Wastewater reuse has been proposed as a solution against water scarcity. Among state-of-art technologies for water reuse, the reverse osmosis (RO) process is being widely applied to get a higher water quality. In this study, strategies to mitigate organic fouling on the RO membrane surface have been proposed by analyzing the properties of organic foulants.
In chapter 3, analytical methods including molecular weight distribution connected with fluorescent spectroscopy, parallel factor analysis (PARAFAC) of an excitation-emission matrix, and pyrolysis-GC/MS were applied and standardized to provide characteristics of organic foulants. Analytical results obtained from the autopsy of fouled RO membranes showed that the hydrophobic, highly aromatic, high molecular-weight, and microbial-oriented organic matters were commonly accounted for the major organic foulants.
In chapter 4, the selective adsorption and oxidative transformation of microbial-oriented organic matter (MOOM) were investigated as strategies to mitigate organic fouling. Membrane fouling was dramatically reduced with the selective adsorption of high molecular weight of microbial-oriented organic matters by carbon-based nanomaterials such as expanded graphite and multi-walled carbon nanotubes. In the case of the ozone oxidation, the transformation of hydrophobic and high molecular weight MOOM was successfully achieved and led to a decrease in RO membrane fouling.
In chapter 5, The effectiveness of fouling mitigation strategies suggested in chapter 4 was evaluated using real Ro concentrates. The accelerated RO test results showed that the pretreatment with the adsorption by carbon-based nanomaterials and ozone oxidation exhibited less than 50 % of flux decline compared to raw RO concentrates.
In conclusion, the control of hydrophobic and high molecular-weight microbial-oriented organic matter was critical to mitigate organic fouling of the RO membrane, and the development of economic and efficient pretreatment technology is a need.
하수 재이용은 물부족 문제를 해결하기 위한 중요한 대체 수자원으로 대두되고 있으며, 이를 위한 여러 기술 중 역삼투 공정은 높은 수질확보 등의 장점으로 인하여 널리 사용되고 있다. 본 연구에서는 하수 재이용 공정에서 역삼투 공정을 적용할 경우 유기물로 인한 막오염 발생의 한계를 극복하기 위하여, 주요 막오염 유기물의 특성을 규명하기 위한 분석법을 확립하고, 다양한 전처리를 통한 유기물 특성 변화에 따른 막오염 저감효과를 관찰하였다.
3장에서는 유기물의 특성 변화를 보다 자세하기 관찰하기 위하여 분자량 분석, 형광광도 분석, 열분해-기체크로마토그래피 등의 분석 방법을 확립하였다. 확립한 분석법을 이용하여 실제 공정에서 오염된 역삼투막의 해체∙분석 결과, 후단으로 갈수록 유기물에 의한 막오염이 증가하였다. 병렬요소분석 (Parallel factor analysis; PARAFAC) 결과, 원수내 유기물은 자연계 유기물(natural organic matter; NOM)과 미생물 유래 유기물 (micro-oriented organic matter)로 구분이 가능하였으며, 막오염 유기물은 주로 생물학적 처리과정에서 발생하는 분자량 1000 Da 이상의 소수성 미생물 유래 유기물로 구성된 것으로 나타났다.
4장에서는 흡착과 오존산화와 같은 전처리를 적용하여 유기오염물의 특성을 변화시켰을 때, 역삼투 공정의 막오염 경향을 평가하였다. 팽창흑연 및 다중벽 탄소나노튜브와 같은 탄소나노물질 기반의 흡착제의 경우 주된 막오염원인 방향족 단백질 군, 용해성 미생물 부산물과 같은 생물유래물질을 선택적으로 흡착하여 막오염을 효과적으로 감소시켰다. 오존산화는 소수성의 고분자 유기물을 친수성의 저분자 유기물로 분해하여 유기막오염 현상개선에 효과적이었음을 확인하였다. 막오염 원인물질의 구조분석 및 표면작용력 분석결과, 미생물 유래 유기물에 포함된 소수성을 제공하는 방향족 구조체와 막표면 사이의 π-π결합 및 양이온-π 결합이 주된 막오염 메커니즘으로 나타났다.
5장에서는 4장에서 평가된 유기막 오염 저감을 위한 전략을 적용하여 실제 하수재이용 공정에서의 RO 공정에 대한 막오염 저감 효과를 확인하였다. 실제 하수재이용 농축수를 사용하여 전처리 전∙후의 투과유량 감소를 평가한 결과, 탄소나노물질을 이용한 선택적 흡착 및 오존 산화공정 모두 막오염 현상을 50 % 이상 감소시켰다.
결론적으로, 하수재용과정에서의 RO공정 막오염 제어를 위해서는 미생물 유래 소수성 고분자 물질의 제거가 필수적이며, 이를 위한 경제적이며 효과적인 다양한 전처리 기술이 개발되어야 한다.
