[논문]진공 막증류 공정의 스케일 막오염 형성에 관한 연구

황태문; 장은경; 남숙현; 구재욱; 김은주

doi:10.11001/jksww.2017.31.4.311

진공 막증류 공정의 스케일 막오염 형성에 관한 연구
Scale formation on vacuum membrane distillation for SWRO brine treatment 원문보기

上下水道學會誌 = Journal of Korean Society of Water and Wastewater, v.31 no.4, 2017년, pp.311 - 319

황태문 (한국건설기술연구원) , 장은경 (한국건설기술연구원) , 남숙현 (한국건설기술연구원) , 구재욱 (한국건설기술연구원) , 김은주 (한국건설기술연구원)

Abstract ▼ AI-Helper

Scale formation is inevitable problem when seawater is treated by vacuum membrane distillation. The reason is the high concentration of calcium ion($Ca^{2+}$), sulfate ion(${SO_4}^{2-}$) and bicarbonate ion(${HCO_3}^-$). These ions form calcium sulfate($CaSO_4$) and calcium carbonate($CaCO_3$) on the membrane. The scale formed on membrane has to be removed, because the flux can be severely reduced and membrane wetting can be incurred. This study was carried out to investigate scale formation and effectiveness of acid cleaning in vacuum membrane distillation for SWRO brine treatment. It was found that permeate flux gradually declined until volume concentration factor(VCF) reached around 1.55 and membrane wetting started over VCF over 1.6 in the formation of precipitates containing $CaSO_4$ during VMD operation. In contrast, when calcium carbonate formed on membrane, permeate flux was gradually reduced until VCF 3.0. The precipitates containing both $CaSO_4$ and $CaCO_3$ were formed on the membrane surface and in the membrane pore.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

스케일은 분리막 표면에서 형성되므로 분극현상의 정도에 따라 스케일현상이 더욱 심각하게 발생할 수 있다.(Li et al., 2014)본 연구는 역삼투 공정에서 전체 회수율을 향상 시킬 수 있는 후처리 공정으로 진공 막증류(Vacuum Membrane Distillation; VMD) 공정을 적용하는 경우 해수 농축수에 존재하는 무기이온이 스케일의 형성에 주는 영향 및 제어에 대하여 고찰하였다(Jang, 2014).

제안 방법

조제수 2를 사용하여 진공 막증류 공정에서 해수 농축수 처리시 발생 가능한 탄산칼슘에 의한 스케일 형성이 진공 막증류 공정에 주는 영향을 관찰하였다. Fig.
형성된 스케일이 실제 황산칼슘인지 확인하기 위하여 분리막 표면과 단면의 EDS를 분석하였다. 분석결과는 Table 2와 같다.
황산칼슘과 탄산칼슘이 조합된 용액에서 진공 막 증류 공정의 투과플럭스 변화를 관찰하였다. 해수 농축수에는 칼슘이온, 황산이온, 중탄산이온이 모두 존재하므로 황산칼슘과 탄산칼슘에 의한 막오염이 동시에 발생할 수 있다.

대상 데이터

실험에 사용한 용액의 구성성분비는 Table 1에 나타내었다. 스케일 용액은 탄산칼슘, 황산칼슘 및 탄산칼슘과 황산칼슘 조합에 의한 영향을 각각 살펴보기 위하여 세 가지 용액으로 조제하였다. 스케일 테스트 유입용액을 만들기 위하여 사용한 시약은 중탄산나트륨(Sigma-Aldrich, Switzerland), 황산나트륨(Sigma-Aldrich, Switzerland), 염화칼슘(Showa,Japan), 염화나트륨(Sigma-Aldrich, Switzerland)이다.
해수 농축수를 진공 막증류 공정을 이용하여 처리 할 경우 발생 가능한 무기염에 의한 막오염에 대하여 알아보기 위하여, 65,000 mg/L의 해수 농축수 농도를 조제하여 사용하였다.(Antonia et al.

