[논문]초음파 조사가 직접 접촉식 막증발 공정의 막오염과 막젖음에 미치는 영향

장용선; 최용준; 이상호

doi:10.11001/jksww.2016.30.3.343

초음파 조사가 직접 접촉식 막증발 공정의 막오염과 막젖음에 미치는 영향
Effect of ultrasonic irradiation on membrane fouling and membrane wetting in direct contact membrane distillation process 원문보기

上下水道學會誌 = Journal of Korean Society of Water and Wastewater, v.30 no.3, 2016년, pp.343 - 350

장용선 (국민대학교 건설시스템공학부) , 최용준 (국민대학교 건설시스템공학부) , 이상호 (국민대학교 건설시스템공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

Membrane distillation (MD) is a novel separation process that have drawn attention as an affordable alternative to conventional desalination processes. However, membrane fouling and pore wetting are issues to be addressed prior to widespread application of MD. In this study, the influence of ultrasonic irradiation on fouling and wetting of MD membranes was investigated for better understanding of the MD process. Experiments were carried out using a direct contact membrane distillation apparatus Colloidal silica was used as a model foulants in a synthetic seawater (35,000 mg/L NaCl solution). A vibrator was directed attached to membrane module to generate ultrasonic waves from 25 kHz (the highest energy) to 75 kHz (the lowest energy). Flux and TDS for the distillate water were continuously monitored. Results suggested that ultrasonic irradiation is effective to retard flux decline due to fouling only in the early stage of the MD operation. Moreover, wetting occurred by a long-term application of ultrasonic rradiation at 75 kHz. These results suggest that the conditions for ultrasonic irradiation should be carefully optimized to maximize fouling control and minimize pore wetting.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

그러나 아직까지 초음파가 막증발 공정에 미치는 영향과 메커니즘에 대하서는 아직까지 알려진 바가 많지 않다. 따라서 본 연구에서는 주파수를 변화시키며 막증발 분리막 모듈에 초음파를 직접 조사하여 초음파가 막증발 공정의 막오염과 막젖음에 미치는 영향을 연구하였다.

제안 방법

먼저 초음파 조사에 의한 분리막의 손상 여부를 막 오염 실험 전에 판단하기 위하여 35,000 mg/L 농도의 NaCl 용액을 원수로 사용하고 가장 강한 강도인 25 kHz, 30W로 초음파를 조사하며 여과플럭스와 생산수의 TDS변화를 살펴보았다.
본 연구에서는 분리막의 여과 측면에 낮은 온도의 냉각수를 직접 유입시켜 증기를 발생시키고 모듈 내부에서 증기를 응축하여 여과수를 얻는 직접 접촉식 막증발 공정(Direct Contact Membrane Dstillation, DCMD)을 실험에 적용하였다. 직접 접촉식 막증발공정은 장치구성이 간단하며, 운전이 용이한 장점이 있다.
또한 원수의 순환유량이 냉각수의 순환유량보다 높을 때 막젖음 현상이 발생했을 경우 냉각수의 수질을 확인하여 즉각적인 대처가 가능하다. 실험에 적용된 초음파 조사 주파수는 각각 25, 45, 72 kHz이며 모든 주파수에서 출력은 30W로 고정하여 연속적으로 초음파를 조사하였다. 원수와 냉각수의 온도는 각각 60˚C와 20˚C 로 설정하였으며 모듈의 유입/유출부에 연결된 디지털 온도계로 측정하였다.

대상 데이터

본 연구에서는 미국 Milipore사의 PVDF(Poly-vinylidene fluoride, Milipore) 재질의 소수성을 지닌 다공성 분리막을 사용하였으며 분리막의 평균 공극 크기는 0.22 μm 이고 두께는 125 μm, 공극률 75%이다. 원수는 증류수에 콜로이드 실리카(LUDOX TMA-30, Sigma Aldrich) 와 NaCl을 첨가하여 각각 농도가 10,000 mg/L과 35,000 mg/L되도록 조제하여 사용하였다.
22 μm 이고 두께는 125 μm, 공극률 75%이다. 원수는 증류수에 콜로이드 실리카(LUDOX TMA-30, Sigma Aldrich) 와 NaCl을 첨가하여 각각 농도가 10,000 mg/L과 35,000 mg/L되도록 조제하여 사용하였다. 실험에 사용한 콜로이드 실리카 입자의 평균 입도는 22 nm이다.

