정삼투 공정(forward osmosis, FO)은 역삼투 공정(reverse osmosis, RO)에 비해 저압으로 운영되므로 오염 제어, 유지 보수, 막 세정 및 잠재적 에너지 저감 측면에서 큰 이점이 있어 다양한 분야에 적용할 수 있는 기술이다. 특히, 정삼투 공정의 막오염층이 비교적 느슨하고 분산된 특성을 가지므로 역삼투 공정과 달리 물리세정만으로도 충분한 막오염 제어가 가능하다. 하지만 기존 연구들의 경우 정삼투 물리세정에 적합한 세정 유속을 적용하지 않아 최적화 운전을 하지 못했다는 한계가 있다. 따라서 이 연구는 경제적인 에너지량으로 높은 효율의 세정을 보일 수 있는 적절한 유속의 정당성 평가를 목적으로 한다. 정삼투 공정 막오염 실험을 8.54 cm/s 순환 유속으로 유지하고 세 가지 세정유속으로 회복률과 SEC (specific energy consumption) 비교 평가하였다. 이 실험의 결과로 2배속 세정이 3배속 세정의 수투과도 회복률 만큼의 높은 효율을 보이는 동시에, 2배속 세정이 높은 세정효율 및 경제적인 SEC를 보이는 적절한 유속이라는 것을 확인하였다.
정삼투 공정(forward osmosis, FO)은 역삼투 공정(reverse osmosis, RO)에 비해 저압으로 운영되므로 오염 제어, 유지 보수, 막 세정 및 잠재적 에너지 저감 측면에서 큰 이점이 있어 다양한 분야에 적용할 수 있는 기술이다. 특히, 정삼투 공정의 막오염층이 비교적 느슨하고 분산된 특성을 가지므로 역삼투 공정과 달리 물리세정만으로도 충분한 막오염 제어가 가능하다. 하지만 기존 연구들의 경우 정삼투 물리세정에 적합한 세정 유속을 적용하지 않아 최적화 운전을 하지 못했다는 한계가 있다. 따라서 이 연구는 경제적인 에너지량으로 높은 효율의 세정을 보일 수 있는 적절한 유속의 정당성 평가를 목적으로 한다. 정삼투 공정 막오염 실험을 8.54 cm/s 순환 유속으로 유지하고 세 가지 세정유속으로 회복률과 SEC (specific energy consumption) 비교 평가하였다. 이 실험의 결과로 2배속 세정이 3배속 세정의 수투과도 회복률 만큼의 높은 효율을 보이는 동시에, 2배속 세정이 높은 세정효율 및 경제적인 SEC를 보이는 적절한 유속이라는 것을 확인하였다.
Forward osmosis (FO) is operated at a lower pressure than reverse osmosis (RO), which has great advantages in terms of fouling control, maintenance, membrane cleaning, and potential energy reduction. In particular, since the membrane fouling layer of the forward osmosis process has a relatively loos...
Forward osmosis (FO) is operated at a lower pressure than reverse osmosis (RO), which has great advantages in terms of fouling control, maintenance, membrane cleaning, and potential energy reduction. In particular, since the membrane fouling layer of the forward osmosis process has a relatively loose and dispersed property, it is possible to control the membrane fouling by physical cleaning, unlike the reverse osmosis process. However, existing studies do not apply the proper cleaning flow rate for forward osmosis physical cleaning, and thus there is a limit that the optimal operation can not be performed. Therefore, this study aims to evaluate the justification of proper flow rate that can show high efficiency cleaning with economical energy amount. The membrane fouling experiments of the forward osmosis process were maintained at a circulating flow rate of 8.54 cm/s and the recovery rates were compared with the three cleaning flow rates. As a result of this experiment, it was confirmed that the 2 × speed cleaning showed the same efficiency as the water permeability recovery rate of the 3 × speed cleaning, and it was confirmed that the 2 × speed cleaning was an appropriate flow rate with high cleaning efficiency and economical SEC.
Forward osmosis (FO) is operated at a lower pressure than reverse osmosis (RO), which has great advantages in terms of fouling control, maintenance, membrane cleaning, and potential energy reduction. In particular, since the membrane fouling layer of the forward osmosis process has a relatively loose and dispersed property, it is possible to control the membrane fouling by physical cleaning, unlike the reverse osmosis process. However, existing studies do not apply the proper cleaning flow rate for forward osmosis physical cleaning, and thus there is a limit that the optimal operation can not be performed. Therefore, this study aims to evaluate the justification of proper flow rate that can show high efficiency cleaning with economical energy amount. The membrane fouling experiments of the forward osmosis process were maintained at a circulating flow rate of 8.54 cm/s and the recovery rates were compared with the three cleaning flow rates. As a result of this experiment, it was confirmed that the 2 × speed cleaning showed the same efficiency as the water permeability recovery rate of the 3 × speed cleaning, and it was confirmed that the 2 × speed cleaning was an appropriate flow rate with high cleaning efficiency and economical SEC.
