원통형 회전 역삼투법은 높은 전단력과 유체의 불안정성을 결합시켜 막오염을 감소시키는 동적 여과방법이다. 이 논문은, 회전여과의 물리적 특성, 물질전달과 농도분극 현상, 이론적 및 실험적 해석, 사례연구 등 회전역삼투법에 대한 최근의 연구를 요약해서 보여준다.

복합 박막의 구조를 갖는 폴리아미드계 역삼투 분리막은 상용화되어 해수담수화 공정에 널리 적용되어져 왔다. 최근 고압·고회수율 공정은 기존의 해수 담수화 공정에 비해 에너지 비용 및 전처리의 규모의 측면에서 절감 효과를 가진다는 결과들이 발표되어왔다. 고압·고회수율 공정은 에너지 회수, 고압 펌프 설비, 그리고 고압 고염제거율의 역삼투막 개발에 의해 가능해 졌다. 본 연구에서는 기존의 해수담수화 공정에 사용되는 역삼투 분리막에 대한 고압·고회수율 공정 조건에서의 투과 성능을 조사하였다. 역삼투 분리막 평막의 평가에는 3.5%의 NaCl 수용액을 인공해수로 조제하여 실시하였으며 역삼투 분리막 모듈의 평가는 마산시 합포해변에서 자연 해수를 직접 사용하였다. 그 결과로 고압 고회수율 공정에 적합한 역삼투막은 고압에 대한 내압성을 갖는 역삼투막임을 보여준다. 고농축수에 대한 염제거율은 고압 운전에 의해 자연 향상되는 경향을 나타내었다.

본 연구는 하수를 공업용수로 재이용하기 위한 분리막 시스템 적용에 관한 연구이다. 정밀여과와 역삼투시스템으로 구성된 bench scale 실험장치를 이용하여 하수처리장 현장에서 실험을 수행한 결과, 정밀여과 시스템은 이온성분은 제거할 수 없었으나 SS를 70% 이상 처리할 수 있어 처리수는 직접냉각수로 재이용이 가능하였다. 그리고 역삼투 시스템은 SS는 물론 이온성분도 95% 이상 제거할 수 있어 처리수는 간접냉각수 및 제품세척수로 사용이 가능하였다. 100 m3/일 용량의 pilot Plant를 제작하기 위해서는 정밀여과 모듈은 20개, 역삼투 모듈은 12개가 필요하였다.

본 연구는 복합 박막 활성층의전기적/분자 구조적인 특성이 오염성에 어떤 영향을 미치는가를 조사하였다. 복합 박막 형태의 폴리아미드계 역삼투 분리막에 대한 오염 거동 현상을 이해하는데 있어 표면 구조와 표면 전하의 연구는 매우 효과적이다. AFM 전자현미경을 이용한 표면 구조 분석과 EKA 전위차 측정기를 통한 표면 전하의 분석 결과는 역삼투 분리막의 오염에 영향을 미치는 중요한 인자를 보여주고 있다. 복합막의 활성층이 중성에 가까울수록, 조도 차가 작을수록 역삼투막의 유량 감소 속도는 줄어든다.

공급수가 원판틀형 모듈에 잘 분포될 수 있는 역삼투형 하우징(HY)을 개발하여 설계 제작하였으며 상용화된 Rochem(RC)시스템과 투과성능을 비교하였다. 자체 개발한 HY시스템은 RC시스템에 비하여 투과유속이 약간 떨어지는 반면, NaCl 배제율은 전반적으로 높았다 원판틀형 모듈인 type A, B, C에 대한 투과유속 및 배제율을 NaCl, sucrose 및 butanol 수용액으로 측정하였다. NaCl 및 sucrose의 경우, type C, A, B의 순으로 투과성능이 우수하였으나 butanol의 경우는 type B, C, A 순이었다. Type A에 대한 type C의 butanol 투과유속은 농도가 감소할수록 그리고 28 bar 범위내에서 운전압력이 증가할수록 향상되었다.

본 연구의 목적은 냉연공장 폐수재이용을 위해 3단 역삼투시스템 사용시 각단에서의 투과특성을 조사하는 것이다 판틀형 모듈 7개를 사용하여 회수율이 75% 가 되도록 3단 (배열 : 4+2+1) 으로 구성하여 장기간에 걸친 pilot test를 통해 막오염 진행에 따른 각 단에서의 유량 및 수질변화를 조사하였다 실험결과 각 단 모듈 1개당 평균 투과수량은 운전초기에는 1단, 2단, 3단의 순서로 많았으나 운전시간이 경과하며 막오염이 진행됨에 따라 1단은 감소하는 반면 2단은 거의 변화가 없고 3단의 투과수량은 증가하였다 즉 막오염은 주로 1단에서 발생하며 점차 2단. 3단으로 진행되는 것을 확인할수 있었다. 한편 투과수 수질은 예상한 것과 같이 1단이 가장 우수하였고 다음으로는 2단, 3단의 순서였으며 막오염에 영향을 받지않았다.

