Fouling is an inevitable problem in membrane water treatment plant. It can be measured by trans-membrane pressure (TMP) in the constant flux operation, and chemical cleaning is carried out when TMP reaches a critical value. An early fouilng alarm is defined as warning the critical TMP value appearance in advance. The alarming method was developed using one of machine learning algorithms, decision tree, and applied to a ceramic microfiltration (MF) pilot plant. First, the decision tree model that classifies the normal/abnormal state of the filtration cycle of the ceramic MF pilot plant was developed and it was then used to make the early fouling alarm method. The accuracy of the classification model was up to 96.2% and the time for the early warning was when abnormal cycles occurred three times in a row. The early fouling alram can expect reaching a limit TMP in advance (e.g., 15-174 hours). By adopting TMP increasing rate and backwash efficiency as machine learning variables, the model accuracy and the reliability of the early fouling alarm method were increased, respectively.

폴리술폰 고분자는 비대칭 정밀여과 멤브레인 제조에 가장 널리 사용되는 고분자 소재이다. 폴리술폰 멤브레인은 소수성 특성으로 인하여 공정상에서 빠른 막오염이 일어난다. 고분자 블렌딩은 폴리술폰 멤브레인의 수명을 향상시키는데 있어 가장 간단하고 효과적인 방법이다. sPES는 폴리술폰 블렌딩 방법을 통하여 소수성을 해결할 수 있는 유용한 친수성 고분자이다. 본 연구에서는 PSF/sPES/DMF/PVP/BE 고분자 용액을 물에 침지시켜 정밀여과 멤브레인을 제조하였다. 캐스팅 용액에 소량의 sPES 첨가함으로써 정밀여과 멤브레인 구조 변화를 볼 수 있었다. sPES의 첨가는 높은 비대칭성과 활성층의 성장, 그리고 평균 기공 크기의 감소를 가져왔다. 하지만 수투과량은 PSF/sPES/DMF/PVP/BE로 만든 멤브레인이 PSF/DMF/PVP/BE로 만든 멤브레인에 비해 더 큰 값을 보였다.

정밀여과막 제조에 있어 폴리술폰 고분자 용액에 술폰산기를 가지는 폴리술폰(s-PSF)의 첨가가 분리막의 구조 및 투과 특성에 미치는 영향을 조사하였다. 정밀여과 고분자 분리막은 폴리술폰/아프로틱 용매계/폴리비닐피롤리돈/2-부톡시에탄올을 함유하는 고분자 용액을 이용하여 캐스팅 한 후 물에 침지하여 제조하였다. 캐스팅 공정은 증기유도 상전이와 용매-비용매 상전이 공정 시간을 조정하여 비대칭 구조가 발달된 정밀 여과막을 얻을 수 있었다. DMF 단일용매와 NMP/DMAc 혼합용매계 두 가지 용매 조건에 대한 제막 결과를 비교하여 살펴보았다. 비대칭성이 나타나며 유량 향상을 보인 용매는 DMF 단일용매로 s-PSF 함량 1.53wt%이었으며 14,475(L/m²hr)의 유량과 0.246㎛의 평균기공을 나타내었다.

고강도, 내약품성, 무독성, 내연소성의 장점을 가지고 있는 PVdF (polyvinylidene fluoride) 나노섬유로 기공이 0.4 μm 평막을 제조한 후, 부직포와 평막으로 나권형 모듈을 제작하였다. 용존유기물의 흡착 제거를 위한 입상 활성탄(GAC, granular activated carbon) 흡착 컬럼과 자체 제작한 나권형 모듈로 혼성 수처리 공정을 구성하였다. 카올린과 휴믹산으로 조 제한 모사 용액을 대상으로, 처리수를 재순환하는 경우와 배출하는 경우 각각 GAC 충진량의 영향을 알아보았다. 여과실험 후 물 역세를 하여 회복률과 여과저항을 계산하였다. 또한, 탁도와 UV254 흡광도를 측정하여 GAC의 흡착 효과를 고찰하였 다. 그 결과, 처리수를 재순환하는 경우와 배출하는 경우 모두 탁도 처리율에는 GAC 충진량의 영향이 없었다, 하지만 GAC 의 UV254 흡광도 처리율이 처리수를 순환하는 경우 0.7~3.6%이었는데, 처리수를 배출하는 경우 3.2-5.7%로 증가하였다. 처리 수를 순환하는 경우 GAC의 충진량이 증가함에 따라, 가역적 여과저항(Rr)과 비가역적 여과저항(Rir)은 감소하는 경향을 보였 다. 그러나 총여과저항(Rt)은 거의 일정하였고, 물 역세 회복률(Rb)은 다소 증가하는 경향을 보였다.

