초록 ▼

현재로서 역삼투압(Reverse Osmosis, RO) 방식은 해수담수화 방법중 상업적으로 이용 가능한 최고의 기술이다. 역삼투압 방식은, 고압(~70 bar)을 가하여 해수를 강제적으로 반투과성 막을 통과시킨다. 이 과정 중, 정수만 막을 통과하고, 염분(Salt, e.g.,dissolved ions)은 막에 의해 걸러진다. 역삼투압 해수담수화(Seawater Reverse Osmosis, SWRO) 시스템은 이처럼 고압을 이용하므로 정수를 얻기 위해서 매우 많은 에너지가 소요된다(~2.5-7.0 m3/kW). 더욱이, SWRO

현재로서 역삼투압(Reverse Osmosis, RO) 방식은 해수담수화 방법중 상업적으로 이용 가능한 최고의 기술이다. 역삼투압 방식은, 고압(~70 bar)을 가하여 해수를 강제적으로 반투과성 막을 통과시킨다. 이 과정 중, 정수만 막을 통과하고, 염분(Salt, e.g.,dissolved ions)은 막에 의해 걸러진다. 역삼투압 해수담수화(Seawater Reverse Osmosis, SWRO) 시스템은 이처럼 고압을 이용하므로 정수를 얻기 위해서 매우 많은 에너지가 소요된다(~2.5-7.0 m3/kW). 더욱이, SWRO 시스템은 제한된 정수회수율(~50%)과 재처리를 필요로 하는 상당한 양의 농축수(i.e. brines)를 발생시키는 단점이 있다. 이 농축수의 폐기와 재처리과정이 전체적인 RO 시스템의 공정 비용을 크게 증가시키게 된다. 따라서 이번 프로젝트의 전반적인 목적은 현재의 SWRO 시스템보다 저압(~10-15 bar)을 필요로 하고, 정수회수율(>80%)이 높은 새로운 해수담수화 시스템 개발을 위한 과학 및 공학지식을 발전시키는 것이다. 2011년 우리의 연구는 저압 나노여과(Nanofiltration, NF) 과정과 덴드리머-정삼투압(Dendrimer-Enhanced Forward Osmosis, DEFO) 과정이 복합된 총 2단계의 과정으로 구성된 담수화 시스템을 개발하는 것이었다. 담수화 시스템에 추가적으로 우리는 독성 금속 이온을 선택적으로 제거할 수 있는 POU/POE 시스템 구축을 위해서 자성 나노와이어-나노입자를 조합한 수처리 시스템을 개발하였다. 우리의 연구 그룹은 2011년 많은 성과를 이룩해 왔고, 국내외에 우리의 연구 성과를 알릴 수 있는 뛰어난 과학적 공학적 성과를 발표하였다. 구체적으로 2011년 11월 10일 KAIST 에서 물 관련 워크샾을 성공적으로 개최하였다. 또한 주연구책임자인 마마두 디알로 교수는 Journal of Nanoparticle Research (IF: 3.25) 저명 저널에 초대 편집자로 활동하면서 “지속 가능을 위한 나노 기술” 이라는 제목으로 특별호를 구성중에 있다. 이 특별호에 EEWS flagship 과제에 참여하고 있는 KAIST 교수들이 논문을 투고하였고, 이 특별호는 2012년 5월 1일에 발간될 예정이다.

Abstract ▼

Seawater and brackish water from saline aquifers constitute ~97% of the water on Earth.
Therefore, future water shortages could be alleviated if we develop more efficient and costeffective technologies to desalinate saline water (e.g. seawater and brackish water). Reverse osmosis (RO) has emerged

