[논문]랩스케일 정삼투실험을 통한 정삼투막의 수투과도 평가

이준서; 김수한

doi:10.11001/jksww.2016.30.4.417

랩스케일 정삼투실험을 통한 정삼투막의 수투과도 평가
Evaluation of water permeability of forward osmosis membranes using osmotically driven membrane test 원문보기

上下水道學會誌 = Journal of Korean Society of Water and Wastewater, v.30 no.4, 2016년, pp.417 - 425

Abstract ▼ AI-Helper

Desalination is a key technology to overcome water shortage problem in a near future. High energy consumption is an Achilles' heel in desalination technology. Osmotically driven membrane processes like forward osmosis(FO) was introduced to address this energy issue. Characterizing membrane properties such as water permeability(A), salt permeability(B), and the resistance to salt diffusion within the support layer($K_{ICP}$) are very important to predict the performance of scaled-up FO processes. Currently, most of researches reported that the water permeability of FO membrane was measured by reverse osmosis(RO) type test. Permeating direction of RO and FO are different and RO test needs hydraulic pressure so that several problems can be occurred(i.e. membrane deformation, compaction and effect of concentration polarization). This study focuses on measuring water permeability of FO membrane by FO type test results in various experimental conditions. A statistical approach was developed to evaluate the three FO membrane properties(A, B, and $K_{ICP}$) and it predicted test result by the internal and external concentration polarization model.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

본 연구의 목적은 물리적인 가압으로 발생 가능한 문제들을 배제하기 위해 물리적인 가압 없이 다양한 농도조건에서 실시한 FO lab-test 결과(수투과 플럭스 (J_w)와 염투과 플럭스(J_s))만을 이용하여 FO막의 성능인자(A , B, K_ICP)를 평가하는 방법을 개발함에 있다. 이 과정에서 농도분극(concentration polarization: CP)모델과 통계이론이 활용되었으며, 여러 문헌에서 제시한 실험 결과 데이터를 활용하여 기존 방법과 새로운 방법으로 도출한 막의 성능인자를 비교, 분석하였다.

제안 방법

실험실 규모의 FO 실험과 농도분극 모델을 활용하여 FO막의 성능인자를 결정하는 ‘FO method’가 소개 되었고, 실험 결과와 참고문헌에서 제시한 데이터를 이용하여 검증하였다. ‘FO method’로 도출한 수투과도, 염투과도, 지지층의 염확산 저항성과 같은 정삼투 막의 성능인자 값은 기존의 가압식 역삼투 실험을 통해 결정한 값과 차이는 있지만, FO 실험 데이터(J_w , J_s)의 예측 정확도가 더 높을 수 있다는 것을 보여주 었다.
3333px;">s))만을 이용하여 FO막의 성능인자(A , B, K_ICP)를 평가하는 방법을 개발함에 있다. 이 과정에서 농도분극(concentration polarization: CP)모델과 통계이론이 활용되었으며, 여러 문헌에서 제시한 실험 결과 데이터를 활용하여 기존 방법과 새로운 방법으로 도출한 막의 성능인자를 비교, 분석하였다.

대상 데이터

데이터가 필요하며, 이렇게 얻어진 성능인자 값들의 신뢰도를 검증하기 위해서는 기존의 성능인자 도출방법(RO 실험과 FO 실험을 이용)으로 도출한 수투과도, 염투과도, 지지층의 염확산 저항성 값이 필요하다. 따라서 위와 같은 조건을 만족하는 문헌들을 Science Direct(www.sciencedirect.com)에서 찾아 활용하였으며, 다음과 같은 조건으로 2005년부터 2015년 사이에 게재된 문헌에서 데이터를 수집하였다.

데이터처리

를 예측할 수 있다. 예측값과 실제 실험값의 오차를 분석하여 ‘RO method’와 ‘FO method’로 구한 FO막 성능인자의 평가가 이루어졌다. 평균제곱오차가 오차를 설명하는데 가장 보편적인 접근법으로 알려져 있어, 이 연구에서는 도출된 FO막 성능인자의 신뢰도 평가를 위해 실험 값과 예측값 간의 정규화 된 오차의 제곱 평균 제곱근(normalized root mean squared errors: NRMSE) 개념이 적용되었고, 오차의 제곱 평균 제곱근(root mean square error: RMSE)은 다음과 같이 결정할 수 있다(Kim and Park, 2005).
수투과 도가 우선 결정되면 지지층의 염확산 저항성은 수투 과도(A )에 관한 함수이므로 다양한 농도조건의 유도 용액을 이용한 FO 실험 데이터(J_w, J_s)를 이용하여 계산된다(식 (4)). 이 연구에서는 4가지 문헌에서 제시된 실험 데이터를 이용하여 각 농도조건별 수투과도와 염확산 저항성 값들이 결정되었고, NSTD(K_ICP)값을 계산하여 성능인자 값의 신뢰도를 검토하였다.

이론/모형

는 기체상수, T는 절대온도를 의미한다. 최적화 문제를 풀기 위해서 Microsoft excel solver의 evolutionary algorithm을 사용하였고, 이를 이용한 FO막 성능평가 방법을 본 연구에서는 ‘FO method’라 하기로 한다.

