[논문]막 증발법을 이용한 셰일가스 폐수 처리 가능성 평가

조형락; 최용준; 이상호

doi:10.11001/jksww.2016.30.4.441

막 증발법을 이용한 셰일가스 폐수 처리 가능성 평가
Feasibility study on shale gas wastewater treatment using membrane distillation 원문보기

上下水道學會誌 = Journal of Korean Society of Water and Wastewater, v.30 no.4, 2016년, pp.441 - 447

조형락 (국민대학교 건설시스템공학부) , 최용준 (국민대학교 건설시스템공학부) , 이상호 (국민대학교 건설시스템공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

Development of shale gas has drawn increasing attention since it is one of promising alternative energy resources. However, contamination of groundwater and surface water during the extraction of shale gas is becoming a serious environmental issues, which brings the needs to treat wastewater generated from hydraulic fracking. In this study, the feasibility of membrane distillation (MD) for the treatment of shale gas wastewater was investigated using a laboratory scale experimental setup. Flat-sheet MD membranes were used to treat produced water from a shale gas well in the United States. Different configurations such as direct contact MD (DCMD) and air gap MD (AGMD) were compared in terms of flux and fouling propensity. The foulants on the surface of the membranes were examined. The results suggest that MD can treat the shale gas produced water containing more than 200,000 mg/L of total dissolved solids, which is impossible by other technologies such as reverse osmosis (RO) and forward osmosis (FO). In this study, we investigated the possibility of processing and characterization of shale gas produce wastewater using membrane distillation. Laboratory scale membrane distillation experimental device was developed. It was compared the flat-sheet direct contact membrane distillation and flat-sheet air gap membrane distillation. AGMD flux in lower than the flux of DCMD, it was expected that the contamination caused by organic matters.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

그러나 아직까지 실제 셰일가스 폐수를 이용하여 막 증발법을 적용한 사례와 연구결과가 많지 않기 때문에 적용가능성에 대한 충분한 검토가 이루어졌다고 보기 어렵다. 따라서 본 연구는 막 증발법을 이용하여 실제 셰일가스 폐수를 처리하는 연구를 통하여 막 증발법의 적용가능성을 확인하고자 하였다.
본 연구에서는 막증발법을 이용한 셰일가스 발생폐수의 처리 가능성과 특성을 고찰하였다. 막증발법을적용하였을 때, 유입수 60°C의 조건에서 생산수의 경우 DCMD에서는 평균 8 L/m²-hr, AGMD에서는 평균 5 L/m²-hr로 나타났으며, 환류수의 경우 DCMD에서는 평균 15 L/m²-hr, AGMD에서는 평균 7 L/m²-hr로 나타났다.
본 연구에서는 셰일가스 폐수처리의 새로운 방법으로서 막 증발법의 적용가능성을 검토하고자 하였다. 막 증발법은 기존의 증발법에 비하여 상대적으로 낮은 온도에서 작동이 가능하며, 집적도가 높은 분리막을 사용함으로써 장치의 소형화와 경량화가 가능하다는 장점을 가진다(Alkhudhiri, 2012).
막 증발의 장점 중 한 가지는 삼투압에 영향을 받지 않고 높은 이온농도를 가지는 유입수를 처리할 수 있다는 점이다. 여기서는 생산수와 환류수의 처리특성에 대하여 MD와 타 공정을 이론적으로 비교하기 위한 연구를 수행하였다. 먼저 실험에 사용한 생산수와 환류수의 삼투압을 계산하기 위하여 다음의 식을 사용하였다(A Efraty, 2016).

