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문제 정의
- 실시하였다. 또한 역세척 주기인 정상여과 시간 및 역세척 시간을 변화시키면서 그에 따른 영향을 살펴보고, 최적 운전조건을 도출하고자 하였다.
- 본 연구에서는 고도정수처리를 위한 세라믹 정밀여과 시스템에서 막오염을 최소화하고 투과선속 감소를 해결하고자 처리수를 이용한 물 역세척을 수행하였으며, 역세척 주기인 정상여과 시간 및 역세척 시간을 변화시키면서 그에 따른 최적의 운전조건을 규명하고자 하였다. 최적 운전조건은 투과선속(J)과 막오염에 대한 저항(Rf), 무차원적인 투과선속(J/Jo), 총여과부피 (Vt) 측면에서 살펴보았다.
- 본 연구에서는 고도정수처리를 위한 세라믹 정밀여과 시스템에서 여과 플럭스를 향상시키고 막오염 혼상을 적절히 억제하고자, 처리수를 이용하여 주기적인 역세척을 실시하였다. 또한 역세척 주기인 정상여과 시간 및 역세척 시간을 변화시키면서 그에 따른 영향을 살펴보고, 최적 운전조건을 도출하고자 하였다.
- 본 연구에서는 정수처리를 위한 세라믹 정밀여과 시스템에서 발생하는 막오염을 최소화하기 위하여 처리 수를 이용한 물 역세척을 수행하였다. 역세척의 수행 주기인 정상여과 시간(FT)과 역세척 시간(BT)을 변화시키면서, 역세척 주기 및 시간의 영향에 따른 최적 운전 조건을 알아보았다.
제안 방법
- 새로운 운전 조건에서 실험하기 전에 막을 모듈에 설치하고., 1 차 증류수로 운전하면서 투과량을 즉정하여 초기 투과부피의 ±5% 범위 이내로 회복되었는지 확인한 후 다음 실험을 진행하였다.
- 또한 공급탱크에 교반기를 설치하여 공급수가 균질한 상태를 유지할 수 있도록 하였다. 공급탱크안의 공급 수는 펌프(Procon, Standex Co., U.S.A.)에 의해 공급 탱크로부터 막 모듈 안으로 원수가 유입되고, 펌프 우회 관을 설치하여 막에서의 유량과 압력을 조절할 수 있도록 하였다. 막 모듈에 유입되는 유량은 유량계(NP-127, Tokyo Keiso, Japan)를 통하여 측정하고, 일정한 유량으로 이송되어 세라믹막 내로 공급된다.
- 그리고 막을 통한 오염물질 제거율을 알아보기 위해공급 수와 막을 통과한 처리수를 일정량 취하여 수질 분석을 실시하였다. 분석항목과 방법은 총용존고형물 (TDS)은 Conductibity meter (Model 162, ATI ORION, USA.
- 또한, 막 표면에서의 농도분극현상을 최소화시키고 막의 오염을 방지하기 위해서 십자흐름(Cross-flow) 여과방식을 채택 하였다. 그리고, 분리막 실험장치는 위쪽 지지체를 조정이 가능하게 설치하여 막 모듈의 크기가 다른 경우에도 쉽게 장착하여 실험할 수 있도록 설계 되었다. 막을 투과한 처리수는 막 모듈 상단부를 통하여 역세척 조로 이동하며, 역세척조에 일정량 이상의 처리수가 모아지면 다시 공급탱크로 순환하는 방식을 채택하여 실험 기간 동안 원수의 수질을 일정하게 유지하도록 하였다.
- 8 bai.까지 측정할 수 있는 압력계를 설치하여 막 모듈 내 압력차를 측정한다. 또한, 막 표면에서의 농도분극현상을 최소화시키고 막의 오염을 방지하기 위해서 십자흐름(Cross-flow) 여과방식을 채택 하였다.
- 이러한 결과는 TMP에 비해 낮은 역세척 압력에 의한 영향도 있을 수 있지만, 주된 이유가 짧은 역세척 시간 때문이라 사료된다. 따라서 역세척 주기의 영향 실험에서 FT가 가장 긴 120초를 대상으로, BT를 3초에서 12 초로 단계적으로 변화시키면서 BT의 증가에 따른 영향을 살펴보았다. 그 결과, Fig.
- A)와 연결하여 온도를 일정하게 유지할 수 있다. 또한 공급탱크에 교반기를 설치하여 공급수가 균질한 상태를 유지할 수 있도록 하였다. 공급탱크안의 공급 수는 펌프(Procon, Standex Co.
