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문제 정의
- 본 실험은 해수로부터 칼슘 및 마그네슘을 추출하여 고경도 수를 제조하는데 목적이 있다. 실험에 사용된 해양심층수는 강원도 고성 앞바다 수심 500 m에서 취수한 것으로 청정하고 미네랄 성분이 풍부하다.
제안 방법
- NF 3차, 4차 농축수를 전기투석 한 후 경도 성분을 살펴보았다.NF 3차 농축수의 경우 전기투석 후 경도가 17,000~18,000 mg/L as CaCO3정도로, 해수의 경도보다 많이 농축된 것을 알 수 있다.
- 실험 중단 전기전도도(low set)는 5, 10, 20, 25, 30, 35에서 실험하여 어느 전기전도도에서 1가 양이온과 2가 양이온이 분리될 수 있는지 실험하였다. Na, K, Mg, Ca 등과 같은 미네랄 성분 분석을 이온크로마토그래피(IC, Ameritech Science)를 이용하여 분석하였다. 실험에 사용된 NF막은 중국 vontron사 제품으로 20 bar, 20oC에서 운전하였으며 flux는 18 LMH였다(Ji et al.
- 농축조에 사용될 시료에 의한 전기투석 영향을 알아보기 위해 농축조에 해양심층수와 수돗물을 이용하여 실험하였다. 이때에 탈염 조에는 NF에 의해 3차 또는 4차까지 농축된 NF농축수를 사용하였다(Ji et al.
- 왜냐하면 1가 음이온인 염소이온을 제거하기 위해서는 1가 양이온도 동시에 제거해야하기 때문이다. 따라서 1가 양이온 성분인 나트륨 이온을 보충해 주기 위해 이온교환 처리수 내에 중탄산나트륨(sodium bicarbonate, NaHCO3)을나트륨 이온 농도 약 10,000 mg/L 정도가 되도록 첨가하였다. 이러한 방법으로 이차 전기투석 실험을 한 결과, 다시 높아진 염소이온 12,910 mg/L의 농도에서 3,839 mg/L로 효과적으로 제거할 수 있었다.
- 2차 전기투석 전에 중탄산나트륨(NaHCO3)을 첨가시킨 후, 전기투석 장치에서 염소이온을 제거하여 고경도수를 제조하였다. 또한 전기투석 실험시 1가 양이온인 나트륨 성분이 부족할 시 염소이온 제거 성능을 평가하기 위해, 중탄산나트륨의 첨가 유무를 비교해 보았다. NF, 전기 투석, 이온교환 복합공정의 공정도는 Fig.
- 3 µS/cm였다. 실험 중단 전기전도도(low set)는 5, 10, 20, 25, 30, 35에서 실험하여 어느 전기전도도에서 1가 양이온과 2가 양이온이 분리될 수 있는지 실험하였다. Na, K, Mg, Ca 등과 같은 미네랄 성분 분석을 이온크로마토그래피(IC, Ameritech Science)를 이용하여 분석하였다.
- 해양심층수 전기투석 시 최종 전기전도도를 20 µS/cm까지 운전 하였을 때, 1가 이온과 2가 이온의 분리가 잘 이루어 졌다. 이를 활용하여 해수 중의 경도성분을 NF와 전기투석 장치를 이용하여 농축할 수 있었다. 전기투석 시 농축조 원수를 해양심층수를 사용하나 수돗물을 사용하나 별 차이를 발견할 수 없었으며, NF 3차 농축수의 경우 전기투석 후 경도가 17,000~18,000 mg/L정도로 해수의 경도 보다 많이 농축된 것을 알 수 있다.
- 전기투석 장치의 전해액을 결정하기 위해 3% Na2SO4와 0.5N NaNO3를 비교하였다. 탈염수의 TDS값과 전기전도도를 비교해 보았을 때 두 전해액 모두 우수한 탈염 결과를 나타내었다.
- [2014b] 연구에서 만들어진 농축수에 인체에 유해한 Na 등과 같은 1가 이온 등을 제거하여, 상품성이 있는 고경도 농축수를 생산할 수 있을 것이라고 예상 할 수 있었다. 전기투석에 의한 고경도수 제조를 위해 NF 농축수를 1차 전기투석 장치를 통과하고, 이온교환 수지를 통과한 후, 2차 전기투석 장치를 통과시켰다. NF에 의해 2가 이온을 농축시키고 이때 같이 농축된 염소이온, 황산이온을 차후 공정에서 제거하는 과정을 거쳤다.
- 전기투석으로 탈염실험을 진행할 때, 어느 정도의 전기전도도까지 탈염해야 1가 이온과 2가 이온을 분리할 수 있는지 알아보기 위해, 전기투석 실험을 최종 전기전도도 5, 10, 20, 25, 30, 35 µS/cm까지 하여 탈염수내 각 이온 농도를 분석하였다.
- 전기투석 장치를 이용하여 질산성 질소를 제거하려는 시도가 있었다(Lee[2009]). 총 질소 중 고농도의 질산성 암모니아성 질소 제거를 위하여, 전기투석을 사용하여 운전인자 중유입유량, 희석, 농축액의 농도, 운전전압이 질소이온 제거에 미치는 영향 등을 연구하였다. Kim et al.
