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문제 정의
- 본 연구에서는 (주)세라컴에서 개발한 국산 세라믹 막의 성능평가 및 운영기술 개발을 위하여, Fig. 1과 같은 1 m3/d 규모의 pilot-scale 실험장치를 제작하였다. 실험장치는 원수 → 전오존 → 혼화 → 세라믹 막여과로 구성하였으며, 대전광역시 송촌정수장에서 2009년 9월부터 약 3개월 동안 대청댐 원수를 처리하였다.
- 본 연구에서는 정수용 국산 세라믹 막의 성능평가를 위해 용량 1 m3/d 규모의 막여과 공정을 운전하였으며, 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 이상과 같은 배경에서, 본 연구에서는 (주)세라컴에서 개발한 공경 0.1 µm, 막여과 유속(flux) 3.0 m3/m2 · d의 국산 세라믹 막을 이용하여 음용수를 생산하는 기술에 대해 조사하였다.
제안 방법
- 역세주기 및 역세방법에 따른 회수율 및 차압상승률을 비교하여 최적의 운전기법을 도출하고자, 막여과 유속 3.0 m3/ m2 · d에서 일정 시간(1~4시간) 여과한 후 역세하는 방식으로 운전하였다.
- 역세는 물리세정(backwash, BW)과 유지세정 (chemical enhanced backwash, CEB)으로 구성되며, 먼저 원수를 사용하여 rinse를 실시한 다음 여과수를 사용하여 역세를 수행하였다. CEB는 NaOCl (200 mg/L)와 H2SO4 (4,000 mg/L)를 교대로 사용하여 1회/일 실시하였고, 약액을 막모듈 내에 5분간 침지시키는 것을 제외하면 일반 물리세정방법과 동일하게 진행하였다. 역세는 역세수를 이용하여 막 표면의 케익층을 분리한 후, 공기를 이용하여 분리된 케익을 짧은 시간에 외부로 배출하였다.
- 365 m2/모듈로서, 재질은 Al2O3이었다. 막여과는 일정유량의 공급수를 전량 여과(dead-end)하는 방식으로 운전하였으며, 펌프와 인버터의 연동을 통하여 25℃ 보정 flux를 기준으로 정유량 제어하였다.
- 실험에 사용한 세라믹 막의 성능을 평가하기 위하여 탁도, DOC (dissolved organic carbon), UV254 흡광도, 그리고 입자수 등을 측정하였다. 탁도는 Turbidimeter (Hach 2100N)로 측정하였고, DOC와 UV254 흡광도는 시료를 먼저 GF/C 여지와 0.
- 0 m3/ m2 · d에서 일정 시간(1~4시간) 여과한 후 역세하는 방식으로 운전하였다. 역세는 물리세정(backwash, BW)과 유지세정 (chemical enhanced backwash, CEB)으로 구성되며, 먼저 원수를 사용하여 rinse를 실시한 다음 여과수를 사용하여 역세를 수행하였다. CEB는 NaOCl (200 mg/L)와 H2SO4 (4,000 mg/L)를 교대로 사용하여 1회/일 실시하였고, 약액을 막모듈 내에 5분간 침지시키는 것을 제외하면 일반 물리세정방법과 동일하게 진행하였다.
- CEB는 NaOCl (200 mg/L)와 H2SO4 (4,000 mg/L)를 교대로 사용하여 1회/일 실시하였고, 약액을 막모듈 내에 5분간 침지시키는 것을 제외하면 일반 물리세정방법과 동일하게 진행하였다. 역세는 역세수를 이용하여 막 표면의 케익층을 분리한 후, 공기를 이용하여 분리된 케익을 짧은 시간에 외부로 배출하였다. 처리수조의 용량은 400 L이었다.
- 전오존 접촉조(직경 210 mm, 높이 1,200 mm)는 상향류식산기관 방식으로 Wedeco사의 오존발생기(GSO-10)를 사용하였다. 원료가스로 산소(PSA)를 사용하여 오존의 흡수율을 높였으며, 오존 접촉조는 주입되는 오존의 관찰이 용이하도록 투시창을 설치하였다. 적정 오존주입량 산출을 위해 오존주입농도 범위를 0~3.
