최근 정삼투(FO) 공정의 성능향상을 위해 유입수에 낮은 수압을 가하는 가압형 정삼투(PAFO) 공정이 관심을 받 고 있다. Structure parameter는 FO 및 PAFO 공정 운전시 유도용질의 확산 저항성(Solute resistivity)을 결정하며, 이는 Solution-diffusion model (S-D model)을 통한 수투과 및 염투과 성능 예측을 지배하는 인자 중에 하나이다. 본 연구는 S-D model을 이용하여 가압형 정삼투시 유입수 측에 가해지는 압력에 따른 Structure parameter 변화 양상을 예측하고자 하였다.

물 부족 현상을 해결하기 위하여 저에너지 해수담수화가 가능한 정삼투 시스템에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 정삼투 시스템의 경우 가압 조건이 필요하지 않으므로 에너지 비용을 저감할 수 있고, 막 오염 및 파쇄 현상이 역삼투 시스템에 비해 발생하지 않는다는 장점이 있다. 이에 사용되는 유도 용질의 경우 높은 친수성을 가져야하며, 농도 대비 높은 삼투압을 보여야 한다. 또한 유도용액 후처리 공정에서의 분리가 용이하여야 한다. 최근에는 탄소 양자점 유 도용질, 고분자 전해질을 이용한 유도용질, 온도감응성 고분자를 이용한 유도용 질의 연구가 진행되었다. 본 연구에서는 물에 대한 용해도가 큰 다가 카복실산계 유도용질을 합성하고 정삼투 공정에서의 성능평가 및 타 유도용액과 비교실험을 수행하였다. 또한 후처리 공정인 나노여과공정에서의 성능평가 및 타 유도 용액과의 비교실험을 진행하였다.

정삼투 공정은 높은 압력을 가하여 담수를 얻는 역삼투 공정과 달리 부가적인 압력의 사용 없이 구동이 가능하여 에너지 효율 면에서 많은 이점을 가지고 있다. 특히, 정삼투 공정의 경우 해수담수화, 폐수처리, 음용수 생산 등 많은 범 위에서 응용되고 있다. 정삼투 공정의 성능은 유도용질에 의존하는데 높은 삼투 압, 높은 용해도, 낮은 점도, 낮은 염의 역확산, 저렴한 단가, 무독성 물질 등을 갖춘 유도용액이 우수한 유도용액이라고 할 수 있다. 과거 Ammonium bicarbonate, conventional salts 등을 이용한 유도용질을 비롯하여, 최근 magnetic nanoparticles, dendrimer 등을 이용한 유도용질 개발이 활발히 진행되고 있다. 본 연구에서는 높은 용해도를 가진 butane tetracarboxylic acid와 lithium, sodium, potassium 금속염을 합성하였으며, 합성된 유도용질들의 정삼투 성능평가를 수행 비교하였다.

본 연구에서는 정삼투분리막 적용을 위한 중공사막을 제조하는 것으로서, 염에 대한 안정성을 갖는 셀룰로오스 트리아세테이트(CTA)를 이용하여 제조하였다. 형태학적 구조를 갖기 위한 인자로는 첨가제와 공기 중의 노출시간(에어갭) 이 조절되었다. 제조된 분리막의 순수성능을 알아보기 위하여 염의 종류에 따른 정삼투(FO) 성능을 알아보았다. FO 테스트에서는 용액간 삼투압이 발생하도록 유도용액과 공급용액을 나누어 모듈로 공급하였다. 염의 종류, 용액의 농도, 용 액의 온도, 용액의 공급 방향에 따른 성능을 테스트 하였다.

20 μm의 얇은 폴리에스터(polyester) 부직포 상에 폴리술폰(polysulfone) 고분자 지지체를 제조하였다. 폴리아미드 계면 중합이 일어날 폴리술폰 표면에 폴리 실록산 층이 형성될 수 있도록 실란 화합물을 중합하여 폴리실록산 지지체를 제조하였다. 얻어진 복합막 지지층에서 MPD 수용액과 TMC 유기용액을 계면 중합을 실시한 결과 정삼투 분리용 복합박막을 얻을 수 있었다. FE-SEM을 이용하여 지지층의 구조가 sponge-like 구조임을, EDX를 통하여 폴리실록산이 표면에 한하여 분포됨을 확인하였으며 1 M NaCl 유도용액하에서의 FO-mode 유량 이 79.2 - 117 LMH로 향상되었으며 RSF값은 2.12 - 7.97 GMH로 유지함을 확인할 수 있었다.

