KR100658423B1 - 역삼투 분리막에 의한 다단 분리시스템 - Google Patents

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윤성로
구자영
홍성표
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주식회사 새 한
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Abstract

본 발명은 고농도 용액으로부터 적은 처리비용을 들여 수질이 높은 저농도 용액을 보다 회수율로 안정적으로 얻기 위하여, 투과성능 및 분리성능이 다양한 역삼투 분리막을 시스템에 적용하여 각 분리막 모듈의 회수율이 15%이하로 유지하는 역삼투 분리시스템에 관한 것이다.
베셀, 회수율, 막모듈, 유효압력, 고유투과유량

Description

역삼투 분리막에 의한 다단 분리시스템{Multistage Separation System Using Reverse Osmosis Membrane}
도 1은 역삼투 분리막에 의한 다단 분리시스템의 개략도
도 2는 나권형 분리막 모듈의 내부구성을 보여 주는 개략도
도 3은 분리막 모듈이 장착된 베셀의 내부구성을 보여 주는 정면 절단도
< 도면 주요부분에 대한 부호의 설명 >
1 ; 유입수 2 ; 고압펌프
3 ; 1단(First stage) 4 ; 2단(Second stage)
5 ; 투과수 6 ; 농축수
7 ; 분리막 8 ; 투과수유로
9 ; 유입수유로 10 ; 다공성유출관
11 ; 분리막모듈 12 ; 베셀
본 발명은 역삼투 분리막에 의한 다단 분리시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고농도 용액으로부터 높은 회수율, 적은 처리비용 및 수질이 높은 저농도 용액을 보다 안정적으로 얻기 위한 역삼투 분리막 시스템의 분리방법에 관한 것이다.
일반적으로 용해된 물질은 정밀여과, 한외여과, 역삼투막과 같은 선택성을 갖는 막에 의해 용매에서 분리되어진다. 역삼투막은 염수나 해수 등의 염분을 제거하여 산업용수, 농업용수, 가정용수 등의 비교적 저염도 이면서 많은 양의 물로 담수화하는데 사용되어 왔다. 역삼투막을 이용한 반염수 탈염이나 또는 해수의 담수화란 염분이나 이온등이 녹아있는 수용액을 가압하여 역삼투막을 통과시킬 때 수용액중 염분이나 이온등은 막을 통과 하지 못하여 걸러지고 정제된 물은 막을 통과하여 일정한 용수가 되는 것을 의미한다. 이 때 가해지는 압력은 수용액이 가지는 삼투압 이상이어야 하고 그 작용은 삼투과정의 역방향이며, 또한 수용액의 농도가 높을수록 삼투압이 커지므로 공급수에 가해지는 상기 압력은 더 높아지게 된다.
염수나 해수 등의 물은 다량의 염을 함유하고 있기 때문에 이들 용액을 담수화하는 역삼투막은 염 제거능력이 뛰어나야 하고(참고로 실험에 의 하면 98%이상의 염이 제거되어야만 일반용수로서 사용이 가능한 것으로 되어 있음), 또한 고농도의 염수를 운전하는데 필연적인 펌프의 대형화나 그로 인한 소음, 낮은 에너지효율문제 등을 개선하기 위해 공정압력이 낮아 져야 하는 과제를 않고 있다.
역삼투막이 갖추어야 할 또다른 조건으로, 종래 역삼투막의 경우, 다 량의 염분을 걸러내야 하는 특성상 실제 역삼투막을 통과하는 정수의 양이 너무 적어서 그 활용도가 미미했던 바 역삼투막이 가지는 우수한 정수능력 을 상업화하기 위해서는 비교적 낮은 압력에서도 다량의 정수가 막을 통과 하는 즉 고투과유량의 특성을 빼놓을 수 없게 된다.
알려진바로 막의 투과유량은 해수담수화 조건, 800psi에서는 10gallon/ft2 day(gfd), 반염수 탈염공정에서는 225psi 압력하에 15gallon /ft2 day(gfd) 이상이 요구되어지고 있으며, 용도에 따라 염배제율보다 고유량이 중요하거나 이와 반대로 염배제율이 중요한 경우도 있다.
