정삼투(FO) 공정은 역삼투(RO)와 비교할 때, 고압 장치가 필요하지 않고, 막오염 가능성이 낮다고 보고되었다. 반면, 아직 적절한 유도용질이 부재하고, 유도용질의 분리에 사용되는 에너지가 높아 이에 대한 해결이 필요한 실정이다. 또한, 높은 투과성과 낮은 염투과도를 보이는 FO 전용막 및 모듈 개발이 완성되지 않아 시스템 구성 및 최적화가 요원한 실정이다. 본 강연에서는 FO와 관련된 한계들을 살펴보고, 이의 극복을 위해 현재까지 진행된 극복방안을 제시하고자 한다. 아울러 FO 공정이 가지는 장점중 하나인 막오염과 세정에 관련된 본 연구실의 결과를 소개한다.

정삼투와 압력지연삼투 공정에서 용매의 투과율은 용매와 막이 접촉하는 방식에 의존한다. 각각의 공정에서 막의 활성층이 고농도 용매와 접촉하는 경우를 압력지연삼투 방식이라 하고, 고농도 용매가 막의 다공성 지지하층과 직면해 있는 경우를 정삼투 방식이라고 한다. 압력지연삼투 방식과 정삼투 방식은 각각 희석형 그리고 농축형의 내부농도 분극 현상을 유발하는데, 동일한 조작 조건에서 정삼투 방식보다 압력지연삼투 방식이 높은 투과율을 나타내는 현상이 실험적으로 관측되었다. 본고에서는 정삼투방식과 압력지연삼투 방식에서 발생하는 본질적인 투과율 불균형을 수학적 귀류법을 이용하여 증명하고, 물리적인 원인을 규명한다.

Forward osmosis (FO) is an emerging technology to produce clean water with low energy consumption. The key elements in FO are a water-permeable membrane, and a draw solution inducing an osmotic pressure difference across the membrane. A desirable draw solution should result in a high osmotic pressure difference,together with an internal concentration polarization as low as possible.The draw solution should also have a very low toxicity,particularlywhen usedin drinking water purification. Furthermore, it is important to be easily recovered from a feed solution after FO operation for a certain period time. The multiple requirements make it difficult to develop an effective draw solution. In the present study, thermally and pH-sensitive oligomeric mixtures are used as potential draw solutions for FO system.

최근 셰일가스전 산업이 발전함에 따라 시추 용수 공급 및 폐수처리가 셰일가스전 개발의 중요한 과제로 부각되고 있다. 셰일가스전 폐수는 총용존고형물의 농도가 10에서 200g/L로 높아 기존의 폐수처리 공정으로 처리하기에는 어려움이 있다. 본 연구에서는 정삼투막을 이용하여 셰일가스전 폐수를 농축하는 공정을 다루고 있다. 260g/L의 NaCl을 유도용액으로 사용하고, 폐수 및 유도용액의 농도 변화에 따른 정삼투막의 플럭스를 측정하였다. 정삼투막 내,외부 농도 분극 현상을 감안한 모델식은 실측된 정삼투 플럭스와 유사함을 확인하였으며, 이를 바탕으로 정삼투 모듈의 성능을 예측하였다. 정삼투 공정은 유도용액을 희석시켜 시추 용수로 재이용하며, 발생폐수의 부피를 줄여 폐수 운반비용을 줄이는 효과를 얻을 수 있다.

단일막이 가지는 저유량 한계성과 복합막이 가지는 용질 역확산 현상을 완화하기 위한 방법으로 지지층 내 금속 착물이 균일하게 정착된 PSF 고분자 지지층을 제조하였다. 부직포의 두께와 밀도를 조절하였으며 지지층 제조법 최적화 이후 Fe(II)-chelate 착물을 포함하는 정삼투 분리막을 제조하였다. 지지층 제조방법에 있어 고분자의 부직포 함침 속도 조절이 정삼투 분리막 지지층의 구조결정에 가장 중요한 역할을 함을 볼 수 있었다. 고분자의 상 전이 과정에 있어서 금속 착물과 같은 극성물질의 존재가 용매 -비용매 치환 속도에 영향을 주어 지지층 구조 조절을 유도하였으며 그 결과, 용질 역확산이 약 0.07 - 0.11 GMH의 값을 가지는 높은 제거효율의 FO막을 제조할 수 있었다.

본 연구에서는 PEI 를 정삼투 공정에 유도용질로 사용하였으며, PEI를 유도용질로 사용하였을 때의 성능을 분자량과 외부 pH 조건 (pH 3 ~11) 관점 에서 분석하였다. PEI가 분리막 표면에서 어떤 메커니즘으로 걸러지고 투과되는지 조사하기 위해, pH 3~11 조건에서 유도 용액의 삼투질 농도, 평균 크기, 점도, 제타전위로 나누어서 설명하였다. 정삼투 성능은 중성 조건에서 다른 pH에 비해 비교적 높은 수투과도 및 낮은 reverse salt flux를 보였으며, 나노여과막을 이용한 유도용질 회수를 위한 염 제거율은 염화 나트륨및 황산 마그네슘에 비해 PEI가 높은 값을 보여주었으며, 이 결과를 바탕으로 PEI가 수처리를 위한 정삼투 및 나노여과 공정에서 유도용질로 사용 가능성을 보여주었다.