성능/효과

실험결과 운전초기에는 초음파 조사로 콜로이드 실리카에 의한 막증발 분리막의 막 오염을 완화시키는 현상이 나타났다. 그러나 장기간 초음파를 조사하게 되면 막오염의 속도가 오히려 증가하고 막젖음 현상도 같이 나타나는 것을 확인할 수있었다. 막오염 물질이 존재하지 않는 경우에는 이러한 현상이 나타나지 않는 것으로 보아, 막젖음의 원인은 막오염 물질과 초음파와의 상호작용에 의한 막 세공 내부로의 물 침투에 기인하는 것으로 판단되었다.
그러나 장기간 초음파를 조사하게 되면 막오염의 속도가 오히려 증가하고 막젖음 현상도 같이 나타나는 것을 확인할 수있었다. 막오염 물질이 존재하지 않는 경우에는 이러한 현상이 나타나지 않는 것으로 보아, 막젖음의 원인은 막오염 물질과 초음파와의 상호작용에 의한 막 세공 내부로의 물 침투에 기인하는 것으로 판단되었다. 또한 본 연구결과 고농도의 콜로이드 물질이 포함된 원수를 직접접촉식 막증발 공정으로 처리할 경우 막 오염 제어를 위해 초음파를 적용할 때 조사시간이나 방법 등에 대한 최적화가 필요한 것으로 나타났다.
본 연구에서는 직접 접촉식 막증발 공정에서 초음파 조사 의한 막오염 제어의 가능성을 검토하기 위한 실험을 수행하였다. 실험결과 운전초기에는 초음파 조사로 콜로이드 실리카에 의한 막증발 분리막의 막 오염을 완화시키는 현상이 나타났다. 그러나 장기간 초음파를 조사하게 되면 막오염의 속도가 오히려 증가하고 막젖음 현상도 같이 나타나는 것을 확인할 수있었다.

후속연구

막오염 물질이 존재하지 않는 경우에는 이러한 현상이 나타나지 않는 것으로 보아, 막젖음의 원인은 막오염 물질과 초음파와의 상호작용에 의한 막 세공 내부로의 물 침투에 기인하는 것으로 판단되었다. 또한 본 연구결과 고농도의 콜로이드 물질이 포함된 원수를 직접접촉식 막증발 공정으로 처리할 경우 막 오염 제어를 위해 초음파를 적용할 때 조사시간이나 방법 등에 대한 최적화가 필요한 것으로 나타났다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	막증발 기술이란?	막증발 기술은 소수성을 가진 다공성인 분리막을 이용하여 원수로부터 순수한 증기 상태로 물을 분리 하는 기술이다. 막증발 공정은 상변화를 통해 대상 원수를 처리하는 기술로서 해수에 있는 이온성 물질의 제거율이 100%에 가깝고, 폐열이나 신재생에너지를 구동력으로 사용하여 에너지 사용량을 크게 줄일 수 있는 장점이 있다(Duong.
	본 연구에서 사용된 다공성 분리막의 평균 공극 크기는?	본 연구에서는 미국 Milipore사의 PVDF(Poly-vinylidene fluoride, Milipore) 재질의 소수성을 지닌 다공성 분리막을 사용하였으며 분리막의 평균 공극 크기는 0.22 μm 이고 두께는 125 μm, 공극률 75%이다. 원수는 증류수에 콜로이드 실리카(LUDOX TMA-30, Sigma Aldrich) 와 NaCl을 첨가하여 각각 농도가 10,000 mg/L과 35,000 mg/L되도록 조제하여 사용하였다.
	본 연구의 실험에서 원수와 냉각수는 순환 유량은 각각 0.6 L/min과 0.4 L/min으로 설정한 이유는?	4 L/min으로 설정하였다. 순환 유량을 이와 같이 설정한 이유는 위의 조건에서 운전 효율(여과플럭스, 제거율 등)이 가장 높게 나타났기 때문이다. 또한 원수의 순환유량이 냉각수의 순환유량보다 높을 때 막젖음 현상이 발생했을 경우 냉각수의 수질을 확인하여 즉각적인 대처가 가능하다. 실험에 적용된 초음파 조사 주파수는 각각 25, 45, 72 kHz이며 모든 주파수에서 출력은 30W로 고정하여 연속적으로 초음파를 조사하였다.

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