[논문]고전압 임펄스를 활용한 발전용수 칼슘농도 저감에 관한 연구

김태희; 장인성; 정재환; 홍웅기; 이준호

doi:10.5370/kiee.2017.66.3.545

[국내논문] 고전압 임펄스를 활용한 발전용수 칼슘농도 저감에 관한 연구
A Study on Calcium Ion Reduction in Power Plant Water using High Voltage Impulse 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.66 no.3, 2017년, pp.545 - 550

김태희 (Dept. of Environmental Eng., Hoseo Univ.) , 장인성 (Dept. of Environmental Eng., Hoseo Univ.) , 정재환 (KEPRI, KEPCO) , 홍웅기 (Dept. of Electrical Eng., Hoseo Univ.) , 이준호 (Dept. of Electrical Eng., Hoseo Univ.)

Abstract ▼ AI-Helper

As an alternate technique for water softening, high voltage impulse (HVI) is introduced and verified if it can control the $CaCO_3$ scale formation in industrial water treatment. After HVI was applied to the artificial hard water containing $100{\pm}5mg/L$ $Ca^{2+}$ for 4 hours, the $Ca^{2+}$ concentration and the electrical conductivity were measured. The concentration of $Ca^{2+}$ was reduced from 94.5 to 86.3 mg/L (8.7% reduction) after 4 hour contact of HVI under 5 kV condition. The $Ca^{2+}$ was decreased from 92 to 77.7 mg/L (15.6% reduction) at 8kV and from 90.1 to 75.4 mg/L (16.3% reduction) at 12 kV condition. Both of the contact time and the applied voltage were important parameters affecting the calcium ion reduction. With these results, it was verified that HVI technique could be potential candidate for control of $CaCO_3$ scale formation.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

형성이 가장 보편적인 스케일이다[8]. 따라서 본 연구에서는 스케일의 주성분인 CaCO₃를 대상으로 선정하였고, Ca²⁺의 농도를 측정하여 CaCO₃ 스케일 형성 정도를 평가하였다. 즉 시료에 HVI를 인가하면 용해되어 있던 Ca²⁺이 CaCO₃의 형태로 석출되며, 석출된 CaCO₃를 제거하고 시료 중 용해되어 있는 Ca²⁺의 농도를 측정하였다.
온도의 변화는 Ca²⁺ 농도 변화에 영향을 줄 수 있다. 따라서 전극을 코팅하여 전류를 차단하고자 하였다. 즉 에폭시 (epoxy)를 이용하여 전극 표면에 약 200-300 μm 두께로 코팅하였다.
본 연구는 고전압임펄스를 이용하여 발전용수 중의 Ca²⁺을 CaCO₃의 형태로 석출시켜 제거하여 HVI의 스케일 제어 가능성을 검증하는 연구로 다음과 같은 결론을 얻었다.

