[논문]해수담수화 전처리로서 DAF공정에서 고온의 해수에 대한 영향 특성

박현진; 독고석

doi:10.11001/jksww.2012.26.6.807

해수담수화 전처리로서 DAF공정에서 고온의 해수에 대한 영향 특성
Temperature Effect in the process of DAF as pretreatment of SWRO 원문보기

上下水道學會誌 = Journal of Korean Society of Water and Wastewater, v.26 no.6, 2012년, pp.807 - 813

박현진 (단국대학교 토목환경공학과) , 독고석 (단국대학교 토목환경공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Flocculation and flotation are used as pretreatment steps prior to the reverse osmosis (RO) process. During seawater treatment, high temperature can change the water chemistry of seawater during the process of coagulation. It also affects bubble volume concentration (BVC) and bubble characteristics. Coagulants such as alum and ferric salts at $40^{\circ}C$ can also change flux rates in the seawater reverse osmosis (SWRO) process. In this study, the bubble characteristics in dissolved air flotation (DAF), used as a SWRO pretreatment process, were studied in synthetic seawater at $20^{\circ}C$ and $40^{\circ}C$. The flux of an RO membrane was monitored after dosing the synthetic seawater with coagulants at different temperatures. Results showed that BVC increases as the operating pressure increases and as the salt concentration decreases. The bubble size released at $40^{\circ}C$ is far smaller than that at $20^{\circ}C$The addition of a ferric salt is effective for turbidity removal in synthetic seawater at $20^{\circ}C$; it is more effective than alum. When synthetic seawater was dosed with a ferric salt, the RO membrane flux increased by 27 % at $40^{\circ}C$.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

또한, 이론적으로 온도변화는 수중의 pH를 변화시키고 전처리에서 사용하는 응집제의 용해도 변화를 가져와 RO Membrane 의 오염(fouling)을 촉진시킨다(Pernitsky and Edzwald, 2003; Edzwald, 2011). 따라서 본 연구에서는 해수담수화 전처리 공정인 용존공기부상법 (DAF)에서 온도변화가 미세기포에 미치는 특성과 응집제가 RO Membrane에 미치는 영향을 알아보는 것을 목적으로 한다.

가설 설정

발생된 기포의 농도는 수학적 모델을 통하여 계산될 수 있다. Saturator 내의 공기의 구성과 대기(atmospheric air)의 구성이 다르지만 본 실험에서는 40 ℃에서 3, 5, 7기압으로 가압된 공기는 모두 용존되었다고 가정하였다. 이것은 BVC모델링과 비교하여 실제 BVC농도는 감소할 수 있다는 것을 의미한다.

제안 방법

20 ℃, 40 ℃에서 완전히 용해된 응집제를 함유한 해수를 사용하여 RO막의 flux변화를 평가하였다. 2시간 동안 수행한 RO운전 결과를 Fig.
Alum 과 FeCl₃를 각각 함유한 해수를 사용하여 20 ℃와 40 ℃에서 응집제 종류에 따른 RO 막의 flux변화를 평가하였다. 본 실험에서 사용한 RO 공정 모식도와 RO막 제원을 Fig.
DAF saturator는 1 L 크기의 stainless steel로, 반응조는 아크릴로 제작하였다. Saturator 내부에 20 ℃와 40 ℃의 해수와 담수를 각각 채운 후 콤프레샤를 사용하여 3, 5, 7 atm으로 가압하였다. 가압 조건은 Table 2와 같으며 가압수는 압력 차에 의해 미세기포를 발생시키며 노즐을 통하여 반응조로 유입되었다.
본 Jar-test 에서는 해수의 탁도를 유발하기 위해 카올린 (Daejung Chemicals, Korea) 을 사용하였고 50 NTU 로 유지하였다. 응집제는 Al₂(SO₄)₃·18H₂O (Daejung Chemicals, Korea)와 FeCl₃ (Kanto Chemicals, Japan)를 사용하였다.
본 실험에서는 정확한 분석을 위해 실제 해수 성분과 일치하는 해수염(Sea salts, sigmaaldrich S9883)을 사용하여 TDS 35,000 ppm 을 기준으로 인공해수를 조제하였고 담수를 사용하여 인공해수와 비교 실험을 수행하였다. pH는 NaOH 와 HCℓ 0.
Alum과 FeCl₃를 완전 용해시킨 해수를 급속 교반 후 특정 온도에서 RO unit(SEPA CF II cell, GE Osmonics, USA)에 유입시켰다. 압력은 50 bar로 유지하였고 RO막의 flux실험은 2시간 동안 운전하였다. RO 막의 유효면적은 0.
응집제는 Al₂(SO₄)₃·18H₂O (Daejung Chemicals, Korea)와 FeCl₃ (Kanto Chemicals, Japan)를 사용하였다. 온도는 막대형 온도조절장치를 사용하여 온도와 매는 수상치환법과 동일하게 실시하였다.
역삼투(Reverse osmosis, RO)막을 사용하는 해수담수화 공정에서 전처리로서 응집효과를 높이기 위해 응집제가 사용된다. 인공해수와 탁도를 50 NTU 로 조제하여 20 ℃, 40 ℃ 해수에서 alum과 ferric salt 응집 효과를 비교하였다.

