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문제 정의
- 본 연구에서는 관형보다 월등히 단위면적당 투과량이 많은 2종류의 다채널 알루미나 세라믹 정밀여과막으로 호소수를 처리할 경우, 분리막에서 발생하는 막 오염 현상을 최소화하기 위하여 질소 기체로 주기적 역세척을 수행하였다. 역세척 수행 시, 역세척 시간(BT) 및 막간 압력 차(TMP)를 변화시켜 얻은 실험결과를 직렬 여과 저항식을 사용하여 해석한 후, 무차원 투과유속 및 막 오염 저항, 총여과부피 측면에서 최적 운전조건을 조사하였다.
제안 방법
- 25 L의 용량을 가지는 공급탱크에 10 L의 원수를 채우고, BT를 역세척 없을 때(NBF), 10초, 20초, 40초, 50초, 60초로 변화시키면서 실험하였다. 이때 총 3시간 운전 시간에 따른 막오염에 대한 저항(Rf), 무차원화한 투과 선속(J/Jo), 투과선속(J) 및 총여과부피(Vt)의 변화 거동을 관찰하였다.
- 2종류의 다채널 세라믹 정밀여과막으로 호소수를 처리할 경우, 막오염의 문제를 해결하기 위해 역세척 시간(BT)의 영향에 따른 최적운전 조건을 알아보았다. 25 L의 용량을 가지는 공급탱크에 10 L의 원수를 채우고, BT를 역세척 없을 때(NBF), 10초, 20초, 40초, 50초, 60초로 변화시키면서 실험하였다.
- s로 각각 구할 수 있었다. 3.4 실험방법에서 언급한 바와 같이, 모든 실험 전에 10% 질산수용액으로 화학세정을 실시하여 세라믹 분리막을 회복시킨 후 순수 투과수량을 측정하여 Rm값을 확인하였다.
- 또한 이러한 실험을 통해 2종류의 분리막에서의 최적 BT 조건을 찾은 후, 호소수에 대한 TMP 영향을 알아보았다. TMP 변화 실험에서는 FT = 8분, 유량 2.0 L/min로 2종류의 분리막 모두 일정하게 유지하면서, HC04 분리막의 TMP 조건은 0.6, 1.0, 1.4, 1.8 bar 로 각각 변화시켜 실험하였다. 한편, HC10 분리막에서는 최대 TMP를 다소 증가시켜 TMP 조건을 0.
- 그 다음 모듈에서 분리막을 탈착하여, 초기투과 플럭스의 95% 이상으로 플럭스가 회복될 때까지 10% 질산수용액으로 화학세정하고 다음 실험을 진행하였다.
- 0 bar, 유량 2 L/min으로 일정하게 유지하면서 실험하였다. 또한 이러한 실험을 통해 2종류의 분리막에서의 최적 BT 조건을 찾은 후, 호소수에 대한 TMP 영향을 알아보았다. TMP 변화 실험에서는 FT = 8분, 유량 2.
- 역세척 수행 시, 역세척 시간(BT) 및 막간 압력 차(TMP)를 변화시켜 얻은 실험결과를 직렬 여과 저항식을 사용하여 해석한 후, 무차원 투과유속 및 막 오염 저항, 총여과부피 측면에서 최적 운전조건을 조사하였다. 또한 호소수에 대한 처리수의 수질을 평가하기 위하여 탁도(Turbidity), 총용존고형물(TDS), 화학적 산소요구량 (CODMn), 암모니아성 질소 (NH3-N), 총질소 (T-N), 총인(T-P)을 분석하였다.
- 막분리 공정의 경제성을 결정하는 막오염 문제를 해결하기 위해, 효과적으로 질소 역세척을 수행하면서 기공 크기가 다른 2종류의 다채널 세라믹 정밀여과막으로 호소수를 처리하였다. 질소 역세척을 수행시 질소 역세척 시간(BT)을 변화시키면서 최적 운전조건을 정하였으며, 2종류의 분리막에서 최적 BT조건을 찾은 후, 분리막 공정의 운전변수 중 하나인 막간압력차(TMP) 영향을 알아보았다.
