본 연구는 Hummer`s method를 이용하여 GO를 합성 후, 필터링을 통해 GO 막을 만들어. PVdF를 이용하여 나노섬유 막을 제조하였다. PVdF의 경우 접촉각 측정의 분석을 통해 친수성의 특징이 나타남을 알 수 있었으며, SEM, FT-IR, 라 만 분석 및 인장시험기, flux 실험을 실시하여, 카드뮴 이온 및 납 이온이 제거되는 것을 확인할 수 있었다. PVdF/GO 나노섬유 막의 경우 수처리에 활용 시, 중금속이온의 함량이 감소할 것이라 예상된다.

Capacitive deionization (CDI) is one of the promising desalination processes. It consumes relatively small energy for operation compared with other competing processes such as reverse osmosis. Additionally, it does not produce any secondary wastes for a re-use. Comparing to the conventional CDI, membrane-CDI (MCDI) which uses porous carbon electrodes together with ion-exchange membranes (IEMs) has gained great interests due to the higher ion selectivity and removal efficiency. In this work, we have developed a pore-filled IEMs (PFIEMs) for the applications to cost and energy efficient CDI processes. As a result, they were shown to possess excellent electrochemical and mechanical properties. Their electrochemical characteristics have also been optimized for the successful applications to MCDI processes. (NRF-2015H1C1A1034436)(MOTIE-No. 10047796)

Recently, there has also been much attention towards ion-exchange membranes (IEMs) for the applications in the energy generation and storage systems such as reverse electrodialysis (RED) and redox flow batteries (RFBs). IEMs are one of the key components dominating the overall performances of both the RED and RFB processes. Low ion transport resistance through membrane, excellent chemical and mechanical stability, high permselectivity, and low cross-over rate of undesirable components are required for the successful applications of the IEMs in the processes. In this work, we have prepared high performance pore-filled IEMs for successful RED and RFB applications. (this work was supported by the project, No. 10047796)

새롭게 제조된 납석기반 세라믹 멤브레인의 기본성능을 관찰하였다. 실규모 하수처리 membrane bioreactor (MBR) 미생물 고농도 현탁액을(MLSS : 약 6 g/L) 처리하는 납석기반 멤브레인 파울링 현상을 서로 다른 공기 폭기량과 막 간격에 대해 관찰하였다. 공극크기가 약 1.0 μm인 비코팅 납석기반 세라믹 멤브레인 지지체의 순수투과도의 경우 약 1100 L/m2⋅hr⋅bar로 측정되었으나 알루미나로 코팅된 납석기반 세라믹 멤브레인은 공극크기의 감소로(0.3 μm) 순수 투과도는 두 배가량 감소하였다. 실규모 MBR 미생물 현탁액을 적용한 침지식 여과실험에서 납석 기반 세라믹 멤브레인 지지체의 경 우 투과플럭스 20 LMH에서 공기폭기량을 증가시켰을 때 파울링은 감소하였다. 그러나 공기폭기가 파울링에 미치는 영향은 막간 간격에 상당히 의존하였다. 일정한 공기폭기 유량에서 막간간격의 증가는 파울링을 감소시켰으나 막간 간격을 3.5에서 5.4 cm로 증가시켰을 때 파울링 속도는 오히려 증가하였다. 알루미나 용액으로 표면코팅된 납석기반 지지체의 경우 유사한 결과가 관찰되었으나 파울링 속도는 코팅층이 없는 지지체에 비해 상대적으로 낮았다. 표면코팅에 상관없이 납석기반 지지체 와 멤브레인의 경우 거의 완벽한 SS 제거효율을 나타내었다. 또한 납석 지지체 알루미나 표면코팅은 PEG (분자량 8,000 kDa)을 적용하였을 시 멤브레인의 유기물 배제율을 향상시켰다.