제안 방법

1시간 간격으로 온도를 측정하고, 시료를 10ml씩 분취하여 10배 희석하고, 공경 (pore size)이 0.45 μm인 여과지(membrane filter, ADVANTEC Inc., Japan)에 여과시켜 발생한 CaCO3를 제거한 후 막을 통과한 용액의 Ca2+ 농도를 이온크로마토그래르를 이용하여 측정하였다.
HVI 시스템은 30 kV의 전압을 생성할 수 있고, 주파수는 100-300 Hz, 펄스 길이는 4-40 μs로 조절 가능하게 제작하였다.
HVI 장치에서 발생한 펄스의 정보를 오실로스코프를 이용하여 기록하였다. 그림 4는 HVI 장치에서 발생하는 펄스의 전형적인 파형을 나타낸 것이다.
따라서 IC로 측정된 Ca²⁺ 농도가 EDTA 적정법에서 얻은 농도보다 더 높게 측정될 가능성이 있다. 따라서 IC 측정법이 본 연구에서 Ca²⁺의 농도를 측정하는 데에 적합한지를 판단하기 위해 IC와 EDTA 적정법을 서로 비교할 필요가 있었다.
HVI 기술이란 수 kV의 전압을 μs 이하의 단위로 방전시켜 전기장을 형성시키는 기술로 주로 식품의 비열처리 공법에 응용되고 있는 기술이다[7]. 본 연구에서는 경수 중의 Ca2+를 CaCO₃로 사전에 석출시켜 스케일 발생을 방지, 억제시키거나 또는 경도를 제어하기 위한 일환으로 HVI 기술을 적용하였다
2) 전극을 에폭시로 코팅하여 전극 간에 전류가 흐르는 것을 방지하여 줄 열이 발생하는 것을 막을 수 있음을 확인하였다. 이를 통해 Ca²⁺ 농도가 감소하는 외적 요인을 배제하여 오직 HVI에 의해서만 농도 변화가 일어날 수 있는 환경을 제공하였다.
시료 용액의 이온의 농도가 변화하면 시료의 전기전도도 또한 변화한다. 이를 통해 시료의 전기전도도를 측정하여 시료 용액의 이온 농도의 변화를 간접적으로 관찰할 수 있다고 판단하여 전기전도도를 측정하였다.
제조된 인공 시료에 각각 5 kV, 8 kV, 12 kV의 전압을 4시간 동안 인가하였다. 1시간 간격으로 온도를 측정하고, 시료를 10ml씩 분취하여 10배 희석하고, 공경 (pore size)이 0.
주파수(100 Hz), 펄스 길이(4 μs)가 동일한 조건에서 인가 전압(5 kV, 8 kV, 12 kV)을 달리 하여 실험을 진행하였다.
따라서 본 연구에서는 스케일의 주성분인 CaCO₃를 대상으로 선정하였고, Ca²⁺의 농도를 측정하여 CaCO₃ 스케일 형성 정도를 평가하였다. 즉 시료에 HVI를 인가하면 용해되어 있던 Ca²⁺이 CaCO₃의 형태로 석출되며, 석출된 CaCO₃를 제거하고 시료 중 용해되어 있는 Ca²⁺의 농도를 측정하였다.
즉 에폭시 (epoxy)를 이용하여 전극 표면에 약 200-300 μm 두께로 코팅하였다.
초기 온도 24 ℃에서 5 kV 전압을 인가한 후 8, 12 kV로 증가해가면서 시료의 온도변화를 관찰하였다. 인가된 전압이 중가해도 반응기 내부의 온도가 증가하지 않고 24 ℃로 일정하게 유지되었다.
그림 1은 본 연구에서 사용된 HVI 시스템의 개념도이다. 펄스 공급 장치에서 공급되는 펄스 전압을 반응기 (HVI reactor)에 인가하고 시스템과 연결된 전압 프로브(NORTH STAR PVM-6, Teledyne Lecroy Inc, USA)와 변류기(Lecroy current probe CP150, Teledyne Lecroy Inc, USA)를 이용하여 펄스 전압과 전류의 파형을 오실로스코프 (LeCroy 104xi-A, Teledyne Lecroy Inc, USA)로 관찰하였다. HVI 시스템은 30 kV의 전압을 생성할 수 있고, 주파수는 100-300 Hz, 펄스 길이는 4-40 μs로 조절 가능하게 제작하였다.

대상 데이터

본 연구에서 사용되는 인공 시료는 약 800 μS/cm의 전도도를 갖도록 조제하였다.
본 연구에서 사용된 IC 분석 장치(881 Compact IC pro, Metrohm Inc., Switzerland)는 일반 양이온 분석 컬럼 (Metrosep C 4, Metrohm Inc., Switzerland)과 전도도 검출기 (conductivity detector)로 이루어져 있다. IC 분석 장치의 운전 조건을 아래의 표 2에 나타내었다.
HVI에서 발생한 펄스 전압의 파형은 4 μs동안 일정한 전압을 유지하고, 이후에 지수적으로 감소한다. 본 연구에서 사용된 펄스 전압은 각각 5 kV, 8 kV, 12 kV이다. 전류의 파형은 전극코팅 효과로 인해 절연이 잘 되어 장치 내부의 인버터 스위치 ON 시 발생되는 스위칭서지(switching surge) 만 관찰되었다.
시료는 염화칼슘 (CaCl₂, 95% JUNSEI Co., Japan)과 중탄산나트륨 (NaHCO₃, Sodium bicarbonate, 99.9% SIGMA-ALDRICHCo., Germany)를 초순수에 용해시켜 1L로 하여 약 100 Ca²⁺mg/L의 초기 농도를 가지는 인공 시료를 조제하여 사용하였다.
전극의 형태는 평판형 전극이 서로 맞보고 있는 plate-to-plate 방식이다. 전극의 재질은 stainless steel(SUS 304)이며 전극의 직경은 35 mm이다. 전극 간의 거리는 10-30 mm의 범위로 조절할 수 있게 제작하였다.

