KR101222073B1 - 정삼투막 여과장치, 및 초음파의 출력강도와 주파수 제어를 통한 정삼투막 여과장치의 여과플럭스 향상 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 초음파를 이용하여 정삼투 공정의 여과플럭스를 향상시키는 방법 및 시스템에 관한 것으로, 구체적으로는 막유입수와 유도용액의 유량, 수질 특성 및 정삼투막의 특성에 따라 초음파의 주파수 및 출력을 적절하게 조절하여, 정삼투막 유니트 내부에 초음파를 연속적으로 발생시킴으로써, 정삼투막 지지층에서의 물질전달속도를 향상시켜 내부농도분극현상에 의한 유효삼투압의 감소를 방지하고, 초음파에 의한 캐비테이션(Cavitation) 효과로 입자성 물질과 미생물에 의한 막오염 및 무기 이온물질에 의한 스케일 발생을 억제하여, 정삼투 공정에서의 정삼투막 여과속도 및 여과수의 수질을 향상시키는 정삼투막 여과장치 및 이러한 정삼투막 여과장치에서의 여과플럭스 향상 방법에 관한 것이다.
Description
본 발명은 정삼투막 여과장치, 및 초음파의 출력강도와 주파수 제어를 통한 정삼투막 여과장치의 여과플럭스 향상 방법에 관한 것으로, 구체적으로는 막유입수와 유도용액 각각의 유량, 수질 특성 및 수온, 그리고 정삼투막의 특성에 따라 초음파의 주파수 또는 출력강도를 조절하여, 정삼투막 유니트 내부에 초음파를 연속적으로 발생시킴으로써, 정삼투막 지지층에서의 물질전달속도를 향상시켜 내부농도분극현상에 의한 유효삼투압의 감소를 방지하고, 초음파에 의한 캐비테이션(Cavitation) 효과로 입자성 물질과 미생물에 의한 막오염 및 무기 이온물질에 의한 스케일 발생을 억제하여, 정삼투 공정에서의 정삼투막 여과플럭스 및 여과수의 수질을 향상시키는 정삼투막 여과장치 및 이러한 정삼투막 여과장치에서의 여과플럭스 향상 방법에 관한 것이다.
물은 투과시키지만 용해되어 있는 용질(이온 및 분자)은 거의 투과시키지 않는 성질을 가진 반투과 막(멤브레인) 즉, 삼투막을 고농도 용액과 저농도 용액 사이에 설치하면 저농도 용액의 용매가 고농도 용액으로 이동하여 농도 평형을 이루려는 자연현상이 발생하게 되는데, 이를 "삼투작용"이라고 한다. 정삼투 공정은 이러한 삼투작용을 이용하는 수처리 공정인데, 용질이 용존되어 있는 용액으로부터 순수한 물만을 분리하기 위한 구동력으로 고압펌프에 의한 수리학적 압력을 이용하는 역삼투와 달리, 정삼투 공정은 막유입수와 유도용액의 삼투압 구배를 이용하여 수처리하는 공정이다. 이러한 정삼투 공정에서는 막유입수에 포함된 물만 막을 통과하게 되는 "순흐름"을 유도하기 위해, 막유입수보다 높은 삼투압을 가진 고농도의 유도용액을 사용한다.
이와 같이, 정삼투막을 이용하여 수처리하는 정삼투 공정은, 정삼투막의 전단과 후단에서의 막유입수와 유도용액의 삼투압 구배를 이용하기 때문에, 펌프에 의한 압력을 구동력으로 하는 다른 막 공정에 비하여 에너지 소비가 매우 적으며, 역삼투막 수준의 미세공의 막을 사용하기 때문에 처리수의 수질을 획기적으로 향상시킬 수 있는 기술이다.
그러나 정삼투막의 다공성 지지층에서 유도용액 또는 막유입수의 농도가 희석 또는 농축되는 내부농도분극현상이 발생하여 정삼투 공정의 구동력인 삼투압 구배를 매우 작게 만들게 되며, 그에 따라 정삼투막 여과플럭스의 급격한 저하를 가져오게 되는 문제점이 있다. 따라서 정삼투 공정을 이용한 수처리 기술에서 높은 여과플럭스를 유지하고 여과수의 수질을 향상시키기 위해서는, 정삼투 공정의 성능 제한 인자인 내부농도분극현상과 막오염의 발생을 억제하여야 한다.
따라서 초음파를 조사하여 여과플럭스를 향상시키게 되는데, 초음파의 주파수와 출력강도는 여과플럭스를 향상시킬 수 있도록 적절히 제어 되어야 한다. 그러나 종래 기술에서는 이러한 여과플럭스 향상을 위하여 초음파의 주파수와 출력강도를 최적의 상태로 선정하여 제어하기 위한 충분한 고려가 이루어지지 아니하였다.
본 발명은 위와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 개발된 것으로서, 구체적으로 본 발명은, 정삼투막을 이용하여 수처리하는 정삼투 공정에 있어서, 정삼투막의 다공성 지지층에서 유도용액 또는 막유입수의 농도가 희석 또는 농축되는 내부농도분극현상과 정삼투막에 의해 배제된 오염물질에 의한 막오염 현상의 발생으로 인하여 정삼투 공정의 구동력인 삼투압 구배가 매우 작게 되는 문제점 및 이로 인한 여과플럭스의 급격한 저하가 발생하는 문제점을, 초음파의 출력강도와 주파수를 최적의 상태로 결정하여 초음파를 조사함으로써 해소하는 것을 목적으로 한다.
