초록 ▼

1. 연구목표
(1단계) 미래 선도형 해수 담수화용 핵심 분리막 소재 개발
1) 전처리용 세라믹 MF/UF 분리막 소재 개발
- 압출 상전이 기법을 통한 안정적인 세라믹 중공사막 제조 방법 최적화 및 활성층 코팅용 알루미나졸 합성법 및 코팅법 최적화
- 소재/공정 인자 조절을 통한 높은 기공도를 가진 중공사막 제조기술 확립 및 세계 최고수준의 수투과도 성능 확보
· 기공크기 < 20 nm, 수투과도 > 300 LMH

2) FO 유도용질 및 유도용질 회수용 분리막 소재 개발
- FO 유도용

1. 연구목표
(1단계) 미래 선도형 해수 담수화용 핵심 분리막 소재 개발
1) 전처리용 세라믹 MF/UF 분리막 소재 개발
- 압출 상전이 기법을 통한 안정적인 세라믹 중공사막 제조 방법 최적화 및 활성층 코팅용 알루미나졸 합성법 및 코팅법 최적화
- 소재/공정 인자 조절을 통한 높은 기공도를 가진 중공사막 제조기술 확립 및 세계 최고수준의 수투과도 성능 확보
· 기공크기 < 20 nm, 수투과도 > 300 LMH

2) FO 유도용질 및 유도용질 회수용 분리막 소재 개발
- FO 유도용질 개발
· NaCl 대비 삼투압 > 50%, 정삼투 Flux > 10 LMH,Reverse salt flux < 0.1 g/L, 회수율 > 50%
- 유도용액 회수용 분리막 개발
· 유도용질 용액 flux > 20 LMH, 유도용질 제거율 > 90%,운전압력 < 30 bar

3)MD 및 PRO 공정용 분리막 소재 개발
- MD 용 중공사막 최적화 및 모듈화 연구
· 수투과도 > 15 LMH, 막모듈 크기 L 30 x Ø 2.5 cm
- PRO 용 중공사막 최적화 및 모듈화 연구
· 전력밀도 5W/m²

4) 나노융합 초박형 분리막 소재 개발
- Auto-Casting 장비 구동 및 평막 합성 자동화 및 대면적화
· 고투과성 초박형 분리막 대면적화
- 나노소재 및 나노섬유 중 PRO용 최적 분리막 선정
· 전력밀도 > 5 W/m²

5) 소재/모듈 공정 최적화 모델링
- 해수담수화 공정별 분리막 모듈 성능인자 도출
- 성능인자의 최적 범위 제안

(2단계) 하이브리드 해수담수화용 단위공정 분리막 대면적화/모듈화 및 시스템 에너지 최적화
- (1세부) 1단계 원천기술 기반 분리막 대량양산화 기술 정립 및 모듈화 기술 개발
- (2세부) 하이브리드 공정 모델 및 에너지 저감 방안 확보
* 저에너지 (3.5 -> 2.5 kwh/m³), 고효율 (50 -> 80%) 하이브리드 해수담수화 기술 완성
* (1단계) 5세부 과제 -> (2단계) 2세부 과제 체제 (집중적 연구 수행으로 상용화 기반 마련)
* 중과제 체제 개편에 따른 총괄 연구책임자(본원 소속) 변경을 통한 연구 및 행정 수월성 확보