Seawater and brackish water from saline aquifers constitute ~97% of the water on Earth.
Therefore, future water shortages could be alleviated if we develop more efficient and costeffective technologies to desalinate saline water (e.g. seawater and brackish water). Reverse osmosis (RO) has emerged as the best commercially available technology for seawater and brackish water desalination. In RO, high pressure (~70 bar) is applied to force saline water through a semi-permeable membrane that retains the salts (e.g., dissolved ions) while allowing the pure water to pass through. The overall objective of this project is to develop the science and engineering knowledge needed to build a new seawater desalination system that operates at lower pressure (~10-15 bar) with higher water recovery (> 80%) than commercial seawater RO desalination systems. In 2011, our research activities focused on the development of a two-stage desalination system that couples low-pressure and ion-selectivenanofibrous composite membranes with a novel polymer-enhanced forward osmosis (DEFO) process. In addition to desalination, our team investigated the development of point-of-use (POU) and point-of-entry (POE) water treatment systems for the selective removal of toxic metal ions such as arsenic from contaminated groundwater. Overall, our team made significant progress in 2011. In addition to the outstanding scientific and technological achievements listed in the reports, our team was very active in promoting the visibility our research program in Korea and abroad. More specifically, we organized an international workshop on Water Science and Technology at KAIST on November 10. The core faculty of our EEWS flagship project also gave numerous invited seminars in Korea and abroad. Prof.
Mamadou S. Diallo (PI) is also serving as Guest Editor for a special issue of the Journal Nanoparticle Research [JNR] (Impact Factor: 3.25) devoted to “Nanotechnology for Sustainability”. Several KAIST faculty members from our EEWS flagship project will contribute peer-reviewed research articles to this issue. The tentative publication date for the JNR special issue on “Nanotechnology for Sustainability” is May 1, 2012.

목차 Contents

• EEWS Research 2011 Final Report ... 1
• Summary (English) ... 3
• 국문 요약문 ... 5
• 1. Research Purpose ... 7
• (1) Research goal ... 7
• (2) Importance of the research ... 8
• (3) Novelty of the research ... 8
• (4) Expected impact of research and commercialization ... 9
• 2. Research Target and Achievement ... 10
• 3. Research Method ... 10
• 3.1. Fabrication of the HPEI-NFC membrane ... 10
• 3.2. Testing the performance of membranes ... 13
• 3.3. Dendrimer enhanced forward osmosis experiment ... 14
• 3.4. Modeling of PEG-20kDa based Polymer Draw Solute ... 17
• 3.5. Calculation of Osmotic Pressure ... 19
• 3.6 Development of Cross-linking Model of Hyper-branched PEI ... 20
• 3.7 Synthesis of ferrite nanocrystals ... 22
• 4. Research Results ... 24
• (1) Outcome ... 24
• (2) Further research required ... 46
• 5. Research Outcomes ... 49
• (1) Publication ... 49
• (2) Conference presentation ... 50
• (3) Patents ... 51
• (4)Creation of New Big Project ... 51
• 6. Reference ... 51
• 1. 연구목적 ... 54
• (1) 연구목표 ... 54
• (2) 연구과제의 중요성 ... 55
• (3) 연구 과제의 신규성 ... 55
• (4) 연구의 기대효과 및 사업성 ... 56
• 2. 연구목표와 성과 ... 57
• 3. 연구방법 ... 58
• 3.1. HPEI-NFC 막의 제조 ... 58
• 3.2. HPEI-NFC 막의 성능 평가 ... 60
• 3.3. 덴드리머를 이용한 정삼투 실험 ... 61
• 3.4. PEG-20kDa 고분자 유도용질의 구조 모델링 방법론 확립 ... 64
• 3.5 삼투압 계산 및 예측 방법 ... 67
• 3.6 하이퍼브랜치 PEI의 가교 모델 개발 ... 67
• 3-7. 나노 물질의 합성 ... 69
• 4. 연구결과 및 고찰 ... 71
• (1) 연구결과 ... 71
• (2) 수반되어야 할 (후행)연구내용 ... 94
• 5. 연구결과물 발표실적 ... 97
• (1) 학회발표 ... 97
• (2) 논문 ... 98
• (3) 특허 ... 99
• (4) 기타 ... 99
• (5) 대형 신규과제 발굴의 기여 ... 99
• 6. 참고문헌 ... 100
• 끝페이지 ... 102