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문제 정의
기존 연구에서는 세정에 필요한 유속보다 더 높은 유속으로 세정을 진행하였으므로 불필요하게 에너지가 많이 소모되었다(Table 1). 높은 유속의 효율성과 비슷한 고효율을 가지는 동시에 경제적인 에너지까지 고려된 세정유속의 평가를 위해서 각각의 생산수량에 따른 에너지 소모량을 확인했다.
본 연구에서는 정삼투 공정에서 경제적인 에너지로 높은 효율의 세정을 보일 수 있는 적절한 유속 정당성 평가를 한다. 정삼투 공정 막오염 실험을 8.
본 연구에서는 정삼투 공정에서 경제적인 에너지로 높은 효율의 세정을 보일 수 있는 적절한 유속의 정당성을 평가하고자 했다. 이를 위해 장기간 운영으로 연속 5사이클의 막 오염 실험을 수행하였다.
54 cm/s 순환 유속으로 유지하고, 세 가지 세정유속으로 회복률을 비교 평가하며, 동시에 생산수량에 비해 소모되는 에너지량을 확인했다. 이로써 높은 회복률을 달성하며 에너지 절감효과로 세정할 수 있는 세정유속을 조사하였다.
제안 방법
이를 위해 장기간 운영으로 연속 5사이클의 막 오염 실험을 수행하였다. 8.54 cm/s의 순환유속으로 유지시켰으며, 4시간 경과 후 각각 세 가지 유속을 적용하여 실험을 진행하였다. 이 실험의 결과로 다음과 같은 결론을 도출하였다.
그리고 물리세정 및 전력 소모량 측정 단계에서 측정된 펌프 1~4의 전력 소모량으로 식 (2)를 이용하여, 에너지 소비량을 구한다. 계산된 펌프 1, 2와 3, 4의 전력 소모량(kW)을 생산수량(ton/hr)으로 나누어 에너지 소비량(kWhr/ton)을 구한다. 이때에 Wpump는 펌프의 전력소비(kWh)이고, Vpermeate는 특정 운전시간 동안 얻은 생산수량(m3)이다.
다양한 유속의 물리세정으로 얻은 회복률과 상응하는 막 표면을 확인하고자 FE-SEM을 이용하여 1,000, 5,000배 확대한 이미지를 분석하였다(Fig. 3). 일반적으로 하수 성분 중 Ca2+ 같은 2가 양이온들과 유기물 성분들은 결합 후 고점도 응집물이 되어 막에 부착되는데[35], 이 경우 약한 유속으로는 막 오염 세정이 잘 되지 않는다.
두 용액의 온도는 항온조를 통해 20.0 ± 1.0°C로 조정하였다.
Specific energy consumption (SEC)는 보통 소비된 에너지와 관련된 비용을 설명하는데 사용된다. 따라서 생산수량에 따른 전력소비량인 SEC로 에너지 효율성을 비교평가 해보았다. 그러나 실험실 규모의 기기 에너지 효율이 낮아 SEC 값이 상대적으로 높게 측정되므로 이를 상대적인 값으로 나타내었다.
해당 정삼투 막을 평평한 시트로 4°C에서 초순수(DI)에 보관한 후 초순수로 여러 번 헹구었다. 모든 정삼투 공정 실험은 활성층이 공급용액을 향한 AL-FS 방향으로 수행되었다.
0°C로 조정하였다. 벌크유도용액(bulk draw solution) 탱크의 중량 데이터는 해당 탱크를 컴퓨터에 연결된 디지털 저울에 올려 측정하였다. 삼투막을 통과한 수투과도는 유도용액의 중량 변화를 기반으로 결정하였다.
분리막의 단면 및 표면 상태를 확인하기 위해 환경 전자 주사 현미경(FE-SEM with low vacuum & bio application technology, Quanta 250 FEG, FEI)으로 1,000~5,000배의 배율에서 관찰하였다.
벌크유도용액(bulk draw solution) 탱크의 중량 데이터는 해당 탱크를 컴퓨터에 연결된 디지털 저울에 올려 측정하였다. 삼투막을 통과한 수투과도는 유도용액의 중량 변화를 기반으로 결정하였다.
