KR101815932B1 - 고압 정유량 실린지펌프와 여과막을 이용한 다채널 막오염지수 측정 시스템 및 그 방법 - Google Patents

고압 정유량 실린지펌프와 여과막을 이용한 다채널 막오염지수 측정 시스템 및 그 방법 Download PDF

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황태문
김은주
남숙현
구재욱
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한국건설기술연구원
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Abstract

압력지연삼투막 또는 역삼투막이 적용된 수처리 시스템의 막오염지수를 해석하기 위하여 실제 분리막 공정과 동일한 플럭스를 유지하는 정유량 방식의 실린지펌프를 적용하고 다채널의 여과막에서 압력의 변화를 측정함으로써 수처리 시스템과 동일한 운전조건에서 막오염지수를 산출하여 정량화된 막오염지수를 측정할 수 있고, 또한, 일정한 유속의 정유량 방식으로 구동하는 직렬 운전모드 또는 병렬 운전모드와 공극 크기가 상이한 3개 이상의 여과막을 이용하여 동일하거나 상이한 운전 플럭스에서 압력지연삼투막 또는 역삼투막의 지지층의 막오염을 지수화함으로써 입자성 물질, 콜로이드 및 유기물 등에 의한 막오염을 실시간 모니터링할 수 있는, 고압 정유량 실린지펌프와 여과막을 이용한 다채널 막오염지수 측정 시스템 및 그 방법이 제공된다.

Description

고압 정유량 실린지펌프와 여과막을 이용한 다채널 막오염지수 측정 시스템 및 그 방법 {FOULING INDEX MEASURING SYSTEM OF MULTI-CHANNEL USING HIGH PRESSURE SYRINGE PUMP OF CONSTANT FLOW OPERATION AND MEMBRANE FILTER, AND METHOD FOR THE SAME}
본 발명은 다채널 막오염지수 측정 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 분리막(Membrane)을 이용하는 수처리(Water Treatment) 시스템에서 입자성 물질, 콜로이드, 유기물 등에 의한 분리막의 오염을 실시간 모니터링하기 위해서, 상이한 공극 크기의 다채널의 여과막(Membrane Filter)에서 고압 정유량(Constant Flow) 방식으로 막오염지수(Membrane Fouling Index)를 실시간 측정하여 막오염지수를 정량화하는, 고압 정유량 실린지펌프와 여과막을 이용한 다채널 막오염지수 측정 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 수처리 시스템에서 막오염(Membrane Fouling)이란 유입수 중에 존재하는 여러 가지 이물질들이 분리막의 표면에 침적되거나 흡착되어 분리막의 유입수 투과도를 감소시키는 현상을 말한다. 이러한 막오염을 유발하는 이물질의 종류로는 부유성 입자, 콜로이드, 유기물, 미생물, 무기염(예를 들면, 칼슘염 등) 등 다양한 종류가 있다.
이와 같이 막오염을 유발하는 이물질이 다양하기 때문에, 막오염 현상을 미리 예측한다는 것은 상당히 어렵다. 일반적으로, 역삼투 공정 또는 나노 여과공정에서의 막오염 현상을 미리 예측하기 위한 방법으로서, 막오염지수(Fouling Index: FI)를 측정하고 있으며, 예를 들면, 실트밀도지수(Silt Density Index: SDI)가 가장 널리 사용되고 있는 막오염지수이다.
구체적으로, 이러한 실트밀도지수(SDI)를 측정하는 방법의 경우, 47㎜의 직경 및 0.45㎛의 공극을 갖는 필터(Filter)에 30psi의 압력으로 물을 흘려 부유물(Suspended Solid: SS) 성분에 의해 발생하는 오염의 정도를 측정한다. 이때, 처음 500㎖의 물이 흐르는데 걸리는 시간(T0)을 측정하고, 15분(T)이 지난 후에 다시 500㎖의 물이 흐르는데 걸리는 시간(T1)을 측정하며, 이러한 두 가지 시간의 비율(T0/T1)을 척도로 사용한다.
