재래식 해수담수화 수평적 압력용기 설계는 후단에 있는 역삼투막에는 농축수에 의해 수질악화 및 생산수저감 등이 동반된다. 이를 해결하기 위해 본 연구에서는 개념적인 중앙 주입식 압력용기가 생산수 단가에 미치는 영향과 역삼투 공정 설계 시 주요 인자들이 성능에 미치는 영향을 조사를 위해 상업화된 역삼 투 프로그램인 ROSA를 이용하여 분석하였다. 그 결과 중앙 주입식 압력용기를 이용할 경우 총괄적인 회수율과 SEC 측면에서 성능이 저하하지만, 막 모듈 당 생산되는 생산수량이 증가하는 것으로 나타났다. 또한 생산수의 수질개선은 2단 설계의 용량 감소로 인하여 건설비 저감으로 연계되는 것으로 조사되었다. 본 연구는 국토교통부 플랜트연구사업의 연구비지원(과제번호 16IFIP-B089908-03)에 의해 수행되었습니다.

전 세계적으로 대두되고 있는 물 부족 현상을 해결하기 위하여 하수재이용과 해수담수화 공정의 관심이 높아지고 있다. 특히, 정삼투-역삼투 융합공정은 해 수를 유도용액으로, 하수처리수를 유입수로 하여 정삼투 공정에서 유도용질의 회수 없이 희석된 해수를 역삼투 공정을 통해 하수재이용과 해수담수화를 동시 에 달성할 수 있는 공정으로 최근 각광받고 있다. 이 융합공정은 정삼투 공정과 역삼투 공정의 단점을 상호 보완하는 저에너지 공정으로 차세대 해수담수화 시장을 이끌어 나갈 것으로 판단된다. 따라서, 본 연구에서는 정삼투, 역삼투 막의 특성과 융합공정의 운영인자를 반영한 공정모사를 통하여 정삼투-역삼투 융합 공정의 소비에너지를 최소화 시킬 수 있는 최적 운영조건을 도출하고자 하였다.

지하수를 식수원으로 활용하고 있는 대부분의 소규모 마을상수도 시설에서 방사성물질 발현에 대한 문제가 지속적으로 재기됨에 따라, 2015년 수질감시기준에 우라늄 항목이 추가되었다. 효과적인 우라늄 처리를 위하여, 마을상수도 시설에 NF 및 RO를 이용한 처리공정의 적용이 증가하고 있으나, 적용된 분리막의 효율적인 관리방법이 미흡한 현실이다. 전문적인 운영관리인원이 부족한 현실에서 안정적인 RO공정의 운영을 위한 방안으로 분리막의 세척방안 마련이 필요하다. 이를 위하여 본 연구에서는 RO공정을 마을상수도에 도입시키고 운영하며, 발생되는 RO 분리막 오염의 효과적인 제어방법을 도출코자 하였다. 효율적인 세척방법으로 산/염기의 순차적 세척방법이 도출되었으며, 약 93%의 분리막 세척효과를 확인하였다.

다공성 PE (polyethylene) 정밀여과막 지지체 위에 이온교환고분자 물질을 염석법 및 가압법(phase separated and pressurization, PSP)으로 코팅하여 저압용 나노여과막을 제조하였다. 제조한 나노여과막의 코팅유무는 SEM 사진을 통하여 확인하였으며 코팅물질, 코팅시간, 이온세기에 따라 NaCl 100 ppm에서 투과도와 배제율을 측정하였다. PEI와 PSSA_MA의 농도를 동일하게 10,000 ppm으로 하고, 3 atm의 코팅압력을 주어 코팅한 결과, PEI의 투과도는 91.2 LMH, 제거율은 64.6% 이었으며 PSSA_MA의 투과도는 122.7 LMH, 제거율은 38.1%의 결과를 얻을 수 있었다. 본 연구로부터 염석법과 가압법을 통해 복합막 제조가 가능하다는 결론을 얻을 수 있었다.

