Global stress on depleting water resources due to man-made contamination and exhausting freshwater reservoirs has increasingly drawn attention to the desalination of sea water as a renewa-ble source of freshwater. Sea water constitutes 97% of the water resources on earth and if desalinat-ed, can potentially yield an unlimited supply of freshwater. Currently, two major desalination tech-nologies are commercially available: Reverse Osmosis (RO) and thermal distillation. However, economic widespread use of these technologies is largely limited due to their exorbitant cost. On the other hand, Forward Osmosis (FO) is a considerably less energy intensive process in which natural thermodynamic driving force is utilized. Core research topics on FO include development of suita-ble membrane and draw solution. Conventional researches on FO desalination process focus on the use of electrolyte solution to extract fresh water, but high energy input requirement in draw solute recovery process is often neglected. The purpose of this research is to propose the new concept Forward Osmosis(FO) process with water soluble polymer. Therefore, development of a novel draw solute with high osmotic pressure and its economics in recovery process were investigated in this study. Lab-scale FO desalination process and ultra-filtration process for draw solute separation were designed and setup. Polyethyleneimine (PEI) is a hyper branched water-soluble polymer which contains a high density of amine groups in its structure. The presence of labile amine groups in PEI renders it very attractive in many areas of application. For this reason, we have proposed PEI as a potential draw solute for the FO process. Effects of various parameters, such as concentration of draw solution, temperature, viscosity and etc., on water flux performance were studied by using lab-scale FO de-salination process system. Ultrafiltration (UF) was used to reconstitute the PEI draw solute and separate PEI it from the product stream. Although physical separation processes are known to consume less energy than thermal draw solute separation processes, further research on UF should be con-ducted to determine removal/recovery efficiencies. In order to achieve higher water flux in forward osmosis, functionalization of PEI and preliminary flux measurements of pressure assisted osmosis (PAO) process were investigated. Experiments on PAO shows very promising results but additional costs resulting from energy input and chemical modification should be evaluated and further re-search efforts are needed for optimization of the functionalization of PEI. In this study, potential use of water soluble polymer as a draw solution for FO desalination process was discussed. The diverse chemistry of water-soluble polymers and wide spread usage in various applications, this study is anticipated to promote further research on the utilization of poly-meric materials in FO desalination technology.
전 세계적으로 수자원 부족 및 먹는 물의 수질 악화로 인한 갈등이 점차 고조되고 있으며, 이에 따라 전체 수자원량의 대부분을 차지하는 해수를 이용하기 위해 담수화에 대한 관심이 점차 높아지고 있다. 현재 열 에너지를 이용하는 공정과 역삼투 방식을 이용하는 공정이 대표적으로 이용되고 있으나, 두 공정 모두 높은 에너지 소비로 의한 활용의 한계를 갖고 있다. 자연적인 열역학 메커니즘을 이용하는 정삼투식 담수화 공정은 저 에너지 담수화 공정으로써 새로운 대안으로 제시되고 있으며, 정삼투식 담수화 공정의 핵심은 막에 대한 개발 및 유도 용질에 있다. 기존의 정삼투식 담수화 공정은 전해질을 위시로 하여 연구되고 있으며, 유도 용질 분리 공정에서 요구되는 높은 에너지 소비의 근본적인 문제점을 내포하고 있다. 따라서, 본 연구에서는 분리가 용이하면서 동시에 높은 삼투압을 갖는 유도 용질에 대한 연구가 수행 되었으며, 실험실 규모의 정삼투식 담수화 공정 및 유도 용질 분리를 위한 한외여과 공정의 설계 및 설치가 이뤄졌다. 수용성 고분자인 polyethyleneimine (PEI) 는 Hyper-branched 고분자로 많은 아민 기를 갖고 있으며 그로 인한 물리화학적 이점 때문에 다양한 분야에 널리 활용되어 왔다. PEI 고분자를 유도 용질로 사용함에 있어 수용액의 농도, 온도 및 점도 등 여러 조건 변수들에 대한 연구가 수행되었으며 이 변수들이 water flux에 미치는 영향을 실험실 규모의 정삼투식 담수화 공정 장치를 이용하여 실험을 수행하였다. 최종 생산 물질인 순수를 얻음과 동시에 PEI 고분자 유도 용질의 회수 및 재이용을 위하여 한외여과를 이용하였으며, 이 한외여과는 PEI 고분자의 전처리를 위해서도 사용되었다. 물리적 분리 공정인 회수 단계는 열 에너지를 필요로 하는 기존의 유도 용질 분리 공정에 비해 낮은 에너지를 필요로 하는 이점을 갖지만 높은 제거율/회수율을 얻기 위해서는 한외여과막에 대한 연구도 병행되어야 한다. 정삼투 단계에서의 높은 water flux를 달성하기 위하여 PEI 고분자의 기능화 및 정삼투압에 추가로 수압을 더해주는 압력도움삼투에 대한 실험을 수행하였다. 압력도움삼투에 대한 실험 결과는 매우 긍정적이지만 추가되는 에너지 소비에 대한 경제성 평가가 선행되어야 하며, PEI 고분자의 기능화에 대해서는 향 후 화학적인 개량 및 연구가 필요하다. 본 연구를 통하여 수용성 고분자를 사용한 정삼투식 담수화 공정의 가능성을 알 수 있었다. 수용성 고분자의 다양한 활용 및 개량 가능성을 비추어 볼 때, 본 연구는 고분자를 이용한 정삼투식 담수화 연구에 초석으로서 향 후 계속되는 연구 발전에 큰 기여를 할 것으로 기대된다.
