[논문]파일롯 규모 전기투석 막여과 시스템을 이용한 비소와 망간오염 지하수 처리

최수영; 권민욱; 박기영; 차호영; 김희준; 권지향

doi:10.15681/kswe.2017.33.3.334

파일롯 규모 전기투석 막여과 시스템을 이용한 비소와 망간오염 지하수 처리
Application of a Pilot-Scale Electrodialysis System for Groundwater Polluted with Arsenic and Manganese 원문보기

한국물환경학회지 = Journal of Korean Society on Water Environment, v.33 no.3, 2017년, pp.334 - 340

최수영 (건국대학교 환경공학과) , 권민욱 (건국대학교 환경공학과) , 박기영 (건국대학교 사회환경시스템공학과) , 차호영 (자인엔텍) , 김희준 (지우이앤이주식회사) , 권지향 (건국대학교 환경공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

A pilot-scale electrodialysis system was designed and constructed to treat groundwater polluted with arsenic and manganese. Synthetic groundwater, in which some amount of arsenic and manganese was added to make 500 mg/L of Mn and $50{\mu}g/L$ of As, was used as a feed for the ED system. The limiting current density, linear water velocity, applied voltage, and membrane surface area were investigated to obtain efficient and economic operation of the ED system. The linear water velocity was increased 0.74 cm/s to 11 cm/s based on evaluation of limiting current density. The water quality of diluate for 85 minutes of operation was satisfied with water quality criteria for drinking water using the ED system with 14 pairs of ion exchange membranes. The increased membrane pairs to 21 and 42 pairs were very effective to reduce conductivities of the diluate. The operation cost of the ED system was assessed using specific energy consumption, which was $1.065{\sim}1.2kWh/m^3$. Considering low salt concentrations of the groundwater, improvement of the ED system are required to increase current utilization and to apply low voltage while the ED system was applicable to produce drinking water.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

사용한 지하수는 서울시내 K대 I호로 유입되는 지하수였으며, 전기전도도는 600 μS/cm 이하로 상대적으로 이온농도가 낮은 편이었다. I지하수에 망간, 철, 비소등을 첨가한 혼합지하수를 조제하여 ED시설의 중금속 제거효율을 파악하였으며, 먹는물 수질기준을 만족하는 음용수를 생산하는 소규모급수시설로의 개발 가능성을 파악하고자 한다.
따라서 본 연구에서는 지하수에 존재하는 비소와 망간 제거에 효율적인 ED시스템을 실증규모로 운전해보고자 하였다. 설계된 ED시스템이 실제 운전을 통하여 먹는물 수질 기준을 만족하는 처리수를 생산할 수 있는 지 파악하고자 하였다.
설계된 ED시스템이 실제 운전을 통하여 먹는물 수질 기준을 만족하는 처리수를 생산할 수 있는 지 파악하고자 하였다. 또한 ED성능 향상을 위해 모듈내 짝으로 설치된 막의 개수와 전압 등을 변화시켜 최적 조건을 도출하고자 하였다. 사용한 지하수는 서울시내 K대 I호로 유입되는 지하수였으며, 전기전도도는 600 μS/cm 이하로 상대적으로 이온농도가 낮은 편이었다.
ED장치의 기본적인 효율을 파악하는 데 I지하수를 사용하였으며, 특정이온의 제거율을 파악하기 위해서는 대상 이온을 포함한 원액을 제조하여 I지하수에 첨가한 혼합지하수를 사용하였다. 본 연구에서는 비소와 망간원액을 I지하수에 첨가하여 ED장치에서의 제거성능을 조사하였다. 비소원액은 1 L 초순수에 sodium arsenate (Na₂HAsO₄·7H₂O,Sigma-Aldrich, Germany)을 녹여 1,000 mg/L로 제조하였다.
따라서 본 연구에서는 지하수에 존재하는 비소와 망간 제거에 효율적인 ED시스템을 실증규모로 운전해보고자 하였다. 설계된 ED시스템이 실제 운전을 통하여 먹는물 수질 기준을 만족하는 처리수를 생산할 수 있는 지 파악하고자 하였다. 또한 ED성능 향상을 위해 모듈내 짝으로 설치된 막의 개수와 전압 등을 변화시켜 최적 조건을 도출하고자 하였다.

