본 연구에서는 폴리술폰층 표면에 계면 중합 반응을 시켜 정삼투 복합 박막을 얻는 방법에 있어서, 지지층인 폴 리술폰층과 활성층인 폴리아미드층 사이에 테트라에톡시실란 단량체의 졸-젤 반응을 통하여 고분자를 합성함으로써 친수성 경계층을 형성시키는 방법에 관한 제조법을 제시하였다. 폴리술폰층은 막 저항을 최소화하기 위하여 아주 얇은 부직포를 사 용하였다. 테트라에톡시실란의 졸-젤 반응으로 형성된 고분자 경계층이 폴리술폰층과 폴리아미드층 사이에 형성된 정삼투 분 리막은 친수화도, 유량 향상 등 정삼투 분리막 투과 특성에 있어 향상된 결과를 보여 주었다. 폴리아미드 계면 중합과 테트라 에톡시실란 졸-젤 중합의 순서를 변화시킴으로써 표면 구조 특성 및 정삼투 투과 특성이 크게 달라짐을 볼 수 있었다. 정삼투 막의 투과 특성은 실험실 용량의 정삼투 평가 장치를 통하여, 정삼투 분리막 내 폴리실록산의 분포와 구조는 FE-SEM과 EDAX를 이용하여 조사하였다. PS_PA_TEOS막의 경우 유량에 있어 79.2 LMH로 현격한 증가가 있었으나 염의 역확산 속도 역시 7.10 GMH로 증가하였다. 반면 PS_TEOS_PA막의 경우 PS_PA막에 비해 염의 역확산 속도는 1.60 GMH로 유지되면서 유량이 54.1 LMH로 증가하는 현상을 확인할 수 있었다.

Gas hydrate desalination process is based on a liquid to solid (Gas Hydrate, GH) phase change followed by a physical process to separate the GH from the remaining salty water. The GH based desalination process show 60.5-90% of salt rejection, post treatment like reverse osmosis (RO) process is needed to finally meet the product water quality. In this study, the energy consumption of the GH and RO hybrid system was investigated. The energy consumption of the GH process is based on the cooling and heating of seawater and the heat of GH formation reaction while RO energy consumption is calculated using the product of pressure and flow rate of high pressure pumps used in the process. The relation between minimum energy consumption of RO process and RO recovery depending on GH salt rejection, and (2) energy consumption of electric based GH process can be calculated from the simulation. As a result, energy consumption of GH-RO hybrid system and conventional seawater RO process (with/without enregy recovery device) is compared. Since the energy consumption of GH process is too high, other solution used seawater heat and heat exchanger instead of electric energy is suggested.

Desalination is a key technology to overcome water shortage problem in a near future. High energy consumption is an Achilles’ heel in desalination technology. Osmotically driven membrane processes like forward osmosis(FO) was introduced to address this energy issue. Characterizing membrane properties such as water permeability(A), salt permeability(B), and the resistance to salt diffusion within the support layer(KICP) are very important to predict the performance of scaled-up FO processes. Currently, most of researches reported that the water permeability of FO membrane was measured by reverse osmosis(RO) type test. Permeating direction of RO and FO are different and RO test needs hydraulic pressure so that several problems can be occurred(i.e. membrane deformation, compaction and effect of concentration polarization). This study focuses on measuring water permeability of FO membrane by FO type test results in various experimental conditions. A statistical approach was developed to evaluate the three FO membrane properties(A, B, and KICP) and it predicted test result by the internal and external concentration polarization model.

정삼투 분리막 용도에 적합한 폴리아미드 복합막의 제조에 있어 지지층의 극성 및 공극률이 폴리아미드 구조 및 정삼투 분리막 투과 성능에 미치는 영향을 살펴보기 위하여 클레쏘킬레이트 금속착물(0.1-0.5중량%)이 함유된 폴리술폰(18중 량%) 용액을 상전이 공정을 통하여 지지층을 제조하였다. 제조된 지지층 상에 방향족 폴리아미드 활성층을 제막하였다. 다공 성 PSF 지지층 제조를 위하여 상대적으로 낮은 폴리술폰(12중량%) 용액을 이용한 지지층을 폴리에스터 필름상에서 제조한 후 필름을 제거하고 제조된 지지층 상에 방향족 폴리아미드 활성층을 제막하였다. 제막된 시편 중 폴리술폰(18중량%)/금속착 물(0.5중량%)로 만들어진 FO막은 유량 9.99 LMH, reverse salt flux 0.77 GMH로 HTI의 상용막(10.97 LMH, 2.2 GMH)과 비교해도 거의 비슷한 유량값과 향상된 RSF 값을 얻을 수 있었다. 캐스팅 용액의 금속착물의 첨가로 활성층 두께가 줄어들 었으나 제거효율은 향상되는 결과를 얻을 수 있었다.

