정삼투식 담수화 기술은 차세대 담수 방법으로 주목을 받고 있으나, 상용화를 위해서는 유도용액 처리공정에서의 에너지 효율 향상을 필요로 한다. 중탄산암모늄을 유도용질로 이용하는 정삼투식 담수화 시스템은 정삼투 막모듈, 유도용액 분리공정, 유도용액 회수공정으로 이루어진다. 담수 생산을 위한 유도용액 분리공정에서 발생하는 암모니아와 이산화탄소의 혼합기체는 연속운전 및 경제성 향상을 위하여 회수되어 중탄산암모늄 용액으로 재농축되어야 한다. 이러한 유도용액 회수공정의 흡수액으로 희석된 중탄산암모늄 용액을 이용하는 방법이 있다. 본 연구에서는 용액의 농도에 따른 흡수성능 및 특성을 관찰하기 위한 실험을 수행하였고, 정삼투식 담수 공정에서 중탄산암모늄 용액을 분리된 암모니아와 이산화탄소 재농축에 이용할 수 있음을 확인하였다. 본 연구의 결과는 파일럿급 정삼투식 담수 공정의 설계 및 운전에 활용될 예정이다.
정삼투식 담수화 기술은 차세대 담수 방법으로 주목을 받고 있으나, 상용화를 위해서는 유도용액 처리공정에서의 에너지 효율 향상을 필요로 한다. 중탄산암모늄을 유도용질로 이용하는 정삼투식 담수화 시스템은 정삼투 막모듈, 유도용액 분리공정, 유도용액 회수공정으로 이루어진다. 담수 생산을 위한 유도용액 분리공정에서 발생하는 암모니아와 이산화탄소의 혼합기체는 연속운전 및 경제성 향상을 위하여 회수되어 중탄산암모늄 용액으로 재농축되어야 한다. 이러한 유도용액 회수공정의 흡수액으로 희석된 중탄산암모늄 용액을 이용하는 방법이 있다. 본 연구에서는 용액의 농도에 따른 흡수성능 및 특성을 관찰하기 위한 실험을 수행하였고, 정삼투식 담수 공정에서 중탄산암모늄 용액을 분리된 암모니아와 이산화탄소 재농축에 이용할 수 있음을 확인하였다. 본 연구의 결과는 파일럿급 정삼투식 담수 공정의 설계 및 운전에 활용될 예정이다.
Although forward osmosis desalination technology has drawn substantial attention as a next-generation desalination method, the energy efficiency of its draw solution treatment process should be improved for its commercialization. When ammonium bicarbonate is used as the draw solute, the system consi...
Although forward osmosis desalination technology has drawn substantial attention as a next-generation desalination method, the energy efficiency of its draw solution treatment process should be improved for its commercialization. When ammonium bicarbonate is used as the draw solute, the system consists of forward-osmosis membrane modules, draw solution separation and recovery processes. Mixed gases of ammonia and carbon dioxide generated during the draws solution separation, need to be recovered to re-concentrate ammonium bicarbonate solution, for continuous operation as well as for the economic feasibility. The diluted ammonium bicarbonate solution has been proposed as the absorbent for the draw solution regeneration. In this study, experiments are conducted to investigate performance and features of the absorption corresponding to absorbent concentration. It is concluded that ammonium bicarbonate solution can be used to recover the generated ammonia and carbon dioxide. The results will be applied to design and operation of pilot-scale forward-osmosis desalination system.
Although forward osmosis desalination technology has drawn substantial attention as a next-generation desalination method, the energy efficiency of its draw solution treatment process should be improved for its commercialization. When ammonium bicarbonate is used as the draw solute, the system consists of forward-osmosis membrane modules, draw solution separation and recovery processes. Mixed gases of ammonia and carbon dioxide generated during the draws solution separation, need to be recovered to re-concentrate ammonium bicarbonate solution, for continuous operation as well as for the economic feasibility. The diluted ammonium bicarbonate solution has been proposed as the absorbent for the draw solution regeneration. In this study, experiments are conducted to investigate performance and features of the absorption corresponding to absorbent concentration. It is concluded that ammonium bicarbonate solution can be used to recover the generated ammonia and carbon dioxide. The results will be applied to design and operation of pilot-scale forward-osmosis desalination system.
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문제 정의
본 연구에서는 유도용액으로 사용되는 중탄산암모늄 및 암모니아수에서 분해된 암모니아와 이산화탄소 기체의 반응 및 용해 특성을 알아보고, 이를 중탄산암모늄의 회수를 위한 파일럿 공정 설계에 반영하고자 하였다.
정삼투 담수시스템의 분리공정에서 생성되는 암모니아와 이산화탄소 혼합기체의 반응 및 특성을 알아보기 위하여 실험실 규모 실험을 수행하였다. 물, 중탄산암모늄, 중탄산암모늄과 암모니아수의 혼합용액 각각에 혼합기체를 주입하며 흡수량 및 속도를 측정하는 실험을 수행하였다.
