하수처리 혐기성 유동상 생물반응기(Anaerobic Fluidized Bed Bioreactor : AFBR)는 높은 표면적을 갖는 입상활 성탄을 유동 메디아로 적용함으로써 생물막 형성 및 유지에 유리하며 이로 인해 우수한 유기물 제거 효율을 나타내나 처리된 유출수 내의 질소와 같은 영양염류의 잔존이 여전히 문제로 남아있다. 본 연구에서는 AFBR에 의해 처리된 유출수 내의 질소 배제를 위하여 정삼투막(FO membrane)을 유도용액의 종류와 농도에 따라 적용하였다. 실험결과 유출수의 총질소 배제 효율 은 FO막에 적용하는 유도용액(draw solution : DS)의 종류 및 농도에 크게 의존하였다. 유도용액 농도가 증가함에 따라 FO막의 수투과량이 증가하였으며, 1 M의 NaCl을 유도용액으로 사용한 경우 총질소 배제 효율은 55%이었으나 1 M의 glucose를 유도용액을 사용한 경우 거의 완벽한 총질소 배제 효율을 나타내었다. AFBR 유출수를 FO막으로 24시간 동안 여과를 진행하 였으나 파울링에 의한 수투과량의 감소는 관찰되지 않았다.

본 연구는 역삼투막의 물리-화학적 표면 개질을 통하여 친수성 증가에 따른 내오염성 및 내염소성을 향상하고자 하였다. 자외선조사로 상용막 표면을 활성화한 후 실란 커플링제를 sol-gel법으로 개질하여 염소에 대한 민감도를 낮춰 폴리 아마이드 활성층을 보호하여 내염소성을 향상시켰다. 또한, 에폭사이드의 개수가 다른 PGPE, SPE 두 종류의 에폭시로 코팅 후 에폭사이드의 개환반응으로 내오염성을 향상시켰으며, 표면 개질 조건은 접촉각과 FT-IR, XPS 분석을 통해 최적화하였다. 실란-에폭시 개질막의 오염성 평가 결과 투과도 감소율이 상용막보다 약 1.5배 감소하였고, 내염소성 평가 결과 20,000 ppm × hr에서도 염제거율이 90% 이상 유지되었다.

우리는 정삼투 공정의 유도용질로서 잠재적인 활용 가능성을 확인하기 위해 식물화학물질인 tannic acid (TA)에 알칼리 염 처리한 alkali tannate 염 중 하나인 potassium tannate (TA-K)를 평가하였다. TA-K의 정삼투 특성과 회수 특성은 체계적으로 조사되었다. 정삼투 공정을 active layer facing feed solution (AL-FS) 방식으로 적용했을 때, TA-K 유도용액의 투수량은 TA 유도용액의 투수량 보다 훨씬 많은 반면, TA 유도용액의 투수량이 거의 확인되지 않았다. 100 mM 저농도에서 의 TA-K 유도용액의 삼투압(1,135 mOsmol/kg)은 NaCl 수용액의 삼투압(173 mOsmol/kg)의 약 6.5배로 확인되었다. 100 mM 농도의 TA-K의 투수량과 specific salt flux (6.14 LMH, 1.26 g/L)는 동일한 농도의 NaCl 유도용액의 투수량과 specific salt flux (2.46 LMH, 2.63 g/L)의 약 2.5배 및 0.5배로 각각 확인되었다. TA-K를 재사용하기 위해, 금속 이온 침전법을 이용 하여 TA-K유도용질을 침전시킨 후, membrane filtration을 이용하여 유도용질을 회수하였다. 이 연구는 식물화학물질을 정삼투 공정의 유도용질로서의 적용 가능성을 보여준다.

물 부족 현상의 해결책으로 저에너지 해수담수화가 가능한 정삼투 공정에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 정삼투 공정은 가압 조건이 필요하지 않으므로 에너지 비용을 저감할 수 있다는 장점이 있다. 이에 사용되는 유도 용질은 높은 삼투압을 나타내어 높은 수투과를 발생시키고, 염의 역확산은 낮아야한다. 또한 유도용액 후처리 공정에서 저렴한 비용으로 쉬운분리가 가능해야한다. 최근에는 고분자 전해질을 이용한 유도용질, 온도감응성 고분자를 이용한 유도용질, 나노재료를 이용한 나노파티클 유도용질의 연구가 진행되었으나 상용화에는 이르지 못하고 있다. 본 연구에서는 높은 수투과량, 낮은 염의 역확산을 나타내고 나노여과로 쉽게 회수 가능한 카복시화된 폴리에틸렌이민 유도용질을 합성하고 정삼투 공정에서의 성능평가 및 다른 유도용액과 비교실험을 수행하였다.

