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문제 정의
- 본 연구는 해수(해양심층수 원수 또는 농축수) 담수화 과정 중 황산이온과 염소이온은 제거하고 유용미네랄인 마그네슘, 칼슘은 잔존 시키는 미네랄 수질 조정 기술로 기존 담수화방법(증발법, 역삼투법(RO) 등)의 문제점을 극복하는 방법으로, 해수(해양심층수) 담수화 과정에서의 전기투석(ED), 나노여과(NF)와 역삼투(RO) 시스템의 복합적인 방법을 사용하여 선택적인 미네랄을 조정하고, 전기 투석막(ED)과 나노여과막(NF) 막을 사용하여 특정 물질을 제거 또는 농축하여, 해수 담수화 과정 중 최적 수질조정을 통하여 다양한 해양심층수 처리수 제조를 위한 공정 연계 시스템 특성을 파악하고 평가하는 것을 목적으로 하고 있다.
- 본 연구는 해수(해양심층수 원수 또는 농축수) 담수화 과정 중 황산이온과 염화나트륨은 제거하고 유용미네랄인 마그네슘, 칼슘은 잔존 시키는 미네랄 수질 조정 기술로 기존 담수화방법(증발법, 역삼투법(RO) 등)의 문제점을 극복하는 방법으로, 더욱 상세하게는 해 수(해양심층수) 담수화 과정에서의 전기투석법, 나노여과법(NF)과 RO시스템의 복합적인 방법을 사용하여 선택적인 미네랄을 조정하는 단계, 전기투석막(ED)과 나노여과막(NF)을 사용하여 특정 물질을 제거 하는 단계, 해수 담수화 과정 중 최적의 수질조정을 위한 공정 연계 시스템 개발에 관한 것이다.
제안 방법
- 0 m3/d이다. 2차 역삼투(RO)시스템 공정은 압력 20 kgf/cm2로 1차 역삼투막의 생산수를 공급수로 공급하여 재차 Toray사의 역삼투막 SU810 3단을 통과시켜 초순수에 가까운 2차 생산수(탈염수)을 생산하였다. 이때의 누적 회수율은 60% 이었다 (Table 2).
- 전기투석막(ED: Electrodialysis membrane) 시스템은 batch식 장치로서 전기투석조, 염분농축조, 경도성분농축조 및 전극 액조로 구성되어 있다. ED시스템 공정은 0.1N NaNO3의 전해액을 사용하여, Conductivity 20 mS/cm 조건을 사용하여 염분 농축조와 경도농축조에 해양심층수 원수를 넣고 시험을 진행하였다. 20분 동안 ED 시스템을 가동하여 전도도 20 mS/cm로 도달하였을 때 경도 농축조에 생산된 미네랄농축수의 수질은 총 용존물질(TDS) 농도가 5,810 mg/L, 경도가 5,100 mg/L, 염소이온 농도가 3,687 mg/L 이었다(Table 7).
- ED시스템공정은 Electrolyte(0.1N NaNO3), Conductivity(20 mS/cm) 조건을 사용하여 염분 농축조와 경도농축조에 각각 서로 다른 해양 심층수 처리수를 넣고 테스트를 진행하였다. 그리고 전기투석(ED) 원수를 성분 분석하여 비교 데이터로 활용하였다.
- 2와 같다. NF-RO 수질조정 해수담수화 시스템은 3 m3/일 생산 규모의 나노 및 역삼투압방식 해수담수화 시스템을 설치하여 해양 심층수 처리수 제조를 위한 미네랄 수질조정수를 제조 하였다. NFRO 해수담수화 시스템은 공급펌프 2기, 전처리필터 4기, 고압펌프 1기, 나노여과모듈 3기, 역삼투막모듈 3기와 미네랄 수질 조정 수 탱크 4기 등으로 구성 되어 있다.
- NF/ED 연계공정에서전기투석전에경도농축조에 3차 NF농축수를 넣고 염분농축조에는 해양심층수 원수를 넣고 전기투석을 진행하였다. 경도농축조에서 생성된 미네랄농축수의 수질은 총 용존물질 (TDS)의 농도가 8,230 mg/L, 경도가 12,417 mg/L 이고 염소이온 농도가 3,191 mg/L으로 원수에 비하여 경도성분은 2배 농축된 반면에 염소이온은 원수에 비하여 5.
- 나트륨과 같은 일가이온은 통과시키지만, 마그네슘과 칼슘과 같은 경도성분을 여과해내는 나노여과막을 이용하여 NF 농축수에 마그네슘과 칼슘을 농축시키는 시키는 과정을 반복적으로 수행하였다. 구체적인 공정은 Toray사의 NF 필터 SU-610을 사용하고, 압력 20 kgf/cm2으로 해양심층수 원수를 필터하여 1차로 NF 생산수와 NF 농축수를 분리하고, 2차로 NF 농축수를 공급수로 사용하여 다시 NF 막을 통과시켜 2차 NF 농축수를 생산하였다. 이와 같은 공정을 3차에 걸쳐 수행하여 3차 NF농축수를 제조하였으며, 이때의 원수로부터 3차 NF 농축수의 회수율은 18.
- 1N NaNO3), Conductivity(20 mS/cm) 조건을 사용하여 염분 농축조와 경도농축조에 각각 서로 다른 해양 심층수 처리수를 넣고 테스트를 진행하였다. 그리고 전기투석(ED) 원수를 성분 분석하여 비교 데이터로 활용하였다.