통상, 분리막을 산업적 규모의 액체분리에 적용시키려면 상당히 넓은 막면적이 요구된다. 넓은 막면적을 컴팩트한 규모로 집적시킨 장치단위를 분리막 모듈(membrane module)이라 하며, 현재 평판형모듈, 관형모듈, 중공사형모듈, 나권형모듈 등 여러 종류의 막모듈 형식이 개발되어 있고, 특히 최근 상업화되고 있는 역삼투방식의 분리막으로는 나권형(spiral- wound type) 막모듈이 주로 쓰이고 있다. 이러한 나권형모듈은 분리막으로 평판막(flat sheet membrane)을 사용하는데, 도 2를 참조하여 유입수유로(feed spacer)인 mesh(9)와 분리막(7)과 투과수유로(permeate spacer, 8) 그리고 또하나의 분리막(7)을 샌드위치 방식으로 접합시킨 후 이를 중앙에 위치한 다공성 유출관(central pipe, 10)에 롤(roll)형태로 감아서 분리막모듈을 형성시킨다.
이러한 분리막모듈의 기능을 보면, 일정한 압력이 가해진 유입수가 유입수유 로인 mesh를 거쳐 분리막을 통과하게 되는데 상기 분리막 통과과정에서 용존염 및 유기물 등이 배제되고 순수한 물만이 분리된다. 상기 분리된 물은 분리막 사이에 위치한 투과수유로를 따라 흐르게 되고, 이 투과액은 중심에 위치한 투과수 유출관에 모여져 분리막모듈 외부로 배출된다. 또한 유입수 일부는 농축되어 연결된 또다른 분리막의 유입수로 작용하게 되며, 이때 초기 각 모듈에 있어서 유입수 대비 투과수의 비율을 개별 모듈 회수율(Recovery)로 정하여 관리하게 된다.
이같은 분리막모듈은 일반적인 여과필름과는 달리 염이나 용존유기물들까지 효과적으로 제거, 분리하기 때문에 액체분리에 있어 최적의 환경소재라 할 수 있고, 그 사용처는 초순수반도체 제조, 석유화학, 제약 및 폐수재활용 등 전 산업분야를 망라한다고 해도 과언이 아니다.
상기 역삼투막 모듈적용은 통상 복수개(보통 6개)의 모듈을 1개의 압력용기 또는 베셀(Vessel, 도 3에서 12)에 직열로 장착하여 사용하게 되고, 실제 플랜트의 경우에는 상기 베셀을 여러개 병렬로 연결(이것을 단 또는 Stage라 함, 도 1에서 3, 4 에 해당)하여 사용하거나 또는 유입수에 대한 전체적인 회수율을 높이기 위하여 복수의 베셀이 연결된 단(Stage)을 2~3개로 직열로 연결하여 사용하기도 한다. 이 경우, 첫 번째 단이 1단(First stage, 3)이 되고 두 번째 단이 2단(Second stage, 4)이 된다. 또한 이와 같은 시스템의 전체 유입수량 대비 투과수량의 비율을 시스템 회수율(System recovery)이라 한다.
보통의 해수담수화 시스템에서는 한 개의 단으로 구성하여 35~45%의 시스템 회수율을 갖지만, 반염수 담수화 시스템에서는 2~3단으로 구성하여 75~87.5%의 시 스템 회수율을 적용하게 되는데, 이때 고려해야 할 것은 역삼투 분리 장치의 운전 조건인데 그 중 핵심적인 것이 분리막 오염(Membrane fouling)으로 이는 반드시 최소화하는 쪽으로 해결되어야 할 과제라 할 수 있다. 구체적으로, 1개의 역삼투 분리막 모듈로부터 얻을 수 있는 모듈 회수율은 제조업체에 의해서 허용 한계치(예를 들어 15% 이내)가 정해져 있으며, 이를 초과하면 분리막 오염이 가속화되어 분리성능이 저하된다. 때문에 전술한 베셀내의 각각의 모듈회수율이 일정하게 유지되고, 또한 각 단별 회수율이 그 자체의 한계치를 넘지 않으면서 유지되는 것이 무엇보다 중요한 포인트가 된다.
