수처리 멤브레인에서 바이오 파울링을 제어하는 에너지 효율적인 방법 및 추후 방향 = Energy-efficient Methods for Controlling Biofouling in Water Treatment Membranes and Future Directions

국문 초록 (Abstract)

본 논문은 최근 수처리 멤브레인 시스템에서 바이오파울링이 운영 효율성을 저하시키고 에너지 소비를 증가시키는 주요 문제로 대두됨에 따라, 이를 에너지 효율적으로 제어하기 위한 기존 및 유망한 기술을 탐구하는 것을 목적으로 한다. 바이오파울링 제어를 위해 표면 개질, 항균 나노물질 도입, 광촉매 멤브레인과 같은 물리적, 화학적, 생물학적 접근법을 분석하였다. 특히, 양이온성 폴리머 및 양친성 코팅 기술과 은 나노입자(nAg), 나노다이아몬드(UDD)를 포함한 다양한 항균 물질의 효과를 평가하였으며, 광촉매 메커니즘을 이용한 지속 가능한 바이오파울링 억제 기술의 가능성을 검토하였다. 양이온성 폴리머와 양친성 코팅을 사용한 표면 개질 기술은 멤브레인 친수성을 변화시켜 미생물 부착을 방지함으로써 바이오파울링 억제에 효과적임을 보여주었다. 또한, 은 나노입자와 나노다이아몬드의 도입은 미생물 세포막을 파괴하고 친수성을 증가시켜 바이오파울링 저항성을 강화하였다. 금속-유기 구조체(MOFs)를 사용하는 광촉매 멤브레인은 빛을 받아 활성 산소종(ROS)을 생성하여 지속 가능하고 에너지 효율적인 바이오파울링 제어 방법으로 평가되었다. 그러나 이러한 기술에도 불구하고, 실시간 모니터링과 인공지능(AI) 기반 예측 모델의 도입을 통해 멤브레인 운영의 최적화와 에너지 소비 최소화가 필요하다. 바이오파울링 저항성과 자원 회수 기능을 결합한 다기능성 멤브레인의 개발은 깨끗한 물에 대한 전 세계적 수요를 충족하고 물 부족 문제를 해결하는 데 필수적이다. 추가 연구를 통해 에너지 효율적인 운영과 지속 가능한 바이오파울링 제어 기술을 구현할 필요가 있다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This paper aims to address the critical issue of biofouling in water treatment membrane systems, which decreases operational efficiency and increases energy consumption. The study explores energy-efficient biofouling control methods, focusing on established and emerging technologies. The review examines various approaches, including surface modification, antimicrobial nanomaterials, and photocatalytic membranes. Techniques using zwitterionic polymers, amphiphilic coatings, silver nanoparticles (nAg), and nanodiamonds (UDD) are analyzed for their effectiveness in mitigating biofouling. Photocatalytic membranes employing Metal-Organic Frameworks (MOFs) are also evaluated for their sustainable microbial inhibition capabilities. Surface modification techniques demonstrated the potential to alter membrane hydrophilicity, effectively preventing microbial adhesion and biofilm formation. Incorporating antimicrobial nanomaterials such as nAg and UDD disrupted microbial cell membranes and enhanced hydrophilicity, significantly increasing biofouling resistance. Photocatalytic membranes utilizing MOFs produced reactive oxygen species (ROS) under light exposure, providing a sustainable and energy-efficient approach to biofouling control. However, the integration of real-time monitoring systems and AI-based predictive models remains necessary to further optimize membrane performance and reduce energy consumption. The development of multifunctional membranes that combine biofouling resistance with resource recovery capabilities is essential to tackle the global water crisis and ensure access to clean water. Continued research in integrating advanced technologies such as AI and sustainable materials will be pivotal in advancing energy-efficient biofouling control.