이러한 실트밀도지수(SDI) 측정은 현재 역삼투 공정 또는 나노여과 공정에서 유입수의 막오염 경향을 예측하기 위해 가장 널리 사용되는 방법으로서, 실트밀도지수(SDI)가 3 미만이면 오염은 심하지 않으며, 5 이상이 될 경우 심한 오염이 발생할 수 있는 것으로 판단할 수 있다. 즉, 이러한 실트밀도지수(SDI) 측정 방법은 0.45㎛ 이상의 크기를 가지는 부유성 입자에 의한 막오염 가능성을 간접적으로 평가하는 방법이다. 따라서 이러한 실트밀도지수(SDI)로는 0.45㎛ 미만의 크기를 가지는 콜로이드나 유기물에 의한 영향을 평가할 수 없다는 문제점이 있다. 또한, 역삼투 공정 및 나노여과 공정의 경우, 크로스 플로우(Cross Flow) 여과모드로 운전되기 때문에, 전술한 실트밀도지수(SDI) 측정 방법은 막오염의 주요 특성에 해당하는 유발물질의 표면 특성들을 측정하기 어렵다는 문제점이 있다.
다시 말하면, 이러한 실트밀도지수(SDI) 측정값과 실제 공정의 운전결과가 서로 상이하다는 것이 많은 연구에서 밝혀졌다. 이와 같은 문제점을 갖고 있는 실트밀도지수(SDI)를 보완하기 위해서 수정 막오염지수(Modified Fouling Index: MFI)가 사용되고 있지만, 전술한 실트밀도지수(SDI) 및 수정 막오염지수(MFI)는 기본적으로 동일한 공극 크기의 분리막을 이용하기 때문에, 측정할 수 있는 막오염 물질에 대한 한계를 가지고 있다.
이러한 실트밀도지수(SDI)는 역삼투막 공정의 운전과 설계에서 중요한 요소로 많이 사용되고 있으며, 또한, 수정 막오염지수(MFI)는 케익 여과(Cake Filtration)의 발생을 기반으로 되는 지표로서, 역삼투막의 막오염이 발생할 때 오염속도를 예측하고 설명하기에 유용하다. 하지만, 이러한 실트밀도지수(SDI) 및 수정 막오염지수(MFI)는 막오염 가능성을 예측하기 위한 신빙성에는 한계가 있으므로, 여러 가지 원수 특성상 공통된 오염요소에 대하여 오염지수(Fouling Indices)의 민감성을 근본적으로 이해해야 한다.
전술한 실트밀도지수(SDI) 및 수정 막오염지수(MFI)에 대한 문제점을 극복하기 위해서, 수정 막오염지수-한외여과막(Modified Fouling Index-Ultra Filter: "MFI-UF") 또는 수정 막오염지수-나노여과막(Modified Fouling Index-Nano Filter: "MFI-NF") 등의 방법이 제안되었으나, 이러한 방법들은 유기물에 의한 막오염을 어느 정도 예측할 수 있는데 반하여 부유성 입자에 의한 막오염 경향을 정확하게 예측할 수 없다는 문제점이 있다.
한편, 전술한 문제점을 해결하기 위한 선행기술로서, 대한민국 등록특허번호 제10-1612230호에는 "연속식 막오염지수 측정장치 및 측정방법"이라는 명칭의 발명이 개시되어 있는데, 도 1을 참조하여 설명한다.
도 1은 종래의 기술에 따른 연속식 막오염지수 측정장치의 구성도이다.
도 1을 참조하면, 종래의 기술에 따른 연속식 막오염지수 측정장치는, 원수 공급부(10), 여과막셀(20), 처리수 저장부(30), 연산 및 제어부(40), 송신부(50) 및 세정부(60)를 포함하고, 또한, 다수의 펌프(P1, P2) 및 밸브(V1~V8)를 포함할 수 있다.
원수 공급부(10)는 막오염지수를 측정할 측정 대상 원수가 기설정된 유량만큼 또는 그 이상의 유량을 유입하여 여과막셀(20)에 공급한다.
여과막셀(20)은 원수 공급부(10)와 연결되며, 원수 공급부(10)로부터 공급되는 원수를 여과하기 위한 여과막(21)이 내부에 수용되고, 원수 공급부(10)에서 공급되는 원수가 여과막셀(20)로 유입되어 여과막(20)에 의해 막여과 처리된다. 예를 들면, 상기 여과막(21)은 무기막일 수 있고, 이러한 무기막은 일반적으로 사용되는, PA(Polyamide), CA(Cellulose Acetate) 등으로 이루어진 고분자 유기막에 비하여 고강도이며, 내열성, 내약품성, 내화학성 및 내부식성이 뛰어나기 때문에 여과막(21)의 세정에 의한 재사용에 유리하다.
처리수 저장부(30)는 여과막셀(20)과 연결되며, 여과막셀(20)에서 여과막(21)에 의해 막여과 처리된 처리수가 유입되어 저장된다. 또한, 처리수 저장부(30)에 저장된 처리수를 여과막셀(20)에 공급함으로써 여과막(21)을 역세정할 수 있으며, 이로써 역세정을 위한 별도의 물 유입이 필요 없게 된다.