- 또한 역세척 주기의 영향 실험 조건 중 가장 긴 역세척 주기 120초를 대상으로, BT를 3초에서 12초로 단계적으로 변화시키면서 역세척 시간 BT의 증가에 따른 영향을 살펴보았다. 그 결과, BT가 길어질수록 충분 한역세척이 이루어져 농도분극현상 및 막오염 물질이 막 표면에 쌓이는 것을 감소시켜 확연한 역세척 효과를 나타냄을 알 수 있었다.
- 또한, 앞의 역세척 주기의 변화 실험결과를 바탕으로, 역세척 시간변화에 따른 영향을 살펴보기 위하여 FT를 120초로 일정하게 고정한 다음, BT를 3, 6, 9, 12 초로 변화시키면서 180분 동안의 운전시간에 따른 막 오염에 대한 저항(Rf) 및 무차원적인 투과선속(J/L), 투과 선속(J), 총여과부피(%)의 변화를 관찰하고, 역세척을 하지 않았을 때(NBF)의 결과와 비교 분석하였다. 또한, 막을 통과한 투과수의 부피는 전자저울(Ohaus, U.S.A.)을 사용하여 무게를 측정하여 투과량을 산정하였다. 한편, 모든 실험에서 다른 운전 변수인 막간 압력 차(TMP)는 1.
- 이때 BT를 3초로 일정히 유지시킨것은, 3초 정도의 BT에서 역세척의 영향을 충분히 나타낼 수 있을 것으로 예상하여 임의로 3초로 설정하였다. 또한, 앞의 역세척 주기의 변화 실험결과를 바탕으로, 역세척 시간변화에 따른 영향을 살펴보기 위하여 FT를 120초로 일정하게 고정한 다음, BT를 3, 6, 9, 12 초로 변화시키면서 180분 동안의 운전시간에 따른 막 오염에 대한 저항(Rf) 및 무차원적인 투과선속(J/L), 투과 선속(J), 총여과부피(%)의 변화를 관찰하고, 역세척을 하지 않았을 때(NBF)의 결과와 비교 분석하였다. 또한, 막을 통과한 투과수의 부피는 전자저울(Ohaus, U.
- 그리고, 분리막 실험장치는 위쪽 지지체를 조정이 가능하게 설치하여 막 모듈의 크기가 다른 경우에도 쉽게 장착하여 실험할 수 있도록 설계 되었다. 막을 투과한 처리수는 막 모듈 상단부를 통하여 역세척 조로 이동하며, 역세척조에 일정량 이상의 처리수가 모아지면 다시 공급탱크로 순환하는 방식을 채택하여 실험 기간 동안 원수의 수질을 일정하게 유지하도록 하였다.
- 이용한 물 역세척을 수행하였다. 먼저 역세척 수행 주기인 FT를 변화시키면서 일정한 BT에서의 막 오염 억제 효과와 투과선속의 변화를 살펴보았다. 그리고 막 분리 공정에서 발생하는 여과저항과 투과선속은 김미희 등[5]의 이론적 방법과 동일하게 직렬여과 저항식을 이용하여 계산하였다.
- 본 연구에 사용한 세라믹 정밀여과막의 오염물질의 제거율과 처리수의 수질을 알아보기 위해 공급수와 막을 통과한 처리수를 일정량 취하여 수질 분석을 실시하였으며, Table 4에 항목별 처리수의 수질과 평균 제거율을 정리하였다. Table 4에서 보는 바와 같이, 탁도는 88.
- 실시하였다. 분석항목과 방법은 총용존고형물 (TDS)은 Conductibity meter (Model 162, ATI ORION, USA.)을 사용하여 직접 측정하였고, 탁도(Turbidity) 또한 Turbidimeter (Model 2100N, HACH, U.S.A.)를사용하여 직접 측정하였다. 그리고 화학적 산소요구량 (CODmo) 및 암모니아성 질소(NH3-N), 총 질소(T-N), 총 인(T-P)은 수질오염공정시험법[23] 및 Standard Method [24]에 의하여 분석을 실시하였다.
- 역세척의 수행 주기인 정상여과 시간(FT)과 역세척 시간(BT)을 변화시키면서, 역세척 주기 및 시간의 영향에 따른 최적 운전 조건을 알아보았다. 실험은 공급탱크에 10 L의 원수를 채우고 역세척 주기에 의한 영향을 살펴보기 위하여 BT를 3초로 일정하게 설정하고, FT를 30, 60, 90, 120 초로 변화 시켰다. 이때 BT를 3초로 일정히 유지시킨것은, 3초 정도의 BT에서 역세척의 영향을 충분히 나타낼 수 있을 것으로 예상하여 임의로 3초로 설정하였다.
