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문제 정의
- 본 연구는 방향족 폴리아미드계 복합 박막의 구조를 갖는 역삼투 분리막 중 상용화된 해수의 담수화 운전에 적합한 역삼투막을 이용하여 고회수율 해수 담수화 운전에서 일어날 수 있는 여러가지 조건에서의 역삼투막의 투과 성능을 평막과 모듈로 나누어 특성을 조사하였다. 회수율이 높아지면 농도가 비정상적으로 상승하여 역삼투막의 염제거 성능이 떨어지고 운전 조건이 초고압으로 구동되어야만 투과 현상이 일어난다.
- 일반적으로 고압에서 내구성을 갖는 역삼투 분리막 제조 기술의 한계로 기존의 해수 담수화 역삼투 분리막으로는 고회수율의 시스템에 적합치 않다는 선입관을 가지고 있다. 본 연구는 상용화된 일반 해수용 역삼투 분리막을 이용하여고회수율의 해수 담수화에서 일어날 수 있는 환경에서의 역삼투막의 투과특성을 조사하였다.
- 본 연구는 역삼투 분리막의 평막 평가 실험을 통하여 역삼투막의 특정 인자의 변화가 역삼투막의 분리 성능에 영향을 미치는 영향를 살펴봄으로써 고압 고 회수율 적용이 가능한지 살펴보고자 하였다. Fig.
- 본 연구에서는 현재 시판되는 역삼투 분리막의 고 회수율 시스템의 적용 가능성을 살펴보기 위하여 복합막 자체의 성능과 모듈 상태의 성능을 여러 가지고 회수율 시스템에서 나타나는 물성 결정 인자에 대하여 나누어 조사하였다. 복합막의 성능은 평막 상태의 막의 성능을 직사각형 cell에서 측정함으로서확인하였다.
제안 방법
- 이 장치에서 1단 모듈의 농축수는 2단 모듈의 공급수가 되며 2-5단 모듈의 농축수 역시 후단의 공급수가 된다. 1 단 모듈로 인입되는 해수의 유량은 일정하게 조정하였으며 투과 성능의 측정은 각 단의 모듈에서 투과된 물의 전기전도도와 유량을 측정하였다. 또한 후단 공급수의 농도와 유량은 다음 식 (12)와 (13) 으로구하였다.
- 그 외 고려할 만한 인자로 높은 압력에서 일어나는 역삼투막의 hydrodynamic resistance에 의한 유량 포화 현상이 70 kg/cn?의 압력까지 나타나지 않았으며 역삼투막의 고압에 대한 내구성이 70 kg/cnf의압력까지 유지되었음을 볼 수 있었다. 70 kgt/cm2 이상의 압력에 대한 역삼투막의 내구성은 3.2절의 모듈 평가에서 살펴보았다.
- Table 2에 인입 원수의 일반 수질 분석 결과와 마이크로필터 처리 후의 수질 분석 결과를 정리하였다. Pilot 평가기 설계 조건은 해수를 최대 1 m3/hr0] 되도록 하였고 압력은 100 kgf/cnS까지 견딜 수 잇는 배관 및 밸브를 선정하였다. 실제 해수의 투과 성능조사에 사용된 pilot 해수담수화용 분리막 평가 장치는 6개의 해수 담수화용 역삼투 분리막 모듈을 직렬로 연결하여 전단의 역삼투막 투과 농축수가 후단의 역삼투막 공급수로 사용할 수 있도록 설계하였다.
- 구동 압력을 조절하여 각 단의 모듈의 투과 성능을 유량과 전기전도도로 측정하였다. 각 단에서의 농축수 농도를 계산하여 후단의 공급수 농도로 적용하고 이에 따른 시스템 회수율과 각 단의 모듈 회수율을 계산하였다. 일부 모듈의 경우 고압에서는 순수한 역삼투막의 성능 이외에 가공이나 전처리에서 발생할 수 있는 손상이 발견되었다.
- 각 symbol의 좌측이 1단 모듈이며 우측으로 이동하면서 각각 3단, 4단, 5단 모듈을 의미한다. 각 모듈의 구동압력을 sybol의 종류로 구분하였으며 모듈 단수와 구동압력에서의 공급수의 농도값에 대한염제거율을 나타내었다. 80, 85 kgi/crn2 4단의 모듈을 제외하면 고회수율 해수담수화 운전 조건에서 99% 이상의 염제거율을 보이고 있다.
