최근, 친환경적인 태양광, 풍력 등 재생에너지를 이용하는 발전시스템의 보급 및 인프라 구축, 차세대 전력망인 스마트 그리드 시스템에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 이러한 재생에너지를 이용하는 발전은 재생에너지의 변동성을 수용하고, 원활한 전력공급 및 발전설비의 효율적인 활용을 위해 에너지저장 기술(ESS, energy storage system)이 필요하다. 레독스 흐름 전지(RFB, redox flow battery)는 재생에너지의 원활한 부하평준화에 의한 전력공급, 주파수 조절, 비상용 전력을 위한 ESS의 하나로 기술개발이 이루어지고 있다. 본 발표에서는 RFB에서의 이온교환막의 필요성, 이온교환막이 갖추어야할 특성 등에 대해 설명하고자 한다.

유기용매 나노여과(OSN, organic solvent nanofiltration) 분리막은 폴리이마이드(PI)나 폴리벤질이미디아졸(PBI)과 같은 특수 고분자의 개발, 상업화가 이루어지고 강한 유기용매에 견딜 수 있도록 가교를 통해 분리막의 내구성이 급격하게 향상되면서 저분자량의 합성, 정제 및 농축을 필요로하는 의약, 바이오, 식품산업에 획기적이고 효율적인 분리막 공정으로 주목 받고 있다. 하지만 여전히 고가의 고분자, 가교를 위한 복잡한 프로세스, 다량의 강한 용매 폐수 발생등 상업화를 이루는데 여러 가지 문제점들이 산재하고 있다. 본 연구는 기존 제막 방식에서 벗어나 무독성의 용제를 사용하여 단일공정으로 유기용매 나노여과 분리막을 제막하고 그 특성을 연구하였다.

20 여 가지의 형태의 제올라이트 중에서 8-membered ring (8 MR) 구조를 지닌 제올라이트를 다공성 지지층 위에 연속적인 분리막 형태로 제작하고자 한다. 이 때, 궁극적인 분리막의 사용처에 해당되는 배가스 및 바이오가스 조건에서 이산화탄소를 분리하는 데 적합하도록 설계한 제올라이트 분리막에 대해 기술하고자 한다. 특히, 10% 정도의 수분에 의한 악영향을 최소화할 수 있는 방법에 대해 발표하고자 한다.

The slow diffusion of pollutants to the surface of electrodes has limited the contact between OH radicals and micropollutants in electro-oxidation processes. In this study, conductive hollow fiber membrane (CHF) made with multi-walled carbon nanotube (CHF) was fabricated and operated with flow-through system. During the electro-oxidation of three micropollutants, a conventional flow-by reactor showed less than 60% of removals at the hydraulic retention time (HRT) of 30 minutes, while flow-through operation could achieve complete removal for all tested micropollutants at the same HRT. Moreover, the flow-through system exhibited complete removals even at the HRT of 1 minutes, while that of flow-by system were less than 10 %.

미량화학물질은 미량 (ng/L)으로 인체 또는 환경에 심각한 피해를 줄 수 있는 물질이므로, 효과적인 미량오염물질 제거 시스템 개발이 필요한 실정이다. 분리막 기반 수처리 공정 중 정삼투 공정은 미량화학물질을 효과적으로 제어할 수 있는 저에너지, 친환경 공정으로 각광받고 있으나, 제거율, 제거기작, 공정최적화 등의 연구가 필요한 실정이다. 따라서, 본 연구에서는 정삼투 공정을 이용하여 미량화학물질의 제거성능을 평가하고 그 기작을 평가하여 수계 내 존재하는 미량오염물질을 신속하고 효율적으로 처리할 수 있는 삼투막 기반 막공정 공법을 제시하고자 한다.

