본 연구에서는 초순수 생산을 위한 개별공정들의 특성을 고려하여 공정조합 최적화 방안을 결정하는 기법을 연구하였다. 산업 활동에 사용하는 공업용수 중 고도의 기술집합 산업에서 요구되는 고순도 용수인 초순수를 생산하는 공정은 여과, 이온교환, 역삼투, 탈기, 자외선 산화 등 이 있다. 초순수 공정은 다양한 15~20개 정도의 수처리 단위 공정이 조합을 이루고 있다. 본 연구에서는 초순수 생산 모형플랜트를 운영하여 다양한 처리 공정의 조합을 통해 수질 및 경제성을 고려하여 평가하였다. 평가된 19종류의 공정조합 중 11개 공정조합이 목표로 하는 최종 수질을 만족했다. 이러한 11종의 공정조합에 대해 안정성과 경제성을 평가하였다.
본 연구에서는 초순수 생산을 위한 개별공정들의 특성을 고려하여 공정조합 최적화 방안을 결정하는 기법을 연구하였다. 산업 활동에 사용하는 공업용수 중 고도의 기술집합 산업에서 요구되는 고순도 용수인 초순수를 생산하는 공정은 여과, 이온교환, 역삼투, 탈기, 자외선 산화 등 이 있다. 초순수 공정은 다양한 15~20개 정도의 수처리 단위 공정이 조합을 이루고 있다. 본 연구에서는 초순수 생산 모형플랜트를 운영하여 다양한 처리 공정의 조합을 통해 수질 및 경제성을 고려하여 평가하였다. 평가된 19종류의 공정조합 중 11개 공정조합이 목표로 하는 최종 수질을 만족했다. 이러한 11종의 공정조합에 대해 안정성과 경제성을 평가하였다.
In this paper, the technique that determines efficient process combinations for the ultrapure water production was studied. The ultrapure water is one of the industrial water used in industrial activity and required in the advanced technology integrated industry. It is produced by combined process i...
In this paper, the technique that determines efficient process combinations for the ultrapure water production was studied. The ultrapure water is one of the industrial water used in industrial activity and required in the advanced technology integrated industry. It is produced by combined process including filtration, ion exchange processes, the reverse osmosis (RO) process, degassing (DG) process and UV-oxidation (UVox) process. An ultrapure water production process consists of 15-20 different water treatment unit process. In this study, a pilot plant was built and operated to research the design parameters for the individual process. Through the pilot plant operation, 19 effective combinations were optimized among various processes. And then, 11 of them satisfied the final quality of the ultrapure water. The stability and economic feasibility were evaluated about the final 11 process combinations.
In this paper, the technique that determines efficient process combinations for the ultrapure water production was studied. The ultrapure water is one of the industrial water used in industrial activity and required in the advanced technology integrated industry. It is produced by combined process including filtration, ion exchange processes, the reverse osmosis (RO) process, degassing (DG) process and UV-oxidation (UVox) process. An ultrapure water production process consists of 15-20 different water treatment unit process. In this study, a pilot plant was built and operated to research the design parameters for the individual process. Through the pilot plant operation, 19 effective combinations were optimized among various processes. And then, 11 of them satisfied the final quality of the ultrapure water. The stability and economic feasibility were evaluated about the final 11 process combinations.
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문제 정의
본 연구에서는 25 m3/일 생산 용량의 모형플랜트를 운영하여 평가하였다. 공정 구성은 전처리 공정, 순수처리 공정, 초순수처리 공정 등 3개의 공정으로 구성되어 있으며, 개별공정으로는 Fig.
초순수를 생산하기 위한 단위 공정인 역삼투막, 이온교환공정 등 개별공정에 대한 연구는 다수 수행이 되었으나3) 초순수 공정의 전체 시스템에 대한 평가를 수행한 연구는 거의 없는 실정이다. 본 연구에서는 초순수 모형플랜트를 운영하면서 개별공정에 대한 설계인자의 특성을 평가 및 분석하고 19종류의 공정조합을 구성하여 수질 분석, 경제성 및 안정성을 평가하여 초순수 생산을 위한 최적 조합공정 선정 기법을 연구하였다.
