Perfluorinated sulfonic acid (PFSA) ionomers have been widely used as representative polymer electrolyte membrane (PEM) materials for water electrolysis to generate hydrogen and oxygen gases with a high purity (e.g., 99.999%) simultaneously. PEM should satisfy high selectivity of proton to water and act as gas barrier to hydrogen and oxygen in order to improve current efficiency which is a barometer to determine how effectively the electric energy is used for water electrolysis. In this study, PFSA ionomers with different chemical architectures and equivalent weights were used to make PEM materials for water electrolysis. The structure-property-performance relationship was systematically investigated.

바이오파울링은 역삼투막 여과 공정에서 운전 성능을 저해하는 주요 원인이다. 이전 연구들은 분리막 표면에 발생하는 바이오파울링을 제어하기 위해서 화학적 세정제를 주입하는 방법을 주로 사용하였다. 화학적 세정제의 주입은 분리막의 손상뿐만 아니라 이차적으로 수계 오염을 발생시키기 때문에 주입 농도와 운영 방법에 주의가 요구된다. 이러한 문제를 극복하기 위해, 본 연구에서는 분리막 표면에 생물막 저해제를 고정하여 바이오파울링을 제어하는 연구를 수행하였다. 표면 고정화를 위한 방법으로 Layer-by-layer 기술을 적용하였고, 생물막저해제로 클로르헥시딘과 글루타알데하이드를 사용하였다. 막 표면의 생물막 저해제 고정화는 미생물의 부착 억제 및 사멸로 생물막 형성이 지연되어 운전 성능이 유지되는 효과를 나타냈다.

In this study, various physical cleaning methods such as physical washing and osmotic backwash, were conducted to understand membrane fouling properties 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.

일반적으로 SWRO의 경우 에너지 소비량은 3.5 kWh/m³ 이상의 에너지를 소비한다. 그중 RO트레인은 2.5～3.0 kWh/m³를 소모해 전체 에너지 소비량의 70% 이상을 소비하고 있으며, 전체 시스템 에너지 절감을 위해서는 RO트레인의 최적 설계가 중요하다. 따라서 당사는 다양한 RO트레인의 설계를 최적화 하여 소모되는 에너지의 양을 10% 절감하고자 한다. 1) ISDInternally Staged Desing)을 적용한 1st Pass의 설계최적화, 2) SPSP(Split Partial Sencond Pass) 적용을 통한 2nd 용량 최적화 설계, 3) 초고성능 막을 적용한 Single Pass 설계방법의 최적 조합을 통해 저에너지 역삼투막 시스템 설계 기술을 개발하고자 한다.

다양한 활용용수 생산을 위한 막 소재 및 막여과 공정개발이 고도화됨에 따라 점차적으로 유지관리 측면의 연구개발 필요성이 부각되고 있다. 그 중에서 유지관리 측면의 막 손상 검지와 수명예측은 제도적으로 정립이 미흡한 실정이며, 막여과 공정 운영에서 경제성과 안정성을 고려한 막 손상 검지 기술개발은 막 특성 및 시설규모에 따른 오차보상이 불가피하게 수반되어야 하는 연구이다. 따라서 분리막의 물리/화학적 노출강도에 따른 특성 변화를 관찰하여 내구년한 산정 및 수명예측 알고리즘을 구축하고자 한다. 또한 분리막의 특성과 모듈의 배열에 따라 최적화된 막 손상 검지를 위한 기체-액체 치환율을 기반으로 물리적 한계도출과 병행하여 이를 극복하기 위한 센싱융합 기술을 소개하고자 한다.

In the present study, the impact of RO polyamide layer by long-term chemical exposure was evaluated. Basic cleaning chemicals such as NaOH increased the pure water flux and salt passage of RO membrane up to 1.6 times and 2 times, respectively. In contrast, membranes exposed to acidic chemicals such as HCl have experienced no discernible change of permeability, which indicated that basic chemicals caused the more serious damage to RO polymeric layers. However, XPS analysis showed that both membranes were experienced significant damages on cross-linking of polyamide structures. It can be concluded that basic cleaning chemicals induced the enlarged pore structure due to electrostatic repulsion between damaged polymers, while acidic chemicals caused less performance deterioration by shrinkage of the polyamide structure.