이와 관련된 종래의 기술들은 대부분 각 단에서의 유량 밸런스를 유지함으로써 회수율을 안정적으로 얻고자 하는 것들로 예컨데, 미국특허 제6,187,200호에는, 2단 시스템에서 1단의 후단 농축수 라인에 승압펌프(Booster pump)를 장착하여 1,2단 유량 밸런스를 유지하는 동시에 안정적인 회수율을 얻는 내용이 소개되어 있으나 이와 같은 기술은 각 단에서의 단별 유량밸런스 및 높은 시스템 회수율은 얻을 수 있을지 모르나 베셀내 각각의 모듈회수율을 조절하지는 못하고 있고, 또한 승압 펌프를 추가적으로 장착해야 하는 비경제적인 문제점이 있었다.
본 발명은 위와 같은 문제점에 착안하여 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 고농도 용액으로부터 높은 회수율로 양질의 저농도 용액을 안정적으로 얻는데 있어서, 각 단의 베셀내 모듈회수율을 허용한계치 이하로 관리하여 일정하면서 안정된 회수율을 얻는데 있다.
본 발명의 또다른 목적은 분리성능이 다른 역삼투 분리막을 각 단별로 배치하여 예컨대 승압펌프와 같은 별개의 장치가 없어도 효율적이고 저렴한 분리시스템을 제공하는데 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 역삼투 분리막에 의한 다단 분리시스템은, 복수개의 분리막 모듈이 내재된 베셀이 여러개 병열 배치되어 하나의 단(stage)을 형성하고 상기의 단이 2개이상 직열로 구성된 분리시스템에 있어서, 후단에 장착되는 분리막 모듈은 그 고유투과유량을 전단에 장착되는 분리막 모듈의 고유투과유량보다 25% 에서 250% 크게 하여 조합 배치한 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 실시예에 의하면, 상기 분리막 모듈들의 각각 회수율을 15 % 이하로 하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 상기 분리시스템은 2개 이상의 단으로 되어 있는 동시에 후단의 베셀수는 전단의 베셀수의 1/4~3/4 수준으로 적게 구성하는 것이 바람직하다.
나아가, 본 발명에 따른 상기 분리시스템의 각 베셀은 3~8개의 분리막 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하고, 좀 더 바람직하게는 4~7개의 분리막 모듈을 포함하는 것이 효과적이다.
상기 분리막 모듈의 종류로서 역삼투 분리막에 한정되지 않으며, 정밀여과막(Micro filtration;MF), 한외여과막(Ultrafiltration;UF), 나노여과막(Nanofiltration)을 사용할 수 있다. 또한 모듈 형태에 제한을 두지는 않지만 나권형(Spiral wound type) 모듈을 적용하는 것이 보다 바람직하다.
상기 분리성능이 다른 분리막 모듈이라 함은 투과유량 및 염제거율이 다른 것을 의미하며, 시스템 내에 장착하는 방법에 있어서 투과유량이 낮은 것은 다단 시스템의 전반부에 장착하고 높은 투과유량 모듈을 시스템 후반부에 장착하여 시스템의 전체적으로 유량 밸런스를 유지 할 수 있도록 한다. 또한 투과유량 및 염제거율의 투과성능 뿐만 아니라 상기 설명한 것과 같이 분리막 종류 및 형태에 한정하지 않고 시스템 위치별 장착될 수 있다.
상기 위치별 장착 지점이 다단 시스템의 단별에 제한하지 않으며, 베셀내에서도 투과성능이 다른 제품을 위치별 장착하여 각 위치별 모듈회수율을 고르게 유지할 수 있다.
참고로, 상기 역삼투 분리법은 염수 및 해수의 담수화 공정에서 기존에 잘 알려진 증방법(MSF), 전기투석법(EDI) 및 이온교환수지법과 비교해 초기 투자자본 및 운전비용측면에서 저렴한 것으로 알려져 있다. 또한 역삼투 분리법의 운전비용이라 함은 고압펌프에 소용되는 전기비용과 분리막 오염으로 인한 유량저하를 회복 시키기 위한 주기적인 세척과정에 소요되는 케미칼 비용 및 인건비로 구분 할 수 있다.