제안 방법

직접접촉식 막 증발에서는 막을 통과한 증기가 낮은 온도의 물에 의하여 응축되었으며, 이때 무게 증가를 전자저울로 측정함으로써 시간에 따른 플럭스 변화를 계산하였다. 공기간격방식 막 증발에서는 막을 통과한 증기가 얇은 두께(3 mm)의 공기층을 지나 응축벽에서 응축되고 처리수조에 수집되었으며, 이때 무게 증가를 전자저울로 측정함으로써 시간에 따른 플럭스 변화를 계산하였다. 응축벽은 냉각수를 순환시킴으로써 계속 일정하게 낮은 온도를 유지하도록 하였다.
생산수와 환류수는 폐수 발생 시점에 따라 구분되어지고 있는데, 실험에 사용된 유입원수는 같은 기간에 발생된 미국 Bakken Williston의 셰일가스 채굴현장에서 취수한 생산수와 미국 Eagle ford의 셰일가스 채굴현장에서 취수한 환류수를 이용하였다. 생산수는 입자성 물질이 적은 고농도의 염을 함유한 폐수이기 때문에 MD 실험을 위해 간단하게 여재필터와 활성탄 필터로 전처리하여 부유성분을 제거하였으며, 환류수는 고농도의 염을 함유하지 않고, 부유성분들이 많았기 때문에 FMX(부강테크, 한국)를 이용하여 전처리를 하였다. 사용한 폐수의 성상은 Table 1과 2에 정리되어있다.
한편, DCMD의 경우 처리수의 온도를 20°C로 유지하였으며, AGMD의 경우 응축이 일어나는 표면의 온도를 20°C로 유지하였다. 실험은 600분 이상 수행하였으며, 플럭스와 유입수 전도도 변화, 처리수 전도도 변화 등을 측정하여 기록하였다.
앞서 Table 1에 제시된 조성을 가진 생산수를 바로막증류의 유입수로 사용할 수는 없을 것으로 판단되어 입자성 물질을 제거하기 위한 수단으로 여재필터와 활성탄 필터를 이용하여 전처리를 수행하였다. 전처리 전에는 탁도가 454 NTU이었으나, 전처리 후에는 4.
유입수는 자동적으로 온도제어가 되는 가열기를 이용하여 일정한 온도로 가열을 하였으며, 기어펌프를 이용하여 막 모듈에 공급되었다. 직접접촉식 막 증발에서는 막을 통과한 증기가 낮은 온도의 물에 의하여 응축되었으며, 이때 무게 증가를 전자저울로 측정함으로써 시간에 따른 플럭스 변화를 계산하였다. 공기간격방식 막 증발에서는 막을 통과한 증기가 얇은 두께(3 mm)의 공기층을 지나 응축벽에서 응축되고 처리수조에 수집되었으며, 이때 무게 증가를 전자저울로 측정함으로써 시간에 따른 플럭스 변화를 계산하였다.

대상 데이터

막 증발 실험은 Fig. 1과 같이 직접접촉식(Direct contact MD, DCMD)과 공기간격방식(Air gap MD, AGMD)의 막 증발 실험장치가 사용되었다. 이를 위하여 유효 막 면적이 12.
생산수와 환류수는 폐수 발생 시점에 따라 구분되어지고 있는데, 실험에 사용된 유입원수는 같은 기간에 발생된 미국 Bakken Williston의 셰일가스 채굴현장에서 취수한 생산수와 미국 Eagle ford의 셰일가스 채굴현장에서 취수한 환류수를 이용하였다. 생산수는 입자성 물질이 적은 고농도의 염을 함유한 폐수이기 때문에 MD 실험을 위해 간단하게 여재필터와 활성탄 필터로 전처리하여 부유성분을 제거하였으며, 환류수는 고농도의 염을 함유하지 않고, 부유성분들이 많았기 때문에 FMX(부강테크, 한국)를 이용하여 전처리를 하였다.
실험에는 PVDF(Poly-vinylidene fluoride, Milipore) 재질의 소수성의 평막이 사용되었다. 분리막의 평균 공극 크기는 0.
1과 같이 직접접촉식(Direct contact MD, DCMD)과 공기간격방식(Air gap MD, AGMD)의 막 증발 실험장치가 사용되었다. 이를 위하여 유효 막 면적이 12.2 cm²인 소형의 평판형 모듈이 사용되었다. 유입수는 자동적으로 온도제어가 되는 가열기를 이용하여 일정한 온도로 가열을 하였으며, 기어펌프를 이용하여 막 모듈에 공급되었다.

데이터처리

2는 DCMD로 운전한 경우 유입수의 종류에 따른 플럭스의 변화를 나타낸 것이다. 실험은 500분 이상 수행하였으며, 전체 실험결과에 대한 평균값과 표준편차값을 이용하여 그래프를 작성하였다. 증류수를 이용하여 운전한 경우에는 초기 플럭스인 15 kg/m²-hr가 계속 유지되었으며, 환류수에서도 비슷한 경향이 나타났다.