수용상 MPD(m-phenylene diamine)와 유기상 TMC(trimesoyl chloride)를 사용하여 역삼투 복합막의 활성층 고분자인 aromatic polyamide 제조를 행하고 그 성능을 고찰하였다. 또한 polysulfone 다공성 지지막 위에 박막을 회분, 연속식으로 계면중합 제조한 후, 제조변수에 따른 역삼투 성능을 비교하였다. 회분식으로 복합막을 제조한 결과 유기상 용매의 종류, 단량체의 농도와 함침시간, 열처리 온도, 중화제, 알코올 후처리, 산 후처리 등에 의해 다양한 성능을 나타내었다. 이때, 투과량 향상에는 알코올 후처리 효과가, 또 선택도의 향상에는 단량체의 농도와 함침시간이 변수이었다. 최적조건에서 연속식 공정으로 막모듈을 제조하여 NaCl 5,000 ppm, 25kgf/cm2에서 상용막과 비교할때, 투과량은 33% 증가하고 배제율은 5% 감소하였다.

고온, 고압으로 운전되고 있는 원자력발전소의 1차 계통수측에서, 실리카는 양이온 불순물과 결합하여 핵연료 피복재에 규석(zeolite)층을 형성하므로 계통구조물의 건전성에 영향을 미치게 된다. 따라서 핵연료와 접촉하는 1차 계통수측에서는 규제치 이하의 수준으로 실리카 농도가 유지되어야 한다. 본 논문에서는 실리카 제거 작업시 발생되는 방사성 폐기물의 양을 최소화 하고 붕산 소모량을 줄이기 위해, 상용화 되어 있는 5종류의 막을 이용하여 붕산 및 실리카가 함유된 수용액에 대한 조업온도, 공급유량 변화가 투과량, 붕소회수율, 실리카 배제율에 미치는 영향에 대하여 실험을 수행하였다. 이를 이용하여 계통수내에서 실리카 만을 효과적으로 제거할 수 있는 장치를 설계하였으며, 특성이 다른 2종류의 막을 3단으로 구성하여 상황변화에 따른 대응능력을 높였다. 실험결과 기존 원자력발전소에서 사용하고 있는 Feed and Bleed 방법에 비해 폐기물 발생량은 7%에 불과했고, 농축 폐기물에 포함되어 소모된 붕산의 양은 15.7%에 불과하였다.

직선형(Type 1), 곡선형(Type 2) 및 병렬형 (Type 3) baffle을 설치한 역삼투용 판틀형 모듈을 설계 제작하였으며 NaCl과 sucrose 용액을 각각의 모듈에 공급하여 용액농도 및 운전압력등이 분리특성에 미치는 효과를 측정하고 각 모듈의 특성치를 비교하였다. 운전압력 35bar, 원료 공급유량 6 l/min 이내의 운전조건에서 Type 3가 투과선속 및 배제율 측면에서 가장 우수하였다. NaCl 수용액의 경우, Type 1에 대한 Type 2 및 3의 투과선속 향상율은 운전압력이 증가함에 따라서 감소하였다: 1wt% NaCl 수용액에 대한 Type 3 투과선속 향상율은 10bar 근처에서 약 100%이었으나 35bar에서는 약 10%로 감소하였다. 그러나 sucrose 수용액에 대한 Type 2 및 3의 투과선속 향상율은 농도 및 운전압력에 따라서 크게 변화하였다. 또한 Type 3의 경우, 원료용액의 공급속도 변화에 따른 투과선속의 의존성은 거의 선형적으로 나타났으며 이는 baffle이 존재하지 않는 난류영역에서 보다 큰 값이었다.

Hydranautic사의 셀룰로오즈 아세테이트 재질로 된 RO S/W 4040을 이용하여 2성분계의 붕산수용액 및 붕산수에 함유된 실리카의 3성분계 수용액에 대하여 조업온도, 운전압력 및 공급유량 변화가 투과량, 붕산회수율, 실리카 배제율에 미치는 영향에 대한 실험을 수행하였다. 붕산수용액의 경우 35℃, 20atm 및 원액의 유속이 2.82l/min에서 붕산회수율 및 투과도는 각각 58.7% 및 2.82l/min, 35℃, 10atm에서는 68.1% 및 1.56l/min이었다. 또한 실리카 및 붕산이 함께 함유된 용액의 경우 35℃, 3.2atm에서 붕산회수율 69.7%, 실리카 배제율 97.5% 및 투과도 0.47l/min의 결과를 보여주었으며, 35℃, 20atm에서 원액의 유속이 2.92l/min의 경우 붕산회수율 56.4%, 실리카 배제율 96.1% 및 투과도 2.72l/min의 결과를 보여 주었다.