상기 역삼투 분리장치에 있어서 투과수를 얻기 위하여 반드시 적정 압력으로 역삼투 모듈에 유입되는 원수(Feed water)를 가압해야 한다. 이때 적정압력을 결정하는 인자로 크게 현장 원수의 농도 및 온도와 같은 현장 고유한 특성을 반영하는 인자와 모듈의 고유투과유량(Specific permeate flux; k), 시스템 회수율 및 시스템 차압 등 역삼투 분리시스템의 설계시 반영되는 인자로 구분할 수 있다.
상기 모듈의 고유투과유량은 일반적으로 단위 면적, 단위시간당 투과유량을 가압된 유효압력(Net driving pressure;ΔP)으로 나눈 값으로 분리막의 재질 및 분리막 제조방법에 기인하는 고유한 특성 값이다. 주어진 설계치와 운전조건에서 유입수 압력(Feed pressure; Pf)은 요구되어지는 모듈의 평균투과유량(Average permeate flux;Fave) 및 선택된 분리막의 고유투과유량을 얻기 위하여 산정된 유효압력(ΔP)에 의하여 아래 1식으로 결정된다.
ΔP = Fave / k (1)
또한, 유효압력은 유입수 압력(Feed pressure; Pf)에서 유입수의 염농도에 기인하는 삼투압(Osmotic pressure;π), 유입수의 베셀내 흐르면서 발생 되는 마찰(Friction)에 의해 발생되는 차압(Pressure drop;Dp) 및 투과수의 압력(Permeate presssure;Pp)를 아래 2식과 같이 제거한 값과 같다.
ΔP = Pf-(π+Dp+Pp) (2)
상기 2식에서 투과수의 염농도는 유입수의 염농도의 대략 1~2%수준으로 투과수의 삼투압(Pp)은 무시할 수 있어 일반적으로 제외하고, 상기 1과 2식을 통해서 유 효압력과 유입수 압력은 평균투과유속과 비례하며, 고유투과유속에는 반비례함을 알 수 있다. 또한 일반적인 역삼투 분리공정에 있어서, 유효압력은 베셀내 뒤쪽으로 갈수록 즉 후단으로 갈수록 삼투압이 증가하고 차압이 발생하면서 유효압력이 저하되기 때문에 뒤쪽의 모듈에 적정압력을 유지하기 위해서는 유입수압력(Pf)을 높여 적용해야만 시스템 후단에 적정모듈 회수율을 얻을 수 있다. 하지만 후단의 적정회수율을 얻기 위해 유입수의 압력을 상승시킬 경우 오히려 전단의 회수율이 높아져 막오염을 가속화하는 문제점을 야기시킬 수 있어 좋은 해결책은 아니다.
Fn = k X ΔP X Tc (3)
≒ k x {(Dpc n X Pf) -πn} X 1.03(25-T) (3-a)
(Fn;n번재 모듈의 투과유량, k;모듈의 고유투과유량, ΔP;유효압력, Tc;온도보정, Dpc;모듈의 차압계수, Pf;유입수의 압력, πn;n번째모듈의 삼투압, T;원수의 수온)
n번째 모듈의 투과유량(Fn)은 상기3식과 같이 모듈의 고유투과유량(k)와 유효압력(ΔP)의 곱으로 표현할 수 있고, 또한 온도에 따라 일반적으로 3%/℃ 수준으로 변동하기 때문에 온도에 따른 투과유량 보정(Tc)항을 추가한다. 모듈의 구조에 기인하는 차압계수(Dpc), 원수의 염농도에 기인하는 삼투압(πn), 원수의 수온(T)에 따른 온도보정을 고려하여 정리한 실험식은 상기3-a식으로 현장에서 쉽게 사용할 수 있다.