- 고회수율 해수담수화 시스템에 적합한 역삼투 분리막의 특성을 조사하기 위하여, 고압, 고농도에서의 역삼투막의 투과 특성을 평막 상태와 모듈 상태로 관측하였다. 평막 상태에서의 역삼투막의 고압에 대한 내구성을 확인하였으며 압력 상승에 따른 염 제거율 향상을 확인하였다.
- 평 막 평가 장치는 Osmonics의 평막 평가 장치 사양을 적용하여 제작하였다. 공급수 저장조, 정밀여과막, 고압 펌프, 역삼투 분리막 평가 cell로 구성되었으며 온도 조절을 위한 냉각기가 별도로 저장조에 순환식 코일로 연결되도록 구성하였다. 배관, 펌프, cell은 스테인레스강 316 L을 사용하여 높은 농도의 NaCl 수용액에 의한 부식을 최소화하였다.
- 해수담수화용 분리막은 (주) 새한의 RE 2540- SN 모듈을 사용하였다. 구동 압력을 55-85 kgt/cm2 으로 변화시키며 압력 변화에 따른 역삼투 분리막의 물성을 측정하였으며 이때 인입 해수의 모든 압력 조건에서 유량은 14.8 L/min로 고정하였다. 수온은 7 + 0.
- 모듈 상태에서의 역삼투막의 성능은 실제 해수를 취수하여 직렬 6단의 pilot를 운전하여 관측하였다. 구동 압력을 조절하여 각 단의 모듈의 투과 성능을 유량과 전기전도도로 측정하였다. 각 단에서의 농축수 농도를 계산하여 후단의 공급수 농도로 적용하고 이에 따른 시스템 회수율과 각 단의 모듈 회수율을 계산하였다.
- 또한 모듈 상태에서의 평가는 평막의 물성에 영향을 주는 인자 이외에도 전처리 상태, 모듈의 길이, 물의 흐름 경로가 되는 space channel의 두께 및 구조에 따라 그 성능이 달라진다. 그러므로 실제 해수에 대한 역삼투 분리막 모듈의 투과 성능 평가는 취수원 및 전처리가 동일한 조건에서 얻어진 원수를 사용하여 유입되는 공급수의 영향 인자를 최소화 하였으며 역삼투 분리막 모듈의 제조에서의 발생할수 있는 물성 편차를 최소화하기 위하여 동일 공정에서 생산된 분리막 모듈을 사용하여 실험하였다.
- 5에서 운전하였다. 또한 공급수 농도 변화에 따른 성능 평가는 35, 000-60, 000 ppm의 범위에서 제조된 NaCl 수용액을 평가하였으며 농도를 제외한 나머지 평가조건들은 위의 일반 해수담수화 역삼투막의 평가조건을 따랐다. 구동 압력은 55 1엉/er", 구동 시온도 는 25℃의 일정한 온도를 유지하면서 pH 6.
- 3에 나타내었다. 모듈 각각의 permeate water에 대한 sampling port를 두어 유량과 염제거율을 각 단수별로 측정할 수 있게 구성하였다. 해수담수화용 분리막은 (주) 새한의 RE 2540- SN 모듈을 사용하였다.
- 5 wt% 미만임을 확인하였다. 모듈 상태에서의 역삼투막의 성능은 실제 해수를 취수하여 직렬 6단의 pilot를 운전하여 관측하였다. 구동 압력을 조절하여 각 단의 모듈의 투과 성능을 유량과 전기전도도로 측정하였다.
- 공급수 저장조, 정밀여과막, 고압 펌프, 역삼투 분리막 평가 cell로 구성되었으며 온도 조절을 위한 냉각기가 별도로 저장조에 순환식 코일로 연결되도록 구성하였다. 배관, 펌프, cell은 스테인레스강 316 L을 사용하여 높은 농도의 NaCl 수용액에 의한 부식을 최소화하였다. 각 cell에서의 유효 투과막 부위는 면적이 23.
- RE 2540-SN은 나권형 모듈로 이루어져 있으며 평막 평가를 위하여 모듈을 분해한 후 평막 상태로 잘라서 증류수에 24시간 침지한 후사용 하였다. 보존액의 영향을 최소화 하기 위하여 평 막 평가 장치에 장착한 후 4 kgf/cm2 미만의 저압 상태에서 초순수로 공회전 운전으로 30분간 세척한 후 사용하였다. 역삼투막의 평가 성능 인자로는 운전 온도, 운전 압력, 회수율, 공급수 농도 등이 있다.