- 해수 또는 해양심층수를 원수로 사용하여 경도/Cl- 비를 높이는 공정은 다음과 같다. 나트륨과 같은 일가이온은 통과시키지만, 마그네슘과 칼슘과 같은 경도성분을 여과해내는 나노여과막을 이용하여 NF 농축수에 마그네슘과 칼슘을 농축시키는 시키는 과정을 반복적으로 수행하였다. 구체적인 공정은 Toray사의 NF 필터 SU-610을 사용하고, 압력 20 kgf/cm2으로 해양심층수 원수를 필터하여 1차로 NF 생산수와 NF 농축수를 분리하고, 2차로 NF 농축수를 공급수로 사용하여 다시 NF 막을 통과시켜 2차 NF 농축수를 생산하였다.
- 담수화 막 종류별로 일가이온과 이가이온의 분리 정도를 판단할수 있는 인자로 경도/Cl- 비를 결정하였다. 이가이온(마그네슘, 칼슘) 을 대표하는 경도(Hardness) 성분과 해수(해양심층수) 성분 중 일가 원소의 대표인 염소의 비율인 경도/Cl- 비는 그 값이 클수록 일가이 온과 이가이온의 분리가 많이 된 것을 나타낸다.
- 담수화 막 종류별로 일가이온과 이가이온의 분리 정도를 판단할수 있는 인자로 경도/TDS 비도 실험하여 분석하였다. 담수화 막 종류별 농축수에서 경도/TDS비 결과를 살펴보면, 원수 < RO < NF 1차 < NF 2차 < ED 순으로 경도/TDS 비가 높아지는 것을 알수 있었다.
- 마그네슘과 칼슘 등 경도성분이 농축된 3차 NF 농축수를 전기투석막을 이용하여 경도성분은 잔존시키면서 나트륨과 염소 등과 같은 일가이온을 제거하였다. 즉, 전기투석막을 이용할 경우 원수의 전기전도도 40 mS/cm에서 20 mS/cm으로 감소할 때까지는 경도농축조(처리수)에서 나트륨과 염소이온과 같은 일가이온은 지속적으로 제거되지만, 마그네슘과 칼슘과 같은 경도성분은 잔존하게 된다.
- 5 m3/d인 사양을 가진 막이다. 본 연구에서는 압력 20 kgf/cm2의 조건으로 해양심층수를 3단 NF막을 사용하여 1차 처리하여 1차 미네랄 농축수와 생산수(미네랄탈염수)를 분리하였으며, 생산된 미네랄농축수를 재차 3단 NF막을 통과시켜 2차 미네랄농축수와 미네랄탈염수를 얻었다. 2회에 걸쳐 NF 3막을 해양심층수를 처리하였을 때 회수율이 증가하는 결과를 얻을 수 있었다.
- 이 둘의 문제점을 해결하고 생산수율을 높이기 위하여 나노필터막(NF) - 역삼투막(RO) - 전기투석막(ED) 공정을 복합적으로 결합하여, 1차로 역삼투막(RO) 공정을 통해 고순도의 생산수와 7% 이상 염분농도를 가진 농축수를 제조하고, 2차로 나노필터막(NF)을 통하여 염소이온과 황산이온(SO42-)이 제거된 생산수와 칼슘과 마그네슘이나트륨에 비하여 상대적으로 많이 농축된 1차 미네랄농축수를 얻고, 3차로 전기투석막(ED) 공정을 통해 나트륨과 염소이온(Cl- )가 제거되고 칼슘과 마그네슘 등이 농축된 미네랄농축수를 제조하였다. 황산이온(SO42-)이 얼마나 적은가 여부와 염분제거, 그리고 칼륨, 칼슘, 마그네슘의 함량 균형 여부에 따라 제조된 물의 품질이 달려 있다.
- 전기투석장치에서 전기전도도 값의 설정은 일가이온(나트륨, 칼륨)과 이가이온(마그네슘, 칼슘)의 분리가 일어나는 전기전도도를 설정 값으로 정하였다(Fig. 5) 전기전도도 40 mS/cm인 해양심층수 원수를 경도농축조와 염분농축조에 넣고 전해액을 사용하는 전기투석막을 이용하여 탈염과정을 거치면 Fig. 5와 같이 전기전도도에 따른 경도농축조(처리수)와 염분농축조(농축수)에서의 1가 이온인 나트륨과 2가 이온인 마그네슘의 농도 변화가 발생한다. 염분농축조 (Fig.
- 해양심층수 처리수의 수질분석은 Table 1에 나타냈다. 총 용존물질(TDS), 전도도(Conductivity), 염분도(Salinity)와 수소이온농도 (pH)는 METTLER TOLEDO사의 휴대용 분석기기 Seven Multi meter로 측정하였다. 경도(Hardness)는 Standard method에 의거하여 EDTA 적정법으로 측정하였다(Lenore S.
- 해수(해양심층수)의 담수화 과정에서 널리 쓰이는 역삼투법(RO)의 문제점을 극복할 수 있는 공정연계 시스템으로, 추가적으로 처리 공정을 도입하지 않고, 해양심층수 처리수를 효율적으로 생산하는 것이 가능하였다.
