설계제작한 원판틀형 RO 모듈의

성능비교에 관한 연구

이종일, 배성열, 김영채

한양대학교 화학공학과

The Study of Comparison of The Designed

Disc Plate and Frame Type Module's Performances

Jong-Il Lee, Seong-Youl Bae, Young Chai Kim

Dept. of Chem. Eng., Hanyang University

서론

지역개발, 산업고도화, 인구증가와 함께 물의 수요는 세계적으로 증가하고 있으며 이 수요를 충당하기 위한 효과적인 방법중의 하나로 바닷물을 담수화하는 방법이 이용되고 있다. 담수화의 방법중 역삼투막법은 상(相)변화를 동반하지 않고 생산설비 규모가 간단하고 설비비가 저렴하며 에너지 소비량이 적다는 이점을 가지고 있다. 분리막 공정은 고분자 필름형태의 막과 이를 상업적으로 사용할 수 있도록 한 모듈이 중요한 요소기술이며 이를 system화시키는 엔지니어링기술이 결합되어 하나의 분리공정이 된다. 따라서 막의 재질, 형태에 따라 여러 분야에 응용할 수가 있으며 엔지니어링기술이 개발됨에 따라 적용범위가 확대되고 있어 새로운 분리기술로서 각광받고 있다. 역삼투막법의 가장 큰 문제점은 막표면에서 일어나는 fouling 현상인데, 이 문제를 해결하기 위해서는 막, 모듈, 전처리, 그리고 공정의 최적화가 필요하다. 이상적인 역삼투막은 화학적변화와 미생물에 대한 저항이 있어야 하고 분리특성과 기계적특성은 오랜 조작후에도 변화가 없어야한다. 상업화된 역삼투막은 비대칭구조이거나 얇은 막형태의 복합구조이다.

본 연구에서는 역삼투공정에서 많은 연구가 진행되어온 제막방법이나 작업조건이 막에 미치는 영향보다는 공정상에서 분리성능을 향상시키기 위해 distribution을 향상시킨 housing과 공정상에 따르는 농도분극화 현상이나 fouling을 최소화하기 위한 각기 다른 세가지 모듈을 제작하여 투과유속과 제거율에 미치는 영향을 살펴보고 상품화된 독일Rochem사 RO 모듈의 분리성능과 비교하여 최적의 housing과 모듈을 설계하고자 하였다.

이론

Fig. 1 과 같이 반투과성막이 Sodium chloride 수용액과 Pure water 사이에 위치하면 화학적 포텐셜차에 의해 물은 Pure water로부터 Sodium chloride 수용액으로 흐르게된다. Sodium chloride 수용액으로의 물의 흐름은 정상상태가 될 때 까지 계속되며 삼투압 평형(Osmotic Equilibrium)에 이르면 더 이상의 물의 흐름은 없다. 이때 생기는 Sodium chloride 수용액과 Pure water간의 수두차를 삼투압(Osmotic Pressure)이라 한다.  Sodium chloride 수용액에 삼투압 이상의 압력을 가하게 되면 물의 흐름은 반대로 Sodium chloride 수용액으로부터 Pure water로 흐르게 되는데 물론 Sodium chloride는 막을 통과하지 못한다. 결과적으로 Sodium chloride 수용액으로부터 Pure water를 얻을 수 있게 되는데 이러한 분리공정을 역삼투(Reverse osmosis)현상이라고 한다.

Fig. 1  Principle of reverse osmosis

실험

1) module 제작 : 실험을 수행하기에 앞서 아크릴로 만든 모델을 통해 기존의 상용화된 독일 Rochem사의 housing을 분석하고, Fig. 2에 나타난 바와 같이 공급방식에 있어 distribution을 향상시킨 housing을 설계·제작하였다.

그리고, 막분리공정상에 따르는 농도분극화 현상과 fouling을 최소화하기 위하여 전산 simulation을 통해 각기 다른 형태로 baffle을 배열한 모듈을 Fig. 3, 4, 5와 같이 설계하여 제작하였다.