In pressure retarded osmosis (PRO) process, thin film composite (TFC) type membranes which can withstand high operating pressure are required. In this study, glass fibers (GF) are used as additive for mechanical strength enhancement of the support layer of TFC membranes. The support layers were fabricated by a phase inversion method by using the casting solution of blended GF (two different size of milled GF) with polyethersulfone (PES). The fabricated support layers were characterized by FE-SEM, FT-IR, contact angle goniometer, and universal testing machine. Lab-scale ultrafiltration experiment was carried out to measure their performance. As a result, the support layer with milled GF showed higher mechanical strength and water flux than the pure PES support layer, and the support layer with smaller size GF showed higher performance.

Membrane fabrication is a critical area that hampers forward osmosis (FO) technology from industrialization. Herein, electrospun poly(vinyl alcohol) (PVA) nanofiber (NF) was used as a support layer for thin film composite (TFC) FO membrane. The PVA NF was incorporated with sulfonated graphene oxide (sGO). The oxygenous-rich sGO enhanced the hydrophilicity and mechanical strength of PVA NF as revealed by contact angle and tensile strength measurements, and pure water flux. On this support, the active polyamide layer was formed through interfacial polymerization. Meanwhile, FO performance of sGO/PVA TFC membrane is currently being evaluated. This work was supported by NRF of Korea funded by the Ministry of Science and ICT (2016R1A2B1009221 and 2017R1A2B2002109) and Ministry of Education (2009-0093816 and 22A20130012051 (BK21Plus)).

본 연구에서는 이산화탄소 포집 및 물 재이용을 위한 통합 시스템으로서 정삼투 공정의 적용 가능성에 대한 평가를 수행하였다. 해당 통합 공정은 이산화탄소 배출 저감을 위해 화력발전소에 적용되고 있는 습식 이산화탄소 포집설비에 정삼투 기반 공정을 추가함으로써 이산화탄소 포집뿐만 아니라 물 재이용 및 냉각수 생산을 동시에 달성할 수 있다. CO2를 흡수한 5M의 모노에탄올아민(습식용매)을 유도용액으로 적용한 결과 40 LMH (FO mode) 및 85 LMH (PRO mode)라는 매우 높은 수투과도를 얻을 수 있었다.

정삼투막(Forward osomosis, FO) 공정은 차세대 해수담수화 기술 중 하나이 다. FO 공정은 운영에너지나 막오염의 장점에도 불구하고 유도용액의 분리회수 등의 문제로 실증화 단계에 어려움이 있다. 따라서 현재 FO 공정에 대해서는 FO를 단독으로 사용하기보다 RO 전단에 FO 공정을 두어 이용하는 hybrid 시스 템으로 이용하려는 연구가 많이 진행되고 있다. 본 연구는 유도용액의 분리회수 가 필요하지 않은 FO-RO 공정에서의 성능 지표 중 하나인 투과유량을 늘리기 위해 공정 운전 조건 중 유도용액의 유량변화에 따른 성능을 평가하였다.

The Anaerobic fluidized bed bioreactor (AFBR) treating synthetic wastewater to simulate domestic sewage was operated under GAC fluidization to provide high surface area for biofilm formation. Although the AFBR achieves excellent COD removal efficiency due to biological activities, concerns are still made with nutrient such as nitrogen remaining in treated wastewater. In this study, FO membrane was applied to treat the effluent produced by AFBR. Removal efficiency with total nitrogen (TN) was investigated with draw solution (DS, NaCl) and hydrodynamic condition (i.e., recirculation flow rate) along FO membranes. Permeability of FO membrane increased with increasing DS concentration. About 85% of TN removal efficiency was observed with the FO membrane using 1 M of NaCl DS. During operational period of a day, no permeate flux decline was observed.