성능/효과

실험실 규모의 FO 실험과 농도분극 모델을 활용하여 FO막의 성능인자를 결정하는 ‘FO method’가 소개 되었고, 실험 결과와 참고문헌에서 제시한 데이터를 이용하여 검증하였다. ‘FO method’로 도출한 수투과도, 염투과도, 지지층의 염확산 저항성과 같은 정삼투 막의 성능인자 값은 기존의 가압식 역삼투 실험을 통해 결정한 값과 차이는 있지만, FO 실험 데이터(J_w , J_s)의 예측 정확도가 더 높을 수 있다는 것을 보여주 었다. 이 연구를 통해 (1) FO막의 성능인자를 이용한 J_w의 예측의 정확도가 높다고 해서 ‘FO method’을 통해 구한 성능인자 값들이 신뢰할 수 있다고 보기는 어렵지만, (2) FO lab-test를 통해 측정 된 J_w, J_s의 관계가 선형에 가까울수록 ‘FO method’로 결정한 염투 과도 값이 ‘RO method’로 결정한 값보다 더 신뢰할만 하다라는 것을 알 수 있었다.
성능인자라고 하는 것은 막의 고유인자로서 실험 조건에 관계없이 일정한 값을 가져야 하지만 ‘FO method’의 경우 계획된 조건으로 수행한 실험의 결과 데이터(J_w, J_s)를 가지고 ICP 모델(fitted model)을 통해 성능인자를 도출했기 때문에 추가적인 농도조건에 서의 실험 결과데이터가 얻어진다면 성능인자가 달라질 가능성이 있다. 그러므로 ‘FO method’로 성능인자를 결정하는데 사용된 농도조건과 다른 새로운 농도 조건에서의 실험결과를 예측하여 고유인자로서의 FO 막 성능인자에 대해 검증할 필요가 있다.
‘FO method’로 도출한 수투과도, 염투과도, 지지층의 염확산 저항성과 같은 정삼투 막의 성능인자 값은 기존의 가압식 역삼투 실험을 통해 결정한 값과 차이는 있지만, FO 실험 데이터(J_w , J_s)의 예측 정확도가 더 높을 수 있다는 것을 보여주 었다. 이 연구를 통해 (1) FO막의 성능인자를 이용한 J_w의 예측의 정확도가 높다고 해서 ‘FO method’을 통해 구한 성능인자 값들이 신뢰할 수 있다고 보기는 어렵지만, (2) FO lab-test를 통해 측정 된 J_w, J_s의 관계가 선형에 가까울수록 ‘FO method’로 결정한 염투 과도 값이 ‘RO method’로 결정한 값보다 더 신뢰할만 하다라는 것을 알 수 있었다.

후속연구

)를 가지고 ICP 모델(fitted model)을 통해 성능인자를 도출했기 때문에 추가적인 농도조건에 서의 실험 결과데이터가 얻어진다면 성능인자가 달라질 가능성이 있다. 그러므로 ‘FO method’로 성능인자를 결정하는데 사용된 농도조건과 다른 새로운 농도 조건에서의 실험결과를 예측하여 고유인자로서의 FO 막 성능인자에 대해 검증할 필요가 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	정삼투 공정은 어떻게 처리수를 생산하는가?	역삼투 공정의 대안으로 정삼투(forward osmosis, FO) 공정이 위 문제들을 해결해 줄 새로운 수처리 기술로 기대되고 있다. 정삼투 공정은 물리적인 가압 없이 삼투압만을 이용하여 이온을 분리할 정도로 작은 기공을 가진 반투과성 막을 사이에 두고 저농도의 용액을 고농도 쪽으로 투과시켜 처리수를 생산한다. 따라서 정삼투 공정은 높은 에너지를 필요로 하지 않고, 파울링의 영향이 역삼투 공정에 비해 낮은 장점이 있다 (McCutcheon and Elimelech, 2006).
	가압식 막여과 공정의 단점은 무엇인가?	이 막여과 공정은 물리적인 압력을 구동력으로 사용하는데, 역삼투(reverse osmosis, RO) 공정의 경우 증발법과 같은 재래식 수처리 공법에 비해 농축수의 에너지를 95% 이상 회수하여 재사용할 수 있어 비교적 에너지 소비량이 낮으며, 생산수의 수질이 높은 장점이 있다. 하지만 막분리를 위해 고압이 필요하므로 높은 전력이 소모될 뿐만 아니라, 유지관리 측면에서 파울링으로 인한 막 오염도 문제가 된다(Kim and Lim, 2013).
	막여과 공정의 장점은?	가압식 막여과 공정은 해수담수화 및 물 재이용 등수처리 분야에 널리 사용되어 오고 있다. 이 막여과 공정은 물리적인 압력을 구동력으로 사용하는데, 역삼투(reverse osmosis, RO) 공정의 경우 증발법과 같은 재래식 수처리 공법에 비해 농축수의 에너지를 95% 이상 회수하여 재사용할 수 있어 비교적 에너지 소비량이 낮으며, 생산수의 수질이 높은 장점이 있다. 하지만 막분리를 위해 고압이 필요하므로 높은 전력이 소모될 뿐만 아니라, 유지관리 측면에서 파울링으로 인한 막 오염도 문제가 된다(Kim and Lim, 2013).

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저자의 다른 논문 :

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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