본 연구는 중소규모 고도정수처리시설(Y 정수장)에 적용된 세라믹막 여과공정의 운영 효율을 평가하고, 막오염의 주요 원인을 규명하며 실질적인 개선 방안을 제시하는 것을 목적으로 한다. 최근 세라믹막은 내구성과 내약품성이 우수하여 전오존 및 입상활성탄(GAC) 공정과의 조합에 적합한 기술로 주목받고 있으나, 막차압(TMP) 상승 및 장기 안정운영에 어려움이 존재한다. 본 연구에서는 2017년 실제 운영 데이터를 바탕으로, 망간 및 용존유기탄소(DOC)를 중심으로 한 원수 수질과 TMP 변화 간의 상관관계를 분석하였다. 그 결과, 수온역전이 발생하는 봄⋅가을철에 조류와 망간 농도가 증가하면서 TMP가 급상승하는 경향이 확인되었다. 또한 LC-OCD 분석을 통해 조류 유입 시기에는 바이오폴리머 농도가 증가하며 막오염에 직접적인 영향을 미치는 것으로 나타났다. 화학세정 실험에서는 pH 0.7의 황산이 망간, 철, 알루미늄 등의 무기성 침착물 제거에 가장 효과적인 것으로 확인되었으며, 세정 조건의 최적화 필요성이 강조되었다. 아울러 여과 유속의 불균형 및 계열 간 부하 집중이 TMP 상승에 영향을 미치는 주요 요인으로 분석되었고, 이에 따라 유량 제어 및 청정 주기 조정 등의 개선 전략이 제시되었다. 본 연구는 세라믹막 여과공정의 파울링 특성과 제어방안을 실증적으로 규명하였으며, 계절적 수질 변동에 대응하는 정수처리시설의 효율적인 운영 및 설계에 기초자료로 활용될 수 있을 것이다.

In this study, chemically enhanced steam cleaning(CESC) was applied as a novel and efficient method for the control of organic and inorganic fouling in ceramic membrane filtration. The constant filtration regression model and the resistance in series model(RISM) were used to investigate the membrane fouling mechanisms. For total filtration, the coefficient of determination(R2) with an approximate value of 1 was obtained in the intermediate blocking model which is considered as the dominant contamination mechanism. In addition, most of the coefficient values showed similar values and this means that the complex fouling was formed during the filtration period. In the RISM, Rc/Rf increased about 4.37 times in chemically enhanced steam cleaning compared to physical backwashing, which implies that the internal fouling resistance was converted to cake layer resistance, so that the membrane fouling hardly to be removed by physical backwashing could be efficiently removed by chemically enhanced steam cleaning. The results of flux recovery rate showed that high-temperature steam may loosen the structure of the membrane cake layer due to the increase in diffusivity and solubility of chemicals and finally enhance the cleaning effect. As a consequence, it is expected that chemically enhanced steam cleaning can drastically improve the efficiency of membrane filtration process when the characteristics of the foulant are identified.

본 연구에서는 CH4/CO2 혼합가스에서 CO2 분리를 위해 세라믹 중공사 접촉막 모듈(HFMC)을 이용하여 실험을 수행하였다. 고 내구성의 HFMC를 제작하기 위해, 고강도의 중공사막을 제조하여 평가하였다. 제조한 중공사막을 이용하여 HFMC를 제작하였고, 실험은 CH4/CO2 혼합 기체(30% CO2, CH4 balance)와 monoethanolamine (MEA)를 사용하였다. HFMC 운전 중 기체와 흡수제의 압력이 CO2 제거 효율에 어떠한 영향을 주는지 평가하였다. CO2 제거 효율은 기체압력이 증가함에 따라 같이 상승하였으며, CO2 흡수 flux 또한 액체유량과 함께 증가하는 추세를 보였다. 또한 CO2 흡수율이 40% 이하일 때 는 흡수제가 아래쪽에서 들어가는 향류형태인 LTS-1이 흡수제가 위쪽에서 들어가는 향류형태인 LTS-2보다 CO2 제거 성능 이 높았으며, 흡수율이 40% 이상일 때는 LTS-2가 LTS-1보다 성능이 높았다.

본 연구에서는 세라믹 중공사 접촉막 모듈을 이용하여 CH4/CO2 혼합가스에서 CO2 분리 실험을 수행하였다. 높은 성능의 접촉막 모듈을 제작하기 위해 고투과성 중공사막의 제조 실험을 진행하였으며, 제조한 중공사막은 N2 기체투과실험을 통해 투과 성능을 평가하였다. 최종적으로 고투과도 중공사막을 이용하여 CH4/CO2 혼합 기체 분리를 위한 Hollow fiber membrane contactor (HFMC)를 제작하였다. 실험에는 CH4/CO2 혼합 기체(34.5% CO2, CH4 balance)와 monoethanolamine (MEA) 를 사용하였으며, CO2 제거 효율이 흡수제의 유량에 따라 어떠한 영향을 받는지 평가하였다. CO2 제거 효율은 액체유량이 증가함에 따라 같이 상승하였으며, CO2 흡수 flux 또한 액체유량과 함께 증가하는 결과를 보였다.

천연가스, 산업공정, 화석연료의 연소과정과 같은 대규모 고정 배출원에서 발생하는 온실가스인 CO2를 포집하기 위한 기술 개발이 전 세계적으로 활발하게 수행되고 있다. 특히, 습식 흡수 법은 비교적 낮은 CO2분압에서도 높은 제거 효율을 달성할 수 있어 많은 개발이 이루어져온 포집 기술이다. 하지만 흡수제의 재생에 필요한 에너지가 과다한 문제가 있으며, 충분한 부지가 확보되어야하기 때문에 공정 상용화에는 큰 걸림돌이 있다. 이러한 문제를 극복하고 공정 효율을 개선 할 수 있는 접촉분리막 공정 기술이 최근 주목받고 있다. 본 연구에서는 접촉분리막과 화학적 습식 아민 흡수제를 이용한 이산화탄소 제거 특성을 분석하였다.