세계적으로 물의 사용량이 증가하고 물의 오염이 증가되는 상황에 기존 고분자 소재를 사용한 여러 분리막 소재들은 기계적 강도와 화학적 안정성 등이 기 대에 미치지 못하고 있는 실정이다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 성능이 우수하면서도 물성이 뛰어난 고분자 소재 또는 시스템을 개발하는 것이 중요하 다. 본 연구에서는 기존 PES, PSf 소재보다 강도 및 내화학성이 우수한 Poly(ethylene-chlorotrifluoroethylene) (ECTFE)를 이용하여 분리막을 제조하였고 기존 PVDF, EVOH 분리막과 비교 분석하였다. ECTFE와 같은 소재들은 NIPS (Nonsolvent Induced Phase Sepataion)방식으로는 용해를 시키기에 충분한 온 도를 만들어 낼 수 없기에 고온을 사용하는 TIPS(Thermally Induced Phase Seaparation) 방식을 이용하여 분리막을 제조 하였다. 분리막의 특성평가로는 주사방출현미경(SEM), DSC 그리고 Hot stage 등으로 특성평가를 진행하여 TIPS 분리막의 제조 방식에 따른 소재의 변화를 관찰하였다.

Novel processable sulfur copolymer (poly(S-r-CEA)) was synthesized via facile inverse vulcanization of elemental sulfur with 2-carboxyethyl acrylate (CEA). This polysulfide was electrospun producing sulfur-rich nanofiber and tested for heavy metal sequestration. Adsorption experiments show very high and efficient Hg2+ adsorption. This work extends the novelty of inverse vulcanization chemistry by developing method for preparation of material based on inverse vulcanized polysulfide. Consequently, a new and cheap yet effective material was prepared for heavy metal sequestration from contaminated water. This work was supported by Basic Science Research Program through the National Research Foundation of Korea (NRF) funded by the Ministry of Science, ICT and Future Planning (2015R1A2A1A15055407) and by the Ministry of Education (No. 2009-0093816).

멤브레인 드라이어는 일부의 공기와 수증기만을 상변화 없이 회수하는 기술로서 건조공정에 적용할 경우 타 제습기술 대비하여 폐열회수율을 높이고 에너지 사용율을 저감할 수 있는 기술이다. 멤브레인 드라이어의 성능은 기체분리막 의 특징에 따라 크게 달라지는데, 기체분리막은 선택도와 투과도에 Trade-off관 계가 있어 선택도가 높아지면 투과도가 낮아진다. 따라서 본 연구에서는 건조공 정에 멤브레인 드라이어를 적용하기 위한 기초 테스트로 선택도가 다른 2종의 막을 선정하여 멤브레인 드라이어의 성능을 관찰하였다. 그 결과, 선택도가 높 은 기체분리막을 사용한 경우 에어 회수율은 증가하였지만 수분제거 성능은 하락하였다. 따라서 건조공정에 적용하기 위해선 적절한 선택도를 가진 기체분리 막을 선택해야 한다.

본 연구는 Hummer’s method를 이용하여 Graphene oxide (GO)를 합성하였으며, poly acrylonitrile (PAN)과 복합화하여 나노섬유 막을 제조하였다. 접촉각 측정, SEM, FT-IR, 인장강도, DI water를 이용한 flux 실험 및 BSA rejection 실험을 실시하여 막의 특성 분석을 진행하였다. PAN/GO 0.3 나노섬유의 경우, rejection 값이 59%로 PAN/GO 복합 나노섬유 막들 중 상대적으로 우수하였다. PAN/GO 복합 나노섬유 막을 수 처리 분야에 이용하여 얻은 자료는, 폐수 속의 유기물질 함량 감소 연구에 대한 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

Single-staged anaerobic fluidized ceramic membrane bioreactor (AFCMBR) was operated at 25oC for the treatment of low-strength synthetic wastewater with chemical oxygen demand averaging 260 mg/L. Tubular ceramic membrane consisting of aluminun dioxide (Al2O3) with 0.5 μm pore size was used. Overall COD removal was achieved as 87-95% with effluent COD concentration of 15-30 mg/L at hydraulic retention time (HRT) ranging from 1 to 3 hr depending upon permeate flux. Maintenance cleaning with NaOCl solution improved GAC scouring to reduce biofouling effectively, which allowed TMP less than 0.15 bar at 20 L/m2.hr. Energy required to operate the AFCMBR was reduced to 0.038 Kwh/m3 at 17 L/m2.hr, which was about 17% of the electrical energy converted by methane produced by AFCMBR.

