국내에서 생산되는 바이오가스는 경제적 가치를 창출하지 못하고 있어 활용 방안 확대를 위한 고효율의 바이오가스 정제 및 메탄 농축시스템 개발이 필요한 상황이다. 본 연구에서는 바이오매스 기반의 바이오가스를 도시가스로 공급하기 위한 최적의 정제 및 메탄 농축시스템 개발을 목적으로 하였다. 농축 공법으로는 멤브레인 공법이 최적의 결과를 도출하였고 다단 멤브레인 공법별 비교분석을 통하여 상황별 최적의 시스템을 개발하였다.

Membrane-based separations provide significant advantages over the conventional thermally-driven separation process such as distillation since they require small footprints as well as less energy.1[] Polymeric membranes, most widely used for a variety of industrial gas separations, suffer from the limitation of separation performance, so-called the upper-bound limit due to their inherent drawbacks.2[] This presentation will introduce advanced membranes including mixed matrix membranes and ladder-structured polysilsesquioxanes, recently developed in our group to overcome the current limit of the separation performance of polymeric membranes.

수처리 분야에서 분리막은 MBR(membranebioreactor), RO(reverse osmosis), NF (nanofiltration) 등의 공정에서 활발히 사용되고 있다. 그러나 분리막을 이용한 공정에서 가장 큰 문제점 중에 하나인 막오염 현상은 여전히 풀어야 할 문제로 남아있다. 본 연구에서는 막오염 현상을 완화시키기 위해 분리막의 표면에 다양한 모양의 패턴을 도입하였다. 이후 제조한 패턴형 분리막을 이용하여 교차형흐름 반응조에서 미생물의 부착 정도를 평가 해본 결과 패턴형 분리막에서 확연한 막오염 저감 효과를 확인하였다. 또한 패턴형 분리막에서의 막오염 저감메커니즘을 CFD를 이용해 해석해보았다.

최근 수처리 기술수준의 한계를 극복하기 위한 새로운 대안으로 나노 기술과 수처리 기술의 융합이 부각되고 있으며, 특히 분리막 분야에서는 나노 기술 접목이 담수화 이외에도 하수재이용, 폐수처리, 에너지 생산 등 다양한 분야에 적용이 가능할 것으로 예측되고 있다. 기존 분리막 소재에 활용 가능한 나노소재로는 탄소계 나노소재와 금속계 나노소재가 후보군으로 연구가 진행 중에 있다. 나노소재의 경우 소재 자체가 가지는 물리화학적 특성으로 분리막의 기계적 특성, 표면전하, 친수성도 등의 변화를 기대할 수 있다. 따라서 높은 기능성을 갖는 나노소재 기반 분리막 기술의 개발은 기존 수처리 기술의 문제 해결 및 나노 기술과 환경 기술의 융·복합 연구에 대한 새로운 패러다임을 제시할 수 있을 것으로 기대된다.

Membrane bioreactor (MBR) and reverse osmosis (RO) process have attracted much attention in the field of wastewater treatment and desalination, respectively. However, MBR has membrane fouling which is the major obstacle in maximizing their efficiency. Also, for the RO process, low energy efficiency still remains unanswered in RO process. In this study, it is demonstrated that the application of graphene oxide (GO) to membrane fabrication can be a novel strategy to overcome the residual problems. In detail, GO was applied to fabrication of polysulfone ultrafiltration membrane for improving anti-biofouling capability of membrane. Furthermore, addition of GO enhanced mechanical strength of highly porous support layer, which enabled the thin-film composite RO membrane to have 1.6 to 4 times higher water flux compared to other RO membranes.

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.

FO-RO 공정은 해수담수화와 하수재이용 기술이 통합된 방법으로 높은 수질과 낮은 막오염이 장점이나 실제 하수2차처리수(SWWE) 조건에서 정량적 평가는 이루어지지 않았다. 본 연구에서는 FO-RO 공정의 막오염 제어와 높은 수질을 실제 SWWE를 이용하여 검증하였다. RO의 막오염이 감소된 것을 막오염지수(SDI)를 이용하여 정량적으로 평가한 결과 SWWE를 해수에 직접 혼합하거나 MF로 전처리 후 혼합하는 조건은 SDI 5이상 이였으나 FO로 처리한 삼투희석 조건만이 SDI 1.2로 RO의 운전 가이드라인(SDI<3)을 만족하였다. 이때 막오염 층은 물리적 세척만으로 제거가 되었다. 또한, 최종 처리수가 먹는물 수질기준 59개 항목을 모두 만족함으로써 음용수(DPR)로의 적용 확대 가능성을 확인하였다.

역삼투법 해수담수화 기술은 에너지 소모 및 농축수 처리 문제로 인하여 기술 활용의 보급에 제한이 있는 실정이다. 해수·하수를 유도용액과 원수로써 사용하는 정·역삼투 융합공정은 별도의 유도용액이 필요하지 않으며 희석된 해수가 역삼투 공정의 원수로써 사용되기 때문에 일반적인 역삼투법 해수담수화 기술보다 낮은 압력에서 운전된다. 또한 역삼투 공정 후단에 정삼투 공정을 추가시킴으로써 농축수를 희석시킬 수 있으며 이로써 농축수 배출로 인한 문제점을 최소화 시킬 수 있다. 현재 국외에서는 Modern water, Porifera사 주도로 정삼투 모듈 개발 및 실용플랜트 개발이 이루어지고 있으며, 국내의 경우 FOHC 연구단에서 해당 공정의 기본 메커니즘 및 실용화에 관한 연구가 이루어지고 있다.