연산 및 제어부(40)는 처리수 저장부(30), 송신부(50) 및 세정부(60)와 전기적으로 연결된다.
구체적으로, 상기 연산 및 제어부(40)는 다음의 기능을 한다. 첫째, 처리수 저장부(30)로 유입되는 처리수의 유량을 측정한다. 둘째, 측정된 처리수 유량 및 원수의 유량, 처리 시간 등을 기초로 여과막(21)의 막오염지수를 연산하며, 연산된 막오염지수의 데이터 정보를 기설정된 시간 간격으로 기록한다. 셋째, 측정된 값, 연산되어 기록된 값 등을 송신부(50)를 통하여 실시간 원격 감시체계, 예를 들면, 수질원격감시체계(Tele-Monitoring System: TMS)로 송신하며, 또한, 특정 문턱값을 초과한 경우 경고를 출력할 수 있다. 넷째, 적절한 타이밍에 세정이 이루어지도록 세정부(60)를 제어할 수 있다.
송신부(50)는 상기 연산 및 제어부(40)와 연결되고, 연산 및 제어부(40)에서 측정, 연산 및 기록된 막오염지수의 데이터 정보를 기설정된 수질원격감시체계(Tele-Monitoring System: TMS)로 유선 또는 무선으로 송신한다.
세정부(60)는 여과막셀(20)에 연결되며, 연산 및 제어부(40)의 제어신호에 따라 기설정된 횟수의 막여과 처리 후에 여과막(21)을 세정한다. 이때, 상기 세정부(60)는 여과막셀(20)과 각각 연결되는 세정제 공급부(61) 및/또는 스팀 공급부(62)가 구비될 수 있다.
구체적으로, 상기 세정부(60)의 세정제 공급부(61)는 여과막(21)의 화학세정(Cleaning In Place: CIP)에 필요한 세정제를 공급하며, 공급되는 세정제는 여과막(21)의 세정에 필요한 화학약품으로서, 여과막(21)의 오염 성상에 따라 다를 수 있으나, 황산, 염산, 구연산 등의 산세정제를 공급함으로써 상기 여과막(21)의 입자성 및 무기물 오염을 주여 목표로 하여 제거하고, 또는, 가성소다, 차아염소산나트륨 등의 알칼리 세정제를 공급하여 여과막(21)의 미생물 및 유기물 오염을 주요 목표로 하여 제거할 수 있다.
상기 세정부(60)의 스팀 공급부(62)는 여과막(21)의 물리세정의 일종인 스팀 세정을 위한 스팀을 발생시켜 공급하며, 이러한 스팀은 스팀 공급부(62)에 별도의 물을 공급하여 스팀을 발생시켜 공급할 수 있다. 이러한 스팀 세정에 의해 여과막(21)의 입자성 오염을 주요 목표로 하여 제거할 수 있다.
종래의 기술에 따른 연속식 막오염지수 측정장치에 따르면, 막오염지수의 측정 후 또는 측정 사이에 여과막을 세정하여 재사용함으로써, 여과막 교체에 따른 비용을 절감할 수 있다. 이때, 여과막을 교체하지 않기 때문에 여과막의 교체에 따른 막오염 측정단계의 흐름의 단속적이지 않고 기설정된 주기 및 시간에 따라 자동화하여 연속적인 측정이 가능하며, 또한, 연속적으로 측정된 막오염지수의 데이터 정보를 원격 및 실시간으로 감시할 수 있기 때문에 막오염지수 측정장치가 설치된 각 지역 수처리 플랜트의 유입원수 수질변동에 대한 막오염지수의 데이터 정보를 효과적으로 관리할 수 있다.
하지만, 종래의 기술에 따른 연속식 막오염지수 측정장치의 경우, 일정한 압력으로 구동하는 정압 방식의 운전모드와 하나의 여과막을 이용하기 때문에 수처리 플랜트와 동일한 조건의 막오염 특성을 정확하게 대변할 수 없다는 문제점이 있다.
한편, 다른 선행기술로서, 대한민국 등록특허번호 제10-1006901호에 개시된 "막오염지수 측정장치", 대한민국 등록특허번호 제10-1441493호에 개시된 "여과막 오염 지수 측정 방법" 및 대한민국 등록특허번호 제10-1181549호에 개시된 "여과막 오염 지수 예측 장치"가 개시되어 있는데, 복수개의 여과막을 사용하되 일정한 압력을 가하여 분리막을 투과한 처리수를 저울로 측정하는 정압(Constant Pressure) 방식을 채택하기 때문에 수처리 시스템 또는 수처리 플랜트와 동일한 조건의 막오염 특성을 정확하게 대변할 수 없다는 문제점이 있다.