제안 방법

ED장치의 기본적인 효율을 파악하는 데 I지하수를 사용하였으며, 특정이온의 제거율을 파악하기 위해서는 대상 이온을 포함한 원액을 제조하여 I지하수에 첨가한 혼합지하수를 사용하였다. 본 연구에서는 비소와 망간원액을 I지하수에 첨가하여 ED장치에서의 제거성능을 조사하였다.
I지하수 55 L를 14쌍의 이온교환막을 이용하여 64 V 전압 조건에서 ED로 운전하여 먹는물 수질기준에 적합한 음용수를 생산하려면 85분 운전시간이 필요하였다. 이를 처리용량으로 환산하면 약 1 m3/d이다.
I지하수에 비소와 망간을 첨가한 혼합지하수 55 L를 사용하여 파일럿 ED장치의 운전성능을 파악하였다. 14쌍의 이온교환막을 사용하여 85분간 운전한 결과를 Fig.
시리즈의 CMX-SB 양이온교환막과 AMX-SB 음이온교환막이 사용되었다. NaCl 2,000, 4,000, 6,000 mg/L 용액을 이용하여 여러 개 상용 이온교환막의 전기전도도 감소결과를 비교․분석하였으며 이를 바탕으로 ASTOM사 이온교환막을 선정하였다. 제조사로부터 공급받은 막의 특성과 실험실에서 측정한 자료를 Table 1에 명시하였다.
ED막면적을 넓히면 이온이 막면에 접촉할 수 있는 확률이 증가하게 되므로 ED에서의 이온제거율을 높일 수 있는 가장 간단한 방법이다. 따라서 모듈내 짝으로 설치된 막의 개수를 14쌍에서, 21쌍, 42쌍으로 증가시켜 전기전도도 변화를 측정하였다. Fig.
사용한 지하수는 I 지하수에 비소와 망간을 첨가한 혼합지하수이었다. 먹는물 수질 기준에 적합한 처리수를 생산할 수 있는 효율적인 ED장치를 개발하기 위해 막면유속, 필요 막면적, 적용 전압 등 운전인자를 최적화하였으며 이에 따른 결론은 다음과 같다. 초기 ED장치의 한계전류밀도는 상당히 낮았으며, 이를 높여 ED장치의 효율을 높이기 위해 막면유속을 0.
한계전류밀도 초기 분석결과 막면유속이 높아져야 한다는 것을 파악하고 펌프를 교체하여 운전하였다. 실험실규모 장치에서 예비실험을 진행하여 그 결과를 반영하여 막표면 유속을 결정하였다. 한계전류밀도는 스페이서의 구조, 이온교환막의 표면 거칠기, 유속 등 여러 가지 인자에 의해 결정된다.
1 ~ 300 V을 사용할 수 있게 설계되었다. 실험은 일정 전압을 유지하는 정전압 방식으로 진행되었다. 전극액은 실험실규모실험과 동일한 4% Na₂SO₄용액을 사용하였다.
24로 중성 조건에 머물러 있었다. 운전이 진행되는 동안, 약 10분 간격으로 처리수를 채수하여 비소와 망간농도를 측정하였다. Table 4에 나타난 바와 같이 시간이 경과할수록 비소와 망간의 제거율을 높아졌음을 알 수 있다.
한계전류밀도는 스페이서의 구조, 이온교환막의 표면 거칠기, 유속 등 여러 가지 인자에 의해 결정된다. 적용된 막면 유속과 스페이서의 두께 등을 감안하여 한계전류밀도 10 A/m2를 얻을 수 있는 전압 조건에서 운전을 진행하였다. 85분 운전으로 처리수조의 전기전도도는 800에서 약 60 μS/cm로 낮아지고 농축수의 전기전도도는 그에 상응하여 증가함을 확인하였다.
6L이었다. 전원 공급 장치(EX 300-6 series, ODA, Korea)는 전류 0.001 ~ 6 A와 전압 0.1 ~ 300 V을 사용할 수 있게 설계되었다. 실험은 일정 전압을 유지하는 정전압 방식으로 진행되었다.
실험으로 구할 수 있는 한계전류밀도, α, a, b는 상수, C는 처리수 농도, u는 막면 선속도이다. 파일롯 ED장치에서의 한계전류밀도를 구하기 위해 NaCl 540mg/L을 이용하여 스택내 막면 유속이 0.74 cm/s인 조건에서 한계전류밀도를 측정하였다. 전압은 0부터 2 V씩 50 V까지 증가시키면서 전류를 측정하였으며 실험결과를 이용하여 계산한 저항과 전류의 역수값을 Fig.
파일롯 성능분석을 위해 유입원수, 처리수, 농축수에 대해 전기전도도와 pH 및 비소, 망간 등을 분석하였다. 원수수질을 분석하기 전에 0.
희석격실 막표면 유속은 11cm/s로서 한계전류밀도 측정시보다 높은 값으로 운전되었다. 한계전류밀도 초기 분석결과 막면유속이 높아져야 한다는 것을 파악하고 펌프를 교체하여 운전하였다. 실험실규모 장치에서 예비실험을 진행하여 그 결과를 반영하여 막표면 유속을 결정하였다.

