Membrane separation processes have been widely used in water purification or gas separation applications because of their process simplicity, low cost operation and small footprint. Nowadays, applications of ceramic membranes with high thermal, chemical and mechanical resistance has rapidly grown in new separation applications where the polymeric membranes cannot be used (e.g., high temperature, strong acidic/basic or solvent-contained corrosive feed solution). In this study, robust ceramic hollow fiber membranes were prepared by extrusion-phase inversion followed by sintering. The effects of preparation conditions on membrane characteristics were studied to improve the separation performance of ceramic membranes. In addition, a variety of modification methods and applications based on ceramic hollow fiber membranes will be discussed.

본 연구에서는 sol-gel법을 이용하여 균일하고 결함을 최소화한 세라믹 한외여과막을 제조하였다. 알루미나 중공 사 정밀여과막 지지체의 기공 크기를 줄이기 위해, 합성된 boehmite sol과 sol-ethanol 혼합 용액을 사용하여 dip coating법으 로 지지체 표면 위에 γ-알루미나 활성층을 형성시켰다. pristine sol을 이용하여 4회 이상 코팅했을 경우 박막층의 두께가 상당히 증가하여 균열 및 박리현상을 야기시키고, 3회 코팅을 진행하였을 경우 표면 결함이 최소화된 최적의 시료를 얻을 수 있었다. 또한, 소결 온도가 γ-알루미나 활성층의 기공 크기에 미치는 영향을 분석하였다. 소결 온도가 1000°C일 때 가장 높 은 순수 투과도 값을 보였으며, 10 nm 크기의 dextran 분획분자량(molecular weight cut-off (MWCO) : 51 kDa)이 관찰되었다. 600, 800°C에서 소결한 막의 경우, 12 kDa MWCO (dextran 5 nm)를 갖는 것으로 확인되었다. 결과적으로, 코팅 용액의 조성은 박막층의 두께에 큰 영향을 주었고, 소결 온도에 따라 분획분자량이 크게 영향을 받는 것을 알 수 있었다.

In this study, we performed preparation and characterization of cellulosic hollow fiber membrane for the application of pressure retarded osmosis(PRO). We used high temperature nonsolvent induced phase separation (HT-NIPS) method to prepare robust hollow fiber membranes with cellulosic polymer blends at high concentration. Prepared hollow fiber membranes showed effective skin layer formation and sponge-like pore structure. In addition, the effects of pore-forming agents with different molecular weight and bore liquid composition on PRO performance were studied. The prepared membranes showed stable water flux and power density under the hydraulic pressure upto 10 bar. The highest power density of the membrane module was 5 W/m2 at 12 bar.

In membrane applications for wastewater treatment, polymeric membranes are dominant due to their processbility and low cost. To enlarge the membrane application in industrial effluent treatment, membrane materials with high mechanical and chemical tolerance should be needed. Although ceramics such as alumina would be good options for harsh environmental conditions, high cost and complex production methods hinder the application of ceramic membranes. Here, we demonstrate the preparation of cost-effective, robust alumina hollow fiber membranes (HFMs). Alumina HFMs prepared with phase inversion method followed by sintering showed narrow pore size distribution. Also, characteristics of the membrane can be easily tuned by controlling spinning and post treatment conditions.

미세 기공을 갖는 세라믹 중공사막의 기공 크기 및 분포도를 분석하기 위해 gas-liquid displacement porometer(GLDP)와 liquid-liquid displacement porometer(LLDP) 두 가지 측정법을 이용하였다. GLDP와 LLDP를 이용한 기공 크기 측정 및 분석과 관련하여 이론적 고찰을 진행하였고, 10-100 nm의 기공 크기를 갖는 세라믹 중공사막의 기공 크기 및 분포도를 비교 분석하였다. 또한, 서로 다른 기공크기를 가질 것으로 예상되는 세 종류의 세라믹 중공사막의 기공 크기 측정 결과와 수투과도, 배제율 측정 결과를 종합하여 분리막 특성의 연계성을 확인하였다.

분리막의 기공 크기 및 분포도를 분석하기 위한 다양한 측정법이 있지만 10-50 nm 범위의 한외여과막 기공크기 를 정확하게 측정하기가 까다롭다. 따라서 gas-liquid displacement porometer (GLDP)와 liquid-liquid displacement porometer (LLDP) 기공 특성 측정법 두 가지를 이용하여, 10-100 nm의 기공크기를 갖는 세 종류의 세라믹 분리막(K-100, A-100, A-20) 의 기공 크기 및 분포도를 비교 분석하였다. GLDP는 한외여과막의 최대 기공크기를 측정하는데 적합한 분석법으로 확인되 었고, LLDP로 측정된 평균 기공크기가 분리막의 분리 성능 결과와 더 연계되어 있었다. 또한 LLDP는 10-50 nm 범위의 기 공크기를 측정하는데 적합한 기공 분석법으로 확인되었으나, GLDP 보다 낮은 정밀도와 높은 민감도를 나타내었다. 다양한 기공 특성 분석법 가운데, 최근 상용화된 LLDP 기술은 종래의 측정법으로 알지 못했던 유용한 결과들을 제공할 수 있을 것 으로 기대된다.