대한민국 등록특허번호 제10-1612230호(출원일: 2015년 7월 22일), 발명의 명칭: "연속식 막오염지수 측정장치 및 측정방법" 대한민국 등록특허번호 제10-1006901호(출원일: 2008년 11월 21일), 발명의 명칭: "막오염지수 측정장치" 대한민국 등록특허번호 제10-1441493호(출원일: 2014년 1월 17일), 발명의 명칭: "여과막 오염 지수 측정 방법" 대한민국 등록특허번호 제10-1181549호(출원일: 2010년 2월 1일), 발명의 명칭: "여과막 오염 지수 예측 장치" 대한민국 등록특허번호 제10-1478878호(출원일: 2012년 10월 29일), 발명의 명칭: "막오염지수를 이용한 막여과 공정 시스템 및 그 방법" 일본 등록특허번호 제4931039호(출원일: 2005년 12월 2일), 발명의 명칭: "수질 감시장치 및 수처리 설비" 일본 공개특허번호 제2007-245104호(공개일: 2007년 9월 27일), 발명의 명칭: "막여과 프로세스의 막 손상 검출 방법" 미국 공개특허번호 제2015-13434호(공개일: 2015년 11월 12일), 발명의 명칭: "여과막의 오염지수 측정장치"
전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 압력지연삼투막 또는 역삼투막이 적용된 수처리 시스템의 막오염지수를 해석하기 위하여 실제 분리막 공정과 동일한 플럭스를 유지하는 정유량 방식의 실린지펌프를 적용하고 다채널의 여과막에서 압력의 변화를 측정함으로써 수처리 시스템과 동일한 운전조건에서 막오염지수를 산출하여 정량화된 막오염지수를 측정할 수 있는, 고압 정유량 실린지펌프와 여과막을 이용한 다채널 막오염지수 측정 시스템 및 그 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 일정한 유속의 정유량 방식으로 구동하는 직렬 운전모드 또는 병렬 운전모드와 공극 크기가 상이한 3개 이상의 여과막을 이용하여 동일하거나 상이한 운전 플럭스에서 압력지연삼투막 또는 역삼투막의 지지층의 막오염을 지수화하고, 이를 모니터링할 수 있는, 고압 정유량 실린지펌프와 여과막을 이용한 다채널 막오염지수 측정 시스템 및 그 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 압력지연삼투막 또는 역삼투막이 적용된 수처리 시스템 등에서 입자성 물질, 콜로이드 및 유기물 등에 의한 막오염을 실시간 모니터링할 수 있는, 고압 정유량 실린지펌프와 여과막을 이용한 다채널 막오염지수 측정 시스템 및 그 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허청구범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
삭제
전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 수단으로서, 본 발명에 따른 정유량 방식의 고압 정유량 실린지펌프 및 필터를 이용한 다채널 막오염지수 측정 시스템은, 압력지연삼투 공정 또는 역삼투막 공정에서 저농도 유입수가 공급되는 다공성 지지층에서 입자성 물질, 콜로이드 및 유기물에 의한 막오염을 실시간 모니터링하기 위한 막오염지수 측정 시스템에 있어서, 막오염 유발물질을 포함한 대상원수를 샘플링한 적어도 3개 이상의 샘플수를 각각 저장하도록 다채널 배치되는 저장조; 상기 저장조에 저장되어 다채널 연결배관을 통해 공급되는 적어도 3개 이상의 샘플수 중 어느 하나를 선택하는 샘플수 선택부; 적어도 3개 이상 다채널 배치되고, 상기 샘플수 선택부에서 선택된 샘플수를 각각 상이한 압력으로 정유량 공급하는 고압 정유량 실린지펌프; 적어도 3개 이상 병렬로 다채널 배치되고, 각각 상이한 공극 크기를 갖는 여과막이 내재되어, 상기 고압 정유량 실린지펌프로부터 정유량 공급되는 샘플수를 각각 여과하는 여과막 홀더; 상기 고압 정유량 실린지펌프 및 여과막 홀더 사이에 각각 설치되어 압력값을 각각 감지하는 압력센서; 및 병렬 운전모드에서, 상기 적어도 3개 이상의 고압 정유량 실린지펌프의 압력 설정을 각각 제어하고, 상기 적어도 3개 이상의 압력센서에서 각각 감지된 압력값을 모니터링하여 플럭스별 압력변화의 상관성을 통해 막오염 속도에 대응하는 막오염지수(FI)를 산출하고, 상기 산출된 막오염지수(FI)에 근거한 수정 막오염지수(MFI)를 산출하여 막오염지수를 정량화하는 연산 및 제어 유닛을 포함하되, 상기 연산 및 제어 유닛은 상기 막오염지수(FI) 및 상기 수정 막오염지수(MFI)에 따라 여과막의 케익 및 압력지연삼투막 또는 역삼투막의 케익의 차이에 대응하는 케익층 비저항을 산출하고, 여과막의 표면상 입자 침적인자 및 유기물 침적인자를 산출하여 압력지연삼투막 또는 역삼투막의 세정시기를 결정하는 것을 특징으로 한다.