이론/모형

시료 중 Ca²⁺ 농도는 이온크로마토그래피 (Ion Chromatography)를 이용한 측정과 Standard Method [9]에 제안된 EDTA(ethylenediaminetetraacetic acid) 적정법, 두 가지 방법을 모두 사용하여 측정하였다.

성능/효과

1) 조제된 칼슘이온의 농도 범위 (~100 mg/L) 에서는 초기 4시간 동안에는 자연적으로 침전되는 Ca²⁺이 거의 없는 것을 확인하였다.
2) 전극을 에폭시로 코팅하여 전극 간에 전류가 흐르는 것을 방지하여 줄 열이 발생하는 것을 막을 수 있음을 확인하였다. 이를 통해 Ca²⁺ 농도가 감소하는 외적 요인을 배제하여 오직 HVI에 의해서만 농도 변화가 일어날 수 있는 환경을 제공하였다.
3) 시료에 HVI를 4시간 동안 인가한 결과 전기전도도가 934μS/cm에서 905μS/cm로 감소하였다.
4) 시료에 4시간 동안 펄스 전압을 인가하였을 때 Ca²⁺이 5 kV, 8kV, 12 kV 조건에서 칼슘이온의 농도가 각각 8.7%, 15.6%, 16.3%가 감소하였다. 인가한 펄스 전압과 시간이 증가할수록 Ca²⁺ 제거율이 높아졌다.
5) HVI가 인가된 시료를 여과지로 여과한 후 많은 표면에 많은 흰색 결정이 관찰되었다. 이는 HVI의 인가가 수용액 내부의 Ca²⁺이온을 CaCO₃ 형태로 석출하게 하는 역할을 하기 때문으로 판단된다.
그림 7과 그림 8을 통해 HVI의 인가 시간과 전압이 증가할수록 Ca²⁺의 제거율이 증가하는 결과를 실험적으로 확인하였고, 이는 곧 HVI 처리시스템에서 인가전압의 크기와 처리시간이 Ca²⁺ 농도 변화의 주요 변수임을 의미한다.
대조군의 경우 934μS/cm에서 4시간 경과 후 923μS/cm로 실험군에 비해 감소량이 적은 것을 확인할 수 있다.
두 측정 방법 모두 초기 4시간 동안은 Ca²⁺ 농도는 거의 변화가 없었고, 이후에 점차 농도가 감소하는 양상을 보였다. 두 가지 방법으로 측정된 Ca²⁺농도가 완전히 일치하지는 않았지만 큰 차이가 없었고, Ca²⁺이 감소하는 정도도 거의 동일하게 관찰되었다. 따라서 두 가지 방법 모두 Ca²⁺ 농도측정에 사용할 수 있다고 판단되었다.
농도를 IC와 EDTA 적정법을 통하여 측정한 결과이다. 두 측정 방법 모두 초기 4시간 동안은 Ca²⁺ 농도는 거의 변화가 없었고, 이후에 점차 농도가 감소하는 양상을 보였다. 두 가지 방법으로 측정된 Ca²⁺농도가 완전히 일치하지는 않았지만 큰 차이가 없었고, Ca²⁺이 감소하는 정도도 거의 동일하게 관찰되었다.
이는 전극 코팅 때문에 전극 간에 전류가 흐르지 않아 주울 열이 발생하지 않은 것으로 설명된다. 따라서 본 연구에서 온도 변화로 인한 영향을 배제하고 순수하게 HVI에 의하여 제거되는 Ca²⁺의 농도를 측정할 수 있었다.
따라서 두 가지 방법 모두 Ca²⁺ 농도측정에 사용할 수 있다고 판단되었다. 또한 e기 4시간 동안의 농도 변화가 거의 없으므로 HVI를 인가하는 시간을 초기 4시간으로 한정하는 것이 타당하다고 판단되었다. 즉, 이 기간 동안 HVI를 인가했을 때 발생하는 Ca²⁺ 농도 변화는 자연적으로 형성된 CaCO₃ 때문이 아니고, 모두 HVI의 영향으로 발생한 CaCO₃로 인한 것으로 간주할 수 있다.
반면에 HVI를 인가하지 않은 시료가 통과된 여과지의 표면에는 흰색 결정이 상대적으로 적게 관찰되었다. 이상의 관찰로 HVI를 인가하면 Ca²⁺가 CaCO₃로 침전 형성되어 시료의 Ca²⁺ 농도가 감소한 것이라고 결론지을 수 있다.
전체적으로 본 연구에서 제안하고 개발한 HVI 시스템이, 발전용수에서 발생하는 CaCO₃ 스케일을 효율적이고 친환경적으로 제어할 수 방법으로 활용할 수 있음을 실험결과로 제시하였다. 향후 과제로는 스케일 제거의 메카니즘과 이 과정에서 HVI의 역할에 대한 보다 깊은 연구가 필요하다고 사료된다.

