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.

가압형 정삼투(pressure-assisted forward osmosis, PAFO) 공정은 기존의 정삼투(forward osmosis, FO) 공정의 단 점인 낮은 수투과도 및 유도용질의 역확산을 극복하여 전체 공정 효율을 향상시킨다. 하지만 가압에 의한 추가적인 수리학적 압력의 작용은 파울링을 가속화 시킨다는 단점이 있다. 본 연구는 PAFO의 간헐적 운전방법인 간헐적 가압형 정삼투 (Intermittent pressure-assisted forward osmosis, I-PAFO)의 파울링 저감 가능성을 평가하기 위해 수행되었다. 비교를 위해 FO 및 PAFO를 동시에 운전하여, 세 가지 운전에서의 파울링 거동을 관찰하였다. 파울링 실험을 위한 오염물질로 콜로이드 실리 카 입자를 사용하였고, 분리막 및 입자의 정전기적 상호작용 에너지 변화가 파울링 거동에 미치는 영향도 확인하였다. 실험 결과, I-PAFO 운전에서, 용액 pH 변화에 관계없이 가압구간, 압력완화 구간에서 각각 PAFO, FO보다 높은 수투과도를 유지 하였다. 파울링 실험 후, PAFO에 비해 I-PAFO운전에서 더 적은 수투과도 감소가 관찰되었고, 이로 인해 물리세정 후 향상된 수투과도 회복률 또한 관찰되었다.

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.

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.

역삼투 해수담수화 공정에서 막 오염은 생산수량 감소 및 공정의 에너지 소비량 증가를 야기한다. 막간 차압 증가, 생산수량 감소 외에 막 저항 값의 증가는 막 오염 정도를 판단하는 수치로 사용이 가능하다. 특히 막 저항 값 기반의 세정은 막 오염 제어를 통해 역삼투 해수담수화 공정에서 막의 성능 유지 시 사용 가능하다. 이에 본 연구에서는 해수 수질 인자 및 공정 운전 인자에 기반하여 막 저항 값을 예측하는 알고리즘을 제안한다. 알고리즘은 해수담수화 플랜트의 운전 데이터에 기반하여 인자들과 막 저항 값 사이의 관계를 학습하고 검증과정을 거쳐 막 오염 발생 시점을 사전에 예측하는 방식으로 개발되었다. 예측 정확도를 분석하고 개발된 알고리즘의 수정을 통해 예측 정확도 향상을 위한 연구를 진행하였다.

하수처리장 반송슬러지를 채취한여 안정시킨 후 같은 평막 모듈 2개를 침지 시키고 각각의 막에 기존 MBR 공정인 FR (Filtration/Relaxation) 운전방식 및 연속운전을 적용시켜 막에 손상이 가지않을 정도의 압력에 도달할 때까지 운전 하였다. 이후 여러 가지 물리적 세척방법을 적용하여 막을 세척하는 실험을 반복하여 각 세척법에 대한 가역오염 기울기를 측정하였다. 또한 막에 대한 임계 투과유속을 측정하여 실험에 어떠한 영향을 끼치는지 확인하였다. 실험에 사용한 막은 P사의 평막이며 공칭세공크기 0.4 μm이며 막 면적은 약 0.02 m2이다.

고염도 용액에서 sodium alginate 파울링을 가압식 전량여과 조건에서 관찰하였다. NaCl 및 CaCl2를 이용하여 이온 강도를 0.6 M로 제조한 용액에 sodium alginate를 2, 20 그리고 50 mg/L 투여한 후 공극크기 0.1 μm의 친수 성 PVDF 멤브레인을 통해 0.2 bar의 정압 조건에서 여과하였다. Na 혹은 Ca에 의한 이온강도가 높은 경우 파울링은 감소하였으나, Na와 Ca가 모두 존재하는 경우 여과 초기 파울링이 급격히 증가하는 경향을 나타내으며, 이온 강도가 높 은 경우 sodium alginate 농도에 따른 파울링속도에는 큰 차이가 없었다.

삼투압과 기계적 가압의 영향을 모두 받아 비가역적 거동을 보이는 역삼투 (RO) 막오염과는 달리 정삼투(FO)에서 발생된 막오염층은 물리적 세척을 통해 일정수준이상 회복되는 가역성을 보인다. 최근 연구결과에 따르면 FO의 막오염 물질 중 단백질과 다당류와 같은 물질들이 비가역적인 막오염을 유발할 수 있 다는 결과를 보여주었는데 이는 FO의 장점인 가역성을 저해할 수 있다. 이러한 원수에 있는 막오염 물질들이 막오염에 영향을 줄 수 있기 때문에 실제 하수 2 차 처리수를 이용하여 평가한 결과 40% 이상 막오염 회복도가 떨어졌으며 이는 분리막과 원수의 특성에 따라 차이를 나타내었다. 따라서 정삼투공정 운전 시 원수성상과 사용하고자하는 분리막의 재질을 고려하여 물리적세척주기를 결정하여야 한다.