하이브리드 해수담수화용 분리막 대면적화 기술 개발 (KRICT)
- 전처리용 대면적 분리막 모듈 개발
- 수투과도: 200 LMH 이상, 모듈: 2m² 이상
* 설정근거 : 세계최고수준 분리막 성능 기준 Hyflux
(Ceramic, 20 nm, 250 LMH), Toray (Polymer, 20 nm, 50 LMH)
- 해수담수화용 대면적 분리막 모듈 개발
- 수투과도: 10LMH 이상, 모듈: 2m2 이상
* 설정근거 : 해수담수화 조건에서의 유도용질 및 회수분리막 발표 없음
- 압력지연삼투 분리막 모듈 개발
- 전력밀도: 3W/m² 이상, 모듈 0.5m² 이상
* 설정근거 : RO 공정 대체 경쟁력 확보 기준 (MD용 분리막 수투과도 : >10 LMH), 세계 최고수준 분리막 성능 기준
(PRO 전력밀도: Statkraft (3 W/m²))
- 분리막 모듈 성능 예측오차 및 모듈 성능 향상: 5% 이상
* 설정근거 : 다양한 공정에 대해, 중공사막형 분리막 및 모듈에 대한 실험 연구는 실험실 규모로 수행되고 있음. 이를 체계적으로 접근하여, 고효율의 중공사막형 분리막 모듈을 개발을 통한 사업화가 필요함
- 나노소재 기반 해수담수화 분리막 소재 개발
- 수투과도 15LMH, 전력밀도 5 W/m² 이상
* 설정근거 : 탄소계 나노소재(CNT, graphene 등) 기반 나노융합 초박형 분리막 및 나노섬유적용 초박형 분리막 개발연구는 산발적으로 연구되고 있으나 실용화는 요원한 실정

하이브리드 해수 담수화 시스템 최적화 및 모듈화 기술 개발 (GIST)
- 해수담수화 하이브리드 공정 모델 개발 및 최적 공정 도출
- 해수담수화 하이브리드 시스템에 적용되는 분리막 모듈 최적화
- 3D 프린팅 기반 분리막 모듈 핵심부품(스페이서) 제조

2. 주요 연구내용
(1단계) 미래 선도형 해수 담수화용 핵심 분리막 소재 개발
세라믹 UF 중공사막 분리막 소재 개발 (남승은)
- UF 중공사막 제조를 위한 고성능 세라믹 중공사막 지지체 제조 연구
- UF 활성층 코팅을 위한 나노 입자 합성 및 기공제어 기술 연구

FO 유도용질 및 유도용질 회수용 분리막 소재 개발(김인철)
- PEI 기반 고삼투압 FO 유도용질 합성/평가 연구
- 유도용질 회수용 분리막 제조 연구

MD 및 PRO 공정용 분리막 소재 개발(박호식)
- 셀룰로오즈계 고분자를 통한 PRO 용 중공사막 제조-평가 연구
- 불소계 고분자를 통한 막증류 공정용 소수 다공성 중공사막 제조-평가 연구
- 막증류 공정용 소수-친수 하이브리드 다공성중공사막 제조-평가 연구

FO/PRO용 차세대 초박형 분리막 소재 합성 및 최적화(최희철)
- 탄소계 나노입자 기반 분리막 제조-평가 연구
(수투과도, 전력밀도, 내오염성)
- 고분자 나노섬유 기반 분리막 제조-평가 연구
(수투과도, 전력밀도, 내오염성)

소재/모듈 공정 최적화 모델(김준하)
- 해수담수화 분리막 모듈 성능인자 도출
- 민감도 분석을 통한 공정별 막 모듈 성능인자 도출 및 분석
- 성능인자의 최적 범위 제안
- 문헌 조사를 통한 성능인자 제한 범위 선정
- 막 모듈 성능인자 최적 범위 제안 기술 개발

위탁 연구 ( 이정현)
- 유기용매개질 계면중합기술(SIP) 및 용매 처리활성화 기술(SAT)을 이용한 고성능 역삼투 분리막 제조기술 개발
- 상전이 기반 PAN 지지체 개발 및 SIP/SAT 기술을 활용한 고성능 정삼투 분리막 제조기술 개발

(2단계) 하이브리드 해수담수화용 단위공정 분리막 대면적화/모듈화 및 시스템 에너지 최적화
하이브리드 해수담수화용 분리막 대면적화 기술 개발 (KRICT) -박호식
- 전처리용 고투과성 분리막 모듈 개발
- 해수담수화용 분리막 모듈 개발
- 압력지연삼투용 분리막 모듈 개발
- 분리막 모듈 성능예측 및 성능향상 기술 개발
- 나노소재 기반 해수담수화 분리막 소재 개발

