[논문]CO2를 이용한 RO 막의 스케일 생성 저감 연구

표민수; 최영균

doi:10.11001/jksww.2016.30.4.391

[국내논문] CO2를 이용한 RO 막의 스케일 생성 저감 연구
A study on reducing scale formation on the RO membrane using carbon dioxide 원문보기

上下水道學會誌 = Journal of Korean Society of Water and Wastewater, v.30 no.4, 2016년, pp.391 - 399

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, carbon dioxide ($CO_2$) was used as an inhibitor of scale production on the surface of RO membrane. In order to compare the effects of $CO_2$ injection on scale production, four RO modules: 1) without $CO_2$ injection and anti-scalant (RO module #1), 2) with only $CO_2$ injection (RO module #2), 3) with only anti-scalant (RO module #3), 4) with both $CO_2$ injection and anti-scalant (RO module #4), were operated for 60 days under constant flux mode. The trans-membrane pressure (TMP) was observed to decrease significantly in RO modules with $CO_2$ injection as compared with the other RO modules. When the feed water pH was controlled at 5.0 by injecting $CO_2$, the maximum TMP in RO modules #2 and #4 was founded to decrease by 42 and 40%, respectively. Moreover, the $Ca^{2+}$ concentration in the concentrate was 20mg/L lower in RO modules without $CO_2$ injection which is attributed to the scale formation on the surface of the RO membranes. The SEM-EDS analysis further showed a serious fouled RO membrane surface in RO modules #1 and #3.

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문제 정의

본 연구에서는 CO₂를 주입하였을 경우, RO 막을 스케일 발생 거동을 anti- scalant 주입시와 비교하여 평가하고자 하였다. 주기적인 화학세정 (CIP, CleaningIn-Place) 외에 아무런 스케일 억제 조치를 수행하지 않은 control 모듈, anti-scalant 단독 주입, CO₂ 단독 주입, CO₂와 anti-scalant 혼합 주입 등의 4개 모듈을 3개월 이상 운영하여 스케일 억제제로서 CO₂의 활용 가능성을 타진해보고자 하였다.
를 주입하였을 경우, RO 막을 스케일 발생 거동을 anti- scalant 주입시와 비교하여 평가하고자 하였다. 주기적인 화학세정 (CIP, CleaningIn-Place) 외에 아무런 스케일 억제 조치를 수행하지 않은 control 모듈, anti-scalant 단독 주입, CO₂ 단독 주입, CO₂와 anti-scalant 혼합 주입 등의 4개 모듈을 3개월 이상 운영하여 스케일 억제제로서 CO₂의 활용 가능성을 타진해보고자 하였다. 이는 최근 들어 제철소를 중심으로 CO₂ 발생량이 급격히 증가하고 있을 뿐만 아니라 배출사업장으로부터 매우 높은 순도의 CO₂를 저렴한 가격으로 공급받을 수 있기 때문이다.
본 연구에서는 RO 막 모듈의 스케일 생성 억제를 위한 CO₂ 주입 효과에 대한 분석을 실시하였다. 비교･검토를 위해 CO₂와 anti-scalant 모두 주입하지 않은 control 모듈, CO₂만 주입한 모듈, anti-scalant만 주입한 모듈, 그리고 CO₂와 anti-scalant를 모두 주입한 모듈을 60일간 운영하였다.

