해수담수화기술은 담수를 얻기 위한 효과적인 방법 중 하나로서, 오늘날 전 세계적으로 폭넓게 사용되고 있다. 하지만 해수담수화 공정 중 고농도로 농축된 염수가 발생하며, 이것을 바다에 방류할 경우 해양생태계에 영향을 주게 된다. 본 연구에서는 전기화학적 염수 처리 및 재이용의 가능성을 평가하기 위해 격막식 ...
해수담수화기술은 담수를 얻기 위한 효과적인 방법 중 하나로서, 오늘날 전 세계적으로 폭넓게 사용되고 있다. 하지만 해수담수화 공정 중 고농도로 농축된 염수가 발생하며, 이것을 바다에 방류할 경우 해양생태계에 영향을 주게 된다. 본 연구에서는 전기화학적 염수 처리 및 재이용의 가능성을 평가하기 위해 격막식 전기분해를 수행하였다. 전기분해 실험은 NaCl 용액, 모의 농축수, 최종적으로는 실제 해수담수화 플랜트에서 가져온 실제 농축수를 대상으로 수행되었다. 두 종류의 DSA 전극 및 다양한 공극 사이즈를 갖는 친수성PTFE 필터를 사용하였으며, 농축수 내 경도물질을 제거하기 위해 NaOH와 Na2CO3를 경도물질대비 1:1 몰 비율로 사용하였다. 실험의 결과로서, 25 cm2의 면적에 8.3 - 9.4 A의 전류가 37.5 - 45분의 용액 체류시간동안 흘렀을 때 가장 효율적으로 전기분해가 수행되었다. 그 조건에서 최대 3.7%의 NaOH 용액을 얻을 수 있었고, 그 때 염소이온의 제거율은 66%로 나타났다. 또한 판형의 전극형태 및 1 - 10 μm의 필터 공극이 실험에 적합한 것으로 나타났다. 전기분해로 얻은 용액 내 NaOH 농도와 염소이온의 제거율은 전류밀도에 비례하는 경향을 보였다. 또한 각각의 전류밀도에서 NaOH 농도와 유량 간에는 지수함수형태의, NaOH 농도와 염소이온제거율, 전기전도도간에는 직선형태의 높은 상관관계를 갖는 것도 확인하였다. 실험값을 이용한 민감도 분석에 따르면, 유량을 조절하는 것이 전류값을 조절하는 것보다 고농도의 NaOH 용액 생산에 더 효율적인 것으로 나타났다. 전류를 증가시켰을 경우에는 체류시간을 조절하는 것 보다 전력소모 및 열손실이 더 크게 증가하였기 때문이다. 한편 양극에서의 주요한 전자발생원은 물과 염소의 산화였으며, 음극에서의 주요한 전자소모는 물의 환원에 의한 수소발생으로 나타났다. 전기분해를 통해 얻은 각각 약 3.5%와 2.0%의 알칼리 용액으로 알칼리 활성 슬래그 경화체를 제작한 결과, 3 - 28일 압축강도는 각각 12.9 - 15.3 MPa 및 9.8 – 11 MPa로 나타났으며 현재 사용 중인 콘크리트 벽돌의 압축강도 기준(Class II, 7 MPa)을 만족하였다. 또한 본 연구에서는, 운전인자에 따른 반응기의 거동과 특징을 평가하기 위해서, 전해액 내에서의 물질전달을 확산, 전기이동, 대류로서 가정하여 간단한 형태의 전기분해 모델을 개발하였다. 개발된 모델을 통하여 확산계수의 변화, 격막의 손상, 알칼리 확산 억제 등의 전해조 거동을 모의할 수 있었으며, 실제 실험값과의 비교를 통하여 실험하지 못한 부분까지의 전해조 거동을 예측할 수 있었다. 추가적으로, 열을 통한 에너지 손실 및 경제성 평가도 고려하였다.
