초록 ▼

ㅇ 연구개요
본 연구과제에서는 해수담수화 최신기술로서 관심을 받고 있는 정삼투법(FO)기술의 주요 변수이고 운전비용에 가장 많이 반영되어 제일 중요하다고 보고되고 있는 분리막과 유도용액 두 부문 가운데 국내외 기술개발은 주로 분리막 개발에 중점을 두고 있고 중요한 변수인 유도용액 기술은 연구개발 실적이 매우 저조한 실정이다. 현재, 국외에서 개발되고 있는 유도용질 중 유/무기 염류, 고분자전해질(polyelectrolytes), glucose 및 hydroacid complexes 등 대부분이 삼투압은 높은 반면 희석된 유도용

ㅇ 연구개요
본 연구과제에서는 해수담수화 최신기술로서 관심을 받고 있는 정삼투법(FO)기술의 주요 변수이고 운전비용에 가장 많이 반영되어 제일 중요하다고 보고되고 있는 분리막과 유도용액 두 부문 가운데 국내외 기술개발은 주로 분리막 개발에 중점을 두고 있고 중요한 변수인 유도용액 기술은 연구개발 실적이 매우 저조한 실정이다. 현재, 국외에서 개발되고 있는 유도용질 중 유/무기 염류, 고분자전해질(polyelectrolytes), glucose 및 hydroacid complexes 등 대부분이 삼투압은 높은 반면 희석된 유도용액(diluted draw solution)에서 유도용질을 분리하는데 에너지가 과다하게 소요되는 단점이 있다. 그러므로 본 연구에서는 이러한 문제점들을 해결하기 위해서 삼투압이 높으면서도 사용 후 회수가 용이한 즉, 원천성이 있는 신규 이온성액체와 회수가 용이하도록 자성 스마트 PIL을 개발하여 정삼투 공정의 신규 유도용액으로 활용하고자 한다. 또한, 개발되는 신규 유도용액에 적합하도록 정삼투 분리막 시스템에서 개발된 유동용질의 성능 평가를 통해서 정삼투 분리막 시스템의 유도용질 기술을 확보한다.