본 연구는 역삼투막의 막오염을 해결하기 위하여 실란-에폭시 층을 형성시킨 다층 표면개질법을 이용하여 역삼투막의 내오염성을 향상시키고자 하였다. Sol-gel법을 이용하여 Octyltrimethoxysilane (OcTES)을 막 표면에 가교를 통해 고분자화 하였으며 n = 8인 OcTES의 알킬기가 자발적인 self-assembly를 통하여 막 표면에 가지구조를 형성시켰다. 그 위에 ethylene glycol diglycidyl ether (EGDE)의 ether기를 ring-opening을 통해 막 표면에 친수성을 부여하여 역삼투막의 내오염성을 향상시키고자 하였다. FE-TEM, AFM을 이용하여 막의 단면 및 표면구조 분석을 하였고 막 표면의 ridge and valley 구조와 OcTES, EGDE의 다층 표면개질로 인한 bridge 구조를 확인하였으며, 거칠기의 증가를 통해 막 표면의 가지가 잘 형성되었음을 확인하였다. XPS를 통하여 막 표면의 화학구조에 대한 관찰과 표면개질이 잘 이루어졌음을 확인하였으며, contact angle 분석을 통해 표면개질막의 표면에 친수성이 부여되었음을 확인하였다. EGDE 표면개질 조건 최적화를 진행한 결과 EGDE 농도는 0.5 wt%, ring-opening 온도는 70°C가 가장 적합하였고, 내오염성 실험 결과 및 막오염지수(MFI)는 SUL-H10, PA-OcTES1.0, PA-OcTES1.0-EGDE0.5이 68.7, 60.4, 5.4 (10E-8 hr/mL2)로 나타나 다층 표면 개질막의 내오염성이 매우 향상되었음을 확인할 수 있었다.

최근에 상용화된 SWRO 막은 플럭스 감소만으로 파울링을 평가하기 어렵다. 따라서 본 실험에서는 열역학 모델식을 통해 유기막오염과 세정에 따른 투수계수(Lp)와 농도분극계수(fcp), 파울링에 의한 여과저항(Rf) 변화를 분석해보았다. 파울런트 미주입시, 원수 TDS농도별, 압력별로 Lp와 fcp를 분석하였고 그 후, 유기 파울런트를 주입하여 막오염 진행에 따른 Lp와 fcp 변화를 분석하였다. 실험 결과, 파울런트를 주입하지 않은 경우, Lp와 fcp는 동일한 원수의 TDS 농도에서 압력이 증가함에 따라 증가하고, 동일한 운전 압력에서 원수의 TDS 농도가 증가할수록 감소하였고, 막오염 진행에 따른 Lp와 fcp의 감소 경향은 플럭스 감소 경향과 일치하지 않으며 막오염 물질 별로 다른 양상을 보였다.

정삼투-역삼투 융합 플랜트 기술 개발 연구단은 국토교통부/국토교통과학기술 진흥원의 지원을 받아 시장지배적인 역삼투 해수담수화 공정기술을 탈피하는 기술선도형 정삼투-역삼투 융합 기술을 개발하고자 한다. 정삼투와 역삼투 기술을 결합시켜 기존 역삼투 해수담수화 기술 대비 톤당 전력량 35% 이상 감소, 톤당 생산단가 25%를 절감하는 기술을 개발하는 것을 목표로 한다. 이를 위하여 정삼투-역삼투 융합 플랜트 엔지니어링 기술, 공정 고도화(시스템 최적화, 막오염 제어 및 예측)기술, 저에너지・고효율의 전처리 기술을 개발한다. 실험실규모에서 개발된 모든 기술은 1,000m3/day 용량의 실증 파일럿 플랜트에 적용된다.

