압력지연삼투는 삼투압을 구동력으로 하여 에너지를 생산하는 새로운 막 기술이다. 압력지연삼투는 반투과성 막을 사이에 두고 삼투압으로 인해 저농도의 유입원수가 고농도의 유도용액으로 이동하는 것이다. 본 연구는 역삼투 공정의 농축수를 유도용액으로, 역삼투 공정의 생산수를 유입원수로 하여 8인치 나권형 막모듈의 성능을 평가 하였다. 실험에 사용된 유입원수와 유도용액의 유량은 2.4 L/min, 5.0 L/min, 10.0 L/min, 압력범위는 5 bar에서 30 bar이다. 유입원수와 유도용액의 농도, 유입유량, 유입비에 따른 공정 성능의 영향을 본 연구에서 확인 하였다. 중요 결과로 유도용액의 농도의 증가는 압력지연삼투 공정의 전력밀도, 투과수량을 향상시키는 결과를 보였다. 유입유량의 증가 또한 전력밀도와 투과수량을 향상시키는 결과를 보였다. 또한 최대 전력밀도를 형성하는 유입원수와 유도용액의 최적 유입비는 1:1의 비에서 나타났다.
압력지연삼투는 삼투압을 구동력으로 하여 에너지를 생산하는 새로운 막 기술이다. 압력지연삼투는 반투과성 막을 사이에 두고 삼투압으로 인해 저농도의 유입원수가 고농도의 유도용액으로 이동하는 것이다. 본 연구는 역삼투 공정의 농축수를 유도용액으로, 역삼투 공정의 생산수를 유입원수로 하여 8인치 나권형 막모듈의 성능을 평가 하였다. 실험에 사용된 유입원수와 유도용액의 유량은 2.4 L/min, 5.0 L/min, 10.0 L/min, 압력범위는 5 bar에서 30 bar이다. 유입원수와 유도용액의 농도, 유입유량, 유입비에 따른 공정 성능의 영향을 본 연구에서 확인 하였다. 중요 결과로 유도용액의 농도의 증가는 압력지연삼투 공정의 전력밀도, 투과수량을 향상시키는 결과를 보였다. 유입유량의 증가 또한 전력밀도와 투과수량을 향상시키는 결과를 보였다. 또한 최대 전력밀도를 형성하는 유입원수와 유도용액의 최적 유입비는 1:1의 비에서 나타났다.
Pressure retarded osmosis (PRO) is a quite new technique for power generation using an osmotically driven membrane process. In the PRO process, water permeates through a semipermeable membrane from a low concentration feed solution to a high concentration draw solution due to osmotic pressure. This ...
Pressure retarded osmosis (PRO) is a quite new technique for power generation using an osmotically driven membrane process. In the PRO process, water permeates through a semipermeable membrane from a low concentration feed solution to a high concentration draw solution due to osmotic pressure. This study carried out to evaluate the performance of the 8 in spiral wound membrane module using reverse osmosis concentrate for a draw solution and reverse osmosis permeate for a feed solution. Three different flowrates of draw and feed solution, such as 2.4 L/min, 5.0 L/min, and 10.0 L/min were used to estimate the power density and water flux under various range of hydraulic pressure differences between 5 bar and 30 bar. In addition, the effects of feed and draw solution concentration, flowrate, and mixing ratio on 8 in spiral wound PRO membrane module performance were investigated in this study. As major results, increases of the draw solution concentration lead to the improvement of power denstiy, and water flux. Also, increase of flowrate resulted in the improvement of power density and water flux. In addition, optimal mixing ratio of draw and feed solution inlet flowrate was found to be 1:1 to attain a maximum power denstiy.
Pressure retarded osmosis (PRO) is a quite new technique for power generation using an osmotically driven membrane process. In the PRO process, water permeates through a semipermeable membrane from a low concentration feed solution to a high concentration draw solution due to osmotic pressure. This study carried out to evaluate the performance of the 8 in spiral wound membrane module using reverse osmosis concentrate for a draw solution and reverse osmosis permeate for a feed solution. Three different flowrates of draw and feed solution, such as 2.4 L/min, 5.0 L/min, and 10.0 L/min were used to estimate the power density and water flux under various range of hydraulic pressure differences between 5 bar and 30 bar. In addition, the effects of feed and draw solution concentration, flowrate, and mixing ratio on 8 in spiral wound PRO membrane module performance were investigated in this study. As major results, increases of the draw solution concentration lead to the improvement of power denstiy, and water flux. Also, increase of flowrate resulted in the improvement of power density and water flux. In addition, optimal mixing ratio of draw and feed solution inlet flowrate was found to be 1:1 to attain a maximum power denstiy.
