분리막 생물반응조내 침지형 평막(공칭공경 0.15 ㎛, CPVC)을 사용하여 운전방식에 따른 막 오염 저감효과를 알아보았다. 또한 SMP, EPS와 같은 입자성 물질을 플록으로 형성시켜 장기운전을 가능하게 하였다. 운전방식은 기존 운전/휴지 방식과 연속적으로 처리수를 생산할 수 있도록 자체 개발한 사인파형 투과유속 연속운전(Sinusoidal flux continuous operation; SFCO)을 적용하였다. 응집제를 투여한 경우 기존 운전/휴지방식에 비하여 SFCO의 TMP는 최대 30% 미만으로 유지됨을 확인할 수 있었다.

본 연구에서는 침지형 정밀여과막(공칭공경 0.15㎛, CPVC)을 사용하여 에멀젼형 절삭유(MECOOL-7000, Megalube사) 수용액을 처리하였다. 막 오염을 효과적으로 감소시키기 위하여 대칭형 또는 비대칭형의 사인파형 투과유속 연속운전(Sinusoidal flux continuous operation; SFCO) 실험을 실시하였다. 분리막의 투과유속이 증가함에 따라서 막간차압이 증가하였으나, 대칭형 운전방식이 비대칭형 운전방식에 비하여 막간차압이 낮게 형성되어 막오염 제어에 효과적임을 확인할 수 있었다.

COMSOL 소프트웨어 프로그램을 이용하여 중공사형 분리막 모듈 내 용액의 속도 및 압력 분포를 포함한 유동현상을 규명하였으며 투과유속에 따른 농도분극을 수치해석하였다. 모듈의 길이, 충전율, 회수율 및 투과 유속 그리고 입구의 위치를 하단부 혹은 측면부로 변화시키면서 계산하였다. 이상의 운전변수 중 모듈의 길이가 압력 강하에 가장 큰 영향을 미침을 확인하였으며 중공사형 모듈 내의 농도분극은 입출구의 위치에 따라서 변화함을 알 수 있었다.

본 연구에서는 산화그래핀(GO)을 기질 고분자인 PVdF에 도입하여 전기방사법으로 나노섬유 형태의 분리막을 제조하고, 수처리용 분리막으로의 활용가능성을 조사하였다. 제조된 GO와 나노섬유 분리막은 SEM, TEM, XPS, FT-IR, Raman spectra등을 이용하여 GO의 도입여부 및 화학적 구조를 분석하였으며, 순수투과도 및 제거율, TMP변화를 상용막인 CPVC(chlorinated Polyvinyl chloride) 평막과 비교분석하였다. 또한, 항균성 향상과 중금속 제거를 위해 금속물질과 복합화를 진행하고, 이에 따른 활용가능성을 조사하였다.

본 연구에서는 dimethylformamide (DMF)와 acetone의 혼합용액에 산화그래핀(graphene oxide, GO)을 분산시키고 기질 고분자인 PVdF (polyvinylidene fluoride)를 도입하여 전기방사법으로 나노섬유를 제조하였다. 또한 PVdF/GO 복합 나노 섬유를 평막 형태로 적층시켜 기공크기 0.4 μm인 정밀여과막을 제조하였다. 그리고 GO의 고유한 항균 특성으로 생물학적 오염을 줄일 수 있는 PVdF/GO 복합막의 막오염을 평가하기 위하여 막간 압력차(transmembrane pressure, TMP)를 측정하였 다. 유효 막면적이 0.01 m2인 PVdF/GO 평막과 상용화된 MBR용 CPVC (chlorinated polyvinyl chloride) 평막을 MLSS 4,500 mg/L인 활성슬러지 수용액 내에서 동시에 투과 실험하였다. 공기를 주입하지 않을 경우, 투과유속이 10 L/m2⋅h일 때 PVdF/GO 막의 TMP는 CPVC 막의 최대 79%까지 감소하였다. 또한 운전/휴직 방식으로 운전할 경우, 10 L/m2⋅h일 때 PVdF/GO 막의 TMP는 CPVC 막의 최대 69%까지 감소함을 확인하였다.

