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[국내논문] 가압형 정삼투의 간헐적 운전이 콜로이드 파울링 및 물리세정 효율에 미치는 영향
Effect of Intermittent Pressure-Assisted Forward Osmosis (I-PAFO) Operation on Colloidal Membrane Fouling and Physical Cleaning Efficiency 원문보기

멤브레인 = Membrane Journal, v.26 no.4, 2016년, pp.273 - 280  

이진우 (광주과학기술원 지구환경공학부 글로벌 담수화 연구센터) ,  국승호 (광주과학기술원 지구환경공학부 글로벌 담수화 연구센터) ,  김성조 (광주과학기술원 지구환경공학부 글로벌 담수화 연구센터) ,  김인수 (광주과학기술원 지구환경공학부 글로벌 담수화 연구센터)

초록
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가압형 정삼투(pressure-assisted forward osmosis, PAFO) 공정은 기존의 정삼투(forward osmosis, FO) 공정의 단점인 낮은 수투과도 및 유도용질의 역확산을 극복하여 전체 공정 효율을 향상시킨다. 하지만 가압에 의한 추가적인 수리학적 압력의 작용은 파울링을 가속화 시킨다는 단점이 있다. 본 연구는 PAFO의 간헐적 운전방법인 간헐적 가압형 정삼투(Intermittent pressure-assisted forward osmosis, I-PAFO)의 파울링 저감 가능성을 평가하기 위해 수행되었다. 비교를 위해 FO 및 PAFO를 동시에 운전하여, 세 가지 운전에서의 파울링 거동을 관찰하였다. 파울링 실험을 위한 오염물질로 콜로이드 실리카 입자를 사용하였고, 분리막 및 입자의 정전기적 상호작용 에너지 변화가 파울링 거동에 미치는 영향도 확인하였다. 실험결과, I-PAFO 운전에서, 용액 pH 변화에 관계없이 가압구간, 압력완화 구간에서 각각 PAFO, FO보다 높은 수투과도를 유지하였다. 파울링 실험 후, PAFO에 비해 I-PAFO운전에서 더 적은 수투과도 감소가 관찰되었고, 이로 인해 물리세정 후 향상된 수투과도 회복률 또한 관찰되었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Pressure assisted forward osmosis (PAFO) is recently introduced because of its improved process efficiency to overcome drawbacks of forward osmosis (FO) such as low water flux and reverse solute diffusion. However, it is known that membrane fouling becomes deteriorated by additional hydraulic pressu...

주제어

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문제 정의

  • 따라서, 본 연구는 PAFO에서의 파울링 저감을 위한 간헐적 가압운전(Intermittent pressure-assisted forward osmosis, I-PAFO)의 적용 가능성을 평가하기 위하여 수행되었다. 간헐적 파울링 운전에 따른 수투과도 변화 및 물리세정 효율을 관찰함으로써 간접적으로 파울링 거동을 살펴보았고, 비교를 위하여 FO, PAFO 운전 또한 수행하였다.
  • 본 연구는 PAFO에서의 파울링 저감을 위한 간헐적 가압 운전(I-PAFO)의 가능성을 평가하기 위하여 수행되었다. 실험 결과, I-PAFO 운전은 FO, PAFO와 비교하여 높은 수투과도를 유지하는 데 긍정적인 효과를 나타냈다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
간헐적 운전 방법이란 무엇인가? 간헐적 운전 방법은 역세척과 함께 파울링 저감을 위해 고려되는 물리적 방법으로써 특히 MBR (membrane bioreactor)분야에서 활발한 연구가 진행되어 왔다[9,10,13]. 간헐적 운전에서의 압력완화(pressure relaxation)시, 분리막 표면에 쌓인 입자들은 농도구배에 의한 확산이 일어나, 다시 용액상으로 역수송 되어 파울링 저감의 효과가 있는 것으로 알려져 있다[11,12].
가압식 교차여과에서의 압력완화에 관련된 연구 결과는 어떠한가? MBR 운전뿐만 아니라, 가압식 교차여과에서 또한 압력완화의 적용에 관한 연구가 이루어졌다. 콜로이드 실리카 입자 교차여과 후, 1시간의 압력완화를 통하여 수투과도가 완전히 회복되는 것이 관찰되었고[12], 용액의 이온강도 변화에 따른 실리카 입자의 정전기적 인력 변화에도 불구하고, 압력완화 적용 시, 모든 이온강도 조건에서 분리막 표면에 쌓인 입자의 역수송에 의해 수투과도가 완전히 회복되는 것을 확인하였다[5]. 이렇게, 압력기반 분리막 공정에서의 간헐적 운전이, 파울링 저감 및 공정 효율 향상에 긍정적인 효과를 보임에도 불구하고, PAFO에서의 파울링 저감을 위한 간헐적 운전에 관한 연구는 아직 진행되지 않았다.
간헐적 운전에서의 압력완화는 어떠한 효과가 있는 것으로 알려져 있는가? 간헐적 운전 방법은 역세척과 함께 파울링 저감을 위해 고려되는 물리적 방법으로써 특히 MBR (membrane bioreactor)분야에서 활발한 연구가 진행되어 왔다[9,10,13]. 간헐적 운전에서의 압력완화(pressure relaxation)시, 분리막 표면에 쌓인 입자들은 농도구배에 의한 확산이 일어나, 다시 용액상으로 역수송 되어 파울링 저감의 효과가 있는 것으로 알려져 있다[11,12]. 운전방법에 따른 수투과도 및 파울링 경향 비교 시, 간헐적 운전이 연속운전에 비해 운전 기간 동안 높은 수투과도를 유지하였고, 공기폭기를 통한 물리세정 효율 역시 간헐적 운전과 함께 적용되었을 때 월등한 향상을 보였다 [11].
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참고문헌 (19)