위와 같은 과제를 달성하기 위하여 본 발명에서는, 막유입수와 유도용액을 각각 순환시켜주는 순환펌프와 삼투 과정에 의해 여과를 수행하는 정삼투막 유니트, 정삼투막 유니트로 유입, 유출되는 막유입수와 유도용액의 수질(TDS량) 및 온도를 측정하기 위한 온도계, TDS 계측기와 유량계, 그리고 막유입수 및 유도용액의 유량과 수질(TDS량), 온도 및 정삼투막의 특성(물 투과계수, 염 투과계수, 내부농도분극계수)에 따라 초음파의 주파수와 출력강도를 조절할 수 있는 초음파 발진부와 초음파 발진부에서 파워를 공급받아 정삼투막 모듈 내부에 초음파를 발생시키는 초음파 진동부로 구성되는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 정삼투 공정 여과플럭스 향상 시스템과 방법이 개시된다. 본 발명은 농도분극모델과 실험에 의한 경험식을 결합한 예측제어모델을 사용하여, 처리하고자 하는 막유입수 및 유도용액의 수질특성(TDS량), 온도, 유량 및 정삼투막의 특성(물 투과계수, 염 투과계수, 내부농도분극계수) 그리고 막오염에 의한 여과플럭스의 감소 속도에 따라 초음파의 주파수 및 출력강도를 결정하는 구성을 가진다.
이와 같은 본 발명에 따른 초음파를 이용한 정삼투막 여과플럭스 향상시스템 및 방법에서는, 막유입수와 유도용액의 수질특성과 유량 및 정삼투막의 특성에 따라 초음파의 주파수 및 출력강도를 가변적으로 조절하여 정삼투막 유니트 내부에 초음파를 연속적으로 발생시켜 정삼투막 지지층에서의 물질전달속도를 향상시킴으로써 내부농도분극현상에 의한 유효삼투압의 감소를 방지하고, 더불어 막오염에 의한 여과플럭스의 감소 속도에 따라서도 초음파의 주파수 및 출력강도를 가변적으로 조절하여 초음파에 의한 캐비테이션(Cavitation) 효과를 발생시킴으로써 입자성 물질과 미생물에 의한 막오염 및 무기 이온물질에 의한 스케일 발생을 억제하여 여과플럭스 및 여과수의 수질을 향상시키는 구성을 가진다.
구체적으로, 본 발명에서는, 정삼투 공정의 운전을 개시하기 전에 파악된 정삼투막의 물 투과계수, 염 투과계수 및 내부농도 분극계수, 그리고 상기 공급 유도용액의 TDS량, 유량 및 삼투압, 그리고 상기 막유입수의 TDS량, 유량 및 삼투압을 이용하여, 정삼투막 유니트에서 초음파를 적용하지 않은 상태이고 정삼투 공정이 개시되기 전의 상태에서 정삼투막 유니트로부터 기대할 수 있는 "기준 여과플럭스" 및 "기준 여과수 수질"을 연산하는 단계와; 관리자에 의해 "기준 여과플럭스" 보다 더 큰 값으로 입력된 "목표 여과플럭스"를 이용하여 "목표 여과수 수질"을 연산하는 단계와; 목표 여과플럭스와 목표 여과수 수질을 달성하기 위해 필요한 초음파의 주파수와 출력강도를 연산하여 결정하는 단계와; 결정된 초음파의 주파수와 출력강도를 가지는 초음파의 발진이 이루어지는 상태에서 정삼투 공정이 진행하도록 하는 단계와; 정삼투 공정을 진행하면서 "실측 여과플럭스"를 산출하는 단계와; 상기 "실측 여과플럭스"의 값과 상기 "기준 여과플럭스" 값을 비교하여, "실측 여과플럭스" 값을 "기준 여과플럭스" 값으로 나눈 결과가 1을 초과하는지의 여부에 대한 판단하는 단계와; "실측 여과플럭스" 값을 '기준 여과플럭스" 값으로 나눈 결과가 1 이하이면, 정삼투막 폴링 레이트를 연산하고, 아울러 정삼투막 유니트에 가해야 할 초음파의 주파수 또는 출력강도를 다시 연산하여, 재연산된 초음파의 주파수와 출력강도를 가지는 초음파의 발진이 이루어지는 상태에서 정삼투 공정이 진행하도록 초음파 진동부에 제어 신호를 보내는 단계를 수행함으로써, 여과플럭스와 여과수의 수질에 맞추어 초음파의 출력강도와 주파수를 제어하면서 정삼투 공정이 진행되는 것을 특징으로 하는 정삼투막 여과장치 및 이러한 정삼투막 여과장치에서의 여과플럭스 향상 방법이 제공된다.
상기와 같은 본 발명에 따른 초음파를 이용한 정삼투 공정의 여과플럭스 향상 방법 및 시스템에 의하면, 막유입수와 유도용액의 유량 및 TDS량 그리고 정삼투막의 특성에 따라 초음파의 주파수 및 출력강도를 적절하게 조절하면서 정삼투막 유니트 내부에 초음파를 연속적으로 발생시켜 정삼투막 지지층에서의 물질전달속도를 향상시켜 내부농도분극현상에 의한 유효삼투압의 감소를 방지하고, 더불어 초음파에 의한 캐비테이션(Cavitation) 효과로 입자성 물질과 미생물에 의한 막오염 및 무기 이온물질에 의한 스케일 발생을 억제하여 여과플럭스 및 여과수의 수질을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른, 정삼투막 여과장치의 구성을 보여주는 개략도이다.
도 2는 본 발명에 일 실시예에 따른 정삼투막 여과장치에서 구비된 초음파 진동부의 개략적이 구성을 보여주는 블록 구성도이다.
도 3은 본 발명에 따른 방법에 대한 흐름도이다.
도 2는 본 발명에 일 실시예에 따른 정삼투막 여과장치에서 구비된 초음파 진동부의 개략적이 구성을 보여주는 블록 구성도이다.
