Fouling is an inevitable problem in membrane water treatment plant. It can be measured by trans-membrane pressure (TMP) in the constant flux operation, and chemical cleaning is carried out when TMP reaches a critical value. An early fouilng alarm is defined as warning the critical TMP value appearance in advance. The alarming method was developed using one of machine learning algorithms, decision tree, and applied to a ceramic microfiltration (MF) pilot plant. First, the decision tree model that classifies the normal/abnormal state of the filtration cycle of the ceramic MF pilot plant was developed and it was then used to make the early fouling alarm method. The accuracy of the classification model was up to 96.2% and the time for the early warning was when abnormal cycles occurred three times in a row. The early fouling alram can expect reaching a limit TMP in advance (e.g., 15-174 hours). By adopting TMP increasing rate and backwash efficiency as machine learning variables, the model accuracy and the reliability of the early fouling alarm method were increased, respectively.

This short review focuses on fouling by proteins and macromolecules in microfiltration/ultrafiltration. First, an experimental system that enables investigation of how the extent of the adsorption of proteins and macromolecules on membrane surfaces contributes to a decrease in filtrate flux in microfiltration/ultrafiltration is described. Using this system, a causal relationship - not a correlation - indicating that adsorption results in a decrease in filtrate flux could be clearly demonstrated in some cases. Second, a hydration structure at the membrane surface that can suppress adsorption is discussed, inspired by biomaterial research. In their hydrated states, polymers with low-fouling properties have water molecules with a particular structure. Finally, some successful examples of the development of low-fouling membranes via surface modification using low-fouling polymers are discussed.

In water treatment process using microfiltration membranes, manganese is a substance that causes inorganic membrane fouling. As a result of analysis on the operation data taken from I WTP(Water Treatment Plant), it was confirmed that the increase of TMP was very severe during the period of manganese inflow. The membrane fouling fastened the increase of TMP and shortened the service time of filtration or the cleaning cycle. The TMP of the membrane increased to the maximum of 2.13 kgf/cm2, but it was recovered to the initial level (0.17 kgf/cm2) by the 1st acid cleaning step. It was obvious that the main membrane fouling contaminants are due to inorganic substances. As a result of the analysis on the chemical waste, the concentrations of aluminum(146-164 mg/L) and manganese(110-126 mg/L) were very high. It is considered that aluminum was due to the residual unreacted during coagulation step as a pretreatment process. And manganese is thought to be due to the adsorption on the membrane surface as an adsorbate in feed water component during filtration step. For the efficient maintenance of the membrane filtration facilities, optimization of chemical concentration and CIP conditions is very important when finding the abnormal level of influent including foulants such as manganese.

Ceramic membranes can be applied under extreme operating conditions such as low pH, high pressure and high temperature. In particular SiC has excellent mechanical properties and also has excellent properties related to membrane performance. However, high processing temperature increases cost of SiC products and thus limit’s its use. In this study oxidation bonding technique was used to fabricate cost-effective SiC microfiltration membrane at low temperature. The oxidation behavior at different thermal treatments was related with pore morphology and ultimately the membrane permeability. We have found that the membrane made by coating of oxidation bonded SiC layer over clay-bonded SiC support, sintered at 1000-1100°C could make a defect-free microfiltration membrane with pure water permeability above 700 LMH per bar. The membrane has narrow pore size distribution with average pore size about 0.1 μm.

폴리술폰 고분자는 비대칭 정밀여과 멤브레인 제조에 가장 널리 사용되는 고분자 소재이다. 폴리술폰 멤브레인은 소수성 특성으로 인하여 공정상에서 빠른 막오염이 일어난다. 고분자 블렌딩은 폴리술폰 멤브레인의 수명을 향상시키는데 있어 가장 간단하고 효과적인 방법이다. sPES는 폴리술폰 블렌딩 방법을 통하여 소수성을 해결할 수 있는 유용한 친수성 고분자이다. 본 연구에서는 PSF/sPES/DMF/PVP/BE 고분자 용액을 물에 침지시켜 정밀여과 멤브레인을 제조하였다. 캐스팅 용액에 소량의 sPES 첨가함으로써 정밀여과 멤브레인 구조 변화를 볼 수 있었다. sPES의 첨가는 높은 비대칭성과 활성층의 성장, 그리고 평균 기공 크기의 감소를 가져왔다. 하지만 수투과량은 PSF/sPES/DMF/PVP/BE로 만든 멤브레인이 PSF/DMF/PVP/BE로 만든 멤브레인에 비해 더 큰 값을 보였다.