- 분리막에 유입되는 유량은 유량계(RMB-85D, Dwyer)로 측정하고, 입구와 출구부에 각각 6 bar까지 측정할 수 있는 압력계를 설치하여 막 내에서 압력차를 측정하였다. 본 여과장치는 위쪽 지지체를 조정이 가능하게 설치하여, 막모듈의 크기가 다른 경우에도 쉽게 장착하여 실험할 수 있도록 하였다.
- )에 의해 공급탱크로부터 분리막 모듈 안으로 원수가 유입되고, 펌프 우회관을 설치하여 분리막에서의 유량과 압력을 조절할 수 있도록 하였다. 분리막에 유입되는 유량은 유량계(RMB-85D, Dwyer)로 측정하고, 입구와 출구부에 각각 6 bar까지 측정할 수 있는 압력계를 설치하여 막 내에서 압력차를 측정하였다. 본 여과장치는 위쪽 지지체를 조정이 가능하게 설치하여, 막모듈의 크기가 다른 경우에도 쉽게 장착하여 실험할 수 있도록 하였다.
- 분리막의 최적 BT조건에서 호소수에 대한 TMP 영향을 살펴보기 위하여, Vt, Rf, Jo 측면에서 분석하였다. Table 4에서 보는 바와 같이, 2종류의 분리막 모두 TMP가 증가할수록 Vt, Rf, i8o, Jo 모두 증가하는 경향을 보였다.
- 식 (3)을 이용하여 구한 Rt + Rf 값을 시간에 대하여 도시한 후, 여과초기에 시간에 대하여 그 값이 선형적으로 증가하는 구간에서 최적 직선식을 구하였다. 구한 직선 식을 연장하여 t = 0 (Rf = 0)에서의 값이 Rb가 된다.
- 수행하였다. 역세척 수행 시, 역세척 시간(BT) 및 막간 압력 차(TMP)를 변화시켜 얻은 실험결과를 직렬 여과 저항식을 사용하여 해석한 후, 무차원 투과유속 및 막 오염 저항, 총여과부피 측면에서 최적 운전조건을 조사하였다. 또한 호소수에 대한 처리수의 수질을 평가하기 위하여 탁도(Turbidity), 총용존고형물(TDS), 화학적 산소요구량 (CODMn), 암모니아성 질소 (NH3-N), 총질소 (T-N), 총인(T-P)을 분석하였다.
- 역세척 효과에 대한 실험을 위하여 투과액 배출구와 질소 투입구에 각각 솔레노이드 밸브(Solenoid val.,e : CKD, Japan)를 설치하였고, 막 투과압력에 관계없이 역세척 동안 막의 내부 압력을 일정하게 유지시키기 위하여 막의 우회관을 솔레노이드 밸브를 장착하였다. 이들 세 개의 솔레노이드 밸브는 모두 하나의 시간 제어계 (Twin timer : Omron, Japan)에 연결 부착되어 밸브의 개 .
- 이때 총 3시간 운전 시간에 따른 막오염에 대한 저항(Rf), 무차원화한 투과 선속(J/Jo), 투과선속(J) 및 총여과부피(Vt)의 변화 거동을 관찰하였다. 운전조건으로는 정상여과시간(FT)을 8 분, 막간압력차(TMP) 1.8 bar, 역세척시 질소의 압력 2.0 bar, 유량 2 L/min으로 일정하게 유지하면서 실험하였다. 또한 이러한 실험을 통해 2종류의 분리막에서의 최적 BT 조건을 찾은 후, 호소수에 대한 TMP 영향을 알아보았다.