가압형 정삼투(pressure-assisted forward osmosis, PAFO) 공정은 기존의 정삼투(forward osmosis, FO) 공정의 단 점인 낮은 수투과도 및 유도용질의 역확산을 극복하여 전체 공정 효율을 향상시킨다. 하지만 가압에 의한 추가적인 수리학적 압력의 작용은 파울링을 가속화 시킨다는 단점이 있다. 본 연구는 PAFO의 간헐적 운전방법인 간헐적 가압형 정삼투 (Intermittent pressure-assisted forward osmosis, I-PAFO)의 파울링 저감 가능성을 평가하기 위해 수행되었다. 비교를 위해 FO 및 PAFO를 동시에 운전하여, 세 가지 운전에서의 파울링 거동을 관찰하였다. 파울링 실험을 위한 오염물질로 콜로이드 실리 카 입자를 사용하였고, 분리막 및 입자의 정전기적 상호작용 에너지 변화가 파울링 거동에 미치는 영향도 확인하였다. 실험 결과, I-PAFO 운전에서, 용액 pH 변화에 관계없이 가압구간, 압력완화 구간에서 각각 PAFO, FO보다 높은 수투과도를 유지 하였다. 파울링 실험 후, PAFO에 비해 I-PAFO운전에서 더 적은 수투과도 감소가 관찰되었고, 이로 인해 물리세정 후 향상된 수투과도 회복률 또한 관찰되었다.

The Pressure Retarded Osmosis (PRO) is the next generation desalination technique and is considered as a eco-friendly energy. This was conducted to evaluate the effect of the temperature and pressure on the PRO performance. The flux of the permeation was measured under different operating conditions and estimated the power density. An improvement of PRO performance is depend on increasing solution temperature and optimum pressure. The effect of increasing feed solution temperature has stronger impact on the PRO performance comparing to the draw solution temperature. The reason of the results was due to the change of osmotic power, viscosity, water permeability and structure parameter(s).

The main objective of this paper is to develop computer simulation program for performance evaluation and cost estimation of a reverse osmosis (RO) and pressure-retarded osmosis (PRO) hybrid process to propose guidelines for its economic competitiveness use in the field. A solution-diffusion model modified with film theory and a simple cost model was applied to the simulation program. Using the simulation program, the effects of various factors, including the Operating conditions, membrane properties, and cost parameters on the RO and RO-PRO hybrid process performance and cost were examined. The simulation results showed that the RO-PRO hybrid process can be economically competitive with the RO process when electricity cost is more than 0.2 $/kWh, the PRO membrane cost is same as RO membrane cost, the power density is more than 8 W/m2 and PRO recovery is same as 1/(1-RO recovery).

Recently, reverse osmosis (RO) is the most common process for seawater desalination. A common problem in both RO and thermal processes is the high energy requirements for seawater desalination. The one energy saving method when utilizing the osmotic power is utilizing pressure retarded osmosis (PRO) process. The PRO process can be used to operate hydro turbines for electrical power production or can be used directly to supplement the energy required for RO desalination system. This study was carried out to evaluate the performance of both single-stage PRO process and two-stage PRO process using RO concentrate for a draw solution and RO permeate for a feed solution. The major results, were found that increase of the draw and feed solution flowrate lead to increase of the production of power density and water permeate. Also, comparison between CDCF and CDDF configuration showed that the CDDF was better than CDCF for stable operation of PRO process. In addition, power density of two-stage PRO was lower than the one of single-stage. However, net power of two-stage PRO was higher than the one of single-stage PRO.

최근 정삼투(FO) 공정의 성능향상을 위해 유입수에 낮은 수압을 가하는 가압형 정삼투(PAFO) 공정이 관심을 받 고 있다. Structure parameter는 FO 및 PAFO 공정 운전시 유도용질의 확산 저항성(Solute resistivity)을 결정하며, 이는 Solution-diffusion model (S-D model)을 통한 수투과 및 염투과 성능 예측을 지배하는 인자 중에 하나이다. 본 연구는 S-D model을 이용하여 가압형 정삼투시 유입수 측에 가해지는 압력에 따른 Structure parameter 변화 양상을 예측하고자 하였다.