호소수에 대한 막여과 공정 설계 및 운영인자를 도출하기 위하여 부산시 소재 회동 수원지의 물을 원수로 하는 200 m3/일 용량의 정수처리 침지식 막여과 pilot을 운영하였다 (운영기간 : 2018년 1월 ~ 9월). 막여과 공정 운영 관점에서 주요한 원수 수질변화로는 1월 ~ 2월 사이 수온이 5 ℃ 이하를 유지하였고, 6~7월의 평균 탁도는 24±40 NTU 이었으며, 7월 중 태풍 발생으로 인하여 약 229 NTU의 고탁도가 유입되었다. 막여과 pilot 운영결과를 바탕으로 막여과 공정의 주요 설계값인 막여과 유속, 막여과 차압, 약품 세척 주기 및 단위공정의 운전순서를 결정하였다. 운영결과 중에서 특별히 괄목할 만한 관찰점은 막여과 배출수 탁도의 중력침전 제거율이 평균 94±4%로 분석된 것이다.

본 연구는 역삼투 해수담수화 플랜트의 실 데이터 분석을 통해 에너지 소모를 줄이는 방안을 제안한다. 이를 위해 10,000m3/d 이상의 플랜트를 대상으로 70여개의 데이터를 수집하고 분석하였다. 역삼투 해수담수화 플랜트의 에너지 소모는 에너지회수장치 발전으로 인해 크게 감소하였으나 각 요인에 따라 다른 값을 보였다. 에너지 소모는 유입수 수질에 영향을 받고, 높은 수질의 생산수를 얻기 위해선 더 많은 에너지가 소모됨을 확인하였다. 또한, 플랜트 규모가 커지면 에너지 소모가 줄어든다고 알려져 있으나 반드시 그런 것은 아니며, 역삼투시스템 운영 시 에너지 소모가 최소가 되는 회수율이 있음을 알아냈다. 마지막으로 에너지 소모와 관련된 요인을 정리하고 이를 바탕으로 저에너지 소모를 위한 3가지 방안을 제시한다.

본 연구에서는 향후 역삼투식 해수담수화 기술의 에너지 효율을 개선하기 위한 3가지 방법을 제안한다. 그리고 제안된 방법이 적용되었을 때, 이론적인 최대 에너지 소모량 감소를 엑서지 분석을 통해 산출하고 현재 개발되고 있는 기술을 분석해서 실질적으로 각 방법에서 에너지 소모량이 얼마나 감소될 수 있는지를 비교하고 분석한다. 이러한 논의를 통해서 향후 역삼투 공정의 에너지 소모량이 얼마나 더 감소할 수 있을지에 대한 가능성을 평가할 수 있고 나아가서 역삼투 해수담수화 플랜트의 에너지 소모량을 낮추는 명확한 아이디어를 제공할 수 있다.

최근 국내에서 세계 최초로 개발한 SWRO-PRO 복합해수담수화 시스템은 압력지연삼투(PRO) 기술을 활용하여 역삼투(SWRO) 해수담수화 플랜트에서 발생하는 고염도 농축수의 삼투에너지를 회수하는 기술이다. 고염도 농축수와 저염도 하수처리수를 각각 PRO 시스템의 유도용액과 유입수로 사용하며, 두 용액의 농도차에 의해 발생되는 삼투에너지를 압력교환장치(isobaric pressure exchanger)를 통해 회수하여 SWRO 고압펌프에서 필요한 에너지를 줄이거나, 터빈 형태의 에너지 회수장치(Pelton turbine)를 통해 전력을 생산하는 기술이다. PRO 시스템을 통해 회수된 에너지는 해수담수화 운영비를 절감하는데 기여하고, 고농도 농축수의 희석 방류로 해양생태계 영향을 최소화 시킬 수 있다.

