Evaluation of irreversible wetting by humic acid and distillate quality control by pressure adjustment for membrane distillation : 막 증발법 공정에서 휴믹산에 의한 비가역적 막 젖음 현상 평가와 압력 조절을 통한 생산 수질 관리

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Membrane distillation (MD) focuses on a new generation desalination system. MD has disparate transportation property against conventional membrane process. However, technical characteristics of the membrane cannot be free from fouling by natural organic matter (NOM). Moreover, organic fouling leads to membrane partial wetting due to hydrophobicity reduction.
The existence of humic acid in the feed solution causes the membrane partial wetting phenomena. Due to this, on average flux was reduced by 28.8% and traces of salt and humic acid were detected at the distillate. Flux decline can be occurred by fouling. However, detections of salt and humic acid were result of membrane wetting. The transportation of salt and humic acid is impossible without wetting. So, wetting phenomenon was accompanied with the movement of contaminations along with flux decline.
Qualitative influence of humic acid on hydrophobic membranes were investigated using a scanning electron microscope (SEM), Fourier transform infrared spectrometer with attenuated total refection (FTIR-ATR), and contact angle measurement. For the PVDF membranes, contamination observed at membrane surface and pores. Whereas, the PTFE membranes were contaminated only at surface. The functional groups of this contamination were Sp3 CO, Sp2 CO, and Sp2 CC. This is hydrophilic functional groups of humic acid. Likewise, humic acid contamination led to contact angle decline. The PVDF membranes were decreased 24.5°, the PTFE membranes were decreased 14.6° on average.
Furthermore, the produced fresh water quality control method was proposed in order to overcome the distillate contamination by membrane partial wetting.

국문 초록 (Abstract)

최근 발생하고 있는 물 부족 현상을 극복하기 위해 수자원의 대부분을 차지하는 해수를 이용하여 담수를 생산하는 해수담수화 공법이 발달되고 있다. 기존의 증발법과 역삼투법이 가지는 부지 선정의 제한, 높은 에너지 소비량 등 단점을 보완하는 막 증발법이 차세대 담수화 공정으로 주목을 받고 있다.
많은 장점을 가진 차세대 막 공정이지만, 다른 막 공정과 마찬가지로 파울링 문제에 직면하면서 담수 생산에 차질이 발생하고 있다. 기존에 막 증발법은 유기물에 의한 파울링은 다른 막 공정에 비해 자유롭다는 평가를 받아 왔지만 최근 들어 많은 연구가 진행 되면서부터 이 문제가 소수성 막을 친수화시켜 막 젖음 현상을 발생 하는 등의 심각한 문제를 초래할 것이라는 의견이 부상하고 있다.
본 연구에서는 자연유기물질 중에서 가장 많은 부분을 차지하고 있는 휴믹산이 소수성 멤브레인을 사용하는 직접 접촉식 막 증발법 공정에서 막 젖음 현상 유발 경향과 특징을 살펴 보았다. 실험은 공정 중 휴믹산의 유무에 따른 비교 분석을 통해 진행 되었으며 PVDF 멤브레인, PTFE 멤브레인을 사용하였다. 원수에 휴믹산이 존재 함으로서 생산 가능한 담수는 평균적으로 28% 가량 감소하였으며 막 젖음 현상이 발생하는 것을 확인 하였다. 막 증발법 공정에서 휴믹산에 의한 멤브레인 오염은 생산수의 양과 질 모두에 악영향을 미쳤으며 공정이 진행 될수록, 온도 차가 클수록 더욱 심화되는 경향을 나타냈었다. 또한, 유기물에 의한 멤브레인의 오염의 형태학적 차이를 확인하기 위해 SEM 분석을 실시 하였고 오염원의 기원을 찾기 위해 멤브레인에 추가적으로 발생한 작용기를 분석하기 위해 FTIR-ATR 분석을 실시 하였다. 이 뿐만 아니라 멤브레인이 휴믹산에 의해 오염된 정도를 살펴보기 위해 접촉각 분석을 실시하였다. SEM 분석을 통해 PVDF 멤브레인의 경우 오염이 표면과 포어에 발생을 하나 PTFE 멤브레인의 경우 주로 표면에 오염물이 흡착되어 있음을 확인 하였다. 멤브레인에 발견된 오염물의 작용기를 확인한 결과 휴믹산에 존재하는 친수성 C-O, C=O, C=C로 확인 되었다. 또한 휴믹산의 작용기로 인해 멤브레인의 접촉각은 평균적으로 PVDF의 경우 24.5°, PTFE의 경우 14.6° 하락 하였다.
생산수질 분석, 멤브레인 분석을 통해 휴믹산의 영향을 다각적으로 살펴 보았으며 막 오염이 심각하게 진행되어 막 젖음 현상이 발생했음에도 불구하고 생산수의 수질을 압력 조절을 통해 기존의 수질과 유사한 수준으로 유지하는 새로운 방법을 제시 하였다. 생산수 측의 유속을 증가시켜 모듈내의 압력을 증가 시켰으며 증가된 압력으로 인해 생산수가 유입수 측으로 막 젖음 현상이 발생한 부분으로 직접적으로 이동이 가능하도록 멤브레인 투과 압력이 생성되는 것을 베르누이 식으로 설명을 하였다. 해당 방법으로 유속이 동일했을 경우 유입되던 오염물의 90% 가량을 매우 효율적으로 제어할 수 있음을 확인 하였다.