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문제 정의
- 정삼투막의 활성층이 유입수 측을 향하도록 Membrane cell내에 배치하여 실험을 진행하였으며, 가압 시 정삼투막의 변형 억제를 위해 Membrane cell 내 유도용액 측 유로에 RO permeate carrier (Hydranautics, CA, USA)를 11장 삽입하여 가압조건에서 안정적인 운전이 가능케 하였다. 또한, 5 bar 및 10 bar 운전 전에 증류수(DI water)를 이용하여 2시간 동안 안정화를 진행하여, 본 운전에서 정삼투막의 변형을 최소화하고자 하였다. 운전 초기 20분 동안 얻은 데이터는 제거하여 데이터 안정성을 확보하였다.
- 본 연구는 기존 S-D model을 이용하여 가압형 정삼 투 운전 시 정삼투막의 Structure parameter 변화양상을 예측하고자 하였다. 연구 배경에서 가압 시 정삼투막 지지층의 압밀화로 인해 투과 저항성이 증가하여 압력이 증가할수록 Structure parameter가 증가할 것이라 가설을 세웠다.
- 본 연구에서는 가압형 정삼투 운전 시 야기되는 수투과도 및 염투과도의 변화를 실측하고, 이를 바탕으로 Structure parameter 변화에 대한 예측을 수행하였다. 가압시 정삼투막의 압밀화에 의해 유도용질의 확산에 대한 저항성이 커져 Structure parameter가 증가하고, 일정한 압력조건에서 유도용액 농도 고정 시 유입수의 초기 농도 변화에 대하여 Structure parameter는 일정한 값을 나타낼 것이라고 가설을 세워 이를 검증하고자 하였다.
가설 설정
- 가압 시 지지층의 압밀화로 인해 정삼투막의 두께와 공극률이 감소한다고 가정하여 물리적 특성치 변화의 방향성을 설정하였다. 이를 바탕으로, 해석의 용이성을 위해 식 (4)에서 지지층의 두께를 고려하지 않고 해석하면(즉, S=L/ε), 가압 시에 Structure parameter의 감소에 공극률이 감소하여 영향을 미치는 것보다 지지층 내 평균 유로 길이가 현저하게 줄어들어 미치는 영향이 더 큰 것으로 해석할 수 있다.
- 본 연구에서는 가압형 정삼투 운전 시 야기되는 수투과도 및 염투과도의 변화를 실측하고, 이를 바탕으로 Structure parameter 변화에 대한 예측을 수행하였다. 가압시 정삼투막의 압밀화에 의해 유도용질의 확산에 대한 저항성이 커져 Structure parameter가 증가하고, 일정한 압력조건에서 유도용액 농도 고정 시 유입수의 초기 농도 변화에 대하여 Structure parameter는 일정한 값을 나타낼 것이라고 가설을 세워 이를 검증하고자 하였다. 일차적으로, 유입수 측 수압 변화에 따른 유도용액 농도별 정삼투막 성능평가를 수행하였고, 이 결과를 바탕으로 S-D model을 이용하여 예측정확도 및 상관성을 파악하였으며, 이에 따른 가압 시 Structure parameter의 변화양상 예측을 수행하였다.
- 그러나, S-D model을 이용한 예측은 정삼투막 지지층의 구조적 특성치에 대한 고려를 단순히 공극률과 유도용질의 확산계수를 함께 고려한 유효확산계수(Effective diffusion coefficient, De=D⋅ε)라는 개념을 지지층 내 평균 유로 길이 범위 (L) 내에 존재하는 모든 유도용질에 일률적으로 적용할 수 있다고 가정 한다[9,10,14,19].
- 그러나, S-D model을 이용한 예측은 정삼투막 지지층의 구조적 특성치에 대한 고려를 단순히 공극률과 유도용질의 확산계수를 함께 고려한 유효확산계수(Effective diffusion coefficient, De=D⋅ε)라는 개념을 지지층 내 평균 유로 길이 범위 (L) 내에 존재하는 모든 유도용질에 일률적으로 적용할 수 있다고 가정 한다[9,10,14,19]. 동시에, S-D model의 Convective transport를 설명하는 항은 단순히 유입수로부터 유도용액 방향의 수투과를 지지층의 구조체에 의해 흐름에 영향을 받지 않는 이상적인 Volumetric flow로 가정하고, 이를 Convective transport로 고려하여 유도용질의 유입수 방향으로의 Diffusive transport를 억제한다고 가정한다.
- 본 실험에서 사용된 유도용질인 NaCl의 확산계수는 1.5 × 10-9 m2 /s를 적용하였으며, 농도 변화에 따라 큰 변화가 없는 것으로 가정하였다[17].
- 본 연구는 기존 S-D model을 이용하여 가압형 정삼 투 운전 시 정삼투막의 Structure parameter 변화양상을 예측하고자 하였다. 연구 배경에서 가압 시 정삼투막 지지층의 압밀화로 인해 투과 저항성이 증가하여 압력이 증가할수록 Structure parameter가 증가할 것이라 가설을 세웠다. 그러나, 가압 시 Structure parameter는 감소하는 것으로 예측되었으며, 이는 투과 저항성의 감소는 지지층의 공극률 감소에 의한 영향보다 지지층 굴곡도의 현저한 감소에 기인한 것으로 사료된다.
- 위 두 가지 가정은 유도용질의 확산에는 지지층의 구조에 의한 물리적인 영향을 고려하나, 지지층 내에서 수투과를 Convective transport로 해석하는 부분에서는 지지층의 구조에 영향을 받지 않는다는 상호 모순된다고 할 수 있는 점이 존재한다. 기존 연구에서도 S-D model을 이용한 Structure parameter예측에 있어 물질전달에 대한 가정이 예측 정확도를 감소시킨다는 연구결과가 있으며[20,21], 동일한 농도 조건임에도 지지층의 공극 크기 변화에 따라 수투과도 및 염투과도가 영향을 받는다는 결과[22]도 위 모순점을 뒷받침한다.
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