지구온난화 문제 해결을 위하여 효율적인 CO2 포집 기술 개발이 활발히 이루어지고 있으며, 최근 분리막, 흡수 공정의 하이브리드 기술인 접촉막 공정이 주목받고 있다. 본 연구진은 2014년부터 열적, 화학적 안정성이 뛰어난 세라믹 소재의 중공사막을 적용한 접촉막 공정을 개발해오고 있다. 대규모 공정 실증을 위하여 세라믹 중공사막 기공 구조 제어 기술부터 소수성 코팅, 모듈 디자인 및 배치, 공정 구성 최적화 등을 연구하였다.

Power plants consume a major fraction of water to generate electricity, typically in the range between 30 - 50% of all fresh water sources. Most of the water from plants are lost with heat through stack and cooling towers. It has been reported that if 20% of these water can be recycled, power plants can be self-sustainable, allowing them to be located with higher flexibility. Membrane contactor can be an effective solution to harness this source of water, but most of the work have been focused on dense vapor separation membranes with limited success. In this work, we investigated potential application of membrane condenser technology to harness fresh water from power plants.

본 연구에서는 폴리아미드 층 내에 그래핀 옥사이드를 첨가시킴으로써 피페라진 기반 나노여과막의 내산성을 높이고자 하였다. 50% 황산 용액에 나노여과막을 침지시키며 주기적으로 MgSO4 염제거율을 확인한 결과, 그래핀 옥사이드 함유 나노여과막의 경우 95% 이상으로 염제거율을 유지한 기간이 대조군에 비해 4.7배로 길어졌다. 이에 반해, 산화 탄소 나노 튜브는 그래핀 옥사이드와 비슷한 화학적 특성을 가지고 있음에도 나노여과막에 첨가했을 때 내산성에 큰 효과를 나타내지 못하였다. 이에 그래핀 옥사이드의 화학적 성질에서 기인하는 폴리아미드 돌출 희생층이나 폴리아미드와의 수소결합보다 형태적 특성에서 기인하는 장벽 효과가 내산성 향상에 가장 주요한 역할을 했다고 여겨진다.

Membrane distillation (MD) has shown the potential to further reduce the volume of coal seam gas (CSG) reverse osmosis (RO) brine. However, despite its potential, the lack of appropriate MD membranes limits its industrial use. Therefore, this study was aimed on the fabrication of a robust membrane for the treatment of real CSG RO brine via an air gap MD (AGMD) process. Here, graphene/polyvinylidene fluoride (G/PVDF) membranes were prepared through a phase inversion method. Surface characterization revealed that all G/PVDF membranes exhibited favorable membrane properties having high porosity and liquid entry pressure, and suitable pore size. AGMD test results indicated a high water vapor flux of 20.5 L/m²h. Long-term AGMD operation revealed the robustness of G/PVDF membrane with superior performance compared to commercial PVDF membrane.

Membrane-based gas separation process is one of the next generations’ gas separation processes for carbon capture and storage (CCS). Membrane process has the advantages of i) low energy consumption without a phase change during the separation, ii) small footprint and easy scale-up of membrane modules, and iii) clean process without any emission of harmful byproducts. The hollow fiber membranes used in this study shows CO2 permeance over 900 GPU (1 GPU = 10-6 cm³/cm²⋅sec⋅cmHg). Using the hollow fiber membranes and modules, we established a moveable CO2 separation system including pretreatment of flue gas and 3-stages of membrane cascade. The system was installed at the several on-site flue gas sources, and the performance of pilot plant operation will be presented in the presentation.

본 연구는 GO (graphene oxide)를 활용한 기체 분리막 연구를 위해 기체투과도가 우수한 PTMSP [poly(1-trimethylsilyl- 1-propyne)]에 GO를 첨가하여 PTMSP-GO 고분자 복합막을 제조하고, N2, CH4, CO2에 대한 투과특성을 연구하였다. PTMSP-GO 복합막의 기체투과는 N2 < CH4 < CO2 순으로 높은 기체투과도 값을 가졌다. N2, CH4, CO2의 기체투과 경향은 GO 함량 0~10 wt% 범위에서 함량이 증감함에 따라 기체투과도가 감소하다가 10~30 wt% 범위에서 증가하는 현상을 보였다. 적은 GO 함량범위에서는 복합막 내에서 GO가 barrier로 작용하여 확산성 감소로 기체투과도가 감소하였고, 일정 함량범 위 이상에서는 계면에 생기는 void로 인해 기체투과도가 증가하였다. 그리고 CO2는 GO의 -COOH에 친화성을 가지고 있어 선택도(CO2/N2)와 선택도(CO2/CH4)는 GO 함량이 증가하면서 점차 증가하는데 선택도(CO2/N2)는 PTMSP-GO 10 wt%에서 10.6로 가장 높은 선택도를 보였고, 선택도(CO2/CH4)는 PTMSP-GO 20 wt%에서 3.4로 가장 높은 선택도를 보였다. 그러나 일정 함량 이상에서 선택도(CO2/N2)와 선택도(CO2/CH4) 모두 감소하였는데 GO 함량이 많아지면서 GO 충진물 간의 응집현상이 심해지고, GO 응집물로 인하여 CO2에 대한 용해도 효과가 낮아져 선택도가 감소되었다. PTMSP-GO 20 wt% 복합막은 PTMSP 단일막보다 증가된 CO2 투과도와 선택도(CO2/CH4)를 보이면서 기체투과 특성이 향상되었다.

