[논문]압력지연삼투 (PRO) 공정에서 유도용액에서의 압력이 유기물 파울링에 미치는 영향

서동우; 윤홍식; 윤제용

doi:10.11001/jksww.2015.29.1.133

[국내논문] 압력지연삼투 (PRO) 공정에서 유도용액에서의 압력이 유기물 파울링에 미치는 영향
Effect of Hydraulic Pressure on Organic Fouling in Pressure Retarded Osmosis (PRO) Process 원문보기

上下水道學會誌 = Journal of Korean Society of Water and Wastewater, v.29 no.1, 2015년, pp.133 - 138

서동우 (서울대학교 공과대학 화학생물공학부 에너지환경화학융합기술) , 윤홍식 (서울대학교 공과대학 화학생물공학부 에너지환경화학융합기술) , 윤제용 (서울대학교 공과대학 화학생물공학부 에너지환경화학융합기술)

Abstract ▼ AI-Helper

Pressure retarded osmosis (PRO) process is one of membrane processes for harvesting renewable energy by using salinity difference between feed and draw solutions. Power is generated by permeation flux multiplied by hydraulic pressure in draw side. Membrane fouling phenomena in PRO process is presumed to be less sever, but it is inevitable. Membrane fouling in PRO process decreases water permeation through membrane, resulting in significant power production decline. This study intended to investigate the effect of hydraulic pressure in PRO process on alginate induced organic fouling as high and low hydraulic pressures (6.5 bar and 12 bar) were applied for 24 h under the same initial water flux. In addition, organic fouling in draw side from the presence of foulant (sodium alginate) in draw solution was examined. As major results, hydraulic pressure was found to be not a significant factor affecting in PRO organic fouling as long as the same initial water flux is maintained, inidicating that operating PRO process with high hydraulic pressure for efficient energy harvesting will not cause severe organic fouling. In addition, flux decline was negligible from the presence of organic foulant in draw side.

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문제 정의

본 연구는, 유도용액 쪽에서 가압이 존재하는 경우 PRO공정에서 원수용액에 존재하는 유기물질에의한 파울링이 미치는 영향을 투과수량의 변화를 통하여 조사하였다. 실험실 규모의 PRO공정에서 높고 낮은 두가지 압력(6.
본 연구는 PRO공정에서 유도용액 쪽의 가압이 존재하는 경우에 원수용액에 존재하는 유기물이 파울링에 미치는 영향을 투과수량의 차이를 통하여 조사하였다. 중요 결과로는 유도용액의 가압조건의 차이가 초기투과수량이 유사한 조건에서는 파울링 영향은 미미한 것으로 나타낫다.
또한, 가압이 주어지는 유도용액에 유기물질이 존재하는 경우, 파울링에 대한 영향도 낮은 것으로 나타났다. 이 연구를 통하여 PRO공정에서 가장 중요한 인자인 유도용액쪽의 가압이 실제 공정에서 유기물 파울링에 어떠한 영향을 줄 것인지 알 수 있었다. 본 연구의 결과를 토대로, 파울링을 고려한 PRO공정 설계에서 유도용액의 압력 세기보다 이로 인해 변하는 투과수량을 고려하여 파울링 인자를 고려한 공정 설계가 필요할 것으로 예상된다.

가설 설정

2. (a)와 (c) 의 시간에 따른 투과수량 감소율이며, p값에 의하여 귀무가설을 기각할 수 없음으로 두 집단은 유사하다는 귀무가설을 채택하였다.