도 3은 본 발명에 따른 방법에 대한 흐름도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 하나의 실시예로서 설명되는 것이며, 이것에 의해 본 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용이 제한되지 않는다.
본 발명에서는 정삼투막이 설치되어 정삼투 공정에 의해 수처리가 진행되는 정삼투막 장치에 있어서, 정삼투막 장치로 공급되는 막유입수와 유도용액에 대해 각각의 유량 및 수질 특성, 그리고 정삼투막의 특성에 따라, 초음파의 주파수 또는 출력강도를 적절하게 조절하면서 상기 정삼투막 장치의 내부에 초음파를 연속적으로 발생시킴으로써, 정삼투막 지지층에서의 물질전달속도를 향상시켜 내부농도분극현상에 의한 유효삼투압의 감소를 방지하고, 그와 더불어 초음파에 의한 캐비테이션(Cavitation) 효과를 통해 입자성 물질과 미생물에 의한 막오염 및 무기 이온물질에 의한 스케일 발생을 억제하여, 정삼투막에서의 여과속도 및 여과수의 수질을 향상시키게 된다.
도 1에는 본 발명의 일 실시예에 따른, 초음파를 이용한 정삼투 공정의 여과플럭스 향상 시스템의 구성을 보여주는 개략도가 도시되어 있다.
도 1에 예시된 것처럼, 본 발명에 따른 장치는, 정삼투막을 구비하고 있고 정삼투막의 전단 및 후단에 각각 막유입수와 유도용액이 공급되어 삼투압 구배에 따른 삼투작용에 의해 막유입수에 대한 여과를 수행하는 정삼투막 유니트와; 상기 정삼투막 유니트로 막유입수를 공급하는 막유입수 공급관과; 상기 정삼투막 유니트로부터 막유입수가 배출되는 배출관과; 상기 정삼투막 유니트로 유도용액을 공급하는 유도용액 공급관과; 상기 정삼투막 유니트로부터 유도용액이 배출되는 유도용액 배출관과; 상기 정삼투막 유니트로 공급되는 막유입수와 유도용액 각각의 총 용해성 증발잔유물(Total Dissolved Solid/이하, "TDS"라고 약칭함) 함유량 즉, TDS량을 측정하는 공급 TDS 계측기와; 상기 정삼투막 유니트로 공급되는 막유입수와 유도용액 각각의 유량을 측정하는 공급 유량계와; 상기 정삼투막 유니트로부터 배출되는 막유입수와 유도용액 각각의 총 용존 고형물 함유량(TDS량)을 측정하는 배출 TDS 계측기와; 상기 정삼투막 유니트로부터 배출되는 막유입수와 유도용액 각각의 유량을 측정하는 배출 유량계와; 상기 정삼투막 유니트로 공급되는 막유입수와 유도용액 각각의 온도를 측정하는 온도계와; 상기 정삼투막 유니트로부터 배출되는 막유입수와 유도용액 각각의 온도를 측정하는 온도계와; 상기 막유입수 및 유도용액의 유량 및 수질, 그리고 정삼투막의 특성에 따라 초음파의 주파수와 출력강도를 조절하여 초음파 발진 제어 신호를 발생시키는 초음파 발진부와; 상기 초음파 발진부의 제어 신호에 따라 정삼투막 유니트 내부에 초음파를 발생시키는 초음파 진동부를 포함하여 구성된다. 상기 TDS 계측기는 온라인으로 작동되고 신호 전송이 가능하도록 구성될 수 있으며, 기타 유량계, 온도계 등도 이와 마찬가지이다. 또한 상기 초음파 진동부는 초음파 발진부로부터 전원을 공급받을 수도 있다.
구체적으로, 정삼투막 유니트(1)의 내부에는 정삼투막(미도시)이 구비되어 있다. 또한 정삼투막 유니트(1)에는 정삼투막의 전단으로 막유입수를 공급하는 막유입수 공급관(20)과, 상기 정삼투막 유니트(1) 내에서의 정삼투 공정을 거친 막유입수 즉, "농축수"를 정삼투막 유니트(1)로부터 배출시키는 농축수 배출관(30)이 상기 정삼투막 유니트(1)에 연결되어 있다. 또한, 정삼투막 유니트(1)의 후단으로 유도용액을 공급하는 유도용액 공급관(40)과, 상기 정삼투막 유니트(1) 내에서의 정삼투 공정을 마친 유도용액을 정삼투막 유니트(1)로부터 배출시키는 유도용액 배출관(50)도 각각 상기 정삼투막 유니트(1)에 연결되어 있다. 따라서 막유입수 공급관(20)과 유도용액 공급관(40)을 통해 각각 상기 정삼투막 유니트(1)에 막유입수와 유도용액이 공급되면, 정삼투막 유니트(1)를 통해서 삼투작용이 진행되어 막유입수로부터 용매 즉, "여과수"가 유도용액으로 흘러가게 되고 막유입수에는 용질 즉, 이물질이 농축된다. 정삼투막 유니트(1)를 통과하지 못하여 이물질이 농축되어 있는 농축수는 농축수 배출관(30)을 통해서 배출되며, 정삼투막을 통과한 "여과수"는 유도용액과 함께 유도용액 배출관(50)으로 배출된다.
상기 막유입수 공급관(20)에는 공급 TDS 계측기(21)와 공급 유량계(22)가 구비되어 있는데, 상기 공급 TDS 계측기(21)는 막유입수 공급관(20)을 통해서 정삼투막 유니트(1)로 공급되는 막유입수내의 TDS 량을 측정하며, 상기 공급 유량계(22)는 막유입수 공급관(20)을 통해서 정삼투막 유니트(1)로 공급되는 막유입수의 유량을 측정한다. 상기 막유입수 공급관(20)에는 온도계(23)도 구비되어 있어, 정삼투막 유니트(1)로 공급되는 막유입수의 온도를 측정하게 된다. 막유입수의 공급을 원활하게 하기 위하여, 공급펌프(24)가 상기 막유입수 공급관(20)에 더 구비될 수도 있다.