- 0%)을 사용하였다. 응집제는 송촌정수장의 jar-test 결과에 준하여 투입하였으며, 세라믹 막 실험장치에 투입되는 응집제의 양이 작아 정확한 유량의 제어를 위하여 10배 희석하여 투입하였다.
- 0 m3/m2 · d의 국산 세라믹 막을 이용하여 음용수를 생산하는 기술에 대해 조사하였다. 이를 위하여 1 m3 /d 규모의 pilot-scale 실험장치를 제작하여 세라믹 막의 성능을 평가하였으며, 역세주기에 따른 차압변화와 전오존 주입농도와 접촉시간이 차압변화에 미치는 영향을 조사하였다.
- 45 µm cellulose membrane (Millipore HA type)으로 여과한 후, 각각 TOC 분석기(VCPH, SHIMADZU)와 UV/Vis Spectrophotometer (Perkin Elmer)로 측정하였다. 입자수와 입경분포는 HCB-LD-50/50 AC 센서가 장착된 입경 분석기(PAMAS사 SBSS-S)를 이용하여 분석하였다.
- 원료가스로 산소(PSA)를 사용하여 오존의 흡수율을 높였으며, 오존 접촉조는 주입되는 오존의 관찰이 용이하도록 투시창을 설치하였다. 적정 오존주입량 산출을 위해 오존주입농도 범위를 0~3.0 mg/L로 조정이 가능하도록 구성하였으 며, 접촉조 측벽에 수심별로 유출 포트를 설치하여 5~20 min 내외의 체류시간이 유지되도록 하였다. 전오존 저류조의 용량은 400 L이었다.
- 전오존을 주입할 때 역세주기에 따른 차압변화를 조사하고자 동일한 운전 Flux에서 전오존을 1 mg/L 주입하고 5 min간 접촉시켰다. 이때 역세주기(1~4시간)에 따른 차압 변화를 Fig.
- 7은 전오존 접촉시간이 차압변화에 미치는 영향을 조사한 결과이다. 즉, 역세주기 1시간에서 전오존 주입농도를 1 mg/L으로 고정하고, 전오존 접촉시간을 5~15 min으로 변경하면서 차압변화를 측정하였다. 그림에서 보는 바와 같이, 차압상승률은 접촉시간에 상관없이 0.
- 탁도는 Turbidimeter (Hach 2100N)로 측정하였고, DOC와 UV254 흡광도는 시료를 먼저 GF/C 여지와 0.45 µm cellulose membrane (Millipore HA type)으로 여과한 후, 각각 TOC 분석기(VCPH, SHIMADZU)와 UV/Vis Spectrophotometer (Perkin Elmer)로 측정하였다.
- 002이었다. 한편, 막여과수의 소독부산물 생성능을 확인하기 위하여 대전광역시 수도기술연구소의 도움을 받아 원수와 세라믹 막여과수의 THMFP (trihalomethane formation potential)와 HAAFP (haloacetic acid formation potential)를 측정하였다. 2009년 12월에 총 2회 측정한 결과에 의하면, 원수의 THMFP는 평균 0.
대상 데이터
- 1 µm)을 이용하였다. Table 1에 요약된 바와 같이, 세라믹 막의 외경은 40 mm, 길이 1,020 mm, 채널수 19개, 채널경 6 mm, 막면적 0.365 m2/모듈로서, 재질은 Al2O3이었다. 막여과는 일정유량의 공급수를 전량 여과(dead-end)하는 방식으로 운전하였으며, 펌프와 인버터의 연동을 통하여 25℃ 보정 flux를 기준으로 정유량 제어하였다.
- 본 연구에 사용된 세라믹 막은 멀티채널형 MF (micro-filtration)급 여과막(Pore Size : 0.1 µm)을 이용하였다.