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제안 방법
또한 PRO 막의 성능은 유도용액과 유입원수의 농도, 유량, 온도에 영향을 받는 것으로 보고된바 있다.19,20) 따라서 유도용액의 압력을 저압(5 bar)에서 고압(30 bar)으로 변화시키면서 유도용액의 염분 농도와 유도용액 및 유입원수의 유량 변화에 따른 PRO 막의 성능 변화를 조사하였다.
따라서 본 연구는 이론상 최대전력밀도 형성 압력에서 최대 전력밀도를 얻기 위해 PRO 전용 막으로 제작된 8 in 나권형 모듈을 이용하였다. 또한 PRO 막의 성능은 유도용액과 유입원수의 농도, 유량, 온도에 영향을 받는 것으로 보고된바 있다.
본 연구는 중공사막이 가지는 내압성의 한계를 극복하기 위한 방안으로 나권형 모듈을 사용하였으며, 유도용액의 염분농도 및 유량, 유도용액과 유입원수의 유입 비에 따른 압력지연삼투 공정의 투과수량 및 전력밀도를 조사하였다. 중요 결과로 나권형 모듈의 사용 시 중공사 막을 이용한 기존의 연구결과 보다 6~10 bar 높은 압력에서 최대전력밀도를 형성하였으며, 유도용액의 염분농도가 높을수록, 유도용액과 유입원수의 유량이 높을수록 유효삼투압차의 증가로 높은 투과수량 및 전력밀도를 얻을 수 있는 것으로 나타났다.
압력지연삼투 공정은 20 m3/day 규모의 파일럿 플랜트를 통해 실험을 진행하였다. Fig.
유도용액과 유입원수의 유량 유입비에 따른 투과수량 및 전력밀도의 비교하였다. 유도용액의 염분농도는 70,000 mg/L이며, Table 3에 각각의 비에 대한 유도용액과 유입원수의 유량을 나타내었다.
유도용액과 유입원수의 유입유량에 따른 영향을 비교하기 위해 두 용액의 유입 비를 1:1로 하여 유입 유량변화에 따른 투과수량 및 전력밀도를 비교하였다. Fig.
두 용액 모두 컨트롤 밸브와 리턴 밸브에 의해 유량을 조절하며, 유도용액의 경우 backpressure 밸브에 의해 압력을 제어하게 된다. 투과수량 및 전력밀도는 유도용액의 유량 변화를 통해 30초 단위로 측정하여 계산하였다.
대상 데이터
본 연구에 사용된 PRO 모듈은 Toray Chemical 사에서 제공한 CSM-PRO 2 모듈을 사용하였다. 막의 제원은 Table 2에 나타내었으며 막 모듈의 구조는 Fig.
1과 같다. 실험에 사용된 용액은 염분농도 35,000 mg/L (0.6 M NaCl)을 제조하여 RO 공정을 거친 후 농축수는 유도용액(염분농도 50,000 or 70,000 mg/L)으로 생산수(RO 투과수)는 유입원수(염분농도 400 mg/L)로 사용하였다.15,16)
이러한 내압성의 한계를 극복하기 위해 기존 국·내외 연구결과에 비교하여 내압성이 높은 8 in 나권형 모듈을 사용하였으며, 보다 실제 규모에 가까운 20 m3/d 규모의 파일럿을 연구에 사용하였다.
성능/효과
19 cm/s이다. 2.4 L/min의 유량에서 최대 전력밀도는 0.7 W/m2, 5.0 L/min의 유량에서는 2.71 W/m2, 10.0 L/min의 유량에서는 3.68 W/m2이 도출되었다. 유량이 증가할수록 투과수량이 증가하고 이로 인해 전력밀도 또한 높게 나타나는 것을 알 수 있다.
0 L/min 조건에서의 투과수량과 전력밀도를 나타낸 것이다. 5.0 L/min의 유량에서는 50,000 mg/L의 경우 15.1 bar에서 1.24 W/m2의 70,000 mg/L의 경우 17.7 bar에서 2.71 W/m2이 도출되었으며, 유입유량 10.0 L/min 조건에서 최대 전력 밀도는 50,000 mg/L의 경우 18.3 bar에서 1.83 W/m2, 70,000 mg/L의 경우 19.2 bar에서 3.68 W/m2이 도출되었다. 유도용액의 염분 농도가 높은 경우 높은 투과수량과 전력밀도를 형성한 것을 알 수 있는데,15) 이는 높은 삼투압차를 가질 때 높은 투과수량을 형성하여 높은 전력밀도를 도출할 수 있다는 것을 위의 식 (1)과 (2)를 통해 설명이 가능하다.