  1. G. Blandin, A. R. D. Verliefde, C. Y. Tang, and A. E. Childress, "Validation of assisted forward osmosis (AFO) process: Impact of hydraulic pressure", J. Membr. Sci., 447, 1 (2013). 

  2. B.-M. Jun, S.-W. Han, Y.-K. Kim, N. T. P. Nga, H.-G. Park, and Y.-N. Kwon, "Conditions for ideal draw solutes and current research trends in the draw solutes for forward osmosis process", Membr. J., 25, 132 (2015). 

  3. Y. T. Oh, S. H. Lee, M. Elimelech, and S. H. Lee, "Effect of hydraulic pressure and membrane orientation on water flux and reverse solute flux in pressure assisted osmosis", J. Membr. Sci., 465, 159 (2014). 

  4. S. Sahebi, S. Phuntsho, J. E. Kim, S. K. Hong, and H. K. Shon, "Pressure assisted fertiliser drawn osmosis process to enhance final dilution of the fertiliser draw solution beyond osmotic equilibrium", J. Membr. Sci., 481, 63 (2015). 

  5. R. S. Faibish, M. Elimelech, and Y. Cohen, "Effect of interparticle electrostatic double layer interactions on permeate flux decline in crossflow membrane filtration of colloidal suspensions: An experimental investigation", J. Colloid Interface Sci., 204, 77 (1998). 

  6. Y. W. Kim, M. Elimelech, H. K. Shon, and S. K. Hong, "Combined organic and colloidal fouling in forward osmosis: Fouling reversibility and the role of applied pressure", J. Membr. Sci., 460, 206 (2014). 

  7. B. Mi, and M. Elimelech, "Organic fouling of forward osmosis membranes: Fouling reversibility and cleaning without chemical reagents", J. Membr. Sci., 348, 337 (2010). 

  8. M. Xie, J. H. Lee, L. D. Nghiem, and M. Elimelech, "Role of pressure in organic fouling in forward osmosis and reverse osmosis" J. Membr. Sci., 493, 748 (2015). 

  9. J. Wu, P. Le-Clech, R. M. Stuetz, A. G. Fane, and V. Chen, "Effects of relaxation and backwashing conditions on fouling in membrane bioreactor", J. Membr. Sci., 324, 26 (2008). 

  10. M. K. Jorgensen, K. Keiding, and M. L. Chistensen, "On the reversibility of cake buildup and compression in a membrane bioreactor", J. Membr. Sci., 455, 152 (2014). 

  11. S. P. Hong, T. H. Bae, T. M. Tak, and A. Randall, "Fouling control in activated sludge submerged hollow fiber membrane bioreactor", Desalination, 143, 219 (2002). 

  12. S. K. Hong, R. S. Faibish, and M. Elimelech, "Kinetics of permeate flux decline in crossflow membrane filtration of colloidal suspensions", J. Colloid Interface Sci., 196, 267 (1997). 

  13. M. L. Christensen, T. V. Bugge, B. H. Hede, M. Nierychlo, P. Larsen, and M. K. Jorgensen, "Effects of relaxation time on fouling propensity in membrane bioreactors", J. Membr. Sci., 504, 176 (2016). 

  14. K. Lutchmiah, D. J. H. Harmsen, B. A. Wols, L. C. Rietveld, J. Quin, and E. R. Cornelissen, "Continuous and discontinuous pressure assisted osmosis (PAO)", J. Membr. Sci., 476, 182 (2015). 

  15. S. H. Son and J. G. Jegal, "Preparation and characterization of poly thin film composite reverse osmosis membranes using hydrophilic treated microporous supports", Membr. J., 24, 317 (2014). 

  16. C. Y. Tang, T. H. Chong, and A. G. Fane, "Colloidal interactions and fouling of NF and RO membranes: A review", Adv. Colloid Interface Sci., 164, 126 (2011). 

  17. C. H. Boo, S. Y. Lee, M. Elimelech, Z. Meng, and S. K. Hong, "Colloidal fouling in forward osmosis: Role of reverse salt diffusion", J. Membr. Sci., 390-391, 277 (2012). 

  18. S. Y. Lee, C. H. Boo, M. Elimelech, and S. K. Hong, "Comparison of fouling behavior in forward osmosis (FO) and reverse osmosis (RO)", J. Membr. Sci., 365, 34 (2010). 

  19. G. Singh, and L. Song, "Cake compressibility of silica colloids in membrane filtration processes", Ind. Eng. Chem. Res., 45, 7633 (2006). 

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