전 세계적으로 18억 명이 수인성 세균이 포함된 물을 마시고 있다. UN은 2016년 새천년개발목표(MDGs)의 후속으로 지속가능개발목표(SDGs)를 설정하였고 목표 6.1은 안전하고 저렴한 물의 공급이다. TAPS는 SDGs 6.1을 달성하기 위하여 분리막 기술(T), 연간 10달러로 5인 가정이 안전한 물을 사용 할 수 있는 경제성(A), 5년 이상 사용 가능하고 세척이 용이한 현실성(P), 기술이전과 현지 생산으로 지속성(S)을 확보한 해결방안이다. End-free Gravity-driven Membrane(EFGDM)은 전기나 화학약품, 숙련된 인력이 부족한 저개발국가에도 저렴한 가격에 사용할 수 있다. 본 연구에서는 TAPS 솔루션과 EFGDM, 엔드프리 막모듈의 특성과 개발에 관해 소개하고자 한다.

Forward osmosis (FO) is osmotically driven membrane processes and emerging as viable methods for producing fresh water from saline water or wastewater. The FO process is a promising and emerging low energy desalination technology and has been investigated for a wide range of applications including desalination, wastewater treatment, reverse osmosis concentrate treatment, food processing, emergency nutritious drinks, pharmaceutical industries, etc. In particular, although FO membranes have been available for over 40 years, there is still room to improve the water flux and reverse salt flux. Therefore, this presentation will initially probe various opportunities to extend potential commercialization of FO into new niches and applications, identifying key technology constraints. Then our FO membranes developed will be presented.

일상생활에서 접할 수 있는 탄산음료는 전 세계적 상업 음료 시장의 매우 큰 부분을 차지한다. 기존에 이와 같은 탄산음료를 제조하는 방식은 보통 배치형의 기계적 공정 (McCann 탄산기, 제트 믹서 등)을 통해 이루어져 왔다. 하지만 이와 같은 기계적 교반을 동반한 탄산화 공정은 연속식 운전이 어려우며 물질전달 상의 한계점이 존재한다는 단점이 있다. 본 연구에서는 이런 단점을 탈피하여 기존의 배치형 탄산화 장치를 대체할 수 있는 초소형 연속식 탄산화 장치를 할로우 파이버 시스템을 통해 제안하고자 한다. 특히 이산화탄소 기체 버블이 발생하지 않으며 물로 이산화탄소를 직접 전달할 수 있는 이와 같은 시스템은 여러 산업 분야의 응용이 가능할 것으로 예상된다.

분자수준에서 가교화된 고분자네트워크는 높은 내화학성과 비표면적을 가질 수 있다. 하지만 3차원으로 가교하기 위해서는 3개 이상의 다관능기를 가진 단량체가 사용되어야 하는데 합성 시 분자수준의 네트워크를 구성하기 전에 겔화가 되거나 침전이 발생하게 되어 높은 가교도의 고분자네트워크를 합성할 수 없다. 본 발표에서는 유기 졸-겔법을 이용하여 가교화된 고분자네트워크가 용매내에 안정하게 분산되어 있는 졸을 합성한다. 합성된 sol은 다양한 공정에 의해 나노파티클, 나노캡슐, 프리스탠딩 필름, 계층적 기공구조를 가지는 모노리스, 고분자 복합체로 가공이 가능하며 이를 이용하여 흡착제, 기체분리막 등 가스분리 응용에 적용한다.

In this study, Tröger’s Base (TB) chemistry is exploited to introduce tunable microporosity in commercially available polyimide membranes. Considering that TB is a rigid, V-shaped and bridged alicyclic amine, there have been notable reports on accessing feasibility in TB for gas separation membrane applications. However, this presentation shows a different but much viable preparation approach in comparison to the already reported ones. This approach only requires commercially available monomers with two preparation steps, thus it can accommodate scalable and practical productions. Five different kinds of homopolymers and six copolymers were explored to demonstrate structure-property-performance relationships and to evaluate practical applicability towards industrial level.

