선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 또한, 지하염수에 존재하는 이온농도조성에 따른 영향을 파악한 연구는 극히 드물다. 따라서 본 연구에서는 국내도서해안지역에서 발생 가능한 중염수 조건 즉, 해수의 영향을 받는 지하수를 취수할 경우, 막오염을 발생 시킬 수 있는 무기물의 영향을 알아 보고자 하였다. 우선, 지하염수 원수의 성상을 파악하였고 비슷한 전기전도도를 가진 모델원수를 이용하여 전기투석 막여과 효율 변화를 관찰하였다.
- 1가 이온인 Na+과 2가이온인 Mg2+, Ca2+간 이온화 에너지(ionization energy) 또는 이온화 포텐셜(ionization potential) 차이 역시 양이온의 전기투석효율에 영향을 줄 수 있다. 본 연구에서는 1가이온의 NaCl용액과 비교하기 위해 2가이온인 Mg2+를 함유한 MgSO4용액을 이용하여 전기투석효율을 파악하였다. 원수 용액 농도는 1,000, 2,000, 4,000mg/L 이었으며, 각 시료의 희석수의 전기전도도가 약 50µs/cm 가 될 때까지 운전하면서 전기전도도와 전류를 측정하였다.
- 담수화에서 전류 사용량은 운전비용을 산출하기 위하여 매우 중요한 사안이며 처리시간과 전류가 증가할수록 전력소모량이 증가하여 초기 투자비용을 증가시키는 문제가 있다[최재환, 2004]. 본 연구에서는 용존물질농도에 따른 전기투석 막여과의 처리시간과 전류 사용량을 파악하고자 모델원수를 사용하여 각 농도 별로 실험을 수행하였다. 사용된 모델원수는 NaCl용액 600, 2,000, 4,000, 6,000mg/L이었으며, 운전 전압은 8, 10, 12, 14, 16, 20V이었다.
제안 방법
- 1가이온과 2가이온간의 이온전하 차이가 공정 효율에 미치는 영향을 파악하여 최적의 운전효율을 도출하고자 비슷한 전기전도도를 가진 용액이되, 양이온이 각각 Na+, Mg2+, Ca2+ 이온이되도록 하여 실험을 수행하였다. 사용한 용액은 Na2 SO4, MgSO4 , CaSO4으로 음이온은 동일하게 황산이온으로 구성하였고, 전기전도도 역시 1,263, 1,375, 그리고 1,255µs/cm로 비슷하게 유지하였다.
- 2가 이온의 변화가 전기투석 막여과에 미치는 영향을 파악하기 위한 실험에서는 전기전도도가 약 1,250μs/cm가 되도록 Na2SO4 800mg/L, MgSO4 1,000mg/L와 CaSO4 1,000mg/L 용액을 조제하여 사용 하였다.
- 다양한 농도의 표준 모델 용액을 이용하여 전압변화에 따른 처리시간과 전류효율을 비교하여 최적조건을 제시하였다. 그리고 도출된 조건에서 지하염수를 처리하여 처리수의 수질 특성을`파악하였다. 또한, 전하가 다른 이온의 전기투석 막여과 효율을 파악하였다.
- 우선, 지하염수 원수의 성상을 파악하였고 비슷한 전기전도도를 가진 모델원수를 이용하여 전기투석 막여과 효율 변화를 관찰하였다. 다양한 농도의 표준 모델 용액을 이용하여 전압변화에 따른 처리시간과 전류효율을 비교하여 최적조건을 제시하였다. 그리고 도출된 조건에서 지하염수를 처리하여 처리수의 수질 특성을`파악하였다.
- 단일모델 원수를 이용하여 막여과시 처리시간과 최대전류값 경향을 분석하고, 이온전하에 따른 영향을 파악하고, 또한 네 개 지역의 지하 염수처리에 전기투석 막여과를 적용하였을 경우의 담수화 효율 및 주요 수질 항목의 처리효율을 파악한 결과를 고찰하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 도서해안 지역 지하수를 취수한 후 전기투석 막여과를 적용하여 그에 따른 효율을 비교하였다. 실험에 사용한 취수원수의 pH, 전기전도도, TDS, TSS, DOC, 탁도 등을 분석하여 Table 6에 제시하였다.
- 그리고 도출된 조건에서 지하염수를 처리하여 처리수의 수질 특성을`파악하였다. 또한, 전하가 다른 이온의 전기투석 막여과 효율을 파악하였다.