후속연구

스케일을 효율적이고 친환경적으로 제어할 수 방법으로 활용할 수 있음을 실험결과로 제시하였다. 향후 과제로는 스케일 제거의 메카니즘과 이 과정에서 HVI의 역할에 대한 보다 깊은 연구가 필요하다고 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	연수화공정의 한계는 무엇인가?	이러한 문제들을 해결하기 위하여 연수화공정(softening processes)을 이용하는데, 전기투석(electrodialysis)이나 역삼투(reverse osmosis)와 같은 물리적 처리공법과 석회소다 연수화(lime-soda softening), 이온교환 (ion exchange)과 스케일 억제 약품(anti-scalants)을 투여하는 화학적 처리 공법이 사용되고 있다. 그러나 이러한 물리/화학적 처리 공정들은 유지비용이 높으며, 2차적인 환경오염이 발생할 가능성이 있다. 또한 화학약품의 사용 및 유지관리에 소요되는 안전 비용이 계속 증가하고 있다. 이러한 단점들을 보완하기 위한 대체 탈염기술 개발의 필요성이 대두되고 있다.
	HVI 기술이란 무엇인가?	HVI 기술이란 수 kV의 전압을 μs 이하의 단위로 방전시켜 전기장을 형성시키는 기술로 주로 식품의 비열처리 공법에 응용되고 있는 기술이다[7]. 본 연구에서는 경수 중의 Ca2+를 CaCO3로 사전에 석출시켜 스케일 발생을 방지, 억제시키거나 또는 경도를 제어하기 위한 일환으로 HVI 기술을 적용하였다
	스케일은 어떠한 문제를 일으키는가?	경수 (hard water)는 열교환기나 냉각장치의 내부를 지나면서 장비 표면에 스케일을 형성시킨다. 이렇게 생성된 스케일로 인하여 열전달 효율이 감소되어 불필요한 에너지 소비의 원인이 되고 전열 장비의 사용 연한을 단축시켜 장비의 유지관리 비용을 높여서 경제적인 손실의 원인이 된다.

참고문헌 (9)

Alimi Fathi, Tlili Mohamed, Gabrielli Claude, Georges Maurin, Ben Amor Mohamed, "Effect of a magnetic water treatment on homogeneous and heterogeneous precipitation of calcium carbonate," Water Res., 40, 1941-1950, 2006

상세보기
Leonard D. Tijing, D.H. Lee, D.W. Kim, Y.I. Cho, C.S Kim, "Effect of high-frequency electric fields on calcium carbonate scaling", Desalination 279 pp. 47-53, 2011

상세보기
Yong Yang, Alexander Gutsol, Alexander Fridman, Young I. Cho, "Removal of $CaCO_3$ scales on a filter membrane using plasma discharge in water", Int J Heat Mass Transf, 52, pp. 4901-4906, 2009

상세보기
Yong Yang, Hyoungsup Kim, Andrey Starikovskiy, Alexander Fridman, Young I. Cho, "Application of pulsed spark discharge for calcium carbonate precipitation in hard water", Water Res., 44, pp. 3659-3668, 2010

상세보기
Yong Yang, Young I. Cho, Alexander Fridman, "Plasma discharge in liquid", CRC Press, New York, pp.111, 2011
Seon-Hee Yang, In-Soung Chang, "Control of scale formation using high voltage impulse", Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, Vol. 16, No. 3, pp. 2301-2307, 2015

원문보기 상세보기
Javier Raso, Volker Heinz, "Pulsed electric fields technology for the food industry", Springer, Spain, pp. 9, 2006
Won Tae Kim, Cheolho Bai, Young I. Cho, "A study of $CaCO_3$ fouling with a microscopic imaging technique", Int J Heat Mass Transf, 45, pp. 597-607, 2002

상세보기
Andrew D. Eaton, Lenore S. Clesceri, Arnold E. Greenberg "Standard Method for the Examination of Water and Wastewater", 19th edition, APHA, AWWA, WEF, USA 1995

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증