상기 농축수 배출관(30)에도, 상기 정삼투막 유니트(1)로부터 배출되는 농축수내의 TDS량, 농축수의 유량 및 농축수의 온도를 각각 측정하는 배출 TDS 계측기(31), 배출 유량계(32) 및 온도계(33)가 구비된다.
한편, 상기 유도용액 공급관(40)에도 공급 TDS 계측기(41), 공급 유량계(42) 및 온도계(43)가 구비되어 있는데, 상기 공급 TDS 계측기(41)는 유도용액 공급관(40)을 통해서 정삼투막 유니트(1)로 공급되는 유도용액("공급 유도용액") 내의 TDS량을 측정하게 되며, 상기 공급 유량계(42)는 "공급 유도용액"의 유량을 측정하게 된다. 상기 온도계(43)를 통해서는 "공급 유도용액의" 온도를 측정한다. 상기 유도용액 공급관(40)에도 공급 유도용액의 원활한 공급을 위하여 공급펌프(44)가 구비될 수 있다.
또한 상기 유도용액 배출관(50)에도, 여과수와 혼합된 채로 상기 정삼투막 유니트(1)로부터 배출되는 유도용액("배출 유도용액") 내의 TDS량, 배출 유도용액의 유량 및 배출 유도용액의 온도를 각각 측정하는 배출 TDS 계측기(51), 배출 유량계(52) 및 온도계(53)가 구비된다.
이와 같은 막유입수와 유도용액의 공급 및 배출구조를 통해서, 정삼투막 유니트(1)의 정삼투막 전단으로는 막유입수가 공급되고, 정삼투막 후단으로는 유도용액이 공급되며, 정삼투막을 사이에 두고 삼투작용이 일어나서, 막유입수에 대한 여과가 이루어진다.
막유입수와 공급 유도용액의 유량 및 수질특성(온도 및 TDS량), 그리고 정삼투막의 특성에 따라 초음파의 주파수 및 출력강도를 적절하게 조절하여 정삼투막 유니트 내부에 초음파를 연속적으로 발생시킴으로써, 정삼투막 지지층에서의 물질전달속도를 향상시키고, 그에 따라 내부농도분극현상에 의한 유효삼투압의 감소를 방지하고, 또한 정삼투막의 오염현상 방지를 위해 여과플럭스의 감소속도에 따라 초음파의 주파수 및 출력강도를 적절히 조절하여 여과속도 및 여과수의 수질을 향상시키게 된다.
이를 위하여 앞서 언급한 것처럼 본 발명에서 정삼투막 유니트(1)에는, 정삼투막 유니트(1) 내부로 초음파를 발생시키는 초음파 진동부(80)가 설치된다. 상기 초음파 진동부(80)는 도면에 예시된 것처럼, 정삼투막 유니트(1)의 케이스 외부에 부착 설치된 상태에서 초음파를 발생시켜 초음파가 정삼투막 유니트(1) 내부로 전달되게 만든다.
본 발명에서 매우 중요한 특징 중의 하나는 상기 초음파 진동부(80) 및 초음파 발진부(81)에 의해 정삼투막 유니트(1)에 가해지는 초음파의 주파수와 출력강도가, 상기 막유입수 및 유도용액의 유량 및 수질 특성(온도 및 TDS량), 정삼투막의 특성(물 투과계수, TDS 투과계수 및 내부농도 분극계수) 그리고 여과플럭스의 감소 속도에 따라 최적의 값으로 정해지는 것이다. 즉, 상기 초음파 진동부(80)는 초음파 발진부(81)로부터의 제어 신호에 따라 초음파를 발생시키게 되는데, 상기 초음파 진동부(80)는, 다음에서 설명하는 구성과 일련의 단계에 따라, 막유입수 및 유도용액의 유량, 수질 특성, 정삼투막 및 여과플럭스의 감소속도의 특성에 따라 다음과 같은 방법에 의해 결정되는 최적의 주파수와 출력강도로 초음파를 발생시키게 되는 것이다.
도 2에는 본 발명에서 초음파 진동부(80)가 최적의 초음파를 발생시킬 수 있도록 초음파 진동부(80)로 제어신호를 보내는 초음파 발진부(81)의 구성에 대한 개략도가 도시되어 있고, 도 3에는 정삼투 공정에 있어서 목표로 하는 여과플럭스 및 여과수질을 만족시킬 수 있는 초음파의 주파수 및 출력강도를 결정하는 본 발명에 따른 방법을 이루는 일련의 단계를 보여주는 개략적인 흐름도가 도시되어 있다.
도면에 도시된 것처럼, 본 발명에서 초음파 발진부(81)는, 데이터 수집부(801), 모델예측 제어부(802) 및 피드백 제어부(803)를 포함하고 있다. 본 발명에서, 정삼투막에 의한 여과공정("정삼투 공정")을 진행할 때, 목표로 하는 여과플럭스 및 여과수질을 만족시킬 수 있는 초음파의 주파수 및 출력강도를 결정하기 위해서는, 우선 정삼투막 유니트(1)에 구비된 정삼투막의 특성을 파악한다(S301). 즉, 정삼투 공정을 시작하기 전에 해당 정삼투막 유니트(1)에 대해서 정삼투막의 특성인 정삼투막의 물 투과계수, 염 투과계수 및 내부농도 분극계수를 파악하게 되는데, 정삼투막 유니트(1)에 사용할 정삼투막이 정해지면 위와 같은 정삼투막의 특성(물 투과계수, 염 투과계수 및 내부농도 분극계수)은 자동적으로 정해지는 기지의 물리량이 된다.