제안 방법

항온조를 이용하여 25±1˚C로 용액 온도를 조절하였다.
본 연구는, 유도용액 쪽에서 가압이 존재하는 경우 PRO공정에서 원수용액에 존재하는 유기물질에의한 파울링이 미치는 영향을 투과수량의 변화를 통하여 조사하였다. 실험실 규모의 PRO공정에서 높고 낮은 두가지 압력(6.5 bar 와 12 bar)을 가하여 진행하였고, 초기투과수량이 PRO공정 파울링에 미치는 영향을 배제하기 위해 유도용액의 염농도를 변화시켜 초기투과 수량을 동일하게 유지하였다. 또한, 가압 조건에서 유도용액 쪽의 유기 오염물질의 존재에 의한 파울링 영향도 조사하였다.
5 bar 와 12 bar)을 가하여 진행하였고, 초기투과수량이 PRO공정 파울링에 미치는 영향을 배제하기 위해 유도용액의 염농도를 변화시켜 초기투과 수량을 동일하게 유지하였다. 또한, 가압 조건에서 유도용액 쪽의 유기 오염물질의 존재에 의한 파울링 영향도 조사하였다.
막은 실험 전에 3차 증류수에 담궈 4˚C 냉장고에 보관하였다. 모든 시약은 ACS급 시약을 사용하여 제조하였다. 10 mM 염화나트륨과 1 mM 염화칼슘 (Aldrich, St.
항온조를 이용하여 25±1˚C로 용액 온도를 조절하였다. 유도용액과 원수용액의 유속은 각각 8 cm/s로 맞추었고, 용액 투과수량은 원수용액의 무게를 1분단위로 측정하여 계산하였다.
PRO공정에서 파울링의 영향을 조사하기 위한 실험 순서는 다음과 같다. 먼저, 멤브레인을 PRO공정 셀에 장착하고 용액 온도, 유속, 유도용액쪽의 압력을 고정하여 안정화를 시킨 후에 초기투과수량을 측정하고 sodium alginate를 실험조건에 따라 원수용액 혹은 유도용액에 주입하고 24시간동안 공정을 운영하였다. 파울링의 영향은 동일한 실험 조건에서 sodium alginate를 넣지 않은 컨트롤 실험과 비교하여 컨트롤 대비 투과수량감소율로 파울링 영향을 보았다.
먼저, 멤브레인을 PRO공정 셀에 장착하고 용액 온도, 유속, 유도용액쪽의 압력을 고정하여 안정화를 시킨 후에 초기투과수량을 측정하고 sodium alginate를 실험조건에 따라 원수용액 혹은 유도용액에 주입하고 24시간동안 공정을 운영하였다. 파울링의 영향은 동일한 실험 조건에서 sodium alginate를 넣지 않은 컨트롤 실험과 비교하여 컨트롤 대비 투과수량감소율로 파울링 영향을 보았다. 가압 조건으로는 유도용액쪽에 각각 6.
파울링의 영향은 동일한 실험 조건에서 sodium alginate를 넣지 않은 컨트롤 실험과 비교하여 컨트롤 대비 투과수량감소율로 파울링 영향을 보았다. 가압 조건으로는 유도용액쪽에 각각 6.5 bar와 12 bar를 가 하였다. 재현성을 확인하기 위해 모든 실험은 세차례 수행하였고 평균값과 표준편차를 보고하였다.
5 bar와 12 bar를 가 하였다. 재현성을 확인하기 위해 모든 실험은 세차례 수행하였고 평균값과 표준편차를 보고하였다.
PRO공정 파울링 실험 후에, 막을 분리막에서 꺼내어 SEM (Scanning Electron Microscope, JSM-6700F, JEOL, Korea)이미지로 유기물질 퇴적 여부를 관찰하였다. 또, 막 접촉각을 sessile drop 방법으로 측정하였다(DSA 100, KRUSS, Hamburg, Germany).
SEM 이미지 관찰과 막 접촉각 측정을 위해 막을 37˚C에서 3시간 건조시켰다. 막 접촉각은 증류수 물방울을 떨어트리고 15초 동안 600 프레임을 찍어 200에서 400 프레임 구간의 접촉각 평균으로 접촉각을 측정하였다.