대칭막이 가지는 유량 한계성과 비대칭막이 가지는 한계 압력 향상을 위한 분리막 제막 방법으로 인산 및 인산 에스테르 화합물을 포함한 PSF 고분자 지지층을 제조하였다. 활성층 두께와 구조를 조절하기 위하여 냉각판의 온도와 캐 스팅 용액의 두께가 조절되었으며 비대칭성 확보를 위하여 VIPS-NIPS 공정을 적용하였다. 상전이 안정성을 확인하기 위하여 용매 비교 실험이 진행되었으며 가장 비대칭 구조가 우수한 것은 NMP, 재현성이 뛰어난 용매는 DMAc로 확인 되었다. 운전 조건에 가장 민감하게 변화하였다. DMAc 용매 역시 Template 표 면층– 최소기공층– 비대칭 거대 기공층의 구조를 가지면서 BP 13 – 18 psig, 통기성 3140 cc/sec의 고유량 비대칭성 정밀여과막을 제조할 수 있었다.

Pore filling 기술을 적용한 base 분리막은 평균기공이 5㎛정도를 갖는 대기공 MF막으로써 polyester 재질의 braid로 보강된 PVDF 중공사막을 제조하여 사용하였다. 이렇게 제조된 대기공MF막의 기공내에 기능성이 확보된 친수성 고분자를 채워 넣은 후 화학 반응으로 영구 고정시키거나 유동막으로 고정하여 다양한 기능을 가지는 막을 개발하는 연구를 진행하였다. 본 연구에서는 친수성 고분자중에서 대표적으로 사용되는 poly viny alcohol을 기공에 채워 넣은 후 Aldehyde로 가교시키는 방법으로 pore filling막을 제조하였다. 이렇게 얻어진 분리막은 입자 제거율은 UF정도 수준으로 되고 투과량은 기존UF 분리막에 비해 1.5배 이상 증가하는 것을 확인하였다.

본 연구에서는 알루미나 정밀여과 및 광촉매 코팅 폴리프로필렌의 혼성 수처리 공정에서 물역세척 시간 (back-flushing time, BT) 및 PP 구 변화의 영향을 알아보고, 알루미나 한외여과막와 동일한 PP 비드를 사용한 선행 결과와 비 교하였다. 물역세척 주기(FT)는 10분으로 고정한 채, BT를 6~30초로 변화시키면서, 그 영향을 180분 운전 후 막 오염에 의한 저항(Rf), 투과선속(J)과 총여과부피(VT) 측면에서 고찰하였다. BT가 길어질수록 Rf는 급격히 감소하고 J는 증가하였으나, VT는 BT 10초일 때 최대였다. 탁도의 처리효율은 99.0% 이상으로 BT의 영향이 보이지 않았다. 한편, 유기물 처리효율은 역세척 없 는 조건(NBF)에서 89.0%로 가장 높았으며, BT가 길어질수록 증가하였다. 막오염 측면에서 최적 PP 비드의 투입 농도는 20 g/L이었으나, 알루미나 한외여과막와 동일한 PP 비드를 사용한 선행 결과 최적 PP 비드의 농도는 40 g/L이었다. 탁도와 유기 물 처리효율은 PP 농도 30 g/L에서 최대였으나, 선행 결과 탁도와 유기물 처리효율은 모두 PP 농도 40 g/L에서 가장 높았다.

하수처리장 반송슬러지를 채취한여 안정시킨 후 같은 평막 모듈 2개를 침지 시키고 각각의 막에 기존 MBR 공정인 FR (Filtration/Relaxation) 운전방식 및 연속운전을 적용시켜 막에 손상이 가지않을 정도의 압력에 도달할 때까지 운전 하였다. 이후 여러 가지 물리적 세척방법을 적용하여 막을 세척하는 실험을 반복하여 각 세척법에 대한 가역오염 기울기를 측정하였다. 또한 막에 대한 임계 투과유속을 측정하여 실험에 어떠한 영향을 끼치는지 확인하였다. 실험에 사용한 막은 P사의 평막이며 공칭세공크기 0.4 μm이며 막 면적은 약 0.02 m2이다.

본 연구는 정밀여과막의 막오염 수준을 예측할 수 있는 막오염 평가지표 개발에 관한 것이다. 막오염 지표는 세공크기가 0.1 μm인 Polyvinylidene fluoride (PVDF) 재질의 침지형 중공사 미니모듈을 이용한 실험장치로 측정되었다. 유입 수는 막오염 메커니즘을 대표할 수 있는 막오염 물질인 Kaolin, Silica, Humic Acid, Alginate를 최적의 비율로 조합한 표준 조제수를 이용하였으며, 단시간에 막오염의 변별력을 높이기 위해 한강원수 기준으로 가혹조건의 농도를 적용하였다. 이 막오염 평가지표의 타당성 검증은 미니모듈과 현장 실규모 모듈의 평 가결과를 비교함으로써 수행하였다. 본 막오염 지표는 막오염의 속도를 예측하 기 위한 객관적인 지표로 활용이 가능하다고 판단되며, 미니모듈 측정결과는 정수장내 막면적 50 m2의 실규모 모듈의 결과와 부합되는 것으로 나타났다.

