재래식 해수담수화 수평적 압력용기 설계는 후단에 있는 역삼투막에는 농축수에 의해 수질악화 및 생산수저감 등이 동반된다. 이를 해결하기 위해 본 연구에서는 개념적인 중앙 주입식 압력용기가 생산수 단가에 미치는 영향과 역삼투 공정 설계 시 주요 인자들이 성능에 미치는 영향을 조사를 위해 상업화된 역삼 투 프로그램인 ROSA를 이용하여 분석하였다. 그 결과 중앙 주입식 압력용기를 이용할 경우 총괄적인 회수율과 SEC 측면에서 성능이 저하하지만, 막 모듈 당 생산되는 생산수량이 증가하는 것으로 나타났다. 또한 생산수의 수질개선은 2단 설계의 용량 감소로 인하여 건설비 저감으로 연계되는 것으로 조사되었다. 본 연구는 국토교통부 플랜트연구사업의 연구비지원(과제번호 16IFIP-B089908-03)에 의해 수행되었습니다.

정삼투막 성능 예측에는 Solution-diffusion model이 지배적으로 활용되어 왔으나, 기존 연구에서 수압과 삼투압이 동시에 작용하는 가압형 정삼투 공정에 대한 예측정확도가 감소하며, 이를 위해 수압이 투과성능에 미치는 영향을 convection과 diffusion을 동시에 고려해야한다는 연구결과가 보고되었다. 본 연구에서는 CTA-ES 및 PA-TFC 정삼투막을 이용하였으며, 활성층 측에는 NaCl 용액을, 지지층 측에는 증류수를 주입하고, 활성층 측에 삼투압과 동일한 수압을 가하여 농도변화에 따른 수투과도 및 염투과도의 변화양상을 평가하였다.

역삼투(RO) 해수담수화 공정에 필요한 많은 에너지를 절감하기 위해 최근에 다양한 연구개발이 추진 중이다. 그 중에서 농도차에 의해 발생하는 삼투현상을 이용한 정삼투(FO)와 압력지연삼투(PRO) 기술을 접목한 하이브리드 해수담수화 공정들이 대표적이다. 특히, PRO 기술은 해수담수화 플랜트에서 배출되는 농축수와 하수처리수를 PRO 시스템의 유도용액과 원수로 각각 활용하여 두 용액의 염도차에 의해 발생되는 에너지를 회수함으로써, 기존 역삼투 해수담수화 공정 대비 25% 이상의 에너지 절감이 가능하며, 해수담수화 플랜트의 고농도 농축수를 희석 방류함으로써 해양생태계 파괴 방지 및 농축수 처리비용 절감 등의 효과를 기대할 수 있다.

전 세계적으로 대두되고 있는 물 부족 현상을 해결하기 위하여 하수재이용과 해수담수화 공정의 관심이 높아지고 있다. 특히, 정삼투-역삼투 융합공정은 해 수를 유도용액으로, 하수처리수를 유입수로 하여 정삼투 공정에서 유도용질의 회수 없이 희석된 해수를 역삼투 공정을 통해 하수재이용과 해수담수화를 동시 에 달성할 수 있는 공정으로 최근 각광받고 있다. 이 융합공정은 정삼투 공정과 역삼투 공정의 단점을 상호 보완하는 저에너지 공정으로 차세대 해수담수화 시장을 이끌어 나갈 것으로 판단된다. 따라서, 본 연구에서는 정삼투, 역삼투 막의 특성과 융합공정의 운영인자를 반영한 공정모사를 통하여 정삼투-역삼투 융합 공정의 소비에너지를 최소화 시킬 수 있는 최적 운영조건을 도출하고자 하였다.

비료를 유도용액으로 사용하는 정삼투를 하수처리수(2차 침전지 유출수)의 재이용에 적용하여 유도용액의 성능을 평가하였다. 일반적으로 많이 사용되고 있는 비료 중에서 삼투압, 용해도 및 pH 등을 고려하여 NH4H2PO4, KCl, KNO3, NH4Cl, (NH4)2HPO4, NH4NO3, NH4HCO3 및 KHCO3을 유도용액 후보군으로 선정하고, 수투과선속 및 역용질선속을 측정하 여 유도용액의 성능을 평가하였다. 평균 수투과선속은 KCl > NH4Cl > NH4NO3 > KNO3 > KHCO3 > NH4HCO3 > NH4H2PO4 > (NH4)2HPO4의 순서로 나타났으며, KCl을 유도용액으로 사용하였을 때, 평균 수투과선속은 13.49 LMH이었다. 하수처리장 2차 침전지 유출수의 삼투압은 탈이온수의 삼투압에 비해 큰 차이가 없었다. 역용질선속은 NH4H2PO4 < NH4Cl < (NH4)2HPO4 < KNO3 < NH4HCO3 < NH4NO3의 순서로 나타났으며, NH4H2PO4를 유도용액으로 사용하였을 때, 역용질선 속은 4.96 × 10-3 mmol/m2⋅sec이었다.

지하수를 식수원으로 활용하고 있는 대부분의 소규모 마을상수도 시설에서 방사성물질 발현에 대한 문제가 지속적으로 재기됨에 따라, 2015년 수질감시기준에 우라늄 항목이 추가되었다. 효과적인 우라늄 처리를 위하여, 마을상수도 시설에 NF 및 RO를 이용한 처리공정의 적용이 증가하고 있으나, 적용된 분리막의 효율적인 관리방법이 미흡한 현실이다. 전문적인 운영관리인원이 부족한 현실에서 안정적인 RO공정의 운영을 위한 방안으로 분리막의 세척방안 마련이 필요하다. 이를 위하여 본 연구에서는 RO공정을 마을상수도에 도입시키고 운영하며, 발생되는 RO 분리막 오염의 효과적인 제어방법을 도출코자 하였다. 효율적인 세척방법으로 산/염기의 순차적 세척방법이 도출되었으며, 약 93%의 분리막 세척효과를 확인하였다.

A comparative investigation of structure and performance between integrally asymmetric (IA) and thin film composite (TFC) FO membranes has been conducted. The TFC membranes showed superior water flux than IA CTA-based membranes, especially at alkaline feed and draw solutions. However, AFM results displayed smoother surfaces, resulting in the lower fouling propensity of the IA membranes than the polyamide TFC membranes. XPS data revealed lower oxygen atomic content and higher negatively charge of the active layer and higher fouling tendency of the TFC TCK membrane than the TFC HTI membrane. The TCK membrane prepared on a woven substrate served as a promising membrane for FO. This study suggests that desirable FO membranes require the TCK membrane-like open and thin structure as well as the enhancement of antifouling resistance.

정삼투 공정은 에너지 소비율면에서 역삼투 공정 대비 1/10 수준이며, 고압⋅고에너지를 요하는 역삼투 공정의 대안으로 각광받고 있는 기술이다. 이러한 정삼투 공정은 저에너지 및 고효율화를 요구하는 산업분야에서 다양하게 적용 가능할 것으로 예상된다. 그 예로서, 선박 폐열을 이용한 유도 용액 회수, 산업폐수 재이용, 휴대용 비상 급수용 장치, 음식과 음료 및 의약용품 농축공정 등을 들 수 있다. 현재까지 정삼투 공정은 주로 실험실 규모에서 연구가 진행되었으며, 기술 상업화에는 아직 이르지 못한 실정이다. 국외에서는 미국, 싱가포르 및 호주 등에서 정삼투 실용화 연구가 활발하게 진행되고 있으며, 국내의 경우 FOHC 연구단에서 해당 공정의 기본 메커니즘 및 실용화에 관한 연구가 이루어지고 있다.

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.