물 부족 현상을 해결하기 위하여 저에너지 해수담수화가 가능한 정삼투 시스템에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 정삼투 시스템의 경우 가압 조건이 필요하지 않으므로 에너지 비용을 저감할 수 있고, 막 오염 및 파쇄 현상이 역삼투 시스템에 비해 발생하지 않는다는 장점이 있다. 이에 사용되는 유도 용질의 경우 높은 친수성을 가져야하며, 농도 대비 높은 삼투압을 보여야 한다. 또한 유도용액 후처리 공정에서의 분리가 용이하여야 한다. 최근에는 탄소 양자점 유 도용질, 고분자 전해질을 이용한 유도용질, 온도감응성 고분자를 이용한 유도용 질의 연구가 진행되었다. 본 연구에서는 물에 대한 용해도가 큰 다가 카복실산계 유도용질을 합성하고 정삼투 공정에서의 성능평가 및 타 유도용액과 비교실험을 수행하였다. 또한 후처리 공정인 나노여과공정에서의 성능평가 및 타 유도 용액과의 비교실험을 진행하였다.

정삼투 공정은 높은 압력을 가하여 담수를 얻는 역삼투 공정과 달리 부가적인 압력의 사용 없이 구동이 가능하여 에너지 효율 면에서 많은 이점을 가지고 있다. 특히, 정삼투 공정의 경우 해수담수화, 폐수처리, 음용수 생산 등 많은 범 위에서 응용되고 있다. 정삼투 공정의 성능은 유도용질에 의존하는데 높은 삼투 압, 높은 용해도, 낮은 점도, 낮은 염의 역확산, 저렴한 단가, 무독성 물질 등을 갖춘 유도용액이 우수한 유도용액이라고 할 수 있다. 과거 Ammonium bicarbonate, conventional salts 등을 이용한 유도용질을 비롯하여, 최근 magnetic nanoparticles, dendrimer 등을 이용한 유도용질 개발이 활발히 진행되고 있다. 본 연구에서는 높은 용해도를 가진 butane tetracarboxylic acid와 lithium, sodium, potassium 금속염을 합성하였으며, 합성된 유도용질들의 정삼투 성능평가를 수행 비교하였다.

역삼투 해수담수화 공정에서 막 오염은 생산수량 감소 및 공정의 에너지 소비량 증가를 야기한다. 막간 차압 증가, 생산수량 감소 외에 막 저항 값의 증가는 막 오염 정도를 판단하는 수치로 사용이 가능하다. 특히 막 저항 값 기반의 세정은 막 오염 제어를 통해 역삼투 해수담수화 공정에서 막의 성능 유지 시 사용 가능하다. 이에 본 연구에서는 해수 수질 인자 및 공정 운전 인자에 기반하여 막 저항 값을 예측하는 알고리즘을 제안한다. 알고리즘은 해수담수화 플랜트의 운전 데이터에 기반하여 인자들과 막 저항 값 사이의 관계를 학습하고 검증과정을 거쳐 막 오염 발생 시점을 사전에 예측하는 방식으로 개발되었다. 예측 정확도를 분석하고 개발된 알고리즘의 수정을 통해 예측 정확도 향상을 위한 연구를 진행하였다.

본 연구에서는 역삼투(RO)와 축전식 탈염(CDI)을 이용하여 수돗물로부터 초순 수의 제조 가능성을 살펴보았다. 수돗물의 pH를 조정하여 RO 모듈에 통과시킨 후 RO 처리수를 곧바로 CDI 단위 셀에 공급하여 처리수의 비저항을 측정하였 다. 수돗물의 pH를 4.5-10.0 범위로 조절한 후 RO 모듈에 공급한 결과 pH 8.9 에서 94.6%의 염 제거율을 나타냈다. 또한 pH가 7.2, 8.5, 9.0인 유입수를 RO-MCDI 시스템에서 탈염한 결과 처리수는 각각 0.73, 3.2, 10.0 MΩ⋅cm의 비저항을 나타냈다. 도출된 운전조건을 바탕으로 RO-MCDI 시스템의 장기운전 에 따른 안정성을 검토하였다. 흡착과 탈착과정을 30회 반복하는 동안 안정적으로 10 MΩ⋅cm의 초순수를 제조할 수 있었다.

본 연구에서는 정삼투분리막 적용을 위한 중공사막을 제조하는 것으로서, 염에 대한 안정성을 갖는 셀룰로오스 트리아세테이트(CTA)를 이용하여 제조하였다. 형태학적 구조를 갖기 위한 인자로는 첨가제와 공기 중의 노출시간(에어갭) 이 조절되었다. 제조된 분리막의 순수성능을 알아보기 위하여 염의 종류에 따른 정삼투(FO) 성능을 알아보았다. FO 테스트에서는 용액간 삼투압이 발생하도록 유도용액과 공급용액을 나누어 모듈로 공급하였다. 염의 종류, 용액의 농도, 용 액의 온도, 용액의 공급 방향에 따른 성능을 테스트 하였다.