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.

기존 대상 원수를 전처리(응집, 침전, 압력식여과 장치)한 후 역삼투공정을 거쳐 순수정도의 처리수가 생산되어지는데 최근 기존 전처리 공정을 MF분리막을 이용하여 처리수의 수질을 더욱 양호하게 하여 운전효율을 높이고 있다. 도레이에서는 전처리용 MF분리막의 효율을 더욱 개선된 분리막을 연구 개발하였다. 기존 MF분리막 대비 제조법을 달리하여 물리적강도를 증가시키고, 공칭공경을 더욱 작게 하고 투과도를 높여 내오염성을 유지하며 물생산량은 큰 차이 없이 제조하였으며 특히 이러한 장점을 통해 사용기간 동안 경제성을 높일 수 있었다. 본 발표내용을 통해 이러한 내용을 파이롯트 및 실제 현장에 적용된 사례를 통해 확인해 보고자 한다.

물 부족 국가인 우리나라는 수처리 분야에서 전반적으로 지속적인 발전을 하고 있으며, 특히 정수처리의 제반 환경은 끊임없이 변화 및 개선되고 있다. 막여과 고도정수처리공정은 지금까지 개발된 어떠한 정수처리공정보다도 수질의 신뢰성이 높고, 자동화운전의 가능, 부지면적과 화학약품을 줄일 수 있어 21C형 환경 친화적인 공정으로 각광을 받고 있다. 본 시설은 일일 2.5만톤 생산수량으로 2010년 9월부터 시운전을 실시하여 운영조건별(생산수량별, 에너지 최소화, 약품 사용량 절감 등) 최적화 및 운영평가를 수행하고 있다. 설계 및 시공 및 운영기술에 이르기까지 순수 국산 기술을 이용해 엔지니어링 기술을 확보하고 있으며 본 연구에서는 그간 장기운영 자료를 분석 및 평가하고자 한다.

대부분의 마을 급수 시설의 오염원은 수질 항목의 일부분만이 기준치를 초과하고 있는 실정이므로, 이에 따라 각 오염원에 부합되는 정수처리 공정을 모듈별로 공정화 하여 효율적으로 대처하고자 연구를 진행 하였다. 흡착 모듈의 경우 흡착 메카니즘을 통한 기능성 여재를 적용 중금속을 제거하며, 이온교환모듈은 수지를 통해 이온성 물질을 제거. 막 모듈은Membrane을 채용, 부유물질 등을 제거한다. 소독 모듈은 염소 및 자외선을 통해 세균류를 제거한다. 이러한 설비를 조합하여 사용, 급수시설에서 발생하는 오염물질을 선택적으로 대처한다. 상기 연구 결과를 바탕으로 소규모 마을 급수 시설 혹은 마을 상수도에 모듈별 정수장치를 적용하여, 노후 시설 및 낙후된 지역의 물 복지 실현에 한 단계 앞서 갈 것으로 사료 된다.

포항시 하수처리수 재이용 시설은 UF-RO 공정을 통해서 일 10만 톤의 재이용수를 생산하여 철강 산업단지에 공급하는 시설로서 2014년 8월부터 운영 중이며, 2020년 기준 포항시에서 예상되는 물 부족량의 45%를 충당할 것으로 예상한다. 본 시설의 전처리 공정은 침지형 UF 막으로, 회수율 95%, Flux 25.7 L/m²-h로 운영되며, 역삼투 분리막은 회수율 80%, Flux 20 L/m²-h로 운영된다. 농축수 25,000톤 중 9,000톤은 생물 막 여과를 통해 처리되어 방류되며, 16,000톤은 하수처리장으로 반송된다. 본 연구에서는 하수처리수 재이용 시설의 분리막 오염 특성에 대해서 살펴보고 운전 자료를 바탕으로 안정적인 실시간 운영을 위한 공정 구성 및 운전 방법에 대해 검토하였다.

이산화탄소는 지구온난화에 미치는 악영향은 낮지만 온실가스의 80% 이상을 차지하고 있으며 규제 가능한 기체이기 때문에 전 세계가 주목하고 있다. 온실가스 감축을 위해 세계적으로 다양한 노력이 이뤄지고 있는 가운데, CCS 기술은 가장 유효하고 효율적인 기술로 알려져 있어 많은 선진국들이 CCS 기술개발에 투자와 연구를 집중하고 있다. CCS 기술 중 이산화탄소 포집 기술은 전체의 70~80%를 차지하는 핵심 기술로 크게 연소 후 포집, 연소 전 포집, 순산소 연소로 분류된다. 다양한 이산화탄소 의 분리 방법 중 신기술로 주목 받는 분리막을 이용한 이산화탄소 분리에 대한 연구가 제시되고 있으며 국내외의 연구결과를 바탕으로 이산화탄소 분리막의 미래를 확인해보고자 한다.