- 해양심층수 원수를 사용하여 3단 모듈 역삼투막(RO막: Toray SU810)으로 1회 처리한 생산수(탈염수)와 농축수의 수질과, 3단 모듈 나노필터막(NF막: Toray SU-610)으로 2회 처리한 생산수(미네랄탈염수)와 미네랄농축수의 수질(총용존물질(TDS), 경도(Hardness), 염소농도)은 각각 Table 5, Table 6에 나타냈다.
대상 데이터
- 나노여과(NF)시스템 공정에서는 Toray사의 NF 막인 SU610 멤브레인 막을 3단으로 사용하였다. 실험에 사용한 NF막은 압력 20 kgf/cm2과 NaCl 500 mg/l 농도의 공급수 조건에서 평균 염 제거율이 55%, 투과 수량은 4.
- 시험에 사용한 해양심층수 원수의 수질은 총 용존물질농도 34,250 mg/L, 경도 6,400 mg/L, 염소이온 농도(Cl- ) 18,789 mg/L 이었으며, 경도/TDS 비는 0.187, 경도/Cl- 비는 0.341 그리고 TDS/Cl비는 1.823으로 측정 되었다(Table 5). 위와 같은 결과는 해양심층수 중 염분농도가 34‰으로 총 용존물질(TDS) 농도와 유사하였으며, 해양심층수 원수 중 측정된 마그네슘 이온의 농도(1,248 mg/L)와 칼슘이온 농도(402 mg/L)로부터 탄산칼슘으로 환산한 경도값을 다음식에 의하여 계산하였다(Lenore et al.
- 나노여과(NF)시스템 공정에서는 Toray사의 NF 막인 SU610 멤브레인 막을 3단으로 사용하였다. 실험에 사용한 NF막은 압력 20 kgf/cm2과 NaCl 500 mg/l 농도의 공급수 조건에서 평균 염 제거율이 55%, 투과 수량은 4.5 m3/d인 사양을 가진 막이다. 본 연구에서는 압력 20 kgf/cm2의 조건으로 해양심층수를 3단 NF막을 사용하여 1차 처리하여 1차 미네랄 농축수와 생산수(미네랄탈염수)를 분리하였으며, 생산된 미네랄농축수를 재차 3단 NF막을 통과시켜 2차 미네랄농축수와 미네랄탈염수를 얻었다.
- 이 장치는 일본 아스톰사의 Micro Acilyzer O2를 사용하였다. 전기투석 시스템은 경도성분 농축 조에 해양심층수 원수, 농축수 또는 미네랄농축수을 넣고, 염분농축조에는 RO 생산수(탈염수) 또는 해양심층수 원수를 넣어 ED 시스템 공정의 시험 대상으로 하였다.
이론/모형
- 총 용존물질(TDS), 전도도(Conductivity), 염분도(Salinity)와 수소이온농도 (pH)는 METTLER TOLEDO사의 휴대용 분석기기 Seven Multi meter로 측정하였다. 경도(Hardness)는 Standard method에 의거하여 EDTA 적정법으로 측정하였다(Lenore S. C, Arnold E. G, Andrew D.E, 1998). 나트륨, 마그네슘, 칼슘과 칼륨과 같은 양이온은 Thermoscientific사의 양이온 칼럼 IonPac CS12A을 이용한 이온크로마토그래프로 분석하였으며, 염소이온과황산이온과 같은 음이온은 Thermoscientific사의 음이온 칼럼 IonPac AS14을 이용한 이온크로 마토그래프 분석법으로 분석하였다.
- E, 1998). 나트륨, 마그네슘, 칼슘과 칼륨과 같은 양이온은 Thermoscientific사의 양이온 칼럼 IonPac CS12A을 이용한 이온크로마토그래프로 분석하였으며, 염소이온과황산이온과 같은 음이온은 Thermoscientific사의 음이온 칼럼 IonPac AS14을 이용한 이온크로 마토그래프 분석법으로 분석하였다.
성능/효과
- 756으로 측정되었다. 1차 NF 농축수에 비해 2차 NF 농축수에서 총 용존물질 농도(TDS)와 염소이온 농도가 각각 62%와 67% 증가한 반면, 경도농도는 2차에서 212% 증가하였다. 2차 NF 농축수의 경도/TDS 비와 경도/Cl 비는 1차 NF 농축수에서의 경도/TDS 비, 경도/Cl 비에 비하여 각각 200%와 171%로 증가한 반면, TDS/Cl 비는 해양심층수 원수와 1차 NF 농축수에서의 TDS/Cl 비와 유사하였다.
- 2차역삼투막을 통과한생산수의수질은 총용존물질(TDS) 농도가3 mg/L, 경도가 1 mg/L, 염소이온 농도가 2 mg/L 으로 순수에 가까운 수질을 보였다(Table 5).
- 본 연구에서는 압력 20 kgf/cm2의 조건으로 해양심층수를 3단 NF막을 사용하여 1차 처리하여 1차 미네랄 농축수와 생산수(미네랄탈염수)를 분리하였으며, 생산된 미네랄농축수를 재차 3단 NF막을 통과시켜 2차 미네랄농축수와 미네랄탈염수를 얻었다. 2회에 걸쳐 NF 3막을 해양심층수를 처리하였을 때 회수율이 증가하는 결과를 얻을 수 있었다.