성능/효과

1) 황산칼슘 스케일 형성시 진공막증류 공정의 VCF(Volume Concentration Factor) 값이 1.4 이하까지 투과 플럭스가 점진적으로 감소하다가 VCF가 1.55 이상에서는 막젖음 현상이 추가적으로 발생하였으나, 탄산칼슘 스케일 형성에 의한 막오염 실험의 경우 동일한 운전시간 동안 VCF가 1.55 이상에서도 막젖음 현상은 발생하지 않았다. 황산칼슘과 탄산칼슘 스케일이 공존하는 경우 VCF가 1.
2) 분리막 표면에 형성된 스케일 물질을 분석한 결과 황산칼슘의 결정은 용액의 성분 및 조성에 따라 바늘형태와 작은 판의 형태를 보였으며, 탄산칼슘의 경우 육각형 결정 및 구형 결정이 형성되었다. 황산칼슘과 탄산칼슘이 동시에 형성된 경우에는 두꺼운 가지형태와 구형 결정이 동시에 존재하였다.
3) 진공 막증류 공정을 이용하여 역삼투막 농축수를 처리할 경우, 스케일 형성 가능성이 높기 때문에 진공 막증류의 운전 플럭스를 높게 설정하여 운전한다면 스케일 형성에 의한 투과플럭스의 감소와 막젖음 현상을 배제할 수 없다. 그러므로 진공 막증류 공정을 이용하여 해수의 농축수를 처리할 때, 스케일 발생 가능성이 낮은 운전 조건과 스케일을 제어하는 적합한 방법을 찾아야 한다.

후속연구

3) 진공 막증류 공정을 이용하여 역삼투막 농축수를 처리할 경우, 스케일 형성 가능성이 높기 때문에 진공 막증류의 운전 플럭스를 높게 설정하여 운전한다면 스케일 형성에 의한 투과플럭스의 감소와 막젖음 현상을 배제할 수 없다. 그러므로 진공 막증류 공정을 이용하여 해수의 농축수를 처리할 때, 스케일 발생 가능성이 낮은 운전 조건과 스케일을 제어하는 적합한 방법을 찾아야 한다. 또한, 해수 농축수의 스케일 유발물질 제거를 위하여 적절한 전처리 공정이 필요하다.
그러므로 진공 막증류 공정을 이용하여 해수의 농축수를 처리할 때, 스케일 발생 가능성이 낮은 운전 조건과 스케일을 제어하는 적합한 방법을 찾아야 한다. 또한, 해수 농축수의 스케일 유발물질 제거를 위하여 적절한 전처리 공정이 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	막증류 기술의 장점은?	막증류 기술은 열에 의한 상변화와 분리막 기술을 결합한 것으로 소수성 분리막을 이용하여 온도차에 의한 증기압을 구동력으로 사용한다. 이 공정은 폐열, 태양열과 같은 대체에너지가 사용가능한 경우 기존의 가압식 분리막 공정에 비하여 운전에 사용되는 에너지가 적고 거의 100 %에 가까운 염 제거율을 가진다(Mohamed et al., 2006). 고농도의 유입수가 막증류 공정에 들어가는 경우에도 투과플럭스의 감소 및 염 제거율의 변화는 거의 없다(C.R McGinnis, 2009). 또한, 기존의 다단 증발법보다 열에너지가 적게 소비되고, 분리막과 공정수간의 화학반응이 적다는 장점이 있다.(Marek, 2011) 따라서 막증류 기술은 해수담수화에 직접적으로 적용이 가능하지만, 역삼투(Reverse Osmosis; RO) 공정의 후처리 공정으로도 적용이 가능하다.
	막증류 기술 이란?	막증류 기술(Membrane Distillation, MD)이란 열을 사용하는 기술과 분리막을 이용한 해수담수화 기술의 각 단점을 보완한 차세대 기술이다. 막증류 기술은 열에 의한 상변화와 분리막 기술을 결합한 것으로 소수성 분리막을 이용하여 온도차에 의한 증기압을 구동력으로 사용한다.
	막증류 기술은 무엇을 구동력으로 사용하는가?	막증류 기술(Membrane Distillation, MD)이란 열을 사용하는 기술과 분리막을 이용한 해수담수화 기술의 각 단점을 보완한 차세대 기술이다. 막증류 기술은 열에 의한 상변화와 분리막 기술을 결합한 것으로 소수성 분리막을 이용하여 온도차에 의한 증기압을 구동력으로 사용한다. 이 공정은 폐열, 태양열과 같은 대체에너지가 사용가능한 경우 기존의 가압식 분리막 공정에 비하여 운전에 사용되는 에너지가 적고 거의 100 %에 가까운 염 제거율을 가진다(Mohamed et al.

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