본 연구에서는 산기량의 변화에 따른 임계 투과유속을 투과유속단법으로 측정하였다. 유효 막 면적이 85 cm2이고 공칭 세공크기가 0.4 μm인 중공사형 막모듈을 MLSS 5,000 mg/L인 활성슬러지 수용액에 침지시켜 투과 실험하였다. 산기시 키지 않을 경우 임계 투과유속은 15.2 L/m2⋅h로 측정되었으나 산기량을 100에서 1,000 mL/min까지 증가시키면 임계 투과 유속이 20.6에서 32.5 L/m2⋅h까지 크게 상승하였다.

저압 침지식 멤브레인을 이용한 해수 담수화 전처리에 있어서 유기 파울링은 막간 압력 증가로 인한 화학 세정 횟 수의 증가 및 에너지 소비 증가 등 멤브레인 운전시 문제점들을 야기한다. 조류대응 해수전처리에서 조류가 배출하는 extracellular polymeric substances의 대표물질인 sodium alginate를 이용하여 침지식 여과에서 파울링 현상을 관찰하였다. 공기 폭기가 적용되지 않은 경우 순수한 aglinate 파울링은 농도가 증가하면서 증가하였다. 그러나 공기 폭기를 적용해 준 경우 alginate 파울링 감소는 매우 효과적이었다. 공기 폭기가 없는 경우 칼슘 농도의 증가에 따라 alginate 파울링은 감소하였다. 동 일 조건에서 공기 폭기 시 높은 alginate 파울링 감소효과를 나타내었으나 NaCl 농도를 증가시킨 경우 칼슘 농도의 증가에 따 라 파울링 제어를 위한 공기 폭기 효과는 감소하였다. 해수와 유사한 높은 NaCl과 칼슘 농도에서 고농도 sodium alginate의 경우 공기 폭기량 증가를 통해 초기 파울링을 감소시킬 수 있었으나 시간의 경과에 따라 상대적으로 낮은 폭기량에서의 파울 링 감소 효과와 큰 차이는 없었다.

국내 정수장의 70%를 차지하는 15년 이상의 정수장의 대체 방안으로 막 여과 공정의 도입이 검토되고 있다. 동시에 원수의 특성에 적합한 막 여과 공정의 효율적인 공정개발을 위한 노력이 진행되고 있다.(Hur et al., 2006). 본 연구는 침지형 중공사막 모듈에서의 물리적 형태의 막 오염 제어를 위해 역ㆍ공세의 효과를 비교 분석하여 공정의 효율성을 평가하였다. 역ㆍ공세의 시간 및 강도 등의 운전조건을 변경하여 비교한 결과 공세를 통해 중공사막 표면에 존재하는 물리적 오염물질들의 제거가 충분히 되어 역세의 효과 크지 않음이 확인되었다.

기공 0.4 μm PVDF 나노섬유 정밀여과 나권형 모듈과 GAC 컬럼의 혼성공정에서 모사용액을 순환 없이 선형유속 0.013 m/s, TMP를 0.5 bar 조건으로 GAC 충진량을 변화시키면서 실험하였다. 또한 동일한 혼성공정에서 모사용액을 순환시키면서 선형유속 0.026 m/s, TMP 1.5 bar의 조건으로 GAC 충진량의 영향을 고찰하였다. 탁도와 UV254 흡광도(DOM) 처리율을 비교하였는데, 탁도 처리율에는 영향이 없었으나, GAC의 충진량이 많을수록 DOM 이 증가하였다. 하지만 TMP와 유속이 높은 조건인 순환이 있는 실험에서 GAC에 의한 DOM 처리율이 더 낮은 이유는 순환으로 인해 모사용액 농도가 낮아졌기 때문인 것으로 판단된다.

고분자 정밀여과 멤브레인을 이용한 분리공정은 입자나 콜로이드와 같은 특정 크기 이상의 불순물을 용액 상에서 정제하는데 있어 가장 유용한 방법으로 광범위한 분야에서 적용되고 있다. PSF 고분자 정밀여과막의 내부 구조 개선을 위하여 술폰화된 PSF 고분자 (PSS)를 사용하여 정밀여과막을 제막하였다. PSF와 PSS를 혼용해서 고분자 제막이 가능한 농도 영역을 찾았으며 다양한 농도 범위에서 VIPS 공정 조건이 이루어지도록 고분자 용액의 표면층이 충분한 시간동안 공기와 접촉할 수 있는 조건하에서 생성되어진 멤브레인의 단면 구조 및 투과 성능 변화에 관한 조사를 실시하였다. 내부 단면 구조의 비대칭성을 향상시킬 수 있었으며 기계적 강도와 유량이 향상된 정밀여과막을 제조할 수 있었다.