폴리벤즈이미다졸(PBI) 기반의 막은 내구성이 우수한 네트워크 구조를 가지는 구조재료로서의 우수한 강성과 더 불어서 고온에서의 우수한 내열성, 우수한 기계적 및 인장 특성, 높은 유리전이온도(Tg), 물이 없는 무수 환경에서의 이온 전 도성능, 산화와 화학적 내구성으로 지난 20년 동안 다양한 용도의 대중적인 막 재료로 다양한 문헌에서 보고되어 왔다. 이온 전도성 PBI 기반 막은 고온용 양이온 교환막 연료 전지(HT-PEMFC)에서 광범위하게 사용되어왔다. 또한 PBI 기반 막은 독 특한 특성으로 인해 기체분리막 및 유기용매나노여과(OSN) 막 개발에서 광범위하게 사용되어왔다. 이번 리뷰에서는 고온용 연료전지, 기체분리 및 OSN 적용을 위한 다양한 유형의 PBI 기반 막의 최근 연구동향 및 적용가능성에 대해 설명하고자 한다.

본 연구에서는 용매로 침액되었을 시 전반적으로 더 균일한 상전이법 기반 평막 제조 시 주로 사용되는 부직포 지지체의 영향을 분석하였다. 도프용액의 점도가 낮을 경우 용액이 부직포층으로 쉽게 침투하여 불균일한 막이 형성되는 것 을 확인하였으며, 이를 방지하기 위해 부직포층을 유기용매로 침액하는 기법을 도입하였다. 부직포층이 유기 분리막이 생성 되는 것을 확인하였으며, 수투과 및 용매투과율도 향상하는 것을 알 수 있었다. 부직포 침액의 영향은 낮은 점도에서 확연하 게 나타났으며, 고분자용액의 점도가 높은 경우 침액 여부에 관계없이 동일한 성능을 얻을 수 있었다.

본 연구에서는 역세척이 가능한 평막과 MBR 하부에서 공급되는 공기 및 자연적으로 순환되는 구형 입자를 이용하여 투과 실험하였다. 활성슬러지 수용액은 MLSS 8,000 mg/L로 유지하였으며 여과/이완(FR), 이완시 역세척(FR/BW), 사인파형 연속투과 운전(SFCO) 및 사인파형 연속투과 운전 시 역세척(SFCO/BW) 방식에 따른 막간차압(TMP)을 측정하였다. 역세척 유량을 47에서 14 L/m2⋅hr로 감소시키면, TMP가 증가하였으며 SFCO보다는 FR 방식의 TMP가 크게 증가하였다. 또한 역세척 방식이 구형입자를 이용한 세척방식보다 TMP를 더 감소시켰으며, 구형입자와 역세척 방식을 동시에 사용하면 각각의 방법보다 더 효과적임을 확인할 수 있었다.

본 실험에서는 대청호에서 발생한 남조류를 대상으로 SiC(Silicon carbide) 평막의 최적 운전조건을 도출하고자 하였다. 이를 위해 원수 농도에 따른 투과플럭스, 응집제 주입 조건, Air scrubbing 조건, 역세척(Backwashing) 유량 및 시간, 여과 및 역세척 시간, 응집제 종류 및 주입 농도 등에 대해 안정적으로 운전이 가능한 최적 조건을 도출하였다. 특히, 저농도의 응집제 주입에도 음전하를 띄는 조류 입자들과 전기적으로 중화를 일으켜서 생성된 미세 플럭들이 SiC 평막의 막표면에서 투수성을 증가시킨 것으로 사료된다. 이를 통해 도출된 설계인자로 제작한 Pilot Plant를 조류 제거시 적용하고자 한다. 본 연구는 환경부의 “환경정책기반공공기술개발사업”으로 지원받은 과제입니다.

본 연구에서는 순수와 유사한 밀도의 세척형 구형 입자를 제작하고 순수 수조 내에서 산기량 및 입자 농도에 따른 입자의 유동 속도를 측정하였다. 세척형 구형 입자 1~3%를 MLSS 8,000 mg/L인 활성슬러지 용액에 주입하고 20 LMH 및 산기량 500 mL/min 조건에서 FR 및 SFCO 모드로 동시에 투과 실험하였다. 사용한 분리막은 유효 막면적이 90 cm2, 공칭 세공크기가 0.4 μm인 평막이다. 입자 농도가 증가할수록 TMP가 감소하였으며 FR 모드, 입자 농도 2%일 때 가장 효과적 인 것으로 확인되었다.

Graphene-based derivatives such as graphene oxide(GO) have great potential as membrane material due to their controllable d-spacing, extremely large surface area and tunability of multifunctional groups. GO, highly oxidized graphene, has especially good affinity to CO2 arose from its oxide functional groups(e.g. carboxylic acid, hydroxyl groups) on 2-D nanosheet plane. Here, we synthesized GO/polymer composite materials and fabricated large-area thin film composite(TFC) membrane for CO2 separation using polymeric porous support. Further, we have produced flat-sheet membrane modules with the TFC membranes and tested the performance of the module under CO2/N2 mixed gas and flue gas conditions. The membrane module exhibited high CO2 separation performance as 74% of purity and 22% of recovery under flue gas condition including CO2, O2 and N2.

급격한 산업화 및 인구증가로 물부족 문제가 가속화됨에 따라 최근 수처리 공정은 방류수 수질기준을 준수하여 방류하는 단순한 수준을 넘어서 보다 엄격한 수질을 만족시켜야하는 방향으로 발전하고 있는 추세이다. 이러한 노력의 일환으로 많은 하⋅폐수 처리장에서 생물학적 처리와 멤브레 인이 결합된 MBR 공정을 적용하고 있으나, 적용 현장별 특징을 충분히 반영하지 못한 설계로 MBR 공정의 우수한 처리성능을 제대로 활용하지 못하고 있는 실정이다. 이에, 본 연구에서는 산업단지 내에 설치되는 폐수처리시설의 입지여건과 특성을 반영하여 저유량 및 수질의 불균질화 문제를 해결하기 위한 설계사례 등 을 제시하고자 하였다.