- 나누어 조사하였다. 복합막의 성능은 평막 상태의 막의 성능을 직사각형 cell에서 측정함으로서확인하였다. 이 경우 모듈 투과에서 발생하는 여러 가지 투과성능에 영향을 주는 인자들을 배제한 상태의 역삼투막 성능을 조사할 수 있다는 장점이 있다.
- 일반적으로 적용되고 있다. 본 연구에서 막의 온도 변화에 따른 성능 평가는 10-40℃의 범위에서 실시하였다. 인공해수는 35, 000 ppm의 NaCl 수용액을 제조하여 사용하였으며 pH 6.
- Pilot 평가기 설계 조건은 해수를 최대 1 m3/hr0] 되도록 하였고 압력은 100 kgf/cnS까지 견딜 수 잇는 배관 및 밸브를 선정하였다. 실제 해수의 투과 성능조사에 사용된 pilot 해수담수화용 분리막 평가 장치는 6개의 해수 담수화용 역삼투 분리막 모듈을 직렬로 연결하여 전단의 역삼투막 투과 농축수가 후단의 역삼투막 공급수로 사용할 수 있도록 설계하였다. 역삼투 분리막 모듈의 고압 .
- 유량과 전기전도도를 나타낸다. 여기서는 일정 조건의 해수를 공급하기 위하여 D을 14.8 L/min로 유지하였으며, Qi, N는 sampling port에서 채취하여 측정하였다.
- 역삼투 분리막만의 운전 인자에 따른 투과능에 대한 조사를 NaCl 수용액으로 조제한 인공해수에 대한 투과 성능을 3절에서 확인하였다. 실제 해수의 투과에 있어서는 다양한 이온 종류, 이온 세기, 이온 활성 계수 등의 삼투압 및 활성층의 투과 상수값에영향을 주는 복잡한 기작이 예상된다.
- 회수율이 높아지면 농도가 비정상적으로 상승하여 역삼투막의 염제거 성능이 떨어지고 운전 조건이 초고압으로 구동되어야만 투과 현상이 일어난다. 이러한 고농도, 초고압의 극한 조건에 대한 역삼투막의 성능을 조사하기 위하여 평 막 평가와 모듈 평가가 실시되었다. 평막의 평가를 통하여 해수담수화용 역삼투막 자체의 고온, 고압, 고농도에서의 물성 조건을 조사하였으며 모듈의 조사를 통하여 고압, 고농도, 고회수율 해수담수화 운전이 가능한 역삼투막 모듈의 제조 시 문제점들을 조사하였다.
- 2절의 pilot 모듈 평가실험에서 확인하였다. 평가 물성은 단위시간동안 단위면적에서 생산하는 생산수의 무게를 측정하여 유량을 계산하였고 공급수와 생산수의 전기전도도를 측정하여 염제거율을 계산하였다.
- 이러한 고농도, 초고압의 극한 조건에 대한 역삼투막의 성능을 조사하기 위하여 평 막 평가와 모듈 평가가 실시되었다. 평막의 평가를 통하여 해수담수화용 역삼투막 자체의 고온, 고압, 고농도에서의 물성 조건을 조사하였으며 모듈의 조사를 통하여 고압, 고농도, 고회수율 해수담수화 운전이 가능한 역삼투막 모듈의 제조 시 문제점들을 조사하였다.
- 해수의 취수 방법은 해변에 심정을 설치하여 취수하는 방식을 택하였으며 취수된 해수는 feed pump에 의해 모래여과기를 통하여 부유물을 제거한 후 5 “m의 nominal 마이크로 필터로 전처리하였다. Table 2에 인입 원수의 일반 수질 분석 결과와 마이크로필터 처리 후의 수질 분석 결과를 정리하였다.
대상 데이터
- 조제수는 1 MQ . cm의 삼성종합기술원 실험용 초순수를 사용하였으며 NaCl은 (주) 삼전신약으로부터 구입한 1급시약을 사용하였다. 모듈 평가에 사용된 공급수는 해수를 취수하여 모래 여과 및 정밀 여과막으로 전처리한 후 사용하였다.
