원판틀형 RO module의 설계와 분리 성능에 관한 연구

김응석, 배성렬, 하백현, 원장묵

한양 대학교, 화학공학과

A design and separation performance study

of Disc plate ＊ frame RO module

Eung Suk Kim, Seong Youl Bae, Baik Hyun Ha, Jang Mook Won

Department of Chemical Engineering, Han Yang University

서론

수자원 부족 현상을 해결하기 위한 방법으로 해수 등에 존재하는 용존염류를 제거하여 담류를 생산하는 분리 기술이 사용되고 있으며, 담수를 얻는 방법으로는 증발법, 냉동법 등과 같이 물의 상변화를 이용하는 방법과 역삼투압법, 전기투석법과 같이 분리막을 이용하여 압력차, 전위차로 분리하는 방법이 현재 폭넓게 사용되고 있다. 그 중에서도 역삼투압법은 상변화가 필요없기 때문에 소요 에너지가 적고 장치가 compact하여 설치비 및 설치 부지가 적게 든다는 잇점을 가지고 있고, 가열하지 않아도 분리가 가능하기 때문에 불안정한 물질을 상온에서 분리할 수 있는 장점을 가지고 있다. 역삼투 공정에 사용되는 분리막을 실제 플랜트에 적용하기 위해서는 용액과 막이 접촉할 수 있는 면적을 넓게 하고 고압에서 운전이 가능하도록 하나의 장치로 만들어야 하는데 이것을 모듈(module)이라고 한다. 역삼투 공정에 대해 개발된 모듈로는 Plate and Frame type(판틀형), Tubular type(관형), Spiral wound type(나권형), Hollow fiber type(중공사형) 등이 있다.

본 연구에서는 막 교체 비용이 저렴하고, 투과유속이 양호한 판틀형 모듈을   사용하였고, 막 분리 공정상에 따르는 농도 분극화 및 fouling 현상을 최소화하기 위하여 모듈 형태를 달리 제작하여 투과선속과 제거율에 미치는 영향을 조사하였다.

이론

역삼투법은 용액에서 용질과 용매를 분리하는데 사용되는 분리공정의 한 방법이다. 두 용액(pure water와 saline water)사이에 반투막을 두면 화학포텐셜차에 의해서 순수한 물 쪽에서 농도가 높은 용액 쪽으로 물이 투과하게 되는데 이 때 생기는 수두차를 삼투압이라 한다. 역삼투란 삼투압 이상의 압력을 가하게 되면 농도가 높은 용액 쪽에서 저농도의 순수한 물 쪽으로 역류하는 현상을 말한다.     이러한 특성을 이용한 막을 역삼투막이라 하며, 역삼투막은 일반적으로 비대칭 구조를 가지고 있다. 막의 표면층은 치밀하고 얇을수록 제거율이 좋은 것으로 알려져 있고, 지지층은 세공구조를 가지고 있어 투과저항을 작게 하여 물의 유속을 높일 수 있다는 장점을 가지고 있다.

실험

기존의 RO system을 이용하여 reservoir에 물(30l)을 공급받아 NaCl 및 Sucrose 수용액을 만든다. 대기압 상태의 원료용액을 최대 7bar까지 올리기 위하여 기동 펌프를 이용하여 시스템을 순환하게 되는데 공급유량은 6.5 ∼ 7 l/min이다. 고압 펌프를 가동시켜 정상 상태가 될 때까지 최대 압력(35bar)에서 30분 ∼ 1시간 가량 운전하는데 이 때 고압 펌프를 사용함으로써 생기는 온도 상승을 막기 위하여 온도 조절계를 가동시켜 시스템내의 원료용액을 25℃로 유지되게 한다. 압력을 다시 원상태로 복귀시킨 후 고압게이지로 10bar에서부터 시작하여 bypass valve를 잠그며 2.5bar씩 증가시켜 35bar까지 실험한다. 압력을 바꾸어 실험을 할 때에는 10분 ∼ 20분간 시스템을 순환시켜 정상 상태에 도달하도록 한다.