본 연구에서는 MBR 내에 침지된 분리막 오염을 평가하기 위하여 운전시간에 따른 막간차압(TMP)을 측정하였 다. 유효 막면적이 0.02 m2이고 공칭 세공크기가 0.15 μm인 정밀여과용 평막 모듈을 MLSS 5,000 mg/L인 활성슬러지 용액 에 침지시켰다. 운전/휴직(R/S) 및 사인파형 투과유속 연속운전(SFCO) 방식에 따른 TMP를 비교하기 위하여 동시에 투과 실 험을 수행하였다. SFCO 운전방법에 따른 TMP는 R/S에 비하여 최대 93% 낮게 유지되었으며 투과유속이 증가함에 따라서 TMP 감소 효과는 줄어들었다. 또한 응집제인 FeCl3를 활성슬러지 용액에 500 mg/L 농도로 주입시키면 SCFO 운전방식의 경우, 투과 운전시간을 5배 이상 증가시켜도 한계 운전 TMP인 55 kPa의 40% 미만으로 유지됨을 확인할 수 있었다.

본 실험은 실험실적 규모의 침지식 평막형 분리막이 장착된 활성슬러지 생물반응기에 인공폐수를 사용하여 수행하였다. 분리막 운전은 MLSS 5,000 mg/L 활성슬러지 용액을 일정 유량으로 계속 투과시키는 방식과 주기적으로 10분여과/2분휴지 방식으로 구분하여 실시하였다. 산기량은 0.25 L/min로 일정하게 유지한 상태에서 투과유속을 10에서 25 L/m2⋅hr까지 증가시키면서 막간차압을 측정하였다. 또한 분리막 오염 상태를 판단하기 위하여 완전막힘, 표준막힘, 중간막힘, 비압축성케이크 및 선형압축성 케이크 오염 모델을 실험값에 적용하였다. 10분운전/2분휴지 운전방식에서는 매 주기마다 펄스형태로 막간차압이 변화하므로 최고점 및 최저점 연결선으로 구분하여 막오염 모델을 적용하였다. 활성슬러지 케이크 막오염은 이상의 5가지 오염 모델 중 선형압축성 케이크 오염 모델이 모든 투과실험 결과와 가장 잘 일치하였다.

본 연구는 정밀여과용 관형 분리막 모듈 내에 자체 설계한 기체분사형 노즐을 장착하여 막오염 감소 효과에 따른 투과유속을 측정하였다. 원료 용액으로는 0.1 wt% yeast 입자를 사용하였으며 공기 주입에 따른 막오염 감소 효과를 확인하기 위하여 공기를 주입하지 않은 경우와 주입한 경우의 투과유속을 비교⋅분석하였다. 공기를 주입하지 않았을 경우 투과유속은 지속적으로 감소하였지만 공기를 주입할 경우 투과유속은 공기를 주입하지 않은 경우와 비교하여 30% 이상 향상됨을 확인 하였다.

본 연구는 이산화탄소를 효율적으로 분리하기 위한 이온성액체 지지분리막 제조를 목적으로 한다. 공칭크기 0.1 mum PVDF 정밀여과막에 이온성액체인 [bmim][PF6] (1-butyl-3-methylimidazolium hexafluorophosphate)를 분리막 세공내로 흡입시켜 고정화하였다. 제조된 이온성액체 지지막에 대한 N2, H2, CO2 기체의 투과도는 0.075, 0.203, 1.380 GPU로 측정되었으며 CO2/N2, H2/N2의 선택도는 각각 14.2와 2.69이었다. 또한 이온성액체 지지분리막은 이온성 액체가 운전압력 2.0 bar까지 세공 내에 고정되어 안정적으로 운전 가능하였다.