6) 또한 작은 부지의 사용과 24시간 운전할 수 있다는 장점도 가지고 있다.7) PRO 공정의 유입원수는 크게 해수 공정수, 지표수, 하수처리장 방류수, 재이용수, 기수 또는 지하수 등 PRO 공정이 설치되는 지역의 특성에 맞게 다양한 원수를 활용할 수 있다.8)
식 (2)에 따르면 50,000 mg/L와 70,000 mg/L 염분농도를 가진 유도용액에서의 이론적 최대전력밀도 형성 압력은 약 20 bar와 29 bar이나 최대 전력밀도가 이론상의 압력보다 낮은 압력에서 형성 되는 것은 막 내·외부의 농도분극 현상 및 역염투과에 의한 유효 삼투압의 저하로 인한 결과17)로 판단된다. 그러나 본 연구에서 사용된 내압성이 높은 나권형 모듈을 사용함으로써 Table 1에서 나타낸 연구결과들에 비교하여 보다 높은 압력에서 최대전력밀도를 형성하는 것을 알 수 있다.
Altaee and Sharif 7)의 보고에 따르면 유도용액/유입원수의 비가 높을수록 투과수량은 증가에 의한 전력밀도 증가가 나타났으며, 유입원수/유도용액의 비의 증가는 투과수량에 영향을 미치지 않는다고 하였다. 그러나 본 연구에서는 유도용액의 유량이 5.0 L/min의 1 : 1 (5 L/min : 5 L/min)의 비와 10.0 L/ min의 1 : 0.5 (10.0 L/min : 5 L/min)의 투과수량 및 전력밀도 비교 시 유도용액의 유량의 증가에 따른 유도용액/유입 비의 증가는 투과수량 및 전력밀도의 증가를 보였으나, 유입원수의 증가에 따른 유입원수/유도용액 비의 증가는 투과 수량 및 전력밀도 비교 시 유도용액의 유량 5.0 L/min, 10.0 L/min 조건 모두 유입원수의 유량이 변화함에 따라 투과수량 및 전력밀도 또한 변화하여 유입원수의 유량 변화 또한 투과수량 및 전력밀도에 영향을 미치는 것으로 나타났다. 유입원수의 증감에 따른 투과수량 및 전력밀도의 증감은 일정하지 않으나, 본 연구에서 사용된 8 in 막 모듈에서 적용 시 5.
중요 결과로 나권형 모듈의 사용 시 중공사 막을 이용한 기존의 연구결과 보다 6~10 bar 높은 압력에서 최대전력밀도를 형성하였으며, 유도용액의 염분농도가 높을수록, 유도용액과 유입원수의 유량이 높을수록 유효삼투압차의 증가로 높은 투과수량 및 전력밀도를 얻을 수 있는 것으로 나타났다. 또한 유도용액과 유입원수의 유입 비에 따른 비교 결과, 1:1의 유입비에서 가장 높은 투과수량 및 전력밀도를 얻을수 있는 것으로 나타났다. 이 연구를 통해 압력지연삼투 공정에서 유도용액의 염분농도와 유도용액 및 유입원수의 유량 및 유입비에 따른 투과수량 및 전력밀도의 영향을 알 수있었다.
유량이 증가할수록 투과수량이 증가하고 이로 인해 전력밀도 또한 높게 나타나는 것을 알 수 있다. 또한 최대전력밀도를 형성하는 압력은 유량이 증가할수록 각각 13.6 bar, 17.7 bar, 19.2 bar로 증가하였다. Kim 등11)의 연구에 따르면 유도용액의 염분농도 70,000 mg/L, 유입원수로 수돗물을 사용하여 유도용액 22.
0 L/min 조건 모두 유입원수의 유량이 변화함에 따라 투과수량 및 전력밀도 또한 변화하여 유입원수의 유량 변화 또한 투과수량 및 전력밀도에 영향을 미치는 것으로 나타났다. 유입원수의 증감에 따른 투과수량 및 전력밀도의 증감은 일정하지 않으나, 본 연구에서 사용된 8 in 막 모듈에서 적용 시 5.0 L/min과 10.0 L/min 유량 조건 모두 유도용액과 유입원수의 비가 1:1일 때 가장 높은 투과수량과 전력밀도를 얻을 수 있는 것으로 나타났다. 향후 유입원수의 유량 변화에 대한 연구가 필요할 것으로 판단된다.