정밀여과막 제조에 있어 폴리술폰 고분자 용액에 술폰산기를 가지는 폴리술폰(s-PSF)의 첨가가 분리막의 구조 및 투과 특성에 미치는 영향을 조사하였다. 정밀여과 고분자 분리막은 폴리술폰/아프로틱 용매계/폴리비닐피롤리돈/2-부톡시에탄올을 함유하는 고분자 용액을 이용하여 캐스팅 한 후 물에 침지하여 제조하였다. 캐스팅 공정은 증기유도 상전이와 용매-비용매 상전이 공정 시간을 조정하여 비대칭 구조가 발달된 정밀 여과막을 얻을 수 있었다. DMF 단일용매와 NMP/DMAc 혼합용매계 두 가지 용매 조건에 대한 제막 결과를 비교하여 살펴보았다. 비대칭성이 나타나며 유량 향상을 보인 용매는 DMF 단일용매로 s-PSF 함량 1.53wt%이었으며 14,475(L/m²hr)의 유량과 0.246㎛의 평균기공을 나타내었다.

고강도, 내약품성, 무독성, 내연소성의 장점을 가지고 있는 PVdF (polyvinylidene fluoride) 나노섬유로 기공이 0.4 μm 평막을 제조한 후, 부직포와 평막으로 나권형 모듈을 제작하였다. 용존유기물의 흡착 제거를 위한 입상 활성탄(GAC, granular activated carbon) 흡착 컬럼과 자체 제작한 나권형 모듈로 혼성 수처리 공정을 구성하였다. 카올린과 휴믹산으로 조 제한 모사 용액을 대상으로, 처리수를 재순환하는 경우와 배출하는 경우 각각 GAC 충진량의 영향을 알아보았다. 여과실험 후 물 역세를 하여 회복률과 여과저항을 계산하였다. 또한, 탁도와 UV254 흡광도를 측정하여 GAC의 흡착 효과를 고찰하였 다. 그 결과, 처리수를 재순환하는 경우와 배출하는 경우 모두 탁도 처리율에는 GAC 충진량의 영향이 없었다, 하지만 GAC 의 UV254 흡광도 처리율이 처리수를 순환하는 경우 0.7~3.6%이었는데, 처리수를 배출하는 경우 3.2-5.7%로 증가하였다. 처리 수를 순환하는 경우 GAC의 충진량이 증가함에 따라, 가역적 여과저항(Rr)과 비가역적 여과저항(Rir)은 감소하는 경향을 보였 다. 그러나 총여과저항(Rt)은 거의 일정하였고, 물 역세 회복률(Rb)은 다소 증가하는 경향을 보였다.

대칭막이 가지는 유량 한계성과 비대칭막이 가지는 한계 압력 향상을 위한 분리막 제막 방법으로 인산 및 인산 에스테르 화합물을 포함한 PSF 고분자 지지층을 제조하였다. 활성층 두께와 구조를 조절하기 위하여 냉각판의 온도와 캐 스팅 용액의 두께가 조절되었으며 비대칭성 확보를 위하여 VIPS-NIPS 공정을 적용하였다. 상전이 안정성을 확인하기 위하여 용매 비교 실험이 진행되었으며 가장 비대칭 구조가 우수한 것은 NMP, 재현성이 뛰어난 용매는 DMAc로 확인 되었다. 운전 조건에 가장 민감하게 변화하였다. DMAc 용매 역시 Template 표 면층– 최소기공층– 비대칭 거대 기공층의 구조를 가지면서 BP 13 – 18 psig, 통기성 3140 cc/sec의 고유량 비대칭성 정밀여과막을 제조할 수 있었다.

본 연구에서는 알루미나 정밀여과 및 광촉매 코팅 폴리프로필렌의 혼성 수처리 공정에서 물역세척 시간 (back-flushing time, BT) 및 PP 구 변화의 영향을 알아보고, 알루미나 한외여과막와 동일한 PP 비드를 사용한 선행 결과와 비 교하였다. 물역세척 주기(FT)는 10분으로 고정한 채, BT를 6~30초로 변화시키면서, 그 영향을 180분 운전 후 막 오염에 의한 저항(Rf), 투과선속(J)과 총여과부피(VT) 측면에서 고찰하였다. BT가 길어질수록 Rf는 급격히 감소하고 J는 증가하였으나, VT는 BT 10초일 때 최대였다. 탁도의 처리효율은 99.0% 이상으로 BT의 영향이 보이지 않았다. 한편, 유기물 처리효율은 역세척 없 는 조건(NBF)에서 89.0%로 가장 높았으며, BT가 길어질수록 증가하였다. 막오염 측면에서 최적 PP 비드의 투입 농도는 20 g/L이었으나, 알루미나 한외여과막와 동일한 PP 비드를 사용한 선행 결과 최적 PP 비드의 농도는 40 g/L이었다. 탁도와 유기 물 처리효율은 PP 농도 30 g/L에서 최대였으나, 선행 결과 탁도와 유기물 처리효율은 모두 PP 농도 40 g/L에서 가장 높았다.