The general separation processes for liquid mixtures need the energy consumed and causes of primary cost. The pervaporation separation process could be regarded as the energy saving process[1]. In this study, it is introduced that the preferential isopropyl alcohol separation from the aqueous feed was carried out using the composite membranes according to the operating conditions, such as, the operating temperature, feed concentration etc. And the commercial scale module was prepared and tested for the long-term period, and finally the stabilized and consistent results of both permeability and selectivity were obtained.

(주)파인텍에서 개발한 제올라이트 4A 분리막을 이용하여 물/알코올의 단일및 혼합성분의 투과증발 실험을 수행하였다. 다양한 온도 및 농도 조건 실험을 통해 물/메탄올(분리계수 250 이상) 물/에탄올(3,000 이상), 물/이소프로필알코올(1,500 이상), 물/부탄올 (1,500 이상) 혼합물로 부터 물을 선택적으로 분리할 수 있음을 확인하였다. 활동도계수-퓨개시티 모형, GMS 모형 및 Dusty Gas 모형을 이용하여 단일성분 및 혼합물의 투과증발 거동을 모사하였으며, GA (Genetic Algorithm) 및 SQP (sequential quadratic programming)를 이용한 상수추정을 통하여 제올라이트 활성층의 흡착 및 확산 상수를 구하였다.

(주)파인텍에서 개발한 NaA 제올라이트는 LTA구조의 제올라이트에 Na+를 이온 교환하여 제조하였으며, Si/Al비율이 1을 갖는 강한 친수성을 나타내는 분리막이다. NaA 제올라이트 분리막은 18~20㎛의 막두께를 나타내었으며, Single tube의 막면적은 0.02㎡를 갖는 분리막을 사용하였다. 이와 같은 분리막을 사용하여 에탄올, 이소프로필알코올, 부탄올 등에 포함된 수분을 제거하기 위한 투과증발 평가를 수행하였다. 다양한 Feed 종류에 따라 동일한 분리막을 이용해 물을 선택적으로 분리할 수 있음을 확인하였다. 이 논문은 2017년도 한국연구재단 국제협력사업의 지원을 받아 연구되었음(NRF-2016K1A3A1A48954033).

본 연구에서는 바늘형 종결정 코팅 양을 조절함으로써 결정학적으로 b-축 그리고 c-축으로 배향된 모데나이트 제올라이트 분리막을 제조하고 결정학적 배향이 투과증발 에탄올 탈수 거동에 미치는 영향을 고찰하였다. c-축 방향으로 길게 자란 종결정 코팅 양이 증가할수록 b-축 방향에서 c-축 방향으로 성장된 분리막이 얻어졌고, 진화론적 성장 기구에 의해 설명되었다. 8R 단일채널을 갖는 b-축 배향된 분리막은 1000 이상의 선택도와 0.2 kg/m2h의 총 유속을 나타냈다. b-축 방향으로 배향된 분리막이 높은 선택도와 상대적으로 높은 투과도를 보이는 것은 물의 운동역학적 직경이 8R의 직경에 비하여 작기 때문에 물의 이동이 방해되지 않는 반면 에탄올은 상대적으로 방해받기 때문으로 설명되어졌다.

CO2 separation technology for carbon capture, which is one of the hot issues to reduce greenhouse gases from industrial flue gas, has been intensively investigated so far. Despite of several benefits, the membrane technology has some obstacles like large-scale module fabrication, membrane durability, need of pre-treatment or high pressure drive for its industrial application. Also, the power plant flue gas with normally 10~20% of CO2 content should be concentrated upto 99% for being compressed and liquefied to transportable CO2 by pipeline, indicating the need of high selective membrane process as well as high recovery. In this work, the possibility of membrane process for post-combustion treatment in terms of recent technology will be announced. The practically applicable process for CO2 capture also be suggested briefly.

다양한 수처리 공정에서 적용되고 있는 분리막 기술의 효율을 높이기 위해서는 무엇보다 분리막 모듈에 대한 이해를 높이고 성능 향상을 위한 기술 개발이 필요하다. 여러 가지 형태의 분리막 가운데, 단위부피당 표면적이 크고 모듈화 및 대형화에 용이하여 수처리 및 기타 분리 공정에 활용되고 있는 중공사형 분리막 모듈에 대해 중점을 맞춰 연구를 수행하였다. 기존 수처리 공정 및 해수담수화 공정 특성에 따라 다른 중공사 분리막 모듈의 구조 및 내부 흐름에 대해 분석하고, 이를 바탕으로 모듈 구조 개선 및 공정 운전 조건 최적화등을 통해 중공사 분리막 모듈 성능 향상시키기 위한 방법을 다각적으로 모색하고자 한다.

