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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 고 전력밀도의 PRO 분리막/ 모듈 개발을 위해 지지체가 분리막 성능에 미치는 영향 및 성능인자를 분석하고 모듈 구성과 운전조건에 따른 성능변화에 대하여 논의하고자 한다.
- 본 연구에서는 이러한 모듈 내 유도용액의 유동저항을 개선하기 위해 유도용액 측 다수의 트리코트 중 1장의 배열을 2번 방향으로 구성하여 모듈의 성능을 테스트 하였다.
제안 방법
- 이는 A, B 값도 중요하지만 S값이 PRO 분리막 성능에 큰 영향을 미친 다는 것을 확인할 수 있었다. 또한 PRO 8인치 모듈을 개발하고 유입용액 측 스페이서 구성에 따른 전력 밀도 변화도 관찰하였다. 모듈 내 스페이서의 구성에 따라 유입용액의 유동저항이 감소하여 유입압이 저감 되고 전력밀도는 8.
- 4W/m2 까지 증가하는 결과를 보여 주었다. 마지막으로 PRO 모듈 운전조건에 따른 모듈의 성능변화를 테스트하였다. 유입용액 및 유도용액의 유속이 증가하고 온도가 상승할수록 전력밀도는 증가하였다.
- 본 연구에서 개발된 PRO 8 인치 모듈은 상기 설명된 스페이서의 역할 뿐만 아니라 유도용액과 유입용액의 유로를 형성시키기 위한 역할을 부여하고자 유입용액측은 다수의 트리코트로 유도용액측은 메쉬로 모듈의 구성을 최적화 하였다.
- 모듈 평가설비로서 유도용액 및 유입용액 탱크가 구비되어 있고 8인치 모듈과 4인치 모듈을 테스트할 수 있다. 분리막 및 모듈평가 시 유도용액 농도는 해수농축수 기준인 70,000ppm NaCl로 고정하였으며 동일 시료를 3회 평가 후 평균치를 작성하였다.
- 분리막의 구조상수가 PRO 분리막 성능에 미치는 영향을 알아보기 위해 여러 종류의 지지체를 적용하여 비교하였다.
- 상기 기존 모듈과 변경모듈의 운전조건별 테스트를 진행하였다. 유도용액과 유입용액의 유속에 따른 전력밀도 변화를 Fig.
- 상기 연구방법에서 기술된 식들을 이용하여 지지체별 PRO 분리막의 수투과도, 전력밀도 및 성능인자를 분석하였다. 각 지지체별 PRO 분리막의 물성 및 성능 인자 값을 Table 2에 정리하였다.
- 8은 용액의 온도에 따른 두 모듈의 전력밀도 변화를 보여주고 있다. 온도는 유입용액 및 유도용액 모두 동일한 온도로 25, 35, 45℃로 10℃ 씩 상승시키면서 전력밀도를 측정하였으며 용액의 유속은 15LPM 으로 고정하였다. 온도가 증가할수록 모듈의 전력밀도는 증가하였으며 변형된 모듈의 전력밀도는 기존모듈보다 큰 것을 확인할 수 있다.
- 폴리머 지지층의 S값을 줄이기 위해서는 공극율 증가, 굴곡도를 감소시켜 가능하며 부직포 지지체의 S값을 감소시키기 위해서는 두께가 얇고 다공성이 우수한 부직포를 사용하면 가능하다. 이에 본 연구에서는 2.1에서 기술한대로 각각 두께 및 공극률이 상이한 non-woven fabric 2종류와 porous fabric 2종류를 이용하여 PRO 분리막을 제조하여 전력밀도 및 각성능인자를 분석하였다.
대상 데이터
- 상기 제조된 PRO 분리막을 이용하여 PRO 8인치 모듈을 제조하였다. PRO 모듈 내 유도용액측과 유입 용액측 부분의 스페이서 구성은 다르게 제조되었다.
이론/모형
- 폴리설폰(Polysulfone) 지지층을 제조하기 위해 분리막 제조방법 중 하나인 상전환침지법(Phase inversion precipitation)을 사용하였다.
성능/효과
- 2W/m 2 의 최대전력밀도를 보여 기존 배열보다 전력밀도가 증가한 것을 알 수 있다. 그리고 기존 모듈은 15bar 이후부터는 전력밀도가 급격히 감소하였으나 변경된 모듈의 경우에는 20bar에서도 15bar와 유사한 전력밀도인 8.4W/m2 를 나타내어 보다 내압성이 뛰어나다는 것을 확인하였다.
- 5는 기존 배열의 트리코트로 구성된 모듈과 트리코트 1장 배열을 변경한 모듈의 압력별 전력밀도 변화를 보여주고 있다. 두 모듈 모두 차압이 증가할수록 전력밀도는 상승하였으며 기존 배열은 15bar에서 최대전력밀도인 6.9W/m2 를 나타냈으며 변경된 모듈은 같은 압력에서 8.2W/m 2 의 최대전력밀도를 보여 기존 배열보다 전력밀도가 증가한 것을 알 수 있다. 그리고 기존 모듈은 15bar 이후부터는 전력밀도가 급격히 감소하였으나 변경된 모듈의 경우에는 20bar에서도 15bar와 유사한 전력밀도인 8.