하이브리드 해수 담수화 시스템 최적화 및 모듈화 기술 개발 (GIST) -박호식
- 해수담수화 하이브리드 공정 모델 개발
- 해수담수화 하이브리드 시스템 모듈 최적화
- 3D 프린팅 기반 분리막 모듈 핵심부품 제조

3. 주요 연구개발 결과 및 성과
(1단계) 미래 선도형 해수 담수화용 핵심 분리막 소재 개발
1) 전처리용 고투과성 세라믹 MF 중공사막 분리막 소재 및 분리막 모듈 개발
- 세계 최초 상전이-압출 공정 최적화를 통해 MF 및 UF급 중공사 분리막 제조 기술확보 및 기술 이전
- 알루미나 졸-겔 코팅 기술 도입 및 신규 코팅기술 개발을 통한 기공 크기 20 nm이하 UF 복합 중공사막 (세계최고성능) 제조기술 개발
2) FO 유도용질 및 유도용질 회수용 분리막 소재 개발
- PEI 기반의 PEI800-K 유도용질 합성을 통해 FO 투과유량은 23.5 LMH, reverse salt flux는 0.7 GMH인 유도용질 개발
- 다공성 폴리설폰 및 폴리에틸렌 상의 개질 및 계면중합을 통해 제조된 복합 나노여과막 기반 유도용질 회수용 분리막 제조기술 확보(회수 시 투과유량은 22-27 LMH (at 30bar), 제거율은 95-99% 이상)
3) MD 및 PRO 공정용 분리막 소재 개발
- 세계 최고 수준의 강도를 보이는 고압 운전가능한 T-NIPS 을 사용한 셀룰로오즈 아세테이트계 PRO용 중공사막 개발 (전력밀도 5.6 W/㎡).
- 세계 최초 막증류 공정용 소수 다공성 PTFE 중공사막 제조 기술 확보를 통해 수투과도 6.4∼17.8 LMH(T: 50℃, 염 농도: 3.5%) 달성
- 알루미나 중공사막에 FAS 그라프팅을 통해 소수-친수성 하이브리드 중공사막 제조기술 확보를 통해 막증류 공정에서 수투과도가 17.2 LMH(T: 80℃, 염 농도:3.5% 진공압: 10 torr)인 하이브리드 중공사막 제조 기술 확보
4) FO/PRO용 차세대 초박형 분리막 소재 합성 및 최적화
- PES/PAN 복합 나노섬유 초박형 FO 공정 분리막 개발을 통하여 수투과도 52 LMH를 갖는 고성능 FO 분리막 소재 확보
- 분리막 대면적화를 위한 탄소계 나노소재 적용 초박형 FO 공정 중공사 분리막 개발
- HNT복합 PRO 공정 분리막 소재 개발 (전력밀도 3.3W/m²)
- 소재 및 패턴에 따른 3D프린팅 분리막 외부지지체 개발
5) 소재/모듈 공정 최적화 모델링
- 3차원 중공사 분리막 모듈 모델을 활용한 DB 구축
- 인공지능기반 메타 모델을 적용한 3차원 중공사 분리막 모듈 성능 예측 모델 개발
- 메타모델을 활용한 모듈 성능인자 도출 및 최적 범위 제안
6) 위탁 연구
- SAT 기술의 새로운 용매 선정, 공정 및 조성변수의 최적화를 통해, 상용 분리막 이상의 고성능·고내구성 역삼투 분리막을 제조.
- SAT 기술을 정상투 분리막 제조에 적용하여, 상용 분리막 이상의 고성능 정삼투 분리막을 제조.