We synthesized the poly(4-vinylbenzyltributylammonium hexanesulfonate) P[VBTBA][HS] which was obtained via anion exchange with hexanesulfonate after acquiring monomer [VBTBA][Cl] by Menshutkin reaction to investigate its feasibility as draw solute for forward osmosis process. P[VBTBA][HS] shows lower critical solution temperature (LCST) property at about 21℃, while LCST property of [VBTBA][Cl] and P[VBTBA][Cl] was not confirmed. This result suggests that P[VBTBA][HS] can be recovered from solution by heating them to above LCST. In AL-FS mode with solution of 20 wt% P[VBTBA][HS] at 15℃, water flux and reverse solute flux were found to be about 6.43 LMH and 0.59 gMH. This study can provide an understanding of new way of proceeding draw solute and information for the potential design and synthesis of thermo-responsive organic material.

Facing the decommissioning era of nuclear facility, it is necessary to develop technology for treating wastewater containing nuclides. Among variety of nuclides, Cs/Sr/Co are the major nuclides considering quantity and radioactivity. In this presentation, we report the performance of nanofiltration and reverse osmosis membranes for nuclides separation. Reverse osmosis membranes have quite effective for the separation of Cs, Sr, and Co. Rejection is above 93% for single component and even higher for mixed nuclides separation, > 98%. This study indicates that polymeric membranes can be potential candidate for nuclides separation.

In this research, the applicability of modified fouling index (MFI) on ultrapure water (UPW) production system was assessed to predict performance of reverse osmosis (RO) process. The practical study on MFI-UF was first performed at a pilot-scale UPW plant (Hwaseong-si, Gyeonggi-do, Korea), monitoring water quality parameters (i.e., conductivity, turbidity and TOC) as well as MFI-UF of pretreatment stage for 10 months. While water quality parameters were maintained in a stable manner, the MFI-UF was fluctuated implying the different propensity of RO influent. The increment of fouling potential was intimately related with RO performance, the aggravation of permeate quality. The sensitivity of MFI-UF was also verified by evaluating the fouling potential of reclaimed water in UPW production system.

본 연구에서는 해수를 유도용액으로 사용하고 하수처리수를 공급수로 사용하는 정삼투막 공정의 유기/바이오 오염물에 의한 막오염을 저감하기 위해 폴리도파민/탄소 나노 튜브 복합 분리막을 제작하였다. 분리막은 기존 계면중합반응에 탄소 나노 튜브를 첨가하여 초박형 복합 분리막을 제조한 후, 폴리도파민으로 코팅시켜 제조하였다. 제작 된 분리막은 알긴산나트륨(Sodium alginate)용액과 미생물(Pseudomonas aeruginosa PA01) 부착 실험을 통하여 수투과도와 막오염도를 평가하였다. 그 결과, 폴리도파민/탄소 나노 튜브 복합 분리막은 복합되지 않은 분리막에 비하여 높은 수투과도와 낮은 막오염 성능을 보였다.

Development of forward osmosis (FO) membranes with high salt selectivity is a essential issue to realize the FO technology. To improve salt selectivity of the FO membrane, a polyamide thin film composite FO membrane was fabricated by the interfacial polymerization method using aromatic hydrocarbon organic solvents on polyacrylonitrile (PAN) supports. The aromatic hydrocarbon organic solvent accelerated amine diffusion rate toward the organic phase and the subsequent reaction, which can improve membrane performance by fabricating a thin and highly dense basal PA layer. As a result, the prepared FO membrane showed ~1.7 times higher flux and ~4.5 times higher salt selectivity compared to HTI-CTA commercial membrane with 1.0 M NaCl draw solution and DI water feed solution in FO mode.

We report on the fabrication of a high performance reverse osmosis membrane based on a hydrophilic polyacrylonitrile support via an aromatic solvent-assisted interfacial polymerization process. The use of aromatic solvent (toluene or xylene) produced the membranes with unprecedentedly high NaCl rejection (~99.9%) and superior water flux, outperforming both the control membrane prepared using a conventional aliphatic solvent (n-hexane) and commercial membranes. The membranes fabricated using toluene or xylene had roof-like structures covering a thin and highly dense polyamide (PA) layer, which was induced by enhanced amine diffusion and the extended miscible layer resulting from the increased miscibility of aromatic solvent with water. The high performance of the membranes is attributed to thin and highly cross-linked basal PA layer.