정삼투 공정은 반투과성 막 양단의 농도차로 인한 삼투압을 사용하여 물을 투과시키고, 후처리공정을 통하여 유도용액을 분리하는 공정으로, 최근 제약, 음료, 고농도 폐수처리 등에 사용되고 있다. 정삼투막 공정은 역삼투막 공정과 같은 물리적 압력이 없어 막오염이 낮고, 형성된 막오염층도 쉽게 제거가 가능한 것으로 알려져 있다. 그러나 현재까지 정삼투 공정의 원수에 포함된 다양한 막오염 원인물질과 운전요인에 따른 정삼투 공정의 막오염 기작에 대한 연구는 드믄 실정이다. 본 연구에서는 현재까지 정삼투 공정에서의 다양한 막오염 원인물질의 막오염 경향 및 기작에 관련되어 수행된 연구결과을 정리하고, 최근 진행된 연구결과와 역삼투 공정에서 얻어진 결과를 종합하여 정삼투 막오염 기작에 대한 결과를 보고하고자 한다.

인구의 급속한 증가, 한정된 식수 자원의 오염 등으로 인하여 인류에게 필수적인 물이 점점 부족해지고 있다. 깨끗한 물을 얻기 위해 분리막 공정을 이용한 수처리 방식이 널리 사용되고 있으며, 분리막 공정 중 하나인 정삼투 공정은 고압펌프 없이 구동이 가능하다. 정삼투 공정이 높은 수투과도를 가지기 위해서는 내부 농도 분극 현상 및 Reverse salt flux를 적게 일으키는 유도 용질 개발이 필요하며, 희석된 유도 용액에 포함된 유도 용질의 경제적인 회수 방법 개발 또한 필요하다. 현재까지는 60°C 가량에서 회수가 가능한 NaHCO3와 같은 무기 유도 용질, 음료수 생산이 가능한 sucrose와 같은 유기 유도용질, 자기장을 이용해 회수가 가능한 magnetic nanoparticle과 같은 유도 용질들이 개발되어 보고되었다. 또한, 이러한 정삼투 원리를 이용하여 해수 담수, 폐수처리, 단백질 정제, 압력 지연 삼투 이용한 에너지 생산, 관개를 위한 농축된 비료 희석,바이오 연료를 위해 폐수로부터 조류를 키우는 공정과 같은 분야에 적용될 수 있다. 본 논문에서는 정삼투 공정에 영향을 주는 유도용액의 특성과 이상적인 조건, 여러 가지 유도 용질 및 유도용질의 회수 방법, 정삼투 공정의 적용 분야를 여러 논문내용들을 바탕으로 정리하였다.

폴리에스터(polyester) 부직포 상에 폴리술폰(polysulfone) 고분자 지지체를 만든 후, 그 표면에 폴리아미드 복합 박 막을 형성시킴으로써 정삼투(FO) 공정에 적합한 분리막을 제조하였다. PSF 지지체는 19 중량%의 함량으로 디메틸 포름아미 드(DMF)에 균일하게 용해된 폴리술폰 용액을 상 전이 공정을 통하여 제조되었으며, 기계적 보강재로 100 μm의 두께를 가지 는 폴리에스터 부직포를 사용하였다. 19 중량%의 PSF/DMF 용액으로 제조된 PSF 지지층은 sponge-like구조를 가지는 비대칭 내부 구조를 나타내었다. 정삼투(FO) 공정에서 내부의 농도 분극을 줄이기 위하여, 20 μm의 얇은 부직포 보강층을 가지는 지 지체 상에 9~19 중량%의 PSF/DMF 용액으로 PSF 지지체를 제조하였다. 이들 얇은 부직포 보강층에서 제조된 지지층들은 공 극률이 향상된 sponge-like구조를 가지는 것을 확인할 수 있었다. 각각의 지지층들 표면에 방향족 폴리아미드 가교 반응을 통 하여 복합 박막을 얻을 수 있었다. FO 운전 결과, 12 중량%의 DMF/PSF 용액으로 제조한 지지체를 가지는 복합 박막이 가장 우수한 투과 성능을 보여 주었다. 이 경우 4.5 LMH의 유량과 3.47 GMH의 염의 역확산 속도를 가지는 역삼투 분리막에 사용 되는 두꺼운 부직포에 비해 약 2.5배 유량이 많은 24.3 LMH의 유량과 1.5 GMH의 염의 역확산 속도를 보여주고 있다. 부직포 의 두께 저하와 이에 적합한 PSF 캐스팅 용액의 최적화를 통하여 부직포와 PSF층의 경계면 공극률을 향상시킬 수 있었다.

