정삼투 공정에 유용한 유도용질로서 diethyl malonate를 사용한 citrate 계열의 유기 화합물을 합성하였다. 최종적으로 얻은 potassium pentane-1,3,3,5-tetracarboxylate는 1H-NMR과 13C-NMR을 통하여 확인하였다. 유도용질의 물성을 확인 하기 위해 삼투압, 용해도, 수투과도, 역염 투과도를 측정하였다. 합성한 유도용액을 사용하여 정삼투 공정을 진행한 결과, 동일한 citrate 계열인 trisodium citrate 및 tripotassium citrate보다 높은 수투과량을 나타내었으며 염의 역확산 정도는 NaCl에 비하여 매우 낮은 값을 나타내었다. 합성된 유도용질의 삼투압은 NaCl보다 약 25% 낮았으나 물에 대한 용해도는 NaCl의 8.8 배인 317 g/100 g water의 값을 나타내었다. 정삼투 종료 후 유도용질의 회수를 위해 상용화된 나노여과막을 사용하였고, 낮은 압력에서 효율적으로 회수가 가능하였다.

Forward Osmosis process has no, as yet, reliable method to predict fouling. This study utilized the concept of fouling reversibility to develop the index. The osmotically-driven reversibility index, denoted as ORI, was acquired by measuring the flux recovery after physical cleaning cycle and the protocols of ORI were developed systematically by considering all the critical factors of FO process. The applicability of ORI was examined by investigating FO process when treating secondary effluents from various full-scale wastewater treatment plants. The results demonstrated that the normalized final flux by fouling in FO was closely correlated to the ORI measurements with high statistical reliability. The ORI has proven to be useful evaluation parameter for continuous operation and determining cleaning cycles of FO process.

미량화학물질은 미량 (ng/L)으로 인체 또는 환경에 심각한 피해를 줄 수 있는 물질이므로, 효과적인 미량오염물질 제거 시스템 개발이 필요한 실정이다. 분리막 기반 수처리 공정 중 정삼투 공정은 미량화학물질을 효과적으로 제어할 수 있는 저에너지, 친환경 공정으로 각광받고 있으나, 제거율, 제거기작, 공정최적화 등의 연구가 필요한 실정이다. 따라서, 본 연구에서는 정삼투 공정을 이용하여 미량화학물질의 제거성능을 평가하고 그 기작을 평가하여 수계 내 존재하는 미량오염물질을 신속하고 효율적으로 처리할 수 있는 삼투막 기반 막공정 공법을 제시하고자 한다.

정삼투 공정에 유용한 유도용질로서 n-nitrilotris(methylene) phosphonic acid (NTPA) 염을 합성하였다. NTPA에 첨가하는 KOH의 함량을 변화시켜 NTPA-4K, NTPA-5K, NTPA-6K 세 종류의 유도용질을 합성하고 1H-NMR, 13C-NMR을 통하여 확인하였다. 유도용질의 물성을 확인하기 위해 삼투압, 점도, 수투과도, 역염 투과도를 측정하였다. 정삼투 공정에서는 증류수를 유입용액으로 사용하고 0.5 M의 유도용액으로 실험한 결과 각각 수투과도는 35.8, 38.8, 42.2 LMH를 나타내고 5.4, 6.9, 7.4 gMH의 역염 투과도를 나타내었다. 이는 기존의 NaCl 유도용액보다 높은 수투과도와 훨씬 낮은 역염 투과도를 확인 하였다. 정삼투 공정 후 묽어진 유도용질의 회수를 위해 나노여과 방식으로 상용막을 사용하여 제거율을 측정한 결과 90% 이상의 높은 성능을 확인하였다.