- 실험에 사용된 전기투석 장치는 모델명 Acylizer 02(일본 ASTOM사 제품)이다. 해양심층수 속의 미네랄 농축을 알아보기 위해, 해양심층수를 탈염조와 농축조에 넣고 미네랄 분리, 농축실험을 하였다. 사용된 전압은 37.
대상 데이터
- 전기투석만으로 경도성분을 농축시키는 데는 한계가 있음으로, 나노막을 통해 이온 성분을 농축한 후 이중 2가 이온을 전기투석을 사용하여 분리 농축할 수 있다. 경도물질 농축을 위해 역삼투막 대신 나노막을 사용하였다(Ji et al.[2014b]). 나노막은 2가 이온 성분에 대해서는 50~60%의 농축효율을 얻을 수 있기 때문이다.
- Na, K, Mg, Ca 등과 같은 미네랄 성분 분석을 이온크로마토그래피(IC, Ameritech Science)를 이용하여 분석하였다. 실험에 사용된 NF막은 중국 vontron사 제품으로 20 bar, 20oC에서 운전하였으며 flux는 18 LMH였다(Ji et al.[2014b]).
- 1차 전기투석 된 탈염수를 황산이온 제거를 위해 이온교환 수지에 통과시켰다. 실험에 사용된 이온교환수지는 polystyrene 계통의 강염기성 음이온 교환수지(Cl형)이고 지름 60 cm, 높이 2 m의 칼럼에채운 후 상향류식으로 2개의 병렬식 칼럼으로 운전하였다. 1.
- 실험에 앞서 전해액으로 NaNO3와 Na2SO4을 사용하여 향후 실험에 사용할 전해액을 결정하였다. 실험에 사용된 전기투석 장치는 모델명 Acylizer 02(일본 ASTOM사 제품)이다. 해양심층수 속의 미네랄 농축을 알아보기 위해, 해양심층수를 탈염조와 농축조에 넣고 미네랄 분리, 농축실험을 하였다.
- 본 실험은 해수로부터 칼슘 및 마그네슘을 추출하여 고경도 수를 제조하는데 목적이 있다. 실험에 사용된 해양심층수는 강원도 고성 앞바다 수심 500 m에서 취수한 것으로 청정하고 미네랄 성분이 풍부하다. 실험에 앞서 전해액으로 NaNO3와 Na2SO4을 사용하여 향후 실험에 사용할 전해액을 결정하였다.
성능/효과
- 따라서 1가 양이온 성분인 나트륨 이온을 보충해 주기 위해 이온교환 처리수 내에 중탄산나트륨(sodium bicarbonate, NaHCO3)을나트륨 이온 농도 약 10,000 mg/L 정도가 되도록 첨가하였다. 이러한 방법으로 이차 전기투석 실험을 한 결과, 다시 높아진 염소이온 12,910 mg/L의 농도에서 3,839 mg/L로 효과적으로 제거할 수 있었다.이렇게 연계 공정을 통해 염소이온과 황산이온 등의 유해 성분을 효과적으로 제거 할 수 있었다.
- 6 ton의물을 4시간동안 2개 칼럼에 통과시켰다. 이온교환수지 의 염소이온과 해수 중의 황산이온이 치환되어, 해수 중의 황산이온 농도는 12,357mg/L 에서 3,936 mg/L로 낮아졌고 염소이온 농도는 4,862 mg/L에서 12,910 mg/L로 높아졌다. 이때 다시 높아진 염소이온 농도를 낮추기 위해 이온교환 처리수를 다시 전기투석장치로 가동하였다.
- 이를 활용하여 해수 중의 경도성분을 NF와 전기투석 장치를 이용하여 농축할 수 있었다. 전기투석 시 농축조 원수를 해양심층수를 사용하나 수돗물을 사용하나 별 차이를 발견할 수 없었으며, NF 3차 농축수의 경우 전기투석 후 경도가 17,000~18,000 mg/L정도로 해수의 경도 보다 많이 농축된 것을 알 수 있다. 경도와 염소이온 비를 살펴보면 NF 3차 농축일 경우 5.
- 5N NaNO3를 비교하였다. 탈염수의 TDS값과 전기전도도를 비교해 보았을 때 두 전해액 모두 우수한 탈염 결과를 나타내었다. 3% Na2SO4의경우에는 탈염수의 TDS가 378 mg/L, 0.
후속연구
- 그러나 이렇게 만들어진 고경도 농축수에는 나트륨 등의 인체 유해성분을 다량 함유하고 있는 실정으로, 특히나 유해성분인 1가 이온들의 제거방법이 요구 되어졌다. 전기투석장치는 앞의 선행연구 결과처럼 NaCl 제거효율이 탁월한 장점을 가지고 있으며, 단점으로 지적되었던 생산량의 한계성을 고품질의 고경도 농축수 제조에 사용한다면, 극복 할 수 있을 것으로 예상된다. 이처럼 전기투석 장치를 고경도 농축수에 적용하여 유해성분인 1가 이온을 제거하면, 고품질의 고경도 농축수를 제조 할 수 있을 것으로 사료되어진다.
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