막증발 기술은 최근 해수담수화 분야에서 많은 주목을 받고 있으며, 기존 증발법과 역삼투를 대체하는 대안기술로서 개발이 활발하게 추진되고 있다. 그러나 막증발 기술의 실용화를 위해서는 극복하여야 할 몇 가지 문제점이 있다. 본 연구에서는 막증발 기술을 효율적으로 적용하기 위하여 해결해야 하는 1) 스케일업 2) 막오염 억제 3) 막젖음 예측 및 방지기술 개발하고자 하였으며, 이를 통하여 저탄소 담수화를 실현시키기 위한 방안을 제시하고자 하였다.

A highly performing and durable forward osmosis (FO) membrane was prepared using a polydopamine-modified polyolefin (DPO) support via an aromatic solvent (toluene)-based interfacial polymerization (IP). The hydrophobic polyolefin support was uniformly hydrophilized by polydopamine coating, which provided long term operation stability. In addition, a highly permselective selective layer was prepared on the hydrophilic DPO support by the toluene-based IP, which promoted amine diffusion and the subsequent IP reaction. As a result, the prepared DPO-supported TFC membrane exhibited significantly high FO performance, which was ~4.9 times higher FO water flux and ~62% lower specific salt flux than those of a commercial FO (HTI-CTA) membrane in FO mode. Furthermore, its excellent mechanical and chemical stability enabled stable operation.

High performance polydimethylsiloxane (PDMS) membranes for n-butanol recovery were fabricated using a tri-functional crosslinker containing the phenyl group. In order to understand the role of the functional group structure and cross-linking density in pervaporation performance, PDMS membranes were prepared using tri-functional crosslinker containing other functional groups (hexyl and cyclohexyl) and conventional tetra-functional crosslinker. The relationship between the polymer structure-performance was discussed based on the sorption and diffusion properties of the membranes. As a result, the phenyl-based PDMS membrane exhibited the pervaporation performance owing to the strong hydrophobicity and chain rigidity of the phenyl group compared to other PDMS membranes even at high butanol concentration and high temperature conditions.

제련 산업의 공정수(15wt% 폐산용액)에는 다양한 희소 및 유가금속이 함유되어 있지만, 회수 처리기술 부족으로 폐기되고 있다. 이에 나노분리막을 적용하여 폐산용액에 잔존하는 금속들을 경제적으로 분리하고자 한다. 본 연구에서는 폐산에 적용 가능한 내산, 내열성을 가지는 나노분리막을 PSf 지지막 위에 수용액상으로 aliphatic amine과 유기상으로 trimesoyl chloride, diisocyanate계를 계면중합하여 제조하였다. 제조막의 2가 이온 플럭스는 15 GFD, 98%의 제거율, 1가 이온은 20% 이하의 제거율을 나타내었다. 내산성 평가는 황산 용액에 일별 노출한 후 투과평가를 진행하였으며, 그 결과 4주 이상 초기 성능을 유지하였다. 내산성 특성은 FTIR, XPS, FE-SEM등의 분석을 통해 확인하였다.

Recently, many efforts to enhance separation performance of the reverse osmosis (RO) membranes have been made. Among them, the post treatment with organic solvent, so called solvent activation, has been recognized as an effective method to improve membrane performance. However, solvent activation enhances water flux along with the loss of NaCl rejection. Furthermore, there have been no clear mechanisms and reliable criteria of the solvent activation effects. In this study, we demonstrate that a new type of organic solvent, benzyl alcohol, can effectively activate the RO membrane to significantly enhance water permeation without deteriorating NaCl. Based on this results, we elucidate the underlying solvent activation mechanism and propose a reliable indicator of the solvent activation effect.

PEMFC is an eco-friendly and sustainable electrochemical generation system to convert chemical energy of fuels into electric energy. Proton exchange membrane(PEM) is key material to decide PEMFC performances. Representative PEM materials is perfluorinated sulfonic acid(PFSA) composed of a chemically stable PTFE backbone and ion conductive side chains. PFSA is classified into long-side chain(LCC-PFSA) and short-side chain(SCC-PFSA). Normally, SCC-PFSA can induce high packing density and gas barrier properties when it is made in PEM state. In spite of these advantages, it is hard to make desirable SCC-PFSA PEMs due to its relatively high Tg and low EW. In this study, the effects of PEM fabrication histories on basic properties of SCC-PFSA ionomers were observed by varying parameters such as casting solvent and thermal annealing condition.