산성가스 제거 공정에서 막-흡수 하이브리드 시스템 적용을 위한 설계를 수행하였다. 상용 공정 모사 기인 Promax version 4.0을 이용하여 아민 흡수 공정과 하이브리드 공정의 산성가스 제거 성능을 비교하였다. 전사 모사 결과를 통해 하이브리드 공정은 아민 용매 순환량, 에너지 소모량, 장치 사이즈가 아민 흡수 공정에 비하여 작아지는 것을 확인 할 수 있었다. 따라서, 컴팩트한 장치 사이즈와 에너지 절감 공정인 하이브리드 공정은 LNG-FPSO 천연가스 전처리 공정에 적용하기에 적합한 방안임을 확인하였다.

In this study, the effects of operating conditions on the formation of reversible and irreversible fouling were investigated in the filtration using ceramic membrane for water treatment process. The effect of coagulation pretreatment on fouling formation was also evaluated by comparing the performance of membrane filtration both with and without addition of coagulant. A resistance-in-series-model was applied for the analysis of membrane fouling. Total resistance (RT) and internal fouling resistance (Rf) increased in the membrane filtration process without coagulation as membrane flux and feed water concentrations increased. Internal fouling resistance, which was not recovered by physical cleaning, was more than 70% of the total resistance at the range of the membrane flux more than 5 m3/m2･day. In the combined process with coagulation, the cake layer resistance (Rc) increased to about 30-80% of total resistance. As the cake layer formed by coagulation floc was easily removed by physical cleaning, the recovery rate by physical cleaning was 54~90%. It was confirmed from the results that the combined process was more efficient to recover the filtration performance by physical cleaning due to higher formation ratio of reversible fouling, resulted in the mitigation of the frequency of chemical cleaning.

본 연구에서는 순수와 유사한 밀도의 세척형 구형 입자를 제작하고 순수 수조 내에서 산기량 및 입자 농도에 따른 입자의 유동 속도를 측정하였다. 세척형 구형 입자 1~3%를 MLSS 8,000 mg/L인 활성슬러지 용액에 주입하고 20 LMH 및 산기량 500 mL/min 조건에서 FR 및 SFCO 모드로 동시에 투과 실험하였다. 사용한 분리막은 유효 막면적이 90 cm2, 공칭 세공크기가 0.4 μm인 평막이다. 입자 농도가 증가할수록 TMP가 감소하였으며 FR 모드, 입자 농도 2%일 때 가장 효과적 인 것으로 확인되었다.

This study investigated phosphorus removal from secondary treated effluent using coagulation-membrane separation hybrid treatment to satisfy strict regulation in wastewater treatment. The membrane separation process was used to remove suspended phosphorus particles after coagulation/settlement. Membrane separation with 0.2 μm pore size of micro filtration membrane could reduce phosphorus concentration to 0.02 mg P/L after coagulation with 1 mg Al/L dose of polyaluminum chloride (PACl). Regardless of coagulant, the residual concentration of phosphorus decreased as the dose increased from 1.5 to 3.5 mg Al/L, while the target concentration of 0.05 mg P/L or less was achieved at 2.5 mg Al/L for the aluminum sulfate (Alum) and 3.5 mg Al/L for PACl. Moreover, alum showed better membrane flux as make bigger particles than PACl. Alum showed a 40% of flux decrease at 2.5 mg Al/L dose, while PACl indicated a 50% decrease of membrane flux even with a higher dose of 3.5 mg Al/L. Thus, alum was more effective coagulant than PACl considering phosphorus removal and membrane flux as well as its dose. Consequently, the coagulation-membrane separation hybrid treatment could be mitigate regulation on phosphorus removal as unsettleable phosphorus particles were effectively removed by membrane after coagulation.

