Forward osmosis (FO) is a promising membrane process with the potential to offer energy-efficient separation technologies for various environmental and industrial applications including (i) water reuse, (ii) desalination, and (iii) resource recovery. However, a major and unresolved challenge in FO remains the availability of efficient draw solutions that could be (i) implemented using porous and high flux FO membranes and (ii) reconstituted using a low-energy separation process. This study investigates the potential use of a branched polyethyleninime (PEI) macromolecule [Molecular weights Mn of 10000 Da and Mw of 25000 Da] as osmotic agent to formulate new draw solutions that could be deployed using porous FO membranes with nanofiltration (NF) selective layers. Furthermore, a demonstration of our FO process of branched PEI draw solutes and porous FO membranes was conducted for microalgae harvesting, which is a promising platform to secure the sustainable water-energy-food nexus. To assess the potential of PEI-based draw solutions, we combine (i) physicochemical studies as osmotic agents, (ii) membrane preparation and characterization, (iii) water flux and reverse solute permeation measurements and (iv) draw solution concentration experiments UF and NF. The overall results of this study suggest that branched PEI macromolecules with higher molar mass (Mw of 25000 Da) are promising building blocks for the development of draw solutions of osmotically-driven membrane processes using porous FO membranes with NF selective layers for sustainable water reuse and resource recovery
정삼투압 (Forward osmosis, FO) 공정은 i) 물 재이용, ii) 담수화 및 iii) 자원회수 등과 같은 여러 환경분야 산업공정에 활용가능하며, 에너지 효율적인 차세대 막 분리공정으로 주목받고있다. 그러나 FO공정에서 높은 투수량을 보이며, 낮은 에너지로 재 회수가능한 효율적인 유도물질의 개발이 필요한 실정이다. 본 연구는 새로운 유도물질의 개발의 중심체로 사용가능한 가지체 폴리에틸린이민 (branched polyethyleneimine, branched PEI) [분자량 Mn: 10000 Da, Mw: 25000 Da] 을 유도물질로 선택하고, 직접합성한 나노여과수준의 Porous FO 막을 사용하여 유도물질의 활용가능성을 평가하였다. 또한, 새로운 유도물질 (PEI) 및 합성된 FO막을 활용하여 미세조류 수확공정에 적용시켜 활용가능성을 평가해보았다. 미세조류 공정은 지속가능한 물-에너지-음식 넥서스를 유지 시켜줄 수 있는 차세대 플랫폼으로 주목받고 있는 기술이다. PEI 기반 유도물질의 활용가능성을 평가하기 위하여, 본 연구에서는 i) 유도물질의 삼투관련 물리화학적 성질, ii) FO 막 합성 및 특성분석, iii) 랩스케일 FO 실험을 통한 투수량 및 역물질투과량 분석, 그리고 iv) UF 및 NF를 활용한 유도용액 재 회수공정에 이르는 실험을 수행하였다. 본 연구를 통해 고분자량 PEI 유도물질과 porous FO 합성막이 물 재이용 및 자원회수를 위해 효과적으로 활용될 수 있음을 보였다.