[논문]중공사막 모듈을 이용한 정삼투 공정에서의 운영조건 변화에 따른 성능평가

김봉철

doi:10.11001/jksww.2018.32.4.357

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Forward osmosis (FO) process has been attracting attention for its potential applications such as industrial wastewater treatment, wastewater reclamation and seawater desalination. Particularly, in terms of fouling reversibility and operating energy consumption, the FO process is assumed to be prefe...

Forward osmosis (FO) process has been attracting attention for its potential applications such as industrial wastewater treatment, wastewater reclamation and seawater desalination. Particularly, in terms of fouling reversibility and operating energy consumption, the FO process is assumed to be preferable to the reverse osmosis (RO) process. Despite these advantages, there is a difficulty in the empirical step due to the lack of separation and recovery techniques of the draw solution. Therefore, rather than using FO alone, recent developments of the FO process have adapted a hybrid system without draw solution separation/recovery systems, such as the FO-RO osmotic dilution system. In this study, we investigated the performance of the hollow fiber FO module according to various operating conditions. The change of permeate flow rate according to the flow rates of the draw and feed solutions in the process operation is a factor that increases the permeate flow rate, one of the performance factors in the positive osmosis process. Our results reveal that flow rates of draw and feed solutions affect the membrane performance, such as the water flux and the reverse solute flux. Moreover, use of hydraulic pressure on the feed side was shown to yield slightly higher flux than the case without applied pressure. Thus, optimizing the operating conditions is important in the hollow fiber FO system.

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문제 정의

하지만 실제 공정에 적용하기 위해서는 다양한 조건에서의 파일럿 스케일의 성능평가가 필수적으로 필요하다. 따라서 본 연구에서는 중공사 모듈을 이용한 파일 럿 스케일의 장치를 이용하여, 정삼투 공정에 운영조건에 따른 성능 변화를 평가하였다. 모듈 내 두가지 유체의 흐름인 원수와 유도용액의 유속에 따른 농도 분극현상의 결과로 변하는 수투과량과 염의 역확산 정도를 평가하였으며, 이 때 발생하는 관 내외부의 압력에 따른 모듈의 성능을 평가하여 최적화된 중공사 모듈의 운영조건을 도출하고자 하였다.
따라서 본 연구에서는 중공사 모듈을 이용한 파일 럿 스케일의 장치를 이용하여, 정삼투 공정에 운영조건에 따른 성능 변화를 평가하였다. 모듈 내 두가지 유체의 흐름인 원수와 유도용액의 유속에 따른 농도 분극현상의 결과로 변하는 수투과량과 염의 역확산 정도를 평가하였으며, 이 때 발생하는 관 내외부의 압력에 따른 모듈의 성능을 평가하여 최적화된 중공사 모듈의 운영조건을 도출하고자 하였다.

제안 방법

중공사 정삼투 모듈은 원수와 유도용액의 독립된 두 대칭 흐름이 가능하며, 두 개의 유체는 동일한 방향(co-current)으로 모듈 내로 진행될 수 있게 구성하 였다. 기어펌프를 사용하여 원수와 유도용액의 흐름 속도를 일정하게 유지하였다. 원수와 유도용액 투과 유속은 유도용액의 무게 증가를 저울로 1분마다 측정하여 공정 내 시스템에 자동 기록되도록 설정하였으 며, 유도용액에서 원수로 흐르는 염의 역확산은 원수의 전기전도도(ProfLine Multi 3320, WTW)를 측정하여 진행하였다.
유도용액과 원수의 유입유량과 모듈 내 작용하는 압력의 운영조건에 따른 파일럿 스케일에서의 모듈 성능을 평가하였다. 도출된 결과를 바탕으로 정삼투 막의 주요 성능지표인 수투과량과 염의 역확산 정도를 공정의 운영조건에 따른 인과관계를 확인하였으며, 주요 연구결과는 아래와 같다.
따라서 원수의 유량 변화시의 압력을 측정하고 유량 및 압력을 동일하게 하였을 때의 실험을 추가적으로 진행하여 유량과 압력이 모듈 성능에 미치는 영향을 각각 알아보았다.
기어펌프를 사용하여 원수와 유도용액의 흐름 속도를 일정하게 유지하였다. 원수와 유도용액 투과 유속은 유도용액의 무게 증가를 저울로 1분마다 측정하여 공정 내 시스템에 자동 기록되도록 설정하였으 며, 유도용액에서 원수로 흐르는 염의 역확산은 원수의 전기전도도(ProfLine Multi 3320, WTW)를 측정하여 진행하였다. 정삼투 장치의 구성 모식도를 아래 Fig.
6M 용액을 이용하여 해수의 농도만을 모사하였으며, 원수로는 수돗물을 선정하여 실험을 진행하였다. 유도용액과 원수의 유량을 다양하게 선정하여 운영조건에 따른 막의 성능을 투과유량과 염의 역확산을 통하여 확인하였다 (Table 2)
유도용액과 원수의 유입유량과 모듈 내 작용하는 압력의 운영조건에 따른 파일럿 스케일에서의 모듈 성능을 평가하였다. 도출된 결과를 바탕으로 정삼투 막의 주요 성능지표인 수투과량과 염의 역확산 정도를 공정의 운영조건에 따른 인과관계를 확인하였으며, 주요 연구결과는 아래와 같다.

