This study was aimed to examine inorganic fouling and fouling reduction method in direct contact membrane distillation(DCMD) process. Synthetic seawater of NaCl solution with CaCO3 and CaSO4 was used for this purpose. It was found in this study that both CaCO3 and CaSO4 precipitates formed at the membrane surface. More fouling was observed with CaSO4(anhydrite) and CaSO4･0.5H2O(bassanite) than CaSO4･2H2O(gypsum). CaCO3 and gypsum were detected at the membrane surface when concentrates of SWRO(seawater reverse osmosis) were treated by the DCMD process, while gypsum was found with MED(multi effect distillation) concentrates. Air backwash(inside to out) was found more effective in fouling reduction than air scouring.

In this study, a direct contact membrane module was manufactured to be used in a pilot scale membrane distillation process to treat 3 m3/day of the digestate produced from anaerobic digestion of livestock manure. In order to investigate the performance of the membrane module, permeate flux was measured with and without spacer inside the module under various condition of temperature difference and cross flow velocity (CFV) through the membrane surfaces. Flux recovery rate after chemical cleaning was also investigated by applying three different cleaning methods. Additionally, thermal energy consumption was theoretically simulated based on actual pilot plant operation conditions. As results, we observed flux of the module with spacer was almost similar to the theoretically predicted value because the installation of spacer reduced the channeling effect inside the module. Under the same operating condition, the permeate flux also increased with increasing temperature difference and CFV. As a result of chemical in-line cleaning using NaOCl and citric acid for the fouled membranes, the recovery rate was 83.7% compared to the initial flux when NaOCl was used alone, and 87% recovery rate was observed when only citric acid was used. However, in the case of using only citric acid, the permeate flux was decreased at a rapid rate. It seemed that a cleaning by NaOCl was more effective to recover the flux of membrane contaminated by the organic matter as compared to a cleaning by citric acid. The total heat energy consumption increased with increasing CFV and temperature difference across the membrane. Thus, further studies should be intensively conducted to obtain a high permeate flux while keeping the energy consumption to a minimum for a practical application of membrane distillation process to treat wastewater.

Shale gas has become increasingly important as a viable alternative to conventional gas resources. However, one of the critical issues in the development of shale gas is the generation of produced water, which contains high concentration of ionic compounds (> TDS of 100,000 mg/L). Accordingly, membrane distillation (MD) was considered to treat such produced water. Experiments were carried out using a laboratory-scale direct contact MD (DCMD). Synthetic produced water was prepared to examine its fouling propensity in MD process. Antiscalants and in-line filtration were applied to control fouling by scale formation. Fouling rates (-dJ/dt) were calculated for in-depth analysis of fouling behaviors. Results showed that severe fouling occurred during the treatment of high range produced water (TDS of 308 g/L). Application of antiscalant was not effective to retard scale formation. On the other hand, in-line filtration increased the induction time and reduced fouling.

Membrane distillation (MD) is a novel separation process that have drawn attention as an affordable alternative to conventional desalination processes. However, membrane fouling and pore wetting are issues to be addressed prior to widespread application of MD. In this study, the influence of ultrasonic irradiation on fouling and wetting of MD membranes was investigated for better understanding of the MD process. Experiments were carried out using a direct contact membrane distillation apparatus Colloidal silica was used as a model foulants in a synthetic seawater (35,000 mg/L NaCl solution). A vibrator was directed attached to membrane module to generate ultrasonic waves from 25 kHz (the highest energy) to 75 kHz (the lowest energy). Flux and TDS for the distillate water were continuously monitored. Results suggested that ultrasonic irradiation is effective to retard flux decline due to fouling only in the early stage of the MD operation. Moreover, wetting occurred by a long-term application of ultrasonic rradiation at 75 kHz. These results suggest that the conditions for ultrasonic irradiation should be carefully optimized to maximize fouling control and minimize pore wetting.

본 연구에서는 하수처리수를 원수로 사용하여 직접 접촉식 막증발법을 적용하여 원수 온도와 원수 유량 변화에 따 른 하수처리수의 COD, TN, TP, TOC의 제거율 변화와 여과플럭스의 변화를 측정하였다. 또한 하수처리수에 의한 분리막의 오염 가역성을 평가하기 위해 1차 증류수만을 사용하여 물리세정을 수행한 후 플럭스의 회복률을 측정하였다. 실험결과 원수 의 온도 및 유량에 관계없이 원수가 3배 농축될 때까지 여과를 진행하였음에도 불구하고 하수처리수의 주요 오염물질인 COD, TN, TP, TOC에 대한 제거율이 92% 이상으로 높게 나타났다. 또한 비교적 낮은 온도인 50°C와 60°C에서 원수의 유량에 따라 최소 13.8 LMH에서 20.3 LMH로 높은 여과플럭스를 나타냈다. 그리고 높은 농축계수까지 여과 실험을 진행했음에도 불구하 고 낮은 여과플럭스의 감소를 나타냈으며 1차 증류수를 이용한 짧은 시간 동안의 물리세정만으로 최소 90% 이상의 높은 여과 플럭스 회복율을 나타냈다. 따라서 하수처리수 재이용을 위한 공정으로 막증발법의 적용이 충분히 가능할 것으로 판단된다.

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.

막증류는 소수성이 강한 0.1 내지 0.5μm의 정밀여과막을 통하여 휘발도가 상대적으로 큰 성분을 증발시켜 분리하는 방법이다. 본 연구에서는 중공사형 분리막을 이용한 직접접촉식 막증류 공정을 "COMSOL Multiphysics" 프로그램을 이용하여 수치해석 하였으며 유체의 유입온도, lumen 및 shell side 공급 유속의 변화로 인한 투과량의 변화를 해석하였다. Lumen 공급용액의 온도가 30 에서 50℃까지 증가할 경우 막증류 투과량은 1.0에서 3.8 L/㎡·hr 까지 증가하였으나 shell 유체온도 영향은 상대적으로 낮았다. 또한 lumen 공급유속에 따른 막증류 투과량과 운전 압력손실을 고려할 경우 0.15 m/s (ReL = 135)일 때 가장 효율적임을 확인하였다.

가스분리막을 이용한 분리공정은 기존의 분리공정을 대체할 공정으로서 수십 년간 발전이 되어 왔다. 특히 분리막 공정은 가스분리에 있어서 기존공정에 비해서 에너지 소모가 적고 설치에 필요한 공간이 간소하며, 스케일업이 간단한 장점이 있다. 최근에는 기체분리막 공정은 질소발생장치, 수소발생장치, 막제습기, 선박이나 항공기용 불활성기체충진장치, 천연가스 정제, 바이오가스 정제, 연료전지분야에서 널리 사용이 되고 있으며, 향후에는 이산화탄소의 분리에도 강력한 대체공정으로 사용이 될 수 있다. 이러한 가스분리막 공정을 좀 더 널리 보급하기 위해서는 로베슨 플롯의 한계를 넘어설 수 있는 새로운 소재의 개발이 절실하며, 이러한 한계를 돌파하기 위하여 많은 연구자와 회사들이 카도그룹이나 스피로 구조를 가지는 고분자나 PIMs 같은 소재의 개발에 박차를 가하고 있다.