In this study, poly(3,4-ethylenedioxythiophene) polystyrene sulfonate (PEDOT-PSS) was introduced into polymer gas separation membrane. The mixed matrix membrane composed of poly(2-[3-(2H-benzotriazol –2-yl)-4-hydroxyphenyl] ethyl methacrylate)-poly(oxyethylene methacryalate) (PBEM-POEM) comb copolymer matrix and PEDOT-PSS filler. Incorporation of PBEM-POEM makes isolated PEDOT-PSS chain transform into a fiber-like interconnected structure due to hydrogen bonding interaction. This structure could act as a facilitated pathway for enhancing gas diffusivity through the membrane. The best performance of prepared PEDOT-PSS/PBEM-POEM composite membranes was CO2 permeability of 59.6 Barrer with a CO2/N2 selectivity of 77.4, being close to the 2008 Robeson upper bound.

A Gravity-driven membrane (GDM) system is one of the promising solutions for household drinking water treatment in the developing countries. In this study, the GDM system was tested for optimizing manual cleaning protocols using three different feed water solutions. Two types of manual cleaning were performed to delay the permeability decrease, cleaning between batches and long-term cleaning. The optimized cleaning between batches protocol was 3 twisting and 10 vertical shaking. And the optimized long-term cleaning protocol was 70 vertical shaking for both the middle region of the module and near the header part. These cleaning protocols allowed the system to produce sufficient water to meet the daily minimum water requirements for a 5-person family, even for using the wastewater influent. The system produced Escherichia coli free water.

Water electrolysis is a representative electrochemical process to generate hydrogen gas together with oxygen gas by applying electric power. Perfluorinated sulfonic acid (PFSA) ionomers have been widely used as electrode binder materials, in addition to polymer electrolyte membrane materials for water electrolysis to generate hydrogen and oxygen gases with a high purity simultaneously. PFSA binder materials act as physical supports for inorganic catalyst materials in both electrodes. The binder materials play role in transporting protons for hydrogen gas and oxygen gas evolution reaction in the cathode and the anode, respectively. In this study, PFSA ionomers with different chemical architectures and equivalent weights were used as binder materials for water electrolysis. The structure property performance relationship was disclosed.

Perfluorinated sulfonic acid (PFSA) ionomers have been used as polymer electrolyte membrane (PEM) materials owing to their excellent chemical durability and proton conductivity. However, the PFSA ionomers are suffering from fast hydrogen crossover and, thereby, chemical degradation in the membrane state. To solve these issues is to make reinforced membranes by filling proton-conductive PFSA ionomers in the pores of chemically robust poly(tetrafluoroethylene) (PTFE) support films. However, it is very difficult to obtain PFSA-PTFE reinforced membranes with improved hydrogen barrier property. In this study, PFSA-PTFE reinforced membranes were fabricated by immersing commercial reinforced membrane in PFSA ionomer dispersions with different chemical architectures and particle sizes and their effects were systematically investigated.

Saline water electrolysis is an electrochemical process to produce valued chemicals by applying electric power. Perfluorinated sulfonic acid (PFSA) ionomers have been used as polymer electrolyte membrane (PEM) materials owing to their high sodium ion selectivity and barrier properties. However, sulfonic acid groups in PFSA ionomers are chemically decomposed under a basic catholyte condition, which makes the PEM materials lose their ionic selectivity and Faraday efficiency. In this study, double layered membranes were prepared by anchoring cross-linked hydrocarbon ionomers, as a protection layer to catholyte atmosphere, into the water channels, particularly, located at around the surface of a PFSA membrane. Here, each monomer results in the identical chemical architecture and different free volume content when polymerized.