[논문]정삼투 멤브레인 공정에서 칼슘이온과 용존 유기물 상호작용에 의한 플럭스 변화 연구

허지용; 한종훈; 김예진; 허남국

doi:10.11001/jksww.2016.30.6.737

정삼투 멤브레인 공정에서 칼슘이온과 용존 유기물 상호작용에 의한 플럭스 변화 연구
Systematic study on calcium-dissolved organic matter interaction in a forward osmosis membrane-filtration system 원문보기

上下水道學會誌 = Journal of Korean Society of Water and Wastewater, v.30 no.6, 2016년, pp.737 - 744

허지용 (육군3사관학교) , 한종훈 (육군3사관학교) , 김예진 (육군3사관학교) , 허남국 (육군3사관학교)

Abstract ▼ AI-Helper

The investigation of effects on fouling propensity with various viscosity of feed solutions would be better understanding for forward osmosis (FO) performance since the fouling propensity was directly influenced with solution viscosity. Therefore, this study was focused on the FO fouling with model foultants (humic acid, alginate) by altering solution viscosity with change of ionic strength (I.S) and $Ca^{2+}$ concentrations. In the comparison between humic acid and alginate, as expected, the alginate generally caused more severe fouling (almost 35.8 % of flux reduction) based on the solution characteristics (high viscosity) and fouling patterns (coil and gel layer). However, interesting point to note is that the fouling propensity of alginate was more severe even though it was applied with low viscosity of feed conditions (I.S = 20 mM, $Ca^{2+}=1mM$). This might be due to that crossed linked gel layer of alginate on the FO membrane surface could be best formed in the condition of $Ca^{2+}$ presence and higher I.S, and that is more dominant to fouling propensity than the low viscosity of feed solutions.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

위에서 살펴본 바와 같이 Humic acid보다는 Alginate 의 경우가 이온강도의 변화에 의해 피드 용액의 점성이 크게 변화되었고 이는 앞에서 언급하였던 Resistancesin-series 모델에 의해 정삼투 공정에서 파울링에 의한 플럭스의 감소에 중요한 변인이 될 수 있다. 그리하여 다음 실험에서는 정삼투공정에서 Feed 용액에 Alginate 와 Humic acid가 출현하고 칼슘 및 이온강도가 변화 되었을 경우에 대하여, 파울링 발생에 의한 플럭스 감소현상이 어떻게 변화하는지 살펴보았다.
멤브레인의 자체의 저항성(Rm)뿐만 아니라, Rc로 표현되는 가역적 오염 저항인 케이크 형성층에 의한 저항 (m-1)이 존재하며, Ra로 표현되는 비가역 오염저항의 대표적인 흡착 오염 저항으로 분류될수 있다. 따라서 본 연구에서 식 (1)에 나타난 바와 같이 정삼투 공정에서 플럭스에 영향을 미치는 점성에 변화에 관심을 두고 연구를 진행하였다.
, 2010), 이는정삼투 멤브레인 공정을 적용한 해수담수화 과정에서 파악해야 할 중요한 부분이다. 따라서, 본 연구에서는유기물 존재 시 원수의 칼슘이온 및 이온강도의 변화가 Feed 용액의 점성에 어떠한 영향을 미치는 지 확인하였고, 이에 따른 정삼투 멤브레인 적용 시 하수에 존재하는 대표 유기물질인 Alginate와 Humic acid 출현 시 Ca²⁺ 이온 및 이온강도 변화에 대해 정삼투 멤브레인 공정에서의 파울링 특성 변화 및 플럭스의 감소 경향을 살펴보았다.