농도를 1 wt%, 2 wt%, 3 wt%로하여 각각의 농도에서 생산수를 받아 투과 유속을 측정하고 NaCl 수용액의 경우는 CM-117 conductivity meter로, Sucrose 수용액의 경우는 Refractometer로 투과액의 농도를 측정한다. 단, 농도 측정시 투과액은 온도가 25℃일 때의 농도를 측정한다.

결과 및 토론

본 연구에서는 다음과 같이 Flux(투과유속)와 Rejection(배제율)을 통해 모듈의 분리성능을 해석하였다.

[eqn: Flux(l/{cm^2}hr)~=~{투과유량(l)}over{막면적({cm^2})~×~시간(hr)}]

[eqn: Rejection(%)~=~{원액 농도~-~투과액 농도}over{원액농도}~×100]

NaCl 수용액과 Sucrose 수용액에서 병렬형인 Type #3(15ea)와 Type #4(15ea)의 두 가지 모듈 형태에 따른 투과선속과 제거율을 비교하기 위해 실험을 행하였으며, 실험의 결과는 Fig. 4, 5, 6, 7에 나타난 바와 같다. NaCl 수용액에 대한 삼투압이 Sucrose 수용액의 삼투압보다 크기 때문에 Sucrose 수용액에 대한 투과유속이 NaCl 수용액의 경우보다 높게 나타났음을 알 수 있었고,(Fig. 4, 6) NaCl 수용액에 대한 제거율은 운전 압력에 따라 완만하게 증가하였으나 Sucrose 수용액의 경우에는 농도에는 영향을 받으나 운전 압력에 대해서는 영향을 받지 않음을 알 수 있었다.(Fig. 5, 7) Pure water로부터 NaCl 또는 Sucrose의 함량이 증가함에 따라서 원료용액내의 시약의 농도가 증가하면 막의 표면에 농도 분극화 현상이 증가하게 되며, 삼투압 역시 농도에 비례하여 증가하기 때문에 NaCl 수용액의 경우 2 wt%에서 17.5bar이상, 3 wt%에서는 25bar이상에서 실험을 행하였고, Sucrose 수용액의 경우 3 wt%이내에서는 삼투압의 영향이 미치지 않기 때문에 10bar에서부터 실험을 행하였다. 측정된 운전 압력은 역삼투 모듈 입구에서 측정한 값이며 원료용액이 모듈을 통과할 때 압력 손실이 발생하기 때문에 실제로 모듈 전반에 작용한 압력은 입구에서 측정된 값보다 2∼2.5bar 가량 낮은 것으로 실측되어 데이터상의 운전 압력은 이와 같은 압력 손실을 고려하여 나타내었다.

모듈형태에 따른 투과유속의 비교는 Fig. 4, 6를 통해 알 수 있듯이 Type #4의 모듈이 Type #3의 모듈보다 높게 나타났는데, 이러한 결과는 Type #4의 형태로 제작된 baffle이 유체의 흐름을 보다 turbulent하게 만들어 주었기 때문이고, 제거율에 있어서는 Fig. 5, 7에 나타난 바와 같이 별 다른 영향을 미치지 않음을 알 수가 있었다.

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참고문헌

[1] Keller, P. R. : "Membrane Technology and Industrial Separation                   Techniques", Noyes Data Corp. 1976

[2] S. Sourirajan and T. Matsuura, "Reverse Osmosis/Ultrafiltration Process              Principles", NRCC, Canada, 1985

[3] Park Seok Woo, M. S. Thesis, KAIST, Seoul, 1988

[4] Takeshi Matsuura, "Synthetic Membranes and Membrane Separation                 Process", CRC Press, 1992

[5] J. A. Howell., V. Sanchez and R. W. Field, "Membranes in Bioprocessing",         Champman and Hill, 1993