제안 방법

하수재이용을 위한 RO 모듈 운영을 위해서는 전처리 시스템 구성이 필요하다. 본 연구에서는 하수처리 및 RO 모듈 운영을 위한 전처리 개념으로서 MBR 시스템을 구성하여 RO 모듈과 함께 운영하였다 (Fig. 1).
9mgP/L로 나타났다. 본 연구에서는 MBR 유출수에 수돗물을 동일한 비율로 혼합하여 각 RO 모듈에 주입하였다. RO 모듈 유입수 TDS 농도는 568-583 mg/L, Ca²⁺는 52-58mg/L였다.
RO 모듈 유입수 TDS 농도는 568-583 mg/L, Ca²⁺는 52-58mg/L였다. MBR 유출수가 RO 모듈 유입수량의 50%를 차지하였기 때문에 bio-fouling도 함께 발생하였을 것으로 예상되었으나 본 연구에서는 이에 대해 별도의 분석을 실시하지는 않았다. 그러나 control module을 운영하여 각각의 RO module에 대한 CO₂와 anti-scalant 주입에 따른 비교･분석을 할 수 있었다.
RO 모듈은 총 4 set로 구분하여 운영하였으며, 각 모듈별 운영방법 역시 Table 2에 함께 제시하였다. 모든 RO 모듈은 정유량방식으로 연속 운전하였고, 약 15일 주기로 CIP를 실시하였다. RO 모듈은 농축수 배출량을 조절하여 처리수의 플럭스가 3.
모든 RO 모듈은 정유량방식으로 연속 운전하였고, 약 15일 주기로 CIP를 실시하였다. RO 모듈은 농축수 배출량을 조절하여 처리수의 플럭스가 3.5LMH로 일정하게 유지되도록 하는 정유량 방식으로 운전하였으며, 회수율 (recovery)은 80%였다. CIP는 알칼리 세정 및 증류수세정, 산세정 방식으로 순차적으로 진행하였으며, 약품 및 증류수 세정 유량과 세정 시간은 10ml/min과 30분으로 하였다.
5LMH로 일정하게 유지되도록 하는 정유량 방식으로 운전하였으며, 회수율 (recovery)은 80%였다. CIP는 알칼리 세정 및 증류수세정, 산세정 방식으로 순차적으로 진행하였으며, 약품 및 증류수 세정 유량과 세정 시간은 10ml/min과 30분으로 하였다. CIP를 위해 EDTA 1% (w/w), NaOH 0.
2% (w/w) 용액을 사용하였다. RO module #1, 3, 4는 총 60일간 3회의 CIP를 포함하여 운전을 실시하였다. RO module #2는 60일간 유입수 pH를 6.
0으로 제어하면서 동일한 방법으로 운전하였다. 운전 종료 후 모든 RO 막을 절단하여 표면형상과 성분분석을 실시하였다.
사용 종료된 RO 막의 표면형상과 성상분석을 위해 SEM-EDS (Scanning Elctron Microscopy– Energy Dispersive Spectroscopy, Hitachi SU-70, Japan)를 이용하였다.
2으로 유지시키도록 유입수의 pH를 조절하면 CaCO₃를 물에 포화시키지 않으면서 부식에 미치는 영향도 최소화시킬 수 있다는 보고도 있다 (Nitto Hydranautics, 2013). 본 연구에서는 4개 RO 모듈의 농축수를 주기적으로 채취하여 온도, 알칼리도, 칼슘이온농도, TDS를 측정하여 LSI를 분석하였다.
시료 중의 이온성분 분석을 위해 IC (Ion Chromatography ICS-5000, Thermo)를 사용하였다. 분석칼럼으로 IonPac CG12 (Guard)와 CS12 (Separation)를 사용하였고, 전기 전도도 증폭을 위해 CRS-500 suppressor를 사용하였다. Eluent로는 20mM의 MSA (Methanesulfonic acid)를 사용하였다.
2에 RO module#1~#4에 대한 60일 간의 운전 결과, TMP (막간차압) 변화를 제시하였다. 본 연구에서는 RO 막의 플럭스를 3.5LMH로 고정하여 정유량 여과를 실시하였으며, 운전 기간 동안 15일 간격으로 총 3회의 CIP를 실시하였다. 운전 초기 10일 동안 RO 모듈의 기저 TMP 값에는 큰 변화가 없이 약 0.
본 연구에서는 CaCO₃ 스케일 생성 방지를 위해 유입수에 CO₂를 주입하였으며 이에 따른 RO module #1 - #4 각각의 농축수 LSI 값을 Table 3에 제시하였다. LSI 값은 운전 시작 후 15, 25, 35, 45일이 경과한 시점에 분석을 하였으며, LSI 계산에 사용된 항목에 대한 측정･분석값도 함께 제시하였다.
RO 막 표면에 생성된 스케일을 각 module별로 비교하기 위해 실험 종료 후, RO 막을 절단하여 SEM-EDS 분석을 실시하였다. 사용 전 RO 막과 각 module 별로 사용 후 RO 막의 SEM 이미지를 Fig.
2 이하로 낮출 경우 (Nitto Hydranautics, 2013) CaCO₃에 의한 스케일을 방지할 수 있다. 본 연구에서는 CaCO₃ 스케일 생성 방지를 위해 유입수에 CO₂를 주입하였으며 이에 따른 RO module #1 - #4 각각의 농축수 LSI 값을 Table 3에 제시하였다. LSI 값은 운전 시작 후 15, 25, 35, 45일이 경과한 시점에 분석을 하였으며, LSI 계산에 사용된 항목에 대한 측정･분석값도 함께 제시하였다.
주입 효과에 대한 분석을 실시하였다. 비교･검토를 위해 CO₂와 anti-scalant 모두 주입하지 않은 control 모듈, CO₂만 주입한 모듈, anti-scalant만 주입한 모듈, 그리고 CO₂와 anti-scalant를 모두 주입한 모듈을 60일간 운영하였다. 총 3회의 CIP를 포함한 정유량 모드로 RO 모듈을 운전한 결과, CO₂를 주입함으로써 TMP를 상당히 감소시킬 수 있었을 뿐만 아니라 anti-scalant와 CO₂를 동시 주입할 경우, 그 효과를 크게 향상시킬 수 있는 것으로 확인되었다.