- 역세척 효과에 대한 실험을 위하여 투과액 배출구와 역세척 조의 처리수 배출구 그리고 질소 투입구 및 역세척 수의 모듈 내 투입구에 각각 솔레노이드 밸브(Solenoid val.,e : CKD, Japan)를 설치하였고, 막 투과압력에 관계없이 역세척 동안 막의 내부 압력을 일정하게 유지시키기 위하여 막 모듈의 우회관에 솔레노이드 밸브를 장착하였다. 이들 다섯 개의 솔레노이드 밸브는 모두 하나의 시간 제어 계(Twin timer : Omron, Japan)에 연결 부착되어 밸브의 개 .
- 이용한 물 역세척을 수행하였다. 역세척의 수행 주기인 정상여과 시간(FT)과 역세척 시간(BT)을 변화시키면서, 역세척 주기 및 시간의 영향에 따른 최적 운전 조건을 알아보았다. 실험은 공급탱크에 10 L의 원수를 채우고 역세척 주기에 의한 영향을 살펴보기 위하여 BT를 3초로 일정하게 설정하고, FT를 30, 60, 90, 120 초로 변화 시켰다.
- 최적 운전조건은 투과선속(J)과 막오염에 대한 저항(Rf), 무차원적인 투과선속(J/Jo), 총여과부피 (Vt) 측면에서 살펴보았다.
- )을 사용하여 무게를 측정하여 투과량을 산정하였다. 한편, 모든 실험에서 다른 운전 변수인 막간 압력 차(TMP)는 1.52 bar, 유입유량은 0.5 L/min, 온도는 20℃, 물 역세척 압력은 0.98 bar로 일정하게 유지시켰으며, 이것은 본 연구실의 이전의 연구결과[22]와 비교하기 위하여 위와 같이 다른 운전 변수를 같게 하여 실험을 수행하였다.
대상 데이터
- 1 |im, 외경은 8 mm, 내경은 6 mm, 길이는 252 mm, 두께 1 mm이다. 또한, 실험에 사용한 원수는 강원도 춘천시에 위치한 북한강수계 상류지역인 의암호의한 지류로서 공지천수를 대상 원수로 하였고, 2006년 9월 26일과 2007년 5월 3일에 같은 지점에서 각각 채수하여 4℃에 보관하여 사용하였으며, 본 연구에 사용된 원수의 수질을 Table 1에 정리하였다. Table 1에 나타낸 것과 같이 채 수시 기가 다른 각각의 원수는 서로 비슷한 수질을 나타내는 것을 알 수 있었으나, 다만 2007년 5월 3일에 채수한 원수의 경우 총용존고형물(TDS)이 88~101 mg/L의 범위로 더 높은 값을 보였다.
- 본 연구에 사용한 세 라믹 막은 a -alumina 지지체 위에a-alumina로 코팅한 관형 정밀여과막(NCMT-7231) 으로 (주)나노기공소재에서 구입하였으며, 유효 막 면적은 47.5 cm2, 평균기공크기는 0.1 |im, 외경은 8 mm, 내경은 6 mm, 길이는 252 mm, 두께 1 mm이다. 또한, 실험에 사용한 원수는 강원도 춘천시에 위치한 북한강수계 상류지역인 의암호의한 지류로서 공지천수를 대상 원수로 하였고, 2006년 9월 26일과 2007년 5월 3일에 같은 지점에서 각각 채수하여 4℃에 보관하여 사용하였으며, 본 연구에 사용된 원수의 수질을 Table 1에 정리하였다.
이론/모형
- 먼저 역세척 수행 주기인 FT를 변화시키면서 일정한 BT에서의 막 오염 억제 효과와 투과선속의 변화를 살펴보았다. 그리고 막 분리 공정에서 발생하는 여과저항과 투과선속은 김미희 등[5]의 이론적 방법과 동일하게 직렬여과 저항식을 이용하여 계산하였다. Fig.
- )를사용하여 직접 측정하였다. 그리고 화학적 산소요구량 (CODmo) 및 암모니아성 질소(NH3-N), 총 질소(T-N), 총 인(T-P)은 수질오염공정시험법[23] 및 Standard Method [24]에 의하여 분석을 실시하였다.