2) 실험방법 : 상품화된 Rochem사의 RORO DT-100 장치를 이용하여 reservoir에 물 30□를 받아 Sodium chloride 수용액을 만든다. 기동펌프를 이용하여 system을 순환시키고 고압펌프를 가동하여 system이 정상상태가 될 때까지 최대압력 35 bar에서 1시간 가량 system을 운전하게 되는데, 펌프의 사용으로 인한 온도 변화를 막기 위해 온도 controller를 사용하여 원료 용액의 온도를 25℃로 유지되게 한다. system이 정상상태에 도달한 후 압력을 원상태로 감소시키고 bypass valve를 잠그며 10bar에서 35bar까지 2.5bar씩 압력을 증가시키며 실험한다. 압력을 증가시킬 때는 각 압력에서 system을 20분간 순환시켜 정상상태에 도달하도록 한 후 생산수의 유량과 농도를 측정하였다. 이 때 생산수의 양은 각 압력에서 100□씩 받아 측정하였는데, 농도측정은 CM-117 conductivity meter를 사용하였다. Sodium chloride 수용액을 1wt%, 2wt%, 3wt%로 만들어 실험하였는데, 이 경우 농도에 따른 삼투압의 차이에 의해 2wt%에서는 17.5bar이상, 3wt%에서는 25bar이상에서 실험을 행하였다. 용액이 막과 모듈을 통과하며 발생하게 되는 압력손실은 2.5bar정도로 실측되어 data상의 운전압력은 이를 고려하여 나타내었다.

결과 및 고찰

본 연구에서 투과유속과 제거율을 평가하기 위해 사용한 식은 다음과 같다.

[eqn: {Flux({□ over {□^2 hr}})}~=~ {투과유량(□)} over {{막면적({□^2})} times {시간({hr})}}]

[eqn: Rejection(%)~=~ {원액농도 - 투과액농도} over {원액농도} times 100]

Fig. 2 Principle of operation                 Fig.3 Type A module

of the HY housing

Fig. 4  Type B module                   Fig. 5  Type C module

먼저, Sodium chloride 수용액에서 상품화된 독일 Rochem사의 housing과 자체 제작한 housing에 대해 생산수의 투과유속과 제거율을 비교하는 실험을 행하였는데, Fig. 6에 나타난 바와 같이 투과유속에 있어서는 자체 제작한 housing이 좀 더 나은 결과를 나타내었고 Fig. 7에 나타난 바와 같이 제거율의 경우는 housing보다는 막의 성능에 의존하므로 90%이상의 거의 비슷한 결과를 나타내었다. 모듈에 대한 성능비교 실험은 자체 제작한 housing을 사용하였다.

Fig. 3, 4, 5에 나타낸 Type A, B, C 모듈에 대해서도 역시 housing 비교 실험과 같은 방법으로 실험을 수행하였는데, 투과 유속에 있어서는 Fig. 8에 나타난 바와 같이 Type C가 가장 우수하였는데, 이는 Type C의 형태로 제작된 baffle이

유체의 흐름을 보다 turbulent하게 하여 농도분극화 현상과 fouling을 감소시켰기 때문이다. 이는 실험전에 실시한 전산 simulation을 통해 얻은 결과와도 일치한다. Fig. 9에 나타나 있는 바와 같이 제거율에 대한 비교 결과는 housing 비교실험에서와 마찬가지로 90%이상의 거의 비슷한 결과를 나타내었다.

참고문헌

1. Takeshi Matsuura, "Synthetic Membrane and Membrane Separation             Processes", CRC Press, 1992

2.  W. S. Winston Ho, Kamalesh K. Sirkar, "membrane Handbook", Exxon        Research, 1991

3.  "판틀형 PV, RO 막모듈□ 개발에 관한 최종 보고서, 통상산업부, 1996

4.  Ana Caetano, Maria Norberta De Pinho, Enrico Drioli, Herbert Muntau,        "Membrane Technology: Applications to Industrial Wastewater Treatment"

, Kluwer Academic Publishers, 1995

5.  "첨단 환경기술□, 막분리 기술 개발 동향, 환경관리연구소, 11, 1995