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셰일가스 플랜트 용수 처리를 위한 정삼투(FO)와 막증발(MD) 공정의 성능 비교
Comparison of Performances of Forward Osmosis and Membrane Distillation Processes for Shale Gas Plant Water Treatment 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.39 no.3 = no.354, 2015년, pp.279 - 284  

구재욱 (한국건설기술연구원 환경.플랜트연구소) ,  이상호 (국민대학교 건설시스템공학부) ,  신용현 (국민대학교 건설시스템공학부) ,  윤택근 (국민대학교 건설시스템공학부)

초록
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전 세계적으로 셰일가스와 같은 비전통 석유자원이 널리 개발되고 있다. 이에 따라 셰일가스 채굴과정에서 발생하는 폐수의 적절한 처리가 중요해지고 있다. 그러나, 폐수 내의 오일 및 유기 물질, 유해성 화학물질, 무기 이온과 같은 물질이 고농도로 함유하고 있기 때문에 기존 처리 방법으로 많은 어려움을 격고 있다. 본 연구에서는 셰일가스 폐수에 대한 새로운 처리방법으로 정삼투 공정 및 막증발법에서의 가능성을 연구하였다. 실험실 규모의 정삼투 및 막증발법 장치를 제작하여 실험을 실시하였다. 그 결과, 합성 폐수를 처리하는데, 정삼투 공정에서 적용 가능하다고 판단되었다. 유도용액으로 5M의 염화나트륨수용액을 사용하였고, 낮은 범위의 폐수(66,000mg/L TDS)에서 약 $6L/m^2-hr$플럭스를 나타냈다. 그럼에도 불구하고, 높은 범위의 폐수(261,000mg/L TDS)에서 막증발법으로 처리하는 것이 더 효과적이었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

As non-conventional oil resources such as shale gas have been widely developed, proper treatment of flowback and produced water is becoming important. However, application of conventional water treatment techniques is limited due to high concentration of pollutants such as oil and grease, organics, ...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • (1~4) 셰일가스의 채굴과정에 사용된 물은 다량의 이온을 포함하고 있어 기존의 방법으로는 처리가 어려운 것으로 알려져 있다.(5~8) 이러한 문제점을 해결하기 위해 본 연구에서는 셰일가스 플랜트 용수 처리를 위한 기술로서 정삼투법(Forward Osmosis)과 막증발법(Membrane Distillation)을 적용하고자 하였다. 정삼투압법(FO)은 반투과성 막 사이의 농도차이로 발생되는 삼투압을 구동력으로 사용하는 공정이다.
  • 본 연구에서는 셰일가스 플랜트의 용수 처리를 위한 새로운 공정으로 FO와 MD를 적용하고 각 공정의 성능을 비교하였다. 정삼투(FO)에서 5M의 Draw solution을 적용하는 경우 구동력인 삼투압을 200 bar까지 높일 수 있어 역삼투(RO)로 처리하기 어려운 셰일가스 폐수를 처리할 수 있음을 확인하였다.
  • (10) 막증발법(MD)은 막에서 증기가 투과되는 면의 증기압을 낮추는 방식에 따라 직접접촉식 막증발법(Direct Contact MD), 공기간극 막증발법(Air Gap MD), 진공 막증발법(Vacuum MD), 스윕가스 막증발법(Sweep Gas MD) 네 가지로 분류할 수 있다. 본 연구에서는 정삼투법(FO)과 공기간극 막증발법(AGMD)을 이용한 셰일가스 폐수의 처리효율에 대한 실험을 실험실 규모에서 각각 수행하였으며, 이를 통하여 실제 현장으로의 적용가능성을 확인하고자 하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
정삼투법의 장점은 무엇인가? 따라서 저농도의 유입수의 물이 반투과성막을 통과하여 유도용액 쪽으로 넘어가게 된다. 구동력으로 삼투압 차이를 이용하기 때문에 기존의 역삼투법(RO)과 달리 물을 투과시키는데 필요한 에너지 소모량이 거의 없으며, 이를 이용한다면 수처리에 필요한 비용을 대폭 낮출 수 있는 가능성이 있다. 한편, 막증발법(MD)은 유입수의 다공성 소수성 막의 양쪽면의 온도차에 따른 증기압차를 이용하여 다공성 소수성 막의 미세 공극을 통해 원하는 물질을 분리 또는 제거할 수 있고, 고순도의 물을 얻을 수 있다.
셰일가스는 무엇인가? 셰일가스는 기존 천연가스에 비해 깊은 암석층인 진흙퇴적암층(Shale)에 매장되어 있는 천연가스를 지칭한다. 최근 기존 석유자원의 고갈가능성이 높아짐에 따라서 셰일가스 등의 비전통 석유자원을 채굴하기 위한 플랜트 기술이 전 세계적으로 적용되고 있으며, 앞으로 그 규모는 더욱 커질 것으로 전망되고 있다.
셰일가스의 채산성이 개선된 이유는 무엇인가? 최근 기존 석유자원의 고갈가능성이 높아짐에 따라서 셰일가스 등의 비전통 석유자원을 채굴하기 위한 플랜트 기술이 전 세계적으로 적용되고 있으며, 앞으로 그 규모는 더욱 커질 것으로 전망되고 있다. 특히 셰일가스는 2000년대 들어서 수평시추법과 수압파쇄법등 기술 발전과 함께 채산성이 개선되어 북미지역을 중심으로 활발하게 개발되고 있으며, 향후 국제 석유 시장에 미치는 파급력이 커질 것으로 기대되고 있다.(1,2) 지금까지 비전통 석유자원 관련기술은 오일이나 가스를 효율적으로 수집하는 측면만 강조되어 왔다.
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참고문헌 (10)