성능/효과

따라서 이러한 결과로부터 볼 때 생산수(producedwater)의 처리를 위한 막분리 공정은 막증발이 유일하게 가능할 것으로 판단되며, 높은 삼투압으로 인한 에너지가 필요한 RO나 생산수보다 높은 농도의 유도용액이 필요한 FO로는 처리가 불가능한 것으로 판단된다. 한편, 환류수의 경우 이론적으로 처리가 가능하나,실제 처리를 위해서는 막오염 등의 문제를 고려해야 할 것으로 사료된다.
막증발법을적용하였을 때, 유입수 60°C의 조건에서 생산수의 경우 DCMD에서는 평균 8 L/m2-hr, AGMD에서는 평균 5 L/m2-hr로 나타났으며, 환류수의 경우 DCMD에서는 평균 15 L/m2-hr, AGMD에서는 평균 7 L/m2-hr로 나타났다.
비록 생산수 처리에서 플럭스 감소가 크게 나타났으나, 처리수의 전도도를 연속적으로 측정해본 결과 처리수질 악화는 나타나지 않았다. 이는 막오염에도 불구하고 막젖음 현상은 나타나지 않았다는 것을 나타내는 결과이다.
는 염분(이온)을 포함한 물의 증기압이다. 상기의 식들로부터 계산을 해보면, 생산수(Produced water) 처리의 경우 증기압은 동일한 온도에서 순수한 물을 처리 할 때 발생되는 증기압에 비하여 12.6%가 감소하는 것으로 나타났다. 실제 생산수(produced water)를 DCMD로 처리할 때 초기플럭스는 동일한 운전조건에서 순수한 물을 처리하는 경우의 초기플럭스에 비하여 26.
막증발법을적용하였을 때, 유입수 60°C의 조건에서 생산수의 경우 DCMD에서는 평균 8 L/m²-hr, AGMD에서는 평균 5 L/m²-hr로 나타났으며, 환류수의 경우 DCMD에서는 평균 15 L/m²-hr, AGMD에서는 평균 7 L/m²-hr로 나타났다. 생산수를 처리하는 경우 DCMD에서의 막오염이 AGMD에서보다 심각하게 나타났으며, 막오염 물질은 주로 NaCl과 유기물인 것으로 판단되었다. 환류수의 경우 막오염이 상대적으로 크지 않았으며, 막오염 물질은 주로 유기물인 것으로 판단되었다.
환류수의 경우 막오염이 상대적으로 크지 않았으며, 막오염 물질은 주로 유기물인 것으로 판단되었다. 생산수와 환류수의 특성을 검토해보았을 때 FO와 RO로는 처리가 불가능한 것으로 계산되어, 막증발법이 유일하게 적용가능한 막분리 공정인 것으로 나타났다.
반면에 막오염 물질의 조성은 유입수의 종류(생산수, 환류수)에 따라 큰 차이를 보였다. 생산수의 경우 막오염 물질을 주로 구성하는 것은 염소 (35%), 탄소 (30%), 나트륨 (14%), 산소(10%), 칼슘 (4%) 등으로 분석되었으며, 환류수의 경우 탄소 (85%), 산소 (11%) 등으로 나타났다. 대략적인 조성비로부터 추정해보면 생산수 처리에서의 막오염 물질은 주로 NaCl과 유기물이라고 판단되며, 환류수의 경우 막오염 물질의 대부분이 유기물이라고 볼 수 있다.
6%가 감소하는 것으로 나타났다. 실제 생산수(produced water)를 DCMD로 처리할 때 초기플럭스는 동일한 운전조건에서 순수한 물을 처리하는 경우의 초기플럭스에 비하여 26.6%가 감소하였고,이는 초기플럭스의 차이가 단순히 증기압(구동력)의 감소에만 기인하는 것이 아니고 초기부터 막오염에 의한 플럭스 감소가 나타난다는 것을 보여주는 결과라고 볼 수 있다. 즉, 순수한 물 대비 생산수(produced water) 처리 초기플럭스 감소 26.
이러한 결과로부터 환류수는 생산수에 비하여 오일과 같은 유기물이 포함될 가능성이 높은 반면 이온농도가 높지 않으므로, 스케일 형성보다는 유기물 층 형성이 막오염의 주요 원인이라고 생각할 수 있으며, 생산수는 높은 이온농도로 인한 스케일 형성이 유기물과 함께 막 오염의 주요 원인으로 작용한 것으로 판단할 수 있다.
은 AGMD로 운전한 경우 유입수의 종류에 따른 플럭스의 변화를 나타낸 것이다. 전체적으로 DCMD에 비하여 약 59%정도 낮은 플럭스를 보이는 반면 플럭스의 감소폭도 적은 것을 볼 수 있다. 순수한 물을 유입수로 하여 AGMD를 운전하였을 때 초기 플럭스는 6.
6%가 감소하였고,이는 초기플럭스의 차이가 단순히 증기압(구동력)의 감소에만 기인하는 것이 아니고 초기부터 막오염에 의한 플럭스 감소가 나타난다는 것을 보여주는 결과라고 볼 수 있다. 즉, 순수한 물 대비 생산수(produced water) 처리 초기플럭스 감소 26.6% 중 12.6%는 구동력의 감소에 의한 플럭스 감소, 14%는 초기부터 나타나는 막오염에 의한 영향이라고 판단되며, 운전종료 시점까지 추가적으로 발생하는 53.4%에 해당하는 플럭스 감소는 스케일 형성 등 운전 후반부에 나타나는 막오염에 기인한다고 생각되었다.
상기의삼투압은 실제로 얻기가 불가능하기 때문에 RO와 마찬가지로 FO로도 생산수의 처리는 불가능한 것을 알 수 있다. 한편, 환류수의 경우 필요한 유도용액의 이론적인 삼투압은 10 기압 이하로서 충분히 FO로 처리가 가능한 것으로 판단되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	셰일가스란?	셰일가스는 지구의 퇴적암층에 갇혀 있는 천연가스로서 최근 전 세계적으로 많은 관심을 받고 있다. 셰일가스 자원의 매장량은 인류가 앞으로 최소한 100년은 풍족히 쓰고도 남을 양으로 추정되고 있다(USEIA,2012).
	수압분쇄 방식의 단점은?	수압파쇄는 셰일가스의 생산효율을 비약적으로 향상시키는 효과를 가져왔다(USEIA, 2012). 그러나 수압분쇄 방식은 처리가 어려운 폐수를 발생시키며, 지하수를 오염시킬 수 있고, 많은 양의 물을 필요로 하는 단점을 가지고 있다(zhang et al., 2016, Thiel, 2015).
	셰일가스 폐수처리의 새로운 방법으로 제시되는 막 증발법의 장점은?	본 연구에서는 셰일가스 폐수처리의 새로운 방법으로서 막 증발법의 적용가능성을 검토하고자 하였다. 막 증발법은 기존의 증발법에 비하여 상대적으로 낮은 온도에서 작동이 가능하며, 집적도가 높은 분리막을 사용함으로써 장치의 소형화와 경량화가 가능하다는 장점을 가진다(Alkhudhiri, 2012). 또한 막 증발법은 처리수의 플럭스가 유입수의 총 용존물질 농도에 영향을 받는 정도가 역삼투에 비하여 낮기 때문에 높은 염분농도를 가지는 셰일가스의 생산수를 처리하는 것이 가능한 방법이다.