- 25 L의 용량을 가지는 공급탱크에 10 L의 원수를 채우고, BT를 역세척 없을 때(NBF), 10초, 20초, 40초, 50초, 60초로 변화시키면서 실험하였다. 이때 총 3시간 운전 시간에 따른 막오염에 대한 저항(Rf), 무차원화한 투과 선속(J/Jo), 투과선속(J) 및 총여과부피(Vt)의 변화 거동을 관찰하였다. 운전조건으로는 정상여과시간(FT)을 8 분, 막간압력차(TMP) 1.
- 처리하였다. 질소 역세척을 수행시 질소 역세척 시간(BT)을 변화시키면서 최적 운전조건을 정하였으며, 2종류의 분리막에서 최적 BT조건을 찾은 후, 분리막 공정의 운전변수 중 하나인 막간압력차(TMP) 영향을 알아보았다.
- )와 연결하여 온도를 20℃로 일정하게 유지하였다. 펌프(Procon, Standex Co.)에 의해 공급탱크로부터 분리막 모듈 안으로 원수가 유입되고, 펌프 우회관을 설치하여 분리막에서의 유량과 압력을 조절할 수 있도록 하였다. 분리막에 유입되는 유량은 유량계(RMB-85D, Dwyer)로 측정하고, 입구와 출구부에 각각 6 bar까지 측정할 수 있는 압력계를 설치하여 막 내에서 압력차를 측정하였다.
- 8 bar 로 각각 변화시켜 실험하였다. 한편, HC10 분리막에서는 최대 TMP를 다소 증가시켜 TMP 조건을 0.6, 1.0, 1.4, 2.0 bar로 변화시키면서, 전체 운전시간에 따른 Rf, J/Jo, J, Vt의 변화를 알아보았다. 또한, 호소수에 대한 처리 수의 수질을 평가하기 위하여 탁도, 총용존고형물, 화학적 산소요구량, 암모니아성 질소, 총질소, 총인을수질오염공정시험법μ8] 및 Standard Method [19]에 의하여 분석하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서 사용한 2종류의 분리막은 국내 D사의 제품으로서 7개의 채널을 갖고 있는 다채널 세라믹 정밀여과막이다. 이러한 분리막의 특성으로는 기계적 강도가 높고, 높은 내화학성 가지고 있으며, 넓은 pH 범위를 가지고 있기 때문에 분리막 세척 시 강산 및 강알칼리에 제약을 받지 않아 장시간 사용 가능하다.
- 본 연구에서 사용한 원수로는 북한강 수계인 강원도 춘천시의 공지천수를 사용하였으며, 원수의 수질은 Table 2에 제시하였다.
이론/모형
- 0 bar로 변화시키면서, 전체 운전시간에 따른 Rf, J/Jo, J, Vt의 변화를 알아보았다. 또한, 호소수에 대한 처리 수의 수질을 평가하기 위하여 탁도, 총용존고형물, 화학적 산소요구량, 암모니아성 질소, 총질소, 총인을수질오염공정시험법μ8] 및 Standard Method [19]에 의하여 분석하였다.
- 잘 알려진 직렬 여과저항 모델(Resistance-in-series model)[15]을 사용하여, 실험 결과로부터 압력차를 추진력으로 하는 막분리 공정에서 발생하는 여과 저항과 투과 선속(J)을 계산하였다.
성능/효과
- 7은 TMP 변화가 J/J。에 미치는 영향을 운전 시간에 따라 나타낸 것이다. 2종류의 분리막 모두 T 가 낮을수록 J/J°이 높게 유지되는 반면에, 높은 TMP일수록 시간에 따른 J/L이 급격히 감소하는 경향을 볼 수 있었다. 따라서 TMP가 증가할수록 막오염이 급격하게 발생하여, 초기투과선속에 대한 상대적인 투과선속 J/J。 가 뚜렷하게 감소한 것을 알 수 있었다.
