[논문 리뷰] Fouling in thin film nanocomposite membranes for power generation through pressure retarded osmosis

Arvin Shadravan, Mahmood Amani외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 12. 05.

Membrane Separation Technologies인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 압력 조절 삼투법(PRO)에서 더 높은 침출 저항성과 삼투 전력 생성 능력을 확보하기 위해 나노물질 통합을 통해 수화성 향상을 도모한 박막 나노복합(TFN) 막을 개발한다. TFN 막은 최적화된 다공구조와 표면 수화성 덕분에 기존의 TFC 막보다 높은 유량과 더 나은 침출 내성 특성을 보이며, 지속 가능한 염도 기반 에너지 회수에 대한 잠재력을 보여준다.

ABSTRACT

Osmotic energy (or salinity-gradient energy) is the energy released when water with different salinities is mixed, such as rivers and oceans. By employing a semipermeable membrane to control the mixing process, the osmotic pressure gradient energy can be generated in terms of electrical power via pressure retarded osmosis (PRO) without causing adverse environmental impacts. This work presents the fabrication of thin film nanocomposite (TFN) membranes which are customized to offer high flux in forward osmosis (FO) and high osmotic power in PRO. In this study, the TFN membrane was fabricated by forming a polyamide thin film on the polysulfone substrate through the interfacial polymerization process. One of the challenges in this process is the fouling of PRO membranes. Fouling is one of the major characteristics that results in the decline in the water flux of the membrane. The hydraulic pressure during PRO processes is less than RO processes so membranes that are used for PRO are less likely to foul. Experiments show that TFN membranes are more tolerant of fouling than TFC membranes because of the nanomaterials which has higher surface hydrophilicity. The structure of the membrane is a very significant characteristic that has an influence on fouling. Especially, the structure of porosity that is coherent to the thickness.

연구 동기 및 목표

• 압력 조절 삼투법(PRO)을 통한 삼투 전력 생성을 위한 성능 향상이 이루어진 박막 나노복합(TFN) 막을 개발하기 위해.
• PRO에서 주요 제약 요소인 막 침출을 줄이기 위해 나노물질 통합을 통한 표면 수화성 향상을 위해.
• 특히 다공성과 두께와 같은 막 구조가 침출 거동과 유량 성능에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• PRO 운영 조건 하에서 TFN 막과 기존의 TFC 막 간의 침출 내성 비교를 위해.

제안 방법

• 폴리아미드를 폴리설폰 기반 기질에 인터페이셜 폴리머화를 통해 TFN 막을 제작하고, 수화성을 향상시키기 위해 나노물질을 통합함.
• 막 매트릭스 내에 나노물질를 활용하여 표면 특성 향상과 침출 경향 감소를 도모함.
• 다공성과 두께를 포함한 막 구조의 특성 분석을 통해 구조적 특징과 성능 간의 상관관계를 규명함.
• TFN 막과 TFC 막 간의 비교를 통해 PRO 조건 하에서의 물 유량과 침출 저항성 평가함.
• 수력 압력의 영향을 평가하며, RO에 비해 PRO에서 낮은 압력 조건이 침출 심각도를 감소시킴을 확인함.
• 표면 수화성이 침출에 대한 막 내성 향상에 핵심 요소임을 분석함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 TFN 막에 나노물질 통합이 PRO 공정에서의 침출 저항성에 미치는 영향는 어떠한가?
• RQ2 막의 다공성과 두께가 PRO에서 침출과 물 유량에 미치는 영향는 무엇인가?
• RQ3 TFN 막의 표면 수화성은 TFC 막에 비해 침출을 얼마나 효과적으로 완화하는가?
• RQ4 RO 시스템에 비해 PRO에서 낮은 수력 압력이 침출을 얼마나 줄이는가?
• RQ5 TFN 막의 어떤 구조적 및 재료적 특징이 더 높은 삼투 전력 생성과 더 나은 유량 유지에 기여하는가?

주요 결과

• 나노물질 통합으로 인해 표면 수화성이 향상됨에 따라 TFN 막은 기존의 TFC 막에 비해 더 높은 물 유량과 향상된 삼투 전력 생성 능력을 보였다.
• 나노물질의 통합은 막 표면 수화성을 크게 향상시켜 오염물질의 부착을 감소시키고 침출 저항성을 향상시켰다.
• TFN 막은 최적화된 다공구조와 수화성 표면 특성 덕분에 TFC 막보다 더 높은 침출 내성을 보였다.
• 막 구조, 특히 두께에 대한 다공성의 일관성은 침출 거동과 유량 성능을 결정하는 데 핵심적인 역할을 하였다.
• PRO 공정에서 낮은 수력 압력 조건은 침출 심각도를 감소시켜 RO 시스템에 비해 유량 감소에 덜 민감하게 만들었다.
• 연구는 구조 설계와 표면 화학이 PRO 막의 장기적 성능과 침출 저항성에 핵심 결정 요소임을 확인하였다.