대상 데이터

1에 나타나 있다. DAF saturator는 1 L 크기의 stainless steel로, 반응조는 아크릴로 제작하였다. Saturator 내부에 20 ℃와 40 ℃의 해수와 담수를 각각 채운 후 콤프레샤를 사용하여 3, 5, 7 atm으로 가압하였다.
응집제는 Al2(SO4)3·18H2O (Daejung Chemicals, Korea)와 FeCl3 (Kanto Chemicals, Japan)를 사용하였다.

이론/모형

Recycle ratio 는 10 %, 압력은 3, 5, 7 atm으로 사용하였고, Henry’s law 를 적용한 모델링과 함께 제시하였다.
본 실험에서는 미세기포의 크기와 분포를 측정하기 위하여 On-line particle counter (Chemtrac Model PC2400 D, USA)를 사용하였다(Han et al., 2001). 입자계수법에 대한 모식도는 Fig.
본 실험은 Fig. 1 의 수상치환법 (Water substitution method)을 사용하여 온도에 따라서 DAF saturator로 부터 분출된 기포의 발생량을 측정하였다. 기포의 발생량은 100 mL 뷰렛을 사용하여 포집하였고 온도는 막대형 온도조절장치를 사용하여 조절하였다.

성능/효과

1) 수상치환법을 사용하여 온도와 압력변화에 따른 DAF system을 통하여 생성된 기포 발생량 측정 실험에서 온도가 20 ℃에서 40 ℃로 증가하면서 해수와 담수에서 모두 기포체적농도가 감소하였다.
2) 5 기압의 경우, 해수에서는 20 ℃에서 40 ℃로 온도가 증가하면서 기포발생량이 약 23 % 감소하였고 담수의 기포발생량은 온도가 증가하면서 19 % 감소하였다.
3) 해수담수화 전처리 공정에서 응집제 종류에 따른 효과를 측정할 결과, 온도가 증가할수록 탁도 제거를 위한 응집제 효과가 증가하였다. 20 ℃의 경우, FeCl₃의 탁도 제거율이 alum보다 2배 증가하였다.
4) 응집제를 함유한 해수의 온도에 따라서 역삼투막에 미치는 영향을 관찰한 결과, ferric salt는 고온에서 막저항이 감소한 것으로 보아 RO막 표면의 fouling을 감소 시킬 수 있을 것으로 나타났다.
9배 증가하였다. BVC모델링과 실제 실험과의 압력변화에 따른 기포체적농도의 증가추세는 거의 동일하였고 BVC모델링을 통한 기포체적농도가 실제 기포체적농도의 2.3배로 나타났다.
이와 같이 온도가 증가하면서 손실된 기포발생량은 압력을 증가시킴으로써 회복시킬 수 있다는 결과를 보여준다. 또한, 압력을 증가시키는 것이 온도를 낮추는 것보다 기포 발생량을 증가시키는데 효과적일 것으로 사료된다. 또한, Edzwald는 10 ℃의 기포체적농도가 28.
이 결과는 온도가 증가할수록 Fe(OH)₃와 Al(OH)₃의 용해도가 증가하기 때문인 것으로 사료된다. 또한, 온도가 증가하면서 가수분해효과와 금속 수산화물의 침전효과 그리고 가수분해 생성물의 분해효과도 증가하였다. 20 ℃에서 FeCl₃의 탁도 제거율이 alum보다 2배 증가하였다.
5기압의 경우, 해수에서는 20 ℃에서 40 ℃로 온도가 증가하면서 기포체적농도가 약 23 % 감소하였고 담수의 기포체적농도는 온도가 증가하면서 19 % 감소하였다. 또한, 해수의 기포체적농도는 담수보다 약 17 % 감소하였다. 20 ℃와 40 ℃의 해수와 담수 모두 5기압에서 7기압으로 증가하면서 기포체적농도는 65 % 증가하였다.