πn ≒ 0.0115 X {(CCn -1+CCn)/2-CFn)} (4)
≒ 0.0115 X CCn -1 (4-a)
(πn;n번째 모듈의 삼투압, CFn;n번째 모듈의 투과수염농도, CCn;n번째 모듈의 농축수염농도)
Concentration Factorn = CCn/CCn -1 (5)
= 1/(1-Rn)
(Concentration Factorn; n번째 모듈의 농축계수, CCn; n번째 모듈의 농축수 염농도, Rn; n번째 모듈의 회수율)
상기 언급된 n번째 모듈의 삼투압은 상기 4식과 같이 현장에서 쉽게 적용하는 식으로 변환할 수 있는데, 실제로 정확한 삼투압은 원수에 포함된 염의 조성에 따라 다르지만 통상의 1ppm의 총잔류고형물(TDS)의 경우 0.0115psig의 삼투압을 발생하는 것을 고려하여, n번째 모듈에 접촉되는 유입수의 평균 염농도(단위 ppm)에 투과수의 염농도를 제하고 삼투압 환산계수(0.0115psig/ppm)를 곱한 상기 4식으로 자주 사용된다. 상기 5식과 관련하여 6개의 모듈로 구성된 베셀의 회수율은 통상 50%수준으로 베셀의 유입수 대비 농축수의 염농도는 1.5배 높다. 반면 베셀내 각 모듈의 회수율은 통상 15%수준으로 모듈의 유입수 대비 농축수의 염농도는 1.17배 높다. 상기 4식에 있어서 보다 정확한 삼투압을 계산하기 위해서는 평균농도((CCn- 1+CCn)/2)를 사용해야 되지만, 개별모듈의 관점에서 볼때 CCn -1과 CCn은 차이가 미미하고 CFn은 CCn -1과 CCn에 비교해 무시할 정도로 작기 때문에 개괄적으로 빠른 시간에 삼투압을 계산하기 위하여 상기4-a식을 실제 현장에서 많이 사용하고 있다. 또한 본 발명의 구성에 있어 수식전개의 목적은 회수율과 유입수 압력, 온도, 유입수 염농도 등 다른 여러 요인과의 상관관계를 구체적으로 설명하기 위한 것이며, 정확한 값을 도출하기 위해서는 상기4-a와 같은 약식이 아닌 보다 구체적인 식을 사용해야 한다.
Cn = Fn +1+Cn +1 (6)
(Cn;n번째 모듈의 농축수 유량, Fn +1;n+1번째 투과수 유량, Cn +1;n+1번째 농축수 유량)
베셀(Vessel)내 모듈은 직열로 연결되어 있고, 상기 6식과 같이 n번째 모듈의 농축수 유량은 n+1번째 모듈의 원수유량과 같으며, 또한 n번째 모듈의 농축수 유량은 n+1번째 모듈의 투과수유량과 농축수 유량의 합과 같다.
Jn = 1-CFn/{(CCn -1+CCn)/2} (7)
≒ 1-CFn/CCn -1 (7-a)
(Jn;n번째 모듈의 염제거율, CFn;n번째 모듈의 투과수 염농도, CCn -1;n-1번째 모듈의 농축수 염농도, CCn;n번째 모듈의 농축수 염농도)
상기 7식은 n번째 모듈의 염제거율과 투과수, 농축수의 농도와 관계를 수식 화 한 것이다. 상기 언급된 4식 5식의 수식전개에서 설명된 이유로, 개별모듈의 관점에서 볼 때 CCn -1과 CCn은 차이가 미미하기 때문에 개괄적으로 빠른 시간에 모듈의 염제거율을 계산하기 위하여 상기7-a식을 실제 현장에서 많이 사용하고 있다.