- 전원 공급 장치(P3030, Advanteks, Bucheon, Korea)의 경우 3A로 30voltage까지 운전이 가능하다. 실험방식은 정전압 방식으로 진행되었으며, 실험에 사용한 전압은 8, 10, 12, 14, 16, 20V이었다. 담수화는 원수의 전도도가 약 50µs/cm에 도달할 때까지 진행하였다.
- 따라서 본 연구에서는 국내도서해안지역에서 발생 가능한 중염수 조건 즉, 해수의 영향을 받는 지하수를 취수할 경우, 막오염을 발생 시킬 수 있는 무기물의 영향을 알아 보고자 하였다. 우선, 지하염수 원수의 성상을 파악하였고 비슷한 전기전도도를 가진 모델원수를 이용하여 전기투석 막여과 효율 변화를 관찰하였다. 다양한 농도의 표준 모델 용액을 이용하여 전압변화에 따른 처리시간과 전류효율을 비교하여 최적조건을 제시하였다.
- 원수 용액 농도는 1,000, 2,000, 4,000mg/L 이었으며, 각 시료의 희석수의 전기전도도가 약 50µs/cm 가 될 때까지 운전하면서 전기전도도와 전류를 측정하였다.
- 원수의 담수화 효율을 파악하기 위하여 취수한 시료와 전기투석 처리수의 수질을 측정하였다. 이온농도는 Dionex(Thermo, USA) 사의 ICS-2000 Ion Chromatography(양이온 분석 컬럼: Ion PacⓇCS12a 4×250mm, 음이온 분석 컬럼:Ion PacⓇ AS 18 4×250mm)를 이용하여 분석하였고, 전기전도도와 pH는 Orion 5 Star(Thermo, USA)기기를 사용하여 분석하였다.
- 이온농도는 Dionex(Thermo, USA) 사의 ICS-2000 Ion Chromatography(양이온 분석 컬럼: Ion PacⓇCS12a 4×250mm, 음이온 분석 컬럼:Ion PacⓇ AS 18 4×250mm)를 이용하여 분석하였고, 전기전도도와 pH는 Orion 5 Star(Thermo, USA)기기를 사용하여 분석하였다.
- 제부, 숭뇌, 포승 그리고 사천 원수의 부유물질 제거를 위해 0.45µm의 GF/C(Whatmen TM, UK)여과와 정밀여과(micrfiltration)를 수행하였다.
- 용액을 선정하였다. 표준 모델원수의 농도는 NaCl 용액의 경우 600, 2,000, 4,000, 6,000mg/L를, MgSO4용액의 경우 1,000, 2,000 그리고 4,000mg/L 를 사용하였다(Table 1). 2가 이온의 변화가 전기투석 막여과에 미치는 영향을 파악하기 위한 실험에서는 전기전도도가 약 1,250μs/cm가 되도록 Na2SO4 800mg/L, MgSO4 1,000mg/L와 CaSO4 1,000mg/L 용액을 조제하여 사용 하였다.
대상 데이터
- 양이온과 음이온 멤브레인은 다섯 쌍을 이루고 있다. 각 멤브레인의 면적은 55cm2이며 총면적은 275cm2이다. 막의 특성은 Table 3에 명시하였다.
- 모델원수는 해수성분의 대부분을 차지하는 NaCl용액을 선택하였고, 무기질 스케일 형성에 영향을 주는 이온들인 Ca2+, Mg2+과 SO42-의 영향을 고찰하고자 CaSO4와 MgSO4용액을 선정하였다. 표준 모델원수의 농도는 NaCl 용액의 경우 600, 2,000, 4,000, 6,000mg/L를, MgSO4용액의 경우 1,000, 2,000 그리고 4,000mg/L 를 사용하였다(Table 1).
- 본 연구에서는 용존물질농도에 따른 전기투석 막여과의 처리시간과 전류 사용량을 파악하고자 모델원수를 사용하여 각 농도 별로 실험을 수행하였다. 사용된 모델원수는 NaCl용액 600, 2,000, 4,000, 6,000mg/L이었으며, 운전 전압은 8, 10, 12, 14, 16, 20V이었다. 전극 액으로는 4% Na2SO4 500mL을 사용하였으며 농축조에는 3차 증류수 500ml을 넣고 시작하였다.