한편, 전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 또 다른 수단으로서, 본 발명에 따른 정유량 방식의 고압 정유량 실린지펌프 및 필터를 이용한 다채널 막오염지수 측정 방법은, 압력지연삼투 공정 또는 역삼투막 공정에서 저농도 유입수가 공급되는 다공성 지지층에서 입자성 물질, 콜로이드 및 유기물에 의한 막오염을 실시간 모니터링하기 위한 막오염지수 측정 방법에 있어서, a) 압력지연삼투막 또는 역삼투막에 대한 막오염지수를 측정할 대상원수를 샘플링하여 제1 저장조인 샘플수 저장조에 저장하는 단계; b) 샘플수를 직렬로 연결된 제1 내지 제4 고압 정유량 실린지펌프 및 제1 내지 제4 여과막 홀더를 경유하도록 여과를 실시하고, 제1 내지 제4 압력센서가 각각의 압력을 감지하는 단계; c) 연산 및 제어 유닛이 상기 제1 내지 제4 압력센서가 각각 감지한 압력값에 따라 플럭스별 압력변화를 각각 판단하는 단계; d) 상기 연산 및 제어 유닛이 각각의 플럭스별 압력변화에 대응하는 기울기 및 절편에 따라 오염속도에 대응하는 막오염지수(FI)를 산출하는 단계; e) 상기 연산 및 제어 유닛이 여과막별 막오염지수(FI)에 근거하여 여과막별 수정 막오염지수(MFI)를 산출하고, 이를 정규화하여 막오염지수를 정량화하는 단계; f) 상기 연산 및 제어 유닛이 여과막의 케익 및 압력지연삼투막 또는 역삼투막의 케익의 차이에 대응하는 케익층 비저항을 산출하는 단계; g) 상기 연산 및 제어 유닛이 여과막의 표면상 입자 침적인자 및 유기물 침적인자를 산출하는 단계; 및 h) 상기 연산 및 제어 유닛이 상기 케익층 비저항, 상기 입자 침적인자 및 상기 유기물 침적인자에 따라 막간 차압의 상승 15% 지점 또는 플럭스 저하 15% 지점까지 도달하는 시간으로부터 압력지연삼투막 또는 역삼투막의 세정시기를 결정하는 단계를 포함하되, 상기 직렬로 연결된 제1 내지 제4 고압 정유량 실린지펌프는 실제 수처리 플랜트와 동일한 정유량 방식으로 상기 저장조에 저장된 샘플수 및 여과막 처리수를 고압의 정유량으로 공급하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 d) 단계에서 상기 오염속도에 대응하는 막오염지수(
Figure 112016066151482-pat00001
)는 상기 여과막 홀더에서 측정한 압력값을 오염속도 지수로 나타낸 값으로, 플럭스별 압력변화 관계의 기울기(
Figure 112016066151482-pat00002
)로부터
Figure 112016066151482-pat00003
로 주어지고, 여기서,
Figure 112016066151482-pat00004
는 측정 시간동안 상승한 압력의 기울기를 나타내며,
Figure 112016066151482-pat00005
는 플럭스[L/㎡ㅇ hr]를 나타내고,
Figure 112016066151482-pat00006
는 점성계수[㎏/mㅇ s]를 각각 나타내는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 e) 단계에서 여과막별 수정 막오염지수(MFI)는
Figure 112016066151482-pat00007
로 주어지고, 여기서,
Figure 112016066151482-pat00008
는 점성계수[㎏/mㅇ s]를 나타내고,
Figure 112016066151482-pat00009
는 오염속도에 대응하는 막오염지수를 나타내며,
Figure 112016066151482-pat00010
는 공급 압력을 나타내고,
Figure 112016066151482-pat00011
는 물 여과계수를 각각 나타내는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 h) 단계에서 초기 막간차압의 상승(또는 균등화된 플럭스)으로 인해 초기값보다 15% 줄어드는데 걸리는 시간(
Figure 112016066151482-pat00012
)은,
Figure 112016066151482-pat00013
로 주어지고, 여기서,
Figure 112016066151482-pat00014
은 여과하면서 형성된 케익층으로 인한 상승하는 압력 손실(Pressure Drop)을 나타내며,
Figure 112016066151482-pat00015
은 초기의 분리막 자체의 압력 손실을 나타내고,
Figure 112016066151482-pat00016
는 플럭스[L/㎡ㅇ hr]를 나타내고,
Figure 112016066151482-pat00017
는 점성계수[㎏/mㅇ s]를 각각 나타내며,
Figure 112016066151482-pat00018