대상 데이터

유도용액으로는 NaCl 0.6M 용액을 이용하여 해수의 농도만을 모사하였으며, 원수로는 수돗물을 선정하여 실험을 진행하였다. 유도용액과 원수의 유량을 다양하게 선정하여 운영조건에 따른 막의 성능을 투과유량과 염의 역확산을 통하여 확인하였다 (Table 2)
, Ltd.의 상용화 된 중 공사 정삼투막 HPC3205 모듈이 사용되었다. 막의 소재는 셀룰로오스 계통(Cellulose triacetate, CTA)의 고분자 물질로 제작되었으며, 활성층과 지지층의 비대칭성 구조를 가지고 있다.

성능/효과

본 실험 결과를 통해 파일럿 스케일에서 정삼투 운영 조건에 따라 중공사 모듈의 성능이 변화하는 것을 확인하였다. 기본적인 두 유체의 유입유량의 변화만으로도 정삼투막의 주요 성능지표인 수투과량과 염의 역확산이 유기적으로 변화하는 것을 확인할 수 있었 으며, 유량변화에 따라 모듈 내부에 작용하는 압력 조건 또한 변화하는 것으로 나타났다. 이를 통하여 향후 정삼투 수처리 공정을 설계하는 데 있어서 최적화된 운영 인자를 도출하여 공정의 효율 향상 및 비용 저 감을 달성할 수 있을 것으로 판단된다.
동일한 유량 실험결과에서는 압력이 증가할수록 염의 역확산이 증가하는 것을 확인할 수 있는데 유량 변화에 따른 염의 역확산 차이보다 상당히 낮은 증감 폭을 나타내어 가해지는 압력보다 원수 유량에 따른 운영조건 설정이 모듈 성능에 더 큰 영향을 미칠 것 으로 판단된다.
본 실험 결과를 통해 파일럿 스케일에서 정삼투 운영 조건에 따라 중공사 모듈의 성능이 변화하는 것을 확인하였다. 기본적인 두 유체의 유입유량의 변화만으로도 정삼투막의 주요 성능지표인 수투과량과 염의 역확산이 유기적으로 변화하는 것을 확인할 수 있었 으며, 유량변화에 따라 모듈 내부에 작용하는 압력 조건 또한 변화하는 것으로 나타났다.
5에 정리하였다. 원수 유입 조건이 동일한 압력 일 때, 확연히 유입 유량이 증가함에 따라서 염의 역확산이 증가하는 것 으로 나타났다. 이는 중공사 외부 막 표면에 증가하는 압력을 증가시킬 때 함께 증가하는 중공사 내부막 표면의 압력이 더 크게 영향을 미쳐 중공사 내부로 흐르는 유도용질의 확산이 더 활발하게 진행된 것으로 판단된다.
원수의 유량 및 압력에 따른 변화를 확인 결과 중 공사 외부로 흐르는 원수의 유량이 내부로 흐르는 유도용액에 비해 높은 유량으로 운영되어 유량에 따른 압력변화가 작아 원수에 미치는 농도분극현상 또한 유량에 의해 쉽게 변화하였다.
유도용액의 유량 증가에 따라 농도분극현상 저감으로 인해 수투과량과 염의 역확산이 증가하였으며, 일정유량 이상 증가시 모듈 내 압력 변화로 인한 수투 과량의 증가 및 염의 역확산 감소 현상이 나타났다.