제안 방법
1) 본 연구 결과 경제성과 안정성을 고려한 최적공정을 Pilot Plant를 운영하여 다양한 조합공정을 기반으로 선정하였다. Table 9와 같이 표준공정에서 SA공정을 제외한 ②번 공정이 최적공정으로 선정되었다.
19개 공정조합 결과 수질을 만족하는 11개 공정조합에 대해 경제성과 안정성을 평가하였다. 경제성은 투자 및 운영비를 검토하여 원단위 개념으로 경제성을 평가하였다.
초순수 공정에서도 자외선산화 공정과 이온교환 공정, 막탈기 공정의 생략이 가능할 것으로 판단되는 공정조합(⑦,⑱,③,⑭,⑲)도 실험하였다. 각 개별 공정간의 성능비교 실험이 가능한 조합공정(①,⑯,⑰)에 대해서도 실험하였다.
19개 공정조합 결과 수질을 만족하는 11개 공정조합에 대해 경제성과 안정성을 평가하였다. 경제성은 투자 및 운영비를 검토하여 원단위 개념으로 경제성을 평가하였다.
설비 안정성은 주요 설비별로 점수를 배분하였으며 주요 설비는 RO공정 전처리 설비, RO공정구성, 기타항목으로 구분하였으며 점수는 총 25점 중에 RO공정 전처리 설비(15), RO공정구성(5), 기타항목(5)으로 점수화 평가하였다.
안정성은 수질과 설비에 대한 최종수질(25점) 만족여부와 설비(25점) 안정성으로 평가하여 50점의 점수를 배점하였다.
1단역삼투공정의 경우 pH를 조정하여 운전하는 역삼투 공정조합(⑥,⑦,⑧,⑨)도 실험하였다. 초순수 공정에서도 자외선산화 공정과 이온교환 공정, 막탈기 공정의 생략이 가능할 것으로 판단되는 공정조합(⑦,⑱,③,⑭,⑲)도 실험하였다. 각 개별 공정간의 성능비교 실험이 가능한 조합공정(①,⑯,⑰)에 대해서도 실험하였다.
초순수 공정의 단위공정 및 최종 조합공정의 수질 항목 분석은 다음 Table 2에 제시한 바와 같이 수질 측정용 계측기를 설치하여 수질을 모니터링 하였다.
최적공정조합 검증 결과는 안정성과 경제성으로 지표를 선정하였으며 배점에 대한 객관적인 근거 확보방안을 검토하였다. 초순수 최적공정조합은 Pilot Plant 표준공정(①)을 기준으로 조합 가능한 19개 공정을 나타내면 Table 4.
초순수 Pilot Plant로 조합이 가능한 19개 조합공정에 대한 투자비, 운영비를 비교하였다. 투자비는 초순수 Pilot Plant에 대한 투자비를 기준하였으며 초순수 Pilot Plant 기분에서 공정의 Skip에 따라 감소되는 비용을 산출하여 비용을 산출하고 이를 20년간 생산되는 초순수양으로 나눠서 산출하였다. 운영비는 초순수 Pilot Plant의 약품, 폐액처리, 전력, 기타비용으로 구성하였다.
대상 데이터
/일 생산 용량의 모형플랜트를 운영하여 평가하였다. 공정 구성은 전처리 공정, 순수처리 공정, 초순수처리 공정 등 3개의 공정으로 구성되어 있으며, 개별공정으로는 Fig. 1과 같이 총 23개 단위 공정으로 구성되어 있다. 모형플랜트의 유입수 수질과 목표로 하는 초순수 생산수의 수질을 다음 Table 1에 정리하여 나타내었다.
초순수 Pilot Plant로 조합이 가능한 19개 조합공정에 대한 투자비, 운영비를 비교하였다. 투자비는 초순수 Pilot Plant에 대한 투자비를 기준하였으며 초순수 Pilot Plant 기분에서 공정의 Skip에 따라 감소되는 비용을 산출하여 비용을 산출하고 이를 20년간 생산되는 초순수양으로 나눠서 산출하였다.
