ↑ ?

나노독성 ↓ ?Pedro Alvarez, Rice Univ., US

연구방법 5: 공학적 신 가치 창출

수처리 공정을 NOM측면에서 설계, 운영하는프로토콜 제시 실제 처리장에 적용

- 고도정수 도입에 실 적용 (한강 수계 정수장 등 3군데)

수처리 문제점 해결 위한 평가/진단 기술 실제 문제 수처리공정 개선 실 적용

- 낙동강 수계 정수장 진단; Bank Filtration 간접적 지원

- 하수 재이용 가능성 타진 연구

- 미국 정수장(라스베가스, 네바다)/재이용 처리장

- 노르웨이 이온교환 정수장 등 국내외 3군데 이상 목표

수처리 공정: “NOM Performance Indicators”

연구방법 6 (NOM effects on Eco-System)

수계 건강성을대변하는 NOM

Carbon Indicators는 ?

수계, 침전물 미생물 다양성조절하는 NOM Indicators? From Humic Substances in Soil, Sediment, and Water, edited by George R.

Aiken et al., 1985, John Wiley & Sons

복잡하고 다양한 연구방법의

“Pattern”을 요약하면…모든 NOM연구는,

Korea NOM +4가지 성질

SizeStructure

Functionality/ComplexationBiodegradability

현재 NOM 연구 기반(시설, 기기 등) 구축 정도

BiodegradableNOM측정 시스템

LC-MS(NOM 구조분석 )

Pyrolysis GC-MS

FTIRNOM 기능족분석

ElementalAnalyzer

(원소분석 )

GC-MS (ECD)소독부산물

Micro Titrator(NOM 전하밀도 )

Colloidal NOM분리시스템

XAD-8/4 시스템(NOM 구조분석 )

Flow-FFF(NOM 나노입자

해석 )

HPLC-SEC(NOM Size)

TOC(유기탄소농도 )2가지 다른 방식기기 2가지

2nd Line 1st Line 3rd Line4th Line

SizeBiodegradability StructureFunctionality

현재 NOM 연구 기반(시설, 기기 등) 구축 정도

NOM 랩 설치

기기, 시설

학과 공동기기실

기기 등

NMR

신소재공학과

보유장비

NOM 연구의 활용

NOM 기술

생태적용기술BioTechnology응용기술

Chemical &Photooxidation\관련기술

물리학적 처리기술에서의 응용

(Membrane, GAC, 관부식 방지 기술 등 )

Global Warming Issue습지연구 등

공공기반 , 지구환경 공헌기술

재생가능에너지 분야

Advanced 수처리 응용기술

광학적 실시간 모니터링 분석기기 산업분야

기존기술 효율향상

Stepping Stone 역할 기술

도약기술

-신개념 공학 , 과학가치창출-지구환경 , 생태 기반 신개념

경제가치창출

NOM 연구의 다른 분야 파급기대

“Korea NOM”

과학기반 연구팀에 제공

Humics만 가지고 연구하였던 연구팀에 다양성을

Agricultural Ecology(농업생태) 연구기반

기업과 함께 하는 랩

기업위탁 교육,

공개 랩

(수처리, 엔지니어링,

모니터링 등)

연구책임자의 역량, 경쟁력

국

제

활

동

학회 및 저널 활동

- International Water Association (IWA) Water Science and Technology (WST) 저널 편집위원 (2005년 9월 ~ 2007년 9월 )- IWA Water Reuse Specialty Group Newsletter Editor (2004~2008년 )- 2007년 European Desalinatoin Society: Desalination and the Environment 국제심포지엄 (그리스 ), Scientific Committee- 2007년 IWA Leading Edge Technology, IWA WST 저널 Moderator 역할 수행 중- 2007년 IWA Water Reuse WRRS2007 국제심포지엄 (벨기에 ), Scientific Committee

초청연사관련

- 2nd International Workshop on Rainwater and Reclaimed Water for Urban SustainableWater Reuse (3-5 Octorber, 2007, Kyoto, Japan), Invited Speaker 초청연사 (by CoreResearch for Evolutional Science and Technology (CREST))- International Conference on Advances in Chemical Technologies for Water andWastewater Treatment, Chinese Chemical Society, Xian, China, 15-18 May, 2008,Keynote Lecture 초청

국제강의

- 2006년 베트남 하노이과학대학 3일간 단기코스 강의 (NOM, 소독부산물 , 멤브레인강의 )- 2007년 9월 베트남 호치민공대 초청 강의 (네덜란드 유네스코 -UN GIST-한국수자원공사 공동 프로그램 )

국

내

활

동

학회 및 저널 활동

- 대한환경공학회 영문편집위원 (2006.5~2008.5)- 물환경학회 국문편집위원 (2005. 4~2007. 4)- 한국막학회 기획이사 (2007. 1~2007. 12)- 한국막학회 편집위원 (2005. 1~2006. 12)

- 박사학위 이후 약 70여편의 SCI 논문 , 최근 5년간 65편 SCI논문 발표

- 2004~2007년 45편 SCI 논문 발표

NOM 연구가능성 및 연구철학NOM 연구의 새로운 방향, 가능성 위해

제안서를 작성하면서 선정될 수 있는 Points보다 우리가 정말 할 수 있는, 해야 하는 Points를 찾으려 노력했습니다.

새롭게 7권의 NOM 책, 50여 편의 외국 논문, 25편의 국내논문을 읽고 분석했습니다.

자문 받은 분(국내외): NMR가능성 위해 2명의 박사급 전문가, LC-MS-MS위해 2명의 박사급 전문가, Bio분야 3명 석박사급 전문가, 나노독성분야 2명의 박사급 전문가, NOM 공학응용분야 2명의 박사급 전문가 등

Self Study: 실험실이 아이디어, 연구원동력의 근원

Self Evaluation: 랩 세미나가 가장 힘든 ConferenceSharing: 우리 자신을 비울 때 진정한 연구가…

감사합니다http://env1.gist.ac.kr/~dwl