(2단계) 하이브리드 해수담수화용 단위공정 분리막 대면적화/모듈화 및 시스템 에너지 최적화
1) 하이브리드 해수담수화용 분리막 대면적화 기술 개발
- 전처리용 고투과성 분리막 모듈 개발 (유효면적 2 m²)
- 해수담수화용 분리막 모듈 개발 (유효면적 2 m²) 및 기술이전 진행 중
- 압력지연삼투용 분리막 모듈 개발 (유효면적 0.5 m²)
- FO용 HNT 복합 초박형 중공사 분리박 개발 (수투과도 23.6 LMH)
- PRO용 fCNT 복합 초박형 중공사 분리박 개발(전력밀도 5.2 W/m²)
2) 하이브리드 해수담수화 시스템 최적화 및 모듈화 기술 개발
- 실험 결과를 반영한 해수담수화 분리막 모듈 모델 개발
- 민감도 분석을 통한 주요 성능인자 도출
- 해수담수화용 분리막 모듈의 최적 설계안 도출
- 3D 프린팅 스페이서 제조 및 성능평가
- 3D 프린팅 skeletoned 초박막 분리막 개발
2019년도 연구성과
*JCR 상위 10% 논문 7편 게재
소수성 PTFE 분리막 제조방법 기술이전 진행 중

최종 연구성과 (2016-2019)
*JCR 상위 10% 논문 17편 게재
전처리용 세라믹 분리막 제조방법 특허등록 및 기술이전 (2016, 100,000,000원)
고분자 중공사 분리막 제조방법 특허등록 및 기술이전 (2016, 40,000,000원)
소수성 PTFE 분리막 제조방법 기술이전 진행 중 (2019)

4. 활용분야 및 계획
1) 활용분야
- 분리막 기반 해수담수화 플랜트 시장수요 및 중요성은 급격히 확대되고 있으나 핵심기술인 분리막 소재는 수입에 의존하고 있으며, 현재 국내에서 수행중인 해수담수화 관련 대형 국책사업은 시스템 위주의 연구개발 이므로, 해수담수화용 핵심 분리막 연구룰 수행중인 본 연구사업의 성과물을 기존 사업과 연계하여 국내 기술 자립형 해수담수화 기술 개발에 활용이 가능할 것으로 판단됨.
- 또한 정삼투, 막증류 공정 등 차세대 해수담수화 분리막 소재, 모듈화 기술 개발병행을 통해 미래선도형 해수담수화 플랜트 상용화 실현 가능.
- 해수담수 전처리 공정에 효율적 사용이 가능한 핵심소재인 세라믹 분리막은 향후 수처리 뿐만 아니라 증류, 흡착, 추출 등이 요구되는 제약, 반도체, 음료, 제지, 발전소 등 다양한 극한 환경을 요구하는 시장으로 확대가 가능한 포괄적인 기술 분야임.
- 내화학성 및 친수성을 갖는 중공사막 소재 기술개발에 의해 기체, 유증기, 유기용매 분리막으로 확대 적용이 가능함.
2) 계획
- 주요사업을 통해 도출된 해수담수화 중공사막 분리막 제조 기술 개발 결과에 대한 성능향상 연구수행 및 해수담수화 맞춤형 분리막 및 모듈화 기술 연계
- 산학연 협동연구 및 국제 공동 연구 체계 구축을 통한 기술 성숙도 향상 및 성과 홍보
- 산학연(GIST, 동국 R&S, 롯데케미칼) 및 국제공동(Porifera, LANL, U. Tech. Sydney) 협력 사업으로의 연계를 통한 성과 확산
- 국내외 수처리 분리막 제조 기술 보유 산학연 공동연구 추진을 통한 기술 이전토대 마련
- 해수담수화 관련 사업 기획, 제안을 통한 신규 중대형 과제 추진

5. 기대효과
1) 녹색성장 및 신성장동력 창출 효과
- [에너지와 자원 절약] 고효율 분리막 소재 개발을 통해 담수화에너지 30% 절감 (4kWh/m³ → 2.5kWh/m³)을 통해 담수화 비용 최소화, 해양 자원 회수효율 증가 및 담수화 에너지 절감에 따른 온실가스 배출량 저감 효과가 기대됨.

