Membrane distillation (MD) is a thermally driven desalination process with a hydrophobic membrane. MD process has been known to have a lower fouling potential compared to other pressure-based membrane desalination process (NF, RO). However, membrane fouling also occurs in MD process. In this study, the membrane fouling was observed in MD process according to the pre-treatment processes. The filtration and precipitation processes were applied as the pre-treatment to prevent the membrane fouling. The pore sizes of roughing filters were 0.4, 5, 10, 30, and 60 ㎛. The concentration of the coagulant was 1.2 mg/L as FeCl3. The membrane fouling on MD membrane was successfully removed with both pre-treatment processes.

Membrane distillation (MD) has shown the potential to further reduce the volume of coal seam gas (CSG) reverse osmosis (RO) brine. However, despite its potential, the lack of appropriate MD membranes limits its industrial use. Therefore, this study was aimed on the fabrication of a robust membrane for the treatment of real CSG RO brine via an air gap MD (AGMD) process. Here, graphene/polyvinylidene fluoride (G/PVDF) membranes were prepared through a phase inversion method. Surface characterization revealed that all G/PVDF membranes exhibited favorable membrane properties having high porosity and liquid entry pressure, and suitable pore size. AGMD test results indicated a high water vapor flux of 20.5 L/m²h. Long-term AGMD operation revealed the robustness of G/PVDF membrane with superior performance compared to commercial PVDF membrane.

In this study, thermal performance test of VMD module was performed, prior to the construction of the demonstration plant using the vacuum membrane distillation　(VMD) module of the capacity of 400 m3/day and to the commercialization of the VMD module. For the thermal performance test, the experimental equipment of capacity of 2 m3/day was constructed. The permeate flux test and thermal performance test according to feed water conditions such as temperature and flow rate were conducted. The VMD module used in the study was manufactured by ECONITY Co., LTD with PVDF hollow fiber membrane. As a result, the Performance Ratio (PR) of the VMD module showed the maximum value of 0.904 under the condition of feed water temperature of 75℃ and flow rate of 8 m3/h. PR value of the VMD module using PVDF hollow fiber membrane showed linearly increasing relationship with feed water temperature and flow rate. Also, The permeate flux of the VMD module was analyzed to have maximum value of 18.25 LMH and the salt rejection was 99.99%.

Scale formation is inevitable problem when seawater is treated by vacuum membrane distillation. The reason is the high concentration of calcium ion(Ca2+), sulfate ion(SO4 2-) and bicarbonate ion(HCO3 -). These ions form calcium sulfate(CaSO4) and calcium carbonate(CaCO3) on the membrane. The scale formed on membrane has to be removed, because the flux can be severely reduced and membrane wetting can be incurred. This study was carried out to investigate scale formation and effectiveness of acid cleaning in vacuum membrane distillation for SWRO brine treatment. It was found that permeate flux gradually declined until volume concentration factor(VCF) reached around 1.55 and membrane wetting started over VCF over 1.6 in the formation of precipitates containing CaSO4 during VMD operation. In contrast, when calcium carbonate formed on membrane, permeate flux was gradually reduced until VCF 3.0. The precipitates containing both CaSO4 and CaCO3 were formed on the membrane surface and in the membrane pore.

본 연구에서는 막증류법에서 문제가 되는 젖음 현상을 방지하기 위한 방법으로서, 멤브레인 표면의 화학적 결합을 통해 멤브레인의 소수성을 향상시키고 그에 따른 영향을 확인하고자 한다. 중공사 표면에 pentafluorostyrene을 라디칼합성 방법을 통해 개질하여 소수성을 증가시켰다. 합성 시간에 따른 영향을 확인하기 위하여 15, 20, 25시간 동안 합성하여 개질 하였고, 막의 접촉각과 liquid entry pressure (LEP)를 통해 소수성 증가를 확인하였다. 이후 vacuum membrane distillation (VMD)을 통해 실제 운전에서 앞선 합성이 막의 성능에 미치는 영향을 확인하였다.

이 연구의 목적은 폴리머의 물리적, 화학적 방법을 통해 막증류 법에 사용되는 막의 소수성 향상시킴으로써 막의 젖음 현상을 개선하는 것을 목표로 한다. 막의 소수성을 향상시키기 위해, 폴리머에 소수성을 향상 시켜줄 수 있는 시약 을 화학적 결합 또는 물리적 섞음 방법을 통해 개질을 한다. 화학적 결합으로는 styrene, pentafluorostyrene 등을 ATRP(atom transfer radical polimerization)를 통해 합성하고, 물리적 섞음으로는 PTFE(poly tetra fluoro ethylene)을 섞어 준비하였다. 두 방법 모두 평막을 제조하여 ft-ir로 결과를 확인하였고, 접촉각을 측정해 소수성을 평가하는 것으로 폴리머의 소수성 향상 여부를 확인하였다.