NaCl과 sucrose 용액을 역삼투용 워난틀형 모듈에 공겁하여 투과실험하였으며 Kimura-Sourirajan[8]이 제안한 방법으로 분리성능을 분석하였다. 사용한 분리막의 순수투과계수는 압력에 무관하게 2.17 × 10-6 (gmol/cm2 -sec-bar)로 일정하게 유지되었다. Sucrose 용액의 농도분극화 현상은 NaCl 용액보다 심각하였으며 40bar 이상에서는 압력이 증가함에 따라서 오히려 투과선속이 감소하였다. 용질 배제율은 NaCl 수용액의 경우 압력이 증가함에 따라서 감소하였으나 sucrose 수용액의 경우는 압력에 따라서 배제율도 증가하였다.

정유산업 방출폐수를 재처리하여 양질의 공업용수로 활용하고자 역삼투막 및 공정으로 구성된 재활용 system을 고안하여 현장 pilot 실험을 수행하였다. 생산공정 운전상황에 따라 불규칙적으로 변하는 폐수 특성에도 불구하고 역삼투막의 경우 10~15kg/cm2 의 운전압력 범위내에서 96~99%정도의 비교적 높은 염배제율을 보였으며 본 실험을 통하여 얻은 재생수의 경우 냉각탑 공급용수로써의 충분한 가능성을 보여 주었다. 그러나 본 연구에서 제안 사용된 여과형 전처리 공정만으로는 충분한 처리효율을 기대하기 어려웠으며, 이는 각 여과공정법 처리수의 수질분석 결과 및 NaOH를 이용한 역삼투막 세정 결과로부터 쉽게 확인되었다.

역삼투 공정을 농축공정에 이용하기 위해 향류식 역삼투 나권형 모듈을 고안, 제작하여 염수의 농축실험을 수행하였다. 역삼투 분리의 배제도와 농축도의 관계를 고찰한 결과, 배제유량에 대한 투과유량의 비가 양쪽 관계의 중요한 매개 변수이며, 반사계수 값에 따라, 역삼투막의 배제도와 농축도가 Spiegler-Kedem 식의 경향을 따른다. 향류식 역삼투 공정은 일반 역삼투 농축 공정에 비해 농축의 장애 요소인 삼투압차를 효과적으로 저하시키는 효과가 있으며 농축도가 상대적으로 우수하였다. 향류식 나권형 모듈의 수치모사 결과 농축공정의 농축도 증가를 위해서는 모듈의 지름보다 모듈의 길이를 늘리는 것이 유리함을 알 수 있었다.

새로운 복합막의 제조를 위하여 기존의 복합막에서 지지막으로 주로 사용되던 Polysulfone을 이보다 친수성이 뛰어난 Polyethersulfone막으로 대체하여 지지막을 직접 제조하고 이에 따른 복합막의 성능을 살펴 보았으며 이때 각 단계별로 제조막의 성능을 평가하여 각 단계별 최적 조건을 찾고자 하였다. 지지막은 Polythersulfone과 Polyvinylpyrrolidone의 조성에 따라 각각 실험하였으며, 활성층은 계면중합법에 의하여 m-Phenylene diamine과 Trimesoyl chloride를 반응시켜 제조하였다.

계면중합법에 의한 막 제조시 여러 제조변수의 영향을 평가하기 위한 실험을 행하여 다음과 같은 결과를 얻었다. 반응물인 MPD(m-phenylene diamine)농도가 증가할수록 배제율은 증가하나 투과유속은 감소하였다. MPD의 경우에 함침시간이 증가할수록 배제율은 증가하나 투과유속은 감소하였다. TMC(trimesoyl chloride)경우에는 함침시간이 증가할 때 투과유속은 감소한 반면 배제율은 증가한 이후 감소하였다. 열처리 온도가 상승함에 따라 투과유속은 증가하나 배제율은 증가한 이후 감소하였다. 첨가제인 NaOH는 중합시 발생하는 염산의 양이 적어 미량이 중화에 필요하였으며, 그 양이 증가할수록 배제율과 누과유속은 증가한 이후 감소하여ulcorner. 후처리는 ethanol, isoprophlalcohol, 57℃의 물로 치환하여 배제율과 투과유속에서 상승을 가져왔으며, 57℃ 물의 경우에는 후처리 시간에 따라 극대값을 가짐을 알 수 있었다.

셀룰로오스 아세테이트(CA) 소재로 역삼투막을 제조하여 각종 제막조건에 의한 막성능에 미치는 영향인자를 조사하였다. 제막 용액조성으로 CA, formamide, acetone과 2-methoxyethanol을 사용하여 평판형 막을 만들고, 투과유속 및 배제율을 측정하였다. 특성 측정 인자로서 고분자 농도, 증발시간, 열처리 온도 및 처리 시간, 조작압력, 공급액의 농도 등을 변화시켜 막에 대한 영향을 연구하였다. 또한 제조된 막을 사용하여 역삼투 모델식에 적용하여 각각의 파라메타를 계산하였다.