은 잔류물(Retentate)의 막오염지수로서,
Figure 112016066151482-pat00019
와 분리막 표면상의 케익 형성 정도에 따라 산출되는 값인 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기
Figure 112016066151482-pat00020
은
Figure 112016066151482-pat00021
로 주어지고, 여기서,
Figure 112016066151482-pat00022
는 케익 비율인자로서,
Figure 112016066151482-pat00023
측정에 사용된 여과막 상의 케익과 압력지연삼투막 또는 역삼투막 상의 케익의 차이를 나타내며,
Figure 112016066151482-pat00024
는 오염속도에 대응하는 막오염지수이며,
Figure 112016066151482-pat00025
은 입자 침적인자인 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 입자 침적인자(
Figure 112016066151482-pat00026
)는
Figure 112016066151482-pat00027
로 주어지고, 여기서,
Figure 112016066151482-pat00028
는 농축수에 대한
Figure 112016066151482-pat00029
를 나타내며,
Figure 112016066151482-pat00030
는 공급수에 대한
Figure 112016066151482-pat00031
를 나타내고,
Figure 112016066151482-pat00032
은 회수율(Recovery: [%])을 각각 나타내는 것을 특징으로 한다.
한편, 전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 또 다른 수단으로서, 본 발명에 따른 정유량 방식의 고압 정유량 실린지펌프 및 필터를 이용한 다채널 막오염지수 측정 방법은, 압력지연삼투 공정 또는 역삼투막 공정에서 저농도 유입수가 공급되는 다공성 지지층에서 입자성 물질, 콜로이드 및 유기물에 의한 막오염을 실시간 모니터링하기 위한 막오염지수 측정 방법에 있어서, a) 막오염지수를 측정할 대상원수를 샘플링하여 제1 내지 제4 샘플수 저장조에 저장하는 단계: b) 상기 제1 내지 제4 샘플수 저장조에 연결되어 다채널 연결배관을 통해 공급되는 샘플수 중에서 막오염지수를 측정할 샘플수를 선택하는 단계; c) 상기 선택된 샘플수를 병렬로 연결된 제1 내지 제4 고압 정유량 실린지펌프 및 제1 내지 제4 여과막 홀더를 경유하도록 여과를 실시하고, 제1 내지 제4 압력센서가 각각의 압력을 감지하는 단계; d) 상기 제1 내지 제4 압력센서가 각각 감지한 압력값에 따라 연산 및 제어 유닛이 플럭스별 압력변화를 각각 판단하는 단계; e) 상기 연산 및 제어 유닛이 각각의 플럭스별 압력변화에 대응하는 기울기 및 절편에 따라 오염속도에 대응하는 막오염지수(FI)를 산출하는 단계; 및 f) 상기 연산 및 제어 유닛이 상기 여과막별 막오염지수(FI)에 근거하여 여과막별 수정 막오염지수(MFI)를 산출하고, 이를 정규화하여 막오염지수를 정량화하는 단계; g) 상기 연산 및 제어 유닛이 여과막의 케익 및 압력지연삼투막 또는 역삼투막의 케익의 차이에 대응하는 케익층 비저항을 산출하는 단계; h) 상기 연산 및 제어 유닛이 여과막의 표면상 입자 침적인자 및 유기물 침적인자를 각각 산출하는 단계; 및 i) 상기 연산 및 제어 유닛이 상기 케익층 비저항, 상기 입자 침적인자 및 상기 유기물 침적인자에 따라 막간 차압의 상승 15% 지점 또는 플럭스 저하 15% 지점까지 도달하는 시간으로부터 압력지연삼투막 또는 역삼투막의 세정시기를 결정하는 단계를 포함하되, 상기 병렬로 연결된 제1 내지 제4 고압 정유량 실린지펌프는 실제 수처리 플랜트와 동일한 정유량 방식으로 상기 제1 내지 제4 샘플수 저장조에 저장된 샘플수를 고압의 정유량으로 공급하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 압력지연삼투막 또는 역삼투막이 적용된 수처리 시스템의 막오염지수를 해석하기 위하여 실제 분리막 공정과 동일한 플럭스를 유지하는 정유량 방식의 실린지펌프를 적용하고 다채널의 여과막에서 압력의 변화를 측정함으로써 수처리 시스템과 동일한 운전조건에서 막오염지수를 산출하여 정량화된 막오염지수를 측정할 수 있다. 이에 따라 막오염지수 해석의 정확도를 높이고, 이를 통해 막여과 성능을 사전에 예측하여 세정시기를 조기에 예측할 수 있고, 여과 가능한 여과 잔여일수를 정확하게 평가할 수 있다.