- 염분농축조 (Fig. 5, 농축수(녹색세모))에서 일가이온인 나트륨 농도는 전기투석이 진행되면서 전기전도도가 35 mS/cm에서 20 mS/cm까지 감소함에 따라 급격하게 증가하다가 20 mS/cm 이하에서는 일정하였다. 전기투석장치의 탈염이 진행되면서 전기전도도가 감소함에 따라 경도 농축조(Fig.
- 한편, 이가이온인 마그네슘 농도는 염분농축조(Fig. 5, 농축수(녹색세모))에서 전기투석이 진행되면서 전기전도도가 35 mS/cm에서 20 mS/cm까지 감소함에 따라 일정한 농도를 유지하다가, 20 mS/ cm 이하에서 약간 증가하였다. 전기투석장치의 탈염이 진행되면서 전기전도도가 감소되고 경도농축조(Fig.
- 전기투석장치의 탈염이 진행되면서 전기전도도가 감소함에 따라 경도 농축조(Fig. 5, 처리수(빨간 네모))에서 나트륨의 농도는 지속적으로 감소하였다. 해양심층수(전기전도도 40 mS/cm)에서 나트륨의 농도는 약 11,000 mg/L 이지만, 탈염과정이 진행되어 전기전도도가 감소하면서, 염분농축조의 농축수(Fig.
- 전기투석장치의 탈염이 진행되면서 전기전도도가 감소되고 경도농축조(Fig. 5, 처리수(빨간 네모))에서 마그네슘의 농도는 20 mS/cm 이하에서 급격히 감소하였다. 해양심층수(전기전도도 40mS/cm)에서 마그네슘의 농도는 약 1,500 mg/L 이지만, 탈염과정이 진행되어 전기전도도가 20 mS/cm로 감소하면서, 염분농축조의 농축수(Fig.
- 한편, RO막, 나노여과막, 전기투석막을 연동하는 공정으로 마그네슘과 칼슘과 같은 경도성분을 증가시키고 나트륨과 염소이온과 같은 일가이온(염분성분)을 제거 분리하여 경도/Cl 비를 높였다. NF/ ED와 RO/NF/ED 연계공정에서 생산한 경도농축수의 경도/Cl 비는 각각 3.891와 5.151으로 NF막 또는 ED 막 등을 단독으로 사용하여 생산한 해양심층수 농축수에서의 경도/Cl 비에 비하여 3배에서 5배 높게 나타났다.
- 이러한 고경도 수를 역삼투막을 이용하여 용존물질이 모두 제거된 2차 RO 생산수로 10배 희석하면 염소이온 농도 244 mg/L 로 먹는물 수질기준에 적합하면서 경도농도 1,200 mg/L 인 고경도 수 제조도 가능하였다. RO/NF/ED 또는 NF/ED 연계공정은 해수의 증발 없이 역삼투막, 나노여과 막과 전기투석 막만을 이용하여 염소이온과 나트륨, 칼륨, 황산이온과 같은 염분성분을 제거하면서 마그네슘과 칼슘과 같은 경도성분은 농축할 수 있어서 먹는물 수질기준에 적합한 고 경도수 제조가 가능하였으며, 이 과정 중 소모되는 에너지를 줄일수 있었다.
- 1 배로 증가하였다. RO/NF/ED 연계공정을 통하여 생산된 미네랄농축수를 역삼투막을 이용한 2차 RO 생산수로(TDS 3 mg/L, 경도 1 mg/L 이하, Cl 2.3 mg/L) 10배 희석할 경우 경도가 1,260 mg/L 이면서 염소이 온의 농도를 먹는해양심층수 수질기준 250 mg/L 이하로 맞추는 고 경도수 제조가 가능하였다.
- 결론적으로 역삼투막은 해수(해양심층수) 원수에서 용존물질과 담수를 분리할 수 있으며, 2차에 걸쳐 역삼투막을 통과한 탈염수는 용존성분의 99.9 % 이상 제거되며, 경도 1이하, 염소이온의 농도 2.3 mg/L 로 용존물질이 완전히 제거된 담수를 제조할 수 있었다. 나노여과막(NF 막)의 pore size는 10-9 m으로 마그네슘과 칼슘은 50%정도 통과시키지 않으면서, 염소이온과 나트륨 같은 일가이온은 95%이상 제거된다.
- 8%가 통과되었으나 마그네슘과 칼슘을 포함하는 경도 성분은 원수의 16% 만이 NF 막을 통과하였다. 경도/TDS 비와 경도/Cl 비는 해양심층수 원수에서의 경도/TDS 비, 경도/Cl 비에 비하여 각각 80%, 79%로 감소되었으나, TDS/Cl 비는 해양심층수 원수에서의 TDS/Cl 비와유사하였다. 따라서, 나노필터막(NF 막)은 해수 원수의 용존물질에서 대부분을 차지하는 나트륨이나 염소이온 중 22%만을 제거할 수있으나, 마그네슘과 칼슘과 같은 2가 용존 이온으로 구성된 경도성분은 84%을 제거할 수 있기 때문에 이 총 용존물질 또는 염소이온과 경도성분을 분리할 수 있었다.
