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문제 정의
- 그렇기 때문에 대부분의 현장에서는 SDI 지수가 RO 공급수의 수질을 결정하는 가장 중요한 값이다. 따라서 본 연구는 RO 막 공급수의 중요한 평가 지수인 SDI를 제어하기 위해 응집-여과 공정에 있어서 pH, 응집제 주입량 및 수온변화가 SDI 값에 미치는 영향을 알아보고 그에 따른 전처리 공정을 제어하기 위해 수행되었다. 또한 SDI 측정 시 SDI 수치에 영향을 미치는 막의 재질, 수온, pH 등의 영향을 조사하였다.
가설 설정
- 13) 이러한 응집효율의 저하는 또한 후속공정인 여과 효율에 영향을 미친다. 따라서 본 실험은 해수원수의 부족한 탁도를 보충하기 위해 실 공정에 사용되는 이층여과조의 역세수를 첨가하여 원수의 탁도인 0.
제안 방법
- 13) 이러한 응집효율의 저하는 또한 후속공정인 여과 효율에 영향을 미친다. 따라서 본 실험은 해수원수의 부족한 탁도를 보충하기 위해 실 공정에 사용되는 이층여과조의 역세수를 첨가하여 원수의 탁도인 0.875 NTU에서 2.5, 10, 15 및 20 NTU 되게 하여 응집 및 여과 후 SDI를 측정 하였으며, 그 결과를 Fig. 1 및 Table 5에 각각 나타내었다. 그 결과를 살펴보면 탁도를 높여 실험하였을 때 응집 후 여과효율에 큰 영향을 미치지 않은 것으로 조사되었다.
- 기장 지역은 겨울철과 여름철 수온차가 15℃ 정도이며, 수온변화에 따라 응집 효율과 해수의 점성이 변한다. 따라서 수온 변화에 따른 응집 효율 및 SDI 변화를 살펴보기 위해, 수온 5, 10 및 20℃에 따라 철염(FeCl3) 주입량을 낮은 농도(2 mg/L)와 높은 농도(10 mg/L)로 하여 급속교반(250 rpm) 1분, 완속교반(60 rpm) 10분 조건으로 응집 후 GF/C 필터로 여과하여 SDI를 측정하였으며 그 결과를 Fig. 4에 나타내었다. 시료의 수온을 5℃, 10℃ 및 20℃로 조절하고 응집을 하지 않은 시료를 GF/C 필터로 여과 후 SDI 값을 측정했을 시 각각 3.
- 따라서 본 연구는 RO 막 공급수의 중요한 평가 지수인 SDI를 제어하기 위해 응집-여과 공정에 있어서 pH, 응집제 주입량 및 수온변화가 SDI 값에 미치는 영향을 알아보고 그에 따른 전처리 공정을 제어하기 위해 수행되었다. 또한 SDI 측정 시 SDI 수치에 영향을 미치는 막의 재질, 수온, pH 등의 영향을 조사하였다.
- 또한 Wolf 등15)은 재래식 RO 전처리 공정인 응집-여과에 의하여 RO 유입수의 수질조건인 SDI < 3~4를 충족시키기 어려운 이유는 10~15 µm 이하의 입자상 물질 제거효율이 낮기 때문이라고 하였다. 본 실험에 사용된 여과조로는 일반적인 응집여과 공정에서 달성할 수 있는 4~5의 SDI 값을 얻을 수 없기 때문에 일부 실험에서는 해수 원수 시료를 GF/C 필터로 여과하여 실험하였다.
- 응집후 자연유하방식으로 여과조로 유입하였으며 여과속도는 8 m/hr이다. 여과조를 통과한 여과수는 여과시간 20분 후 채수하여 SDI15를 측정하였다. 역세척 방법은 여과조 하부로 처리수를 공급하여 여과층이 30% 정도 팽창되도록 하였다.