Thin-film composite (TFC) membrane is currently the most widely used membrane structure for reverse osmosis (RO) process. Most commercial membrane for RO consisted of porous support layer and dense polyamide permselective layer, yet the polyamide layer has a very rough surface morphology and considerable thickness, and these features are intrinsic properties of current RO membrane fabrication process. In this study, we present the new membrane fabrication, named layered interfacial polymerization (LIP). LIP could control the roughness and thickness of permselective layer without complicated process or significant membrane performance loss, and the performance itself was comparable to conventional IP membrane. Moreover, the fabricated membrane has a remarkable antifouling ability possibly due to the unique smooth morphology.

본 연구는 해수 온도(10-26°C)와 TDS (30,000, 35,000, 40,000, 45,000 mg/L) 별 최적의 스플릿 파샬 비율을 탐구하기 위한 연구로써, 역삼투 공정 생산수의 수질 기준(TDS : 150 mg/L 이하, 붕소 농도 : 1 mg/L 이하)을 충족하는 범위 내에서 최저 에너지 소비량을 나타내는 스플릿 파샬 비율 조건을 탐구하였다. 역삼투막 제조사에서 제공하는 3가지 역삼투 시뮬레이션 프로그램(DOW ROSA, TORAY CSMPRO5, LG Q+)을 이용하여 각 프로그램에서 나타내는 최적비율을 비교조사하였다.

본 연구에서는 역삼투막의 내오염성을 향상시키기 위해 실란 커플링제로 표 면 개질하여 steric hinderance를 일으키고 에폭시 코팅으로 친수성을 향상시키고자 하였다. 상용 역삼투막을 UV로 식각하여 표면을 활성화한 후 말단기가 다 른 실란 커플링제를 sol-gel 공법으로 표면 개질하고 에폭시를 이용하여 코팅하였다. 그 결과, 친수성 및 내오염성이 향상된 것을 확인하였고, FT-IR, SEM, XPS 를 통해 막의 특성을 분석하였다.

20 μm의 얇은 폴리에스터(polyester) 부직포 상에 폴리술폰(polysulfone) 고분자 지지체를 제조하였다. 폴리아미드 계면 중합이 일어날 폴리술폰 표면에 폴리 실록산 층이 형성될 수 있도록 실란 화합물을 중합하여 폴리실록산 지지체를 제조하였다. 얻어진 복합막 지지층에서 MPD 수용액과 TMC 유기용액을 계면 중합을 실시한 결과 정삼투 분리용 복합박막을 얻을 수 있었다. FE-SEM을 이용하여 지지층의 구조가 sponge-like 구조임을, EDX를 통하여 폴리실록산이 표면에 한하여 분포됨을 확인하였으며 1 M NaCl 유도용액하에서의 FO-mode 유량 이 79.2 - 117 LMH로 향상되었으며 RSF값은 2.12 - 7.97 GMH로 유지함을 확인할 수 있었다.

We report on a new fabrication method of polyamide thin film composite RO membranes, so called support-free interfacial polymerization (SFIP). In SFIP method, the PA layer is first formed at the interface without a porous support, and then adhered onto a support unlike conventional IP where the PA layer is in-situ formed directly on a support. We control the surface chemistry of a PAN support by adjusting hydrolysis to maximize adhesion of the PA layer with the support. The SFIP-assembled membrane showed higher performance and unique surface morphology compared to conventional IP-assembled one. It allows facile characterization of the PA layer and PA-support interface together with well-defining each component. Therefore, SFIP provide an promising material platform for the fabrication of RO membranes and fundament study.

삼투압과 기계적 가압의 영향을 모두 받아 비가역적 거동을 보이는 역삼투 (RO) 막오염과는 달리 정삼투(FO)에서 발생된 막오염층은 물리적 세척을 통해 일정수준이상 회복되는 가역성을 보인다. 최근 연구결과에 따르면 FO의 막오염 물질 중 단백질과 다당류와 같은 물질들이 비가역적인 막오염을 유발할 수 있 다는 결과를 보여주었는데 이는 FO의 장점인 가역성을 저해할 수 있다. 이러한 원수에 있는 막오염 물질들이 막오염에 영향을 줄 수 있기 때문에 실제 하수 2 차 처리수를 이용하여 평가한 결과 40% 이상 막오염 회복도가 떨어졌으며 이는 분리막과 원수의 특성에 따라 차이를 나타내었다. 따라서 정삼투공정 운전 시 원수성상과 사용하고자하는 분리막의 재질을 고려하여 물리적세척주기를 결정하여야 한다.