- 해양심층수 원수가 전기투석막을 통과하는 과정 중에 총 용존물질 중 83%, 염소이온도 73%가 제거되 었으나 마그네슘과 칼슘을 포함하는 경도 성분은 원수의 20% 만이 ED 시스템의 경도농축조에서 제거되었다. 경도농축조 미네랄농축 수의 TDS/Cl 비는 해양심층수 원수에서의 TDS/Cl 비와 유사하였으나, 경도/TDS 비와 경도/Cl 비는 해양심층수 원수에서의 경도/ TDS 비, 경도/Cl 비에 비하여 각각 7.7배, 7.1배로 증가하였다. 따라서, 전기투석막(ED 막) 시스템의 경도농축조에서 마그네슘과 칼슘과 같은 2가 용존 이온으로 구성된 경도성분을 총 용존물질 또는 염소이온에 비하여 700%까지 농축할 수 있었다.
- 5, 녹색세모)에서 마그네슘의 농도는 일정하게 유지되다가 전기전도도 20 mS/cm 이하에서는 약 18,000 mg/L까지 증가하였다. 경도농축조(Fig. 5, 처리수, 빨간네모)에서 마그네슘의 농도는 전기전도도 20 mS/cm 까지 일정한 농도를 유지하다가, 전기전도도 20 mS/cm 이하에서 급격하게 감소하여 전기전도도 5 mS/cm에서 약 600 mg/L 까지 감소하였다.
- NF/ED 연계공정에서전기투석전에경도농축조에 3차 NF농축수를 넣고 염분농축조에는 해양심층수 원수를 넣고 전기투석을 진행하였다. 경도농축조에서 생성된 미네랄농축수의 수질은 총 용존물질 (TDS)의 농도가 8,230 mg/L, 경도가 12,417 mg/L 이고 염소이온 농도가 3,191 mg/L으로 원수에 비하여 경도성분은 2배 농축된 반면에 염소이온은 원수에 비하여 5.8배 감소하였다. 따라서 경도농축조에서 전기투석 후 경도성분이 농축되어 증가한 반면 염소이온은 감소하여 경도/Cl 비는 원수의 0.
- RO/NF/ED 연계공정에서 전기투석전에 경도농축조에는 3차 NF농축수를 충진하고 염분농축조에는 RO 생산수를 충진하고 전기투석을 진행하면 후에 염분농축조에는 함수가 생산되며 경도농축조에는 경도성분이 농축된 미네랄농축수가 생산되었다. 구체적인 전기투석 후의 경도농축조에서 생성된 미네랄농축수의 수질은 총 용존물질(TDS)의 농도가 8,130 mg/L, 경도가 12,600 mg/L 이고 염소이온 농도가 2,446 mg/L으로 원수에 비하여 경도성분은 2배 이상 농축된 반면에 염소이온은 원수에 비하여 7.7배 감소하였다. 따라서 경도농축조에서 전기투석 후 경도성분이 농축되어 증가한 반면 염소이온은 감소하여 경도/Cl 비는 원수의 0.
- 35로원수와비슷한비율을보여, RO막에서는경도성분(이가이온)과 일가이온(염소, 나트륨)의 분리는 일어나지 않았다. 그러나, 나노여과 공정(NF)에서는 1차 NF 농축수에서는 0.631, 2차 NF농축수에서는 0.871, 3차 NF농축수에서는 1.250으로 NF 여과막을 이용하여 해양심층수 원수를 농축할수록 경도 성분은 농축되었다. 또한 전기 투석막(ED)을 이용하여 해양심층수 원수에서 경도성분을 농축하고 염소이온을 제거하여 경도/Cl 비가 1.
- 황산이온(SO42-)이 얼마나 적은가 여부와 염분제거, 그리고 칼륨, 칼슘, 마그네슘의 함량 균형 여부에 따라 제조된 물의 품질이 달려 있다. 기존의 RO공정에 NF 공정과 ED공정을 연계함으로써 황 성분이 획기적으로 감소된 미네랄 고농축수를 미네랄 추출물에 사용할 수 있었으며, 추가적으로 ED공정을 통하여 염분 성분을 제거하여 유해인자를 제거하고 고농도의 미네랄 농축수를 제조 할 수 있었다. 또한 염소이온과 황산이온을 제거함으로서 결정화 과정 중 칼슘, 마그네슘 등을 결정화시켜 다시 용해해야 하는 불편함이 없다.
- 담수화 막 종류별 농축수에서 경도/TDS비 결과를 살펴보면, 원수 < RO < NF 1차 < NF 2차 < ED 순으로 경도/TDS 비가 높아지는 것을 알수 있었다.
- 담수화 막 종류별 농축수에서경도/Cl- 비율결과를살펴보면, 원수 < RO < NF 1차 < NF 2차 < ED 순으로 경도/Cl- 비가 높아지는 것을 알 수 있었다(Fig. 6).
- 7배 감소하였다. 따라서 경도농축조에서 전기투석 후 경도성분이 농축되어 증가한 반면 염소이온은 감소하여 경도/Cl 비는 원수의 0.341 비하여 경도농축수에서 경도/Cl 비는 5.151으로 원수에 비하여 15.1 배로 증가하였다. RO/NF/ED 연계공정을 통하여 생산된 미네랄농축수를 역삼투막을 이용한 2차 RO 생산수로(TDS 3 mg/L, 경도 1 mg/L 이하, Cl 2.
- 8배 감소하였다. 따라서 경도농축조에서 전기투석 후 경도성분이 농축되어 증가한 반면 염소이온은 감소하여 경도/Cl 비는 원수의 0.341 비하여 경도농축조에서 경도/Cl 비는 3.891으로 원수에 비하여 11.4 배로 증가하였다.
