Recently, reverse osmosis (RO) is the most common process for seawater desalination. A common problem in both RO and thermal processes is the high energy requirements for seawater desalination. The one energy saving method when utilizing the osmotic power is utilizing pressure retarded osmosis (PRO) process. The PRO process can be used to operate hydro turbines for electrical power production or can be used directly to supplement the energy required for RO desalination system. This study was carried out to evaluate the performance of both single-stage PRO process and two-stage PRO process using RO concentrate for a draw solution and RO permeate for a feed solution. The major results, were found that increase of the draw and feed solution flowrate lead to increase of the production of power density and water permeate. Also, comparison between CDCF and CDDF configuration showed that the CDDF was better than CDCF for stable operation of PRO process. In addition, power density of two-stage PRO was lower than the one of single-stage. However, net power of two-stage PRO was higher than the one of single-stage PRO.

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.

역삼투 해수담수화 공정에서 막 오염은 생산수량 감소 및 공정의 에너지 소비량 증가를 야기한다. 막간 차압 증가, 생산수량 감소 외에 막 저항 값의 증가는 막 오염 정도를 판단하는 수치로 사용이 가능하다. 특히 막 저항 값 기반의 세정은 막 오염 제어를 통해 역삼투 해수담수화 공정에서 막의 성능 유지 시 사용 가능하다. 이에 본 연구에서는 해수 수질 인자 및 공정 운전 인자에 기반하여 막 저항 값을 예측하는 알고리즘을 제안한다. 알고리즘은 해수담수화 플랜트의 운전 데이터에 기반하여 인자들과 막 저항 값 사이의 관계를 학습하고 검증과정을 거쳐 막 오염 발생 시점을 사전에 예측하는 방식으로 개발되었다. 예측 정확도를 분석하고 개발된 알고리즘의 수정을 통해 예측 정확도 향상을 위한 연구를 진행하였다.

본 연구에서는 역삼투(RO)와 축전식 탈염(CDI)을 이용하여 수돗물로부터 초순 수의 제조 가능성을 살펴보았다. 수돗물의 pH를 조정하여 RO 모듈에 통과시킨 후 RO 처리수를 곧바로 CDI 단위 셀에 공급하여 처리수의 비저항을 측정하였 다. 수돗물의 pH를 4.5-10.0 범위로 조절한 후 RO 모듈에 공급한 결과 pH 8.9 에서 94.6%의 염 제거율을 나타냈다. 또한 pH가 7.2, 8.5, 9.0인 유입수를 RO-MCDI 시스템에서 탈염한 결과 처리수는 각각 0.73, 3.2, 10.0 MΩ⋅cm의 비저항을 나타냈다. 도출된 운전조건을 바탕으로 RO-MCDI 시스템의 장기운전 에 따른 안정성을 검토하였다. 흡착과 탈착과정을 30회 반복하는 동안 안정적으로 10 MΩ⋅cm의 초순수를 제조할 수 있었다.

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.

Thin-film composite (TFC) membrane is currently the most widely used membrane structure for reverse osmosis (RO) process. Most commercial membrane for RO consisted of porous support layer and dense polyamide permselective layer, yet the polyamide layer has a very rough surface morphology and considerable thickness, and these features are intrinsic properties of current RO membrane fabrication process. In this study, we present the new membrane fabrication, named layered interfacial polymerization (LIP). LIP could control the roughness and thickness of permselective layer without complicated process or significant membrane performance loss, and the performance itself was comparable to conventional IP membrane. Moreover, the fabricated membrane has a remarkable antifouling ability possibly due to the unique smooth morphology.

본 연구는 해수 온도(10-26°C)와 TDS (30,000, 35,000, 40,000, 45,000 mg/L) 별 최적의 스플릿 파샬 비율을 탐구하기 위한 연구로써, 역삼투 공정 생산수의 수질 기준(TDS : 150 mg/L 이하, 붕소 농도 : 1 mg/L 이하)을 충족하는 범위 내에서 최저 에너지 소비량을 나타내는 스플릿 파샬 비율 조건을 탐구하였다. 역삼투막 제조사에서 제공하는 3가지 역삼투 시뮬레이션 프로그램(DOW ROSA, TORAY CSMPRO5, LG Q+)을 이용하여 각 프로그램에서 나타내는 최적비율을 비교조사하였다.

본 연구에서는 역삼투막의 내오염성을 향상시키기 위해 실란 커플링제로 표 면 개질하여 steric hinderance를 일으키고 에폭시 코팅으로 친수성을 향상시키고자 하였다. 상용 역삼투막을 UV로 식각하여 표면을 활성화한 후 말단기가 다 른 실란 커플링제를 sol-gel 공법으로 표면 개질하고 에폭시를 이용하여 코팅하였다. 그 결과, 친수성 및 내오염성이 향상된 것을 확인하였고, FT-IR, SEM, XPS 를 통해 막의 특성을 분석하였다.

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.

We report on a new fabrication method of polyamide thin film composite RO membranes, so called support-free interfacial polymerization (SFIP). In SFIP method, the PA layer is first formed at the interface without a porous support, and then adhered onto a support unlike conventional IP where the PA layer is in-situ formed directly on a support. We control the surface chemistry of a PAN support by adjusting hydrolysis to maximize adhesion of the PA layer with the support. The SFIP-assembled membrane showed higher performance and unique surface morphology compared to conventional IP-assembled one. It allows facile characterization of the PA layer and PA-support interface together with well-defining each component. Therefore, SFIP provide an promising material platform for the fabrication of RO membranes and fundament study.

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.

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.

본 연구에서는 현재 전량 폐기되는 정수기용 폐 카본블록 필터를 재활용하고자 폐 필터의 특성을 파악한 후 열 처리를 진행하였다. 성능 평가를 위해 실제 정수기에서 사용 후 폐기되는 카본블록 필터 (도레이 케미칼에서 제조)를 회수하여 활성탄의 흡착능을 측정하였다. 대조군으로써 새 필터도 같은 조건으로 진행하였다. 재활용을 위한 열처리의 온도는 400, 550, 및 700℃로 진행하였으며 최적 조건을 찾기 위해 새 필터에 먼저 열처리를 진행하였다. 또한 TGA, DSC, SEM 및 BET를 이용하여 폐 필터의 표면 특성을 분석하였다. 이러한 결과를 바탕으로, 폐 필터 표면에 막 오염(fouling)과 정도를 확인하였으며, 폐 카본블록 필터의 재활용 및 복원기술 연구를 통한 순환 활용 기술을 확보하고자 한다.

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.