대상 데이터

PRO막으로는 상용 셀룰로오스 아세테이트막(HTI, Albany, OR)을 사용하였다. 막은 실험 전에 3차 증류수에 담궈 4˚C 냉장고에 보관하였다.
모든 시약은 ACS급 시약을 사용하여 제조하였다. 10 mM 염화나트륨과 1 mM 염화칼슘 (Aldrich, St. Louis, MO)으로 원수용액을 제조하였고, 1 M 또는 1.8 M 염화나트륨과 1 mM 염화칼슘으로 유도용액을 제조하였다. 유기오염물질로는 sodium alginate (Aldrich, St.
8 M 염화나트륨과 1 mM 염화칼슘으로 유도용액을 제조하였다. 유기오염물질로는 sodium alginate (Aldrich, St. Louis, MO)를 사용하였으며, 10 g/L sodium alginate 용액을 만들어 냉장고에 보관한 후 실험 전에 200 mg/L로 희석하여 사용하였다.

데이터처리

(a)와 (c) 의 투과수량감소에 유사성은 엑셀에서 독립표본 T-test 를 통하여 두 실험 조건에서 시간에 따른 투과수량 감소율의 유사성을 확인하였다 (p=0.119>0.05).

이론/모형

PRO공정 파울링 실험 후에, 막을 분리막에서 꺼내어 SEM (Scanning Electron Microscope, JSM-6700F, JEOL, Korea)이미지로 유기물질 퇴적 여부를 관찰하였다. 또, 막 접촉각을 sessile drop 방법으로 측정하였다(DSA 100, KRUSS, Hamburg, Germany). SEM 이미지 관찰과 막 접촉각 측정을 위해 막을 37˚C에서 3시간 건조시켰다.

성능/효과

) 을 나타내고, Jw 는 투과수량(m/s), 그리고 ΔP는 유도용액 쪽에서 가한 압력의 세기(bar)이다. 파울링이 되지 않은 상태에서 전력밀도는 각각 3.408, 4.693, 6.292 W/m²이었으나, 파울링 실험 후에 감소한 투과수량으로 인하여 전력밀도는 각각 27, 19, 27% 감소하였다. 전력밀도 감소는 식(1)과 같이 투과수량 감소율과 비례한다.
2. (b)결과와 비교하였을 때 약 11%이상의 낮은 투과수량 감소율을 보인다. 이와 같은 결과는 PRO공정에서는 높은 압력이 유도용액 쪽에서 가해져도, 원수와 유도용액 사이에서 일어나는 삼투압보다 높지 않음으로, 오염물질의 퇴적이 일어나지 않는 것으로 해석된다.
이와 같은 결과는 PRO공정에서는 높은 압력이 유도용액 쪽에서 가해져도, 원수와 유도용액 사이에서 일어나는 삼투압보다 높지 않음으로, 오염물질의 퇴적이 일어나지 않는 것으로 해석된다. 이 결과는 원수용액에서 유도용액 쪽의 가압조건이 유도용액의 흐름을 변경시킬 정도의 가압이 아닌 한, 가압이 유도용액쪽의 오염물질이 PRO공정 파울링에 미치는 영향은 미비하다는 것을 보여준다.
4 (a), (b), (c)는 원수용액의 유기오염물질 존재가 PRO 파울링에 미치는 영향을 본 실험후에 막 표면의 SEM 이미지와 파울링 실험후의 막 접촉각 변화를 나타낸다. SEM이미지에서 볼 수 있듯이, 파울링 실험 후에 막 표면에 sodium alginate 퇴적을 명확하게 확인할 수 있었다. 또한, 막 접촉각은 74.
반면에, 유도용액에서의 파울링 현상 후에 진행한 SEM 이미지에서는 유기물의 퇴적을 찾아볼 수 없었다. 또한, 막의 접촉각에 대한 비교가 표준편차 내에서의 변화만 보여 유도용액에서의 파울링이 막 표면에 미치는 영향은 미미한 것으로 나타났다
본 연구는 PRO공정에서 유도용액 쪽의 가압이 존재하는 경우에 원수용액에 존재하는 유기물이 파울링에 미치는 영향을 투과수량의 차이를 통하여 조사하였다. 중요 결과로는 유도용액의 가압조건의 차이가 초기투과수량이 유사한 조건에서는 파울링 영향은 미미한 것으로 나타낫다. 또한, 가압이 주어지는 유도용액에 유기물질이 존재하는 경우, 파울링에 대한 영향도 낮은 것으로 나타났다.
중요 결과로는 유도용액의 가압조건의 차이가 초기투과수량이 유사한 조건에서는 파울링 영향은 미미한 것으로 나타낫다. 또한, 가압이 주어지는 유도용액에 유기물질이 존재하는 경우, 파울링에 대한 영향도 낮은 것으로 나타났다. 이 연구를 통하여 PRO공정에서 가장 중요한 인자인 유도용액쪽의 가압이 실제 공정에서 유기물 파울링에 어떠한 영향을 줄 것인지 알 수 있었다.