- 실험장치는 원수 → 전오존 → 혼화 → 세라믹 막여과로 구성하였으며, 대전광역시 송촌정수장에서 2009년 9월부터 약 3개월 동안 대청댐 원수를 처리하였다.
- 전오존 접촉조(직경 210 mm, 높이 1,200 mm)는 상향류식산기관 방식으로 Wedeco사의 오존발생기(GSO-10)를 사용하였다. 원료가스로 산소(PSA)를 사용하여 오존의 흡수율을 높였으며, 오존 접촉조는 주입되는 오존의 관찰이 용이하도록 투시창을 설치하였다.
- 혼화공정은 in-line mixing 방식((주)히텍코리아)이었으며, 응집제는 송촌정수장에서 사용하고 있는 PACl (poly aluminium chloride) 3종(Al2O3 함량 16.8%, 염기도 41.0%)을 사용하였다. 응집제는 송촌정수장의 jar-test 결과에 준하여 투입하였으며, 세라믹 막 실험장치에 투입되는 응집제의 양이 작아 정확한 유량의 제어를 위하여 10배 희석하여 투입하였다.
성능/효과
- 1) 멀티채널형 MF급 세라믹 여과막(Pore Size : 0.1 µm)으로 대청호 원수를 취수하는 송촌정수장 원수를 처리한 결과, 원수의 탁도가 평균 3.6 NTU일 때 막여과수의 탁도는 0.07 NTU로 매우 양호한 결과를 보였다.
- 2) 세라믹 막을 플럭스 3.0 m3 /m2·d로 운전하면서 역세주기를 1시간에서 4시간으로 증가하면 차압상승률은 0.25 psi/d에서 0.75 psi/d로 증가하였다.
- 3) 전오존은 차압상승률은 낮추는데 효과가 있었다. 동일한 운전조건에서 1 mg/L의 전오존을 주입하고 5 min간 접촉하였을 때, 역세주기 1시간에서 차압상승률은 약 30% 감소하였다.
- 4) 전오존 접촉시간을 5~15 min으로 변경하면서 운전한 결과, 접촉시간에 따른 차압상승률에는 차이가 없었다. 그러나, 차압상승률은 오존 주입농도가 증가하면 감소하는 경향을 보였다.
- 053 mg/L으로 측정되었다. HAAFP는 원수에서 평균 0.029 mg/L로 검출되었고 막여과수에서는 평균 0.014 mg/L로 측정되었다.
- 측정 결과를 수온 25℃에서의 차압변화로 보정하였으며,10) Table 3에 역세주기에 따른 차압상승률과 회수율을 정리하였다. 역세주기를 1시간에서 4시간로 증가시킬 때 차압상승률이 0.25 psi/d에서 0.75 psi/d로 증가하였으며, 회수율도 96.0%에서 98.7%로 증가하였다. 세라믹 막여과 공정의 최대 운전압력 을 1.
- 2는 연구기간 동안 원수와 막여과수의 탁도를 분석한 결과이다. 원수의 탁도는 3.6 NTU이었으며, 막여과수의 탁도는 0.07 NTU로 매우 양호한 결과를 보였다.
후속연구
- 6) 세라믹 막은 수처리 뿐만 아니라 화학, 섬유, 식품 등 다양한 분야에서 응용되고 있으며, 향후 세라믹 막을 이용한 분리기술은 지속적으로 성장할 것으로 예상된다.
- 이와 같이 막분리 공정의 응용범위와 시장규모가 증가함에 따라 다양한 막의 개발 및 응용에 대한 연구가 진행되고 있고, 최근에는 내산성 및 내알카리성이 우수한 세라믹(ceramic) 막에 대한 관심이 증대되고 있다. 세라믹 막은 기존의 유기막으로는 기대할 수 없었던 내구성과 내화학성을 가지고 있어, 향후 분리막 분야에서 상당한 비중을 차지할 것으로 기대된다.2~5)
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