지난 10년간 저에너지 측면에서 주목을 받았던 정삼투 공정은 최근 매우 다양한 분야로의 적용이 시도되고 있다. 초기의 MNPs, hydrogel 등의 유도용액의 개발로부터 유도용액의 회수를 필요로 하지 않는 해수와 담수의 삼투희석을 통한 FO-RO hybrid 공정을 비롯하여 식물 재배를 위한 영양 물질을 유도용액으로 사용하는 FDFO(fertiliser drawn FO), 고염도의 셰일가스 생산수의 방류를 위한 처리 등으로 적용이 확대되고 있다. 본 발표는 현재 다양한 분야에 적용되고 있는 FO 하이브리드 공정들에 대한 분석과 이를 통한 효과적이고 성공적인 정삼투 공정의 상업적 적용을 위한 FO 기술의 발전방향을 제시하고자 한다.

Modeling of forward osmosis (FO) membrane system is significantly affected by various factors such as membrane properties of materials (A, B), structure parameter (S), concentration polarization (CP), fouling, spacer design. etc. In this study, FO performance of a plate and frame type membrane is investigated via a numerical simulation based on mass conservation theorem and finite element method (FEM). To evaluate the FO membrane performance, permeate flux and recovery rate are simulated according to membrane orientation, flow direction of feed and draw solutions, flow rates, membrane structure parameter (S), and design of spacers. The modeling results can help to expand insights into FO separation characteristics and to suggest further strategy for FO process development.

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.

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.

본 연구는 SWRO/PRO 조합공정에서 PRO 공정 유입수로써 적합한 유입수질 조건과 전처리 기술을 알아보고자 하였다. 실험에 사용된 유입수로는 P시의 하수처리장 방류수를 사용하였으며, 유도용매는 역삼투막 농축수를 활용하였고, 이때 사용한 PRO막은 Toray사의 CTA재질막을 사용하였다. 본 연구에서 응집-침전, 모래여과, DMF, 활성탄여과, 정밀여과공정, 역삼투공정 등 총 6가지 전처리공정을 선정하여 평가하였고, PRO 공정 성능에 영향을 크게 주는 것으로 확인하였다. 향후 SWRO/PRO 조합공정에서 안정적인 에너지 절감 효과를 기대할 수 있는 최적 공정을 도출할 계획이다.

염도차가 있는 두 용액을 멤브레인을 통해 혼합시 염도차에너지를 생산할 수 있다. 특히, 삼투현상을 기본으로 하는 압력지연삼투(PRO) 공정을 사용하면 염도차에너지를 수력에너지로 변환할 수 있다. 이 압력지연삼투 기술의 핵심은 PRO 멤브레인으로, 이 멤브레인의 성능에 따라 생산되는 전력량이 결정된다. 본 연구에서는 개발중인 PRO 멤브레인 모듈의 성능인 물플럭스 기반의 전력밀도(W/m2)를 분석하여 평가를 수행하였다. PRO 멤브레인 모듈의 성능은 삼투압차가 클수록 커지지만, 삼투압차에 비례하지는 않았다. 이론적으로는 삼투압차의 절반 정도에서 최고의 전력밀도를 보이지만, 실제로는 멤브레인의 특성에 따라 최적 압력은 영향을 받는 것으로 보였다. 삼투압차와 압력차외에도 두 용액의 유량은 성능에 영향을 미쳤다.

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.

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.

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.

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.

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.

Pressure retarded osmosis (PRO) process is one of membrane processes for harvesting renewable energy by using salinity difference between feed and draw solutions. Power is generated by permeation flux multiplied by hydraulic pressure in draw side. Membrane fouling phenomena in PRO process is presumed to be less sever, but it is inevitable. Membrane fouling in PRO process decreases water permeation through membrane, resulting in significant power production decline. This study intended to investigate the effect of hydraulic pressure in PRO process on alginate induced organic fouling as high and low hydraulic pressures (6.5 bar and 12 bar) were applied for 24 h under the same initial water flux. In addition, organic fouling in draw side from the presence of foulant (sodium alginate) in draw solution was examined. As major results, hydraulic pressure was found to be not a significant factor affecting in PRO organic fouling as long as the same initial water flux is maintained, inidicating that operating PRO process with high hydraulic pressure for efficient energy harvesting will not cause severe organic fouling. In addition, flux decline was negligible from the presence of organic foulant in draw side.

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.

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.

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.

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.