- 그러나 전기전도도가 20 mS/cm 이하가 되면 경도농축조의 처리수에서 이가이온(마그네슘) 의 농도가 급격하게 감소하게 된다. 따라서 일가이온과 이가이온을 분리하기 위해서는 전기전도도를 20 mS/cm로 설정하는 것이 경제적으로 유리한 것으로 판정되었다.
- 2%가 NF막을 통과되지 못하고 농축수에 잔류하는 반면, 마그네슘과 칼슘을 포함하는 경도 성분은 원수의 84%가 NF 막을 통과하지 못하고 농축수에 잔존하게 된다. 따라서, 3단 모듈의 나노필터 1차 농축수에서는 해양심층수 원수에 비하여 총 용존물질 농도와 염소이온 농도가 각각 39%, 35% 높았으나, 경도 농도는 원수에 비하여 250%농축되었다. 나노필터 1차 농축수에서 경도/TDS 비와 경도/Cl 비는 해양심층수 원수에서의 경도/TDS 비, 경도/Cl 비에 비하여 각각 80%, 85%로 농축되었으나, TDS/Cl 비는 해양심층수 원수에서의 TDS/Cl 비와 유사하였다.
- 따라서, 나노여과막을 이용하여 마그네슘과 칼슘과 같은 경도 성분을 농축하고, 전기투석막을 이용하여 경도농축수에서 염분성분을 분리하여 경도농도 12,600 mg/L, 염소이온 농도 2,446 mg/L의 염분성분이 배제된 고경도 농축수를 제조할 수 있었다. 이러한 고경도 수를 역삼투막을 이용하여 용존물질이 모두 제거된 2차 RO 생산수로 10배 희석하면 염소이온 농도 244 mg/L 로 먹는물 수질기준에 적합하면서 경도농도 1,200 mg/L 인 고경도 수 제조도 가능하였다.
- 경도/TDS 비와 경도/Cl 비는 해양심층수 원수에서의 경도/TDS 비, 경도/Cl 비에 비하여 각각 80%, 79%로 감소되었으나, TDS/Cl 비는 해양심층수 원수에서의 TDS/Cl 비와유사하였다. 따라서, 나노필터막(NF 막)은 해수 원수의 용존물질에서 대부분을 차지하는 나트륨이나 염소이온 중 22%만을 제거할 수있으나, 마그네슘과 칼슘과 같은 2가 용존 이온으로 구성된 경도성분은 84%을 제거할 수 있기 때문에 이 총 용존물질 또는 염소이온과 경도성분을 분리할 수 있었다.
- 나노필터 1차 농축수에서 경도/TDS 비와 경도/Cl 비는 해양심층수 원수에서의 경도/TDS 비, 경도/Cl 비에 비하여 각각 80%, 85%로 농축되었으나, TDS/Cl 비는 해양심층수 원수에서의 TDS/Cl 비와 유사하였다. 따라서, 나노필터막(NF 막)은 해수 원수의 용존물질에서 대부분을 차지하는 나트륨이나 염소이온 중 40%만을 농축할 수 있으나, 마그네슘과 칼슘과 같은 2가 용존 이온으로 구성된 경도성분은 250% 농축할 수 있으며, 특히 염소와 나트륨과 같은 일가이온에 비하여 85%이상 농축할 수 있기 때문에, 해수 중 나트륨과 염소이온을 포함하는 일가 이온성분과 칼슘과 마그네슘을 포함하는 이가 이온인 경도성분을 분리할 수 있었다.
- 2차 NF 농축수의 경도/TDS 비와 경도/Cl 비는 1차 NF 농축수에서의 경도/TDS 비, 경도/Cl 비에 비하여 각각 200%와 171%로 증가한 반면, TDS/Cl 비는 해양심층수 원수와 1차 NF 농축수에서의 TDS/Cl 비와 유사하였다. 따라서, 나노필터막(NF 막)을 이용하여 반복적으로 해수를 농축하면 경도성분 농도를 농축 차수별로 200%이상 농축할 수 있었다. 또한 2차 NF 농축수에서 경도/TDS 비와 경도/Cl 비도 1차 농축수에 비하여 크게 증가시키는 것이 가능해서 총 용존물질과 염소이온으로부터 경도성분을 정교하게 분리할 수 있었다(Fig.
- 그러나 경도/TDS 비, 경도/Cl 비와 TDS/Cl 비는 해양심층수 원수에서의 경도/TDS 비, 경도/Cl 비 그리고 TDS/Cl 비와 유사하였다. 따라서, 역삼투막(RO 막)은 해수 용존물질 중 99.5 %를 제거할 수 있으며, 2가 용존 이온으로 구성된 경도성분이 총 용존물질 또는 염소이온과 분리되어 제거되지 않았다.
- 또한 경도/TDS 비, 경도/Cl 비와 TDS/Cl 비는 해양심층수 원수에서의 경도/TDS 비, 경도/Cl 비 그리고 TDS/Cl 비와 유사하였다. 따라서, 역삼투막(RO 막)은 해수 용존물질 중 99.5%를 제거할 수 있으며, 2가 용존 이온으로 구성된 경도성분이 총 용존물질 또는 염소이온과 분리되지 않았다. 또한 역삼투막을 통과한 생산수(탈염수)는 먹는해양심층수 수질기준을 충족하였다.