- 사용한 용액은 Na2 SO4, MgSO4 , CaSO4으로 음이온은 동일하게 황산이온으로 구성하였고, 전기전도도 역시 1,263, 1,375, 그리고 1,255µs/cm로 비슷하게 유지하였다.
- 실제 지하수는 정부 기관인 한국농어촌공사의 “2010 해수침투조사 사업 보고서”의 자료를 이용하여 중염수 조건의 지하수를 선정하였다. 선정지역은 경기도 지역의 화성시 제부도, 인천 광역시 강화도 숭뇌, 평택시 포승 그리고 강원도 강릉시 사천 이었다. 해수의 영향은 양이온 Na+, Mg2+, Ca2+이온농도와 음이온 Cl-, SO42-, HCO3- 이온농도로 판단하는데 Cl/HCO3몰비가 1.
- 2에 나타내었다. 선택적 투과성을 갖는 이온교환막은 NEOSEPTAⓇ시리즈의 양이온 CMX 와 음이온 AMX 모델로 ASTOM사(Tokyo, Japan)에서 구입하였다. 양이온과 음이온 멤브레인은 다섯 쌍을 이루고 있다.
- 실제 지하수는 정부 기관인 한국농어촌공사의 “2010 해수침투조사 사업 보고서”의 자료를 이용하여 중염수 조건의 지하수를 선정하였다.
- 실험에서 사용된 전기투석 장치는 창조테크노(Seoul, Korea)에서 제작한 CJ-S3를 사용 하였다. 장치의 주요 구성은 저수조, 펌프, 이온 교환막 여과층, 전원 공급 장치 그리고 데이터 수집 시스템으로 구성되어 있다.
- 실험에서 사용된 전기투석 장치는 창조테크노(Seoul, Korea)에서 제작한 CJ-S3를 사용 하였다. 장치의 주요 구성은 저수조, 펌프, 이온 교환막 여과층, 전원 공급 장치 그리고 데이터 수집 시스템으로 구성되어 있다. 전기투석 장치의 구성도는 Fig.
- 전극액으로 NaCl 용액을 이용한 실험과 달리 NaNO3 4%를 사용하였고 각 저류조의 용액 초기 부피는 500mL로 동일하였다.
- 정밀여과막은 Millipore(Series 8000, USA)사에서 제조된 것으로 0.2µm 공극의 유효면적 약 32.17cm2을 가지는 PVDF (polyvinylidene fluoride)재질의 막을 사용하였으며, 2psi의 일정한 압력으로 전량여과 하였다.
이론/모형
- 이온교환막내부에서 변화가 있는 중탄산이온은 Standard Method 21st 을 참조하여 측정하였다. TOC(Total Organic Carbon) 및 DOC(Dissolved Organic Carbon)는 NPOC(Non Purgeable Organic Carbon)method를 사용하는 Shimadzu사의 분석기(TOC-VCPn Analyzer, Japan)를 이용하였다.
- 탁도는 2100N Turbidity matter (Hach, USA), TSS와 TDS는 Standard Method 21st를 참조 하여 측정 하였다. 이온교환막내부에서 변화가 있는 중탄산이온은 Standard Method 21st 을 참조하여 측정하였다. TOC(Total Organic Carbon) 및 DOC(Dissolved Organic Carbon)는 NPOC(Non Purgeable Organic Carbon)method를 사용하는 Shimadzu사의 분석기(TOC-VCPn Analyzer, Japan)를 이용하였다.
- 이온농도는 Dionex(Thermo, USA) 사의 ICS-2000 Ion Chromatography(양이온 분석 컬럼: Ion PacⓇCS12a 4×250mm, 음이온 분석 컬럼:Ion PacⓇ AS 18 4×250mm)를 이용하여 분석하였고, 전기전도도와 pH는 Orion 5 Star(Thermo, USA)기기를 사용하여 분석하였다. 탁도는 2100N Turbidity matter (Hach, USA), TSS와 TDS는 Standard Method 21st를 참조 하여 측정 하였다. 이온교환막내부에서 변화가 있는 중탄산이온은 Standard Method 21st 을 참조하여 측정하였다.
성능/효과
- 1. NaCl용액 600 ~ 6,000mg/L 농도로 전기투석 막여과를 수행하였을 때 최적의 운전 전압은 대체적으로 10 ~ 12V 이었으며, 이 조건에서 처리시간과 쿨롱 효율을 최적화할 수 있었다.
