[논문]압력지연삼투(PRO) 공정에서 막 모듈 배치와 유입원수의 유입 흐름방식이 성능에 미치는 영향

고길현; 김동현; 박태신; 강임석

doi:10.11001/jksww.2016.30.3.271

압력지연삼투(PRO) 공정에서 막 모듈 배치와 유입원수의 유입 흐름방식이 성능에 미치는 영향
Effect of Membrane Module and Feed Flow Configuration on Performance in Pressure Retarded Osmosis 원문보기

上下水道學會誌 = Journal of Korean Society of Water and Wastewater, v.30 no.3, 2016년, pp.271 - 278

고길현 (부경대학교 환경공학과) , 김동현 (부경대학교 환경공학과) , 박태신 (GS 건설) , 강임석 (부경대학교 환경공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, reverse osmosis (RO) is the most common process for seawater desalination. A common problem in both RO and thermal processes is the high energy requirements for seawater desalination. The one energy saving method when utilizing the osmotic power is utilizing pressure retarded osmosis (PRO) process. The PRO process can be used to operate hydro turbines for electrical power production or can be used directly to supplement the energy required for RO desalination system. This study was carried out to evaluate the performance of both single-stage PRO process and two-stage PRO process using RO concentrate for a draw solution and RO permeate for a feed solution. The major results, were found that increase of the draw and feed solution flowrate lead to increase of the production of power density and water permeate. Also, comparison between CDCF and CDDF configuration showed that the CDDF was better than CDCF for stable operation of PRO process. In addition, power density of two-stage PRO was lower than the one of single-stage. However, net power of two-stage PRO was higher than the one of single-stage PRO.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 SWRO-PRO hybrid 공정 중 PRO 공정에서 막 모듈의 직렬연결을 통한 PRO 공정의 성능을 파악하기 위하여 수행되었다. 본 연구에서는 8 in 나권형 PRO 막 모듈을 이용한 20 m³/day 규모의 파일럿 플랜트에서 single-stage PRO process와 two-stage PRO process에서 유입유량에 대한 투과수량 및 전력밀도를 조사하였으며, two-stage PRO process에서 유입원수의 유입 방식에 따른 투과수량, 전력밀도, 에너지 생산량에 대하여 조사하였다.
본 연구는 SWRO-PRO hybrid 공정 중 PRO 공정에서 막 모듈의 직렬연결을 통한 PRO 공정의 성능을 파악하기 위하여 수행되었다. 본 연구에서는 8 in 나권형 PRO 막 모듈을 이용한 20 m³/day 규모의 파일럿 플랜트에서 single-stage PRO process와 two-stage PRO process에서 유입유량에 대한 투과수량 및 전력밀도를 조사하였으며, two-stage PRO process에서 유입원수의 유입 방식에 따른 투과수량, 전력밀도, 에너지 생산량에 대하여 조사하였다.

제안 방법

PRO 공정에서 유도용액과 유입원수의 유입유량에 따른 영향을 비교하기 위해 두 용액의 유입비를 1:1로 하여 유입 유량변화에 따른 투과수량 및 전력밀도를 비교하였다. Fig.
Two-stage PRO process의 성능 및 유입원수(feed solution)의 유입 흐름 방식에 따른 성능 비교를 위해 운전 압력 5∼30 bar, 유입비 1:1, 유입유량은 각각 5.0 L/min, 10.0 L/min으로 실험을 수행 하였다.
따라서 본 연구에서는 20 m³/day의 PRO 파일럿 플랜트에 8 in. 나권형 막 모듈 2개를 직렬로 연결하여 PRO 공정에서 유량, 압력, 유입원수의 유입 방식 등에 따른 PRO 공정의 투과수량, 전력밀도, 에너지생산량을 조사하였다.
모듈의 직렬연결을 통한 성능 변화를 알아보기 위해 single-stage PRO process와 two-stage PRO process를 비교 수행 하였다. 유입유량비 1:1, 유입유량 5.
모듈의 직렬연결을 통한 성능 변화를 알아보기 위해 single-stage PRO process와 two-stage PRO process를 비교 수행 하였다. 유입유량비 1:1, 유입유량 5.0 L/min과 10.0 min을 비교 하였다. Fig.
두 용액 모두 컨트롤 벨브와 리턴 벨브에 의해 유량을 조절하며, 유도용액의 경우 backpressure 벨브에 의해 압력을 제어하게 된다. 투과수량 및 전력밀도는 유도용액의 유량 변화를 통해 매 30초 단위로 측정하여 계산하였다.

대상 데이터

본 실험을 위하여 20 m³/day 규모의 PRO 파일럿 플랜트를 이용하였다. Fig.
본 연구에 사용된 PRO 모듈은 Toray Chemical 사에서 제공한 CSM-PRO 2 모듈을 사용 하였다. 막은 나권형 모듈이며 유효막면적 18 m², A(water permeability)는 2.
2과 같다. 실험에 사용된 용액은 염분농도 35,000 mg/L (0.6 M NaCl)을 제조하여 RO 공정을 거친 후 농축수는 유도용액(염분농도 50,000 or 70,000 mg/L)으로 생산수(RO 투과수)는 유입원수(염분농도 400 mg/L)로 사용 하였다.