역삼투 기반 해수담수화 기술은 전 세계 물 부족 문제 해결의 대안으로 주목 받아왔다. 최근에는 에너지 효율의 한계를 극복하기 위한 차세대 저에너지 기술들이 연구되고 있다. 정삼투 공정의 해수 희석을 통해 역삼투 공정에 필요한 에너지를 낮추는 FO-RO 공정, 그리고 압력지연삼투를 통한 에너지 회수와 막증발 기술을 통한 고수량 확보의 MD-PRO 공정이 미래의 해수담수화 기술들이다. 하지만 수처리 분야에서는 현재 시행 가능하며 역삼투 기술 본연의 효율을 극대화시키는 기술을 필요로 하고 있다. 이에 KORAE 연구단은 세계 최고 수준의 저에너지 3.3 kWh/m3 해수담수화 플랜트 구축을 목표로 하여 적조 및 고염 대응 전처리, 역삼투막 및 모듈 시스템 개발을 진행하며 해수담수화 기술의 최적화를 연구 중이다.

Ultrafiltration membranes are capable of acting as barriers to bacteria, viruses, spores, pollens, colloidal suspensions, high molecular weight solutes, pathogens and pesticides. Pore structure characterization of these include through pore throat diameter, bubble point pore diameter, mean flow pore diameter, pore distribution and liquid permeability. Liquid Liquid Porometery is a novel technique for measuring pores in the Ultrafiltration range without any damage or rupture to the membrane. Liquid Liquid Porometer uses two immiscible & saturated wetting liquids. Pores are filled with first liquid and second liquid is pressurized to displace the first liquid and flow through the pores. The amount of liquid flowing out is measured. Second liquid flow rate and differential pressure are measured. Pore distributions are computed like those in Capillary Flow Porometer.

세라믹 소재는 고분자 나노섬유 분리막과 비교하여 우수한 열안정성과 고투과 물성을 가짐으로써 지난 10여 년간 많은 주목을 이끌어왔다. 최근 들어 높은 다공도와 유량을 가지는 세라믹 섬유 분리막이 금속 산화물을 이용하여 주로 전기 방사법에 의해 제조되어 왔는데, 이러한 세라믹 분리막의 제조 단가를 감소하며 성능을 향상시키기 위해 나노섬유의 선택층 을 가지는 세라믹 분리막들이 전기방사 공정과 개질 과정을 통해 개발되었다. 본 리뷰에서는 최근 수년간 세라믹 섬유 분리 막의 개발을 위한 연구 동향에 대하여 정리하였다.

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.

본 연구는 NO96 화물창의 BOG(boil off gas), BOR(boil off rate)을 감소시키기 위한 노력으로 단열재료 및 단열층을 변화시켜서 개발된 NO96-GW, NO96-L03의 방열구조에 대해서 BOG, BOR 값을 계산하고 단열성능을 비교․평가하였다. 두 가지의 변형된 NO96 모델을 기존의 NO96 방열과 단열층 및 단열재료의 차이점을 비교하고, 각각의 열저항 및 BOG/BOR 값의 비교 결과를 제시하였다. 열저항 값은 유한요소해석법을 이용하여 계산되었으며, 준정적 열평형 상태를 가정하여 열유속과 온도분포를 통하여 단열성능을 비교하였다. 계산에 사용된 화물창의 모든 재료물성치는 온도 의존값으로서 반영하여 -163oC에서의 극저온 상태에서 특성을 반영되었다. 각 화물창의 BOG, BOR 계산은 국부 열전달 해석을 통해 방열판에서 발생하는 열유속을 계산하고, 등가모델을 적용하여 계산하는 과정으로 수행되었으며, 그 결과를 각 화물창의 단열성능을 비교평가하기 위해서 검토하였다.

폴리카프로락톤(PCL)에 NaCl을 혼합한 용액을 블레이드법에 의하여 막형태로 제조한 후 NaCl을 추출하는 염출 법을 이용하여 조직공학적으로 사용할 3차원 다공망을 갖는 멤브레인 형태의 지지체를 제조하였다. 본 연구에서는 성형된 멤 브레인의 건조조건과, NaCl 입자의 크기, NaCl의 혼합량을 각각 다르게 하여 제조하였다. 별도로 제작한 고분자용액 공급장 치를 이용하여 PCL/클로로포름(CHCl3) 용액에 NaCl 입자가 균일하게 혼합된 용액을 유리판에 분주하여 필름 어플리케이터 를 사용하여 블레이드법에 의한 멤브레인을 제조하였다. 멤브레인 지지체에는 NaCl 입자에 의한 거대기공과 거대기공을 이 루는 구조벽에서는 CHCl3의 증발에 의한 미세기공이 함께 복합적으로 상호 연결되어 형성되었다.

