본 연구에서는 열유도상분리법(thermally induced phase separation)을 사용하여 제조한 플라워 형태의 단면을 갖는 PVDF [poly(vinylidene fluoride)] 중공사 분리막에 대한 친수화 코팅과 그에 따른 특성평가에 대한 연구를 수행하였다. 연구에 사용한 중공사 분리막은 (주)퓨어엔비텍에서 제조한 PVDF 소재의 분리막이었으며, 친수화 코팅 실험은 PEBAX 1657, 2533, 3533의 공중합체 고분자를 사용하여 농도가 다른 용액을 제조 후 딥 코팅 방법을 이용하여 실시하였다. 친수화 코팅이 된 중공사 분리막은 친수화 정도를 파악하기 위하여 SEM 촬영 및 접촉각 측정을 실시하였다. SEM 촬영 결과 코팅의 농도가 증가하고 코팅횟수가 증가할수록 코팅층의 두께가 두꺼워짐을 확인하였고, 접촉각 측정의 경우 코팅의 농도가 증가하고 코팅횟수가 증가할수록 접촉각이 낮아짐을 확인하였다. 기체 투과 실험 결과 코팅농도가 증가하고 코팅횟수가 증가할수록 산소 기체투과량이 감소하였으며 친수성이 높은 PEBAX 1657로 코팅한 중공사의 기체투과량이 PEBAX 2533과 3533으로 코팅된 중공사보다 낮은 기체투과량을 가짐을 확인하였다.

본 연구에서는 polyvinylidene fluoride (PVDF) 중공사막을 지지체로 한 저압용 나노복합막을 제조하였다. Poly styrene sulfonic acid (PSSA)와 polyethyleneimine (PEI)을 layer-by-layer 및 염석 효과 방식으로 지지체막에 코팅하였다. 막의 투과도와 염 배제율 성능을 알아보고자 NaCl, MgCl2, CaSO4 100 mg/L수용액을 1 L/min의 유량으로, 2 bar의 압력을 상온에서 가해주었다. 20,000 ppm의 PSSA (이온세기 1.0)용액에 3분, 30,000 ppm (이온세기 0.1)용액에 1분 코팅한 막이 가장 우수하였다. 투과도와 염 배제율은 NaCl 공급액에서는 38.5 LMH, 57.1%, MgCl2는 37.9 LMH, 90.2%, CaSO4는 32.4 LMH, 54.6%로 각각 측정되었다.

열유도상분리법(TIPS) 및 연신의 복합공정으로 막증류(Membrane distillation, MD)용의 소수성 및 다공성 PVDF 중공사 분리막을 제조하였다. 제조된 분리막을 막증류 공정에 적용하여 처리수량을 극대화하기 위한 방안으로 모듈의 형태와 운전조건 및 병렬 연결 시 배관의 크기 영향을 확인하고자 하였다. 진공 막증류 모듈의 최적화 실험에서는 모듈 내 분리막의 충진율과 길이가 증가할수록 플럭스는 감소하며, 진공포트의 위치는 모듈을 수직으로 연결하였을 때 원수의 inlet 방향에 위 치할수록 플럭스 측면에서 가장 유리한 것으로 확인되었다. 모듈의 헤더배관의 크기선정에서는 중공사막의 내경면적과 헤더 배관의 내경면적이 동일할 경우 최대 플럭스를 나타냄을 확인할 수 있었으며, 모듈 내 선속도가 높을수록 높은 플럭스를 나타내지만 모듈에 작용하는 압력 역시 비례하여 증가하기 때문에 최적 선속도를 찾는 것이 필요하다.

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%.

The hollow fiber membranes were prepared via hybrid process of the thermally induced phase separation(TIPS) and the non-solvent induced phase separation(NIPS). The spinning dope solution consisted of poly(vinylidene fluoride) (PVDF) / dibutyl phthalate (DBP) / 1-methyl-2-pyrrolidone (NMP), where DBP was used as a diluent and NMP as a solvent for PVDF. Various bore fluids were tested different ratio solvent/diluent mixture. Depending on the miscibility of dope solution and internal coagulant the samples underwent the different phase separation mechanisms and rates. Phase separation mechanism study for various combinations were performed to support the interpretation of the membrane structure. Membrane characterizations were performed such as water flux, porosity, pore size, and mechanical strength.

최근의 물 부족 문제 해결의 대안으로 양질의 처리수를 확보 할 수 있는 방류수 재이용 막여과 공정을 도입함에 있어, 처리수량의 안정성 확보(막오염 제 어)가 필수이다. 본 연구는 산화그래핀을 기존 PVDF 중공사막에 적용하여 내오 염성을 향상시키고, 상용화 수준으로 모듈화하여, 공업용수에 적합한 방류수 재이용 막여과 공정 최적화를 구현하였다.

The hollow fiber membranes were prepared via hybrid process of the thermally induced phase separation(TIPS) and the non-solvent induced phase separation(NIPS). The spinning dope solution consisted of poly(vinylidene fluoride) (PVDF) / dibutyl phthalate (DBP) / 1-methyl-2-pyrrolidone (NMP), where DBP was used as a diluent and NMP as a solvent for PVDF. Bore fluids were tested different ratio solvent/ethanol and diluent/ethanol mixture. The membrane structure was analyzed by SEM and FT-IR to confirm phase separation mechanisms. Various structures were obtained due to the different phase separation mechanism. Membrane characterizations were performed such as water flux, pore size, rejection efficiencies and mechanical strength.