제안 방법

Alginate가 출현하였을 경우와 마찬가지로 Humic acid가 출현하였을 경우에 Ca2+ 및 이온강도의 조건이 플럭스에 미치는 영향을 파악하기 위해 DI water를 이용한 Baseline 실험을 진행하였다.
Baseline 실험은 정삼투 공정에서 Draw Solution이 희석되어 기본적으로 FO 공정상 유도삼투압이 감소됨에 따른 플럭스의 감소량을 확인하기 위해 시행되었으며, 3차 증류수에 Ca2+의 농도 0.1 mM 및 1.5 mM의전체 이온강도 조건에서 Alginate(60 mg⋅L-1)를 용해시키지 않은 상태로 진행하였다.
Ca²⁺ 와 Ionic Strength 변화에 따른 용액의 점성이 정삼투 공정에서 플러스 감소의 영향을 살펴보기 위해 용액에 Feed 용액과 동일한 농도의 Alginate와Humic acid가 출현하였을 때의 점성도를 측정하였다.FO 공정 실험은 각 실험 조건에서 12시간 동안 1분간격으로 Water flux를 측정하였다.
와 Ionic Strength 변화에 따른 용액의 점성이 정삼투 공정에서 플러스 감소의 영향을 살펴보기 위해 용액에 Feed 용액과 동일한 농도의 Alginate와Humic acid가 출현하였을 때의 점성도를 측정하였다.FO 공정 실험은 각 실험 조건에서 12시간 동안 1분간격으로 Water flux를 측정하였다. FO 공정 시험은Bench-scale의 2개의 채널을 갖는 FO 장치를 구성하였다.
Ionic Strength는 강도가 높았을 때와 낮았을 때를비교하기 위해 NaCl 로 0, 1.5, 20 mM 로 조정하였다.또한 칼슘이온(Ca²⁺) 농도에 따른 강도를 알아보기 위하여 CaCl2를 사용해 칼슘이온(Ca²⁺) 강도를 0, 0.
위의 식 (1)의 Resistances-in-series 모델에서 살펴본 바와 같이 케익층의 형성 및 흡착에 의한 플럭스의감소나, 가역 또는 비가역적인 파울링층의 형성에 의한 플럭스의 감소 모두 Feed용액의 점성에 영향을 받게 된다. 그리하여, 본 연구에서도 Resistances-in-series모델에 의해 정삼투공정의 피드용액에서 Ca2+ 이온의출현과 이온강도가 변화하였을 경우, 점성의 변화에 의해 플럭스의 감소에 중요한 변인이 될 수 있음으로 정삼투공정의 Fouling 실험에 앞서 Feed 용액에 Alginate와 Humic acid가 출현하였을 경우에 Feed 용액의 점성변화를 살펴보았다.
5, 20 mM 로 조정하였다.또한 칼슘이온(Ca²⁺) 농도에 따른 강도를 알아보기 위하여 CaCl2를 사용해 칼슘이온(Ca²⁺) 강도를 0, 0.25,1.0 mM 로 조정하여 FO 공정실험을 진행하였다. 유기물의 농도는 Alginate, Humic acid를 각각 60 ppm 으로 조정하여 실험을 진행하였다.
5 및 20 mM로 조정하여 실험을 진행하였다. 먼저 정삼투 공정에서 Foultant인 Alginate와 Ca²⁺ 및 이온강도의 조건이 플럭스에 미치는 영향을 파악하기 위해 Baseline 실험을 진행하였다.
유기물의 농도는 Alginate, Humic acid를 각각 60 ppm 으로 조정하여 실험을 진행하였다. 본 실험에서는 아래의 표와 같이 모든 FO 공정에서 Feed 용액의 조건변화를 고려하여 총 10가지 실험으로 진행하였다(Table 1).
0 mM 로 조정하여 FO 공정실험을 진행하였다. 유기물의 농도는 Alginate, Humic acid를 각각 60 ppm 으로 조정하여 실험을 진행하였다. 본 실험에서는 아래의 표와 같이 모든 FO 공정에서 Feed 용액의 조건변화를 고려하여 총 10가지 실험으로 진행하였다(Table 1).
유기물인 Alginate, Humic acid 각각 60 ppm으로 조정한 후 정삼투 공정을 적용하여 멤브레인 파울일에 관한 플럭스 감소량을 계측하였고, 실험 종료 후에 Alginate와 Humic acid에 의해 오염된 멤브레인 시편은 Fig. 3과 같다.
정삼투공정에서 칼슘이온 및 이온강도에 의한 플럭스 변화를 살펴보기 위하여 Ca²⁺의 농도는 0.1, 0.25 및 1 mM로, 이온강도는 1.5 및 20 mM로 하였다. Alginate가 출현하였을 경우와 마찬가지로 Humic acid가 출현하였을 경우에 Ca²⁺ 및 이온강도의 조건이 플럭스에 미치는 영향을 파악하기 위해 DI water를 이용한 Baseline 실험을 진행하였다.
정삼투공정에서 칼슘이온 및 이온강도에 의한 플럭스 변화를 살펴보기 위하여, Ca²⁺의 농도는 0.1, 0.25 및 1 mM로, 이온강도는 1.5 및 20 mM로 조정하여 실험을 진행하였다. 먼저 정삼투 공정에서 Foultant인 Alginate와 Ca²⁺ 및 이온강도의 조건이 플럭스에 미치는 영향을 파악하기 위해 Baseline 실험을 진행하였다.