The effects of dissolved inorganic and organic matter in seawater and the characteristics of fouling on the membrane surface were investigated within membrane distillation (MD) process. The changes of the membrane flux of PE and PVDF hollow fiber membranes under natural and synthetic seawater were compared with given variances of temperature. The flux of both membranes under the synthetic seawater, without any organic matter, were higher than that of the natural seawater, indicating the organic fouling on the membrane surface. The surface of the membrane was analyzed using scanning electron microscope (SEM) to examine the fouling. The experiment with organics has shown the formation of thin film over the membrane surface, while the experiment with inorganics has shown only the formation of inorganic crystals. The results indicated the organic matter as the major foulants and that the organics affected the formation of the crystals. Permeate water conductivity of all conditions verified the quality of the water to be better if not similar to that of RO.

In this study, the performance experiment was conducted to compare the permeate flux of hollow fiber Vacuum Membrane Distillation module according to leak problem between module housing and membrane bundle. For the permeate flux performance experiment of the two Vacuum Membrane Distillation modules, the Lab-scale experimental equipment was built in the capacity of 1㎥/day. The performance test of the two Vacuum Membrane Distillation modules were analyzed according to the feed water conditions. As a result, it was analyzed that the leak VMD module decreased about 14% of permeate flux than normal VMD module.

Membrane distillation (MD) is the thermally driven water separation process based on the vapor pressure difference across the membrane. In order to increase the water recovery of the conventional RO process, the additional MD-PRO pocess was suggested. In this study, the syntheric RO brine was used as a feed solution of the MD process. Due to the high salinity of the RO brine, the MD membrane could be fouled by the scalants. In order to mitigate the scaling on the MD membrane surface, the pre-treatment process using the column filled by natural zeolite was applied. The roughing filter was installed between the pre-treatment process and MD system in order to prevent possible particulate fouling by the debries of the natural zeolite. Moreover, in order to enhance the CEC of the natural zeolite, the NaCl soaking was conducted. The flux and electronic conductivity were monitored under given experimental conditions. And the membrane morphology and the chemical compositions were analyzed by using the SEM-EDX.

이 연구의 목적은 폴리머의 물리적 혼합 또는 화학적 합성 방법을 통해 막증류 법에 사용되는 막의 소수성을 변화시킴으로써 막증류법의 수투과도 변화를 측정 하고자 한다. 막의 소수성을 향상시키기 위해, 물리적 혼합 방법으로 PTFE 을 섞어 준비하였고, 화학적 결합 방법으로는 Styrene, pentafluorostyrene 등을 ATRP 방법을 통해 합성하여 막을 준비하고, 그에 따른 화학적 구조를 FT-IR로 확인하였다. 두 방법을 통해 준비된 중공사 막을 MD에 적용하였을 때 순수 막과 비교하여 소수성 및 성능의 향상 여부를 확인하였다.

막 증류법은 다양한 형태로 운전이 가능하며 각각의 운전의 경우에 따라 물 질전달 계수 및 열전달의 효율이 다르게 나타난다. 또한, 모듈 형태 뿐 아니라 배관의 크기와 배열의 영향을 많이 받게 되는데 원수의 쏠림 현상이 발생할 뿐 만 아니라 수투과도를 향상시킬 수 없는 단점이 있다. 이에 본 연구를 통해 처 리수 생산량을 극대화하고 비용(원자재, 에너지, 인건비)은 최소화할 수 있는 모듈 및 배열의 최적 조건을 도출하였다. 실험에 사용된 분리막은 (주)에코니티에서 제조되었으며 사용된 원수는 염화나트륨 3.5%, VMD (Vacuum Membrane Distillation) 방식으로 실험을 실시하였다.

최근 인구 폭발적 증가, 기후변화 등으로 인해 전 세계적으로 이용 가능한 수 자원이 감소할 것으로 예측되고 있어 대체 수자원에 대한 관심이 확대되고 있으며, 이의 대안으로 해수담수화 기술이 주목받고 있다. 해수담수화 방법에는 증류방식과 분리막 기술인 역삼투 공정이 대표적 기술이라 할 수 있으나, 최근 에는 증류법과 분리막법을 접목한 막증류법의 해수담수화 분야 적용 가능성이 점차 확대되고 있다. 막증류 공정은 기본적으로 증류 기반의 공정으로, 별도의 압력이 필요 없으며, 현재 가장 범용화된 분리막 기술인 역삼투 공정에 비해 높은 염 제거율 및 회수율로 인해 차세대 해수담수화 기술로 주목받고 있다. 따라서 본 발표에서는 막증류 공정용 분리막 소재 개발에 대한 내용을 소개하도록 한다.

이 연구의 목적은 폴리머 자체의 개질을 통하여 막증류 법에 사용되는 막의 소수성 향상으로 막의 젖음 현상을 줄이는 것을 목표로 한다. 막의 소수성을 향상시키기 위해, 현재 일반적으로 쓰이는 폴리머(PVC, PVDF 등)에 소수성을 향상 시켜줄 수 있는 branch를 붙이는 방법으로 개질을 한다. Branch로는 styrene, pentafluorostyrene 등을 ATRP(atom transfer radical polimerization)를 통해 폴리머를 합성하고 ft-ir로 성공적으로 개질한 것을 확인하였다. 그 후, 평막 형태로 제막하여 접촉각을 측정해 소수성을 평가하는 것으로 폴리머의 소수성 향상 여부를 확인하였다.