- 본 연구에 사용된 역삼투 분리막은 (주)새한의 RE 254CSN을 사용하였다. 이 막은 폴리에스테르 부직포, 폴리술폰의 미세 다공성 지지층 및 방향족 폴리아미드로 이루어진 복합막으로 일반 brackish water 용역 삼투 분리막에 비해 고압에서 높은 염제거율을 보이며 안정적으로 사용이 가능하다.
- 본 연구에서 막의 온도 변화에 따른 성능 평가는 10-40℃의 범위에서 실시하였다. 인공해수는 35, 000 ppm의 NaCl 수용액을 제조하여 사용하였으며 pH 6.5에서 구동압력 55 kgf/cm, 으로 운전하였다. 각 cell을 지나가는 공급 수의 유속은 2.
- 평막 평가에 사용된 공급수는 인공적으로 조제된 수용액을 사용하였다. 조제수는 1 MQ .
- 모듈 각각의 permeate water에 대한 sampling port를 두어 유량과 염제거율을 각 단수별로 측정할 수 있게 구성하였다. 해수담수화용 분리막은 (주) 새한의 RE 2540- SN 모듈을 사용하였다. 구동 압력을 55-85 kgt/cm2 으로 변화시키며 압력 변화에 따른 역삼투 분리막의 물성을 측정하였으며 이때 인입 해수의 모든 압력 조건에서 유량은 14.
- 해수담수화용 역삼투 분리막 모듈의 해수의 투과성능 조사는 경상남도 마산시 합포 해안에서 실시되었다. 해수의 취수 방법은 해변에 심정을 설치하여 취수하는 방식을 택하였으며 취수된 해수는 feed pump에 의해 모래여과기를 통하여 부유물을 제거한 후 5 “m의 nominal 마이크로 필터로 전처리하였다.
이론/모형
- 2에 나타내었다. 평 막 평가 장치는 Osmonics의 평막 평가 장치 사양을 적용하여 제작하였다. 공급수 저장조, 정밀여과막, 고압 펌프, 역삼투 분리막 평가 cell로 구성되었으며 온도 조절을 위한 냉각기가 별도로 저장조에 순환식 코일로 연결되도록 구성하였다.
성능/효과
- Fig. 4(c)의 일정 압력(55 kgf/cn?)에서 농도의 증가는 일정 농도를 넘어서면 급격한 염제거율의 감소를 보이는 반면 모듈 평가에서는 염제거율이 안정적으로 유지된다는 경향을 보이고 있다. 이는 농도증가에 의한염제거율 저하을 고압에 의한 염제거율 향상으로 상쇄가 가능함을 보여주는 결과이다.
- 이상의 결과로 기존 상용 막 모듈이 고압에서의 내구성만을 확보한다면 고 회 수율용 역삼투 운전이 가능함을 볼수 있었다. 고농도에 의한 염제거율 저하는 고압 운전 조건에 의한 역삼투막 분리능의 향상에 의해 보완되는 결과를 가져옴을 볼수 있었다. 따라서 고압 고회수율 공정에 적합한 역삼투막은 새로운 염제거율이 향상된 막이라기 보다는 고압에서 기존의 역삼투막의 염제거율을유지할 수 있는 모듈 가공 상의 보완만으로도 적용이 가능하리라 예상된다.
- 평막 상태에서의 역삼투막의 고압에 대한 내구성을 확인하였으며 압력 상승에 따른 염 제거율 향상을 확인하였다. 또한 고농도에서의 투과 특성을 확인하였으며 55 kgf/cm2 구동압력 하에서 해수 담수화가 가능한 해수의 농도는 5.5 wt% 미만임을 확인하였다. 모듈 상태에서의 역삼투막의 성능은 실제 해수를 취수하여 직렬 6단의 pilot를 운전하여 관측하였다.
- 염제거율을 나타내는 식⑶을 유량 S)과 염의 permeability constant (BQ 로 표현하면 식 (8)로 표현할 수 있다[16] 압력은 염 제거율을 결정하는 인자 収나 K와 무관하지만 압력 증가의 결과 유량 Jw가 증가하게 되고 R값은 포화 점에도 달하게 된다. 본 실험의 결과 상온에서 35, 000 ppm NaCl 용액을 공급수로 압력을 상승시킬 경우 염 제거율은 99.7% 미만에서 포화될 것으로 예측할 수 있었다. 그 외 고려할 만한 인자로 높은 압력에서 일어나는 역삼투막의 hydrodynamic resistance에 의한 유량 포화 현상이 70 kg/cn?의 압력까지 나타나지 않았으며 역삼투막의 고압에 대한 내구성이 70 kg/cnf의압력까지 유지되었음을 볼 수 있었다.