- 1배로 증가하였다. 따라서, 전기투석막(ED 막) 시스템의 경도농축조에서 마그네슘과 칼슘과 같은 2가 용존 이온으로 구성된 경도성분을 총 용존물질 또는 염소이온에 비하여 700%까지 농축할 수 있었다.
- 염분농축조 미네랄농축수의 TDS/Cl 비는 해양심층수 원수에서의 TDS/Cl 비와 유사하였으나, 경도/TDS 비와 경도/Cl 비는 해양심층수 원수에서의경도/TDS 비, 경도/Cl 비에 비하여 각각 65%, 58%로 감소하였다. 따라서, 전기투석막(ED 막) 시스템의 염분농축조에서 총 용존물질과 염소이온과 같은 1가 용존 이온을 농축할 수 있었다.
- 따라서, 나노필터막(NF 막)을 이용하여 반복적으로 해수를 농축하면 경도성분 농도를 농축 차수별로 200%이상 농축할 수 있었다. 또한 2차 NF 농축수에서 경도/TDS 비와 경도/Cl 비도 1차 농축수에 비하여 크게 증가시키는 것이 가능해서 총 용존물질과 염소이온으로부터 경도성분을 정교하게 분리할 수 있었다(Fig. 4).
- 전기투석 장치의 염분농축조에는 RO 생산수을 충전하고, 경도농축조에는 3차 NF농축수를 충진하여 전기투석막을 20분동안가동하여전기전도도 20 mS/cm로진행되면, 염분농축조에는 함수가 생산되며 경도농축조에는 미네랄농축수가 생산되었다. 또한 나노필터 막(NF)과 전기투석 막(ED막) 만을 이용하여 경도/Cl- 비를 높이기 위한 NF/ED 공정은 염분농축조에 해양심층수 원수를 넣고, 경도농축조에는 3차 NF농축조을 넣고 전기전도도 20 mS/cm 설정하여 10분 동안 전기투석 막을 가동하면 염분농축조에는 나트륨 이온과 염소이온 등 일가이온이 농축된 함수가 생산되며, 경도농축조에는 마그네슘과 칼슘 등 경도성분이 농축되어 미네랄농축수가 생산되었다.
- 250으로 NF 여과막을 이용하여 해양심층수 원수를 농축할수록 경도 성분은 농축되었다. 또한 전기 투석막(ED)을 이용하여 해양심층수 원수에서 경도성분을 농축하고 염소이온을 제거하여 경도/Cl 비가 1.383 로 증가시킬 수 있었다 (Fig. 6).
- 그러나 이러한 공정은 경도성분을 추출하는 과정 중에 먹는물 수질기준 항목인 염소이온과 황산이온 등이 경도성분과 함께 농축되기 때문에 먹는해양심층수의 경도가 높아짐에 따라 황산이온과 염소이온의 농도도 같이 높아져 경도 500이상의 먹는해양심층수 제조가 불가능하였다. 또한 증발법을 이용한 고경도수 제조 공정은 해수를 농축하는 과정 중에 해수를 증발하기 위해서는 에너지가 대량을 소모되는 시스템으로 에너지 효율이 낮았다.
- 2배가 농축되었으나 마그네슘과 칼슘을 포함하는 경도 성분은 원수에 비해 30% 만이 ED 시스템의 염분농축조에 농축되었다. 염분농축조 미네랄농축수의 TDS/Cl 비는 해양심층수 원수에서의 TDS/Cl 비와 유사하였으나, 경도/TDS 비와 경도/Cl 비는 해양심층수 원수에서의경도/TDS 비, 경도/Cl 비에 비하여 각각 65%, 58%로 감소하였다. 따라서, 전기투석막(ED 막) 시스템의 염분농축조에서 총 용존물질과 염소이온과 같은 1가 용존 이온을 농축할 수 있었다.
- 구체적인 역삼투 막(RO), 나노필터 막(NF)과 전기투석 막(ED 막)을 이용하여 경도/Cl- 비를 높이기 위한 RO/NF/ED 공정은 다음과 같다(Table 4). 전기투석 장치의 염분농축조에는 RO 생산수을 충전하고, 경도농축조에는 3차 NF농축수를 충진하여 전기투석막을 20분동안가동하여전기전도도 20 mS/cm로진행되면, 염분농축조에는 함수가 생산되며 경도농축조에는 미네랄농축수가 생산되었다. 또한 나노필터 막(NF)과 전기투석 막(ED막) 만을 이용하여 경도/Cl- 비를 높이기 위한 NF/ED 공정은 염분농축조에 해양심층수 원수를 넣고, 경도농축조에는 3차 NF농축조을 넣고 전기전도도 20 mS/cm 설정하여 10분 동안 전기투석 막을 가동하면 염분농축조에는 나트륨 이온과 염소이온 등 일가이온이 농축된 함수가 생산되며, 경도농축조에는 마그네슘과 칼슘 등 경도성분이 농축되어 미네랄농축수가 생산되었다.
- NF-RO 연속 공정으로 생산된 농축 수의 총 용존물질(TDS)는 원수에 비하여 5배까지 농축할 수 있었다. 전기투석막(ED)을 이용한 미네랄분리 특성은 Ca2+과 Mg2+는 경도 농축조에 농축되고 NaCl은 염분농축조에 농축되는 분리 특성을 보였다. 따라서 NF-RO-ED 연계 미네랄 수질조정 해수담수화 공정은 고압 3단 NF농축수와 ED을 사용하여 먹는물 수질기준을 충족하는 고경도(경도 약 1,200) 수의 생산이 가능하며, 다양한 수질을 특성을 가지는 해양심층수 처리수(탈염수, 농축수, 미네랄탈염수, 미네랄농축수, 함수, 미네랄추출물)의 제조도 가능한 시스템이다.