대상 데이터

MBR 공정 유입수는 인공적으로 제조하여 사용하였고, 식종슬러지는 인근의 K 하수처리장 (질소･인 동시제거를 위한 AOAO 공정 운영중)의 활성슬러지를 사용하였다. 인공하수의 성상 및 MBR 운전 조건은 Table 1에 정리하였다.
CIP는 알칼리 세정 및 증류수세정, 산세정 방식으로 순차적으로 진행하였으며, 약품 및 증류수 세정 유량과 세정 시간은 10ml/min과 30분으로 하였다. CIP를 위해 EDTA 1% (w/w), NaOH 0.1% (w/w), HCl 0.2% (w/w) 용액을 사용하였다. RO module #1, 3, 4는 총 60일간 3회의 CIP를 포함하여 운전을 실시하였다.
시료 중의 이온성분 분석을 위해 IC (Ion Chromatography ICS-5000, Thermo)를 사용하였다. 분석칼럼으로 IonPac CG12 (Guard)와 CS12 (Separation)를 사용하였고, 전기 전도도 증폭을 위해 CRS-500 suppressor를 사용하였다.
분석칼럼으로 IonPac CG12 (Guard)와 CS12 (Separation)를 사용하였고, 전기 전도도 증폭을 위해 CRS-500 suppressor를 사용하였다. Eluent로는 20mM의 MSA (Methanesulfonic acid)를 사용하였다. 사용 종료된 RO 막의 표면형상과 성상분석을 위해 SEM-EDS (Scanning Elctron Microscopy– Energy Dispersive Spectroscopy, Hitachi SU-70, Japan)를 이용하였다.
실험에 사용된 RO 막은 H사의 2.5인치 (Dia.)×13인치 (L)였으며 세부 사양과 RO 막 모듈의 운전조건은 Table 2에 정리하여 제시하였다.

이론/모형

사용 종료된 RO 막의 표면형상과 성상분석을 위해 SEM-EDS (Scanning Elctron Microscopy– Energy Dispersive Spectroscopy, Hitachi SU-70, Japan)를 이용하였다. 알칼리도, TDS 및 기타 수질 분석은 Standard Method (APHA, 2012)에 따라 실시하였다.

성능/효과

RO module #2와 #4의 LSI 값 역시 CaCO₃ 스케일 생성을 충분히 방지할 수 있는 수준까지 낮출 수 있었다. CaCO₃ 스케일 생성은 농축수의 Ca²⁺ 이온 농도의 차이로 나타났으며, 예상했던 대로 CO₂를 주입하였던 RO module #2와 #4의 Ca²⁺ 이온 농도가 상대적으로 높게 나타났다 (Table 3). 반면 CO₂를 주입하지 않았던 RO module #1과 #3는 약 20mg/L 내외의 낮은 Ca²⁺ 농도를 나타내었다.
4). 운전시작 후 또는 CIP 이후 약 10일간은 안정적으로 운영이 가능하였으나, 이후에는 급속도로 TMP 증가하여 CIP를 실시하는 반복적인 패턴이 나타났다. Fig.
운전시작 후 또는 CIP 이후 약 10일간은 안정적으로 운영이 가능하였으나, 이후에는 급속도로 TMP 증가하여 CIP를 실시하는 반복적인 패턴이 나타났다. Fig. 4에서 확인할 수 있듯이 RO module의 유입 pH를 낮게 제어할수록 TMP의 증가속도가 크게 완화되어 CO₂ 주입에 따른 효과가 명확히 나타났다. CaCO₃스케일의 생성 억제를 위해 첨가하는 anti-scalant는 CO₂ 주입에 비해 비용적인 측면에서 매우 불리할 뿐만 아니라, 종류에 따른 최적 첨가량이 상이하여 유지･관리가 매우 까다로운 단점이 있다 (Ahmed et al.
하지만 이러한 문제는 CO₂ 주입량을 증가시키는 간단한 조치로 해결될 수 있기 때문에 단점으로 크게 부각되지는 않는다. 결과적으로 CO₂ 주입은 기수 (brackish water)나 하수의 RO 처리에 따른 스케일 생성 방지를 위해 기존에 널리 사용되던 anti-scalant 주입을 대체할 수 있는 효과적인 방법으로 고려해볼만한 가치가 충분하다고 판단된다.
를 함께 주입하였던 RO module #4 (e)의 경우, 사용 전 RO 막 (a)과 거의 동일한 표면 형태를 유지하고 있는 것을 확인할 수 있으며 스케일 생성도 거의 되지 않은 것으로 나타났다. 스케일 생성 억제를 위해 아무런 조처를 취하지 않은 RO module #1 (b)의 경우에는 막 표면에 CaCO₃로 추정되는 스케일이 다량 생성된 것을 확인하였으며, 그 형태는 Antony et al.
5를 통해 확인할 수 있다. Anti-scalant인 SHMP를 주입한 경우에는 CO₂를 함께 주입한 경우뿐만 아니라 CO₂를 단독으로 주입한 경우에 비해서도 스케일 생성이 보다 많이 진행된 것으로 나타났다.
0까지 감소시킨 결과 처리수질 변화 없이 RO 모듈의 TMP를 최대 40%까지 낮출 수 있는 것으로 나타나 CO₂ 주입이 RO 모듈의 운전 동력 절감에 큰 효과가 있을 것으로 전망되었다. CO₂를 주입하지 않은 경우 농축수의 Ca²⁺ 농도가 20mg/L 이상 높게 나타나 RO 막 표면에 상당량의 CaCO₃ 스케일이 발생되었음을 간접적으로 알려주었으며, SEM-EDS 분석결과도 막 표면에 CaCO₃로 추정되는 스케일이 CO₂를 주입하지 않았을 경우 월등히 많이 생성되는 것으로 확인되었다.
비교･검토를 위해 CO₂와 anti-scalant 모두 주입하지 않은 control 모듈, CO₂만 주입한 모듈, anti-scalant만 주입한 모듈, 그리고 CO₂와 anti-scalant를 모두 주입한 모듈을 60일간 운영하였다. 총 3회의 CIP를 포함한 정유량 모드로 RO 모듈을 운전한 결과, CO₂를 주입함으로써 TMP를 상당히 감소시킬 수 있었을 뿐만 아니라 anti-scalant와 CO₂를 동시 주입할 경우, 그 효과를 크게 향상시킬 수 있는 것으로 확인되었다.
CO₂ 주입량 제어를 통해 RO 모듈 유입수의 pH를 5.0까지 감소시킨 결과 처리수질 변화 없이 RO 모듈의 TMP를 최대 40%까지 낮출 수 있는 것으로 나타나 CO₂ 주입이 RO 모듈의 운전 동력 절감에 큰 효과가 있을 것으로 전망되었다. CO₂를 주입하지 않은 경우 농축수의 Ca²⁺ 농도가 20mg/L 이상 높게 나타나 RO 막 표면에 상당량의 CaCO₃ 스케일이 발생되었음을 간접적으로 알려주었으며, SEM-EDS 분석결과도 막 표면에 CaCO₃로 추정되는 스케일이 CO₂를 주입하지 않았을 경우 월등히 많이 생성되는 것으로 확인되었다.

