본 연구에서는 염제거 특성을 가지는 나노여과, 역삼투 및 정삼투 폴리아마이드 TFC 삼투막의 자유부피(공극) 특성을 양전자 소멸분광법을 이용해 측정하여, 이 결과를 바탕으로 용질제거 특성을 해석해봄으로써 활성층 내 존재하는 공극 특성과 물질이동 기작과의 상관관계를 밝혀냈다. 양전자 소멸분광법으로 측정한 폴리아마이드 삼투막의 공극 크기는 약 0.48 ~ 0.62 nm (지름) 내외로, 분리막 활성층 공극의 크기와 보론 제거율은 반비례함을 확인하였다. 압력기반 여과장치에서 수투과도를 증가시켜 보론 제거 실험을 반복한 결과, 0.6 nm 내외의 상대적으로 큰 공극을 가지는 폴리아마이드 분리막에서 확산이 아닌 대류를 통한 물질이동이 주도적으로 일어남을 확인하였고, 이를 무차원수인 Peclet 수의 변화로 증명했다.

We report on a unique fabrication technique, DSC for high performance PA TFC RO membranes. DSC allows the simultaneous and continuous spreading of two reactive monomer solutions to create an unsupported PA layer, which is then adhered onto a porous support to form a membrane. DSC facilitates the characterization of the PA layer structure by easily isolating it. The DSC-PA layer exhibits a thinner and smoother structure with a more wettable and less negatively charged surface than one prepared via conventional interfacial polymerization (IP). DSC enables the formation of an extremely thin (~9 nm) and dense PA layer using a very low MPD concentration, which is not feasible by conventional IP. Importantly, the DSC-assembled membrane shows the excellent water flux and NaCl rejection, exceeding both the IP control and commercial RO membranes.

A porous polyolefin (e.g. polypropylene and polyethylene) membrane has been commercialized as a lithium ion battery separator. The highly performing thin film composite (TFC) forward osmosis (FO) membrane was fabricated using the porous polyolefin membrane as a support via typical interfacial polymerization process. A very thin thickness (~8 μm) and highly interconnected pore structure of the polyolefin support can greatly reduce the internal concentration polarization, leading to high water flux, as evidenced by its low structural parameter (~168 μm). The prepared polyolefin-supported TFC membrane showed ~3.7 times higher water flux and ~33% lower specific salt flux compared to HTI-CTA commercial FO membrane with 1.0 M NaCl draw solution and DI water feed solution in FO mode. In addition, its excellent mechanical strength enables stable membrane operation.

A salinity gradient power (SGP) system holds a great potential to generate continuous and clean electricity for 24 hours. Recently, incorporating with seawater reverse osmosis, SGP has been recognized as a alternative to solve the brine issue as well as energy saving. For commercialization, many scientists would sympathize that one of main hurdles is the limited performance of each membrane to extract the high power. In case of pressure retarded osmosis (PRO) closer to commercialization, the membrane must have the high water permeability and salt rejection. There are two type of modules; hollow fiber membranes and spiral type. Toray Chem. (Korea) already shows that 4th generation PRO module, but there is no still large size PRO hollow fiber modules. Therefore, this study presents 2 and 3 inch size of PRO hollow fiber membrane prepared by inside interfacial polymerization techniques.

Owing to high energy efficiency and superior efficacy, membrane-based desalination processes have gained widespread implementation in a wide variety of water treatment applications. Tremendous research efforts on new membrane materials have been made to improve the separation performance of the state-of-the-art thin-film composite (TFC) membranes, particularly polyamide TFC membranes, hoping to overcome the permeability-selectivity trade-off relations. Currently, many nanomaterials such as zeolites, metal-organic frameworks (MOFs), graphene oxide (GO), and carbon nanotubes (CNTs) have been explored to enhance the separation performance of existing polymeric membranes, but it has been argued that the positive transformation of nanomaterials-embedded TFC membranes hold promising potential to realize the sustainable development of current desalination membranes. Here we have tried to discuss some misconceptions and challenging items delaying industrial-scale implementation of nanomaterialsembedded desalination membranes.