The multi-layer combination provides a very narrow pore size distribution in a specific pore size range. By utilizing the multi-layer design equations developed for each individual layer of known pore properties, it is possible to design the multi-layer microfiltration media precisely to a tailor pore size distribution.

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.

본 연구에서는 산기량의 변화에 따른 임계 투과유속을 투과유속단법으로 측정하였다. 유효 막 면적이 85 cm2이고 공칭 세공크기가 0.4 μm인 중공사형 막모듈을 MLSS 5,000 mg/L인 활성슬러지 수용액에 침지시켜 투과 실험하였다. 산기시 키지 않을 경우 임계 투과유속은 15.2 L/m2⋅h로 측정되었으나 산기량을 100에서 1,000 mL/min까지 증가시키면 임계 투과 유속이 20.6에서 32.5 L/m2⋅h까지 크게 상승하였다.

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.

국내 정수장의 70%를 차지하는 15년 이상의 정수장의 대체 방안으로 막 여과 공정의 도입이 검토되고 있다. 동시에 원수의 특성에 적합한 막 여과 공정의 효율적인 공정개발을 위한 노력이 진행되고 있다.(Hur et al., 2006). 본 연구는 침지형 중공사막 모듈에서의 물리적 형태의 막 오염 제어를 위해 역ㆍ공세의 효과를 비교 분석하여 공정의 효율성을 평가하였다. 역ㆍ공세의 시간 및 강도 등의 운전조건을 변경하여 비교한 결과 공세를 통해 중공사막 표면에 존재하는 물리적 오염물질들의 제거가 충분히 되어 역세의 효과 크지 않음이 확인되었다.

기공 0.4 μm PVDF 나노섬유 정밀여과 나권형 모듈과 GAC 컬럼의 혼성공정에서 모사용액을 순환 없이 선형유속 0.013 m/s, TMP를 0.5 bar 조건으로 GAC 충진량을 변화시키면서 실험하였다. 또한 동일한 혼성공정에서 모사용액을 순환시키면서 선형유속 0.026 m/s, TMP 1.5 bar의 조건으로 GAC 충진량의 영향을 고찰하였다. 탁도와 UV254 흡광도(DOM) 처리율을 비교하였는데, 탁도 처리율에는 영향이 없었으나, GAC의 충진량이 많을수록 DOM 이 증가하였다. 하지만 TMP와 유속이 높은 조건인 순환이 있는 실험에서 GAC에 의한 DOM 처리율이 더 낮은 이유는 순환으로 인해 모사용액 농도가 낮아졌기 때문인 것으로 판단된다.

강도가 강하고 내약품성, 무독성, 내연소성의 장점을 가지고 있는 PVdF (polyvinylidene fluoride) 나노섬유로 기공이 0.4 μm 평막을 제조한 후, 그 평막으로 부직포를 첨가하여 나권형 모듈을 제작하였다. 카올린과 휴믹산으로 조제한 모사용액과 순수를 대상으로 나권형 모듈의 투과선속과 처리율을 비교하여 pH의 영향을 알아보았고, 여과실험 후 물 역세척을 하여 회복률과 여과저항을 계산하였다. 또한, 나권형 모듈을 통과한 처리수를 입상 활성탄(GAC, granular activated carbon)으로 채워진 컬럼에 통과시킨 후, 탁도와 UV254 흡광도를 측정하여 GAC의 흡착 효과를 고찰하였다.

침지식 분리막 모듈에서 공기강도에 따른 분리막 위치에 대한 오염을 조사하였다. 분리막의 충진밀도가 낮은 곳에서 높은 유체 유속을 나타내었으며, 유체 속도는 기-액 주입률에 비례하였다. 전단응력은 기-액 주입률 및 유체 유속에 비례하였다. 비가역오염(Rir)은 흡입 압력이 가까운 부분에서 가장 높게 나타났다(position 1). 비가역오염에 대한 저항과 분리막 고유 저항의 비(Rir/Rm) 및 비가역오염에 대한 저항과 가역오염의 저항의 비(Rir/Rr)도 position 1에서 가장 높게 조사되었다. 비가역오염(Rir)은 흡입 압력이 높은 곳인 position 1에 오염물질이 축적되어진 결과이다. 분리막 위치에 따른 오염현상은 모듈 디자인 최적화에 중요한 인자임을 알았다.