대상 데이터

용적 플라스크에 시료를 넣고, 질산과 염산 용액을 각각 1 ml씩 주입하여 pH를 2 이하로 낮추고 최종 용량이 100 ml이 되도록 조제 하였다. 검출시 사용한 파장은 비소 193.70 nm 그리고 망간 257.61 nm이었다.
망간원액은 1 L 초순수에 manganese sulfate (MnSO4·H2O,Sigma-Aldrich, Germany)을 녹여 1,000 mg/L로 제조하였다.
식 (3)을 이용하여 14쌍과 21쌍의 막페어를 이용한 ED장치의 비에너지요구량을 구하여 Table 5에 나타내었다. 본 연구에 사용된 ED장치의 비에너지요구량은 1.065 ~ 1.2 kWh/m³를 나타내었다. 이는 Lee et al.
비소와 망간 등 중금속 이온제거가 가능한 ED장치를 설계·제작하여 지하수처리에 사용하였다.
비소원액은 1 L 초순수에 sodium arsenate (Na2HAsO4·7H2O,Sigma-Aldrich, Germany)을 녹여 1,000 mg/L로 제조하였다.
비소와 망간 등 중금속 이온제거가 가능한 ED장치를 설계·제작하여 지하수처리에 사용하였다. 사용한 지하수는 I 지하수에 비소와 망간을 첨가한 혼합지하수이었다. 먹는물 수질 기준에 적합한 처리수를 생산할 수 있는 효율적인 ED장치를 개발하기 위해 막면유속, 필요 막면적, 적용 전압 등 운전인자를 최적화하였으며 이에 따른 결론은 다음과 같다.
사용한 지하수는 서울시내 K대 I호로 유입되는 지하수였으며, 전기전도도는 600 μS/cm 이하로 상대적으로 이온농도가 낮은 편이었다.
실증규모의 ED시스템(자인엔텍, Seoul, Korea)은 이온교환막 스택, 전원 공급 장치, 처리수 저장조, 농축수 저장조, 전극액조, 펌프, 압력계 그리고 데이터 수집 시스템으로 구성되었다. ED 시설 구성도는 Fig.
1에 나타내었다. 이온교환막은 16*33 cm 크기로 잘라서 사용하였다. 스페이서를 사이에 두고 양이온교환막과 음이온교환막을 교대로 쌓아서 스택을 만들었으며 이 때 스택의 유지용량은 7.
이온교환막은 ASTOM사(Tokyo, Japan)에서 구입한 NEOSEPTA® 시리즈의 CMX-SB 양이온교환막과 AMX-SB 음이온교환막이 사용되었다.
실험은 일정 전압을 유지하는 정전압 방식으로 진행되었다. 전극액은 실험실규모실험과 동일한 4% Na₂SO₄용액을 사용하였다. 펌프는 Pan World사(Ibarakiken, Japan) 마그네틱펌프를 사용하였다.
45 μm GFC (Whatman TM, UK)를 사용하여 부유물질을 제거하였다. 전기전도도와 pH의 분석은 Orion 5 Star (Thermo Fisher Scientific Inc. Beverly, USA)기기를 이용하였다. 비소와 망간은 유도결합플라즈마발광광도법(inductively coupled plasma emission spectroscopy; ICP) (Thermo scientific, ICP-6000 series, Japan)으로 분석하였다.
펌프는 Pan World사(Ibarakiken, Japan) 마그네틱펌프를 사용하였다. 처리수 순환용으로는 NH-40PX펌프가, 농축수과 전극액 순환용으로는 NH-200PS펌프가 사용되었다. 이 때 유량은 처리수 순환펌프는 50 ~70 L/min, 농축수와 전극조 순환펌프는 15 ~ 20 L/min이었다.
전극액은 실험실규모실험과 동일한 4% Na₂SO₄용액을 사용하였다. 펌프는 Pan World사(Ibarakiken, Japan) 마그네틱펌프를 사용하였다. 처리수 순환용으로는 NH-40PX펌프가, 농축수과 전극액 순환용으로는 NH-200PS펌프가 사용되었다.
3cm/sec로 고정하였다. 한계전류밀도 측정에는 CHEONSEI사(Iansan, Korea)의 정량 펌프(SP-A200)를 사용하였고 유량은 0.2 L/min이었다. 전기전도도와 전류변화는 데이터 저장장치를 이용하여 실험이 진행되는 동안 실시간 모니터링되었다.