삼투압과 기계적 가압의 영향을 모두 받아 비가역적 거동을 보이는 역삼투 (RO) 막오염과는 달리 정삼투(FO)에서 발생된 막오염층은 물리적 세척을 통해 일정수준이상 회복되는 가역성을 보인다. 최근 연구결과에 따르면 FO의 막오염 물질 중 단백질과 다당류와 같은 물질들이 비가역적인 막오염을 유발할 수 있 다는 결과를 보여주었는데 이는 FO의 장점인 가역성을 저해할 수 있다. 이러한 원수에 있는 막오염 물질들이 막오염에 영향을 줄 수 있기 때문에 실제 하수 2 차 처리수를 이용하여 평가한 결과 40% 이상 막오염 회복도가 떨어졌으며 이는 분리막과 원수의 특성에 따라 차이를 나타내었다. 따라서 정삼투공정 운전 시 원수성상과 사용하고자하는 분리막의 재질을 고려하여 물리적세척주기를 결정하여야 한다.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

단일막이 가지는 저유량 한계성과 복합막이 가지는 용질 역확산 현상을 완화하기 위한 방법으로 지지층 내 금속 착물이 균일하게 정착된 PSF 고분자 지지층을 제조하였다. 부직포의 두께와 밀도를 조절하였으며 지지층 제조법 최적화 이후 Fe(II)-chelate 착물을 포함하는 정삼투 분리막을 제조하였다. 지지층 제조방법에 있어 고분자의 부직포 함침 속도 조절이 정삼투 분리막 지지층의 구조결정에 가장 중요한 역할을 함을 볼 수 있었다. 고분자의 상 전이 과정에 있어서 금속 착물과 같은 극성물질의 존재가 용매 -비용매 치환 속도에 영향을 주어 지지층 구조 조절을 유도하였으며 그 결과, 용질 역확산이 약 0.07 - 0.11 GMH의 값을 가지는 높은 제거효율의 FO막을 제조할 수 있었다.

본 연구에서는 PEI 를 정삼투 공정에 유도용질로 사용하였으며, PEI를 유도용질로 사용하였을 때의 성능을 분자량과 외부 pH 조건 (pH 3 ~11) 관점 에서 분석하였다. PEI가 분리막 표면에서 어떤 메커니즘으로 걸러지고 투과되는지 조사하기 위해, pH 3~11 조건에서 유도 용액의 삼투질 농도, 평균 크기, 점도, 제타전위로 나누어서 설명하였다. 정삼투 성능은 중성 조건에서 다른 pH에 비해 비교적 높은 수투과도 및 낮은 reverse salt flux를 보였으며, 나노여과막을 이용한 유도용질 회수를 위한 염 제거율은 염화 나트륨및 황산 마그네슘에 비해 PEI가 높은 값을 보여주었으며, 이 결과를 바탕으로 PEI가 수처리를 위한 정삼투 및 나노여과 공정에서 유도용질로 사용 가능성을 보여주었다.

정삼투 공정은 반투과성 막 양단의 농도차로 인한 삼투압을 사용하여 물을 투과시키고, 후처리공정을 통하여 유도용액을 분리하는 공정으로, 최근 제약, 음료, 고농도 폐수처리 등에 사용되고 있다. 정삼투막 공정은 역삼투막 공정과 같은 물리적 압력이 없어 막오염이 낮고, 형성된 막오염층도 쉽게 제거가 가능한 것으로 알려져 있다. 그러나 현재까지 정삼투 공정의 원수에 포함된 다양한 막오염 원인물질과 운전요인에 따른 정삼투 공정의 막오염 기작에 대한 연구는 드믄 실정이다. 본 연구에서는 현재까지 정삼투 공정에서의 다양한 막오염 원인물질의 막오염 경향 및 기작에 관련되어 수행된 연구결과을 정리하고, 최근 진행된 연구결과와 역삼투 공정에서 얻어진 결과를 종합하여 정삼투 막오염 기작에 대한 결과를 보고하고자 한다.