Poly(meta-phenylene isophthalamide)(m-Aramid)는 우수한 강도, 내화학성, 내열성이 우수하다는 특성을 지니고 있다. 이러한 특성을 섬유 직경이 수십에서 수백나노의 멤브레인(Membrane)을 제조할 수 있는 전기방사법을 이용하면 미세한 구멍(Pore)을 가지게 되어 수처리 분야에 사용하기 적합하다. 본 연구에서는 m-Aramid 용액을 전기방사법을 이용하여 멤브레인을 제조하였다. 여러 섬유 평균직경의 나노섬유상 멤브레인을 제조하고, 중금속 흡착능을 지닌 보혜마이트(Boehmite)를 도입하여, 섬유 평균 직경에 따른 수투과유량(Flux)와 입자제거 효율 및 중금속 흡착성능을 평가하였다.

Metal organic framework (MOF)는 높은 표면적, 균일한 공극, 크기를 가지는 새로운 클래스의 porous material 이다. MOF는 금속과 organic linker가 coordination 결합에 의해 결합되고, 열적 안정성을 나타내고, 높은 표면적 때문에 촉매, 분리, 가스저장 등 다양한 분야에 적용될 수 있다. 본 연구에서는 높은 CO2/N2 선택도를 가지는 MOF를 빠르게 분석하기 위해, high-throughput 가스흡착 시스템을 개발하였고, 수십 개의 MOF를 합성하여 선택도, adsorption capacity, diffusivity, 물, 산성가스에 대한 안정성을 분석하여, 선택된 MOF를 폴리머와 결합하여 mixed matrix 멤브레인을 제조 하였다.

향후 물 산업은 국민소득 증가, 깨끗하고 안전한 물에 대한 수요 증가, 기후변화에 따른 물부족 심화, 인구밀집형 Mega City 부상으로 물재이용 시장이 급성장하는 등 물 전문기업의 서비스 시장 확대가 예상됨에 따라 Membrane 방식의 수처리 선진기술을 보유하고 있는 업체를 중심으로 시장이 재편될 것으로 예상할 수 있다. 또한, 물 산업은 수자원, 상하수, 지하수, 폐수 등 매체별로 분산된 시장이 아니라 토털솔루션을 요구하는 시장으로 변화되고 있는 만큼 물관련 기업의 역할이 매우 높아질 것으로 기대된다. ㈜효성은 지난 20년 가까이 분리막 소재 및 제막 기술에 대한 연구를 진행하여 왔고 이번 발표를 통하여 상업화된 분리막 연구 결과와 실제 적용사례, 이를 바탕으로 차세대 분리막 개발내용까지 소개하고자 한다.

We designed a series of polymers as antifouling coating materials containing hydrophilic moiety such as polyethylene glycol (PEG) and mussel-inspired dopamine and/or hydrophobic moiety such as polyhedral oligomeric silsesquioxane (POSS) and plant-based cardanol moiety. We changed the molar composition of the hydrophilic and hydrophobic moieties in the copolymers and polymer shape (star- vs. linear-shaped polymer) and polymer morphology (block- vs. random copolymer) in order to compare fouling behaviors. These polymer coated membranes exhibited noticeably higher fouling resistance than the bare polysulfone (PSf) ultrafiltration membrane during filtration experiments. We believe that our results will provide insight into the synthesis and fabrication of multi-functional membranes for water treatment applications.

Advances made in membrane technology have to do with either enhancing separation efficiency or improving the permeation flux. Enhancing the separation efficiency, however, inevitably led to reducing the flux, and improving the permeation flux resulted in a loss in the separation efficiency. In this presentation, we suggest multiscale porous membranes with inverse-opal structures that allow for high permeation flux without sacrificing separation efficiency. In order to create the multiscale architectured membranes, primary structure of inverse opal having macropores is first prepared. Then, secondary nanostructures are incorporated to elaborately tune the pore size, tortuosity, and interfacial properties. Finally, the constructed multiscale architectures are utilized for water-treatment or removal or organic molecules.