본 발명에 따르면, 일정한 유속의 정유량 방식으로 구동하는 직렬 운전모드 또는 병렬 운전모드와 공극 크기가 상이한 3개 이상의 여과막을 이용하여 동일하거나 상이한 운전 플럭스에서 압력지연삼투막 또는 역삼투막의 지지층의 막오염을 지수화하고, 이를 모니터링할 수 있다.
본 발명에 따르면, 압력지연삼투막 또는 역삼투막이 적용된 수처리 시스템 등에서 입자성 물질, 콜로이드 및 유기물 등에 의한 막오염을 실시간 모니터링할 수 있다.
본 발명에 따르면, 분리막을 이용한 수처리 시스템에서 막오염지수를 해석하기 위하여 고압에서 운전되는 동일한 고압 정유량 방식의 운전특성을 모사함으로써, 막오염 정도에 따라 세정약품을 변동하여 주입함으로써 과도한 약품 사용을 방지할 수 있고, 막 소재의 내구성 측면에서 고농도의 약품 노출을 최대한 줄임으로써 막 소재의 성능을 지속적으로 유지 및 관리할 수 있다.
본 발명에 따르면, 분리막을 이용한 수처리 시스템에서 원수수질 조건, 막 운전조건 등 다양한 변수가 조합되어 비선형적 패턴 특성을 보이는 막여과 성능을 사전에 예측하여 세정시기를 조기에 예측할 수 있다.
도 1은 종래의 기술에 따른 연속식 막오염지수 측정장치의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 고압 정유량 실린지펌프와 여과막을 이용한 다채널 막오염지수 측정 시스템이 적용되는 역삼투막 모듈 및 압력지연삼투막 모듈을 조합한 해수담수화-발전 시스템을 예시하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 고압 정유량 실린지펌프와 여과막을 이용한 다채널 막오염지수 측정 시스템이 직렬 운전모드로 구현되는 것을 나타내는 구성도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 고압 정유량 실린지펌프와 여과막을 이용한 다채널 막오염지수 측정 시스템에서 여과막 홀더가 3개의 여과막 홀더로 구성될 수 있는 것을 예시하는 도면이다.
도 5는 도 2에 도시된 압력지연삼투막 모듈의 분리막에서 입자성물질 및 유기성물질에 의한 내부 농도분극과 외부 농도분극으로 압력지연삼투막 모듈의 지지층에 케익층이 형성되는 것을 나타내는 도면이다.
도 6은 도 3에 도시된 직렬 운전모드의 연산 및 제어 유닛의 구체적인 구성도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 직렬 운전모드로 구현된 고압 정유량 실린지펌프와 여과막을 이용한 다채널 막오염지수 측정 방법을 나타내는 동작흐름도이다.
도 8은 도 7에 도시된 S120 단계를 구체적으로 나타내는 동작흐름도이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 고압 정유량 실린지펌프와 여과막을 이용한 다채널 막오염지수 측정 시스템이 병렬 운전모드로 구현되는 것을 나타내는 구성도이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 병렬 운전모드로 구현된 고압 정유량 실린지펌프와 여과막을 이용한 다채널 막오염지수 측정 방법을 나타내는 동작흐름도이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 정유량 조건의 운전 플럭스 조건별 산출된 수정 막오염지수-한외여과막(MFI-UF)을 예시하는 도면이다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 압력지연삼투막 또는 역삼투막의 유입수와 농축수의 MFI-UF에 대해 입자 침적인자를 산출한 것을 예시하는 도면이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "…부" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
일반적으로, 삼투발전을 위하여 적용되는 압력지연삼투(Pressure Retarded Osmosis: PRO) 공정은 해수의 화학 포텐셜을 이용해 에너지를 생산하는 대체 에너지 기술 중의 하나로서, 화석 연료를 대체할 강점들을 가지고 있다.