Smart water grid is a water network with communication to save water and energy using various water resources. In smart water grid, water product from the various sources can be blended to be supplied to end-users. The product water blending was reported by literatures while feed water blending has been rarely reported so far. In this work, a commercial reverse osmosis (RO) system design software provided by a membrane manufacturer was used to elucidate the effect of feed water blending on the performance of seawater reverse osmosis (SWRO) plant. Fresh water from exisiting water resource was assumed to be blended to seawater to decrease salt concentration of the RO feed water. The feed water blending can simplify the RO system from double to single pass and decrease seawater intake amount, the unit prices of the RO system components including high pressure pump, and operation risk. Due to the increase in RO plant capacity with the feed water blending, however, the RO membrane area and total power consumption increase at higher water blending rates. Therefore, a specific benefit-cost analysis should be carried out to apply the feed water blending to SWRO plants.

This study was evaluated the applicability of the membrane filtration process (Micro Filtration (MF), nanofiltration membranes (NF), reverse osmosis (RO)) on the major radioactive substances, iodine (I-) and cesium (Cs+) using membranes produced in Korea and domestic raw water. Iodine (I-) or cesium (Cs+) in the microfiltration membrane (MF) process could not be expected removal efficiency by eliminating marginally at the combined state with colloidal and turbidity material. At the domestic raw water (lake water, turbidity 1.2 NTU, DOC 1.3 mg/L) conditions, nanofiltration membrane (NF) and reverse osmosis (RO) showed a high removal rate of about 88 ~ 99% for iodine (I-) and cesium (Cs+) and likely to be an alternative process for the removal of radioactive material.

Ultrapure water (UPW) is water containing nothing but water molecule (H2O). The use of UPW is increasing in many industries such as the thermal and nuclear power plants, petrochemical plants, and semiconductor manufacturers. In order to produce UPW, several unit processes such as ion exchange, reverse osmosis (RO), ultraviolet (UV) oxidation should be efficiently arranged. In particular, RO process should remove not only ions but also low molecular weight (LMW) organic matters in UPW production system. But, the LMW organic matter removal data of RO membranes provided by manufacturers does not seem to be reasonable because they tested the removal in high concentration conditions like 1,000 ppm of isopropyl alcohol (IPA, MW=60.1). In this study, bench-scale experiments were carried out using 4-inches RO modules. IPA was used as a model LMW organic matter with low concentration conditions less than 1 ppm as total organic carbon (TOC). As a result, the IPA removal data by manufacturers turned out to be trustable because the effect of feed concentration on the IPA removal was negligble while the IPA removal efficiency became higher at higher permeate flux.

기존의 폴리아마이드 박막 역삼투 복합막(PA TFC RO Membrane)은 우수한 분리투과특성을 지니고 있으나 내염소성이 상대적으로 낮은 단점을 지니고 있다. 본 연구에서는 이를 해결하기 위하여 표면에 -OH나 -COOH 기가 도입된 다공성 지지체를 제조하고, 그 표면에 폴리아마이드 박막을 형성하여 역삼투 복합막을 제조하였다. 제조된 역삼투막의 구조 및 분리투과 특성은 여러 가지 기기분석 방법과 투과테스트 방법으로 분석하였다. 폴리아마이드 박막을 제조하기 위하여 아민계 단량체로는 메타-페닐렌 디아민(MPD)과 2,6-디아민 톨루엔(2,6-DAT)을 사용하였고, 디엑시드계 단량체로는 트리-메소일 클로라이드(TMC)를 사용하였다. 제조된 복합막의 투과도는 800 psi에서 약 1.0 m3/m2day 이상이었으며 이때 염배제율은 99.0% 이상이었다. 내염소성도 친수성기가 없는 폴리설폰 지지체를 사용한 복합막에 비하여 우수한 것으로 나타났다.

