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문제 정의
- 본 연구에서 막여과 공정 진단 기법을 개발한 가장 큰 이유 중 하나는 막오염 등 막여과 정수 플랜트 운전 시 발생하는 문제점에 대한 조기 진단을 통해 플랜트의 운영비용을 최소화시키는 것이다. 막여과 공정 진단 기법을 활용하여 문제점을 조기에 발견하여 대응한다면, 비가 역적 막오염을 최소화시키고, 운전 에너지 비용이 절감되며, 궁극적으로 막 수명을 연장시키는 등 큰 효과를 얻을 것으로 기대된다.
- 본 연구에서는 이러한 문제점을 해결하기 위해, 기존의 사후 판단 형 막여과 공정 진단이 아닌, 실시간 문제 상황 판별이 가능한 막여과 공정 진단 기법을 개발하였다. 구체적으로 언급하자면, 문헌 연구를 통해 정유량 파울링 모델을 구축하고, 이를 현장 데이터와 연계하여 이상적인 막여과 운전 데이터를 모사할 수 있는 시뮬레이션 기법을 도출하여, 막여과 공정 진단에 적용, 검증하였다.
- 본 연구에서는 정유량 막여과 파울링 모델을 이용하여, 막여과 공정 진단에 활용하는 기법을 개발하였다. 이는 운전 초기 데이터 및 모델링 수식을 이용하여 플랜트 현장의 파울링 메카니즘을 반영한 기준 차압 데이터를 생성하고, 이를 실제 보정차압 데이터와 비교하여 막여과 정수 플랜트에서 발생할 수 있는 문제 상황을 조기에 판단할 수 있는 기법이다.
- 현재 국내 기술로는 현장에서의 막여과 공정 진단은 사후 판단에 그치고 있어, 돌발적인 문제의 실시간 진단 및 해결은 거의 불가능하다. 한계 차압에 도달하는 기간을 비교하여 막 수명이 노화되고 있다는 사실을 알아낸다거나, 화학세정(CIP; Clean in Place) 효율이 예전 대비 낮아졌다는 사실로부터 막 공극 내부의 비가역적 파울링의 증가를 알아내는 것이 이러한 사후 판단의 사례가 될 수 있다.
가설 설정
- 또한, 막간차압 상승 속도는 플럭스가 높을수록 증가한다. 따라서, 비례상수 k는 식 3과 같이 플럭스에 비례한다고 가정하였다.
- 식 4a에서 RIF가 0보다 크면 i+1번째 사이클의 초기 막저항이 i번째 사이클의 초기 막저항보다 크므로, 역세척 후에 오염물질이 막에 남아 있음을 의미한다. 또한, 오염이 많이 된 막일수록 역세척 효율이 나쁘다는 현상을 반영하기 위해, RIF는 오염 비율(즉, 막오염 저항과 순수 막저항의 비; 식 4b 참조)에 비례하도록 가정하였다.
- 역세의 경우는 역세를 통해 막오염이 일부 제거되는 것으로 가정하여 식 4와 같이 역세척 후의 막 저항값을 결정하였다.
- 이 경우는 본 연구에서 제안한 막여과 공정 진단 기법이 제대로 작동한 경우이다. 즉, 진단 기법에 의해 문제 상황이 발견된 초기(Fig. 5 참조)에 이를 해결하기 위한 조치를 적절히 취했다면, Phase III의 운전 기간이 Phase I, II와 마찬가지로 더 길어질 것으로 가정해 볼 수 있다.
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