Forward osmosis (FO) process has been attracting attention for its potential applications such as industrial wastewater treatment, wastewater reclamation and seawater desalination. Particularly, in terms of fouling reversibility and operating energy consumption, the FO process is assumed to be preferable to the reverse osmosis (RO) process. Despite these advantages, there is a difficulty in the empirical step due to the lack of separation and recovery techniques of the draw solution. Therefore, rather than using FO alone, recent developments of the FO process have adapted a hybrid system without draw solution separation/recovery systems, such as the FO-RO osmotic dilution system. In this study, we investigated the performance of the hollow fiber FO module according to various operating conditions. The change of permeate flow rate according to the flow rates of the draw and feed solutions in the process operation is a factor that increases the permeate flow rate, one of the performance factors in the positive osmosis process. Our results reveal that flow rates of draw and feed solutions affect the membrane performance, such as the water flux and the reverse solute flux. Moreover, use of hydraulic pressure on the feed side was shown to yield slightly higher flux than the case without applied pressure. Thus, optimizing the operating conditions is important in the hollow fiber FO system.

우리는 정삼투 공정의 유도용질로서 잠재적인 활용 가능성을 확인하기 위해 식물화학물질인 tannic acid (TA)에 알칼리 염 처리한 alkali tannate 염 중 하나인 potassium tannate (TA-K)를 평가하였다. TA-K의 정삼투 특성과 회수 특성은 체계적으로 조사되었다. 정삼투 공정을 active layer facing feed solution (AL-FS) 방식으로 적용했을 때, TA-K 유도용액의 투수량은 TA 유도용액의 투수량 보다 훨씬 많은 반면, TA 유도용액의 투수량이 거의 확인되지 않았다. 100 mM 저농도에서 의 TA-K 유도용액의 삼투압(1,135 mOsmol/kg)은 NaCl 수용액의 삼투압(173 mOsmol/kg)의 약 6.5배로 확인되었다. 100 mM 농도의 TA-K의 투수량과 specific salt flux (6.14 LMH, 1.26 g/L)는 동일한 농도의 NaCl 유도용액의 투수량과 specific salt flux (2.46 LMH, 2.63 g/L)의 약 2.5배 및 0.5배로 각각 확인되었다. TA-K를 재사용하기 위해, 금속 이온 침전법을 이용 하여 TA-K유도용질을 침전시킨 후, membrane filtration을 이용하여 유도용질을 회수하였다. 이 연구는 식물화학물질을 정삼투 공정의 유도용질로서의 적용 가능성을 보여준다.

We synthesized the poly(4-vinylbenzyltributylammonium hexanesulfonate) P[VBTBA][HS] which was obtained via anion exchange with hexanesulfonate after acquiring monomer [VBTBA][Cl] by Menshutkin reaction to investigate its feasibility as draw solute for forward osmosis process. P[VBTBA][HS] shows lower critical solution temperature (LCST) property at about 21℃, while LCST property of [VBTBA][Cl] and P[VBTBA][Cl] was not confirmed. This result suggests that P[VBTBA][HS] can be recovered from solution by heating them to above LCST. In AL-FS mode with solution of 20 wt% P[VBTBA][HS] at 15℃, water flux and reverse solute flux were found to be about 6.43 LMH and 0.59 gMH. This study can provide an understanding of new way of proceeding draw solute and information for the potential design and synthesis of thermo-responsive organic material.

셰일가스전 폐수는 총용존고형물이 10에서 200g/L로 높아 기존의 역삼투 공정으로 처리하기에 기술적 한계가 있다. 본 연구에서는 정삼투막을 이용한 고염폐수(TDS 70g/L) 농축을 다루고 있다. NH3-CO2 기반의 유도용액을 사용하여, 8인치 나권형 정삼투 모듈의 배열에 따른 농축 효율을 연구하였다. 유도용액 공급이 원활하면서 공급수 농축율을 높이기 위한 조건을 파악하기 위해 공급수 및 유도용액의 흐름을 직렬 및 병렬 연결을 적용하였다. 정삼투 모듈 개수 증가에 따른 성능 영향을 실험함으로써 정삼투 시스템 디자인에 활용 가능한 결과를 도출하고자 하였다. 정삼투 모듈에서 NH3-CO2 유도용액 염 역확산과 공급수염 제거율을 측정함으로써 정삼투 시스템 운영상 문제점 및 해결방안을 제시하고자 한다.