고분자막이 가진 수투과능 한계와 비가역적 막오염에 의한 효율 저하는 막기반 수처리공정의 추가적인 경쟁력 확보를 위해 해결해야 하는 문제이다. 본 연구에서는 초고속 물투과 특성과 뛰어난 선택성을 지닌 Graphene oxide (GO)막 에 뛰어난 항균성을 가진 은나노(nAg)가 코팅된 막을 제작, 평가하였다. GO막 은 막오염 저감에 효과적일 수 있는 높은 친수성과 음표면전하와 같은 특성과 막오염에 취약할 수 있는 높은 비표면적과 뛰어난 흡착능력과 같은 특성을 동 시에 가진다. 따라서, 논란의 부분이 있는 GO막의 막오염에 대한 저항성의 확실한 향상을 위해 nAg를 적용하였다.

Biofouling is about of how marine organisms attach to marine substrata at different length and time scales. Anti-fouling is the process of removing the accumulation, or preventing their accumulation. Recently, many research groups in the world try to invent an anti-fouling agent via biomimicking processes. Naturally occurred antifouling materials and processes (i.e. calcareous algae that cause barren ground phenomenon, and periostracum of bivalves ) give us some insights to design novel anti-fouling agent via biomimicking. Here, I will present bio-inspired and environmentally friendly anti-fouling agents based on understanding marine fouling mechanisms.

본 연구는 정밀여과막의 막오염 수준을 예측할 수 있는 막오염 평가지표 개발에 관한 것이다. 막오염 지표는 세공크기가 0.1 μm인 Polyvinylidene fluoride (PVDF) 재질의 침지형 중공사 미니모듈을 이용한 실험장치로 측정되었다. 유입 수는 막오염 메커니즘을 대표할 수 있는 막오염 물질인 Kaolin, Silica, Humic Acid, Alginate를 최적의 비율로 조합한 표준 조제수를 이용하였으며, 단시간에 막오염의 변별력을 높이기 위해 한강원수 기준으로 가혹조건의 농도를 적용하였다. 이 막오염 평가지표의 타당성 검증은 미니모듈과 현장 실규모 모듈의 평 가결과를 비교함으로써 수행하였다. 본 막오염 지표는 막오염의 속도를 예측하 기 위한 객관적인 지표로 활용이 가능하다고 판단되며, 미니모듈 측정결과는 정수장내 막면적 50 m2의 실규모 모듈의 결과와 부합되는 것으로 나타났다.

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.

Temperature correction trans-membrane pressure (TC-TMP) is frequently used as a fouling index in membrane water treatment plants. TC-TMP equation is derived based on an assumption that the total membrane resistance (i.e. the sum of the intrinsic membrane resistance and fouling resistance) is not affected by temperature. This work verified the validity of this assumption using microfiltration (MF) and ultrafiltration (UF) membranes with and without fouling. The foulants used in the work were kaolin (inorganic) and humic acid (organic). The intrinsic resistances of MF and UF membranes remains at constant values regardless of temperature change. When the same amount of foulants were accumulated on the membrane, inorganic fouling resistance with kaolin was constant regardless of temperature change while organic fouling resistance with humic acid decreased at higher temperatures, which means that TC-TMP cannot be used as a fouling index when organic fouling occurs in a real field application. Since TC-TMP underestimates the amount of fouling at higher temperatures, more attention should be necessary in the operation of membrane water treatment plant in a hotter season like summer.

고농도의 MBR처리공정에서 물리적 세정방법인 공기폭기(Aeration)는 장기간 막성능을 유지시키는기 위한 주요 방법으로, 기존의 연구들은 산기관의 성능을 극대화시켜 공기세정을 최적화시키는 연구를 주로 하였다. 효율적인 슬러지 탈리를 위해 폭기위치⋅시간⋅균일 배출성 및 데드존(Dead Zone) 감소 등 다양한 연구들이 진행되어 왔으며, 이를 통한 더 이상의 성능향상은 기대하기 어려운 상황이다. 산기관 최적화 이외에 막성능을 장기간 유지하기 위해서는 막모듈 전체에 공기에 의한 슬러지 탈리가 일어나야 하며, 이는 모듈의 구조적인 문제를 개선함으로써 해결책을 찾을 수 있다. 본 연구에서는 기존의 분리막 모듈과 구조가 변경된 모듈의 오염(fouling)에 따른 분리막 성능을 비교하고자 한다.

막여과 정수처리 공정에서는 효율적 처리와 관리를 위하여, 일정용량의 계열(Train)을 복수로, 고회수율 달성을 위한 다단(Stage)의 구성을 사용한다. 이에 따라, 각 계열 또는 단이 처리해야하는 대상수의 농도가 서로 상이하고, 원수 및 약품의 유입위치와 방향 등에 따라 막오염 특성이 서로 상이하다. 따라서, 본 연구에서는 다수의 계열과 2단으로 구성된 침지식 막여과 정수처리 공정에서 계열 및 단별 오염특성을 파악코자 하였다. 10년 이상 운영이 지속된 막여과 정수처리 공정을 대상으로 한 오염평가실험에서, 전단/앞 계열에서는 무기오염이, 후단/후 계열에서는 유기오염이 상대적으로 높게 나타나는 것을 확인하였으며, 이러한 자료를 바탕으로 막여과공정의 운영관리 방안을 제시할 수 있을 것으로 판단된다.