안정화된 이후 10분 간 측정된 수투과도를 초기 수투과도(initial flux)로 한다. 안정화 후, 정삼투 막 표면에 충분한 막오염이 형성될 수 있도록 실험을 지속한다. 막오염 생성 실험은 수투과도를 지속적으로 기록하며 진행하고, 측정 시간은 4시간으로 한정한다.
그러나 순환유속을 높이기 해선 에너지가 많이 소모되므로 막오염 물리 세정 시 제거 효율이 좋으면서 에너지가 적게 드는 최적유속 적용을 고려해볼 필요가 있다. 이를 위해 세 가지 유속순환속도로 물리 세정을 시행하였고, 5회 연속 반복 실험하여 FR값을 측정하였다.
본 연구에서는 정삼투 공정에서 경제적인 에너지로 높은 효율의 세정을 보일 수 있는 적절한 유속의 정당성을 평가하고자 했다. 이를 위해 장기간 운영으로 연속 5사이클의 막 오염 실험을 수행하였다. 8.
본 연구에서는 정삼투 공정에서 경제적인 에너지로 높은 효율의 세정을 보일 수 있는 적절한 유속 정당성 평가를 한다. 정삼투 공정 막오염 실험을 8.54 cm/s 순환 유속으로 유지하고, 세 가지 세정유속으로 회복률을 비교 평가하며, 동시에 생산수량에 비해 소모되는 에너지량을 확인했다. 이로써 높은 회복률을 달성하며 에너지 절감효과로 세정할 수 있는 세정유속을 조사하였다.
정삼투 공정 실험은 실험실 규모의 교차흐름(cross-flow) 단위로 수행되었다. 공급 및 유도 채널 모두 길이가 7.
분리막의 단면 및 표면 상태를 확인하기 위해 환경 전자 주사 현미경(FE-SEM with low vacuum & bio application technology, Quanta 250 FEG, FEI)으로 1,000~5,000배의 배율에서 관찰하였다. 정확한 단면분석을 위해 분리막을 액화질소로 판단하였고, 시료는 SEM 분석을 위해 팔라듐/백금 코팅하였다.
막오염 생성 실험은 수투과도를 지속적으로 기록하며 진행하고, 측정 시간은 4시간으로 한정한다. 종료 직전 10분간 기록된 수투과도를 바탕으로 최종 수투과도(final flux)를 계산한다. 이때, 펌프 1, 2와 3, 4의 전력 소모량(kW)과 생산수 수투과도를 측정하여 4시간 동안 소비되는 전력 소모량과 생산수량을 계산한다.
이때, 펌프 1, 2의 전력 소모량(kW)을 측정한다. 펌프 3, 4의 유량을 3배로 증가시켜(1.2LPM) 정삼투 막으로 30분간 공급하여 물리 세정을 실시한다. 이때, 펌프 3, 4의 전력 소모량을 측정한다.
대상 데이터
본 연구에서 정삼투 막으로 thin-film composite (TFC) membrane (Porifera, Inc., CA)을 사용하였다. 이 상업용 멤브레인은 우수한 안정성과 성능을 나타내어 높은 수투과도 16 ± 1 (L/m2h)과 낮은 염 투과율 0.
인공하수용액 제조를 위해 alginic acid sodium salt powder, bovine serum albumin (Sigma-Aldrich, St. Louise, MO), dextrose anhydrous (Junsei Chemical Co.,Ltd.)을 유기물 막오염 물질로 사용했다. 제조사에 따르면, BSA의 분자량은 ~66 kDa이며, 동결건조한 파우더 형태이다.
성능/효과
1) 17.08 cm/s 세정유속은 5번의 반복 실험 동안 초기 수투과도 대비 최종수투과도 회복률이 87.0 ± 6.0%로 높은 효율을 보였다.
일반적으로 하수 성분 중 Ca2+ 같은 2가 양이온들과 유기물 성분들은 결합 후 고점도 응집물이 되어 막에 부착되는데[35], 이 경우 약한 유속으로는 막 오염 세정이 잘 되지 않는다. 17.08과 25.62 cm/s 유속 세정 결과 이미지를 살펴보면 막 위에 형성된 오염물질들이 더 잘게 부서져 있고 제거가 훨씬 잘 된 것을 확인할 수 있다. 반면 8.
2) 각각의 다른 세정유속 적용 시 5번 반복하여 실험할 때, SEC가 17.08 cm/s의 세정유속을 적용할 때 다른 세정유속 대비 작다는 것을 확인할 수 있었다.
3) 수투과도 회복률과 SEC를 모두를 고려할 경우, 정삼투(FO) 공정에서 높은 세정효율과 효율적인 SEC를 보이는 적절한 유속은 17.08 cm/s으로 판단할 수 있다.