초순수 19개 공정조합의 선정은 다음 사유로 설명이 가능하다. 초순수 Pilot Plant의 기본 설계공정을 기본으로 개별공정의 필요성 등을 감안하여 18개 조합공정을 선정하였다. 기본적인 설계공정은 다음의 Table 3의 ①번 공정으로 표기하였으며 ①번 공정은 초순수 Pilot Plant의 설계공정으로 전체 공정이 빠짐없이 포함되었다.
최종수질 비저항 18.2 MΩcm↑, TOC 5 ppb↓, DO 1 ppb↓, Silica 1 ppb↓, Particle 1 ea↓, Boron 0.1 ppb↓를 만족하지 못한 공정은 19개 공정 중 11개(①,②,④,⑤,⑥,⑧,⑫,⑭,⑮,⑯,⑰) 공정이다.
성능/효과
Table 9와 같이 표준공정에서 SA공정을 제외한 ②번 공정이 최적공정으로 선정되었다. 기본 Pilot Plant의 ①번 공정과 비교하여 투자비 7.7%, 운영비 24.8% 절감이 가능하다.
9억원(단가 2,524원/m3, 90%수준)이 더 경제적이다. 설계공정 대비하여 79% 수준의 사업비(투자비+ 운영비) 산출되었다. 경제성만을 고려한 최적공정은 2단 RO(⑤) 공정이 효율 및 경제성이 우수하다.
후속연구
2) 이 결과는 하루 25톤 규모의 Pilot Plant를 기준으로 선정한 결과이다. 향후 추가 보완 사항으로는 실증 플랜트 규모(Scale-up 인자) 및 운영조건에 대한 고려가 반영되어야 하며 장기적 관점의 공정 특성 및 공급배관 재질검토 등을 위해 실증 플랜트 설치 및 검증이 필요하다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
초순수 생산을 위한 최적 조합공정 선정 시험에서 25 m3/일 생산 용량의 모형플랜트의 공정은 어떻게 구성되어 있는가?
본 연구에서는 25 m3/일 생산 용량의 모형플랜트를 운영하여 평가하였다. 공정 구성은 전처리 공정, 순수처리 공정, 초순수처리 공정 등 3개의 공정으로 구성되어 있으며, 개별공정으로는 Fig. 1과 같이 총 23개 단위 공정으로 구성되어 있다.
고순도 공업용수는 수실 측면에서 어떻게 정의되는가?
4) 일반적으로 공업용수는 원수 또는 침전수 등 이 산업체로 공급되면 산업체는 개별 업체별 용도에 맞게 추가로 처리하여 사용하고 있다. 이러한 고순도 공업용수를 일반적으로 수질 측면에서 순수, 초순수로 정의되어 사용되고 있으며, 세계적으로 시장규모는 2011년 3.3조에서 2025년 12.
고순도 공업 용수의 사용처는 어디인가?
급속한 경제 발전과 함께 여러 산업분야에서 고순도의 공업 용수 사용이 증가하고 있으며 국내에서는 90년대 말 이후 화력 및 원자력 발전소, 열병합발전소, 석유화학공장, 제약회사, 반도체 분야 및 철강회사 등 많은 분야에서 고순도 공업 용수가 사용되고 있는 실정이다.4) 일반적으로 공업용수는 원수 또는 침전수 등 이 산업체로 공급되면 산업체는 개별 업체별 용도에 맞게 추가로 처리하여 사용하고 있다.
참고문헌 (7)
Choi, B. S., "Issue Report of Ultrapure Water Industry and Technology Trends," Korea Agency for Infrastructure Technology Advancement, pp. 1-16(2013).
Lola, A., Hector, B., Christopher, G., Marta, H., Heather, L., Antoine, S., Jelena, S. and Jablanka, U., Industrial Desalination & Water Reuse, 1st ed, Global Water Intelligence, Oxford, pp. III-IV(2012).
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Lee, C. S., "Ultrapure Water into the Manufacturing Process," The Membrane Society of Korea Summer Workshop, pp. 91-119(1996).
Park, S. C., Kwon, B. S., Lee, K. H. and Jung, S. S., "The Design Parameter Evaluation of Ion Exchange Process For Ultra Pure Water Production," Korean Soc. Water Wastewater, 29(1), 65-75(2015).
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