3D 프린팅된 필터 표면의 고기능화를 통한 수처리용 멤브레인 개발 = Development of water treatment membranes through advanced surface functionalization of 3D-printed filters

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 기존 수처리용 멤브레인이 직면한 소재 가공의 한계와 막오염(Fouling) 문제를 해결하기 위해, 3D 프린팅 기술과 저온 플라즈마 강화 화학기상증착(PECVD) 공정을 융합한 차세대 고기능성 탄소 멤브레인(3D-W-ACM)을 개발하였다.
연구의 첫 번째 단계에서는 FDM(Fused Deposition Modeling) 방식의 3D 프린팅을 활용하여 수리학적 흐름이 최적화된 튜브형 PLA 지지체를 제작하였다. 이는 기존 세라믹 지지체의 복잡한 제조 공정과 형상의 제약을 극복하고, 매크로 기공 구조를 정밀하게 제어할 수 있는 공정 기반을 마련한 것이다.
두 번째 단계에서는 고분자 지지체의 열적 변형을 방지하기 위해 120 ℃ 이하의 저온 환경에서 탄소 나노구조체를 성장시키는 PECVD 공정을 최적화하였다. 이를 통해 PLA 지지체 표면에 수직으로 배향된 카본 휘스커(Carbon Whisker) 층을 균일하게 형성시켰으며, 제조된 3D-W-ACM은 기존의 평면형 멤브레인보다 월등히 높은 비표면적과 흡착 활성 부위를 확보하였다.
세 번째 단계로, 실제 노후 관로에서 채취한 적수(Red Water)를 대상으로 십자류(Cross-flow) 여과 실험을 수행하였다. 실험 결과, 3D-W-ACM은 기존 W-ACM 대비 정체 유속이 약 20% 이상 향상되었으며, 특히 100-500 Da 규모의 저분자 천연 유기물(NOM) 제거에 있어 탁월한 성능을 보였다. 이는 카본 휘스커 층이 입자성 오염물질의 기공 폐쇄를 물리적으로 차단하는 동시에 용존 유기물을 선택적으로 흡착하는 복합적인 메커니즘을 수행했기 때문이다.
마지막으로, Kozeny-Carman 식과 Imasaka 모델을 이용한 수치 해석을 통해 3D-W-ACM의 내오염 기전을 규명하였다. 수치 모델링 결과, 카본 휘스커는 막 표면에 형성되는 케이크 층의 공극률을 증가시켜 수리학적 저항을 획기적으로 낮추는 역할을 수행함을 증명하였으며, 실험 데이터와 모델 예측값 간의 높은 상관관계를 확인하였다.
결론적으로 본 연구에서 제안한 3D 프린팅 기반의 저온 탄소 멤브레인 제조 기술은 에너지 효율적인 고도 정수 처리 및 맞춤형 수처리 시스템 구축을 위한 혁신적인 플랫폼 기술이 될 것으로 기대된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Development of High-Functional Water Treatment Membranes via Surface Functionalization of 3D-Printed Filters
In this study, a next-generation high-functional carbon membrane (3D-W-ACM) was developed by integrating 3D printing technology with a low-temperature Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD) process to overcome the material processing limitations and fouling issues of conventional water treatment membranes.
In the first stage, a tubular PLA support with optimized hydraulic flow was fabricated using FDM-based 3D printing. This approach effectively overcame the complex manufacturing steps and shape restrictions associated with traditional ceramic supports, establishing a precise control mechanism for macro-pore structures.
In the second stage, the PECVD process was optimized to grow carbon nanostructures at temperatures below 120 °C, preventing the thermal deformation of the polymer support. This resulted in the uniform formation of vertically aligned carbon whisker layers on the PLA surface. The fabricated 3D-W-ACM exhibited significantly higher specific surface area and adsorption activity compared to conventional planar membranes.
In the third stage, cross-flow filtration experiments were conducted using actual "Red Water" samples collected from aged pipelines. The results showed that 3D-W-ACM achieved a steady-state flux more than 20% higher than that of conventional W-ACM. Notably, it demonstrated superior performance in removing low-molecular-weight natural organic matter (NOM) ranging from 100 to 500 Da. This is attributed to a dual mechanism where the carbon whisker layer physically blocks pore clogging by particulate matter while selectively adsorbing dissolved organic compounds.
Finally, the anti-fouling mechanism of 3D-W-ACM was elucidated through numerical analysis using the Kozeny-Carman equation and the Imasaka model. The modeling results demonstrated that carbon whiskers significantly reduce hydraulic resistance by increasing the porosity of the cake layer formed on the membrane surface. A high correlation between experimental data and model predictions was confirmed.
In conclusion, the 3D printing-based low-temperature carbon membrane fabrication technology proposed in this study is expected to serve as an innovative platform for energy-efficient advanced water purification and customized water treatment systems.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서 론 1
• 제1절 연구 배경 1
• 1. 물 부족과 수질 악화 문제 1
• 2. 막분리 공정의 역할과 한계 3
• 3. 활성탄 흡착 공정의 역할과 한계 5
• 4. 기존 연구의 한계 및 본 연구의 차별성 7
• 제2절 연구 필요성 9
• 1. 3D 프린팅 기반 지지체의 필요성 9
• 2. 저온 PECVD 기반 휘스커 성장 기술의 필요성 11
• 3. 연구 목적 및 범위 13
• 제2장 이론적 배경 및 선행 연구 15
• 제1절 막분리 공정(MF/UF/NF/RO)의 분리 메커니즘 15
• 제2절 막오염(Fouling) 이론 21
• 제3절 활성탄 및 활성카본 멤브레인(ACM, W-ACM) 26
• 제4절 3D 프린팅 기술의 수처리 적용 사례 30
• 제5절 CVD/PECVD 기반 탄소 나노구조 성장 메커니즘 32
• 제3장 3D 프린팅된 튜브형 멤브레인 지지대의 제조 및 특성 평가 34
• 제1절 재료 및 방법 34
• 1. FDM 3D 프린터(SINDOH DP201) 34
• 2. PLA(Polylactic Acid) 필라멘트 37
• 제2절 3D 프린팅된 튜브형 지지대 설계 및 제작 39
• 제3절 구조 및 표면 특성 평가 44
• 제4절 수리 특성 평가 47
• 1. Pure Water Flux(PWF) 47
• 2. 투과유속 이론 해석 48
• 제4장 저온 PECVD 기반 3D-W-ACM의 제조 및 특성 평가 50
• 제1절 저온 PECVD 공정 이론 50
• 제2절 PLA 기반 지지체 위 카본 휘스커 성장 조건 및 결과 해석 55
• 제3절 SEM 표면 구조 비교 59
• 제4절 수리 특성 및 역세척 성능 평가 64
• 제5장 Red Water 여과 실험 및 수치 모델링 68
• 제1절 Red Water 성상 분석 68
• 제2절 Cross-flow 여과 실험 70
• 제6장 결론 및 향후 연구 73
• 제1절 저온 PECVD 공정 이론 73
• 제2절 학문적·기술적 기여 75
• 제3절 향후 연구 과제 76
• 참고문헌 78
• Abstract 94
• 감사의 글 96