막증류(membrane distillation, MD)용 분리막의 장기 내구성능에 영향을 미치는 인자인 소수성 분리막의 젖음 현상에 대한 평가 지표로 사용되는 액체투과압력(liquid entry pressure, LEP) 측정 방법을 최적화하였다. PE (polyethylene) 분리막 및 PVDF (polyvinylidene di-fluoride) 중공사 분리막의 LEP를 측정하기 위하여 20 wt%의 고농도 염수를 제조하여 원수로 사용하고 투과수의 전도도를 모니터링하였다. PE와 PVDF 중공사 분리막의 신뢰성 있는 LEP 측정을 위해서는 5 min 이상의 holing time을 두고 주입 압력을 증가시켜야 하며, 증류수 수조의 물량대비 분리막의 면적비 또한 10 m2/m3 이상으로 부여되어야 함을 확인하였다.

Membrane distillation (MD) has emerged as a next generation of desalination technique to resolve the limitation of RO process. In this study, Polybenzoxazoles(PBO) membrane via thermally rearrangement of polyimide containing hydroxyl groups was prepared [1]. The effect of operating conditions such as feed temperature, Reynolds number of feed flow and salt concentration of feed were investigated. TR polymer membranes were characterized by SEM, AFM and contact angle. Thermally rearranged polymers showed a potential to MD process with advantages of high flux and long-term stability during operation.

열유도상분리법(TIPS) 및 연신의 복합공정을 적용하여 막증류(Membrane distillation, MD)용 다공성 PVDF 중공사 분리막을 제조하였다. 분리막의 투과도를 증가시키기 위하여 분리막 투과도를 향상시킬 수 있는 성능인자들 중 분리막의벽두께를 감소시키고자 하였다. 분리막의 두께를 감소시키기 위하여 분리막 제조 시 토출량을 감소시키고 중공 형성 시 주입하는 bore fluid 주입량을 증대시켰다. 토출량의 감소 및 bore fluid의 증가에 따라 벽두께는 감소하였고, 공기투과도와 수투과도는 크게 증가하였으며, 결과적으로 막증류 공정에 적용 시 투과플럭스도 증가하는 경향을 보여 주었다.

본 연구에서는 직접 접촉식 막증류 공정에서 운전인자에 따른 담수 투과량과 열효율을 예측하기 위해 열 및 물질전달 방정식을 이용하여 1차원 해석모델을 개발하였다. 이 해석모델의 타당성을 검증하기 위해 해석모델 결과와 기존 연구자들에 의해 수행된 실험 결과를 비교하였고 만족할 만한 결과를 얻었다. 이를 통해 DCMD 모듈에서 염수와 증류수의 입구온도 및 입구속도가 담수 투과량 및 열효율에 미치는 영향을 분석하였다. 그 결과 염수의 입구온도와 입구속도가 증류수의 입구온도와 입구속도보다 담수 투과량과 열효율 증가에 미치는 영향이 크기 때문에 지배적인 운전특성이라는 것을 알 수 있었다. 염수의 입구온도가 60℃에서 95℃로 증가할 때 담수 투과량이 21.22kg/m2h에서 71.26kg/m2h로 3.4배 증가하였고 열효율은 0.556에서 0.765로 37.5% 증가하였다. 한편, 염수의 입구속도가 60에서 300 m/h로 증가함에 따라 담수 투과량이 27.91kg/m2h에서 36.33kg/m2h로 30% 증가하였고 열효율은 0.6에서 0.646로 7.5% 증가함을 알 수 있었다.

본 연구에서는 기공의 크기가 0.4mum의 소수성 막인 폴리에틸렌 100가닥으로 모듈을 제작하여 직접접촉식과 동반기체식 막증류 과정에서 막의 양단의 온도차, 공급수의 염분농도, 그리고 냉각수/동반기체의 유량에 대해서 투과수의 플럭스를 측정하였다. 이론적으로는, 동반기체식 막증류는 직접접촉식 막증류 공정의 막의 투과측 표면과 냉각수 사이에 동반 기체층이 추가된 것으로 간주하였다. 이 동반기체층은 새로운 저항층과과 동반기체의 이동중 상변화된 수증기가 손실되는 것이 투과유속을 30% 정도 감소시키게 된다. 물질수지식을 이용하여, 기존의 식과는 다르게 보정계수(ω)를 넣어 직접접촉식 막증류와 동반기체식 막증류의 이론값을 실험값과 비교 분석하였다.

공칭크기 0.2μm인 소수성 PTFE 정밀여과막을 이용하여 glucose 수용액을 막증류하였다. Glucose 수용액 온도를 40℃에서 70℃로 상승시킬 경우 막 투과 유속은 3.6 LMH에서 11.2 LMH로 3배가량 증가하였으나 glucose 배제율은 99%에서 65%까지 감소하였다. 또한 glucose 수용액 농도를 2wt%에서 4wt%로 증가시키면 투과유속과 배제율은 각각 약 25% 및 6% 감소하였다.