역삼투막 운영에 있어서 유기물 오염에 대한 문제들을 해결하기 위해 많은 연구를 하고 있다. 현재 가성소다 (NaOH)를 사용하여 유기물 오염 제거를 하고 있다. 본 연구는 지속적인 막오염 증가 문제를 해결하기 위한 물리/화학적 세정 기법으로서 기존에 사용하던 가성소다와 Micro-bubble를 이용하여 유기물 오염 제거 실험을 수행되었다. 멤브레인 강제 오염 을 위해 Humic acid sodium, Bovine serum albumin, Sodium alginate 약품을 사용하여 유기물 오염을 시켰다. 유기물 오염에 따른 Flux를 관찰하였고, 가성소다와 Micro-bubble를 이용한 유기물 오염 제거 실험은 가성소다로만 사용했을 때보다 향상 된 것을 관찰했다.

The investigation of effects on fouling propensity with various viscosity of feed solutions would be better understanding for forward osmosis (FO) performance since the fouling propensity was directly influenced with solution viscosity. Therefore, this study was focused on the FO fouling with model foultants (humic acid, alginate) by altering solution viscosity with change of ionic strength (I.S) and Ca2+ concentrations. In the comparison between humic acid and alginate, as expected, the alginate generally caused more severe fouling (almost 35.8 % of flux reduction) based on the solution characteristics (high viscosity) and fouling patterns (coil and gel layer). However, interesting point to note is that the fouling propensity of alginate was more severe even though it was applied with low viscosity of feed conditions (I.S = 20 mM, Ca2+ = 1 mM). This might be due to that crossed linked gel layer of alginate on the FO membrane surface could be best formed in the condition of Ca2+ presence and higher I.S, and that is more dominant to fouling propensity than the low viscosity of feed solutions.

Gas hydrate (GH)-based desalination process have a potential as a novel unit desalination process. GHs are nonstoichiometric crystalline inclusion compounds formed at low temperature and a high pressure condition by water and a number of guest gas molecules. After formation, pure GHs are separated from the remaining concentrated seawater and they are dissociated into guest gas and pure water in a low temperature and a high pressure condition. The condition of GH formation is different depending on the type of guest gas. This is the reason why the guest gas is a key to success of GH desalination process. The salt rejection of GH based desalination process appeared 60.5-93%, post treatment process is needed to finally meet the product water quality. This study adopted reverse osmosis (RO) as a post treatment. However, the test about gas rejection by RO process have to be performed because the guest gas will be dissolved in a GH product (RO feed). In this research, removal potential of dissolved gas by RO process is performed using lab-scale RO system and GC/MS analysis. The relation between RO membrane characteristics and gas removal rate were analyzed based on the GC/MS measurement.

역삼투 해수담수공정의 전처리로 CO2 가스하이드레이트를 이용한 급속동결담 수(HIID)공정의 가능성 평가를 목적으로 실험을 진행하였다. CO2 가스하이드레 이트는 가압된 CO2가스를 GUEST로 사용하여 만들어지는 얼음형태의 결정을 의미하며, 이때, 가압된 압력을 상압으로 감압하게 되면 흡열반응이 진행되어 온도가 급감하게 된다. HIID공정은 이 온도감소를 구동력으로 해수를 동결하였다. 이 전처리된 해수를 225psi로 역삼투막을 6시간 저압 운전시 수투과도가 14 LMH이상, 제거율이 98.5-99%로 관찰되었다. 이 실험으로 HIID공정이 역삼투공 정의 전처리로 사용가능함을 확인하였으며, 후단의 역삼투공정에서 운전하는 압력을 기수조건으로 가능하게 하였다. 이를 통해 저비용으로 해수담수가 가능함 을 확인하였다.