한편, 막유입수 공급관(20)을 통해서 정삼투막 유니트(1)로 공급되는 막유입수의 유량, 수온, TDS량 및 삼투압 역시 기지의 물리량으로서, 각각 막유입수 공급관(20)에 구비된 공급 유량계(22), 온도계(23) 및 TDS 계측기(21)에 의하여 측정하여 파악할 수 있다(S302). 또한 정삼투막 유니트(1)에 사용될 유도용액도 정해지면, 공급 유도용액의 TDS량, 유량 및 삼투압도 기지의 물리량이 되는데, 상기 유도용액 공급관(40)에 구비된 공급 TDS 계측기(41), 공급 유량계(42) 및 온도계(43)에 의하여 상기 공급 유도용액의 TDS량, 유량 및 삼투압을 측정하여 파악할 수 있다(S303).
이와 같이 정삼투 공정의 운전을 개시하기 전에 파악된 정삼투막의 특성 즉, 정삼투막의 물 투과계수, 염 투과계수 및 내부농도 분극계수, 그리고 정삼투막 유니트(1)에 사용될 공급 유도용액의 TDS량, 유량 및 삼투압, 그리고 정삼투막 유니트(1)에 공급될 막유입수의 TDS량, 유량 및 삼투압은, 관리자에 의한 수동 입력 또는 TDS계측기, 유량계, 온도계 등으로부터의 자동 입력을 통해서 데이터 수집부(801)로 수집되고, 상기 데이터 수집부(801)를 통해 모델예측 제어부(802)로 전달된다.
모델예측 제어부(802)에서는 이와 같이 데이터 수집부(801)로부터 전달받은 데이터를 이용하여, 정삼투막 유니트(1)에서 초음파를 적용하지 않은 상태이고 정삼투막의 막오염이 전혀 없는 상태에서 정삼투막 유니트(1)로부터 기대할 수 있는 여과플럭스 및 여과수 수질(여과수의 TDS량)을 하기의 수학식 1과 수학식 2를 이용하여 계산하게 되는데(S304), 이렇게 계산되어 구해진 여과플럭스 및 여과수 수질(여과수의 TDS량)은 각각 "기준 여과플럭스"와 "기준 여과수 수질"이 된다.
하기의 수학식 1은 정삼투막 유니트(1)에 초음파를 가하지 아니한 상태에서 막유입수로부터 공급 유도용액 방향으로 단위시간당 그리고 정삼투막의 단위면적당 여과되어 통과된 여과수의 수량(단위 : L/㎡-hr) 즉, "정삼투막의 여과플럭스"를 계산하는 식이고, 수학식 2는 정삼투막 유니트에 초음파를 가하지 아니한 상태에서 막유입수로부터 유도용액 방향으로 통과된 용질의 양을 의미하는 용질의 TDS 량(단위 : kg/㎡-hr) 즉, "정삼투막의 여과수 TDS량"을 계산하는 식으로서, 이러한 수학식 1과 수학식 2는 농도분극모델과 용해확산모델을 결합하여 도출되는 공지의 식이다.
상기 수학식 1 및 수학식 2에 사용된 기호들의 의미는 다음과 같다.
Jv : 정삼투막의 여과플럭스 (초음파 미 적용시)
Cp : 막유입수에서 공급 유도용액으로 넘어오는 여과수의 TDS량
A : 물의 투과계수
B : 염 투과계수
πD,b : 공급 유도용액의 삼투압
πF,b : 막유입수의 삼투압
K : 내부농도 분극계수(대문자 K)
k : 외부농도 분극계수(소문자 k)
Cf,b : 막유입수의 TDS량
위의 수학식 1 및 수학식 2에서, 물의 투과계수(A), 용질의 투과계수(B) 및 내부농도 분극계수(K)는 앞서 설명한 것처럼 정삼투막 유니트(1)에 구비된 정삼투막의 종류에 따라 정해지는 물리량이다. 외부농도 분극계수(k)는 막유입수의 유량에 기초하여 산출되는 식으로서, 공지의 방법에 의하여 막유입수의 유량으로부터 산출되는 물리량이다. 한편, 공급 유도용액의 삼투압(πD,b)은 유도용액 공급관(40)에 구비된 공급 TDS 계측기(41) 및 온도계(43)에 의해 측정되어 얻어진 공급 유도용액의 TDS량과 온도, 그리고 공급 유도용액의 종류를 이용하여 공지의 방법에 의해 결정되는 물리량이며, 막유입수의 삼투압(πF,b) 역시 막유입수의 유량, 수온 및 TDS량에 의해 공지의 방법을 이용하여 결정되는 물리량이다.
한편, 이와 같이 정삼투막의 막오염이 전혀 없는 상태에서 정삼투막 유니트(1)에 초음파를 가하게 되면, 초음파를 가하지 않았을 때보다 여과성능이 더 향상될 것이다. 즉, 정삼투막의 막오염이 전혀 없는 상태에서 정삼투막 유니트(1)에 초음파를 가했을 때 기대할 수 있는 여과플럭스와 여과수 수질은 상기한 "기준 여과플럭스"와 "기준 여과수 수질"보다 더 높은 값을 가질 것이다. 따라서 관리자는 정삼투막의 막오염이 전혀 없는 상태에서 정삼투막 유니트(1)에 초음파를 가했을 때 기대할 수 있는 여과플럭스를, "기준 여과플럭스" 보다 더 높은 임의의 값으로 설정하게 되는데, 이렇게 설정된 여과플럭스는 정삼투 여과 공정 관리를 위한 목표 값 즉, "목표 여과플럭스"가 된다(S305).