해수담수화기술은 담수를 얻기 위한 효과적인 방법 중 하나로서, 오늘날 전 세계적으로 폭넓게 사용되고 있다. 하지만 해수담수화 공정 중 고농도로 농축된 염수가 발생하며, 이것을 바다에 방류할 경우 해양생태계에 영향을 주게 된다. 본 연구에서는 전기화학적 염수 처리 및 재이용의 가능성을 평가하기 위해 격막식 전기분해를 수행하였다. 전기분해 실험은 NaCl 용액, 모의 농축수, 최종적으로는 실제 해수담수화 플랜트에서 가져온 실제 농축수를 대상으로 수행되었다. 두 종류의 DSA 전극 및 다양한 공극 사이즈를 갖는 친수성 PTFE 필터를 사용하였으며, 농축수 내 경도물질을 제거하기 위해 NaOH와 Na2CO3를 경도물질대비 1:1 몰 비율로 사용하였다. 실험의 결과로서, 25 cm2의 면적에 8.3 - 9.4 A의 전류가 37.5 - 45분의 용액 체류시간동안 흘렀을 때 가장 효율적으로 전기분해가 수행되었다. 그 조건에서 최대 3.7%의 NaOH 용액을 얻을 수 있었고, 그 때 염소이온의 제거율은 66%로 나타났다. 또한 판형의 전극형태 및 1 - 10 μm의 필터 공극이 실험에 적합한 것으로 나타났다. 전기분해로 얻은 용액 내 NaOH 농도와 염소이온의 제거율은 전류밀도에 비례하는 경향을 보였다. 또한 각각의 전류밀도에서 NaOH 농도와 유량 간에는 지수함수형태의, NaOH 농도와 염소이온제거율, 전기전도도간에는 직선형태의 높은 상관관계를 갖는 것도 확인하였다. 실험값을 이용한 민감도 분석에 따르면, 유량을 조절하는 것이 전류값을 조절하는 것보다 고농도의 NaOH 용액 생산에 더 효율적인 것으로 나타났다. 전류를 증가시켰을 경우에는 체류시간을 조절하는 것 보다 전력소모 및 열손실이 더 크게 증가하였기 때문이다. 한편 양극에서의 주요한 전자발생원은 물과 염소의 산화였으며, 음극에서의 주요한 전자소모는 물의 환원에 의한 수소발생으로 나타났다. 전기분해를 통해 얻은 각각 약 3.5%와 2.0%의 알칼리 용액으로 알칼리 활성 슬래그 경화체를 제작한 결과, 3 - 28일 압축강도는 각각 12.9 - 15.3 MPa 및 9.8 – 11 MPa로 나타났으며 현재 사용 중인 콘크리트 벽돌의 압축강도 기준(Class II, 7 MPa)을 만족하였다. 또한 본 연구에서는, 운전인자에 따른 반응기의 거동과 특징을 평가하기 위해서, 전해액 내에서의 물질전달을 확산, 전기이동, 대류로서 가정하여 간단한 형태의 전기분해 모델을 개발하였다. 개발된 모델을 통하여 확산계수의 변화, 격막의 손상, 알칼리 확산 억제 등의 전해조 거동을 모의할 수 있었으며, 실제 실험값과의 비교를 통하여 실험하지 못한 부분까지의 전해조 거동을 예측할 수 있었다. 추가적으로, 열을 통한 에너지 손실 및 경제성 평가도 고려하였다.
Seawater desalination is one of the effective technologies for obtaining fresh water. It is widely used these days. It generates highly concentrated brine; however, when such brine is discharged into the ocean, it may threaten marine ecosystems. This study was conducted to evaluate the possibility o...