제안 방법
흡수반응기에는 기체 유량에 따라 2 L 또는 3 L의 흡수액을 넣고 항온조를 통과한 물을 이용하여 일정한 온도로 유지되도록 하였다. 기체가 주입되는 동안 흡수반응기의 용액에서 샘플을 채취하여 농도의 변화를 관찰하였다. 용액에 따라 측정농도 범위가 넓어 샘플 용액은 1:4로 물에 희석하여 농도를 측정하였고, 추후 보정하였다.
4~5에서 볼 수 있듯이 용액의 선정에 따라 큰 차이가 없었다. 기체의 유량이 적은 경우, 절대적인 흡수량이 적어 용액에 따른 차이의 분별이 어려울 수 있으므로, 5 L/min을 2 L 흡수액에 주입하는 실험을 추가로 수행하였다. 예상대로 5 L/min의 기체를 주입하였을 때에는 Fig.
이러한 실험장치 및 방법은 고농도 암모니아수를 이용한 이산화탄소의 흡수량 측정 실험과 유사하나[10] 흡수시키고자 하는 기체종이 암모니아 및 이산화탄소의 2 종이며, 두 기체가 비슷한 부피비율로 공존함에 따라 암모늄 염이 훨씬 더 잘 생성될 수 있다는 차이가 있다. 기체의 흡수량은 전도도계를 이용하여 용액의 농도로 측정하였다.
정삼투 담수시스템의 분리공정에서 생성되는 암모니아와 이산화탄소 혼합기체의 반응 및 특성을 알아보기 위하여 실험실 규모 실험을 수행하였다. 물, 중탄산암모늄, 중탄산암모늄과 암모니아수의 혼합용액 각각에 혼합기체를 주입하며 흡수량 및 속도를 측정하는 실험을 수행하였다. 이러한 실험장치 및 방법은 고농도 암모니아수를 이용한 이산화탄소의 흡수량 측정 실험과 유사하나[10] 흡수시키고자 하는 기체종이 암모니아 및 이산화탄소의 2 종이며, 두 기체가 비슷한 부피비율로 공존함에 따라 암모늄 염이 훨씬 더 잘 생성될 수 있다는 차이가 있다.
기체가 주입되는 동안 흡수반응기의 용액에서 샘플을 채취하여 농도의 변화를 관찰하였다. 용액에 따라 측정농도 범위가 넓어 샘플 용액은 1:4로 물에 희석하여 농도를 측정하였고, 추후 보정하였다. 온도에 따라 측정되는 농도의 값에 차이가 있으므로 측정온도는 23~25 ℃ 범위 내에서 유지되도록 하였다.
이와 같이 유도용질의 흡수를 위하여 선정 가능한 용액들의 성능을 평가하여 이를 흡수액 선정에 반영하였다. 그러나 연속공정의 설계를 위해서는 흡수되지 않고 배출되어 손실되는 암모니아와 이산화탄소 기체를 궁극적으로 없애거나 최소화하여야 한다.
중탄산암모늄을 유도용액으로 이용하는 정삼투식 담수 공정에서, 중탄산암모늄이 분해되어 생성되는 암모니아와 이산화탄소가 물, 중탄산암모늄 용액, 중탄산암모늄과 암모니아수의 혼합용액에 각각 흡수되는 정도를 실험적으로 측정한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
최대 흡수가능 농도를 알아보기 위하여 중탄산암모늄 3 M 용액 3 L에 암모니아와 이산화탄소 기체를 각각 5 L/min씩 주입하는 흡수 실험을 수행하였다. 1,000 rpm의 교반기를 이용하여 3 M의 용액 2 L를 만드는 데 1시간 정도 시간이 소요되었다.
흡수반응기에는 기체 유량에 따라 2 L 또는 3 L의 흡수액을 넣고 항온조를 통과한 물을 이용하여 일정한 온도로 유지되도록 하였다. 기체가 주입되는 동안 흡수반응기의 용액에서 샘플을 채취하여 농도의 변화를 관찰하였다.
성능/효과
(1) 정삼투식 담수 공정에서 유도용액으로 사용되는 중탄산암모늄 용액을 분리된 암모니아와 이산화탄소의 재농축에 이용할 수 있으며, 농도에 따라 상온에서 물에 비해 50~70%의 흡수성능을 보인다.
(2) 용액의 시작 농도에 관계없이 일정 시간 이후에는 비슷한 농도 값으로 수렴하였으며, 이후의 농도에서는 고체 암모늄염의 생성이 진행되기 시작한다.
(3) 중탄산암모늄과 암모니아수의 혼합용액은 초기에 중탄산암모늄 용액보다 흡수성능이 좋으나 시간이 지날수록 이산화탄소가 농도가 포화되면서 중탄산암모늄 용액과 비슷한 성능을 보인다.