Rn = Fn/Cn -1 = Fn/(Fn+Cn) (8)
= Fn/{Fn -1 X (1/Rn -1-1)}
≒ {k x ((Dpc)n X Pf - 0.0115 X CCn -1) X 1.03(25-T)}/
{k x ((Dpc)n-1 X Pf - 0.0115 X CCn -2) X 1.03(25-T) X (1/Rn -1-1)}
≒ [k x {(Dpc)n X Pf - 0.0115 X CFn/(1-Jn)} X 1.03(25-T)]/
[k x {(Dpc)n-1 X Pf - 0.0115 X CFn -1/(1-Jn -1)} X 1.03(25-T) X (1/Rn -1-1)]
(Rn;n번째 모듈의 회수율, Fn;n번째 모듈의 투과수유량, Cn;n번째 모듈의 농축수유량, k;모듈의 고유투과유량, Dpc;모듈의 차압계수, CFn;n번째 모듈의 투과수염농도, CCn;n번째 모듈의 농축수염농도, T;원수의 수온, Pf;유입수 압력)
상기 8식의 Rn(n번째 모듈의 회수율)은 n번째 모듈의 유입수 유량 대비 생산수 유량의 비율로 상기 1식 ~ 상기 7식으로 유도할 수 있고, 결과적으로 현장에서 쉽게 얻을 수 있는 유입수 압력(Pf), 투과수 염농도(CFn), 원수의 수온(T) 등으로 계산이 가능한 것을 확인 할 수 있다. 상기 7식을 통해서 모듈의 회수율은 분리막 자체 투과성능과 관련된 요인(k, J etc.)과 모듈 구조에 기인한 요인(Dpc) 그리고 현장조건에 기인한 요인(Pf, CCn, T etc.) 등 다양한 요인들이 복합적으로 작용하는 것을 알 수 있다. 상기 8식은 회수율과 실제 현장에서 쉽게 얻을 수 있는 데이터와 상관관계를 설명하기 위하여 약식으로 수식을 전개한 것이다. 실제로 각 역삼투 분리막의 제조사에서는 컴퓨터를 이용한 좀더 상세하고 복잡한 수식으로 계산할 수 있는 시뮬레이션 프로그램을 개발하여 제공하고 있다.
소비전력량(kwhr/day) (9)
= (Qp/Y) X Pf X 7.28-6 x 1440 / (motor & pump efficiency)
(Qp;총투과유량(gpm), Y;시스템 회수율, Pf; 유입수 압력(psig))
전기비용($/day) (10)
= 소비전력량(kwhr/day) X 전력단가(cent/kwhr) / 100
종합적으로 살펴보면, 상기1식을 통해 역삼투 분리시스템에서 더 높은 평균투과수량으로 설계하는 것은 더 높은 유효압력이 필요하며, 이는 결과적으로 더 높은 유입수 압력이 필요함을 시사한다. 이는 좀더 고압에서 운전되기 때문에 상기 9식 ~ 10식에서와 같이 에너지 비용을 증가 시키는 결과를 초래한다. 반면 사용되는 분리막 모듈의 수는 시스템 설계에 사용된 평균투과유량에 반비례하며 이는 결과적 으로 초기 투자비용 및 분리막 모듈 교체비용에 영향을 준다. 이와 같이 역의 관계를 해결할 수 있는 방법으로 저압에서 높은 투과유량을 갖는 분리막을 사용함으로써 상기 두 문제를 동시에 해결할 수 있을 것으로 예상된다. 실제로 분리막 제조업체는 경쟁적으로 고유투과유량이 높은 즉 저압에서 높은 투과유량을 확보할 수 있는 분리막 제품을 출시하고 있다.
하지만 실제 분리막 시스템에 적용되는 고유투과유량이 높은 제품은 압력을 높여 최대로 얻을 수 있는 투과유량으로 운전되지 않는다. 만약 최대로 높여 운전하게 되면 분리막 오염이 가속화 되어 분리막 모듈 교체시기를 앞당기는 문제를 야기시킨다. 상기 설명된 것과 같이 막오염 문제를 해결하면서, 에너지 비용을 줄이기 위하여 최대한 낮은 압력에서 운전한다. 그러나 또 다른 문제점으로 상기 고유투과유량이 높은 제품을 사용하여 시스템 전체 회수율을 높이고자 2~3단 구성의 분리막 설비에 적용할 경우 삼투압이 후단으로 갈수록 높아지고, 차압에 의한 압력이 감소하여 상기 2식과 같은 원리로 결과적으로 유효압력(ΔP)이 감소함으로써 후단의 분리막 모듈이 제 기능을 하지 못하는 현상이 발생되었다.