Carbon nanofibers (CNF) are widely used as active agents for electrodes in Li-ion secondary battery cells, supercapacitors, and fuel cells. Nanoscale coatings on CNF electrodes can increase the output and lifespan of battery devices. Atomic layer deposition (ALD) can control the coating thickness at the nanoscale regardless of the shape, suitable for coating CNFs. However, because the CNF surface comprises stable C–C bonds, initiating homogeneous nuclear formation is difficult because of the lack of initial nucleation sites. This study introduces uniform nucleation site formation on CNF surfaces to promote a uniform SnO2 layer. We pretreat the CNF surface by introducing H2O or Al2O3 (trimethylaluminum + H2O) before the SnO2 ALD process to form active sites on the CNF surface. Transmission electron microscopy and energy-dispersive spectroscopy both identify the SnO2 layer morphology on the CNF. The Al2O3-pretreated sample shows a uniform SnO2 layer, while island-type SnOx layers grow sparsely on the H2Opretreated or untreated CNF.

고분자 재질의 압력 구동 기반 분리막을 이용하여 담수를 얻기 위한 공정은 에너지 효율이 높은 방법으로 알려져 있다. 하지만, 분리막 운전 중에 투과성능을 떨어트리는 막 오염 문제가 발생 하기에, 막 오염을 제어하는 것은 분리막 공정의 에너지 효율을 높이는 데 필수적이다. 막 오염은 일반적으로 분리막 표면과 막 오염 물질과의 상호 작용으로 발생하며, 분 리막 표면을 개질하는 방법은 막 오염을 방지하여 높은 투과 특성을 지속적으로 유지하게 할 수 있는 좋은 방법 중 하나이다. 본 논문에서는 압력 구동 기반 분리막인 미세여과, 한외여과, 나노여과 및 역삼투용 분리막의 표면을 개질할 수 있는 방법을 정리하였다. 구체적인 개질 방법으로는 개질 물질의 흡착 및 코팅 방법인 물리적 방법과 가교제 이용, 자유 라디칼 중합 (FRP), 원자 이동 라디칼 중합(ATRP), 플라즈마 및 자외선 조사 기반 중합인 화학적 방법으로 나누어 정리하였다. 본 총설에서는 최근 논문상에 보고되고 있는 물리화학적 표면 개질 방법을 소개하고, 막 오염 저항성을 높일 수 있는 분리막 제조를 위한 연구방향을 제시하고자 한다.

Recently, interest in the development of alternative water resources has been increasing rapidly due to environmental pollution and depletion of water resources. In particular, seawater desalination has been attracting the most attention as alternative water resources. As seawater desalination consumes a large amount of energy due to high operating pressure, many researches have been conducted to improve energy efficiency such as energy recovery device (ERD). Consequently, this study aims to compare the energy efficiency of RO process according to ERD of isobaric type which is applied in scientific control pilot plant process of each 100 m3/day scale based on actual RO product water. As a result, it was confirmed that efficiency, mixing rate, and permeate conductivity were different depending on the size of the apparatus even though the same principle of the ERD was applied. It is believed that this is caused by the difference in cross-sectional area of the contacted portion for pressure transfer inside the ERD. Therefore, further study is needed to confirm the optimum conditions what is applicable to the actual process considering the correlation with other factors as well as the factors obtained from the previous experiments.

In water treatment process using microfiltration membranes, manganese is a substance that causes inorganic membrane fouling. As a result of analysis on the operation data taken from I WTP(Water Treatment Plant), it was confirmed that the increase of TMP was very severe during the period of manganese inflow. The membrane fouling fastened the increase of TMP and shortened the service time of filtration or the cleaning cycle. The TMP of the membrane increased to the maximum of 2.13 kgf/cm2, but it was recovered to the initial level (0.17 kgf/cm2) by the 1st acid cleaning step. It was obvious that the main membrane fouling contaminants are due to inorganic substances. As a result of the analysis on the chemical waste, the concentrations of aluminum(146-164 mg/L) and manganese(110-126 mg/L) were very high. It is considered that aluminum was due to the residual unreacted during coagulation step as a pretreatment process. And manganese is thought to be due to the adsorption on the membrane surface as an adsorbate in feed water component during filtration step. For the efficient maintenance of the membrane filtration facilities, optimization of chemical concentration and CIP conditions is very important when finding the abnormal level of influent including foulants such as manganese.