원판틀형 역삼투 모듈의 특성

박세형, 김영채

한양대학교 화학공학과

Characteristics of Disc Plate and Frame RO module

Se Hyung Park and Young Chai Kim

Department of Chemical Engineering, Hanyang University

서 론

급격한 경제성장에 따른 사회의 도시화와 산업화, 생활수준의 향상으로 물의 수요는 기하급수적으로 증가하고 있으며, 최근에는 공장에서 배출되는 폐수로 인한 수질오염 문제까지 빈번히 발생하여 공업용수의 효율적 이용과 수급이 절실히 요구되고 있다.  이런 문제점을 해결하기 위해 여러 대안이 제시되었는데, 그 중 하나가 바닷물을 공업용수로 이용하는 방법이다.  이는 여러 공정이 필요하지만 무한한 자원가치 때문에 각광받고 있다.  이를 위한 방법으로 물의 상변화를 이용하는 증발법, 냉동법 등이 있으며 물리적인 막을 이용한 역삼투압법, 전기투석법 등이 있다.  역삼투 공정은 정화된 물의 제조와 원수에 녹아있는 용질의 농축을 위해 사용되는데 최근 의약품 제조와 반도체 공업과 같이 고순도의 물이 다량으로 요구되는 산업에서 이용되고 있다.  한편으로는 각종 산업용 폐수의 처리 및 closed system에 의한 물의 재활용 문제가 대두됨에 따라 다른 분리 공정에 비해 경제적이고 에너지 절약적인 측면에서 상당히 주목받고 있다.  생산설비 규모가 간단하여 기존설비에 계열을 추가함으로써 대단위의 공정을 경제적으로 수행할 수 있다는 점도 이 공정의 이점이라 할 수 있다.

본 연구에서는 기존에 사용중인 분리막을 바탕으로 공정상에서 분리성능을 향상시키기 위해, 농도분극화 현상과 fouling을 최소화하기 위한 각기 다른 모듈을 제작하고 공급수가 공급될 때 유체흐름의 distribution을 향상시킨 장치를 설계하여 투과유속에 미치는 영향을 살펴보고, 기존의 역삼투모듈의 분리성능에 비해 개선된 모듈장치를 개발하고자 한다.

이 론

역삼투에서 사용되는 분리막의 두께는 약 100□정도로 얇아 이것만을 사용하면 공정에서 가해지는 압력을 견딜 수 없으므로 장치내에서 막을 견고히 고정시킬 필요가 있다.  모듈은 손상되기 쉬운 분리막을 보호하며 공급액과 여과액을 허용압력까지 분리하고 밀폐시켜 주는 역할을 한다.  모듈이란 막들과 함께 쌓아서 채워넣은 장치로서 막의 보호뿐만 아니라 막 표면에의 유체의 물질전달과 모듈부피에 대한 막표면적의 비율을 높이기 위해서도 이용된다.  그래서 모듈은 공급액의 유속조절과 와류 현상을 유도하여 농도 분극을 최소화 할 수 있도록 설계된다.  실제로 모듈 공정에서 중요한 매개변수는 유입속도의 영향, 모듈을 구성하고 있는 baffle간의 간격의 영향, baffle 높이의 영향 등이 있다.  흐름 중에서 각각의 baffle뒤에는 vortex가 형성되는데 속도가 증가함에 따라 vortex의 크기는 커지며 이 영향으로 막표면에 축적되는 용질의 농도는 감소된다.  이것은 결과적으로 물질의 대류전달이 향상되기 때문이다.  그러나 유입속도가 증가함에 따라 압력강하가 발생하여 작동시에 많은 에너지를 소비함으로 농도분극화 감소와 에너지 소비측면을 동시에 고려하여 적정 속도를 유지하도록 해야한다.  한편 baffle간의 간격은 흐름속도와 관련하여 vortex에 의한 영향을 받지 않는 영역을 형성하기도 하는데 이것은 막표면에 용질의 축적을 일으킬 수도 있기 때문에 바람직하지 못하다.  또한 baffle높이가 증가함에 따라 vortex가 점점 커지므로 막표면에서 배제된 용질은 유체와 효과적으로 섞일 수 있다.  기존의 역삼투 공정에서는 유체의 수직성분(vertical component)을 이용한 흐름방식을 채택하였는데, 편향된 흐름으로 인해 공급액이 공급되는 반대편에 dead zone이 형성되었다.  그래서 공정이 계속될수록 시스템의 특정부분으로 흐름이 집중되는, 이른바 농도분극 현상을 유발하여 전체 유체가 흐를 때 활용할 수 있는 모듈의 유효면적이 적어 비효율적이었다.  따라서 유체흐름을 보다 난류화시킬 수 있는 회전흐름(circular flow)을 도입하여 분리막을 흐를 때 각 위치별 속도성분을 일정하게 조절할 수 있다고 본다.  이를 위해 모듈 내 baffle의 배열을 vortex를 보다 활발히 일으키면서 일정한 속도성분을 가지도록 구성한다.