- 역세척 방법은 여과조 하부로 처리수를 공급하여 여과층이 30% 정도 팽창되도록 하였다. 유입수의 수온은 필요시 수온조절 장치를 이용하여 조절 후 응집조로 유입되게 하였고, 일부 실험에서는 여과조를 GF/C 필터로 대체하여 실험하였다. pH의 조정은 0.
- 응집 공정 운전은 제조한 FeCl3 용액을 정량펌프를 사용하여 응집조로 공급하였고, 급속혼화와 완속혼합의 교반속도는 각각 250 rpm과 60 rpm, 교반시간은 각각 1분과 10분으로 하여 실험하였다. 응집후 자연유하방식으로 여과조로 유입하였으며 여과속도는 8 m/hr이다.
- 친수성 재질인 HAWP 막을 선택하여 pH 변화가 SDI 값에 미치는 영향을 Fig. 2 및 Table 7에 나타내었으며 GF/C 필터로 여과한 샘플의 pH를 각각 5, 6, 7, 8, 및 9로 조절하여 실험하였다. 실험에 사용된 시료의 수온은 20℃였다.
대상 데이터
- SDI 측정기기는 0.48~0.83 Mpa 토출압력을 가지는 모터(KOTEC, DX-8000-0350)를 사용했으며, 0.05~0.85 MPa 범위를 가진 압력조절기(CKD, R1000)를 사용하여 구성되었다. 직경 47 mm 크기의 여과 필터를 고정시킬 In-Line Filter Holder (Millipore, O.
- 2로 일정하며, 평상시의 탁도는 2 NTU 이하로 낮은 편이다. 본 실험에 사용된 해수 채수 지점은 2012년 말 가동 예정인 45,000 m3/day 규모의 해수담수화 플랜트에 근접하여 위치해있다. 유입수의 수온은 필요시 수온조절 장치(Buchi, Recirculating chiller B-740, Swiss)를 이용하여 5℃~20℃로 조절하여 실험하였고, 실험에 사용된 분석 항목 및 장비는 Table 2에 나타내었다.
- 본 연구에 사용된 해수 원수는 부산시 기장군 앞바다의 수심 5 m 지점의 해수를 채취하여 사용하였으며 그 특성을 Table 1에 나타내었다. 본 실험에 사용된 해수는 여름에는 수온이 20℃까지 상승하며 겨울에는 5℃까지 낮아진다.
- 이 장치는 일정 압력 하에 전량여과방식으로 설치되었으며, 막은 투과흐름에 수직으로 설치된다. 실험에 사용된 막은 Millipore 제품의 친수성(hydrophilic) 재질의 막 2종류와 소수성막(hydrophobic) 1종류를 선택하였으며 사용된 막의 재원을 Table 4에 나타내었다.
- 실험에 사용된 응집제는 염화제이철(FeCl3·6H20)을 사용하였으며 응집제는 0.25 M stock solution을 제조 후 실험하기 24시간 전에 초순수를 사용하여 10 g/L로 희석한 dosing solution을 사용하였다.
- 여과조는 내경 55 mm, 높이 1,000 mm의 아크릴 관을 이용하였으며, 여재 충진 높이는 400 mm, 유효경은 0.44 mm 그리고 균등계수는 1.32로 하였다. 실험에 사용된 여과 장치 설계 조건을 Table 3에 나타내었다.
- 응집실험에 사용된 Jar는 115 mmW × 115 mmL ×210 mmH인 정방향 2 L 사각 Jar를 2개를 붙여 각각 급속 교반조 및 완속 교반조로 사용하였다.
- 85 MPa 범위를 가진 압력조절기(CKD, R1000)를 사용하여 구성되었다. 직경 47 mm 크기의 여과 필터를 고정시킬 In-Line Filter Holder (Millipore, O.D 76 mm, Length 120 mm)가 사용되었다. 이 장치는 일정 압력 하에 전량여과방식으로 설치되었으며, 막은 투과흐름에 수직으로 설치된다.
