Forward osmosis (FO) has emerged as one of the most promising technologies for seawater desalination. Despite the progress in membrane technology, draw solutions are still limited in terms of its reusability thereby hampering its economic viability. Hydrophilic ILs can be easily dissolved in water to constitute a DS. ILs are environmentally benign due to their high thermal stability and negligible vapor pressure. Hydrophilic ILs can be easily dissolved in water to constitute a DS. ILs are environmentally benign due to their high thermal stability and negligible vapor pressure. This work was supported by NRF funded by the Korea government funded by the Ministry of Science and ICT (2016R1A2B1009221 and 2017R1A2B2002109) and Ministry of Education (2009-0093816 and 22A20130012051(BK21Plus)).

정삼투 여과막(FO) 기술 분야는 해수 담수화에서 이미 다양한 연구가 진행되었으나, 하폐수 처리 분야의 적용에서는 상대적으로 많은 연구가 필요한 상황이다. FO 기술은 비 다공성 특성막과 각 용액 사이의 삼투압 차이를 이용하여 원폐수로부터 수분을 비롯하여, 질소-인과 같은 이온성 물질까지 분리할 수 있다. 본 연구에서는 FO 막을 혐기성 유동상 미생물반응기(AFBR)를 통해 처리된 처리수 내 존재하는 질소(주로 암모니아성 질소)를 제거하기 위해 적용되었다. 유도용액(Draw Solution, DS)의 종류(NaCl, CaCl2, Na2CO3)에 따라 투과량은 NaCl, CaCl2, Na2CO3 순으로 높게 나타났으며, 암모니아성 질소의 배제율은 각각 42.25%, 78.83%, 70.35%으로 나타났다.

물 부족 현상의 해결책으로 저에너지 해수담수화가 가능한 정삼투 공정에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 정삼투는 다양한 수처리 분야에 적용이 가능하며 낮은 비용, 낮은 에너지 소비량, 낮은 막오염의 장점을 가지며 이로 인해 최근 연구가 활발히 진행되고 있다. 최근에는 고분자 전해질을 이용한 유도용질, 온도감응성 고분자를 이용한 유도용질, 나노재료를 이용한 나노파티클 유도용질의 연구가 진행되었으나 상용화에는 이르지 못하고 있다. 본 연구에서는 분자량 약 800의 폴리에틸렌이민을 카복실산 금속염의 형태로 치환함으로써 물에 대한 용해도가 큰 PEI800-K을 합성하였다. 이를 유도용질로서 성능평가를 진행하여 다른 유도용액과 비교실험을 수행하고, 정삼투 후 유도용질의 회수를 위해 나노여과를 사용하였다.

In this study, various physical cleaning methods such as physical washing and osmotic backwash, were performed to understand membrane fouling characteristics 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. Finally, by quantitative analysis of correlations between foulants and fouling reversibility with the modified fouling index (MFI), we identified the applicability of MFI in predicting FO intake water fouling potential.

Forward Osmosis process has no, as yet, reliable method to predict fouling. This study utilized the concept of fouling reversibility to develop the index. The osmotically-driven reversibility index, denoted as ORI, was acquired by measuring the flux recovery after physical cleaning cycle and the protocols of ORI were developed systematically by considering all the critical factors of FO process. The applicability of ORI was examined by investigating FO process when treating secondary effluents from various full-scale wastewater treatment plants. The results demonstrated that the normalized final flux by fouling in FO was closely correlated to the ORI measurements with high statistical reliability. The ORI has proven to be useful evaluation parameter for continuous operation and determining cleaning cycles of FO process.

A highly performing and durable forward osmosis (FO) membrane was prepared using a polydopamine-modified polyolefin (DPO) support via an aromatic solvent (toluene)-based interfacial polymerization (IP). The hydrophobic polyolefin support was uniformly hydrophilized by polydopamine coating, which provided long term operation stability. In addition, a highly permselective selective layer was prepared on the hydrophilic DPO support by the toluene-based IP, which promoted amine diffusion and the subsequent IP reaction. As a result, the prepared DPO-supported TFC membrane exhibited significantly high FO performance, which was ~4.9 times higher FO water flux and ~62% lower specific salt flux than those of a commercial FO (HTI-CTA) membrane in FO mode. Furthermore, its excellent mechanical and chemical stability enabled stable operation.