고분자 PVDF 중공사막과 알루미나 평관형 정밀여과막의 침지식 여과에서 Sodium Alginate 파울링 거동을 관찰하였다. 공기폭기 없이 SA농도 (0.1 g/L)와 투과플럭스 (30 L/m²/hr)에서 PVDF막의 파울링 속도가 세라믹막 보다 높았다. SA 파울링 속도는 NaCl와 CaCl2 첨가 이온강도에서 더욱 높게 관찰되었다. 공기폭기를 적용 시 SA 파울링은 감소하였으나 동일한 공기유량에서 중공사막의 경우 세라믹막에 비해 감소효과는 더욱 높았다.

다공성 지지체인 Polyvinylidene flouride(PVDF) 중공사막에 가압법을 이용하여 수용성 고분자인 Poly(styrene sulfonic acid) (PSSA)와 Polyethyleneimine (PEI)으로 강제 파울링 유도시켜 나노여과막을 제조하였다. 가압법과 담금법의 차이 및 코팅용액의 농도, 코팅시간, 가교제의 영향에 대하여 알아보기 위하여 NaCl 100 ppm 에서 투과도와 제거율을 측정하였다. 측정결과 PSSA 2%에 이온세기 0.3으로 2분 코팅한 다음 PEI 3wt%에 이온세기 0.1으로 1분 코팅한 경우가 투과도 118 LMH, 제거율 79.1%로 가장 좋은 결과를 나타내었다.

We have studied ternary polymer blend system (A-B/C), which A and C polymers have attractive interactions. The blend was prepared as thin layer coating on the top of the supporting membrane, such as alumina, by layer-by-layer deposition of each polymer from the diluted solution. By controlling the fraction of polymer, the morphology of the blend showed various states including inter-connected porous structure at a certain condition. In addition, we tried to have the better control in pore size and function by introducing small molecule-containing layers atop of the blended coating. The selectivity of filtering and flux of the coated membrane was studied by filtration experiments with aqueous mixtures of various sized solutes including inorganic and organic compounds. Beneficially, the active layer coating exhibited anti-fouling effect.

본 연구는 역삼투막의 막오염을 해결하기 위하여 실란-에폭시 층을 형성시킨 다층 표면개질법을 이용하여 역삼투막의 내오염성을 향상시키고자 하였다. Sol-gel법을 이용하여 Octyltrimethoxysilane (OcTES)을 막 표면에 가교를 통해 고분자화 하였으며 n = 8인 OcTES의 알킬기가 자발적인 self-assembly를 통하여 막 표면에 가지구조를 형성시켰다. 그 위에 ethylene glycol diglycidyl ether (EGDE)의 ether기를 ring-opening을 통해 막 표면에 친수성을 부여하여 역삼투막의 내오염성을 향상시키고자 하였다. FE-TEM, AFM을 이용하여 막의 단면 및 표면구조 분석을 하였고 막 표면의 ridge and valley 구조와 OcTES, EGDE의 다층 표면개질로 인한 bridge 구조를 확인하였으며, 거칠기의 증가를 통해 막 표면의 가지가 잘 형성되었음을 확인하였다. XPS를 통하여 막 표면의 화학구조에 대한 관찰과 표면개질이 잘 이루어졌음을 확인하였으며, contact angle 분석을 통해 표면개질막의 표면에 친수성이 부여되었음을 확인하였다. EGDE 표면개질 조건 최적화를 진행한 결과 EGDE 농도는 0.5 wt%, ring-opening 온도는 70°C가 가장 적합하였고, 내오염성 실험 결과 및 막오염지수(MFI)는 SUL-H10, PA-OcTES1.0, PA-OcTES1.0-EGDE0.5이 68.7, 60.4, 5.4 (10E-8 hr/mL2)로 나타나 다층 표면 개질막의 내오염성이 매우 향상되었음을 확인할 수 있었다.

30 LMH의 정유량 플럭스로 운전하는 MBR에서, 휴지 및 역세정에 따른 한외여과 분리막의 오염을 조사하였다. 또한, 연속적인 공기세정과 비교하여 분리막 여과저항을 최소화하기 위한 간헐적인 공기세정을 평가하였다. 여과 조건은 14.5분 여과와 0.5분의 휴지를 유지하였으며, 역세정 시간은 휴지 시간과 동일하게 운전하였다. 공기세정이 정지하는 동안에 분리막 표면의 겔층 위에 케잌이 빠르게 축척되었으며, 역세정으로 겔층과 케잌층의 복합층은 쉽게 제거되었다. 역세정 후에 공기세정이 정지하는 동안 분리막 표면에 케잌이 형성되어 공경 내부의 오염현상을 억제하였다. Pearson 상관성을 조사한 결과, 간헐적인 공기세정에서 공기 세정이 정지하는 시간과 분리막의 오염은 매우 연관성이 높다는 것을 알았다. 즉, 간헐적인 세정에서 공기세정이 정지하는 시간이 갈수록 오염억제에 효과적이었다.