압력지연삼투(pressure retarded osmosis; PRO) 공정은 염도차가 있는 두 종류의 물과 에너지 변환을 위한 멤브레인과 터빈을 이용하여 에너지를 생산하는 공정이다. PRO용 멤브레인의 전력밀도(W/m2)가 에너지 생산을 위해 가장 중요 하지만, PRO공정에는 멤브레인 외에도 여러 핵심 장비가 존재한다. 따라서, 본 연구에서는 시스템의 경계를 펌프와 터빈 등을 포함하는 영역으로 확장하여 여러 영향 요소들에 따른 순 에너지의 크기를 비교 분석하였다. 결과에 따르면 멤 브레인을 통한 저염도수의 투과율, 저염도수의 유량 분율, 멤브레인 양측의 압력차, 멤브레인 모듈에서 저염도수 측의 압력강하, 모듈의 멤브레인 면적, 에너 지회수장치의 효율 등의 변화에 따라 PRO공정의 순 에너지가 크게 영향을 받았다.

최근 셰일가스 산업의 호황과 더불어 셰일가스전에서 배출되는 폐수처리가 중요한 환경문제로 부각되고 있다. 셰일가스전 폐수는 총 용존고형물의 농도가 10에서 200g/L로 높기 때문에 역삼투 담수공정을 적용하기에 어려움이 있다. 본 연구에서는 셰일가스전 폐수를 처리하기 위해 저압에서 운전 가능한 정삼투 공정(FO)의 적용 가능성을 연구하였다. 특히 대표적으로 널리 활용되고 있는 유도용액인 NaCl과 NH3-CO2를 사용하여 셰일가스전 폐수에 포함되어 있는 2가 양이온이 FO공정에 미치는 영향을 알아보았다. FO공정 유도용액의 역확산은 막의 플럭스와 스케일로 인한 막오염에 중요한 영향을 끼치는 것으로 나타났다. 이를 통해 FO공정의 폐수 성상에 따라 유도용액 종류 선택 및 공정 디자인의 중요성이 입증되었다.

기후변화에 따른 수자원 불균형 문제의 해결을 위해 최근 역삼투막 공정을 이용한 해수 담수화 시설 등이 다양하게 고려되고 있다. 본 연구에서는 역삼투 막의 막오염을 제어하기 위해 화학세정을 실시할 때, 세정효율과 오염막 표면의 잔류물질과의 상관관계를 규명하고자 공업용수 생산에 사용된 RO 막의 화학세정 전⋅후의 막표면 분석을 진행하였다. 막표면에 존재하는 주요 오염물은 미생 물에서 유래된 유기물로 나타났으며, 전형적인 화학세정 결과 대부분의 막표면 유기물이 제거되어 RO 막의 초기 성능이 회복되었다. 그러나 고분자 구조의 방 향족 유기물 특성을 나타내는 미생물 유래물질은 세정후에도 막표면에 잔류하는 것으로 나타나 장기적인 역삼투막 운전을 저해할 것으로 판단된다.

Seawater desalination market after global economic crisis has been stalled due to the market uncertainties and decreased demand in desalination. It is important to review the status of the market and to estimate the appropriate share of Forward osmosis-Reverse Osmosis (FO-RO) hybrid desalination technology by figuring out the outlook of the desalination market. Main part of the desalination market will still be MENA (Middle East and North Africa) in the near future due to the fast population increase and high dependency of fossil fuel in the region. The market for FO-RO hybrid technology, however, might be smaller than the conventional SWRO desalination market anyway because of aesthetic issues from using wastewater as raw water and higher costs associated with capex. Therefore, it is essential to improve FO membrane performance and system operation technologies in order to make the hybrid technology attractive compared to the conventional SWRO technology.