- 다시 말해 Mg2+ 이온용액의 처리시간이 Ca2+ 이온용액의 처리시간보다 훨씬 길었다. 1가이온과 2가이온의 처리경향성은 비슷하여 전압이 높아 지면 처리시간은 길어지고, 최대전류는 커지지만, 2가이온의 처리시간이 1가이온에 비해 길어서 담수화효율이 낮음을 알 수 있었다. 또한 MgSO4용액과 CaSO4용액의 처리시간에 차이가 발생하였는데 CaSO4용액의 처리시간이 상대적으로 짧았다.
- 2. 세 가지 모델원수인 Na2SO4, MgSO4, CaSO4용액은 비슷한 전기전도도 1,250µs/cm를 이용하여 전기투석 막여과를 수행한결과 최대전류값의 그래프의 경향은 비슷 하였지만 처리시간은 Mg2+, Ca2+, Na+순서로 감소하였다.
- 3. 제부와 숭뇌, 포승의 지하수는 원수 전기전도도가 2,075 ~ 5,520µs/cm이었으며 전기투석막여과로 전기전도도는 98%이상, TDS는 93% 이상의 높은 제거를 나타냈다.
- 4. 전기투석막 여과수의 수질을 분석한 결과, 질산성이온, 불소, 염소, 황산, 총용존물질 농도, 탁도 등은 먹는물 수질 기준 이하로 나타났다. 다만, pH는 4.
- 사천 지하수의 경우, 전기전도도가 467µs/cm이었으며 막여과로 약 89%의 제거효율을 나타내어 상대적으로 낮은 막여과효율을 나타내었다. DOC가 상대적으로 높았던 숭뇌의 경우는 처리시간도 길고, 최대전류값이 나타나는 지점도 지연되는 경향을 보였다.
- MgSO4용액 또한 담수화 과정에서 전압이 상승할수록 처리시간은 점차 짧아지고 최대전류는 증가하는 양상을 보였다. 용액의 농도별 최대전류 지점은 1,000, 2,000mg/L에서 12V, 그리고 4,000mg/L는 14V지점이었다.
- 세 가지 모델원수인 Na2SO4, MgSO4, CaSO4용액은 비슷한 전기전도도 1,250µs/cm를 이용하여 전기투석 막여과를 수행한결과 최대전류값의 그래프의 경향은 비슷 하였지만 처리시간은 Mg2+, Ca2+, Na+순서로 감소하였다. 같은 2가이온이지만 Mg2+이온의 처리시간이 길어서 이온화 에너지 차이가 전기투석 막여과 효율에 영향을 주는 것으로 나타났다. 그러므로 Pilot 규모의 운전시 2가이온의 조성을 파악할 필요가 있다.
- 전기투석 막여과 운전 효율의 경우에는 제부와 포승지역의 지하수는 같은 전기전도도를 가진 NaCl모델원수와 비교하였을 때 전기전도도와 최대전류의 변화 경향성이 유사하였다. 다만, 숭뇌 원수의 경우는 모델원수에 비해 최대전류에 도달하는 시간이 많이 지연되는 현상을 나타내었고, 처리시간도 상대적으로 길어서 다른 원수에 비해 효율이 떨어지는 현상을 보였다. 예를 들어, 최대 전류가 나타나는 시점은 포승과 사천은 3분과 4분이었고 제부는 6분 그리고 숭뇌에서 12분이어서 숭뇌의 경우가 특히 지연되었다.
- , 2008] 최대전류는 증가하는 양상을 보이는데, NaCl용액 또한 일반적인 경향을 나타내는 것을 확인 하였다. 대부분의 농도에서 최대전류값은 10 ~ 12V 근방에서 변곡점을 나타내었고 이 지점에서의 쿨롱효율도 최고점에 도달하는 경향을 보였다. 이는 일정한 이온농도에서 전압이 높아지면 전류량이 증가 하는데 어떤 지점이 넘어서면 이온교환막에 저항이 발생하게 되는데 이때가 최대전류지점으로 전압 상승에 따른 막여과 효율이 최대가 되는 지점이라 할 수 있다.