유도용액으로 비료를 사용하는 정삼투식 해수담수화에서 유도용액의 성능을 평가하였다. 일반적으로 많이 사용되는 비료 중에서 삼투압, 용해도 및 pH 등을 고려하여 NH4NO3, NH4H2PO4, (NH4)2HPO4, KCl, KNO3 및 KHCO3를 유도용액 후보군으로 선정하였다. 수투과선속, 질소와 인의 역용질선속 및 비역용질선속을 측정하여 유도용액의 성능을 평가하였다. KCl은 본 연구에서 선정된 유도용액 중에서 가장 높은 수투과선속을 나타낸 반면에 (NH4)2HPO4는 가장 낮은 수투과선속을 나타내었다. NH4H2PO4가 가장 낮은 역용질선속 및 비역용질선속을 보였으며, (NH4)2HPO4 ＜ KNO3 ＜ NH4NO3의 순서로 역용질선속 및 비역용질선속이 증가하였다. NH4H2PO4는 비록 다른 유도물질에 비해 수투과선속이 낮으나 비료의 주요 성분인 질소와 인을 모두 포함하고 있을 뿐만 아니라 질소와 인의 역용질선속 및 비역용질선속이 다른 유도물질에 비해 매우 낮으므로 FDFO (fertilizer drawn forward osmosis)에서 효과적으로 사용될 수 있을 것으로 판단된다.

본 연구에서는 셀룰로오즈 아세테이트(Cellulose acetate)를 이용하여 정삼투막을 제조하였으며 분리막 성능평가를 진행하였다. 분리막의 염제거율과 정삼투 공정에서의 투과성능 변화의 상관관계를 규명하기 위해 각기 다른 염제거율을 가지는 분리막을 제조하고 정삼투 장치를 이용하여 막 투과 성능을 평가하였다. 분리막의 구조가 정삼투 투과성능에 미치는 영향을 알아보기 위해 각기 다른 용매를 이용하여 분리막을 제조하였다. 또한 제조된 분리막의 구조는 주사전자현미경(scanningelectron microscopy)을 통해서 확인하였으며 정삼투 장치 운전을 통해 투과성능 변화를 알아보았다.

혼합 비료를 유도용액으로 하는 정삼투식 해수담수화에서 담수화 성능에 대한 유도용액 농도의 영향을 조사하였 다. 혼합비료용액(DS)의 농도가 증가함에 따라 수투과선속은 거의 선형적으로 증가하였으나, PR (performance ratio)은 감소 하였다. 또한 혼합비료용액의 농도가 600 g/L일 때, 해수 및 탈이온수를 각각 공급용액으로 하였을 경우 각각의 PR은 5.39 및 6.50이었다. 혼합비료용액의 농도가 증가함에 따라 N, P 및 K의 역용질선속은 거의 선형적으로 증가하였으나, 비역용질선 속은 감소하였다. 역용질선속과 비역용질선속은 모두 질소(N) > 칼륨(K) > 인(P) 순으로 높게 나타났다.

본 연구의 목적은 각기 다른 특성을 갖는 지지체에 따른 정삼투막의 성능을 비교 빛 평가하는 것이다. 계변 중합을 통하여 소수성 지지체인 폴리술폰(PSf)과 상대적으로 친수성 지지체인 폴리에테르술폰(PES)의 표변에 폴리아미드 활성층을 갖는 정삼투막을 제조하여 투과유량과 역확산을 비교하였다. PSf 정삼투막과 PES 정삼투막의 투과유량은 4.36 L/m2hr와 17.8 L/m2hr으로 PES를 지지체로 하는 정삼투막이 투과성능이 더 우수함을 알 수 있었으며, 이를 통해 지지체의 친수성과 정삼투 공정에서의 투과성능 간에 관련성이 존재함을 확인할 수 있었다. 또한 막의 두께가 앓아질수록 정삼투 공정에서 막의 투과유량은 증가하였다.

본 연구의 목적은 다양한 셀룰로오스 계 고분자를 이용한 정삼투(FO) 막을 제조하고 각각의 고분자 및 첨가제에 따른 성능의 차이를 평가하는 것이다. 셀룰로오스 아세테이트(CA)와 셀룰로오스 트리아세테이트(CTA)를 기반으로 상전환법을 통하여 정삼투막을 제조하고 가압조건과 정삼투 조건하에서 투과유량 및 염제거율을 비교하였다. CA 정삼투막은 용매의 증발 및 annealing 수행 시간에 따라 막의 성능의 변화가 발생하였으며, CTA 정삼투막의 경우에는 annealing보다는 첨가제를 활용하여 성능의 향상을 이끌어낼 수 있었다. 또한 CTA 정삼투막의 정삼투 투과유량은 4.46 L/m2hr였으나 CA/CTA 정삼투막의 경우에는 8.89 L/m2hr로, 단일 고분자를 사용하기 보다는 CTA에 CA를 혼합하여 막을 제조하는 것이 정삼투 투과유량 증가에 보다 효율적이었다.