최근 셰일가스 산업의 호황과 더불어 셰일가스전에서 배출되는 폐수처리가 중요한 환경문제로 부각되고 있다. 셰일가스전 폐수는 총 용존고형물의 농도가 10에서 200g/L로 높기 때문에 역삼투 담수공정을 적용하기에 어려움이 있다. 본 연구에서는 셰일가스전 폐수를 처리하기 위해 저압에서 운전 가능한 정삼투 공정(FO)의 적용 가능성을 연구하였다. 특히 대표적으로 널리 활용되고 있는 유도용액인 NaCl과 NH3-CO2를 사용하여 셰일가스전 폐수에 포함되어 있는 2가 양이온이 FO공정에 미치는 영향을 알아보았다. FO공정 유도용액의 역확산은 막의 플럭스와 스케일로 인한 막오염에 중요한 영향을 끼치는 것으로 나타났다. 이를 통해 FO공정의 폐수 성상에 따라 유도용액 종류 선택 및 공정 디자인의 중요성이 입증되었다.

물 부족 현상을 해결하기 위하여 저에너지 해수담수화가 가능한 정삼투 시스템에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 정삼투 시스템의 경우 가압 조건이 필요하지 않으므로 에너지 비용을 저감할 수 있고, 막 오염 및 파쇄 현상이 역삼투 시스템에 비해 발생하지 않는다는 장점이 있다. 이에 사용되는 유도 용질의 경우 높은 친수성을 가져야하며, 농도 대비 높은 삼투압을 보여야 한다. 또한 유도용액 후처리 공정에서의 분리가 용이하여야 한다. 최근에는 탄소 양자점 유 도용질, 고분자 전해질을 이용한 유도용질, 온도감응성 고분자를 이용한 유도용 질의 연구가 진행되었다. 본 연구에서는 물에 대한 용해도가 큰 다가 카복실산계 유도용질을 합성하고 정삼투 공정에서의 성능평가 및 타 유도용액과 비교실험을 수행하였다. 또한 후처리 공정인 나노여과공정에서의 성능평가 및 타 유도 용액과의 비교실험을 진행하였다.

전 세계적으로 대두되고 있는 물 부족 현상을 해결하기 위하여 하수재이용과 해수담수화 공정의 관심이 높아지고 있다. 특히, 정삼투-역삼투 융합공정은 해 수를 유도용액으로, 하수처리수를 유입수로 하여 정삼투 공정에서 유도용질의 회수 없이 희석된 해수를 역삼투 공정을 통해 하수재이용과 해수담수화를 동시 에 달성할 수 있는 공정으로 최근 각광받고 있다. 이 융합공정은 정삼투 공정과 역삼투 공정의 단점을 상호 보완하는 저에너지 공정으로 차세대 해수담수화 시장을 이끌어 나갈 것으로 판단된다. 따라서, 본 연구에서는 정삼투, 역삼투 막의 특성과 융합공정의 운영인자를 반영한 공정모사를 통하여 정삼투-역삼투 융합 공정의 소비에너지를 최소화 시킬 수 있는 최적 운영조건을 도출하고자 하였다.

지난 10년간 저에너지 측면에서 주목을 받았던 정삼투 공정은 최근 매우 다양한 분야로의 적용이 시도되고 있다. 초기의 MNPs, hydrogel 등의 유도용액의 개발로부터 유도용액의 회수를 필요로 하지 않는 해수와 담수의 삼투희석을 통한 FO-RO hybrid 공정을 비롯하여 식물 재배를 위한 영양 물질을 유도용액으로 사용하는 FDFO(fertiliser drawn FO), 고염도의 셰일가스 생산수의 방류를 위한 처리 등으로 적용이 확대되고 있다. 본 발표는 현재 다양한 분야에 적용되고 있는 FO 하이브리드 공정들에 대한 분석과 이를 통한 효과적이고 성공적인 정삼투 공정의 상업적 적용을 위한 FO 기술의 발전방향을 제시하고자 한다.