- 전처리 과정 중 나노필터(NF) 막을 통과한 생산 수에서는 황산이온(SO42-)이 98% 이상 제거되고 나트륨, 칼륨, 염소이온 등 1가 이온들은 98%이상 투과하지만, 나노필터(NF) 막을 이용하여 생산된 농축수에서 마그네슘과 칼슘 등 2가 이온들은 NF막을 통과하는 과정 중 50%가 NF막을 통과하지 못하고 농축수에 농축되므로 NF 농축수를 3회에 걸쳐 나노필터(NF)로 여과하면 칼슘과 마그네슘이 원수에 비하여 농축된 미네랄농축수를 생산할 수 있다.
- 383으로 나타났다. 즉 마그네슘과 칼슘 같은 용존 경도성분들과 염소이온, 나트륨 이온 같은 일가 용존이온의 분리가 역삼투막을 이용한 농축 수에서 가장 낮고, NF 1차 농축수, NF 2차 농축수 그리고 ED 경도 농축수로 갈수록 많이 일어난다는 것을 알 수 있다(Fig. 6).
- 878으로 나타났다. 즉 마그네슘과 칼슘 같은 용존 경도성분들이 총 용존성분과의 분리가 역삼투막을 이용한 농축수에서 거의 일어나지 않는 반면에, NF 1차 농축수, NF 2차 농축수 그리고 ED 경도농축수로 갈수록 경도성분과 총 용존성분과의 분리가 많이 일어난다는 것을 알 수 있다(Table 5~Table 8). 이러한 결과를 바탕으로 경도성분을 많이 포함한 미네랄 함량을 높인 고경도수 제조를 위한 추가적인 RO-NF-ED 연계 제조공정을 개발 할 수 있었다.
- 846으로 측정되었다(Table 5). 해양심층수 원수가 역삼투막(RO막) 통과하는 과정 중에 총 용존물질 중 99.5%, 경도 성분도 99.7%, 염소이온도 99.5%가 제거되었다. 또한 경도/TDS 비, 경도/Cl 비와 TDS/Cl 비는 해양심층수 원수에서의 경도/TDS 비, 경도/Cl 비 그리고 TDS/Cl 비와 유사하였다.
- 636으로 측정되었다. 해양심층수 원수가 전기투석막을 통과하는 과정 중에 염분농축 조에는 원수에 비하여 총 용존물질이 2배, 염소이온도 2.2배가 농축되었으나 마그네슘과 칼슘을 포함하는 경도 성분은 원수에 비해 30% 만이 ED 시스템의 염분농축조에 농축되었다. 염분농축조 미네랄농축수의 TDS/Cl 비는 해양심층수 원수에서의 TDS/Cl 비와 유사하였으나, 경도/TDS 비와 경도/Cl 비는 해양심층수 원수에서의경도/TDS 비, 경도/Cl 비에 비하여 각각 65%, 58%로 감소하였다.
- 576으로 측정되었다. 해양심층수 원수가 전기투석막을 통과하는 과정 중에 총 용존물질 중 83%, 염소이온도 73%가 제거되 었으나 마그네슘과 칼슘을 포함하는 경도 성분은 원수의 20% 만이 ED 시스템의 경도농축조에서 제거되었다. 경도농축조 미네랄농축 수의 TDS/Cl 비는 해양심층수 원수에서의 TDS/Cl 비와 유사하였으나, 경도/TDS 비와 경도/Cl 비는 해양심층수 원수에서의 경도/ TDS 비, 경도/Cl 비에 비하여 각각 7.
- 5, 처리수(빨간 네모))에서 나트륨의 농도는 지속적으로 감소하였다. 해양심층수(전기전도도 40 mS/cm)에서 나트륨의 농도는 약 11,000 mg/L 이지만, 탈염과정이 진행되어 전기전도도가 감소하면서, 염분농축조의 농축수(Fig. 5, 녹색세모)에서 나트륨의 농도는 급격하게 증가하여 전기전도도 20 mS/cm에서는 약 30,000 mg/L이 되며, 경도농축조(처리수, 빨간네모)에서는 지속적으로 나트륨이 탈염되어 전기전도도 20 mS/cm에서 약 5,000 mg/L로 감소 하였다.
후속연구
- 즉 마그네슘과 칼슘 같은 용존 경도성분들이 총 용존성분과의 분리가 역삼투막을 이용한 농축수에서 거의 일어나지 않는 반면에, NF 1차 농축수, NF 2차 농축수 그리고 ED 경도농축수로 갈수록 경도성분과 총 용존성분과의 분리가 많이 일어난다는 것을 알 수 있다(Table 5~Table 8). 이러한 결과를 바탕으로 경도성분을 많이 포함한 미네랄 함량을 높인 고경도수 제조를 위한 추가적인 RO-NF-ED 연계 제조공정을 개발 할 수 있었다. 3차NF 농축수의 TDS, 경도의 농도와 경도/Cl 비는 Table 8과 같다.
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