  1. Jenkins, C. D. and Boyer, C. M. I., 2008, Coalbedand Shale-Gas-Reservoirs, Journal of Petroleum Technology, Vol. 60, pp. 92-99. 

  2. Gregory, K. B., Vidic, R. D. and Dzombak, D. A., 2011, "Global Water Sustainability: Water Management Challenges Associated with the Production of Shale Gas by Hydraulic Fracturing," ELEMENTS, Vol. 7, pp. 181-186. 

  3. Arthur, J. D., Bohm, B., Coughlin, B. J. and Layne, M., 2009, "Evaluating the Environmental implications of Hydraulic Fracturing in Shale Gas Reservoirs," SPE Americas E&P Environmental and Safety Conference. San Antonio, Texas, Society of Petroleum Engineers. 

  4. Hubbard, A. B., 1971, "Method for Reclaiming Waste Water from Oil Shale Processing," ACS Division of Fuel Chemistry, Preprint. 

  5. Arthur, J., Bohm, B. and Cornue, D., 2009, "Environmental Considerations of Modern Shale Gas Development," SPE Annual Technical Conference and Exhibition, 4-7. 

  6. Lapidus, A., Krylova, A. and Tonkonogov, B., 2000, "Gas Chemistry: Status and Prospects for Development," Chemistry and Technology of Fuels and Oils, Vol. 36, pp. 82-88. 

  7. Wood, R., Gilbert, P., Sharmina, M., Anderson, K., Footitt, A., Glynn, S. and Nicholls, F., 2011, "Shale Gas: a Provisional Assessment of Climate Change and Environmental Impacts," Tyndall Centre for Climate Change Research. 

  8. Zoback, M., Kitasei, S. and Copithorne, B., 2010, "Assessing the Environmental Risks from Shale Gas Development," The Role of Natural Gas in a Low-Carbon Economy, (Worldwatch Institute.) 

  9. Gregory, K. B., Vidic, R. D. and Dzombak, D. A., 2011, "Water Management Challenges Associated with the Production of Shale Gas by Hydraulic Fracturing," ELEMENTS, Vol. 7, pp. 181-186 

  10. Lawson, K. W. and Lloyd, D. R., 1996," Membrane Distillation. II. Direct contact MD," Journal of Membrane Science, Vol. 120, pp. 123-133. 

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