본 발명에서는 전단에 고유투과유량(k)이 낮은 분리막 모듈을 적용하고, 후단에 고유투과유량(k)이 높은 분리막 모듈을 적용함으로써, 전체 시스템에서 경제성을 유지하면서, 각 위치에 있는 분리막 모듈이 고르게 15%이하의 모듈회수율을 유지하는 안정적인 분리방법을 제시하였다. 보다 구체적으로 전단 사용모듈 대비 후단 사용 모듈의 고유투과유량이 25~100% 높은 경우 후단의 개별 모듈 회수율은 전단보다 낮으며, 반대로 100~250% 높은 경우는 후단의 개별 모듈회수율이 전단보 다 높은 경향을 보이지만 전단 사용모듈 대비 후단 사용모듈의 고유투과유량이 25~250% 높은 모듈을 적용함으로써 전체적으로 개별모듈의 회수율이 15%이하로 유지하는 안정적인 분리방법을 제시하였다.
다음의 실시예와 비교예는 본 발명을 더욱 구체적으로 설명하기 위한 것으로 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니다.
본 발명의 실시예와 비교예에 사용된 분리막 모듈은 (주)새한에서 제조된 전형적인 폴리아마이드 역삼투 분리막 모듈(BE)로 표준 테스트 조건인 유입수 2000ppmTDS 농도이고 유입수 압력이 225psi에서 27gfd의 투과유량을 보이며, 염배제율이 99.3%인 제품을 사용하였다. 또한 최근에 개발된 BLN과 NE90을 사용하였으며 상기 표준조건에서 각각 51gfd/99.0%, 76gfd/97.0%의 투과성능을 보여 준다. 또한 가장 최근에 개발된 BLR제품으로 상기 표준조건에서 39gfd/99.5%의 투과성능을 보이는 제품을 사용하였다. 각 분리막의 투과성능은 표1에 기재되어 있다.
[표 1]
Figure 112006002240648-pat00001
상기 4종의 분리막 모듈을 단독 또는 조합하여 0.6MGD 투과수를 얻기 위한 시스템에 적용하였으며, 시스템의 운전조건으로서 유입수의 염농도는 1000ppm TDS로 전체 시스템 회수율은 75%로 적용하였다. 사용된 베셀은 베셀당 6개의 모듈이 장착되었고, 1단에 10베셀, 2단에 5베셀로 구성된 동일방법으로 실시예와 비교예 실험이 진행되었으며, 각각의 조건에서 에너지 소비량과 투과수의 염농도, 각각의 위치에서 모듈회수율의 데이터를 얻었다.
[ 실시예 1 ]
본 발명의 분리방법을 역삼투 분리막 시스템에 적용한 것으로 1단, 2단에 분리성능이 다른 모듈을 각각 달리하여 적용한 경우로 1단에 낮은 유량제품을 적용하고 2단에 높은 유량제품을 적용하여 에너지 소비량과 투과수의 염농도 및 각 위치별 모듈회수율을 보여 주고 있다. 실시예1의 에너지 소비량 및 투과수 염농도를 살펴보면 비교예1과 비교해 에너지 소비량이 낮으며 투과수의 수질이 높음을 표2을 통해서 확인할 수 있으며, 표3의 경우 각 위치별 모듈회수율이 일정하며, 15%이하로 운전되어 시스템이 안정적으로 운전되고 있음을 시사해 준다. 구체적으로 각 위치별 모듈회수율이 15%이하로 시스템이 안정적으로 운전하기 위하여 위치별 모듈을 장착하는 방법으로 전단 사용모듈과 비교해 후단 적용모듈의 고유투과유량이 25~250% 높은 것을 사용하는 것이 바람직하며 더욱 바람직하게는 전단 사용모듈대비 50~150% 높은 것을 사용하는 것이 바람직함을 확인할 수 있다.