이론/모형
- SDI 측정 방법은 ASTM 표준 방법에따라 실험하였으며, 0.2 MPa 압력으로 공극 크기 0.45 µm 필터의 오염되는 속도로부터 결정되고 그 식은 다음과 같다.
성능/효과
- 1) 저탁도의 해수 원수에 대해 적정 응집제 주입량(6 mg/L as FeCl3) 사용시 원수의 탁도 변화는 여과수의 SDI 값에 미치는 영향이 거의 없었다.
- 17) 그러므로 초기 막 투과 유량과 일정시간 후의 막 투과 유량의 관계에 의해 결정되는 SDI 측정법에 있어서 소수성 막의 사용은 그 결과에 비교적 영향을 덜 미치는 크기 0.45 µm 미만의 입자들까지 흡착시킬 수 있기 때문에 적합하지 않다고 판단된다.
- 2) SDI 실험에서 소수성 막 보다 동일한 재질의 친수성 막을 이용하는 것이 분석 결과의 신뢰성과 재현성을 확보할 수 있을 것으로 판단된다.
- 그 결과를 살펴보면 탁도를 높여 실험하였을 때 응집 후 여과효율에 큰 영향을 미치지 않은 것으로 조사되었다. 2.45 NTU의 탁도에서는 SDI 값이 5.69로 측정되어 약간의 여과 효율 개선을 보였고 여과 초기 탁도 제거 효율 또한 약간 더 좋은 것으로 나타났다. 그러나 원수에 대한 인위적인 탁도 증가가 응집 및 여과 후 SDI 값에 일부 영향을 주었지만 RO 공급수로 적합한 SDI 값을 나타내지 못하였다.
- 3) pH 변화와 SDI 값은 pH가 감소함에 따라 SDI 값이 증가하는 경향을 나타내었으며 pH가 7 이상으로 증가할 때는 SDI 값은 변화가 없었다.
- 4) 수온의 변화가 SDI에 미치는 영향에 대해서 SDI는 수온 보다 응집제 효과에 큰 영향을 받는 것으로 나타났다. 따라서 응집-여과 전처리에서 수온에 의한 SDI 증가 시 수온과 응집효과가 SDI 측정값에 미치는 영향을 고려하여야 한다고 판단된다.
- 이러한 결과는 수온과 유체의 점성의 관계에서 기인한 것으로 UF 생산수의 수온을 변화시켜 SDI 값을 측정한 연구에서8,20) 수온이 증가함에 따라 감소되는 물의 점성에 의해 SDI 측정 막을 통과하는 flux의 증가로 막을 빠르게 오염시켜 상대적으로 SDI 값을 높이기 때문이라고 하였다. Fig. 4에 나타낸 것처럼 응집제 주입농도를 10 mg/L 주입하였을 때 SDI 값은 수온 변화와 상관없이 5, 10 및 20℃에서 각각 3.21, 3.07 및 3.21로 나타나 수온 변화에 따른 SDI 값 변화보다 응집이 더 큰 비중을 차지하는 것으로 나타났다. 그러나 응집제 주입농도가 2 mg/L에서는 수온을 5, 10 및 20℃로 변화시킴에 따라 SDI 값이 각각 3.
- 실험에 사용된 시료의 수온은 20℃였다. 그 결과 친수성 재질의 HAWP 및 HVLP 막이 pH 8에서 SDI5, SDI10 및 SDI15 값이 각각 7.94, 5.05 및 4.12 그리고 4.31, 3.80 및 3.62로 나타났으며 pH 9에서 SDI15 값은 각각 4.15 및 3.59로 측정되었다. 그러나 소수성 HVHP 막은 pH 8에서 SDI5, SDI10 및 SDI15 값이 각각 19.
- 1 및 Table 5에 각각 나타내었다. 그 결과를 살펴보면 탁도를 높여 실험하였을 때 응집 후 여과효율에 큰 영향을 미치지 않은 것으로 조사되었다. 2.