막증류는 소수성이 강한 0.1 내지 0.5μm의 정밀여과막을 통하여 휘발도가 상대적으로 큰 성분을 증발시켜 분리하는 방법이다. 본 연구에서는 중공사형 분리막을 이용한 직접접촉식 막증류 공정을 "COMSOL Multiphysics" 프로그램을 이용하여 수치해석 하였으며 유체의 유입온도, lumen 및 shell side 공급 유속의 변화로 인한 투과량의 변화를 해석하였다. Lumen 공급용액의 온도가 30 에서 50℃까지 증가할 경우 막증류 투과량은 1.0에서 3.8 L/㎡·hr 까지 증가하였으나 shell 유체온도 영향은 상대적으로 낮았다. 또한 lumen 공급유속에 따른 막증류 투과량과 운전 압력손실을 고려할 경우 0.15 m/s (ReL = 135)일 때 가장 효율적임을 확인하였다.

연구는 음식물 쓰레기를 음식물 소멸기에서 미생물에 의해 발효하여 유기물을 감량화하고, 음식물 발효시 발생되는 가스를 냉각기에서 기체와 수분으로 분리하여 기체는 반응기로 다시 보내고 수분은 응축하여 침지식 MF 중공사 분리막이 장착된 MBR 시스템에 적용하여 처리하는 시스템에 관한 연구이다. (주)바이오하이테크에서 제작한 음식물 소멸기와 수처리 장치에 침지식 MF 중공사 모듈을 설치하여 90일간 H연구소 직원식당에서 발생되는 음식물 쓰레기를 연속 투입하여 처리하였다. 음식물 소멸기 초기 Seeding를 위하여 수분조절제로 미강, 왕겨, 톱밥을 305 kg 투입하였고 음식물은 운전기간동안 1,648 kg투입하였고 응축폐수는 1,600 L 발생되었다. 음식물 소멸기 운전 종료 후 배출된 발효 부산물은 386 kg으로 감량율은 약 80%로 조사되었다. 침지식 MF 중공사 분리막 모듈을 응축폐수의 MBR 시스템에 적용하여 유기물 처리한 결과 제거율은 각각 BOD 99.9%, COD 97.5%, SS 98.6%, T-N 54.6%, T-P 34.7%였으며, 총대장균은 100%가 제거되었다.

카놀라유, 대두유, 자트로파유와 메탄올을 연속적으로 분리막 반응기에 순환시켜 바이오디젤을 제조하였다. 분리막은 반응기 역할과 반응 생성물로부터 미반응된 유지를 분리하여 고순도의 fatty acid methyl ester (FAME)를 생산하는 역할을 한다. 공칭 세공크기 0.2, 0.5 μm인 정밀여과형 세라믹 관형 분리막을 사용하였다. 운전압력 0.5 bar에서 0.2 μm 정밀여과막에 대한 투과유속은 공급유량 400 mL/min일 경우 15 L/m2·hr이었다. 또한 투과액중 FAME 함량은 0.5 bar에서 가장 높았으며 운전압력이 증가할수록 감소하였다.

본 연구는 정밀여과용 Chlorinated Polyvinyl Chloride (CPVC) 평막의 화학약품 수용액 내에서 경과시간에 따른 내화학성을 측정하기 위하여 실시하였다. 화학약품으로는 막 세정에 주로 사용되는 유효염소 0.5 wt% NaClO 수용액과 산성인 HCl 1 wt%, pH 4 수용액 그리고 알카리인 NaOH 4 wt%, pH 10 수용액을 사용하였다. 이상의 수용액중에 CPVC 분리막을 1일, 3, 5, 10일 동안 5, 25, 50℃에서 침지시킨 후, 각각의 인장강도와 파단시 신장율을 측정하여 내구성을 평가하였다. 막 세정시 주로 사용되는 유효염소 0.5 wt% NaClO 수용액의 경우 5℃ 조건에서는 인장강도 변화는 5% 이내이지만 25, 50℃에서는 17%까지 감소하였다. CPVC 분리막의 내화학성은 산성인 HCl 1 wt%와 pH 4 수용액에서 우수하였으나 NaOH 4 wt% 수용액에 대해서 가장 취약한 것으로 나타났다.