증류에 의한 올레핀/파라핀 분리는 끓는점이 유사하여 에너지 소모가 높기 때문에, 분리막을 이용한 연구가 많이 진행 중이다. 특히 CMS 분리막은 sieving separation에 의한 투과/분리 성능이 우수하다. 따라서 본 연구에서는 중공사형 α-alumina 지지체에 γ-alumina 중간층을 형성한 후 Matrimid로 코팅하여 열분해함으로써 높은 기계적 강도와 충진 밀도를 갖는 중공사형 CMS 복합막을 제조하였다. 제조된 CMS 분리막은 20 - 35 GPU 프로필렌 투과도와 10 이상의 프로필렌/프로판 분리도를 보였다. 이 연구는 2014년 정부(미래창조과학부)의 재원으로 국가과학 기술연구회 융합연구단 사업(No. CRC-14-01-KRICT)의 지원을 받아 수행된 연구입니다.

세라믹 중공사형 분리막은 열적, 화학적 안정성, 내구성이 우수하며 packing density를 증가 시킬 수 있어 수처리용 분리막으로 적합하다. 중공사형 세라믹분리막은 보통 상전이법에 의해 제조하지만, 생산 속도 및 세라믹 함량 제한이라는 기술적 한계를 갖는다. 뿐만 아니라 세라믹 소재가 갖는 특성인 취성으로 인해 scale-up의 한계가 있는 것으로 보고되었으며 이를 해결하기 위해 고강도 세라믹 중공사형 분리막의 제조가 요구되는 실정이다. 따라서 본 연구에서는 새로운 제막 방식인 상전이-압출 공정을 통해 생산속도를 높여 세라믹 분리막의 대량 생산에 적합할 것으로 사료되며, 제조 용액 내세라믹 분말의 함량 증가 및 소결 조건을 통해 고강도 세라믹 중공사형 분리막을 제조 할 수 있었다.

FO is prominent membrane technology for desalination due to no hydraulic pressure requirement and low fouling propensity compared to RO. TFC membrane was widely used due to excellent perm-selectivity and chemical resistance. TFC membrane consists of dense and support layer. Academic efforts focused on advance TFC membranes characteristics and performances. This work attempts to fabricate TFC FO membrane with highly permeable ultra-thin intermediate layer on the support layer using polydopamine and graphene oxide. Role of the intermediate layer on performances was demonstrated via characterization and FO operation.

최근 인구 폭발적 증가, 기후변화 등으로 인해 전 세계적으로 이용 가능한 수 자원이 감소할 것으로 예측되고 있어 대체 수자원에 대한 관심이 확대되고 있으며, 이의 대안으로 해수담수화 기술이 주목받고 있다. 해수담수화 방법에는 증류방식과 분리막 기술인 역삼투 공정이 대표적 기술이라 할 수 있으나, 최근 에는 증류법과 분리막법을 접목한 막증류법의 해수담수화 분야 적용 가능성이 점차 확대되고 있다. 막증류 공정은 기본적으로 증류 기반의 공정으로, 별도의 압력이 필요 없으며, 현재 가장 범용화된 분리막 기술인 역삼투 공정에 비해 높은 염 제거율 및 회수율로 인해 차세대 해수담수화 기술로 주목받고 있다. 따라서 본 발표에서는 막증류 공정용 분리막 소재 개발에 대한 내용을 소개하도록 한다.

최근 수처리 기술수준의 한계를 극복하기 위한 새로운 대안으로 나노 기술과 수처리 기술의 융합이 부각되고 있으며, 특히 분리막 분야에서는 나노 기술 접목이 담수화 이외에도 하수재이용, 폐수처리, 에너지 생산 등 다양한 분야에 적용이 가능할 것으로 예측되고 있다. 기존 분리막 소재에 활용 가능한 나노소재로는 탄소계 나노소재와 금속계 나노소재가 후보군으로 연구가 진행 중에 있다. 나노소재의 경우 소재 자체가 가지는 물리화학적 특성으로 분리막의 기계적 특성, 표면전하, 친수성도 등의 변화를 기대할 수 있다. 따라서 높은 기능성을 갖는 나노소재 기반 분리막 기술의 개발은 기존 수처리 기술의 문제 해결 및 나노 기술과 환경 기술의 융·복합 연구에 대한 새로운 패러다임을 제시할 수 있을 것으로 기대된다.