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문제 정의
- 본 연구에서는 고염도 폐수의 농축 공정에 정삼투 공정의 적용 가능성을 알아보기 위해 몇 가지 조건에서 정삼투막 엘리먼트의 성능을 실험적으로 분석하였다. 작은 면적의 막과는 달리 엘리먼트 입구와 출구의 삼투압 차이가 클 것이기 때문에 작은 면적의 막을 이용하여 평가하는 막의 성능과는 큰 차이를 보일 것이다.
제안 방법
- 3(b), (d), (f)는 그에 따른 물 투과유량과 플럭스 결과를 보여주고 있다. 3가지 경우에서 두 용액의 초기 삼투압 차는 각각 약 56.1, 47.4, 35.0 bar이며, 그림 내에 표시된 수직의 점선이 위치하는 시간까지는 유도용액의 농도를 변화시키지 않고 일정하게 유지하였고, 이후 물을 투입하여 희석하여 공급수와의 삼투압차를 감소시켰다.
- 이를 위해 유도용액과 공급수의 농도 변화에 따른 막 엘리먼트(또는 모듈)의 성능을 측정하기 위한 새로운 성능 측정방법이 사용되었다. 또한, 엘리먼트 6개를 직렬 연결한 모듈에서의 투과 및 농축 성능분석을 수행하였다. 즉, 농축팩터(concentration factor) 향상을 위해서는 막 엘리먼트를 직렬로 연결하여 회수율을 높이기 때문에 직렬 배열에 따른 성능이 분석되었다.
- 정삼투막 엘리먼트의 성능 측정을 위해 엘리먼트(또는 모듈)의 공급수측 배관과 유도용액측 배관의 입출구에 유량계를 설치하여 투과유량을 측정하였다. 또한, 일정한 실험조건을 유지하고 정확한 성능을 분석하기 위해 유량계 외에도 압력계, 전도도계, 온도계를 각각의 입출구에 설치하였다.
- 본 연구에서는 평판형 정삼투막 엘리먼트와 이 엘리먼트가 직렬로 연결된 모듈의 성능을 삼투압차를 변화시키면서 분석하였다. 작은 면적만 사용하여 분석하게 되는 막의 성능과는 달리, 실제 공정 및 시스템에 사용하는 대면적 엘리먼트의 성능은 큰 차이를 보였으며, 6개의 엘리먼트를 직렬로 연결하여 막면적을 더 증가시키면 사용된 총면적에 기반을 둔 플럭스는 더 큰 감소를 보였다.
- 3은 삼투압차의 감소에 따른 단일 정삼투막 엘리먼트의 투과 성능을 보여주고 있다. 약 73.7 g/L의 유도용액과 3가지 농도(10.2, 21.9, 35.4 g/L)의 공급수를 대응시켰으며, 각각의 공급수 농도는 실험 전기간 동안 일정하게 유지한 반면 유도용액의 농도는 일정 시간이 지난 후에 물을 일정한 유량으로 투입하여 농도변화(희석에 따른 삼투압차 감소)를 유도하였고 그에 따른 모듈의 투과성능을 측정하였다.
- 5는 삼투압차의 증가에 따른 단일 정삼투막 엘리먼트의 투과 성능을 보여주고 있다. 약 73.7 g/L의 유도용액과 50.5 g/L의 공급수를 대응시켰으며, 4.2.1항의 경우와는 반대로 유도용액의 농도는 실험 전 기간동안 일정하게 유지한 반면, 공급수의 농도는 일정 시간이 지난 후에 물을 일정한 유량으로 투입하여 희석하면서 농도변화(삼투압차 변화)를 유도하였고 그에 따른 모듈의 투과성능을 측정하였다.
- 초기에 제조된 두 용액의 농도는 실험 시작 후 어느 정도의 시간동안은 변하지 않도록 유지하다가 특정한 한 용액만 임의의 시간이 지나면 물(수도물)을 공급하여 희석시켜 농도변화를 유도하였다. 유도용액의 농도를 희석시켜 삼투압차를 감소시키거나 공급수의 농도를 희석시켜 삼투압차를 증가시켜 변화에 따른 투과성능을 분석하였다.
- 유도용액의 초기 농도는 약 73.6 g/L로, 공급수의 초기 농도는 약 10.2, 21.9, 35.4, 50.5 g/L로 제조하여 사용하였다. 유도용액과 공급수 측의 입구 유량은 모두 약 10 L/min으로 유지하였으며, 공급수 측과 유도용액 측의 압력차(transmembrane pressure)는 단일 막 엘리먼트에서는 약 0.