- 까지 측정할 수 있는 압력계를 설치하여 막 모듈 내 압력차를 측정한다. 또한, 막 표면에서의 농도분극현상을 최소화시키고 막의 오염을 방지하기 위해서 십자흐름(Cross-flow) 여과방식을 채택 하였다. 그리고, 분리막 실험장치는 위쪽 지지체를 조정이 가능하게 설치하여 막 모듈의 크기가 다른 경우에도 쉽게 장착하여 실험할 수 있도록 설계 되었다.
성능/효과
- 2에서는 운전시간에 따른 각각의 조건에서 Rf의 변화를 나타내었다. Fig. 2에서 보는 바와 같이 NBF와 비교하여 볼 때 주기적으로 역세척을 수행한 경우에서 Rf가 감소함을 알 수 있었으며, 180분 운전 후 NBF에 비해 FT 30, 60, 90, 120초에서 각각 51.0, 45.2, 45.0, 3L8%의 막오염 저감 효과를 나타내었다. 하지만, FT에 따른 막오염의 감소 경향이 그게 나타나지는 않았다.
- 3에서는 운전시간에 따른 막의 투과선속(Permeate flux, J)의 변화를 나타내었다. Fig. 3에서 알 수 있듯이 FT = 30초일 때 가장 높은 J를 나타내었지만, 180분 운전 후의 결과를 NBF와 비교하였을 때 소폭만이 증가하였을 뿐이며 다른 조건들과도 큰 차이가 없었다. 이것 역시 앞에서 언급한 이유에 기인한 것으로 판단되며, Fig.
- 나타내었다. Table 2에서 보는 바와 같이 낮은 역세척 압력과 짧은 역세척 시간(3초)이긴 하지만 역세척 주기가 짧을수록 역세척이 빈번하여 막오염의 억제가 조금이나마 유리하였으며, FT = 30초일 때 180 min 운전 후에 가장 낮은 RfM)와 가장 높은 J180 및 J180/L을 나타내어 가장 많은 Vt인 3.80 L를 얻을 수 있었다. 한편 FT 60초와 90초의 경우에서는 Rmo과 J180 및 JiWL 에서 서로 비슷한 값을 나타내어 Vt가 각각 3.
- 063 X IO-9 kg/m2 . s로 최소였고 J 및 J/L가 가장 높게 유지되어 가장 많은 Vt인 4.07 L를 얻을 수 있었다. 또한 정상여과 시간에 대한 역세척 시간의 비율(BT/FT)이 0.
- 732 X io" kg/m2 . s으로 최소였고 J 및 J/Jo가 가장 높게 유지되어 가장 많은 Vt인 3.80 L를얻을 수 있었다.
- 결과적으로, FT의 변화 조건과 BT의 변화 조건에서 각각 가장 낮은 Rf, i8와 가장 높은 J180 및 J180/Jo, Vt를 나타낸 FT = 30초, BT = 3초와 FT = 120초, BT = 12 초 조건은 정상여과 시간에 대한 역세척 시간의 비율 (BT7FT)이 0.1 로 동일한 것을 알 수 있다. 이 두 조건을 비교하여 볼 때, 역세척 시간이 더 긴 FT = 120초, BT = 12초에서 충분한 역세척 시간이 확보되어 막 오염의 억제에 더 효과적임을 알 수 있었으며, 더 높은 J와 Vt를 얻을 수 있었다.
- 살펴보았다. 그 결과, BT가 길어질수록 충분 한역세척이 이루어져 농도분극현상 및 막오염 물질이 막 표면에 쌓이는 것을 감소시켜 확연한 역세척 효과를 나타냄을 알 수 있었다. 따라서 180분 운전 후 BT가 12 초일 때 Rf,180이 2.
- 따라서 역세척 주기의 영향 실험에서 FT가 가장 긴 120초를 대상으로, BT를 3초에서 12 초로 단계적으로 변화시키면서 BT의 증가에 따른 영향을 살펴보았다. 그 결과, Fig. 5에서 보는 바와 같이 BT가 길어질수록 확연한 역세척 효과를 나타냄을 알 수 있었고, 180분 운전 후 BT가 3, 6, 9, 12초로 길어질수록 NBF에 비해 각각 22.6, 51.7, 64.1, 74.7%의 Rf의 저감 효과를 나타내었다. 여기서 BT가 3초에서 6초로길 어진 조건에서 Rf의 저감 효과가 29.