이론/모형

Beverly, USA)기기를 이용하였다. 비소와 망간은 유도결합플라즈마발광광도법(inductively coupled plasma emission spectroscopy; ICP) (Thermo scientific, ICP-6000 series, Japan)으로 분석하였다. 용적 플라스크에 시료를 넣고, 질산과 염산 용액을 각각 1 ml씩 주입하여 pH를 2 이하로 낮추고 최종 용량이 100 ml이 되도록 조제 하였다.

성능/효과

10분 간격으로 채수한 시료들에서 망간 제거율이 비소제거율보다 높게 나타났다. ED에 의한 이온제거는 용액상의 이동과 분리막에서의 물질이동에 의해 영향을 받는다.
Table 4에 나타난 바와 같이 시간이 경과할수록 비소와 망간의 제거율을 높아졌음을 알 수 있다. 10분 경과시 비소는 21.2%, 망간은 25.4%가 제거되었으며, 40분 경과시 각각 54.4%, 65.5%의 제거율을, 85분경과시 각각 85.9%, 망간의 91.5%의 제거율을 나타내었다. 먹는물 수질기준에 의하면 비소는 0.
85분 운전으로 처리수조의 전기전도도는 800에서 약 60 μS/cm로 낮아지고 농축수의 전기전도도는 그에 상응하여 증가함을 확인하였다.
85분간의 ED막여과 운전으로 처리수 비소농도는 8.6 μg/L, 망간농도는 47.4 μg/L에 도달하여 먹는물 수질기준에 적합하게 처리되었다.
8 g/L을 사용하였다. 따라서 본 ED장치는 비슷한 염농도를 가진 타 문헌에 비해 상대적으로 높은 비에너지요구량을 보인다고 판단할 수 있으며, 상대적으로 낮은 전류효율이더라도 사용하는 전압을 낮춰 효율을 높일 필요가 있다는 것을 확인하였다. 또한, 본 ED장치의 상대적으로 높은 비에너지연구량은 NaCl에 비해 제거효율이 낮은 Mn과 As 등의 처리를 목표로 하여 운전하였기 때문인 것으로 사료된다.
I지하수내 이온농도는 먹는물 수질기준 이내로 적게 존재한다는 것을 알 수 있다. 또한, 탁도 0.201 NTU 그리고 총유기탄소 농도 1.03 mg/L로 상대적으로 양호한 수질을 보였다. 국내 지하수에서 자주 검출되는 망간은 검출한계 이하의 값을 나타내었고, 질산성 질소는 5.
혼합지하수 55 L를 ED장치로 85분간 처리하였더니 비소농도는 8.6 μg/L, 망간농도는 47.4 μg/L의 먹는물 수질기준에 적합한 처리수를 생산할 수 있었다.

후속연구

처리되는 염농도가 높지 않음을 감안할 때, 운전 전압을 낮추고 전류효율을 높일 수 방안 등, 비에너지요구량을 낮추는 방향으로 장치 개선이 필요함을 알 수 있다. 본 연구에서 제작한 ED장치는 운전조건을 변화시킴으로써 먹는물 수질 기준에 적합한 음용수 생산할 수 있었으며, 스택내 간격이나 경계층 물질이동 개선 등 전류효율을 높일 수 있는 방안을 강구함으로써 좀 더 효율적이고 경제적인 시스템을 구현할 수 있을 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	비소와 망간 그리고 철에 오염된 지하수가 야기하는 문제점은?	, 2003). 비소와 망간 그리고 철에 오염된 지하수를 장기간 섭취할 경우 신경중독 증세, 중추신경계 영향, 피부질환, 폐암, 신장, 방광암 등 여러 질병을 유발하며, 철과 망간은 수도관에 침전되어 용수공급효율을 떨어트리는 것으로 알려져 있다(Chanand Huff, 1997; Chen et al., 2003; Sharma et al.
	오염지하수중의 비소, 망간, 철 등의 중금속을 제거하는 기술은 무엇이 있는가?	오염지하수중에 대표적으로 존재하는 비소, 망간, 철 등의 중금속을 효과적으로 제거하는 기술로 침전처리기술, 흡착처리기술, 이온교환법 등이 있으며 최근에는 나노여과나 역삼투막여과 그리고 전기투석 막여과(Electrodialysis; ED) 등도 고려되고 있다. 침전처리기술과 흡착처리기술은 부지면적이 크며 단일 공정으로 사용이 불가능하고, 이온교환처리기술은 전처리 과정이 꼭 필요하다는 단점이 있다.
	중금속에 의한 오염으로 국내 지하수에서 어떤 성분이 검출되는가?	국내 도서산간지역에서 지하수를 음용수로 사용하는 경우 가장 큰 문제는 중금속에 의한 오염이다. 비소와 망간 등의 중금속이온 성분이 국내 지하수에서 빈번하게 검출되고 있는 실정이다. Choi et al.

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저자의 다른 논문 :

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].

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