본 연구는 상용화된 방향족 폴리아미드 역삼투막에 diphenylamine (DPA)을 표면개질 시킴으로써 내염소성과 내오염성이 향상된 역삼투 복합막을 제조하고 최적화시키는 방법에 대해서 연구하였다. 역삼투막의 내염소성과 내오염성을 증가시키기 위해 반응성이 뛰어난 아민(amine)기를 가지고 있고 열적 화학적 안정성이 뛰어난 페닐기 2개가 있는 DPA를 사용하였고, 개질 온도와 시약 농도를 변화시켜가며 개질 조건을 최적화시켰다. XPS, AFM 그리고 contact angle을 이용하여 역삼투막의 표면 개질을 통한 표면 특성 변화를 확인하였으며 역삼투막의 투과성능 평가 결과 역삼투막의 내염소성과 내오염성이 향상된 역삼투 분리막을 제조하였다.

폴리아마이드 역삼투막 표면에 음이온 수용성 고분자인 poly(vinyl amine)(PVAm)을 코팅한 후 오염물질인 bovine serum albumin (BSA), humic acid (HA), sodium alginate (SA)에 대하여 파울링 개선효과가 있는지를 알아보고자 하였다. PVAm의 코팅과 파울링 여부는 scanning electron microscopy (SEM)을 통해 관찰하였다. BSA, HA, SA 100 ppm 공급원액을 이용하여 2, 4, 8 bar로 압력을 변화시켜 투과성능실험을 수행한 결과 PVAm으로 코팅되지 않은 막과 코팅된 막 모두 압력증가에 따라 파울링 현상이 심화되었으나 PVAm으로 코팅된 막이 BSA, HA, SA의 경우 모두에서 약 30%이상 투과도가 향상되어 파울링 개선효과가 나타나는 것을 확인할 수 있었다. HA > SA > BSA의 순으로 파울링 개선효과가 나타났으며 HA의 경우 가장 두드러지게 나타났다.

본 연구에서는 폴리아마이드 역삼투 복합막 표면에 중성 친수성 고분자인 poly (vinyl alcohol) (PVA)를 코팅한 후 모델 오염물질인 bovine serum albumin (BSA), humic acid (HA), sodium alginate (SA)에 대하여 파울링 개선 효과가 있는지를 알아보고자 하였다. 고분자의 파울링 유도를 위해 모델 오염물질인 BSA, HA, SA 등이 100 ppm으로 용해된 공급원액을 2, 4, 8 atm 조건에서 PVA 코팅된 막과 코팅되지 않은 막에 대하여 파울링 실험을 수행한 결과. 압력이 증가함에 모든 오염물질에 대해서 파울링은 심화되었다. 파울링 심화 현상은 BSA > HA > SA의 순으로 일어났으며, PVA가 코팅된 막에 대해 파울링 개선효과는 HA > BSA > SA의 순으로 나타났다. 전자현미경 사진 결과에서도 같은 경향을 보여주고 있다. 결국, PVA가 코팅된 역삼투막은 어느 경우에서나 파울링 개선효과는 뚜렷하게 있었으며 HA의 경우에서 가장 두드러졌다.

본 연구에서는 셀룰로오스 트리아세테이트(CTA)를 사용한 loose RO 중공사 막이 상전환 법으로 제조되었고 이들의 수처리 특성이 평가되었다. 1,4-dioxane과 리튬클로라이드(LiCl)는 각각 스킨층 형성제와 기공 형성제로 사용되었다. 제조된 CTA 중공사막의 특성을 알아보기 위하여 전자주사현미경을 통하여 모폴로지를 관찰하였고, 수투과도 및 염 제거율, 내염소성 테스트, 그리고 분획분자량을 측정하였다. CTA/NMP/1,4-dioxane = 18/72/10 (wt%) 에어갭 30 cm의 중공사 분리막의 경우 20.5 L/m2hr의 수투과도와 60%의 염 제거율, NaOCl 10,000 ppm/hr의 내염소성 및 약 5,000 Da값의 MWCO를 나타내는 우수한 특성의 loose RO 막이 제조되었다.