실 험

유체흐름에 영향을 미치는 baffle 배열을 달리한 모듈을 설계, 제작한다.  전체 baffle의 배열을 5가지의 형태(Model 1 - baffle을 일체 설치하지 않은 단순원형구조, Model 2 - baffle의 구조로 인한 유체경로가 좁아지다가 넓어지는 원형구조, Model 3 - baffle의 구조로 인한 유체경로가 넓어지다가 좁아지는 원형구조, Model 4 - 프로펠러 형태의 원형구조, Model 5 - 조밀한 dot로 배열한 원형구조)로 구성한다. 유체가 다양한 방향으로 흐를 수 있도록 하기 위해 모듈과 모듈 사이의 간격에 2mm정도의 여유를 두고, baffle의 높이는 1mm(너비 4mm, 길이는 다양)로 가공하여 설치한다.  유체가 흐를 때 공급액과 투과액이 서로 섞이지 않도록 모듈의 중심부와 외곽부분, 투입구와 배출구 사이에 경계면을 설치하고 모듈간에도 서로 정확히 맞물려서 유체가 새지 않도록 밀폐시킨다.  전체장치를 설계할 때에는 원형 모듈의 track을 따라 유체가 자유로이 회전이동할 수 있도록 투입구 위치를 선정, 제작한다. 공급액이 공급되는 방식을 관찰하고 공급수의 유체흐름 방식을 규명하기 위하여 투명한 아크릴(지름 198mm)로 모듈을 제작한다.  이 같은 장치는 유체의 이동경로를 파악하기에는 매우 효과적이지만 수십 기압의 역삼투 system으로는 사용할 수 없기 때문에 6□/min의 H2O유체가 상온(25℃)에서 흐르도록 조절한다.  모듈의 track내에 반지름에 따른 특정지점을 선정(회전축으로부터의 반지름<순서> - 7.4□<1>, 6.3□<2>, 5.2□<3>, 4.1□<4>, 3.0□<5> 지점)하여 유체가 system내로 각각 공급되면서 흐르는 시간을 측정한다.  유체가 180¸회전하면서 걸리는 시간을 바탕으로 지점별 속도성분을 분석하여 가장 적절한 model을 선정한다.

결과 및 토의

Fig. 1.에서 보듯이 유체의 각 지점별 속도는 일정한 흐름에서 회전축으로부터 가까운 지점의 속도 profile이 우세하여 보다 쉽게 모듈을 흘러나간다.  여기에 baffle을 설치한 모듈과 그렇지 않은 모듈 사이에 상당한 유속의 차이가 발생함도 그림을 통해 볼 수 있다.  모듈에 baffle을 삽입함으로써 많은 vortex가 발생하고 이로 인해 정상적인 흐름과는 거리가 있는 속도분포를 가지게 된다.  또한 반지름에 따라 분류한 각 지점별 투과속도는 모듈을 설치하지 않은 model 1의 경우에 비해 baffle을 설치함으로서 속도차이가 점점 줄어든다.  이로 인해 발생하는 각 model별 회전축에서의 반지름에 따른 각속도를 알아본 결과가 Fig. 2에서 나타난다.  Fig. 2.에서 일정한 모듈의 원형track을 회전하는 경우, 원중심축에 가까울수록 보다 월등한 각속도를 가지게 되고 baffle을 설치하지 않게 되면 그 속도는 5배가량 차이를 보인다.  이에 비해 다른 model들은 <1>지점에서 <3>지점까지는 거의 일정한 각속도변화를 보인다.  Fig. 3에서는 각속도 산출을 바탕으로 한 model의 각 지점별 선속도 변화율을 나타낸다.  model 1에서 선속도변화율이 2.50이상이였으나, 다른 model에서는 0.70이하의 속도변화율을 나타내어 baffle을 설치했을 때가 더욱더 큰 와류를 발생시켜 혼합해줌을 알 수 있다.  이 중에서 특히 model 2, 4는 각각 0.0549, 0.4252의 변화율을 가지는 데 이는 다른 model에 비해 반지름에 대한 흐름속도의 변화가 적음을 보여준다.  따라서 시스템이 운용될 시에 보다 넓은 유효면적에 걸쳐 반응물을 통과하게 해 줌으로써 제거율에 영향을 미치는 분리막의 단위면적당 투과성능을 높여준다.

참고문헌

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