대상 데이터

Louis, MO, USA)를 구입하여DOC(Dissolved Organic Carbon)의 농도가 60 mg⋅L-1가 되도록 원수를 조정하였다. DOC는 Total OrganicCarbon(TOC) Analyzer(Shimadzu Corp., Japan)를 이용하여 측정하였다. Humic acid도 Sigma-Aldrich Co.
FO 공정 실험은 각 실험 조건에서 12시간 동안 1분간격으로 Water flux를 측정하였다. FO 공정 시험은Bench-scale의 2개의 채널을 갖는 FO 장치를 구성하였다. 각 채널은 76 mm × 27 mm (length × width)의 크기로서 정삼투 멤브레인의 유효면적은 41.
FO 멤브레인(Hydration Technologies Inc, USA)은 상용화된 멤브레인을 구매하여 사용하였다. 본 연구에서 사용된 유기물질 Alginate는 Sodium alginate(SA,Sigma–Aldrich, St.
본 연구에서 사용된 유기물질 Alginate는 Sodium alginate(SA,Sigma–Aldrich, St. Louis, MO, USA)를 구입하여DOC(Dissolved Organic Carbon)의 농도가 60 mg⋅L-1가 되도록 원수를 조정하였다.
일반적으로 Feed 용액의 점성 변화를 일으키는 인자는 용액의 이온강도 및 온도 그리고 이러한 용액에 포함되어 있는 유기물 등에 의해 나타나게 된다. 본연구에서 수계에 존재하는 대표 유기물로 Alginate와Humic acid를 사용하였다. Alginate는 해양 생물인 갈조류를 추출하여 발견되었는데, 일반적으로 인체에 무독성이고 물에 용해되어 높은 점성효과를 나타낸다.

성능/효과

3.1절에서 논의되었던 피드 용액에서의 점성의 영향을 플럭스의 감소와 함께 살펴보면, NaCl에 의한 이온강도를 증가시킨 20 mM에서 Ca²⁺ 1 mM의 농도로동시에 출현하였을 경우 피드 용액의 점성은 크게 감소되었다. Resistances-in-series 모델에 의하면 증가된이온강도 및 Ca²⁺의 출현에 의해 점성은 감소되고, 이는 플럭스의 증대로 나타나야 한다.
Alginate가 출현하였을 경우와 마찬가지로 Humic acid가 출현하였을 경우에 Ca²⁺ 및 이온강도의 조건이 플럭스에 미치는 영향을 파악하기 위해 DI water를 이용한 Baseline 실험을 진행하였다. Ca²⁺의 농도 0.1, 0.25mM와 원수의 이온강도가 1.5 및 20 mM로 변화되었을 때의 플럭스 감소량은 각각 12.5, 14.5 및 18.7%로나타나게 되어 이온강도 증가 및 Ca²⁺의 출현에 따른 정삼투 공정에서의 플럭스 감소에 영향을 미쳤다. 이와 같은 이유는 휴믹산과 이온강도 및 Ca²⁺의 영향에서 찾아볼 수 있다.
1 %나 큰 비율로 감소하는 결과 값을 보여준다. Ca²⁺이온과 이온강도의 증에 따른 점성의 감소를 살펴보면, Ca²⁺의 농도가 증가할 경우에도Alginate용액의 점성은 감소하는 경향을 보였으나 그 감소비율은 5 % 이내로 이온 강도의 증가에 의한 점성의 감소보다는 그 크기가 미미하였다. 이러한 이유는 이온강도 증가에 따른 shielding 효과로서, 이러한이온강도의 증가가 Alginate 분자 및 코일의 반반력을감소시킴으로서 Alginate 용액의 점성 감소에 큰 역할을 수행하는 것이다.
25 mM 미만에서의 플럭스 감소영향은 크지않았다. 그러나, Ca²⁺의 농도가 동일한 이온강도 조건인 20 mM에서 1 mM로 증가하였을 경우는 Alginate의경우와 마찬가지로 플럭스 감소량이 가장 크게 감소하였고(10.5 LMH 로 감소), Baseline과 비교하여26.2%의 가장 큰 플럭스 감소를 나타내었다. 이는Ca²⁺의 상호작용에서 그 이유를 찾을 수 있는데, 이는휴믹산과 Ca²⁺의 상호작용에 있어 휴믹산이 가지고있는 특성에 기인한다.
원수의 전체 이온강도가 20 mM인 조건에서 Ca²⁺ 이온의 농도가 0.25에서 1 mM로 증가하였을 때 플럭스 감소량은 13.4에서 8.6 LMH로 35.8%의 가장 큰 플럭스 감소를 보였다. 이온강도 및 양이온의 증가에 따라 플럭스의 감소량은 더 심해지는 것으로 나타났으며, 큰 이온강도 및 양이온의 농도에서는 Alginate가 존재 할 경우가, Humic acid가 존재 할 경우보다 플럭스의 감소가 크게 나타났다.
25 mM에서 1 mM로 4배 증가하였을 경우에도Alginate 용액에서의 점성 변화는 거의 나타나지 않았다. 위에서 살펴본 바와 같이, Alginate 용액에서 점성의 변화는 Ca²⁺의 농도변화 보다는 이온강도의 변화가 주요한 원인임을 확인 할 수 있었다.
8%의 가장 큰 플럭스 감소를 보였다. 이온강도 및 양이온의 증가에 따라 플럭스의 감소량은 더 심해지는 것으로 나타났으며, 큰 이온강도 및 양이온의 농도에서는 Alginate가 존재 할 경우가, Humic acid가 존재 할 경우보다 플럭스의 감소가 크게 나타났다. 이는 기본적으로 Alginate가 용해된 feed 용액의 점성이 Humic acid가 용해된용액의 점성보다 크기 때문에, 멤브레인 저항층 모델에 의한 Feed용액의 점성에 의한 플럭스 감소가 주된 영향으로 판단된다.