8은 최대 흡수성능을 가지는 물에 비해 후보 용액들이 농도에 따라 50~70%의 흡수 성능을 가지는 것을 보여주고 있다. 1.5 M 용액을 사용하였을 때 70%, 2 M 용액에서 60%, 3 M 용액에서 50% 정도의 성능을 보인다.
후속연구
흡수액으로는 물을 사용하는 것이 가장 흡수효과가 좋으나, 전체 시스템이 담수생산을 위한 것으므로, 생산되는 물을 다시 사용하는 것은 바람직하지 않다. 물 대신 시스템에 존재하는 다른 용액을 이용할 수 있으며, 이에 대한 타당성 검토를 위하여 흡수성능 및 특성에 대한 확인이 필요하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
역삼투식 담수공정에 비해 정삼투식담수공정이 가진 장점은?
정삼투식담수공정에서는, 원수보다삼투압이 높은용액을 유도용액으로 사용하여 삼투압차에 의해 원수로부터 유도용액으로담수가 자연히 확산되도록 한다. 따라서 역삼투식 담수공정에 비해 삼투막에서 담수의 확산에 소요되는 에너지가 훨씬 적다. 그러나 유도용액으로부터 물을생산하는 분리공정이 추가적으로 필요하며, 유도용액의 회수 및 재사용을 위한 공정도 필요하다.
정삼투식 담수 공정의 장점은?
차세대 해수 담수화 및 폐수 처리 기술로서 정삼투식 담수공정이 주목을 받고 있다. 정삼투식 담수 공정은, 삼투압에 반하는 압력이 필요한 역삼투식 담수공정과는 달리 고압의 힘을 가하기 위한 전기 에너지가 소요되지 않는 장점이 있다. 또한, 역삼투 공정은 유입수의 수질이 나쁘면 가해지는 압력에 의해 이물질이 막의 여과기능을 저하하기 쉬운 단점이 있는 반면, 정삼투 공정은 이물질에 비교적 강하고 막 성능이저하된후에 세척이 용이한장점이있어서 수질이 나쁜 해수 및 폐수에의 활용이 기대되고 있다[1].
역삼투 공정의 단점은?
정삼투식 담수 공정은, 삼투압에 반하는 압력이 필요한 역삼투식 담수공정과는 달리 고압의 힘을 가하기 위한 전기 에너지가 소요되지 않는 장점이 있다. 또한, 역삼투 공정은 유입수의 수질이 나쁘면 가해지는 압력에 의해 이물질이 막의 여과기능을 저하하기 쉬운 단점이 있는 반면, 정삼투 공정은 이물질에 비교적 강하고 막 성능이저하된후에 세척이 용이한장점이있어서 수질이 나쁜 해수 및 폐수에의 활용이 기대되고 있다[1].
참고문헌 (11)
Shannon, M. A., Bohn, P. W., Elimelech, M., Georgiadis, J. G., Marinas, B. J. and Mayes, A. M., "Science and Technology for Water Purification in the Coming Decades," Science, 452, 301-310 (2008).
Tribus, M. and Pezier, J. P., "Concerning the Economic Value of Experimentation in the Design of Desalting Plants," Desalination, 8, 311-349(1970).
Dhaliwal, B. S., Snyder, J. P. and Baker, R. A., "Distillation of Ammonia from Water and Wastewater," J. WPCF, 57, 10361039 (1985).
McGinnis, R., "Osmotic Desalination Process," WO02-060825 A2 (2002).
McCutcheon, J. R., McGinnis, R. L. and Elimelech, M., "A novel Ammonia-carbon Dioxide Forward (direct) Osmosis Desalination Process," Desalination, 174, 1-11(2005).
Kim, T., Kim, Y., Yun, C., Jang, H., Kim, W. and Park, S., "Systematic Approach for Draw Solute Selection and Optimal System Design for Forward Osmosis Desalination," Desalination, 284, 253-260 (2012).
Lee, S. J., Kim, T. J., Choi, Y. E. and Koo, J. W., "Forward Osmotic Desalination Device Using Membrane Distillation Method," WO2011-136572 A2(2011).
Kirts, R. E., "Method and Apparatus for Producing Potable Water from Seawater Using Forward Osmosis," US 2009/0308727 A1 (2009).
Darde, V., van Well, W. J. M., Stenby, E. H. and Thomsen, K., "Modeling of Carbon Dioxide Absorption by Aquous Ammonia Solution Using the Extended UNIQUAC Model," Ind. Eng. Chem. Res., 49, 12663-12674(2010).
Resnik, K. P., Yeh, J. T. and Pennline, H. W., "Aqua Ammonia Process for Simultaneous Removal of $CO_2,SO_2$ , and $NO_x$ ", Int. J. Environ. Tech. and Manag, 4, 1/2(2004).
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