2) 과학기술적 성과
- 고성능 신규 분리막 및 모듈 개발을 통하여 고효율 해수담수화 원천 기술 확보 및 플랜트화가 기대됨.
- 고유량 담수용 분리 기술 확보로 에너지 소비 체계의 획기적 개선이 기대됨.
- 상업화를 통한 분리막 사업 중의 규모가 가장 큰 시스템 및 엔지니어링 시장으로 진출이 가능할 것으로 판단됨.
- 해수담수화 기술과 연계된 고부가가치 기술을 개발하고 핵심 분리막 소재의 기술 자립도를 높임.

3) 경제·사회적 성과
- 분리막 소재 개발은 연 성장률 8~15%에 이르는 시장으로 사업화 5년 이내 100억원 이상의 수출 및 담수화용 분리막 시장의 20% 차지.
- 전체 시장규모가 60조원 이상인 해수담수화 관련 시장 선점.
- 역삼투 방식 해수담수화 설비 증가 및 대형화 추세(2005년 45%, 2015년 61%)에 따른 플랜트 실용화로 경제 발전 및 신규 일자리 창출 효과.
- 하·폐수 재이용, 반도체 및 원전용 초순수, 비상용 음용수, 발전용, 바이오 등 타 분야로 확장 진출.
- 해수담수화 분리막 기술의 기반구축으로 분리막 신제품 개발촉진 및 관련 산업의 국제 경쟁력 강화.
- 기술개발을 통해 국가경쟁력을 강화 및 국가위상 재고.

6. 차년도 or 2단계 연구계획
○ 친환경 차세대 에너지 생산용 핵심소재 개발
- 염분차 발전용 소재 제조 설계 및 실험실 규모 분리막 제조
- 친수성 및 고내구성 분리막 소재 제조 기술 개발
- 농도분극을 최소화하기 위한 분리막 개질 기술 개발

7. 출구전략
1) 해수담수화용 분리막 소재 선정 및 제조 기술 연구를 통한 기반 기술 확보
2) 국내외 성과 발표 및 특허 출원/등록을 통한 원천/핵심 기술 확보
3) 분리막 핵심 소재 기술 확립을 통한 및 기술 이전 추진
4) 중대형 연구과제 수주 추진

(출처 : 요약서 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 2019년 주요사업 연구결과 요약서(소과제) ... 2
• 2019년 주요사업 연구결과 보고서 ... 8
• 1. 연구개발 목표 ... 12
• 가. 최종 연구목표 ... 12
• 나. 당해 연도 연구목표 ... 13
• 2. 주요 연구내용 ... 17
• 가. 과년도 추진경과 ... 17
• 나. 당해 연도 주요 연구내용 ... 17
• 3. 주요 연구개발 결과(연구개발목표의 달성도) ... 19
• 가. 전처리용 대면적 분리막 모듈 개발 ... 20
• 나. 해수담수화용 대면적 분리막 모듈 개발 ... 59
• 다. 압력지연삼투 분리막 모듈 개발 ... 90
• 라. FO 유도용질 및 유도용질 회수용 분리막 소재 개발 ... 113
• 마. 나노소재 기반 해수담수화 분리막 소재 개발 ... 131
• 바. 해수담수화 하이브리드 시스템에 적용되는 분리막 모듈 최적화 ... 142
• 사. 3D 프린팅 기반 분리막 모듈 핵심부품(스페이서) 제조 ... 155
• 아. 위탁 연구 ... 158
• 4. 연구개발의 성과 ... 176
• 가. 과제별 기술성취수준 ... 176
• 나. 정성적 성과 ... 176
• 다. 정량적 성과(건수/금액) ... 177
• 5. 연구성과 활용계획 ... 181
• 6. 기대효과 ... 182
• 가. 과학기술적 관점 ... 182
• 나. 경제적 관점 ... 182
• 다. 사회적 관점17 ... 182
• 끝페이지 ... 182