이와 같이, 단계(S304)를 통해서 "기준 여과플럭스"와 "기준 여과수 수질"을 연산하고, 단계(S305)를 통해서 "목표 여과플럭스"가 설정되면, 모델예측 제어부(802)에서는 하기의 수학식 3에 의하여 목표 여과수 수질 즉, 목표 여과수의 TDS량의 값을 연산하게 된다(S306).
상기 수학식 3에서 Jv,목표값(초음파적용시)은 단계(S305)에서 관리자가 기준 여과플럭스보다 더 높은 값으로 임의 설정한 "목표 여과플럭스"이며, B는 정삼투막의 염 투과계수이고, Cf, b는 막유입수의 TDS량이며, k는 외부농도 분극계수이다.
이와 같이 단계(S305)를 통해서 목표 여과플럭스가 선정되고, 단계(S306)를 통해서 목표 여과수 수질이 연산되어 결정되면, 모델예측 제어부(802)에서는 이러한 목표 여과플럭스와 목표 여과수 수질을 달성하기 위해 필요한 초음파의 주파수와 출력강도를 결정한다(S307). 본 발명에 있어서, 상기의 목표 여과플럭스 및 여과수 수질을 달성하기 위해 필요한 초음파의 주파수 또는 출력강도는 아래의 수학식 4 또는 5에 의해 계산된다. 초음파의 주파수를 미리 결정하여 고정하고 출력강도를 조절하는 경우에는 수학식 4에 의해 초음파의 출력강도 값을 산출하며, 반대로 초음파의 출력강도를 미리 결정하여 고정하고 초음파의 주파수를 조절하는 경우 수학식 5의해 적절한 초음파의 주파수 값을 산출한다.
상기 수학식 3, 수학식 4 및 수학식 5에서, 기호 H는 정삼투 공정에서 정삼투막 유니트에 가해지는 초음파의 주파수(단위 : Hz)이고, W는 정삼투 공정에서 정삼투막 유니트에 가해지는 초음파의 출력강도(Watt)이다. 또한, Jv,목표값(초음파적용시)은 단계(S305)에서 관리자가 기준 여과플럭스보다 더 높은 값으로 임의 설정한 "목표 여과플럭스"이며, Jv,기준값(초음파미적용시)은 정삼투막 유니트에 초음파를 적용하지 않은 상태에서 단계(S304)에서 앞의 수학식 1을 이용하여 구해지는 여과플럭스 즉, "기준 여과플럭스"이다.
단계(S307)에서 목표 여과플럭스 및 목표 여과수 수질을 달성하기 위한 이론적인 초음파의 주파수와 출력강도가 결정되면, 초음파 발진부(81)는 초음파 진동부(80)에 제어신호를 보내게 되고, 초음파 진동부(80)는, 결정된 이론적인 초음파의 주파수와 출력강도를 가지는 초음파를 발생시켜 정삼투막 유니트(1)에 가하게 되고, 이러한 초음파 발진이 이루어지는 상태에서 정삼투 공정이 진행된다(S308).
정삼투 공정을 진행하면서, 데이터 수집부(801)는 계속하여 TDS 계측기, 유량계 및 온도계를 통해서 측정값을 수집하게 되고, 모델예측 제어부(802)에서는 측정값을 이용하여 여과플럭스 즉, "실측 여과플럭스"를 산출한다(S309). 여과플럭스는, 막유입수로부터 유도용액 방향으로 단위시간당 그리고 정삼투막의 단위면적당 여과되어 통과된 여과수의 수량(단위 : L/㎡-hr)이므로, 본 발명의 시스템에 구비된 유량계, 온도계 및 TDS 계측기를 이용하여 실측된 막유입수의 유량 및 수질 특성(온도 및 TDS량), 농축수의 유량 및 수질특성(온도 및 TDS량), 공급 유도용액의 유량 및 수질특성(온도 및 TDS량), 그리고 배출 유도용액의 유량 및 수질특성(온도 및 TDS량)을 이용하여 "실측 여과플럭스"를 연산하게 되는 것이다.
이와 같이 여과공정 중에 "실측 여과플럭스"가 연산되면, 연산된 결과는 피드백 제어부(803)로 전달되고, 피드백 제어부(803)에서는, 단계(S307)에서 결정하여 정삼투막 유니트(1)에 가한 초음파의 주파수와 출력강도가 과연 의도했던 것만큼의 여과플럭스 및 여과수 수질 향상 효과를 가져오는지를 검증하게 된다. 즉, 단계(S309)에 의해 측정된 "실측 여과플럭스"의 값과 단계(S304)에서 연산된 "기준 여과플럭스" 값을 비교하여, "실측 여과플럭스" 값을 "기준 여과플럭스" 값으로 나눈 결과가 1을 초과하는지의 여부에 대한 판단이 피드백 제어부(803)에서 이루어지는 것이다(S310).
피드백 제어부(803)에서 위에서 설명한 비교 판단 단계(S310)를 진행한 결과, "실측 여과플럭스" 값을 "기준 여과플럭스" 값으로 나눈 결과가 1을 초과하는 경우에는, 앞서 단계(S307)에서 결정한 이론적인 초음파의 주파수와 출력강도가, 여과플럭스의 향상에 효과적이라는 것을 의미하므로, 단계(S307)에서 정한 이론적인 초음파의 주파수와 출력강도를 최종 "운전 초음파 주파수"와 "운전 초음파 출력강도"로 하여, 계속하여 초음파를 정삼투막 유니트(1)에 가하면서 정삼투 공정을 계속 진행한다.
그러나 위의 비교 판단 단계(S310)를 진행한 결과, "실측 여과플럭스" 값을 '기준 여과플럭스" 값으로 나눈 결과가 1 이하인 경우에는, 앞서 단계(S307)에서 결정한 이론적인 초음파의 주파수와 출력강도가, 여과플럭스의 향상에 효과적이지 못하다는 것을 의미하게 되며, 따라서 피드백 제어부(803)는 다음과 같은 방식에 의해 초음파의 주파수와 출력강도를 조절하게 된다.