Seawater desalination is one of the effective technologies for obtaining fresh water. It is widely used these days. It generates highly concentrated brine; however, when such brine is discharged into the ocean, it may threaten marine ecosystems. This study was conducted to evaluate the possibility of electrochemical brine treatment and reuse using a diaphragm-type electrolytic cell. For the electrolysis, a NaCl solution, synthetic concentrated brine, and real concentrated brine from a seawater desalination plant were used in turn. Two DSA electrodes with different surface areas and various pore-sized hydrophilic PTFE filters were used to make the electrolytic cell. To remove hardness substances from the concentrated brine, NaOH and Na2CO3 with a 1:1 molar ratio of hardness substances were added. The results of the electrolysis experiment showed that 8.3-9.4A applied current is suitable for a 25cm2 electrode-facing area during 37.5-45 minutes of HRT. In that condition, a maximum NaOH concentration of 3.7% was obtained with 66% chloride removal. A plate-type electrode shape and a 1-10µm diaphragm pore size are also recommended to be used. In the experiment results, the NaOH concentration in the effluent and the chloride removal showed a fairly proportional trend to the current density. In that regard, the NaOH concentration and the flow rates tended to have an exponential relationship with a higher R2 value. The NaOH, chloride removal, and electric conductivity also showed meaningful correlations. The sensitivity analysis showed that to efficiently increase the NaOH concentration, regulating the flowrate is more effective than regulating the applied current. The water electrolysis and the chloride oxidation contributed two major electron products at the anode compartment, whereas the hydrogen gas production accounted for much of the major electron utilization at the cathode compartment. Using the 3.5% and 2.0% of NaOH alkali effluents produced through the brine electrolysis, an alkali-activated slag product was made. The curing yielded compressive strengths of 12.9-15.3 MPa and 9.8-11 MPa for the specimen cured for 3-28 days. A simple electrolysis model was developed using the concept of the mass transfer of the electrolytic solution in consideration of the diffusion, electro-migration, and convection to estimate the reactor characteristics and performance according to the operation parameters. Through the developed model, the cell behavior, such as the diffusion coefficient changes, diaphragm damage, and suppression of alkali back-migration, can be inferred and predicted. In addition, the energy loss determined through heat and economic evaluation were discussed.
Seawater desalination is one of the effective technologies for obtaining fresh water. It is widely used these days. It generates highly concentrated brine; however, when such brine is discharged into the ocean, it may threaten marine ecosystems. This study was conducted to evaluate the possibility of electrochemical brine treatment and reuse using a diaphragm-type electrolytic cell. For the electrolysis, a NaCl solution, synthetic concentrated brine, and real concentrated brine from a seawater desalination plant were used in turn. Two DSA electrodes with different surface areas and various pore-sized hydrophilic PTFE filters were used to make the electrolytic cell. To remove hardness substances from the concentrated brine, NaOH and Na2CO3 with a 1:1 molar ratio of hardness substances were added. The results of the electrolysis experiment showed that 8.3-9.4A applied current is suitable for a 25cm2 electrode-facing area during 37.5-45 minutes of HRT. In that condition, a maximum NaOH concentration of 3.7% was obtained with 66% chloride removal. A plate-type electrode shape and a 1-10µm diaphragm pore size are also recommended to be used. In the experiment results, the NaOH concentration in the effluent and the chloride removal showed a fairly proportional trend to the current density. In that regard, the NaOH concentration and the flow rates tended to have an exponential relationship with a higher R2 value. The NaOH, chloride removal, and electric conductivity also showed meaningful correlations. The sensitivity analysis showed that to efficiently increase the NaOH concentration, regulating the flowrate is more effective than regulating the applied current. The water electrolysis and the chloride oxidation contributed two major electron products at the anode compartment, whereas the hydrogen gas production accounted for much of the major electron utilization at the cathode compartment. Using the 3.5% and 2.0% of NaOH alkali effluents produced through the brine electrolysis, an alkali-activated slag product was made. The curing yielded compressive strengths of 12.9-15.3 MPa and 9.8-11 MPa for the specimen cured for 3-28 days. A simple electrolysis model was developed using the concept of the mass transfer of the electrolytic solution in consideration of the diffusion, electro-migration, and convection to estimate the reactor characteristics and performance according to the operation parameters. Through the developed model, the cell behavior, such as the diffusion coefficient changes, diaphragm damage, and suppression of alkali back-migration, can be inferred and predicted. In addition, the energy loss determined through heat and economic evaluation were discussed.
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