습식흡수제를 이용한 이산화탄소 포집 공정은 재생 시 많은 에너지가 필요한 단점이 있어 에너지를 낮추기 위한 다양한 대체 기술이 개발되고 있다. 이런 연구의 일환으로 최근에 분리막과 흡수제를 혼합하는 접촉막 기술이 개발되고 있으며, 흡수제의 단점을 극복하는 연구가 진행되고 있다. 본 연구에서는 세라믹소재를 이용하여 중공사막을 제조하였고 젖음성을 제어하기 위해 소수성 코팅을 한 중공사막을 개발하였다. 중공사막의 XRD, SEM, FT-IR 및 Porosimeter를 이용하여 분석하였고, 기공에 따른 CO2 분리 특성을 규명하였다.

HFCs, PFCs 및 SF6 등으로 대표되는 불화가스는 반감기가 길고 지구온난화지수(GWP)가 높아서 그 발생량에 비해 지구온난화에 미치는 영향이 상대적으로 높다. 특히 반도체/LCD 제조공정에서 발생하는 폐 PFCs는 저농도로 분리농축공정의 경우 공정 특성 상 정압제어가 가능한 기술이어야 한다. 본 연구에서는 이를 고려한 분리·농축 시스템으로 분리막시스템과 혼성시스템(분리막+흡착)을 설계, 제작하여 비교연구를 수행하였다. 그 결과, 불화가스 농축도는 분리막시스템이 혼성시스템에 비해 높았으나, 회수율은 낮았으며 혼성시스템의 경우 대체적으로 농축도는 낮은 반면, 회수율은 높은 결과를 보였다.

반도체 공정에서 에칭공정은 실리콘 기판위에 패턴된 절연층을 식각하는 공정으로 분진과 미반응 가스를 배출하며, 다량의 질소와 혼합되어 실질적으로 수 ppm으로 배출되어, 주로 Scrubber를 통하여 후처리가 수행되고 있으나, 처리효율이 저하되는 단점이 있다. 따라서 본 연구에서는 막분리 공정을 통하여 질소와 PFCs를 분리회수하는 통합시스템을 개발하여, PFCs 가스 분리,회수에 대한 평가를 수행하였으며, 회수율 95%, 농축비 1을 나타내었다.

도시 하수는 미량오염물질의 수환경 배출 주요 점오염원이며 인구증가 및 도시화로 향후 도시인근 수자원 수질에 미치는 영향이 증가할 것으로 예상된다. 규제측면에서는 그 위해성이 명확하고 대표성이 있으며 현실적 제거 목표 달성이 가능한 오염물질에 대하여 수질기준정립이 예상된다. 하수 유출수에서 미량오염물질 제거를 위한 산화 (오존, UV/H2O2), 흡착 (분말활성탄), 막분리 (NF, RO)) 세가지 공정에 대한 연구가 활발한데, 본 발표에서는 위와 같이 도시 수환경 미량오염물질 이슈와 초고도 하수 처리공정에 대해 살펴보겠다.

수환경에서 유해성 미생물을 검출하는 것은 환경미생물위해성 관리에서 가장 중요한 연구 분야 중 하나이다. 유해성 미생물 검출은 인체 병원성 세균과 항생제 내성을 지닌 세균의 검출을 포함한다. 기존의 배양방법은 배양이 잘 되지 않는 유해성 세균의 검출이 불가하므로, 최근에는 환경 유전체를 전체로 염기서열을 분석하는 de nove metagenomic sequencing 방법으로 병원성에 대한 진단을 하려는 방법에 대한 연구가 시작되고 있다. 본 연구에서는 수환경에서 유해 미생물 검출을 위해 Next Generation Sequencing 방법인 Illumina Hi-Seq으로 미생물군집유전체를 shot-gun sequencing해서 병원성과 항생제 내성에 대한 정량적인 정도 도출하는 신규 방법에 대해서 결과와 함께 토의할 것이다.

우리나라는 물 자원이 풍부하지는 않으나 수처리 시설 및 기술의 발달, 정부의 먹는 물 공급정책에 따라 상수도 보급률이 매우 높다. 그러나 2013년 상수도 통계에 따라면 아직도 농․어촌을 중심으로 상수도 보급률은 66 %수준에 그치고 있고 이런 지역은 지하수 등 자연으로부터 공급되는 물을 사용하고 있다. 지하수의 경우 매우 유용하고 우수한 수자원이지만 지질의 영향이나 농축산업의 영향으로 인해 우라늄과 같은 자연방사성 물질, 질산성 질소 등의 물질에 오염되어 있다. 이에 오염된 물질에 대한 적정한 제거기술을 도입하여 상수도 미보급 지역의 안전한 먹는 물 공급을 위한 정부 차원의 시범연구와 지원사업이 진행되고 있다. 본 발표에서는 정부와 기업이 함께 진행하고 있는 안전한 먹는 물 공급을 위한 시범 사업을 소개하고자 한다.