해수담수화는 지구 수자원의 97%에 해당하는 해수를 활용하기 때문에 물부족 문제를 해결할 지속가능한 대안으로 평가받고 있다. 최근에는 증발식 해수담수화 대비 에너지 소모가 낮은 분리막 방식이 널리 적용되고 있으며, 에너지 소모는 3-4 kWh/m3 정도이다. 해수담수화 플랜트 소요비용 중 운영비용이 약 35~65%를 차지하므로 해수담수화 기술의 확대 적용을 위해서는 비용 절감형 운영 기술 개발이 필수적이다. 이에 K-water에서는 ‘중동지역 맞춤형 저에너지 해수담수화플랜트 기술개발’ 과제 참여를 통해 저에너지⋅고효율 해수담수화 운영 기술을 개발하고 있으며, UAE에 구축될 1,000m3/d 규모 플랜트에 적용할 계획이다. 본 기술 적용을 통해 해수담수플랜트 연간 운영비용 증가율을 5% 이내로 유지하는 것을 목표로 한다.

인구구조 및 생활방식 등의 변화로 물 소비는 증가되고 있는 반면, 가뭄 등 기후변화로 가용수자원 여건은 악화되고 있어 안정적인 용수공급의 필요성이 증대되고 있다. 우리 정부는 물의 재이용 촉진 및 지원에 관한 법률을 제정하고 하수처리수 재이용, 중수도, 빗물이용 등 지속가능한 물 순환을 추진하며 지역적 물 부족을 해소하기 위하여 노력하고 있다. 정부는 물 재이용 관리체제를 강화하고 시설기반을 구축하는 한편 관련 산업 육성과 전문인력 양성을 위해 노력해 왔다. 하지만 국내 물 재이용은 여러 가지 정책⋅재정⋅기술적 한계로 인해 계획대비 더디게 진행되고 있어 물 재이용 방향성의 재정립이 필요하다. 이에 본 발표를 통해 물재이용의 방향에 대하여 하수처리수 재이용을 중심으로 제언하고자 한다.

포항시의 재이용시설은 시설용량 100천m3/일로 전처리시설(UF), RO 여과시설, 폐수처리시설로 구성되어 있다. 총운영비(20년)는 181,992백만원(09년)으로 전력비 35.9%, 막 교체비 22.2%, 대수선비 14.1%, 약품비 13.7%, 인건비/제경비 8.5%, 경상수선비 3.6%, 보험료 2.0%로 구성되며, 지난 3년 동안 운영비 집행현황은 전력비 42.4%, 약품비 14.6%를 차지하였다. 원가관리 방향은 전력비 절감(전력 거래시장 참여, 전기요금 단가 차이를 이용한 부하 변동 운전, ESS 도입 및 운영)과 UF/RO 막 관리(세정력을 극대화하는 약품 및 세정, 내오염성 및 염제거 성능이 탁월한 RO 막의 선정)등을 설정, 실행하고 있다.

본 사례는 최근 준공된 “구미하수처리장 하수처리수를 이용한 재이용시설”에 대한 것으로 이 시설은 구미하수처리장의 2차 처리수를 원수로, 응집침전시설, 전처리시설, 주처리시설과 재이용수 공급시설로 구성되어 있으며, 설비의 성능 확인을 위한 시운전을 완료하였다. 주처리시설로는 역삼투막(RO Membrane)을 적용하였으며, 하수처리수 내 잔류물질로 인한 역삼투막 성능저하방지와 수요처의 요구수질 충족을 위해 활성탄 주입을 포함한 응집침전공정과 정밀여과막(Micro Filter)을 전처리시설로 구성하였다. 사업 초기단계에 현재 시공된 것과 동일한 공정으로 구성된 Pilot Plant를 건설, 운영하여, 반영된 각 단계별 공정의 적정성과 주요 설계 인자를 확인하였으며, 일부 확인된 개선 사항은 실시설계시 반영하였다.