공칭 세공크기 0.1 μm이고 내경이 5 mm인 정밀여과용 관형 분리막 내에 자체 설계한 배출봉을 삽입하여 막오염 감소효과에 따른 투과유속을 측정하였다. 원료용액으로는 에멀젼 상태의 dioctyl tinoxide (DOTO) 입자를 사용하였으며 0.5 wt%까지 농도를 변화시키면서 1.6 bar 이내에서 운전하였다. 배출봉의 효과는 매 실험마다 배출봉을 삽입한 경우와 사용하지 않은 경우의 투과유속을 비교하여 평가하였다. 배출봉을 사용할 경우 운전압력 1.6 bar에서 최대 20%의 투과유속이 향상되었다. 또한 DOTO 농도가 증가함에 따라서 배출봉에 의한 투과유속 향상효과는 크게 나타났으며 0.5 wt% 농도에서 43%까지 투과유속이 향상되었다.

공칭크기가 0.2μm인 polytetrfluroethylene(PTFE Satorius사) 정밀여과막에 0.1wt% kaolin benotonite yeast 및 starch 용액을 각각 투과시키고 막을 세척한 후 순수/이소부탄올을 이용한 액체전이법으로 막의 세공분포를 추정하였다 액체전이법으로 추정한 오염되지 않은 PTFE 분리막의 세공분포는 수은침투법 및 전자 현미경 사진의 분포와도 유사하였다 PTFE 막의 세공크기보다 작은 입자가 존재하는 bentonite 및 starch 용액을 투과시킬 경우 분리막 세공이 상당히 오염되어 세공분포가 약 0.3μm이하로 축소되었다. 그러나 kaolin 용액의 경우에는 0.35μm 이상의 세공일부만이 부분적으로 오염된 것으로 나타났다 이와같이 액체전이법을 이용한 분리막의 세공분포 측정으로 막오염 현상을 보다 정량적으로 구명할수있었다.

오일과 세척제가 다량함유되어 있는 자동차 세척배수를 한외여과막으로 처리하였다 세차배수 처리에 적절한 분리막과 투과현상을 평가하기 위하여 분획분자량이 10, 30 및 100k dalton인 한회여과막과 dead-end 방식의 stirred cell (Amicon 8050)을 사용하여 투과유고과 제거율을 측정하였다 분획분자량이 작은 막에 경우 막오염현상이 미약하였으나 분획분자량이 큰 YM100 (100k dalton)인 경우에는 분리막 표면에 오일층을 형성 뿐만 아니라 막 세공 중 일부는 운전압력 조건에 따라서 변형이 가능한 오일 입자가 막을 가능성이 있다 그러나 오일 및 입자 배제율 95% 이상이며 세척제를 포함한 투과수를 재활용할 수 있어 수질오염을 최소화할 수 있을 것으로 판단된다. 또한 분획분자량이 50k dalton인 중공사형 한외여과막을 이용한 세차배수의 연속적 처리실험을 하였으며 케이크 여과모델이 잘 적용굄을 확인할수하였다.

에멀젼형 절삭유(Caltex, Trusol) 수용액을 공칭 세공크기가 0.22μm 인 Millipore사의 GVHP 막과 0.2μm인 SUS 관형막(Mott 사)이 설치된 dead-end 및 십자형흐름 정밀여과 시스템으로 각각 분리하였다. 오일입자의 분포는 0.07 내지 0.22μm의 분포이었다. 투과유속을 예측하기 위하여 cake 여과모델 (CFM)과 standard pore blocking 모델(SPBM)을 적용하였다. Dead-end 시스템에서 0.01 vol% 절삭유 수용액을 400 rpm으로 교반시켜 투과시킬 경우, 100 kPa 이하에서는 CFM 이 투과유곡을 잘 나타내었으나, 150 kPa 이상에서는 SPBM을 적용할 수 있었다. 운전압력을 60에서 200 kPa로 갑자기 증가시키면 분리막 표면에 형성된 오일층이 파괴되고, 다시 60 kPa로 감소시킬 때 반복하여 오일층이 형성됨을 알 수 있었다. 투과기구가 CFM에서 SPBM 으로 전환되는 이른바 임계압력을 추정하였으며, dead-end system에서는 약 100 kPa이었다. Reynolds 수가 7080인 십자형흐름 시스템에서 농도를 0.01에서 0.03 vol%로 증가시키면 입계압력이 약 100에서 150 kPa로 증가하였다.

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.