08 cm/s 세정유속을 정삼투 공정에서 높은 회복률과 효율적인 에너지 세정을 보이는 적절한 유속으로 볼 수 있다. 기존 연구에서는 세정에 필요한 유속보다 더 높은 유속으로 운전하여 불필요한 에너지 소모하였지만, 이 연구를 통해 최적의 세정 유속으로 운전시 불필요한 에너지를 줄일 수 있다는 것을 확인했다.
네 사이클로 연속 장기 운전을 하였을 때에도 가역성 수치는 최고 효율을 보인 25.62 cm/s의 유속의 수치보다 5% 이하의 격차인, 87.0 ± 6.0%로 높은 효율을 보였다(Table 3).
따라서 순환유속의 3배가 아닌 2배 유속으로 세척을 시행할 경우, 비교적 적은 에너지를 사용하면서 3배 세정유속 효과의 세척 효율을 유지할 수 있다는 것을 알 수 있다. 즉, 17.
반복 실험을 통해 막오염이 진행되면서 세 가지 세정유속에 대한 생산수량이 점차 감소하는 경향을 확인할 수 있었다. 특히, 회복률이 가장 저조했던 8.
또한, 반복 실험이 거듭될수록 생산수량은 감소하고 전력소비량은 증가하므로 SEC도 증가한다. 세정유속은 높을수록 막오염 제거가 원활히 되어 대체로 생산수량이 많았다. 1배 세정유속(8.
이러한 높은 가역성은 석고[26] 및 실리카[20,27]에 의한 스케일링과 단백질 및 바이오폴리머에 의한 오염[18,28-30]으로도 관찰된다. 전체 결과는 화학 세정이 필요 없는 주기적 헹굼을 통해 정삼투 공정의 막 오염을 쉽게 제어할 수 있음을 의미한다.
54 cm/s의 경우 첫 번째 사이클부터 수투과도 회복률이 다른 세정유속 적용 대비 저조하며, 실험을 반복할수록 회복률이 더 떨어짐을 관찰할 수 있다. 즉, 8.54 cm/s 유속으로 실험할 때 막오염이 생긴 경우, 1배속 세정유속 적용 시 높은 회복률을 보이기 어렵다는 것을 알 수 있다.
특히, 회복률이 가장 저조했던 8.54 cm/s 세정유속 경우 5사이클 중 마지막 사이클을 기준으로 생산수량이 53.69 ± 0.95 g으로 가장 낮았고, 17.08과 25.62 cm/s 세정유속 경우의 생산수량은 각각 65.98 ±1.09, 70.12 ± 1.12 g으로 비교적 생산수량이 높았다[Fig.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
정삼투 공정이란 무엇인가?
정삼투 공정(forward osmosis, FO)은 역삼투 공정(reverse osmosis, RO)에 비해 저압으로 운영되므로 오염 제어, 유지 보수, 막 세정 및 잠재적 에너지 저감 측면에서 큰 이점이 있어 다양한 분야에 적용할 수 있는 기술이다. 특히, 정삼투 공정의 막오염층이 비교적 느슨하고 분산된 특성을 가지므로 역삼투 공정과 달리 물리세정만으로도 충분한 막오염 제어가 가능하다.
정삼투 공정의 특징은 무엇인가?
정삼투 공정(forward osmosis, FO)은 역삼투 공정(reverse osmosis, RO)에 비해 저압으로 운영되므로 오염 제어, 유지 보수, 막 세정 및 잠재적 에너지 저감 측면에서 큰 이점이 있어 다양한 분야에 적용할 수 있는 기술이다. 특히, 정삼투 공정의 막오염층이 비교적 느슨하고 분산된 특성을 가지므로 역삼투 공정과 달리 물리세정만으로도 충분한 막오염 제어가 가능하다. 하지만 기존 연구들의 경우 정삼투 물리세정에 적합한 세정 유속을 적용하지 않아 최적화 운전을 하지 못했다는 한계가 있다.
정삼투 공정이 주목 받게 된 배경은 무엇인가?
특히, 역삼투(reverse osmosis, RO) 공정을 이용한 담수화는 고염의 유입수 조건에서도 고품질의 음용수를 제공할 수 있으므로 산업 전반에 걸쳐 적용되고 있다[2]. 그러나 역삼투 공정은 고압으로 운영되므로 막오염이 자주 발생하며 이로 인한 에너지 소비가 증가한다는 단점이 있다[3]. 특히, 여러 종류의 오염 물질이 막 표면에 증착 및 흡착되어 수투과도가 감소하게 되고 케이크 강화 삼투압이 발생하며[4-6], 이로 인해 분리막을 통한 순 구동력이 감소되어 운영비용 또한 증가하게 된다[2,4,7].
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