후속연구

5에 제시한 SEM 분석결과와도 일치한다. 추후 스케일 생성과 관련된 이온 성분들에 대한 질량수지 분석 및 anti-scalant 주입과 비교한 경제성 분석 등을 통해 CO₂주입 효과를 보다 면밀히 살펴보아야 하겠지만 CO₂주입을 통한 스케일 제어 가능성은 충분히 고려할만 한 가치가 있다고 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	폐수배출설비에서 처리수를 반드시 재이용하도록 하는 이유는?	RO (Reverse Osmosis, 역삼투) 막을 이용한 하수고도처리수 재이용 시장이 세계적으로 큰 각광을 받고 있는 것도 이러한 맥락에서라고 볼수 있다. 국내에서는 부족한 수자원 확충과 환경보존에 대한 필요성의 일환으로 일정규모 이상의 폐수배출설비에서는 처리수를 반드시 재이용하도록 법으로 규정하고 있다. 이와 더불어 하수재이용을 위해 RO 모듈을 설치하는 시설도 증가하고 있는 추세이다 (Holloway et al.
	CO2를 주입하여 유입수의 pH를 조절하는 방법을 사용하기 위해 만족해야하는 조건은?	, 2011). 하지만 pH를 조절하여 스케일 생성을 억제하기 위해서는 anti-scalant보다 대체적으로 경제성이 우수하여야 하며 부산물 발생이 없어야 하고 RO 막에 손상을 일으키지 않아야 한다.
	스케일생성 시 어떤 문제가 발생하는가?	, 2007; Prihasto et al, 2009). 스케일이 생성되면 가압식으로 운영되는 RO 막 모듈의 펌프 동력이 급격하게 상승하여 경제성 악화, 기계적 안정성 저하 등 여러 가지 치명적인 문제점이 발생하게 된다. 이러한 문제를 사전에 방지하기 위해 SHMP (sodium hexa- metaphosphate)나 EDTA (ethylene diamine tetra-acetic acid)와 같은 약품이 흔히 사용되지만 이러한 anti-scalant (스케일억제제)가 RO 공정 전체 약품사용 금액의 30% 이상을 차지할 뿐만 아니라 첨가 후 발생되는 부산물의 역효과 또한 심각한 상황이다 (Greenlee et al, 2010; 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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