20 ℃의 경우, ferric salt를 함유한 원수의 flux는 alum을 함유한 원수의 flux 보다 18 %증가하였고 40 ℃의 경우, 27 %가 증가하였다. 막저항 분석 결과, ferric salt는 고온에서 막저항이 감소한 것으로 보아 RO막 표면의 fouling을 감소시킬 수 있을 것으로 나타났고, alum보다 염분에 대한 응집효과가 높은 것으로 사료된다.
20 ℃에서 40 ℃로 온도가 증가하면서 기포의 크기가 작아졌지만 1 ㎛ ~ 10 ㎛이상 크기의 기포는 거의 소멸된 것을 볼 수 있다. 온도가 증가하면서 표면장력이 감소하여 미세기포의 크기가 작아진 것으로 사료되며 또한, 기포의 용존률도 함께 감소한 것으로 나타났다.
이 실험은 1기압이 증가할수록 0.012 ml/ml/atm의 기포발생량이 증가하지만 온도 1 ℃ 증가할수록 0.0006 ml/ml/°C의 기포 발생량이 감소한다는 것을 보여주었다.
6는 20 ℃ 해수와 담수에서 기포크기분포를 측정하여 비교한 결과이다. 평균적으로 해수에서의 기포크기가 담수보다 약 8% 증가하였다. 담수의 경우, 1 ~ 20 ㎛ 범위에서 79 %의 분포를 이루었고 해수는 1 ~ 20 ㎛의 범위 내에서 62 %의 분포를 이루었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	용존공기부상법은 무엇으로 사용되는가?	용존공기부상법 (Dissolved Air Flotation; DAF)은 용존성 염분과 적조 등을 제거하는 데 탁월한 성능을 나타내어 최근 해수담수화의 전처리로서 사용되고 있다. 해수에서는 담수와는 다른 미세기포의 특성을 가지고 있으며 이 특성은 온도에 따라 매우 민감하게 반응한다.
	미세기포의 크기는 어떤 특성이 있는가?	해수에서는 담수와는 다른 미세기포의 특성을 가지고 있으며 이 특성은 온도에 따라 매우 민감하게 반응한다. 미세기포의 크기는 가해지는 압력에 큰 영향을 받는데, 가해지는 압력이 클수록 기포의 크기는 작아진다. 박용효 등과 Shu, Chen 등은 미세기포의 크기는 가압 탱크의 압력이 높아짐에 따라서 작아진다고 발표한 바 있다(Park, 2001; Shu et al.
	해수담수화 전처리 공정인 용존공기부상법에서 온도변화가 미세기포에 미치는 특성과 응집제가 RO Membrane에 미치는 영향을 알아본 결과는?	1) 수상치환법을 사용하여 온도와 압력변화에 따른 DAF system을 통하여 생성된 기포 발생량 측정 실험에서 온도가 20 ℃에서 40 ℃로 증가하면서 해수와 담수에서 모두 기포체적농도가 감소하였다. 2) 5 기압의 경우, 해수에서는 20 ℃에서 40℃로 온도가 증가하면서 기포발생량이 약 23 % 감소하였고 담수의 기포발생량은 온도가 증가하면서 19 % 감소하였다. 3) 해수담수화 전처리 공정에서 응집제 종류에 따른 효과를 측정할 결과, 온도가 증가할수록 탁도 제거를 위한 응집제 효과가 증가하였다. 20 ℃의 경우, FeCl3의 탁도 제거율이 alum보다 2배 증가하였다. 4) 응집제를 함유한 해수의 온도에 따라서 역삼투막에 미치는 영향을 관찰한 결과, ferric salt는 고온에서 막저항이 감소한 것으로 보아 RO막 표면의 fouling을 감소 시킬 수 있을 것으로 나타났다.

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