본 연구에서는 역삼투막공정을 이용하여 수용액 중 저준위 방사성이온인 세슘과 요오드 이온을 제거하는 실험을 수행하였다. 국내에서 생산되는 역삼투막모듈 두 가지와 그리고 폐모듈 세정한 후 세슘과 요오드 이온에 대한 제거성능을 비 교하였다. 공급수의 농도와 압력을 달리하여 실험을 진행한 결과, 세 가지 모듈 모두 세슘에 비해 요오드의 제염계수가 높은 것을 알 수 있었으며, 특히, 세정한 모듈은 요오드에 대한 제염계수가 1140으로 확인되었다. 대체적으로 실험조건이 고압일 때보다 저압일 때 제염성능이 좋은 것으로 나타났으며 이는 저압조건에 가까운 압력을 갖는 수도수에 직접 모듈을 설치할 경우에도 사용이 가능하리라 판단되었다. 또한 EDTA와 SBS, NaOH, 마이크로버블 등을 사용하여 세정한 막의 제염성능이 세정 전의 제염성능보다 높아졌으며 저압, 저농도 조건에서 요오드에 대한 회수율이 세정 후에 6.3% 증가한 결과를 얻었다.

본 연구에서는 폴리술폰층 표면에 계면 중합 반응을 시켜 정삼투 복합 박막을 얻는 방법에 있어서, 지지층인 폴 리술폰층과 활성층인 폴리아미드층 사이에 테트라에톡시실란 단량체의 졸-젤 반응을 통하여 고분자를 합성함으로써 친수성 경계층을 형성시키는 방법에 관한 제조법을 제시하였다. 폴리술폰층은 막 저항을 최소화하기 위하여 아주 얇은 부직포를 사 용하였다. 테트라에톡시실란의 졸-젤 반응으로 형성된 고분자 경계층이 폴리술폰층과 폴리아미드층 사이에 형성된 정삼투 분 리막은 친수화도, 유량 향상 등 정삼투 분리막 투과 특성에 있어 향상된 결과를 보여 주었다. 폴리아미드 계면 중합과 테트라 에톡시실란 졸-젤 중합의 순서를 변화시킴으로써 표면 구조 특성 및 정삼투 투과 특성이 크게 달라짐을 볼 수 있었다. 정삼투 막의 투과 특성은 실험실 용량의 정삼투 평가 장치를 통하여, 정삼투 분리막 내 폴리실록산의 분포와 구조는 FE-SEM과 EDAX를 이용하여 조사하였다. PS_PA_TEOS막의 경우 유량에 있어 79.2 LMH로 현격한 증가가 있었으나 염의 역확산 속도 역시 7.10 GMH로 증가하였다. 반면 PS_TEOS_PA막의 경우 PS_PA막에 비해 염의 역확산 속도는 1.60 GMH로 유지되면서 유량이 54.1 LMH로 증가하는 현상을 확인할 수 있었다.

Gas hydrate desalination process is based on a liquid to solid (Gas Hydrate, GH) phase change followed by a physical process to separate the GH from the remaining salty water. The GH based desalination process show 60.5-90% of salt rejection, post treatment like reverse osmosis (RO) process is needed to finally meet the product water quality. In this study, the energy consumption of the GH and RO hybrid system was investigated. The energy consumption of the GH process is based on the cooling and heating of seawater and the heat of GH formation reaction while RO energy consumption is calculated using the product of pressure and flow rate of high pressure pumps used in the process. The relation between minimum energy consumption of RO process and RO recovery depending on GH salt rejection, and (2) energy consumption of electric based GH process can be calculated from the simulation. As a result, energy consumption of GH-RO hybrid system and conventional seawater RO process (with/without enregy recovery device) is compared. Since the energy consumption of GH process is too high, other solution used seawater heat and heat exchanger instead of electric energy is suggested.