수처리용 MF 막의 소재로 널리 쓰이는 PVDF는 높은 소수성으로 인해 막 오염현상 등의 문제점을 발생시킨다. 본 연구에서는 이러한 현상을 해결하기 위해 PVDF 중공사막 표면과 기공 내부에 defluorination을 시켜 hydroxyl기를 형성하고 epoxy, aldehyde functional PEG를 grafting하여 기공 내부와 막 표면의 친수화를 달성하고자한다. 이를 통해 막 오염현상을 감소시킴은 물론 수투과도 향상 또한 기대할 수 있다. PVDF 중공사 표면에 grafting된 functional PEG를 확인하고, 개질된 막의 친수화 정도와 anti-fouling 특성을 평가하고자 한다.

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.

본 연구에서는 중공사막의 기계적 강도와 투과유속을 동시에 높이고자, 열유도 상전이법을 이용하여 중공사막 제조 후 연속적으로 연신공정을 적용하여 고투과성 중공사막을 제조하였다. 또한, 고분자함량별 연신된 중공사막을 제조하여 연신온도, 연신율에 따른 물성 변화를 관찰하였다.

본 연구에서는 PVDF 중공사막을 열유도상분리와 연신의 복합공정에 의해 제조하였으며, 연신비에 따른 분리막의 구조 및 물성을 분석하였다. 이 분리막 제조의 메카니즘은 액-액 상분리에 기초하며, 최종 중공사막은 bicontinuous한 구조와 연신에 의해 fibrill 구조를 가지게 되어, 구정(spherulite)구조를 갖는 고-액 상분리막과 bicontinuous한 구조만을 갖는 액-액상분리막과 차별화된다. 우선, TIPS공정을 통해, gamma-butyrolacton, dimethyl phthalate (DMP), diethyl phthalate (DEP), di-butyl phthalate (DBP) 등을 단일 혹은 이들을 조합한 혼합 diluent로 사용하여, 냉각조건, PVDF와 희석제의 함량을 조절하면서 중공사막 전구체를 제조하고, 후속공정인 연신에 의해 최종적으로 중공사막의 외부표면을 porous하게, 혹은 dense하게 만들 수 있었다. 연신된 중공사막을 에탄올에 추출, 건조한 후 SEM을 통하여 pore 구조의 변화를 관찰하였으며, 수투과량, 다공도, 기공 크기, 표면 거칠기, 인장강도 등의 변화를 분석하였다.

Poly (vinylidene fluoride) (PVDF)의 소수성 중공사막 표면에 계면중합하여 복합막을 제조하였다. Piperazine (PIP)과 trimesoyl chloride (TMC)의 농도변화, polyethylene glycol (PEG)의 함량변화에 따라 막을 제조하였으며, 막의 특성평가를 위해 100 ppm의 NaCl, CaSO₄, MgCl₂ 용액과 NaCl과 CaSO₄를 혼합하여 제조한 300 ppm의 공급액에 대한 막의 투과도와 배제율을 알아보고자 하였다. TMC를 사용하여 계면중합하였을 때 막의 투과도와 배제율이 가장 높게 나타났으며, 0.1~1 wt%로 TMC 농도를 변화시켜 가며 실험을 수행한 결과 0.1 wt%일 때 NaCl 100 ppm에 대해 투과도 48.3 LMH (L/m²·hr)와 배제율 59%로 가장 높은 값을 나타내었다. 또한, 투과도를 향상시키기 위해 annealing처리와 piperazine에 PEG를 첨가하여 실험을 수행하였다. 실험결과 처리하지 않은 막에 비해 투과도는 전체적으로 향상되는 모습을 나타냈지만배제율이 감소하는 경향을 나타내었다.

화학적 안정성이 양호하고, 제막조건이 온화한 재료인 poly(vinylidene fluoride) (PVDF)를 주재료로 사용하여 용매, 첨가제, 혼합고분자 및 제막조건의 변화에 따른 고강도 친수성 정밀여파(microfiltration, MF) 중공사 분리막의 실험에 의해 고찰하였다. 제조된 MF 중공사막의 막성능은 평균 공경 0.3 μm, 인장강도 42kgf/㎠, 순수 투과유량은 600 LMH을 얻었다. 제막과정에서 다양한 첨가제의 막성능을 검토한 결과는 순수투과유량과 제거율에 상당한 영향을 미치고 있음을 알 수 있었다. MF막의 친수성을 개선하기 위해 소수성 PVDF와 상호 용해성 이 좋은 친수성 poly(methyl methacrylate) (PMMA)를 혼합하여 투과성능과 제거율을 개선한 우수한 친수성 MF막을 제조할 수 있었다.

A membrane bioreactor (MBR) was designed using polyvinylidene fluoride(PVDF)-type hollow fiber membrane modules with a treatment capacity of 10 ton/day. A pilot plant was installed in a sewage treatment plant and was operated with an intermittent aeration method which avoids any concentration gradient of suspended solids (SS) in the MBR. For continuous operation, the pilot plant was first tested with influent (mixed liquor suspended solid:MLSS of 1000-2000 mg/L) of aeration tanks in the sewage treatment plant. The MBR was pre-treated with washing water, 10% ethanol solution, 5% NaOCl solution and finally washing water, one after another. To demonstrate the effect of the MBR on sewage treatment, compared with conventional activated sludge processes, we investigated the relationships among permeate amount (LMH), change in operation conditions, influent MLSS level and sludge production. It was found that the optimum aeration rate and suction pressure were 0.3 m 3 /min and 30~31 cmHg, respectively. Under stable conditions in aeration, suction pressure, influent flow rate and drainage, the SS removal efficiency was more than 99.99% even when the MLSS loading rate changes. Compared with conventional activated sludge processes, the MBR was more effective in cost reduction by 27% based on permeate amount and by 51.5% on sludge production.