구체적으로는 하기의 수학식 6을 이용하여 정삼투막의 막오염속도(Forward Osmosis Fouling Rate/ 이하, "FOFR"라고 한다)를 연산하고, 정삼투막의 막오염속도를 고려한 수학식 7 또는 수학식 8에 상기 FOFR을 산입하여 연산함으로써 정삼투막 유니트(1)에 가해야 할 초음파의 주파수 또는 출력강도를 다시 연산하게 된다(S311). 초음파의 주파수를 고정하고 출력강도를 조절하는 경우 수학식 7에 의해 초음파의 출력강도값을 산출하며, 반대로 출력강도를 고정하고 주파수를 조절하는 경우 수학식 8에 의해 초음파의 주파수 값을 산출한다.
상기 수학식 6, 수학식 7 및 수학식 8에서, 기호 H는 정삼투막 유니트에 가해지는 초음파의 주파수(단위 : Hz)이고, W는 정삼투막 유니트에 가해지는 초음파의 출력강도(Watt)이다. FOFR는 정삼투막의 막오염속도(Forward Osmosis Fouling Rate)이다. Jv,목표값(초음파적용시)은 단계(S305)에서 관리자가 기준 여과플럭스보다 더 높은 값으로 임의 설정한 "목표 여과플럭스"이며, Jv,실측값(초음파적용시)은 "단계(S309)에서 측정된 "실측 여과플럭스"이다. 상기 t는 정삼투막 여과 개시시점부터 실측 여과플럭스를 측정할 때까지의 운전시간이다.
단계(S311)에 의해서 정삼투막 유니트(1)에 가해야 할 초음파의 주파수 또는 출력강도가 다시 연산되면, 초음파 발진부(81)는 초음파 진동부(80)로 신호를 보내어, 초음파 진동부(80)로 하여금, 위에서 다시 연산된 주파수 또는 출력강도를 가지는 초음파를 다시 정삼투막 유니트(1)에 가하도록 하여, 정삼투 공정을 계속 수행하고, 다시 단계(S309), 단계(S310), 및 단계(S311)를 지속적으로 반복하여 진행하게 된다.
한편, 단계(S311)를 통해서 다시 연산된 초음파의 주파수 또는 출력강도가, 정삼투막 유니트(1)에 부착된 초음파 장치가 발진할 수 있는 한계를 초과하는 경우에는, 관리자가 이러한 사실을 인지할 수 있도록 경보를 발생시킨다.
이와 같이, 본 발명에서는 초음파를 가하면서 정삼투 공정을 진행하는 과정에서 정삼투막의 여과플럭스와 여과수의 수질을 계속하여 검출하고, 이를 기준 여과플럭스와 비교하면서, 초음파의 발진에 따른 효과가 있는지를 점검하여, 만일 초음파 발진에 따른 효과가 없는 것으로 판단되는 경우에는, 여과플럭스 향상을 위하여 초음파의 주파수와 출력강도를 자동으로 조절하게 된다. 따라서 최적의 여과플럭스와 여과수 수질을 발휘할 수 있도록 정삼투 공정이 진행되는 효과가 발휘된다.
Claims (2)
- 정삼투막을 구비하고 있어 정삼투 공정에 의한 여과를 수행하는 정삼투막 유니트(1)와; 초음파의 주파수와 출력강도를 조절하여 초음파 발진 제어 신호를 발생시키는 초음파 발진부(81)와; 상기 초음파 발진부의 제어 신호에 따라 정삼투막 유니트 내부에 초음파를 발생시키는 초음파 진동부(80)를 포함하여 구성되며;
상기 초음파 발진부(81)에서는,
정삼투 공정의 운전을 개시하기 전에 파악된 정삼투막의 물 투과계수, 염 투과계수 및 내부농도 분극계수, 그리고 공급 유도용액의 TDS량(총 용존 고형물 함유량), 유량 및 삼투압, 그리고 막유입수의 TDS량(총 용존 고형물 함유량), 유량 및 삼투압을 이용하여, 정삼투막 유니트(1)에서 초음파를 적용하지 않은 상태이고 정삼투 공정이 개시되기 전의 상태에서 정삼투막 유니트(1)로부터 기대할 수 있는 "기준 여과플럭스" 및 "기준 여과수 수질"을 연산하는 단계(S304)와;
관리자에 의해 "기준 여과플럭스" 보다 더 큰 값으로 입력된 "목표 여과플럭스"를 이용하여 수학식 3에 의해 "목표 여과수 수질"을 연산하는 단계(S306)와;
목표 여과플럭스와 목표 여과수 수질을 달성하기 위해 필요한 초음파의 주파수와 출력강도를 수학식 4 또는 수학식 5에 의해 연산하여 결정하는 단계(S307)와;
결정된 초음파의 주파수와 출력강도를 가지는 초음파의 발진이 이루어지는 상태로 정삼투 공정이 진행하도록 초음파 진동부(80)에 제어 신호를 보내는 단계(S308)와;
정삼투 공정을 진행하면서 "실측 여과플럭스"를 산출하는 단계(S309)와;
상기 "실측 여과플럭스"의 값과 상기 "기준 여과플럭스" 값을 비교하여, "실측 여과플럭스" 값을 "기준 여과플럭스" 값으로 나눈 결과 값이 1을 초과하는지의 여부를 판단하는 단계(S310)와;
"실측 여과플럭스" 값을 "기준 여과플럭스" 값으로 나눈 결과가 1 이하이면, 수학식 6을 이용하여 정삼투막 막오염속도(FOFR)를 연산하고, 수학식 7 또는 수학식 8을 이용하여 정삼투막 유니트(1)에 가해야 할 초음파의 주파수 또는 출력강도를 다시 연산하여, 재연산된 초음파의 주파수와 출력강도를 가지는 초음파의 발진이 이루어지는 상태로 정삼투 공정이 진행하도록 초음파 진동부(80)에 제어 신호를 보내는 단계(S311)를 수행함으로써,
여과플럭스와 여과수의 수질에 맞추어 초음파의 출력강도와 주파수를 제어하면서 정삼투 공정이 진행되는 것을 특징으로 하는 정삼투막 여과장치.