미량화학물질은 미량 (ng/L)으로 인체 또는 환경에 심각한 피해를 줄 수 있는 물질이므로, 효과적인 미량오염물질 제거 시스템 개발이 필요한 실정이다. 분리막 기반 수처리 공정 중 정삼투 공정은 미량화학물질을 효과적으로 제어할 수 있는 저에너지, 친환경 공정으로 각광받고 있으나, 제거율, 제거기작, 공정최적화 등의 연구가 필요한 실정이다. 따라서, 본 연구에서는 정삼투 공정을 이용하여 미량화학물질의 제거성능을 평가하고 그 기작을 평가하여 수계 내 존재하는 미량오염물질을 신속하고 효율적으로 처리할 수 있는 삼투막 기반 막공정 공법을 제시하고자 한다.

Forward osmosis (FO) is osmotically driven membrane processes and emerging as viable methods for producing fresh water from saline water or wastewater. The FO process is a promising and emerging low energy desalination technology and has been investigated for a wide range of applications including desalination, wastewater treatment, reverse osmosis concentrate treatment, food processing, emergency nutritious drinks, pharmaceutical industries, etc. In particular, although FO membranes have been available for over 40 years, there is still room to improve the water flux and reverse salt flux. Therefore, this presentation will initially probe various opportunities to extend potential commercialization of FO into new niches and applications, identifying key technology constraints. Then our FO membranes developed will be presented.

정삼투 공정에 유용한 유도용질로서 n-nitrilotris(methylene) phosphonic acid (NTPA) 염을 합성하였다. NTPA에 첨가하는 KOH의 함량을 변화시켜 NTPA-4K, NTPA-5K, NTPA-6K 세 종류의 유도용질을 합성하고 1H-NMR, 13C-NMR을 통하여 확인하였다. 유도용질의 물성을 확인하기 위해 삼투압, 점도, 수투과도, 역염 투과도를 측정하였다. 정삼투 공정에서는 증류수를 유입용액으로 사용하고 0.5 M의 유도용액으로 실험한 결과 각각 수투과도는 35.8, 38.8, 42.2 LMH를 나타내고 5.4, 6.9, 7.4 gMH의 역염 투과도를 나타내었다. 이는 기존의 NaCl 유도용액보다 높은 수투과도와 훨씬 낮은 역염 투과도를 확인 하였다. 정삼투 공정 후 묽어진 유도용질의 회수를 위해 나노여과 방식으로 상용막을 사용하여 제거율을 측정한 결과 90% 이상의 높은 성능을 확인하였다.

Forward osmosis (FO) process has been attracting attention for its potential applications such as industrial wastewater treatment, wastewater reclamation and seawater desalination. Particularly, in terms of fouling reversibility and operating energy consumption, the FO process is assumed to be preferable to the reverse osmosis (RO) process. Despite these advantages, there is a difficulty in the empirical step due to the lack of separation and recovery techniques of the draw solution. Therefore, rather than using FO alone, recent developments of the FO process have adapted a hybrid system without draw solution separation/recovery systems, such as the FO-RO osmotic dilution system. In this study, we investigated the performance of the hollow fiber FO module according to various operating conditions. The change of permeate flow rate according to the flow rates of the draw and feed solutions in the process operation is a factor that increases the permeate flow rate, one of the performance factors in the positive osmosis process. Our results reveal that flow rates of draw and feed solutions affect the membrane performance, such as the water flux and the reverse solute flux. Moreover, use of hydraulic pressure on the feed side was shown to yield slightly higher flux than the case without applied pressure. Thus, optimizing the operating conditions is important in the hollow fiber FO system.

폴리에틸렌이민(분자량 800)에 다가이온을 갖는 정삼투용 새로운 유도용질을 합성하고 특성을 분석하였다. 폴리 에틸렌이민과 메틸 아크릴레이트의 중화반응으로 중간체를 합성하고, KOH로 가수분해하여 수용성의 카복실산 금속염 형태의 폴리에틸렌이민을 합성하였다. NMR, 점도, 삼투압을 측정하여 유도용질의 특성을 평가하였다. 그 염이 유도용질로서 사 용할 수 있는지의 여부를 정삼투 실험을 통하여 알아보았다. 유도용질로서 수투과도와 역염 투과도를 측정하여 NaCl과 비교 하였다. 정삼투와 나노여과의 혼성공정을 통하여 유도용질의 회수가능성을 보였다.

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.

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.

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.

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.