Desalination is a key technology to overcome water shortage problem in a near future. High energy consumption is an Achilles’ heel in desalination technology. Osmotically driven membrane processes like forward osmosis(FO) was introduced to address this energy issue. Characterizing membrane properties such as water permeability(A), salt permeability(B), and the resistance to salt diffusion within the support layer(KICP) are very important to predict the performance of scaled-up FO processes. Currently, most of researches reported that the water permeability of FO membrane was measured by reverse osmosis(RO) type test. Permeating direction of RO and FO are different and RO test needs hydraulic pressure so that several problems can be occurred(i.e. membrane deformation, compaction and effect of concentration polarization). This study focuses on measuring water permeability of FO membrane by FO type test results in various experimental conditions. A statistical approach was developed to evaluate the three FO membrane properties(A, B, and KICP) and it predicted test result by the internal and external concentration polarization model.

정삼투 분리막 용도에 적합한 폴리아미드 복합막의 제조에 있어 지지층의 극성 및 공극률이 폴리아미드 구조 및 정삼투 분리막 투과 성능에 미치는 영향을 살펴보기 위하여 클레쏘킬레이트 금속착물(0.1-0.5중량%)이 함유된 폴리술폰(18중 량%) 용액을 상전이 공정을 통하여 지지층을 제조하였다. 제조된 지지층 상에 방향족 폴리아미드 활성층을 제막하였다. 다공 성 PSF 지지층 제조를 위하여 상대적으로 낮은 폴리술폰(12중량%) 용액을 이용한 지지층을 폴리에스터 필름상에서 제조한 후 필름을 제거하고 제조된 지지층 상에 방향족 폴리아미드 활성층을 제막하였다. 제막된 시편 중 폴리술폰(18중량%)/금속착 물(0.5중량%)로 만들어진 FO막은 유량 9.99 LMH, reverse salt flux 0.77 GMH로 HTI의 상용막(10.97 LMH, 2.2 GMH)과 비교해도 거의 비슷한 유량값과 향상된 RSF 값을 얻을 수 있었다. 캐스팅 용액의 금속착물의 첨가로 활성층 두께가 줄어들 었으나 제거효율은 향상되는 결과를 얻을 수 있었다.

가압형 정삼투(pressure-assisted forward osmosis, PAFO) 공정은 기존의 정삼투(forward osmosis, FO) 공정의 단 점인 낮은 수투과도 및 유도용질의 역확산을 극복하여 전체 공정 효율을 향상시킨다. 하지만 가압에 의한 추가적인 수리학적 압력의 작용은 파울링을 가속화 시킨다는 단점이 있다. 본 연구는 PAFO의 간헐적 운전방법인 간헐적 가압형 정삼투 (Intermittent pressure-assisted forward osmosis, I-PAFO)의 파울링 저감 가능성을 평가하기 위해 수행되었다. 비교를 위해 FO 및 PAFO를 동시에 운전하여, 세 가지 운전에서의 파울링 거동을 관찰하였다. 파울링 실험을 위한 오염물질로 콜로이드 실리 카 입자를 사용하였고, 분리막 및 입자의 정전기적 상호작용 에너지 변화가 파울링 거동에 미치는 영향도 확인하였다. 실험 결과, I-PAFO 운전에서, 용액 pH 변화에 관계없이 가압구간, 압력완화 구간에서 각각 PAFO, FO보다 높은 수투과도를 유지 하였다. 파울링 실험 후, PAFO에 비해 I-PAFO운전에서 더 적은 수투과도 감소가 관찰되었고, 이로 인해 물리세정 후 향상된 수투과도 회복률 또한 관찰되었다.

The Pressure Retarded Osmosis (PRO) is the next generation desalination technique and is considered as a eco-friendly energy. This was conducted to evaluate the effect of the temperature and pressure on the PRO performance. The flux of the permeation was measured under different operating conditions and estimated the power density. An improvement of PRO performance is depend on increasing solution temperature and optimum pressure. The effect of increasing feed solution temperature has stronger impact on the PRO performance comparing to the draw solution temperature. The reason of the results was due to the change of osmotic power, viscosity, water permeability and structure parameter(s).