(수학식 3)
(수학식 4)
(수학식 5)
(수학식 6)
(수학식 7)
(수학식 8)
(상기 수학식 3 내지 수학식 8에서, Jv,목표값(초음파적용시)은 "목표 여과플럭스"이며, B는 정삼투막의 염 투과계수이고, Cf,b는 막유입수의 TDS량(총 용존 고형물 함유량)이며, k는 외부농도 분극계수이고, H는 정삼투 공정에서 정삼투막 유니트에 가해지는 초음파의 주파수이며, W는 정삼투 공정에서 정삼투막 유니트에 가해지는 초음파의 출력강도이고, Jv,기준값(초음파미적용시)은 "기준 여과플럭스"이고, FOFR는 정삼투막의 막오염속도이며, Jv,실측값(초음파적용시)은 "실측 여과플럭스"이고, t는 정삼투막 여과 개시시점부터 실측 여과플럭스를 측정할 때까지의 운전시간이며, CP는 목표 여과수의 TDS량(총 용존 고형물 함유량)이다.)
- 정삼투막을 구비하고 있어 정삼투 공정에 의한 여과를 수행하는 정삼투막 유니트(1)와; 초음파 발진 제어 신호를 발생시키는 초음파 발진부(81)와; 상기 초음파 발진부의 제어 신호에 따라 정삼투막 유니트 내부에 초음파를 발생시키는 초음파 진동부(80)를 포함하여 구성되는 정삼투막 여과장치에서의 여과플럭스 향상 방법으로서,
정삼투 공정의 운전을 개시하기 전에 파악된 정삼투막의 물 투과계수, 염 투과계수 및 내부농도 분극계수, 그리고 공급 유도용액의 TDS량(총 용존 고형물 함유량), 유량 및 삼투압, 그리고 막유입수의 TDS량(총 용존 고형물 함유량), 유량 및 삼투압을 이용하여, 정삼투막 유니트(1)에서 초음파를 적용하지 않은 상태이고 정삼투 공정이 개시되기 전의 상태에서 정삼투막 유니트(1)로부터 기대할 수 있는 "기준 여과플럭스" 및 "기준 여과수 수질"을 연산하는 단계(S304)와;
관리자에 의해 "기준 여과플럭스" 보다 더 큰 값으로 입력된 "목표 여과플럭스"를 이용하여 수학식 3에 의해 "목표 여과수 수질"을 연산하는 단계(S306)와;
목표 여과플럭스와 목표 여과수 수질을 달성하기 위해 필요한 초음파의 주파수와 출력강도를 수학식 4 또는 수학식 5에 의해 연산하여 결정하는 단계(S307)와;
결정된 초음파의 주파수와 출력강도를 가지는 초음파의 발진이 이루어지는 상태로 정삼투 공정이 진행하도록 초음파 진동부(80)에 제어 신호를 보내는 단계(S308)와;
정삼투 공정을 진행하면서 "실측 여과플럭스"를 산출하는 단계(S309)와;
상기 "실측 여과플럭스"의 값과 상기 "기준 여과플럭스" 값을 비교하여, "실측 여과플럭스" 값을 "기준 여과플럭스" 값으로 나눈 결과가 1을 초과하는지의 여부에 대한 판단하는 단계(S310)와;
"실측 여과플럭스" 값을 '기준 여과플럭스" 값으로 나눈 결과가 1 이하이면, 수학식 6을 이용하여 정삼투막의 막오염속도(FOFR)를 연산하고, 수학식 7 또는 수학식 8을 이용하여 정삼투막 유니트(1)에 가해야 할 초음파의 주파수 또는 출력강도를 다시 연산하여, 재연산된 초음파의 주파수와 출력강도를 가지는 초음파의 발진이 이루어지는 상태에서 정삼투 공정이 진행하도록 초음파 진동부(80)에 제어 신호를 보내는 단계(S311)를 수행함으로써,
여과플럭스와 여과수의 수질에 맞추어 초음파의 출력강도와 주파수를 제어하면서 정삼투 공정이 진행되도록 함으로써, 여과플럭스를 향상시키게 되는 것을 특징으로 하는 정삼투막 여과장치에서의 여과플럭스 향상 방법.
(수학식 3)
(수학식 4)
(수학식 5)
(수학식 6)
(수학식 7)
(수학식 8)
(상기 수학식 3 내지 수학식 8에서, Jv,목표값(초음파적용시)은 "목표 여과플럭스"이며, B는 정삼투막의 염 투과계수이고, Cf,b는 막유입수의 TDS량(총 용존 고형물 함유량)이며, k는 외부농도 분극계수이고, H는 정삼투 공정에서 정삼투막 유니트에 가해지는 초음파의 주파수이며, W는 정삼투 공정에서 정삼투막 유니트에 가해지는 초음파의 출력강도이고, Jv,기준값(초음파미적용시)은 "기준 여과플럭스"이고, FOFR는 정삼투막의 막오염속도이며, Jv,실측값(초음파적용시)은 "실측 여과플럭스"이고, t는 정삼투막 여과 개시시점부터 실측 여과플럭스를 측정할 때까지의 운전시간이며, CP는 목표 여과수의 TDS량(총 용존 고형물 함유량)이다.)
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