또한 유도용액과 유입원수의 유입 비에 따른 비교 결과, 1:1의 유입비에서 가장 높은 투과수량 및 전력밀도를 얻을수 있는 것으로 나타났다. 이 연구를 통해 압력지연삼투 공정에서 유도용액의 염분농도와 유도용액 및 유입원수의 유량 및 유입비에 따른 투과수량 및 전력밀도의 영향을 알 수있었다. 또한 유입원수의 유량 변화에 따른 투과수량 및 전력밀도에 대한 추가적인 연구가 필요 할 것으로 보이며, 본 연구의 결과를 토대로 공정 설계 시 유도용액의 염분농도와 유도용액 및 유입원수의 유량을 고려한 공정설계가 필요할 것으로 판단된다.
본 연구는 중공사막이 가지는 내압성의 한계를 극복하기 위한 방안으로 나권형 모듈을 사용하였으며, 유도용액의 염분농도 및 유량, 유도용액과 유입원수의 유입 비에 따른 압력지연삼투 공정의 투과수량 및 전력밀도를 조사하였다. 중요 결과로 나권형 모듈의 사용 시 중공사 막을 이용한 기존의 연구결과 보다 6~10 bar 높은 압력에서 최대전력밀도를 형성하였으며, 유도용액의 염분농도가 높을수록, 유도용액과 유입원수의 유량이 높을수록 유효삼투압차의 증가로 높은 투과수량 및 전력밀도를 얻을 수 있는 것으로 나타났다. 또한 유도용액과 유입원수의 유입 비에 따른 비교 결과, 1:1의 유입비에서 가장 높은 투과수량 및 전력밀도를 얻을수 있는 것으로 나타났다.
후속연구
이 연구를 통해 압력지연삼투 공정에서 유도용액의 염분농도와 유도용액 및 유입원수의 유량 및 유입비에 따른 투과수량 및 전력밀도의 영향을 알 수있었다. 또한 유입원수의 유량 변화에 따른 투과수량 및 전력밀도에 대한 추가적인 연구가 필요 할 것으로 보이며, 본 연구의 결과를 토대로 공정 설계 시 유도용액의 염분농도와 유도용액 및 유입원수의 유량을 고려한 공정설계가 필요할 것으로 판단된다.
0 L/min 유량 조건 모두 유도용액과 유입원수의 비가 1:1일 때 가장 높은 투과수량과 전력밀도를 얻을 수 있는 것으로 나타났다. 향후 유입원수의 유량 변화에 대한 연구가 필요할 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
염도차 발전이란 무엇인가?
이러한 신·재생 에너지 중 하나로 두 용액의 염분농도차를 이용하여 에너지를 생산하는 새로운 방식이 주목받고 있다. 이 기술은 염도차 발전이라 불린다.
압력지연 삼투공정에서 전력밀도는 어떠한 지표로 사용되는가?
최근에는 에너지 생산의 목적만이 아니라 다양한 수처리 및 담수화 공정에 결합하여 전체 에너지 사용감소를 위한 연구가 진행되고 있다. 압력지연삼투 공정에서 에너지 생산량을 나타내는 지표로서 사용되는 전력밀도는 노르웨이의 Statkraft사에서9) 3 W/m2, 일본의 ‘메가톤 물 시스템’에서10) 4.4 W/m2로 보고된바 있으며, Kim 등11)의 나권형 막 모듈을 이용한 연구에서 1.
압력지연삼투는 어떠한 방식으로 에너지를 생산하는가?
이 기술은 염도차 발전이라 불린다. 이러한 염도차 발전 기술 중 하나인 압력지연삼투(Pressure retarded osmosis, PRO)는 저농도의 feed solution과 고농도의 draw solution사이에 반투과 막을 놓아 저농도의 용액이 삼투압 차에 의해 반투막을 통과하여 고농도 용액으로 투과되며, 이 때 증가한 유량이 터빈을 회전시켜 에너지를 생산한다.3,4) 즉, 두 용액간의 농도차에 의해 발생한 삼투압이 수압의 형태로 바뀌어 이 수압이 터빈을 회전시켜 에너지를 얻는 것이다.
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