- 80, 85 kgi/crn2 4단의 모듈을 제외하면 고회수율 해수담수화 운전 조건에서 99% 이상의 염제거율을 보이고 있다. 본 역삼투 분리막 모듈 평가 실험에서의 해수담수화가 가능한 구동 조건은 구동압력 85 kgi/cm2, 시스템 회수율 49.9%, 공급수 농도 6.35 wt%까-지 가능함을 확인할 수 있었다.
- 5 wt% 이상의 농도에서도 구동 압력의 증가 시 염제거율의 향상이 예상되므로 역삼투막의 분리능이 유지될 것으로 예상된다. 본 연구에 사용된 역삼투 분리막 자체로는 고농도 고압 운전이 가능함을 확인하였다.
- 일부 모듈의 경우 고압에서는 순수한 역삼투막의 성능 이외에 가공이나 전처리에서 발생할 수 있는 손상이 발견되었다. 실제 해수의 pilot 운전투과에 있어 현재 고회수율용이 아닌 일반 해수담수화 막의 운전 한계는 구동압력 85 kgf/cm2, 시스템 회수율 49.9%, 공급수 농도 6.35 wt% 임을 확인할 수 있었다. 이상의 결과로 기존 상용 막 모듈이 고압에서의 내구성만을 확보한다면 고 회 수율용 역삼투 운전이 가능함을 볼수 있었다.
- 이는 농도증가에 의한염제거율 저하을 고압에 의한 염제거율 향상으로 상쇄가 가능함을 보여주는 결과이다. 실험에 사용한 역삼투막의 압력에 대한 내구성이 유지되는 범위에서는 고압 고회수율 공정에 적용이 가능함을 보여주는 결과이다.
- 5(c)는 각 단의 압력에 따른 유량 변화값을 보여준다. 압력의 증가는 역삼투막 단위 면적 당 투과 수량을 1.5-2배 향상시키는 결과를 얻을 수 있었다. 압력이 55 kg/cn?에서 85 kg/cn?로 54.
- 52%의 높은 염제거율을 보여주고 있다. 온도의 상승에 따른 유량의 값은 40℃ 에서 1.5배로 증가함을 보이며 10℃에서 0.5배 감소함을 볼 수 있었다. 또한 온도의 변화에 따른 염제거율의 값은 10℃에서 99.
- 35 wt% 임을 확인할 수 있었다. 이상의 결과로 기존 상용 막 모듈이 고압에서의 내구성만을 확보한다면 고 회 수율용 역삼투 운전이 가능함을 볼수 있었다. 고농도에 의한 염제거율 저하는 고압 운전 조건에 의한 역삼투막 분리능의 향상에 의해 보완되는 결과를 가져옴을 볼수 있었다.
- 4단 역삼투 복합막의 운전인자에 의한 투과 성능 변화라기보다는 85 kg/cm%] 고압에 의해 leak가 생긴 것으로 추측할 수 있다. 특이한 점은 1, 3, 5단의 모듈이 55- 85 kgi/M의 압력 범위에서, 그리고 4단 모듈이 55- 80 kgt/cm%] 압력 범위에서 보이는 염제거율이 거의 일정한 값을 가진다는 점이다. 이는 Table 3에서 볼 수 있듯이 공급수 농도가 증가함에도 불구하고 염 제거율에 영향을 받지 않는다는 것을 의미한다.
- 평막 상태에서의 역삼투막의 고압에 대한 내구성을 확인하였으며 압력 상승에 따른 염 제거율 향상을 확인하였다. 또한 고농도에서의 투과 특성을 확인하였으며 55 kgf/cm2 구동압력 하에서 해수 담수화가 가능한 해수의 농도는 5.
후속연구
- 고농도에 의한 염제거율 저하는 고압 운전 조건에 의한 역삼투막 분리능의 향상에 의해 보완되는 결과를 가져옴을 볼수 있었다. 따라서 고압 고회수율 공정에 적합한 역삼투막은 새로운 염제거율이 향상된 막이라기 보다는 고압에서 기존의 역삼투막의 염제거율을유지할 수 있는 모듈 가공 상의 보완만으로도 적용이 가능하리라 예상된다.
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