- 6은 TMP 변화가 Rf에 미치는 영향을 운전 시간에 따라 나타낸 것이다. 2종류의 분리막 모두 TMP가증가할수록 막오염에 의한 저항값이 증가됨을 볼 수 있었다.이것은 분리막 공정의 운전변수 중 하나인 TMP 를 증가시킬수록 공급수 내의 오염물질이 막 표면으로 빠르게 확산되어, 막표면에서 부착되거나 흡착되고 세공 막힘 현상으로 막이 압밀화되어 막오염에 의한 저항값이 증가된 것으로 판단된다.
- BT = 10~60초로 변화시킨 상태에서 질소 역세척을 수행한 결과, Fig. 3에서 제시한 것과 같이 HC04 분리막의 경우 BT 조건에 따라 Rf값이 크게 변화하지 않았으나, 질소 역세척을 수행하지 않은 경우보다 Rf값이 3시간 운전하는 동안 뚜렷하게 감소하였다. 이러한 결과는 질소 역세척 수행으로 운전초기에 발생하는 농도 분극 현상 및 그 후 발생된 가역적, 비가역적 막 오염에 의한 저항을 감소시킨 것으로 판단된다.
- TMP 영향을 살펴 본 결과, 2종류의 분리막 모두 TMP가 증가할수록 Vt 및 Rf.iso, Jo가 증가하는 경향을 보였다. 이러한 결과는 TMP이 높을수록 표면에 쌓인 오염물질이 높은 압력에 의해 압밀화되면서 농도분극.
- Table 4에서 보는 바와 같이, 2종류의 분리막 모두 TMP가 증가할수록 Vt, Rf, i8o, Jo 모두 증가하는 경향을 보였다. 이러한 결과는 TMP이 높을수록 표면에 쌓인 오염물질이 높은 압력에 의해 압밀화되면서 농도 분극 현상이 심화되어 Rf가 빠르게 진행되지만, 구동력의 증가로 인해 Jo 및 Vt값 역시 증가하는 것으로 판단된다.
- 5에서 보는 바와 같이, BT를 변화하였을 경우 HC04 분리막에서는 BT = 10초, HC10 분리막은 BT = 20초일 때 가장 높은 J값을 유지하였다. VT 및 막오염에 의한 최종저항값(Rwo)을 정리한 Table 3 에서 보는 바와 같이, 가장 높은 J값을 유지하는 BT 조건에서 2종류의 분리막 모두 최소 Rwo을 보였으며, 최대 Vt를 나타내어 가장 많은 처리수를 얻을 수 있었다. 이 결과로 볼 때, HC04 분리막의 최적 역세척 조건은 10초이고, HC10 분리막에서는 20초임을 알 수 있었다.
- 4는 분리막에 대하여 BT 변화가 무차원화한 투과 선속(J/Jo)에 미치는 영향을 운전시간에 따라 나타낸 것이다. 그 결과, 2종류의 분리막 모두 역세척을 수행하지 않았을 때보다 역세척 수행 시 J/Jo가 높게 유지되는 것을 볼 수 있었다. HC04 분리막의 경우 J/J。값의 변화가 BT에 따라 뚜렷한 차이를 보이고 있지 않지만, BT = 60초일 때 초기 30분 동안 J/Jo가 상대적으로 가장 높게 유지되다가 그 이후 BT = 10초일 때 J/J。가 더 큰 값을 보여주고 있다.
- 8은 TMP 변화가 J에 미치는 영향을 운전 시간에 따라 나타낸 것이다. 그 결과, 높은 TMP일수록 막 오염이 급격히 증가하지만, HC04 분리막에서는 높은 TMP 일수록 J값도 증가하는 것을 알 수 있었다. 이것은 식 (1)에서 보는 바와 같이, TMP가 증가하면 구동력의 증가로 J값 역시 증가하는 것을 알 수 있었다.
- 이러한 결과는, BT를 길게 해 주는 것이 운전초기에 농도분극 현상으로 인한 급격한 투과선속의 감소를 최소화한 것으로 볼 수 있다. 그 후 BT = 10~20초의 짧은 역세척으로도 막 표면에 오염물질이 쌓여 압밀화되기 전에 오염물질을 탈착시킴으로써, 오염물질이 표면에 쌓일 기회를 감소시켜 막오염이 상대적으로 덜 일어나 투과선속이 증가한 것으로 판단된다.