ㅇ 연구 목표대비 연구결과
1. 연구목표
점삼투 분리막 시스템에서 신규 유도용질로서 ①신규 이온성액체를 개발한다. 또한, ②정삼투 공정에서 희석된 유도용액에서 유도용질 회수가 용이하도록 온도변화에 따라 고분자가 수축 및 팽창을 하는 열감응성 스마트고분자가 결합된 스마트 PIL 등 신규 유도용질을 개발한다. 또한, ③유도용질의 용이한 회수를 위하여 자성 성질을 부착한 자성 스마트 PIL을 개발한다. 신규 유도용질을 이용하여 정삼투 분리막 공정에 적용하여 스마트 IL 정삼투공정을 개발한다.
2. 연구결과
- 해수담수화 정삼투 공정용 FO 분리막에 사용되는 최적의 유도용질로서 물 투과도(Jv)가 제일 높고 용질 역투과도(Js)가 제일 적은 적합한 이온성 액체는 [BMIM]AOc 이온성 액체로 결정되었으며, 사용된 상업용 CTI분리막 사용시에 각 변수들을 결정하였다. FO모드 하에서는 [BMIM]AOc가 NaCl보다 우수한 J_v/J_s가 높은 성능을 나타내었다. PRO모드 하에서는 IL들([N4444]AOc, [BMIM]AOc 및 [OMIM]Cl)이 NaCl보다 성능이 좋아서 J_v/J_s값이 상당히 높았다.
- 유도용질로서 열감응성 IL(LCST+IL 단량체와 LCST+PIL) 유도용액의 분리막 성능 실험(PSf-sGO-PA FO 분리막 제조 사용) 결과로서 LCST type-IL 단량체들 중에서는 [N4444] [2,4,6-MeSO₃]가 용질 선택도(J_v/J_s) 값이 0.136로 제일 적어서 제일 우수하였다. 유도용질로 사용되는 LCST-IL 단량체들의 우수성은 이온강도 및 삼투압이 증가함에 따라 물 유속(Jv)이 증가하였으며, 큰 분자량의 LCST-IL 단량체들이 최소의 용질 역투과도를 나타내었다. LCST-IL 단량체들과 비교하여 LCST-PIL은 큰 분자량과 적은 용질 역투과도(Js)값을 나타내었다. 유도용질로서 제조하여 사용된 IL+LCST과 PIL+LCST 중에서 Poly([vbIm][Tf2N])+LCST가 제일 우수한 성능 즉 용질 선택도(Js/Jv) 값이 0.006로 제일 적어서 최고의 유도용질로 결정되었다.
- 유도용질로서 스마트 PIL 및 자성 스마트 PIL 회수 성능 평가
자성 스마트 PIL([DHEA]FeCl4/Poly(tributyl(4-vinylbenzyl) ammonium chloride-co-N-isopropylacrylamide) 공중합체) 합성 방법 수립 및 성능 비교 결과 MIL(Magnetic ionic liquid, 자성 이온성액체) 제조는 이온성액체 [DHEZ]Cl과 FeCl₃를 합성하여 [DHEA]FeCl₄ 전구체를 합성하였고, FTIR과 UV-Vis로 확인하였다. PIL-LCST(Poly Ionic liquid-thermoresponsive) 제조 즉, Poly(tributyl(4-vinylbenzyl) ammonium chloride-co-N-isopropyl acrylamide)를 위해 [TVBN]Cl과 NiPAM로 합성하였다. 자성 스마트 PIL(poly([TVBN]Cl-co-NIPAM)@Fe₃O₄) 제조를 위해 3-(chloropropyl)triethoxy silane와 자성나노입자(magnetic nanoparticles, MNPs)를 poly([TVBN]Cl-co-NIPAM)와 합성하여 제조하였으며, FT-IR, XRD, TGA 등을 통해서 성공적인 제조법이 수립되었다.
- 모두 모의 염수(0.6M NaCl)의 탈염실험에서 DHEA]FeCl4는 낮은 역방향 용질 투과도와 함께 높은 수투과도를 나타냈다.
- Poly([TVBN]Cl-co-NIPAM)은 [DHEA]FeCl4 대비 개선된 회수율을 보였는데 이는 높은 자화율과 LCST 특성 때문이었다.
- 제조된 유도용질 중에서 자성 스마트 PIL 즉, poly([TVBN]Cl-co-NIPAM)@Fe₃O₄이 제일 우수한 회수 성능(96% 이상)을 보였고 FO 유도용액으로 활용될 수 있는 우수한 잠재력이 확인되었다.

ㅇ 연구개발결과의 중요성
▶ 해수담수화 플랜트 정삼투법에 사용되는 신규 유도용액이 포함된 정삼투 분리막 개발 연구 결과의 우수성이 인정되어서 수질관련 국내외 유명학회지에 승인/게재되었다.
▶ 해수담수화 관련 특허 기술 취득
▶ 국내 해수담수화 기업의 국산화 및 기술 자립화에 기여
▶ 해수담수화 및 하폐수 처리기술에 적용 가능한 기술 확보
▶ 미래 기술인 정삼투 해수담수화 관련 원천기술 획득
▶ 수처리 분야 신규 전문연구인력 양성에 기여


(출처 : 연구결과 요약문 2P)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 2
• 목차 ... 3
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 4
• 2. 연구수행내용 및 연구결과 ... 5
• [1차년도] 연구수행 내용 및 연구결과 ... 5
• [2차년도] 연구수행 내용 및 연구결과 ... 10
• [3차년도] 연구수행 내용 및 연구결과 ... 13
• 3. 연구개발결과의 중요성 ... 19
• 4. 참고문헌 ... 20
• 5. 연구성과 ... 21
• 대표적 연구실적 ... 25
• 끝페이지 ... 41