후속연구

전력밀도 감소는 식(1)과 같이 투과수량 감소율과 비례한다. 이러한 전력밀도 감소는 파울링이 PRO공정에서 전력밀도 생산에 큰 영향을 미치는 것으로 나타나며, 낮은 전력밀도 생산은 향후 플랜트 공정에서 공정 효율을 감소시킬 것이기 때문에, 파울링 제어 혹은 전처리 공정의 연구가 필요할 것으로 생각된다.
이 연구를 통하여 PRO공정에서 가장 중요한 인자인 유도용액쪽의 가압이 실제 공정에서 유기물 파울링에 어떠한 영향을 줄 것인지 알 수 있었다. 본 연구의 결과를 토대로, 파울링을 고려한 PRO공정 설계에서 유도용액의 압력 세기보다 이로 인해 변하는 투과수량을 고려하여 파울링 인자를 고려한 공정 설계가 필요할 것으로 예상된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	압력지연삼투 공정은 무엇인가?	압력지연삼투(PRO) 공정은 삼투압을 이용하여 에너지를 생산하는 공정이다. 낮은 농도의 원수(feed) 용액이 반투막을 통하여 높은 농도의 유도(draw) 용액으로 이동할때에, 유도용액 쪽에 높은 압력 가하여 터빈을 돌려 에너지를 생산한다(Loeb, 1976).
	본 논문에서 PRO막으로 사용하기 위한 상용 셀룰로오스 아세테이트막을 실험 전에 어디에 보관하였는가?	PRO막으로는 상용 셀룰로오스 아세테이트막(HTI, Albany, OR)을 사용하였다. 막은 실험 전에 3차증류수에 담궈 4˚C 냉장고에 보관하였다. 모든 시약은 ACS 급 시약을 사용하여 제조하였다.
	막오염 현상은 수처리 공정에서 무엇을 초래하는가?	2007, Baker and Dudley 1998). 이러한 막오염 현상은 공정에서 투과수량 감소, 에너지 과다 사용, 처리비용의 증가를 초래한다(Li and Elimelech 2004, Zularisam et al. 2006, Fan et al.

참고문헌 (21)

Loeb, S. (1976) Production of energy from concentrated brines by pressure retarded osmosis. I. Preliminary technical and economic correlations. J.MEMBR.SCI. 1(1), 49-63.

상세보기
Achilli, A., Prante, J.L., Hancock, N.T., Maxwell, E.B. and Childress, A.E. (2014) Experimental Results from RO-PRO: A Next Generation System for Low-Energy Desalination. Environmental Science & Technology 48(11), 6437-6443.

상세보기
Lin, S., Yip, N.Y., Cath, T.Y., Osuji, C.O. and Elimelech, M. (2014) Hybrid pressure retarded osmosis-membrane distillation system for power generation from low-grade heat: Thermodynamic analysis and energy efficiency. Environmental Science and Technology 48(9), 5306-5313.