- 이 결과로 볼 때, HC04 분리막의 최적 역세척 조건은 10초이고, HC10 분리막에서는 20초임을 알 수 있었다. 따라서 본 연구에서 사용한 호소수가 낮은 탁도를 가지고 있기 때문에, 본 실험조건 중 짧은 BT에 해당되는 10초와 20초만으로 충분한 역세척 효과를 보인 것으로 판단된다.
- 이것은 분리막 공정의 운전변수 중 하나인 TMP 를 증가시킬수록 공급수 내의 오염물질이 막 표면으로 빠르게 확산되어, 막표면에서 부착되거나 흡착되고 세공 막힘 현상으로 막이 압밀화되어 막오염에 의한 저항값이 증가된 것으로 판단된다. 또한 HC04보다 기공이 큰 HC10 분리막에서의 Rre 상대적으로 급격히 증가하는 것을 볼 수 있었다. 이와 같은 결과로 볼 때, 본 실험조건에서 분리막의 기공이 큰 HC10의 경우 상대적으로 기공이 작은 HC04보다 압력의 증가가 막 오염에 크게 영향을 끼치는 것으로 알 수 있었다.
- VT 및 막오염에 의한 최종저항값(Rwo)을 정리한 Table 3 에서 보는 바와 같이, 가장 높은 J값을 유지하는 BT 조건에서 2종류의 분리막 모두 최소 Rwo을 보였으며, 최대 Vt를 나타내어 가장 많은 처리수를 얻을 수 있었다. 이 결과로 볼 때, HC04 분리막의 최적 역세척 조건은 10초이고, HC10 분리막에서는 20초임을 알 수 있었다. 따라서 본 연구에서 사용한 호소수가 낮은 탁도를 가지고 있기 때문에, 본 실험조건 중 짧은 BT에 해당되는 10초와 20초만으로 충분한 역세척 효과를 보인 것으로 판단된다.
- Table 4에서 보는 바와 같이, 2종류의 분리막 모두 TMP가 증가할수록 Vt, Rf, i8o, Jo 모두 증가하는 경향을 보였다. 이러한 결과는 TMP이 높을수록 표면에 쌓인 오염물질이 높은 압력에 의해 압밀화되면서 농도 분극 현상이 심화되어 Rf가 빠르게 진행되지만, 구동력의 증가로 인해 Jo 및 Vt값 역시 증가하는 것으로 판단된다.
- 또한 HC10 분리막 경우에는 BT = 60초일 때 초기에는 가장 낮은 Rf값을 유지하다가, 60분 이후부터 BT = 20초일 때 더 낮은 Rt값을 보여주고 있다. 이러한 결과는 막 오염이 급격하게 증가하는 초기 60분까지 긴 역세척이 효과적이지만, 그 이후에는 BT = 20초 정도의 짧은 질소 역세척으로 충분히 막오염을 억제할 수 있다는 것을 보여준 것이다.
- 또한 HC04보다 기공이 큰 HC10 분리막에서의 Rre 상대적으로 급격히 증가하는 것을 볼 수 있었다. 이와 같은 결과로 볼 때, 본 실험조건에서 분리막의 기공이 큰 HC10의 경우 상대적으로 기공이 작은 HC04보다 압력의 증가가 막 오염에 크게 영향을 끼치는 것으로 알 수 있었다.
- HC10 분리막의 경우에는 HC04 보다 뚜렷하게 BT의 영향을 확인할 수 있었다. 즉, BT = 60초일 때 초기 60분 동안 가장 높은 J/Jo값을 유지하다가, 그 이후에는 BT = 20초일 때 J/Jo가 다소 높게 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 결과는, BT를 길게 해 주는 것이 운전초기에 농도분극 현상으로 인한 급격한 투과선속의 감소를 최소화한 것으로 볼 수 있다.
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