- 정삼투 공정은 삼투압차의 크기에 크게 영향을 받기 때문에 공급수와 유도용액의 농도에 따른 투과 및 농축 성능을 분석하였다. 이를 위해 유도용액과 공급수의 농도 변화에 따른 막 엘리먼트(또는 모듈)의 성능을 측정하기 위한 새로운 성능 측정방법이 사용되었다. 또한, 엘리먼트 6개를 직렬 연결한 모듈에서의 투과 및 농축 성능분석을 수행하였다.
- 작은 면적의 막과는 달리 엘리먼트 입구와 출구의 삼투압 차이가 클 것이기 때문에 작은 면적의 막을 이용하여 평가하는 막의 성능과는 큰 차이를 보일 것이다. 정삼투 공정은 삼투압차의 크기에 크게 영향을 받기 때문에 공급수와 유도용액의 농도에 따른 투과 및 농축 성능을 분석하였다. 이를 위해 유도용액과 공급수의 농도 변화에 따른 막 엘리먼트(또는 모듈)의 성능을 측정하기 위한 새로운 성능 측정방법이 사용되었다.
- 실험을 위해 제작된 정삼투 시스템에는 평판형 정삼투막 엘리먼트(Porifera사, 엘리먼트의 막면적 7 m2)가 사용되었으며, 엘리먼트 1개(막면적 7 m2)의 성능과 6개 직렬(막면적 42 m2) 연결시의 성능을 각각 측정할 수 있도록 구성되었다. 정삼투막 엘리먼트의 성능 측정을 위해 엘리먼트(또는 모듈)의 공급수측 배관과 유도용액측 배관의 입출구에 유량계를 설치하여 투과유량을 측정하였다. 또한, 일정한 실험조건을 유지하고 정확한 성능을 분석하기 위해 유량계 외에도 압력계, 전도도계, 온도계를 각각의 입출구에 설치하였다.
- 정삼투막의 물질전달 특성(transport property)은 교차흐름 멤브레인 셀을 이용하여 측정하였다. 역삼투 조건에서 측정된 수투과도(A)와 염투과도(B)는 각각 2.
- 정삼투막의 물질전달 특성인 수투과도(A), 염투과도(B), 및 구조인자(S)는 막의 성능시험에 사용되는 기존의 교차흐름 멤브레인 셀을 이용하여 A와 B는 역삼투 조건(RO mode)에서, S는 정삼투 조건(FO mode)에서 측정하였다.
대상 데이터
- 1과 2와 같다. 실험을 위해 제작된 정삼투 시스템에는 평판형 정삼투막 엘리먼트(Porifera사, 엘리먼트의 막면적 7 m2)가 사용되었으며, 엘리먼트 1개(막면적 7 m2)의 성능과 6개 직렬(막면적 42 m2) 연결시의 성능을 각각 측정할 수 있도록 구성되었다. 정삼투막 엘리먼트의 성능 측정을 위해 엘리먼트(또는 모듈)의 공급수측 배관과 유도용액측 배관의 입출구에 유량계를 설치하여 투과유량을 측정하였다.
성능/효과
- 9와 같다. 6개의 엘리먼트가 직렬로 연결된 하나의 모듈에서는 앞에서 언급한 조건에서 공급수가 2.76 배가량 농축되는 것을 확인할 수 있었다. 유도용액의 희석에 따른 삼투압차 감소 시에는 당연히 농축팩터도 감소한다.
- 49L/m2h를 얻을 수 있었다. 공급수가 희석되어 유도용액과의 삼투압차가 점점 커지게 되면 막 엘리먼트에서의 투과유량도 점차 늘어나는 것을 확인하였다.
- 본 연구에서는 평판형 정삼투막 엘리먼트와 이 엘리먼트가 직렬로 연결된 모듈의 성능을 삼투압차를 변화시키면서 분석하였다. 작은 면적만 사용하여 분석하게 되는 막의 성능과는 달리, 실제 공정 및 시스템에 사용하는 대면적 엘리먼트의 성능은 큰 차이를 보였으며, 6개의 엘리먼트를 직렬로 연결하여 막면적을 더 증가시키면 사용된 총면적에 기반을 둔 플럭스는 더 큰 감소를 보였다. 하지만, 앞에서 설명한 바와 같이 공급수를 연속적으로 처리하여 회수율을 높이기 위해서는 엘리먼트의 직렬 구성은 꼭 필요하며 그러한 직렬 구성 시 성능 분석은 실제 수처리 플랜트를 설계하기 위해 반드시 선행되어야 한다.
- 0 bar이었다. 특히, 35.4 g/L의 공급수가 적용된 경우에는 유도용액의 농도를 공급수의 농도보다 더 낮게까지 희석하여 공급수의 삼투압이 유도용액측의 삼투압보다 더 높아지게 유도하여 물의 투과 방향이 역전되는 현상을 확인하였다. Fig.
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