참고문헌 (9)

A. Efraty, CCD series no-22: Recent advances in RO, FO and PRO and their hybrid applications for high recovery desalination of treated sewage effluents, Desalination, 389 (2016). 18-38.

상세보기
A. Alkhudhiri, et al., Membrane distillation: A comprehensive review, Desalination, 287 (2012). 2-18.

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B.D. Coday, et al., The sweet spot of forward osmosis: Treatment of produced water, drilling wastewater, and other complex and difficult liquid streams, Desalination, 333(1) (2014). 23-35.

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G.P. Thiel, et al., Energy consumption in desalinating produced water from shale oil and gas extraction, Desalination, 366 (2015). 94-112.

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J. Minier-Matar, et al., Application of forward osmosis for reducing volume of produced/Process water from oil and gas operations, Desalination, 376 (2015). 1-8.

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USEIA, Annual Energy Outlook 2012 with Projections to 2035. Vol. DOE/EIA-0383 2012, Washington, DC: U.S. Energy Information Administration, U.S. Department of Energy.
X. zhang, et al., Shale gas wastewater management under uncertainty, Journal of Environmental Management, 165 (2016). 188-198.

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김극태, 정건용, 박정규, 비전통자원개발에 따른 수처리 최신 기술, Korean Chem. Eng. Res., 52(2), 154-165 (2014).

원문보기 상세보기
구재욱, et al., Theoretical analysis of different membrane distillation modules, Desalination and Water Treatment, 54(4-5) (2015) 862-870.

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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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