본 연구에서는 0.5 wt% 에멀젼형 절삭유 수용액에 평막형 분리막을 침지시키고 대칭 및 비대칭 사인파형 투과유속 연속운전(SFCO) 방식으로 실험하였다. 사용한 정밀여과막은 유효 막면적이 0.02 m2이고 공칭 세공크기가 0.15 μm이었다. 탁도 기준으로 에멀젼형 절삭유의 99% 이상이 제거되었으며 산기량이 증가할수록 TMP가 낮게 상승하였다. 비대칭형 SFCO 운전방식은 투과유속이 낮은 10∼15 L/m2·h 영역에서 대칭형 SFCO 운전방식보다 다소 유리하였다. 하지만, 투과유속이 높은 25∼30 L/m2·h에서는 대칭형 SFCO 운전이 매우 효과적임을 확인할 수 있었다.

본 연구에서는 dimethylformamide (DMF)와 acetone의 혼합용액에 산화그래핀(graphene oxide, GO)을 분산시키고 기질 고분자인 PVdF (polyvinylidene fluoride)를 도입하여 전기방사법으로 나노섬유를 제조하였다. 또한 PVdF/GO 복합 나노 섬유를 평막 형태로 적층시켜 기공크기 0.4 μm인 정밀여과막을 제조하였다. 그리고 GO의 고유한 항균 특성으로 생물학적 오염을 줄일 수 있는 PVdF/GO 복합막의 막오염을 평가하기 위하여 막간 압력차(transmembrane pressure, TMP)를 측정하였 다. 유효 막면적이 0.01 m2인 PVdF/GO 평막과 상용화된 MBR용 CPVC (chlorinated polyvinyl chloride) 평막을 MLSS 4,500 mg/L인 활성슬러지 수용액 내에서 동시에 투과 실험하였다. 공기를 주입하지 않을 경우, 투과유속이 10 L/m2⋅h일 때 PVdF/GO 막의 TMP는 CPVC 막의 최대 79%까지 감소하였다. 또한 운전/휴직 방식으로 운전할 경우, 10 L/m2⋅h일 때 PVdF/GO 막의 TMP는 CPVC 막의 최대 69%까지 감소함을 확인하였다.

본 연구에서는 MBR 내에 침지된 분리막 오염을 평가하기 위하여 운전시간에 따른 막간차압(TMP)을 측정하였 다. 유효 막면적이 0.02 m2이고 공칭 세공크기가 0.15 μm인 정밀여과용 평막 모듈을 MLSS 5,000 mg/L인 활성슬러지 용액 에 침지시켰다. 운전/휴직(R/S) 및 사인파형 투과유속 연속운전(SFCO) 방식에 따른 TMP를 비교하기 위하여 동시에 투과 실 험을 수행하였다. SFCO 운전방법에 따른 TMP는 R/S에 비하여 최대 93% 낮게 유지되었으며 투과유속이 증가함에 따라서 TMP 감소 효과는 줄어들었다. 또한 응집제인 FeCl3를 활성슬러지 용액에 500 mg/L 농도로 주입시키면 SCFO 운전방식의 경우, 투과 운전시간을 5배 이상 증가시켜도 한계 운전 TMP인 55 kPa의 40% 미만으로 유지됨을 확인할 수 있었다.

본 연구에서는 응고조와 도프조성에 따른 투과특성을 알아보기 위해 첨가제로 PEG, PVP를 사용하였고, 상전이법을 이용하여 PSf 평막을 제조하였다. 고분자의 농도, 첨가제의 농도 그리고 응고조의 조성을 달리하여 제막하였다. 평막의 모폴로지와 수투과도를 각각 FE-SEM과 수투과 테스트 장치를 이용하여 측정하였다. 가장 높은 수투과도(986 L/mh)는 PSf 15 wt%, PEG 25 wt% 그리고 응고조로 물이 사용되었을 경우 나타났다. PSf/PEG조성일때 응고조에 DMAc의 함량이 증가할수록 순수투과도는 급격히 감소하였다. 그러한 결과 첨가제의 함량과 응고조의 조성의 변화가 모폴로지와 수투과 특성에 영향을 미치는 것을 확인하였다.

본 연구는 정밀여과용 Chlorinated Polyvinyl Chloride (CPVC) 평막의 화학약품 수용액 내에서 경과시간에 따른 내화학성을 측정하기 위하여 실시하였다. 화학약품으로는 막 세정에 주로 사용되는 유효염소 0.5 wt% NaClO 수용액과 산성인 HCl 1 wt%, pH 4 수용액 그리고 알카리인 NaOH 4 wt%, pH 10 수용액을 사용하였다. 이상의 수용액중에 CPVC 분리막을 1일, 3, 5, 10일 동안 5, 25, 50℃에서 침지시킨 후, 각각의 인장강도와 파단시 신장율을 측정하여 내구성을 평가하였다. 막 세정시 주로 사용되는 유효염소 0.5 wt% NaClO 수용액의 경우 5℃ 조건에서는 인장강도 변화는 5% 이내이지만 25, 50℃에서는 17%까지 감소하였다. CPVC 분리막의 내화학성은 산성인 HCl 1 wt%와 pH 4 수용액에서 우수하였으나 NaOH 4 wt% 수용액에 대해서 가장 취약한 것으로 나타났다.