후속연구

기본적인 두 유체의 유입유량의 변화만으로도 정삼투막의 주요 성능지표인 수투과량과 염의 역확산이 유기적으로 변화하는 것을 확인할 수 있었 으며, 유량변화에 따라 모듈 내부에 작용하는 압력 조건 또한 변화하는 것으로 나타났다. 이를 통하여 향후 정삼투 수처리 공정을 설계하는 데 있어서 최적화된 운영 인자를 도출하여 공정의 효율 향상 및 비용 저 감을 달성할 수 있을 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	정삼투 공정이란?	유도용액의 삼투압을 구동력으로 이용하는 정삼투 (Forward osmosis, FO) 공정은 폐수처리, 하수재이용 및 해수담수화 분야에서 최근 각광받고 있다 (Cath et al., 2006).
	본 연구에서 사용한 중공사 정삼투 모듈은 어떻게 구성되었는가?	중공사 정삼투 모듈은 원수와 유도용액의 독립된 두 대칭 흐름이 가능하며, 두 개의 유체는 동일한 방향(co-current)으로 모듈 내로 진행될 수 있게 구성하 였다. 기어펌프를 사용하여 원수와 유도용액의 흐름 속도를 일정하게 유지하였다.
	정삼투 공정의 장점은?	, 2006). 특히, 물리적인 가압을 주요 구동력으로 하는 역삼투(Reverse osmosis, RO) 공정에 비해 소비에 너지 측면에서 우수하며 (Kim et al., 2016), 삼투압을 이용한 비가압 공정으로 인한 막오염 가역성이 뛰어나다는 장점을 통해 (Heo et al, 2016), 차세대 해수담 수화 공정으로 각광받고 있다 (Kim et al., 2012; Lee et al.

참고문헌 (15)

Blandin, G. Verliefde, A.R.D., and Clech P.L. (2015). Pressure enhanced fouling and adapted anti-fouling strategy in pressure assisted osmosis (PAO), J. Memb. Sci., 493, 557-567.

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Cath, T.Y., Childress, A.E., and Elimelech, M. (2006). Forward Osmosis: Principles, Applications, and Recent Developments, J. Memb. Sci., 281, 70-87.

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Heo, J., Han, J., Kim, Y., and Her, N. (2016). Systematic study on calcium-dissolved organic matter interaction in a forward osmosis membrane-filtration system, J. Korean Soc. Water Wastewater, 30(6), 737-744.

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Kim, B.C., Boo, C.H., Lee, S.Y., and Hong, S.K. (2012). Evaluation of Forward Osmosis (FO) Membrane Performances in a Non-Pressurized Membrane System, J. Korean Soc. Water Environ., 28(2), 292-299.
Kim, B.C., Hong, S.K., and Choi, J.S. (2017). Pilot-Scale Simulation of Desalination Process Using Water Integrated Forward Osmosis System, J. Korean Soc. Water Environ., 33(4), 403-408.
Kim, J., Han, J., Sohn, J., and Kim, S. (2016). The Outlook for Forward Osmosis-Reverse Osmosis (FO-RO) Hybrid Desalination Market, J. Korean Soc. Water Wastewater, 30(5), 521-532.

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Kim, Y.C. and Park, S.J. (2011). Experimental Study of a 4040 Spiral-Wound Forward-Osmosis Membrane Module, Environ. Sci. Technol., 45, 7737-7745.

상세보기
Lee, J., and Kim, S. (2016). Evaluation of water permeability of forward osmosis membranes using osmotically driven membrane test, J. Korean Soc. Water Wastewater, 30(4), 417-425.

원문보기 상세보기
Lee, S., Boo, C., Elimelech, M., and Hong, S. (2010). Comparison of Fouling Behavior in Forward Osmosis (FO) and Reverse Osmosis (RO), J. Memb. Sci., 365, 34-39.

상세보기
McCutcheon, J.R., and Elimelech, M. (2006). Influence of Concentrative and Dilutive Internal Concentration Polarization on Flux Behavior in Forward Osmosis, J. Memb. Sci., 284, 237-247.

상세보기
Oh, Y.T., Lee, S.H., Elimelech, M., Lee, S.H., and Hong, S.K. (2014), Effect of hydraulic pressure and membrane orientation on water flux and reverse solute flux in pressure assisted osmosis, J. Memb. Sci., 465, 159-166.

상세보기
Ren, J., and McCutcheon, J.R. (2018). A new commercial biomimetic hollow fiber membrane for forward osmosis, Desalination, 442, 44-50

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Wan, C.F., Yang, T., Lipscomb, G.G., Stookey, D.J., and Chung, T.S. (2017). Design and fabrication of hollow fiber membrane modules, J. Memb. Sci., 538, 96-107.

상세보기
Wang, R., Shi, L., Tang, C.Y., Chou, S., Qiu, C., and Fane, A.G. (2010). Characterization of Novel Forward Osmosis Hollow Fiber Membranes, J. Memb. Sci., 355, 158-167.

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Yip, N.Y., Tiraferri, A., Phillip, W.A., Schiffman, J.D., and Elimelech, M. (2010). High Performance Thin-Film Composite Forward Osmosis Membrane, Environ. Sci. Technol., 44, 3812-3818.

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