- 5%로 거의 제거되지 않았다. 그리고 화학적 산소요구량은 42.7-43.0%, 암모니아성 질소는 30.3 ~59.1%, 총 질소는 15.2~17.3%, 총 인은 57.7~61.0% 의 제거율을 보였다. 이러한 결과는 정밀여과막의 기공 크기보다 큰 원수 중의 부유성 유기물이나 미생물, 일부 콜로이드 물질 등이 체거름의 원리로 분리막에 의해 선택적으로 배제된 결과로 사료된다.
- 이것은 BT가 길어질수록 막 오염의 저감에 더 효과적임을 나타낸다. 따라서 BT 가 12초일 때 가장 높은 J를 보였으며, 180분 운전 후 NBF의 62.65 L/n? . s에 비해 약 3.
- 7의 운전 시간에 따른 J/Jo의 변화에서도 비슷한 결과가 나타내어 BT가 증가할수록 J/Jo의 감소가 더욱 둔화되는 경향을 보인다. 따라서 Table 3에서 나타내었듯이 FT를 120초로 일정하게 유지하면서 BT를 변화시킨 결과, BT = 12초에서 가장 낮은 Rf,180와 가장 높은 J180 및 JiWL을 나타내어 가장 많은 Vt값 4.07 L를 얻을 수 있었다.
- 이 두 조건을 비교하여 볼 때, 역세척 시간이 더 긴 FT = 120초, BT = 12초에서 충분한 역세척 시간이 확보되어 막 오염의 억제에 더 효과적임을 알 수 있었으며, 더 높은 J와 Vt를 얻을 수 있었다. 따라서 본 실험 범위에서 FT = 120초, BT = 12초가 최적 운전 조건임을 알 수 있었다.
- 732 X 10-9 kg/m2 - s보다 더 낮았다. 따라서 이러한 결과는 일정한 FT = 120초에서 BT = 12초일 때, 역세척 시간이 길어짐에 따라 충분한 역세척이 이루어져 농도분극현상 및 막오염물질이 막표면에 쌓이는 것을 감소시켜 막오염이 서서히 진행된 것으로 보인다.
- 07 L를 얻을 수 있었다. 또한 정상여과 시간에 대한 역세척 시간의 비율(BT/FT)이 0.1 로 동일한 FT = 30초, BT = 3초와 FT = 120초, BT = 12초 조건의 결과를 Vt와 Rf5i8o, J180, J1WJo의 측면에서 비교하여 볼 때, 본 실험 범위에서 FT = 120초, BT = 12초가 최적 운전조건임을 알 수 있었다.
- 7%의 Rf의 저감 효과를 나타내었다. 여기서 BT가 3초에서 6초로길 어진 조건에서 Rf의 저감 효과가 29.1% 증가하였는데, 이것은 BT가 3초인 경우에 비해 6초인 경우에 서역세척의 충분한 시간이 주어진 결과로 보여지며 BT가 증가할수록 그 효과가 커짐을 알 수 있었다. Table 3에 역세척 시간의 변화에 따른 Vt와 Jo, 그리고 180분 운전 후의 Rf.
- 역세척 주기에 따른 막오염의 억제 효과와 투과 선속의 변화를 살펴본 결과, 역세척의 영향이 NBF에 비해 어느 정도는 나타났지만 FT에 따른 효과는 적었다. 이러한 결과는 TMP에 비해 낮은 역세척 압력에 의한 영향도 있을 수 있지만, 주된 이유가 짧은 역세척 시간 때문이라 사료된다.
- 1 로 동일한 것을 알 수 있다. 이 두 조건을 비교하여 볼 때, 역세척 시간이 더 긴 FT = 120초, BT = 12초에서 충분한 역세척 시간이 확보되어 막 오염의 억제에 더 효과적임을 알 수 있었으며, 더 높은 J와 Vt를 얻을 수 있었다. 따라서 본 실험 범위에서 FT = 120초, BT = 12초가 최적 운전 조건임을 알 수 있었다.
- 처리수를 이용하여 주기적인 3초의 역세척을 수행하면서 역세척 주기 FT의 영향을 살펴 본 결과, NBF에비해 주기적으로 역세척을 수행하였을 때 Rf가 감소하고, J 및 J/Jo가 증가하는 것을 알 수 있었다. 그러나 FT 에 따른 영향이 크게 나타나지는 않았는데, 그 이유는 너무 짧은 역세척 시간으로 인하여 역세척이 충분히 이루어지지 않았던 것으로 판단된다.
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