폐수는 농도 및 성상에 따라 처리 방법이 다양하지만, 증발식과 역삼투식이 고농도 폐수 농축시 적용되고 있다. 물론, 역삼투식으로 처리한 후에도 배출되는 브라인은 증발식으로 최종 처리하고 있다. 결국, 증발식이 적용되기 전에 최대한 폐수의 부피를 줄이는 것이 에너지 소비 측면에서는 유리하다. 따라서, 본 연구에서는 고농도 폐수 농축에 정삼투 기술을 적용하였다. 특히, 나권형 막모듈의 경우 구조적인 문제로 인해 직렬 연결시 압력강하가 심하게 커지는 단점이 있어, 본 연구에서는 평판형 막모듈을 사용하였다. 실험 결과는 유도용액과 원수의 농도, 두 용액간의 삼투압차, 두 용액의 유량, 막 면적 등이 농축에 영향을 미치는 것으로 분석되었다. 결국, 이런 파라미터들의 최적화가 정삼투 공정에서는 절대적으로 중요하였다.

유기용매의 탈수화 공정의 거동을 예측할 수 있는 투과증발 판틀형 모듈에 대한 전산모사 모델을 확립하였는데 이는 공정의 분석 및 최적화의 도구로 사용할 수 있다. 확립한 모델은 물질, 열 및 농도 수지식으로 이루어졌으며 유한요소법의 수치해석을 사용하여 각 투과 특성들은 계산하였다. 본 전산모사에서는 모듈내 각 두개의 막 사이에 있는 단일 공급유로를 기본 미분단위부피로 사용함으로써 계산과정을 단순화하초 계산시간을 단축할 수가 있었다. 또한 모델식에 각 파라메타들을 실제 공정에서 직접 구하여 사용함으로써 공정모사의 정확성을 얻을 수가 있었다. 모사모델의 타당성을 화인하기 위해서 에탄올/물 혼합물을 모델 혼합물로 선정하여 상업 투과막인 AzeoSepTM-2002를 통한 투과실험을 행하여 각 투과 특성들을 얻었으며 얻은 이들 값들과 모사 모델식으로부터 계산된 값들과 비교한 결과 서로 잘 일치함을 보여 본 모사모델의 타당성을 입증하였다. 또한 모사모델을 사용하여 연속식 및 회분식 투과공정에서의 에탄을 탈수 공정을 모사하였는데 모사 결과들은 공정 분석 및 최적화를 위한 기본자료로 활용할 수 있다. 본 연구에서는 모사결과를 토대로 회분식 공정과 연속식 공정을 비교 분석하였다.

공급수가 원판틀형 모듈에 잘 분포될 수 있는 역삼투형 하우징(HY)을 개발하여 설계 제작하였으며 상용화된 Rochem(RC)시스템과 투과성능을 비교하였다. 자체 개발한 HY시스템은 RC시스템에 비하여 투과유속이 약간 떨어지는 반면, NaCl 배제율은 전반적으로 높았다 원판틀형 모듈인 type A, B, C에 대한 투과유속 및 배제율을 NaCl, sucrose 및 butanol 수용액으로 측정하였다. NaCl 및 sucrose의 경우, type C, A, B의 순으로 투과성능이 우수하였으나 butanol의 경우는 type B, C, A 순이었다. Type A에 대한 type C의 butanol 투과유속은 농도가 감소할수록 그리고 28 bar 범위내에서 운전압력이 증가할수록 향상되었다.

직선형(Type 1), 곡선형(Type 2) 및 병렬형 (Type 3) baffle을 설치한 역삼투용 판틀형 모듈을 설계 제작하였으며 NaCl과 sucrose 용액을 각각의 모듈에 공급하여 용액농도 및 운전압력등이 분리특성에 미치는 효과를 측정하고 각 모듈의 특성치를 비교하였다. 운전압력 35bar, 원료 공급유량 6 l/min 이내의 운전조건에서 Type 3가 투과선속 및 배제율 측면에서 가장 우수하였다. NaCl 수용액의 경우, Type 1에 대한 Type 2 및 3의 투과선속 향상율은 운전압력이 증가함에 따라서 감소하였다: 1wt% NaCl 수용액에 대한 Type 3 투과선속 향상율은 10bar 근처에서 약 100%이었으나 35bar에서는 약 10%로 감소하였다. 그러나 sucrose 수용액에 대한 Type 2 및 3의 투과선속 향상율은 농도 및 운전압력에 따라서 크게 변화하였다. 또한 Type 3의 경우, 원료용액의 공급속도 변화에 따른 투과선속의 의존성은 거의 선형적으로 나타났으며 이는 baffle이 존재하지 않는 난류영역에서 보다 큰 값이었다.

평판형 모듈 설계의 최적화를 목적으로 feed 흐름 조건에 따른 feed 온도 및 유속분포를 예측할 수 있는 모델식을 확립하였고 모델 모사를 통해 흐름 조건들이 온도 분포에 끼치는 영향들을 조사하였다. 모델내의 유체의 Re 크기가 커지면 채널 두께방향으로의 유속 구배가 커질 뿐 아니라 투과물 증발을 위한 에너지원인 feed 흐름 속도가 커져 물질 및 열흐름이 증가하여 투과물 증발로 인한 feed 온도 강하가 증어든다. 반면에 채널 간격이 작아지면 feed 흐름량이 상대적으로 작아져 급격한 온도 강하를 야기시킨다. Re 크기에 따른 feed 온도 변화는 실험결과와 일치함이 관찰되었다.

NaCl과 sucrose 용액을 역삼투용 워난틀형 모듈에 공겁하여 투과실험하였으며 Kimura-Sourirajan[8]이 제안한 방법으로 분리성능을 분석하였다. 사용한 분리막의 순수투과계수는 압력에 무관하게 2.17 × 10-6 (gmol/cm2 -sec-bar)로 일정하게 유지되었다. Sucrose 용액의 농도분극화 현상은 NaCl 용액보다 심각하였으며 40bar 이상에서는 압력이 증가함에 따라서 오히려 투과선속이 감소하였다. 용질 배제율은 NaCl 수용액의 경우 압력이 증가함에 따라서 감소하였으나 sucrose 수용액의 경우는 압력에 따라서 배제율도 증가하였다.

Nanofiltration[NF45] and reverse osmosis membrane[HR98PP] separation treatment of dyestuff wastewater was carried out in order to seperate relatively pure water from synthetic dyestuff wastewater, which consists of reactive dye, acid dye, basic dye, direct dye, and disperse dye. The experiments were performed by using the plate and frame membrane module. In the nanoflltration and reverse osmosis membrane separation, When the NaCl concentration was 0.1, 5.0, and 20.0%, retention was 63.0, 46.0, 0.9%, respectively. When permeate flux was 125.0, 67.5, and 45.0 L/㎡·h, the osmotic pressure increased with increasing the NaCl concentration. Permeate flux of two membranes increased as temperature increased due to segmental movement of polymer of the membrane and the rejection rate of dyestuff was decreased gradually. It was found that the rejection rate was about 95% in the nanofiltration, while the reverse osmosis membrane showed a high rejection rate of 99% under all temperature and pressures conditions.