- 1가이온과 2가이온의 처리경향성은 비슷하여 전압이 높아 지면 처리시간은 길어지고, 최대전류는 커지지만, 2가이온의 처리시간이 1가이온에 비해 길어서 담수화효율이 낮음을 알 수 있었다. 또한 MgSO4용액과 CaSO4용액의 처리시간에 차이가 발생하였는데 CaSO4용액의 처리시간이 상대적으로 짧았다. 같은 족에서 원자 번호가 커질수록 원자 반지름이 커지고 원자핵과 최 외각 전자 사이의 인력이 약해지므로 즉 Ca2+이온(원자번호 20)의 이온화 에너지가 Mg2+이온(원자번호 12) 보다 작기 때문에 전기적인 힘에 의한 이동이 다르게 나타난 것이라고 판단된다.
- 3이상이면 해수의 영향이 있는 것으로 판단한다. 보고서에 제시된 지하염수 성분을 바탕으로 계산한 결과 제부가 29.4로 가장 높았으며 사천은 0.3으로 해수영향이 적게 나타났다. 보고서상의 자료를 바탕으로 1,500 ~ 8,000μs/cm의 지하염수를 선정하였으나 Table 2에 나타난 바와 같이 사천과 포승의 경우 취수원수의 전기전도도가 상대적으로 낮게 나타났음을 알 수 있다.
- 세 가지 모델원수 모두 앞의 결과와 같이 전압이 상승할수록 처리시간이 짧아지고, 최대전류값이 증가하는 양상을 보였다. 비슷한 전기전도도를 가진 시료이어서인지 최대전류값의 변화는 미미하여 같은 전하를 띄는 Ca2+와 Mg2+ 이온간의 차이는 적었다.
- 33이었다. 실험 종료 후 원수의 수소이온농도는 측정 결과 제부, 숭뇌, 포승 그리고 사천 지하수의 pH는 4.11, 4.15, 4.62 그리고 5.13으로 약산성을 띄어, 정부에서 규정하는 먹는 물 수질기준의 pH 범위에는 미치지 못하였으므로 pH조정이 필요할 것으로 판단된다.
- TDS와 탁도의 경우 모두 기준치 이하로 전기투석 막여과로 음용수의 수질기준을 충족시킬 것으로 판단된다. 실험에 사용된 지하염수의 수소이온농도 pH는 6.29 ~ 8.33이었다. 실험 종료 후 원수의 수소이온농도는 측정 결과 제부, 숭뇌, 포승 그리고 사천 지하수의 pH는 4.
- 용액의 농도별 최대전류 지점은 1,000, 2,000mg/L에서 12V, 그리고 4,000mg/L는 14V지점이었다. 위 결과는 1가이온 함량이 높은 원수는 10 ~ 12V가 적절한 운전지점이며, 2가 이온의 함량이 높은 경우는 좀 더 높은 12 ~ 14V이상에서 운전하는 것이 적절하다는 것을 나타낸다. 쿨롱효율은 MgSO4용액의 농도가 높아질수록 커지는 양상을 보였으며 이의 결과는 Table 5에 나타내었다.
- 운전시 전압은 12 V로 고정하여 실험하였다. 전기전도도의 경우 네가지 지하염수 평균 96% 이상을 보여주었고 TDS는 평균 93% 이상의 높은 제거율을 나타내었다. 제부와 숭뇌 원수는 전기전도도 제거효율이 99 %이상으로 높아 상대적으로 높은 전기전도도를 가진 원수를 처리하는 데 효과적임을 알 수 있었다.
- 전기전도도의 경우 네가지 지하염수 평균 96% 이상을 보여주었고 TDS는 평균 93% 이상의 높은 제거율을 나타내었다. 제부와 숭뇌 원수는 전기전도도 제거효율이 99 %이상으로 높아 상대적으로 높은 전기전도도를 가진 원수를 처리하는 데 효과적임을 알 수 있었다. 상대적으로 원수의 전기전도도가 467μs/cm로서 낮은 편이었던 사천지역 지하수의 경우는 ED제거효율이 89.
- 대부분의 이온은 높은 제거율을 나타냈다. 특히 양이온에서는 칼슘과 마그네슘과 같은 다가 이온이 높은 제거율을 보였고, 음이온에서는 일가이온인 염소이온이 다른 다가 이온에 비해 제거율이 높았다. HCO3-의 제거효율이 높지 않았던 점은 담수화를 거친 후 대기 중 CO2에 의한 영향으로 다시 높아졌기 때문이라 판단 된다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.