- 그러나 본 실험에서는 pH 감소에 따른 SDI 값의 증가는 선행 연구 결과9)와 유사한 경향을 보였으나 pH의 증가에 따른 SDI 값은 변화가 없었으며 Fig. 3에 나타낸 것처럼 5~7 µm 크기 이하의 입자들의 수가 약간 증가하는 경향을 나타냈다.
- 59로 측정되었다. 그러나 소수성 HVHP 막은 pH 8에서 SDI5, SDI10 및 SDI15 값이 각각 19.68, 9.86 및 6.54로 나타났으며 pH를 9로 증가 시켰을 때 SDI15 값은 측정이 불가능하게 높게 나타났다. 따라서 SDI 값은 SDI 측정에 사용된 막의 재질 특성인 hydrophobicity와 측정 시료의 pH에 매우 민감한 것으로 나타났다.
- 21로 나타나 수온 변화에 따른 SDI 값 변화보다 응집이 더 큰 비중을 차지하는 것으로 나타났다. 그러나 응집제 주입농도가 2 mg/L에서는 수온을 5, 10 및 20℃로 변화시킴에 따라 SDI 값이 각각 3.34, 3.48 및 3.78로 응집을 하지 않은 시료의 SDI 값보다 낮게 나타났지만 수온을 증가시킴에 따라 SDI 값 또한 증가하는 경향을 나타내었다. 응집 효율과 수온은 밀접한 연관성이 있으며21) 수온이 증가하면 Fe(III)염의 가수분해 속도가 가속되어 응집에 긍정적인 영향을 미친다고 알려져 있다.
- 54로 나타났으며 pH를 9로 증가 시켰을 때 SDI15 값은 측정이 불가능하게 높게 나타났다. 따라서 SDI 값은 SDI 측정에 사용된 막의 재질 특성인 hydrophobicity와 측정 시료의 pH에 매우 민감한 것으로 나타났다. 일반적으로 소수성 재질의 막이 친수성 재질의 막에 비해 구조적인 안정도와 열역학적 안정성이 뛰어나다고 알려져 있으나, 콜로이드성 물질이나 용존성 물질이 수중에 존재하는 경우 셀룰로오스와 같은 친수성 폴리머로 이루어진 막이 폴리술폰이나 폴리에테르술폰과 같은 재질의 소수성 막에 비해 막 오염이 덜 일어나는 경향이 있다.
- 22,23) 그러나 낮은 응집제 농도(2 mg/L)에서는 응집 후에도 수온에 영향을 받는 것으로 나타났다. 따라서 응집 후 SDI 측정 시 응집제 주입 농도가 낮으면(2 mg/L) 수온에 의한 영향을 크게 받으며 응집제 주입농도가 높으면(10 mg/L) 수온보다 응집 효과에 큰 영향을 받는 것으로 판단된다. Kang 등24)은 저 수온(5℃)에서 Fe(III)염을 사용한 응집 시 낮은 응집제 주입량에 의한(charge neutralization) 응집 효율이 높은 응집제 주입량(sweep coagulation)에 의한 응집효율에 비하여 영향을 더 크게 받는다고 하였다.
- 4에 나타내었다. 시료의 수온을 5℃, 10℃ 및 20℃로 조절하고 응집을 하지 않은 시료를 GF/C 필터로 여과 후 SDI 값을 측정했을 시 각각 3.67, 3.89 및 3.94로 수온이 증가할수록 점성 변화에 따른 SDI 값도 상대적으로 증가하는 경향을 보였다. 이러한 결과는 수온과 유체의 점성의 관계에서 기인한 것으로 UF 생산수의 수온을 변화시켜 SDI 값을 측정한 연구에서8,20) 수온이 증가함에 따라 감소되는 물의 점성에 의해 SDI 측정 막을 통과하는 flux의 증가로 막을 빠르게 오염시켜 상대적으로 SDI 값을 높이기 때문이라고 하였다.
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