최근 셰일가스전 산업이 발전함에 따라 시추 용수 공급 및 폐수처리가 셰일가스전 개발의 중요한 과제로 부각되고 있다. 셰일가스전 폐수는 총용존고형물의 농도가 10에서 200g/L로 높아 기존의 폐수처리 공정으로 처리하기에는 어려움이 있다. 본 연구에서는 정삼투막을 이용하여 셰일가스전 폐수를 농축하는 공정을 다루고 있다. 260g/L의 NaCl을 유도용액으로 사용하고, 폐수 및 유도용액의 농도 변화에 따른 정삼투막의 플럭스를 측정하였다. 정삼투막 내,외부 농도 분극 현상을 감안한 모델식은 실측된 정삼투 플럭스와 유사함을 확인하였으며, 이를 바탕으로 정삼투 모듈의 성능을 예측하였다. 정삼투 공정은 유도용액을 희석시켜 시추 용수로 재이용하며, 발생폐수의 부피를 줄여 폐수 운반비용을 줄이는 효과를 얻을 수 있다.

본 연구에서는 PEI 를 정삼투 공정에 유도용질로 사용하였으며, PEI를 유도용질로 사용하였을 때의 성능을 분자량과 외부 pH 조건 (pH 3 ~11) 관점 에서 분석하였다. PEI가 분리막 표면에서 어떤 메커니즘으로 걸러지고 투과되는지 조사하기 위해, pH 3~11 조건에서 유도 용액의 삼투질 농도, 평균 크기, 점도, 제타전위로 나누어서 설명하였다. 정삼투 성능은 중성 조건에서 다른 pH에 비해 비교적 높은 수투과도 및 낮은 reverse salt flux를 보였으며, 나노여과막을 이용한 유도용질 회수를 위한 염 제거율은 염화 나트륨및 황산 마그네슘에 비해 PEI가 높은 값을 보여주었으며, 이 결과를 바탕으로 PEI가 수처리를 위한 정삼투 및 나노여과 공정에서 유도용질로 사용 가능성을 보여주었다.

정삼투 공정은 반투과성 막 양단의 농도차로 인한 삼투압을 사용하여 물을 투과시키고, 후처리공정을 통하여 유도용액을 분리하는 공정으로, 최근 제약, 음료, 고농도 폐수처리 등에 사용되고 있다. 정삼투막 공정은 역삼투막 공정과 같은 물리적 압력이 없어 막오염이 낮고, 형성된 막오염층도 쉽게 제거가 가능한 것으로 알려져 있다. 그러나 현재까지 정삼투 공정의 원수에 포함된 다양한 막오염 원인물질과 운전요인에 따른 정삼투 공정의 막오염 기작에 대한 연구는 드믄 실정이다. 본 연구에서는 현재까지 정삼투 공정에서의 다양한 막오염 원인물질의 막오염 경향 및 기작에 관련되어 수행된 연구결과을 정리하고, 최근 진행된 연구결과와 역삼투 공정에서 얻어진 결과를 종합하여 정삼투 막오염 기작에 대한 결과를 보고하고자 한다.

인구의 급속한 증가, 한정된 식수 자원의 오염 등으로 인하여 인류에게 필수적인 물이 점점 부족해지고 있다. 깨끗한 물을 얻기 위해 분리막 공정을 이용한 수처리 방식이 널리 사용되고 있으며, 분리막 공정 중 하나인 정삼투 공정은 고압펌프 없이 구동이 가능하다. 정삼투 공정이 높은 수투과도를 가지기 위해서는 내부 농도 분극 현상 및 Reverse salt flux를 적게 일으키는 유도 용질 개발이 필요하며, 희석된 유도 용액에 포함된 유도 용질의 경제적인 회수 방법 개발 또한 필요하다. 현재까지는 60°C 가량에서 회수가 가능한 NaHCO3와 같은 무기 유도 용질, 음료수 생산이 가능한 sucrose와 같은 유기 유도용질, 자기장을 이용해 회수가 가능한 magnetic nanoparticle과 같은 유도 용질들이 개발되어 보고되었다. 또한, 이러한 정삼투 원리를 이용하여 해수 담수, 폐수처리, 단백질 정제, 압력 지연 삼투 이용한 에너지 생산, 관개를 위한 농축된 비료 희석,바이오 연료를 위해 폐수로부터 조류를 키우는 공정과 같은 분야에 적용될 수 있다. 본 논문에서는 정삼투 공정에 영향을 주는 유도용액의 특성과 이상적인 조건, 여러 가지 유도 용질 및 유도용질의 회수 방법, 정삼투 공정의 적용 분야를 여러 논문내용들을 바탕으로 정리하였다.