바이오파울링은 역삼투막 여과 공정에서 운전 성능을 저해하는 주요 원인이다. 이전 연구들은 분리막 표면에 발생하는 바이오파울링을 제어하기 위해서 화학적 세정제를 주입하는 방법을 주로 사용하였다. 화학적 세정제의 주입은 분리막의 손상뿐만 아니라 이차적으로 수계 오염을 발생시키기 때문에 주입 농도와 운영 방법에 주의가 요구된다. 이러한 문제를 극복하기 위해, 본 연구에서는 분리막 표면에 생물막 저해제를 고정하여 바이오파울링을 제어하는 연구를 수행하였다. 표면 고정화를 위한 방법으로 Layer-by-layer 기술을 적용하였고, 생물막저해제로 클로르헥시딘과 글루타알데하이드를 사용하였다. 막 표면의 생물막 저해제 고정화는 미생물의 부착 억제 및 사멸로 생물막 형성이 지연되어 운전 성능이 유지되는 효과를 나타냈다.

In this study, various physical cleaning methods such as physical washing and osmotic backwash, were conducted to understand membrane fouling properties by employing real secondary wastewater effluent (SWWE). In addition, microfiltration (MF) and ultrafiltration (UF) pretreatments were compared to maximize removal of organic matter and to control membrane fouling efficiently. Organic foulants deposited on the active layer of FO membrane were observed by fouling behavior test. The relationship between concentrations of natural organic matter and membrane fouling was also investigated from the bench-scale FO tests.

일반적으로 SWRO의 경우 에너지 소비량은 3.5 kWh/m³ 이상의 에너지를 소비한다. 그중 RO트레인은 2.5～3.0 kWh/m³를 소모해 전체 에너지 소비량의 70% 이상을 소비하고 있으며, 전체 시스템 에너지 절감을 위해서는 RO트레인의 최적 설계가 중요하다. 따라서 당사는 다양한 RO트레인의 설계를 최적화 하여 소모되는 에너지의 양을 10% 절감하고자 한다. 1) ISDInternally Staged Desing)을 적용한 1st Pass의 설계최적화, 2) SPSP(Split Partial Sencond Pass) 적용을 통한 2nd 용량 최적화 설계, 3) 초고성능 막을 적용한 Single Pass 설계방법의 최적 조합을 통해 저에너지 역삼투막 시스템 설계 기술을 개발하고자 한다.

In the present study, the impact of RO polyamide layer by long-term chemical exposure was evaluated. Basic cleaning chemicals such as NaOH increased the pure water flux and salt passage of RO membrane up to 1.6 times and 2 times, respectively. In contrast, membranes exposed to acidic chemicals such as HCl have experienced no discernible change of permeability, which indicated that basic chemicals caused the more serious damage to RO polymeric layers. However, XPS analysis showed that both membranes were experienced significant damages on cross-linking of polyamide structures. It can be concluded that basic cleaning chemicals induced the enlarged pore structure due to electrostatic repulsion between damaged polymers, while acidic chemicals caused less performance deterioration by shrinkage of the polyamide structure.

폴리아마이드 역삼투 분리막은 우수한 분리성능(염제거율, 수투과도)으로 인해, 해수담수화 공정의 핵심소재로 널리 사용되어오고 있다. 하지만, 해수내 존재하는 오염원에 의해 막표면이 오염(파울링)되어 성능이 저하되는 문제점을 가지고 있어, 분리막의 내오염성을 향상시키기 위한 많은 연구가 이루어져 왔다. 기존 연구는 주로 분리막 표면을 화학적으로 개질하는 방식에 의존하였으나, 장기간 내오염성이 유지되지 못하는 단점을 가지고 있다. 최근 분리막의 표면구조를 제어하여 내오염 특성을 부여하려는 연구가 시도되어 왔다. 본 연구에서는 새로운 분리막 표면구조 제어기술을 활용하여, 내오염특성이 우수한 생체의 표면구조를 모사한 역삼투 분리막을 제조하고, 우수한 내오염성을 구현하였다.