후속연구

즉, Alginate의 경우는Ca²⁺ 이온 출현 시 FO 공정에서는 Ca²⁺ 이온이 FO 멤브레인 표면과 가교 역할을 수행하여 FO 멤브레인 표면에 케익층의 형성을 촉진하게 되고, 이것이 플럭스감소에 점성보다는 주요한 영향을 미친 것으로 판단된다. 정삼투공정에서 칼슘이온 출현 및 이온강도 상호작용에 의한 유기물의 막힘 특성은 실제 현장 적용시 이온강도 및 Foultant의 특성에 의해 정삼투의 플럭스 변화 특성은 달라질 것으로 예상되어, 향후 다양한변인에 의한 연구가 필요할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	큰 이온강도 및 양이온 농도에서 Alginate가 존재 할 때, Humic acid가 존재할 때보다 플럭스 감소량이 더 컸던 이유는?	이온강도 및 양이온의 증가에 따라 플럭스의 감소량은 더 심해지는 것으로 나타났으며, 큰 이온강도 및 양이온의 농도에서는 Alginate가 존재 할 경우가, Humic acid가 존재 할 경우보다 플럭스의 감소가 크게 나타났다. 이는 기본적으로 Alginate가 용해된 feed 용액의 점성이 Humic acid가 용해된용액의 점성보다 크기 때문에, 멤브레인 저항층 모델에 의한 Feed용액의 점성에 의한 플럭스 감소가 주된 영향으로 판단된다. 그러나 Alginate의 경우에서 특이한 점은, 큰 이온강도 및 양이온의 농도에서 칼슘과 이온강도에 증가에 따라 feed 용액의 점성이 감소했음에도 불구하고 플럭스가 더욱 심하게 감소하였는데,이는 Alginate와 멤브레인 표면과의 상호작용에서 그이유가 있는 것으로 판단되다. 즉, Alginate의 경우는Ca2+ 이온 출현 시 FO 공정에서는 Ca2+ 이온이 FO 멤브레인 표면과 가교 역할을 수행하여 FO 멤브레인 표면에 케익층의 형성을 촉진하게 되고, 이것이 플럭스감소에 점성보다는 주요한 영향을 미친 것으로 판단된다. 정삼투공정에서 칼슘이온 출현 및 이온강도 상호작용에 의한 유기물의 막힘 특성은 실제 현장 적용시 이온강도 및 Foultant의 특성에 의해 정삼투의 플럭스 변화 특성은 달라질 것으로 예상되어, 향후 다양한변인에 의한 연구가 필요할 것으로 판단된다.
	역삼투 멤브레인 공정의 단점은?	역삼투 공정의 경우 용해되어 있는 1가 이온들조차도 역삼투 멤브레인을 쉽게통과하지 못하며, 현재까지의 해수담수화 공정에는이러한 역삼투 멤브레인 공정이 가장 많이 적용되고있다. 하지만 역삼투 멤브레인 공정의 경우 높은 압력이 필요하게 됨에 따라 운영에 많은 에너지 및 관리 유지비용이 필요하게 된다. 또한, 역삼투 공정에서는 전처리 과정에서의 농도분극, 스케일을 비롯해유지관리가 힘들다는 추가적인 문제점 등이 발생하고 있다.
	정삼투 멤브레인 공정의 장점은?	Listiarini, et al, 2009). 이러한 정삼투 멤브레인 공정은 역삼투 멤브레인 공정과 달리 낮은 압력에서 담수 생산 공정이 진행되기 때문에 에너지 소모를 최소화 할 수 있으며, 설비 비용의 절감에도 효과적이다. 최근에는 Fig.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

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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