성능/효과

19 cm/s이다. 2.4 L/min의 유량에서 최대 전력밀도는 0.7 W/m², 5.0 L/min의 유량에서는 2.71 W/m², 10.0 L/min의 유량에서는 3.68 W/m²이 도출되었다. 유량이 증가 할수록 투과수량이 증가하고 이로 인해 전력밀도 또한 높게 나타나는 것을 알수 있다.
CDDF)에 따른 비교 결과 성능의 차이는 크게 나타나지 않았으나, CDDF의 방식이 고압조건의 PRO 공정에서 안정정인 운전을 할 수 있는 것으로 나타났다. 또한 single-stage PRO process 보다 two-stage PRO process가 전력밀도는 낮으나, 에너지의 생산량은 투과수량이 증가하여 약 1.5배 높게 나타났다. 전력밀도는 PRO 막의 성능을 평가하는 중요 인자 중 하나이지만, PRO 공정의 성능의 평가에 있어서 전력밀도는 에너지 생산량 함께 비교하여 고려되어야 할 것으로 판단된다.
실험에 의하여 도출된 결과로는 single-stage PRO process와 two-stage PRO process 모두 유량의 증가는 투과수량과 전력밀도를 증가시키는 것을 알 수 있다. 또한 two-stage PRO process에서 유입원수의 유입 흐름 방식(CDCF vs. CDDF)에 따른 비교 결과 성능의 차이는 크게 나타나지 않았으나, CDDF의 방식이 고압조건의 PRO 공정에서 안정정인 운전을 할 수 있는 것으로 나타났다. 또한 single-stage PRO process 보다 two-stage PRO process가 전력밀도는 낮으나, 에너지의 생산량은 투과수량이 증가하여 약 1.
유량이 증가 할수록 투과수량이 증가하고 이로 인해 전력밀도 또한 높게 나타나는 것을 알수 있다. 또한 최대전력밀도를 형성하는 압력은 유량이 증가 할수록 각각 13.6 bar, 17.7 bar, 19.2 bar로 증가하는 것을 알 수 있다. 이는 유량의 증가가 막 내부의 유속을 증가시킴으로써 막 내·외부의 농도분극 현상과 역염투과의 감소로 인해 유효삼투압이 증가하여(Altaee et al.
실험에 의하여 도출된 결과로는 single-stage PRO process와 two-stage PRO process 모두 유량의 증가는 투과수량과 전력밀도를 증가시키는 것을 알 수 있다. 또한 two-stage PRO process에서 유입원수의 유입 흐름 방식(CDCF vs.
0 L/min에서 약 46% 증가 하였다. 이를 통해 총 유효 막면적의 증가로 인해 전력밀도는 감소하지만 총 투과수량은 증가하는 것을 알 수 있다. Fig.
0 W/m² 낮게 나타났다. 전력밀도의 감소율은 5.0 L/min에서 약 25%, 10.0 L/min에서 약 26%이며, 투과수량의 증가는 5.0 L/min에서 약 55%, 10.0 L/min에서 약 46% 증가 하였다. 이를 통해 총 유효 막면적의 증가로 인해 전력밀도는 감소하지만 총 투과수량은 증가하는 것을 알 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	압력지연삼투 공정은 어떤 기술인가?	PRO 공정은 RO 기술을 이용한 해수담수화 공정에서 사용되는 에너지를 저감 하며, 해양으로 배출 되는 농축수를 희석시켜 해양환경에 미치는 영향을 최소화 할 수 있는 기술이다. PRO 연구는 최근 평막을 이용한 실험실 규모의 PRO 공정에 대한 연구와 중공사 막 모듈을 이용한 PRO 공정에 대한 연구는 광범위하게 진행 되어 왔으나, RO 공정의 농축수를 이용하며, 나권형 막 모듈을 통한 연구는 미흡한 실정이다.
	역삼투 해수 담수화 공정의 2005년 점유율과 미래 전망치는 어떠한가?	전 세계적으로 물 부족 현상이 심화 되고 있는 가운데, 물 부족 문제를 해결하기 위한 방안으로 지구상 수자원의 98%를 차지하고 있는 해수를 이용한 해수 담수화 방법이 가장 전망 있는 방법으로 제시되고 있다. 현재 담수화 공정으로 가장 널리 사용되고 있는 역삼투(reverse osmosis: RO) 해수 담수화 공정은 2005년 45% 이상의 점유율로 담수화 시장을 지배하는 기술로 꾸준히 성장 중이며, 향후 전체 해수 담수화 시장의 70% 이상을 점유하리라 예측되고 있다. RO 공정은 다른 담수화 방법인 증발법에 비해 에너지 사용량이 낮지만 여전히 에너지 소비규모는 큰 편이다.
	RO 공정의 특징은 무엇인가?	현재 담수화 공정으로 가장 널리 사용되고 있는 역삼투(reverse osmosis: RO) 해수 담수화 공정은 2005년 45% 이상의 점유율로 담수화 시장을 지배하는 기술로 꾸준히 성장 중이며, 향후 전체 해수 담수화 시장의 70% 이상을 점유하리라 예측되고 있다. RO 공정은 다른 담수화 방법인 증발법에 비해 에너지 사용량이 낮지만 여전히 에너지 소비규모는 큰 편이다. 에너지 회수 장치를 이용한 에너지 감소 방법은 이미 열역학적 최소치에 이르렀고 해수 담수화플랜트의 에너지 소비율은 약 4 kWh/m3으로 기술적 정체현상에 있다(Lee et al.

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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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