Forward osmosis (FO) is an emerging technology and potentially useful in desalination process as an alternative to popular, yet very costly, reverse osmosis (RO) process and other desalting technologies. FO uses so-called “draw solution” to draw fresh water from saline water through osmosis while solutes are retained by semi-permeable membrane. Thus it can desalt saline water without applying external pressure. Up-to-date, most of studies on draw solution have been focusing on electrolyte draw solution; though some macromolecular osmotic agents and their innovative recovery technologies have been investigated, they pose a number of limitations to their application. Osmotic pressure of macromolecules is lower than that of salts, polymer solutions have high viscosity, and economics and recyclability of nanoparticles impede large scale application. In this study, potential use of hyperbranched polyethyleninime (PEI) as the draw solution for FO process followed by reconstitution via ultrafiltration (UF) has been investigated. Osmotic analysis of PEI by custom designed direct membrane osmometer has shown the polymer’s capacity to generate high osmotic pressure >35 bar at 25wt% and its globular structure enhances fluidity. Hyperbranched PEI’s flux performance in FO, though it was slightly lower than that of NaCl, is observed to be comparable to NaCl draw solution. This is likely due to higher degree of concentration polarization (CP) attributed to higher molecular weight of the polymer. However, it is expected that recovery of draw solution via UF will require relatively lower energy than distillation and the use of lower molecular weight PEI will reduce the effect of CP. In addition, implementation of the membrane with different chemistry has shown significant reduction of ICP which emphasizes the importance of further development of new FO membrane. UF reconstitution of PEI draw solution has been demonstrated from 5wt% to 10wt%. PEI rejection stayed above 99.8% during ~50 hours of operation while flux decayed due to CP. Conductivity increase in the permeates indicates dissociation of HCl from polymer back bone and leaking through the membrane. This could be prevented by assigning permanent charge on PEI(i.e. quateranization). In addition, fouling in UF can be well mitigated by incorporating different membrane configuration as well as increasing flux performance.
정삼투 공정은 해수 담수화 분야에서 새롭게 각광받고 있는 기술로, 역삼투를 비롯한 기존의 담수화 기술에 비해 적은 비용을 필요하며 이들이 가진 한계를 극복할 가능성을 보이며 차세대 담수화기술로 빠르게 성장하는 추세다. 정삼투 공정은 반투막을 사이에 두고 삼투 현상에 의해 염수에서 “유도용액”으로 물이 이동하는 원리를 이용한다. 그러므로 역삼투 공정과 달리 외부에서 압력을 가하지 않고도 담수화를 할 수 있다.
지금까지 정삼투 공정에 관한 연구에서는 전해질 기반의 유도 용액이 중점적으로 다루어져 왔다. 고분자 유도용액을 이용한 정삼투는 염수보다 낮은 삼투압, 유도 용액의 높은 점성, 나노 입자 수준의 경제성과 재활용성 등의 단점으로 인해 주목받지 못했다. 그러나 본 연구에서는 초가지체 PEI (hyperbranched polyethyleninime) 를 유도용액으로 한 정삼투 공정과 한외여과를 이용한 유도용액의 재처리를 통해 고분자를 이용한 정삼투 공정의 가능성을 보였다.
직접 제작된 direct membrane 삼투압계를 이용한 초가지체 PEI 유도용액 정삼투 과정의 분석 결과는 25wt%에서 35bar의 삼투압과 특유의 구형 분자구조로 인해 개선된 유동성을 보이며 고분자 유도용액도 유용한 삼투압을 제공할 수 있음을 보여줬다. 실험 결과 초가지체 PEI 유도용액을 이용한 정삼투 공정에서 막을 퉁한 flux는 NaCl 용액과 비슷한 수준이지만 보다 조금 낮게 관찰되었으며, 이는 고분자의 큰 분자량으로 인해 높은 수준의 농도 분극이 일어났기 때문으로 사료된다. 그러나 이 차이는 극복할 수 있을 만한 수준으로, 더 낮은 분자량의 PEI를 이용하면 농도 분극의 문제는 해결될 것으로 기대된다.
반면, 초가지체 PEI 유도용액의 재처리 과정에서 사용되는 한외여과 공법은 NaCl 등 기존 전해질 유도용액을 분류하기 위해 널리 이용되는 증류 처리보다 훨씬 적은 에너지를 소모하며, 이는 농도 분극에서 오는 불리함을 상회하는 고분자 유도용액을 이용한 정삼투 공정의 특장점이다. 나아가, 활발하게 연구되고 있는 반투막의 화학적 개선은 농도 분극을 현저하게 줄여가고 있으며, 이와 함께 (이에 따라) 고분자 유도용액을 이용한 정삼투 공정도 훨씬 실효성 있게 되었다.
한외여과 공정을 이용한 PEI 용액의 재처리는 5wt%에서 10wt%사이의 용액으로 실험되었다. PEI 폐기물은 비록 농도분극으로 인해 그 유동성이 점차 감소하는 양상을 보였지만, 50시간의 운영시간 동안 99.8% 이상의 높은 여과율로 분리되었다. 그러나 후반 몇 permeates에서의 전도율 상승을 통해 고분자의 골격에서 HCl가 분리되며 막을 통해 새어나오는 것을 확인했다. 이 문제는PEI가 영구적으로 전하를 띄게 함으로서 해결할 수 있을 것으로 보인다. (i.e. quateranization), 또 한, 다른 막 배열, 형태의 적용을 통해 막오염을 줄여 한외여과에서의 flux에도 큰 향상을 기대할 수 있다.
