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에너지 저감형 정삼투-저압 분리막 수처리 시스템 개발 및 정삼투 기반 수처리 기술 초기막오염 현상 규명


공과대학 건설환경시스템 공학과 및 수자원학과 장암 교수 연구팀은 정삼투-저압 분리막 수처리 시스템을 단독으로 개발하여, 세계적 권위의 학술지인 Nature지의 자매지인 “Scientific Report (제1 저자 박사과정 임승주) (Impact factor=4.259, 종합과학분야 JCR 상위 15% 저널)”에 2017년 11월 06일 자에 논문 (온라인)을 게재하였다. 또한, 실제 하수를 적용한, 세미파일럿규모의 나권형태 정삼투 공정에서 발생할 수 있는 초기 유기막오염현상을 막표면 분석법을 활용해 규명하였고, 세계적 권위의 학술지인 “Chemical engineering journal (제1 저자 박사과정 임승주) (Impact factor=6.216, 화학공학분야 JCR 상위 4.5% 저널)”에 2017년 11월 02일 자에 논문을 게재를 확정하였다.


정삼투 (Forward Osmosis, FO) 기술은 양측용액 (공급 및 유도용액)의 삼투압(농도) 구배를 기반으로한 수처리 기술로써, 학계 및 산업계에서 활발이 연구되고 있으며, 역삼투 기반 해수담수화 기술의 대체할 수 있는 차세대 담수화 기술로 각광받고 있다. 일반적으로, 정삼투 기술은 고농도의 유도용액으로부터 유도용질을 분리하는 후처리 기술이 요구되므로, 적절한 후처리 기술을 개발하는 많은 연구 및 시도가 이루어져 왔다. 하지만, 후처리 기술의 높은 운전압력 (에너지)는 정삼투 기술의 한계로 지적되고 있으며, 저에너지 후처리 기술 또는 후처리기술을 요구하지 않는 신개념 정삼투 공정 개발이 시급한 실정이다. 장암 교수 연구팀은, 본 연구에서 유도용액 부피증가압을 후단 저압분리막의 운전에너지로 활용 할 수 있는, 수처리 시스템 디자인을 최초로 고안하고 개발 하였다. 이번 연구를 통해, 기존 정삼투 공정의 한계점을 개선하고 정삼투 공정의 실용화 가능성을 높이고 새로운 정삼투 기술분야의 연구 방향성을 제시하였다는 점에서 연구의 가치가 매우 높다. 또한, 나권형태의 정삼투 엘리먼트는 현재 상용화된 엘리먼트 형태 중 가장 보편화된 형태로써, 역삼투 기반 해수담수화 기술의 모듈형태와 유사하다는 특징을 가지고 있다. 현재까지, 정삼투 막오염현상의 규명은 실험실 규모 (Lab-scale)에서 진행되거나, 모방 막오염물질을 활용하여 이를 규명하는데 국한되어 있다. 하지만, 실제 공정 (element scale or pilot scale)에 그 결과를 적용하기엔 운전조건과 엘리먼트의 구조적특징에 따른 한계가 존재한다. 장암 교수 연구팀은, 실제 공정에서 발생 할 수 있는, 초기 막오염현상을 명확히 규명하기 위해 나권형태 정삼투 엘리먼트가 적용된 정삼투 공정에 하수를 적용하였을 때, 발생하는 초기 막오염현상을 막표면 분석법을 통해 규명하였다. 본 연구를 통해 도출된 연구결과는 현재까지 진행된 정삼투 공정의 막오염현상을 포괄적으로 이해하고 실제 공정에서 발생하는 막오염현상을 예측이 가능하다는 점과 정삼투 개발 기술의 신뢰도와 결과들을 전반적으로 이해하는데 활용될 수 있다는 점에서 연구의 가치는 매우 높다.


이번 연구를 총괄적으로 지도한 성균관대학교 장암 교수는 “본 연구결과들은 차세대 수처리 기술인 정삼투 기술의 한계를 극복하고, 새로운 공정에 따른 연구분야를 개척하였다는 것에 큰 의미가 있고, 또한 막오염 현상의 이해는 정삼투 기술개발의 필수적인 요소기 때문에 연구결과가 매우 가치가 있을 것” 이라고 전했다. 본 연구를 바탕으로 게재된 논문의 제 1저자인 임승주 박사과정은 연구결과를 바탕으로, 2017년 국제해수담수화 워크샵 (International Desalination Workshop 2017)에서 국토교통부 장관상을 수여하였다.


본 연구는 국토교통과학기술진흥원의 플랜트 연구사업인 정삼투-역삼투 융합공정 고도화 기술 및 한국연구재단의 중견연구사업인 삼투기반 분리막 공정에서의 비가역성 오염물질저감 및 형태학적 모니터링연구를 통해 수행되었다.


*논문명: New concept of pump-less forward osmosis (FO) and low-pressure membrane (LPM) process

*논문명: Organic fouling characterization of a CTA-based spiral-wound forward osmosis (SWFO) membrane used in wastewater reuse and seawater desalination



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