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.

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.

아민 흡수제를 이용한 CO2 포집용 충전탑 기술의 문제점으로 제기되고 있는 범람, 거품, 과다한 재생 에너지 등을 해결하기 위하여 최근 접촉막 기술이 주목받고 있다. 연구자들 대부분은 고분자 분리막을 이용하여 접촉막 기술을 개발 하고 있으며, 장기 운전 시 팽윤 현상에 의한 성능저하 문제가 제기되고 있다. 세라믹은 고분자 소재에 비해 화학적, 열적안정성이 뛰어나기 때문에 아민 흡수 제에 대한 팽윤 현상을 방지할 수 있다. 본 연구에서는 세라믹 중공사 접촉막의 기공구조 제어 기술을 개발하고, CO2 포집 특성을 분석하였다.

메조포러스 공극구조를 갖는 광촉매 멤브레인은 다양한 환경기술에 적용될 수 있다. 본 연구에서는 TiO2 층을 형 성시킨 광촉매 반응기용 세라믹 멤브레인을 개발하고 이를 염색용액 처리에 적용하였다. 높은 공극률과 균질성을 지닌 TiO2 광촉매층을 그라프트 공중합체를 사용하여 제조하였다. 멤브레인은 광촉매 반응기와 멤브레인 여과를 결합시킨 하이브리드 광촉매 반응기에 성공적으로 적용하였다. 실험결과 정렬된 구조의 TiO2 층이 Al2O3 지지체에 형성되었다. TiO2 층 형성 후 제조된 세라믹 분리막의 순수 투과도는 형성된 광촉매 층 저항으로 감소하였다. 정렬된 구조의 TiO2 층은 UV 결합 시 5시간 안에 완벽한 염색용액 분해를 달성시킬 수 있었다. 광촉매 멤브레인의 염색용액 분해는 Langmuir-Hinshelwood 흡착 모델로 잘 설명할 수 있었다. 또한 TiO2 층이 고정화된 세라믹 멤브레인의 model Congo Red에 대한 1차 속도상수는 Al2O3 지지체 단독인 경우에 비해 약 6배 정도 큰 값을 나타내었다(0.0081 vs. 0.0013 min-1).

CO2 포집을 위한 아민흡수기술의 문제점으로 제기되고 있는 과다한 재생에너지의 감소를 위해 최근 접촉막 기술이 주목받고 있다. 하지만 대부분의 기존 연구들은 고분자 분리막을 이용하여 수행되었고, 장기 운전 안정성 문제가 제기되었다. 세라믹 분리막은 고분자 분리막에 비해 화학적·열적안정성이 뛰어나 접촉막 탈거 공정에서의 장기 안정성을 확보할 수 있다. 본 연구에서는 세라믹 중공사 접촉막 탈거 장치를 고안 및 제작하였고, 아민흡수제를 이용하여 탈거특성을 분석하였다.

막 접초기용 최적의 중공사막을 탐색하기 위하여 기공구조 및 기공도를 제어하여 중공사막을 상전이법으로 제조하였다. 상전이법으로 제조한 중공사막의 기공구조는 도프용액의 용매와 내외부응고제의 상호작용에 의해 결정되며, 용매와 응고제를 달리하여 제조한 중공사막의 특성을 비교하였다. SEM 이미지를 통해 기공구조를 확인하였으며, 기체투과도 측정실험을 통해 기공도 및 기공크기를 계산하였다. 막 젖음 현상을 방지하기 위해 금속산화물의 친수성표면을 소수성으로 개질하였으며, 최소침투압력을 측정하여 기공도 및 기공구조에 따른 소수성 특성을 비교하였다. 또한 실제 이산화탄소 흡수 실험을 통해 기공도와 기공크기가 흡수특성에 미치는 영향을 분석하고 최적화된 중공사막을 탐색하였다.

고분자 PVDF 중공사막과 알루미나 평관형 정밀여과막의 침지식 여과에서 Sodium Alginate 파울링 거동을 관찰하였다. 공기폭기 없이 SA농도 (0.1 g/L)와 투과플럭스 (30 L/m²/hr)에서 PVDF막의 파울링 속도가 세라믹막 보다 높았다. SA 파울링 속도는 NaCl와 CaCl2 첨가 이온강도에서 더욱 높게 관찰되었다. 공기폭기를 적용 시 SA 파울링은 감소하였으나 동일한 공기유량에서 중공사막의 경우 세라믹막에 비해 감소효과는 더욱 높았다.

분리막/흡수제 하이브리드 기술인 접촉막 공정은 CO2 분리 효율을 높일 수 있는 방안으로 주목 받고 있다. 기존의 고분자 분리막은 젖음 현상으로 인한 CO2 흡수 특성 감소의 문제가 제기되고 있다. 따라서 본 연구에서는 화학적, 열적 안정성이 뛰어난 세라믹 소재를 이용하여 중공사막을 제조하여 사용하였다. 또한, CO2 흡수 효율을 높이기 위하여 표면을 소수성으로 개질하고, 특성 변화를 확인하였다. 소수성 중공사막을 적용한 단일 분리막 흡수장치에서 운전 조건에 따른 CO2 흡수 특성을 확인하여 보았다.