- 또한 Fig. 6과 같이 유입용액 유입부에서의 압력을 비교한 결과 변경된 모듈의 유입압력이 기존 모듈보다 모든 차압조건에서 현저히 낮은 압력을 나타내었으며 특히 차압이 상승할수록 기존모듈과 변경된 모듈의 유입압 차이는 더욱 커졌다.
- 수투과도 상수가 감소하였음에도 불구하고 전력밀도가 증가한 것은 지지체의 두께가 얇아짐에 따라 분리막 구조상수인 S값이 감소하고 이에 따른 수투과도의 증가가 원인이라고 판단된다. 또한 다공성이 우수하고 두께가 얇은 Porous fabric B를 사용한 PRO 분리막의 S값은 non-woven fabric A와 비교하였을 시약 3.6배 감소한 0.710mm를 나타내었으며 수투과도는 35.5LMH로 약 6.2배 상승하였다. 수투과도 증가에 따라 전력밀도는 18.
- 또한 PRO 8인치 모듈을 개발하고 유입용액 측 스페이서 구성에 따른 전력 밀도 변화도 관찰하였다. 모듈 내 스페이서의 구성에 따라 유입용액의 유동저항이 감소하여 유입압이 저감 되고 전력밀도는 8.4W/m2 까지 증가하는 결과를 보여 주었다. 마지막으로 PRO 모듈 운전조건에 따른 모듈의 성능변화를 테스트하였다.
- 본 연구에서는 다공성이 증가하고 두께가 감소한 지지체를 적용한 PRO 분리막일수록 지지층 구조 상수인 S값이 감소되고 전력밀도가 18.3W/m2 까지 상승 한다는 것을 확인하였으며 수투과도 상수인 A값이 크고 염투과상수인 B값이 작아도 S값이 클 경우 전력밀도가 감소하는 것을 볼 수 있었다. 이는 A, B 값도 중요하지만 S값이 PRO 분리막 성능에 큰 영향을 미친 다는 것을 확인할 수 있었다.
- 2배 상승하였다. 수투과도 증가에 따라 전력밀도는 18.3W/m2 으로 약 6배 증가하였으며 앞선 결과와 마찬가지로 분리막 구조 상수가 대폭 감소함에 따라 전력밀도가 증가한 것을 확인할 수 있었다. 또한 porous fabric A의 경우 porous fabric B보다 A값은 크고 B값이 작음에도 불구하고 S값이 증가함에 따라 전력밀도가 감소하였다.
- 온도는 유입용액 및 유도용액 모두 동일한 온도로 25, 35, 45℃로 10℃ 씩 상승시키면서 전력밀도를 측정하였으며 용액의 유속은 15LPM 으로 고정하였다. 온도가 증가할수록 모듈의 전력밀도는 증가하였으며 변형된 모듈의 전력밀도는 기존모듈보다 큰 것을 확인할 수 있다. 온도상승에 따른 전력밀도의 증가는 여러 이론으로 설명될 수 있다.
- 유속이 증가할수록 두 모듈 모두 전력밀도는 증가하였으며 변경된 모듈의 경우 기존 모듈보다 모든 유속에서 전력밀도가 높았으며 15LPM에서 최대 전력밀도를 나타내었다. 15LPM이상에서는 유입용액 펌프의 용량 한계에 의해 측정이 불가하였다.
- 마지막으로 PRO 모듈 운전조건에 따른 모듈의 성능변화를 테스트하였다. 유입용액 및 유도용액의 유속이 증가하고 온도가 상승할수록 전력밀도는 증가하였다. 결론적으로 고성능 PRO 모듈 개발을 위해서는 PRO 분리막의 성능과 더불어 PRO 모듈의 구성 그리고 운전조건 또한 최적화되어야 한다.
- 또한 porous fabric A의 경우 porous fabric B보다 A값은 크고 B값이 작음에도 불구하고 S값이 증가함에 따라 전력밀도가 감소하였다. 즉, PRO 분리막의 성능에는 A, B값도 중요하지만 S 값이 보다 큰 영향을 미친 다는 것을 확인할 수 있었으며 PRO 분리막 개발 시코팅층도 중요하지만 지지층과 지지체의 구조와 다공성을 필히 고려해야한다고 사료된다.
후속연구
- 유입용액 및 유도용액의 유속이 증가하고 온도가 상승할수록 전력밀도는 증가하였다. 결론적으로 고성능 PRO 모듈 개발을 위해서는 PRO 분리막의 성능과 더불어 PRO 모듈의 구성 그리고 운전조건 또한 최적화되어야 한다.
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