[표 2]
Figure 112006002240648-pat00002
[표 3]
Figure 112006002240648-pat00003
[ 비교예 1 ]
기존의 전형적인 역삼투 분리막 시스템에서 적용되는 방법으로 동일 제품의 모듈을 1단, 2단에 적용하였을 경우 에너지 소비량과 투과수의 염농도 및 모듈회수율을 확인하였다. 비교예1에서 에너지 소비량은 낮은 투과유량제품에 높은 투과유량제품으로 갈 수록 증가하는 것을 보여주고 있으며 또한 투과수의 수질은 낮은 투과유량제품이 좋은 것을 보여주고 있다. 즉 높은 수질의 투과수를 얻기 위해서는 좀더 높은 처리비용이 필요하다는 것을 표4를 통해 알 수 있다. 또한 기존 적용하 는 시스템의 문제점으로 표5에서 확인 할 수 있듯이 1단 2단 각 위치별 모듈회수율이 변화가 심하며, 단별 회수율 차이가 크고 1단의 5번째 및 6번째 모듈은 15%이상의 모듈회수율을 보여 주고 있어 분리막 오염문제가 발생할 가능성이 높음을 시사해 준다.
[표 4]
Figure 112006002240648-pat00004
[표 5]
Figure 112006002240648-pat00005
[ 비교예 2 ]
비교예2는 역삼투 분리막 시스템의 1단, 2단에 분리성능이 다른 모듈을 각각 달리하여 적용한 것이다. 실시예1과 비교해 1단에 높은 유량제품을 적용하고 2단에 낮은 유량제품을 적용하여 에너지 소비량과 투과수의 염농도 및 각 위치별 모듈회수율을 측정하였다. 실시예1과 반대 경우인 비교예2는 에너지 소비량과 투과수의 수질면에서 실시예 1과 비교해 에너지 소비량은 낮지만, 투과수 수질이 떨어지는 것을 표6통해 확인할 수 있다. 또한 표7은 1,2단 단별 회수율 차이가 크며 각 위치별 모듈 회수율이 변화가 심함을 확인할 수 있다.
[표 6]
Figure 112006002240648-pat00006
[표 7]
Figure 112006002240648-pat00007
상기 실시예와 비교예를 통해서 분리성능이 다른 제품을 각 위치별로 적용하는데, 특히 낮은 투과유량의 분리막 모듈을 전단에 적용하고 후단에 높은 투과유량의 분리막 모듈을 적용함으로써 분리막 시스템에 사용되던 기존방법과 비교해 에너지 소비량 및 투과수 수질에 유리한 결과를 얻을 수 있었고 또한 각 위치별 모듈회수율이 일정하면서 허용치 아래 값으로 운전될 수 있음을 검증하였다.

Claims (6)

  1. 복수개의 분리막 모듈이 내재된 베셀이 여러개 병열 배치되어 하나의 단(stage)을 형성하고 상기의 단이 2개 이상 모여 직열로 구성된 분리시스템에 있어서, 후단에 장착되는 분리막 모듈은 그 고유투과유량을 전단에 장착되는 분리막 모듈의 고유투과유량보다 25% 에서 250% 크게 하여 조합 배치한 것에 특징이 있는, 역삼투 분리막에 의한 다단 분리시스템.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 분리막 모듈들의 각각 회수율은 15 % 이하인 것을 특징으로 하는, 역삼투 분리막에 의한 다단 분리시스템.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 분리시스템은 2개 이상의 단으로 되어 있는 동시에 후단의 베셀수는 전단의 베셀수의 1/4~3/4 수준으로 적게 구성하는 것에 특징이 있는, 역삼투 분리막에 의한 다단 분리시스템.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 각 베셀은 3~8개의 분리막 모듈을 포함하는 것에 특징이 있는, 역삼투 분리막에 의한 다단 분리시스템.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 각 베셀은 4~7개의 분리막 모듈을 포함하는 것에 특징이 있는, 역삼투 분리막에 의한 다단 분리시스템.
  6. 제 1항 내지 제5항 중 어느 한항에 있어서, 상기 분리막 모듈의 형태는 나권형 모듈임을 특징으로 하는, 역삼투 분리막에 의한 다단 분리시스템.
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