상세보기
Prante, J.L., Ruskowitz, J.A., Childress, A.E. and Achilli, A. (2014) RO-PRO desalination: An integrated low-energy approach to seawater desalination. Applied Energy 120, 104-114.

상세보기
Kim, J., Park, M., Snyder, S.A. and Kim, J.H. (2013) Reverse osmosis (RO) and pressure retarded osmosis (PRO) hybrid processes: Model-based scenario study. Desalination 322, 121-130.

상세보기
Fritzmann, C., Lowenberg, J., Wintgens, T. and Melin, T. (2007) State-of-the-art of reverse osmosis desalination. Desalination 216(1-3), 1-76.

상세보기
Baker, J.S. and Dudley, L.Y. (1998) Biofouling in membrane systems - a review. Desalination 118(1-3), 81-90.

상세보기
Li, Q. and Elimelech, M. (2004) Organic fouling and chemical cleaning of nanofiltration membranes: Measurements and mechanisms. Environmental Science and Technology 38(17), 4683-4693.

상세보기
Zularisam, A.W., Ismail, A.F. and Salim, R. (2006) Behaviours of natural organic matter in membrane filtration for surface water treatment - a review. Desalination 194(1-3), 211-231.

상세보기
Fan, L., Harris, J.L., Roddick, F.A. and Booker, N.A. (2001) Influence of the characteristics of natural organic matter on the fouling of microfiltration membranes. Water Research 35(18), 4455-4463.

상세보기
Meng, F., Chae, S.-R., Drews, A., Kraume, M., Shin, H.-S. and Yang, F. (2009) Recent advances in membrane bioreactors (MBRs): Membrane fouling and membrane material. Water Research 43(6), 1489-1512.

상세보기
Hong, S. and Elimelech, M. (1997) Chemical and physical aspects of natural organic matter (NOM) fouling of nanofiltration membranes. Journal of Membrane Science 132(2), 159-181.

상세보기
She, Q., Jin, X., Li, Q. and Tang, C.Y. (2012) Relating reverse and forward solute diffusion to membrane fouling in osmotically driven membrane processes. Water Research 46(7), 2478-2486.

상세보기
Mi, B. and Elimelech, M. (2008) Chemical and physical aspects of organic fouling of forward osmosis membranes. Journal of Membrane Science 320(1-2), 292-302.

상세보기
Parida, V. and Ng, H.Y. (2013) Forward osmosis organic fouling: Effects of organic loading, calcium and membrane orientation. Desalination 312, 88-98.

상세보기
Thelin, W.R., Sivertsen, E., Holt, T. and Brekke, G. (2013) Natural organic matter fouling in pressure retarded osmosis. Journal of Membrane Science 438, 46-56.

상세보기
She, Q., Hou, D., Liu, J., Tan, K.H. and Tang, C.Y. (2013) Effect of feed spacer induced membrane deformation on the performance of pressure retarded osmosis (PRO): Implications for PRO process operation. Journal of Membrane Science 445, 170-182.

상세보기
Zhang, M., Hou, D., She, Q. and Tang, C.Y. (2014) Gypsum scaling in pressure retarded osmosis: Experiments, mechanisms and implications. Water Research 48(0), 387-395.

상세보기
Zhao, S., Zou, L., Tang, C.Y. and Mulcahy, D. (2012) Recent developments in forward osmosis: Opportunities and challenges. Journal of Membrane Science 396, 1-21.

상세보기
McCutcheon, J.R. and Elimelech, M. (2008) Influence of membrane support layer hydrophobicity on water flux in osmotically driven membrane processes. Journal of Membrane Science 318(1-2), 458-466.

상세보기
Lay, W.C.L., Chong, T.H., Tang, C.Y., Fane, A.G., Zhang, J. and Liu, Y. (2010) Fouling propensity of forward osmosis: Investigation of the slower flux decline phenomenon, pp. 927-936.

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표제어: PCR

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용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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