2009년 1월 3일부터 12월 1일까지 11개월간 공업용수를 주변지역에 공급하는 A정수장 응집침전조의 상등수를 대상으로 실험을 진행한 본 연구는 RO막 전처리 장치로서의 압력식 섬유여과기인 PCF 여과기 2대를 직렬연결한 공정의 적용 가능성을 평가한 것이다. 성능평가는 SDI (Silt Density Index)를 통해 간접적으로 RO막에 대한 전처리 성능을 평가하였다. 실험 기간 동안 PCF Filter로 유입된 원수의 탁도는 평균 0.79 (0.28~4.01) NTU이었으며, 처리수의 탁도는 평균 0.16(0.04~0.50) NTU로 탁도 제거효율은 평균 77%이었다. 일일 평균 처리유량은 약 230 ㎥/day고 평균 역세유량은 8.7 ㎥/day로 평균 역세수량은 3.8%로 나타났다. 여과수의 탁도 및 SDI 값은 측정 전 보관시간에 따라 증가하는데 이번 실험에서 몇몇 시료는 1~11일 동안 보관한 후 탁도 및 SDI가 측정되었으며, 이들 전체의 평균 SDI 값은 3.6 (2.26~5.00)으로 RO 제조업체에서 RO의 수명보증을 위해 통상 요구하는 SDI 값인 5.0 이하를 나타내었다. 따라서 RO 전처리공정의 SDI 측면에서 2단 섬유여과 공정이 적합함을 알 수 있었다.

지하수 중의 바나듐 및 실리카의 농축에 적합한 막을 선정하기 위하여 2종류의 나노여과 막모듈(NE2540-90, NF90-2540)과 3종류의 역삼투 막모듈(BW30-2540, RE2540-TE 및 XLE-2540)에 대한 투과선속과 배제율을 측정하였다. 투과선속과 배제율에 대한 실험 결과 본 연구에 사용된 나노여과 막모듈과 역삼투 막모듈 중에서 NE2540-90 막모듈이 바나듐과 실리카의 농축에 가장 적합하였다. NE2540-90 막모듈을 사용하여 막간차압을 8 kgf/cm2로 하였을 때, 바나듐 및 실리카의 배제율은 각각 98.2% 및 99.0%이였고, 알루미늄, 크롬, 철, 붕소, 스트론튬 및 바륨에 대한 배제율은 각각 92.0%, 83.6%, 96.0%, 45.1%, 98.6% 및 69.5%이였다. 서귀포지역 지하수를 각각 회수율 15%로 6단 처리하였을 때, 바나듐과 실리카 함량은 각각 148.9 μg/L 및 85.8 mg/L로 농축되었다. 나노여과 공정에 의한 농축수는 고농도의 바나듐과 실리카를 함유하고 있어 기능성음료로의 상품개발이 가능할 것으로 판단된다.

본 연구는 SDI (Silt Density Index)를 통해 RO막 전처리 장치로서의 섬유여과기 적용 가능성을 평가한 것이다. 실험 대상 원수는 탁도가 0.76∼1.6 NTU인 하수처리장 방류수와 탁도가 2.2∼3.3 NTU인 해수 및 탁도가 100 NTU인 지표수이었다. 2단 섬유여과기 공정의 최종여과수인 2차 여과수의 탁도는 17% PAC 10∼30 ppm주입 시 0.07∼0.25 NTU였으며 SDI는 1.4∼2.8이었다. 하수처리장 방류수에 대해 2단 섬유여과기 pilot 여과수와 실험실 규모의 MF, UF평막 여과수의 탁도 및 SDI15를 측정하여 비교한 결과, 여과수 수질은 2단 섬유여과기 > MF > UF순으로 약간 향상하였으며, SDI15 차이는 0.7∼1.0 수준으로 크지 않았다. 따라서 2단 섬유여과 공정을 RO막 전처리 공정으로 사용할 경우 통상의 RO막 제조사가 요구하는 SDI15 5 이하를 충분히 만족시킬 수 있을 것으로 판단된다.