산업 발전에 따른 물 사용량과 폐수 배출량의 증가로 환경오염에 대한 사회적 인식과 제도적 개선에 대한 관심이 높게 부각되고 있으며, 기후 변화로 가뭄 빈발과 지역적 물 부족 문제를 해결하기 위한 대안으로 물 재이용 시스템 공급을 활성화시키는 것이다. 해당 사업장내 하(폐)수의 재이용 시스템 도입에 대한 제반 여건은 기술적으로는 상당 수준으로 정착되고 있으나 물 재이용 시스템에서 발생되는 오염원 배출에 대해서는 여전히 환경 보전 및 수자원 보호 등의 사회적 책임과 기술적 한계로 인하여 물 재이용 시스템 활성화에 난항을 겪고 있다. 이에 발생 폐수를 당해 사업장안에서 재이용하고 오염원은 고형화하여 외부 처리하는 폐수 무방류 배출시설의 도입에 대해 실적 사례 소개와 하수 재이용 시스템과의 연계성에 대해 소개하고자 한다.

Saline water electrolysis (SWE) is an electrochemical technology to directly generate valued chemicals such as chlorine gas (Cl2), hydrogen (H2), and sodium hydroxide (NaOH) by applying electric energy. The key materials in SWE are cation exchange membranes with high selectivity to sodium ions under chemically harsh SWE conditions. The representative SWE membranes are perfluorinated double layered membranes composed of perfluorinated sulfonic acid layer and carboxylic acid layer to transport sodium ions rapidly and to prevent the passage of hydroxide ions, respectively. The commercially available membranes are, however, suffering from delamination issues occurring in their interface. In this presentation, delamination-free membrane fabrication processes will be addressed.

신재생 에너지의 확대를 위한 대용량 에너지 저장장치로서 레독스 흐름전지 기술의 중요성이 부각되고 있다. 레독스 흐름전지는 양극 및 음극 전해액을 셀에 순환시켜 전해액에 용해되어 있는 활물질의 산화 및 환원 반응을 유도시키는 전지로서 전지의 효율 및 수명 확보를 위해서 양쪽 전해액을 분리시켜 주며 이온전달을 일으킬 수 있는 멤브레인의 사용이 필수적이다. 그러나 기존 레독스 흐름전지에 사용되는 멤브레인은 활물질 차단 특성, 이온 전달 특성, 물리화학적 내구성 및 가격 측면에서 부족한 특성이 많으며, 이를 개선함으로서 레독스 흐름전지의 효율, 수명 향상 및 가격저감 효과를 얻을 수 있다. 본 연구에서는 이러한 레독스 흐름전지용 멤브레인의 문제점을 정리하고, 이를 개선시키기 위한 멤브레인 소재 및 구조설계 전략에 대해 논의한다. 특히 활물질 차단과 내구성 향상 혹은 가격저감을 동시에 만족시키는 복합막 기술을 소개한다.

Ion exchange membranes (IEMs) have been widely employed in various electrochemical processes for water treatment and energy conversion. Their intrinsic properties such as electrical resistance and permselectivity are the key parameters dominating the efficiency of the electrochemical processes. The cost-effectiveness of the IEMs should also be considered for successful commercialization of the electrochemical membrane processes. In this work, we have investigated the optimum design parameters of the cost-effective IEMs for successful application to various electrochemical membrane processes. (This work was supported by the Technology Innovation Program funded by the Korea government (MOTIE) (No. 10047796).).

Polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFCs) have been studied intensively due to their great potential as a clean and efficient energy conversion device. Especially, considerable attention has been paid to the development of thin polymer electrolyte membranes (PEMs) for the practical application of PEMFCs. However, thin PEMs normally have poor physicochemical stability. It is well-known that the physicochemical stability of polymer membrane can be improved by cross-linking technology. In this presentation two different types of cross-linked membranes from sulfonated poly(arylene ether sulfone) (SPAES) will be introduced: 1) cross-linked SPAES membranes prepared using flexible perfluoropolyether as a cross-linker. 2) End group cross-linked SPAES membranes prepared via simple thiol-ene click reaction.