이러한 압력지연삼투 공정은 염분 농도가 다른 두 용액의 삼투압 차이를 이용한 발전으로서, 예를 들면, 보통 저농도 용액(저농도 유입수)으로는 담수(Fresh water)가 이용되고, 고농도 용액(고농도 유도용액)으로는 해수(Sea water)가 이용된다. 저농도 용액이 삼투압 차에 의해 반투막을 통하여 가압된 고농도 용액으로 투과되며, 이때, 증가한 유량이 터빈을 회전시켜 에너지를 생산하게 된다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 고압 정유량 실린지펌프와 여과막을 이용한 다채널 막오염지수 측정 시스템이 적용되는 역삼투막 모듈 및 압력지연삼투막 모듈을 조합한 해수담수화-발전 시스템을 예시하는 도면이다.
도 2를 참조하면, 역삼투막 모듈 및 압력지연삼투막 모듈을 조합한 해수담수화-발전 시스템은, 유입수 저장조, 고압펌프, 부스터펌프, 역삼투막 모듈, 최종처리수 저장조, 제1 에너지 회수장치, 저농도 유입수 저장조, 저농도 유입수 배관, 고농도 유도용매 펌프, 고농도 유도용매 유입배관, 압력지연삼투막 모듈, 투과수 저장조, 제2 에너지 회수장치 및 배출수 저장조를 포함한다. 여기서, 역삼투막 모듈 및 압력지연삼투막 모듈을 조합한 해수담수화-발전 시스템의 경우, 본 발명의 실시예에 따른 고압 정유량 실린지펌프와 여과막을 이용한 다채널 막오염지수 측정 시스템이 적용될 수 있지만, 이에 국한되는 것은 아니다.
구체적으로, 압력지연삼투 공정의 경우, 전처리 과정을 거친 저농도 용액이 삼투압 차에 의해 반투막을 통하여 고농도 용액으로 투과하며, 이때, 두 용액 간의 농도차에 의해 발생한 삼투압이 수압의 형태로 바뀌어 터빈을 회전시킴으로써 에너지를 생산하는 방식이다. 이때, 압력지연삼투 공정의 저농도 유입수로는 하폐수 처리수, 지표수 등이 사용하고, 고농도 유도용액 측에는 해수 또는 해수용 역삼투막의 농축수 등이 사용된다.
이러한 압력지연삼투 공정에서 외부 농도분극 및 내부 농도분극뿐만 아니라 막오염으로 인한 CEOP측의 막 저항값을 고려하지 않은 상태에서 압력지연삼투 분리막의 고농도 용매측의 농도의 절반 값 또는 고정된 운전압력으로 일정하게 운전함으로써, 실제 압력지연삼투 공정에 의한 에너지 절감효과가 상쇄되고, 오히려 압력을 초과하여 사용하는 문제를 발생시킴으로써 공정이 효율적으로 운영되지 못하고 있는 실정이다.
이에 따라, 다양한 조합의 압력지연삼투 공정을 설계 및 운영할 때, 농도분극 및 막오염 현상을 고려하여, 고농도 유도용매 펌프를 제어하는 기법이 필요하고, 또한, 실제 막 오염이 발생한 경우, 압력지연삼투막 모듈의 분리막에서 활성층 및 지지층 양단의 농도분극 현상을 저감시킬 수 있는 압력지연삼투 공정 특성에 맞는 세정 기술이 필요한 실정이다.
다시 말하면, 역삼투막 모듈 및 압력지연삼투막 모듈을 조합한 해수담수화-발전 시스템에 따르면, 압력지연삼투 공정에서 내부 농도분극 및 외부 농도분극과 막오염물질에 따라 추가적인 삼투압 저항을 야기하는 CEOP에 기인하여 물질전달의 구동압으로 작용하는 유효 삼투압이 운전 시간에 따라 감소하게 되고, 이로 인해 압력지연삼투 공정에서 생산 가능한 전력밀도가 감소함으로써 전체 해수담수화-발전 시스템 효율을 떨어뜨린다는 문제점이 있었다.
전술한 바와 같이, 저농도 유입수는 압력지연삼투 분리막의 다공성 지지층에 공급된다. 압력지연삼투로 인한 저농도의 유입수가 고농도 유도용매 측으로 투과할 때, 반투막의 표면을 경계로 해서 저농도 측의 용매의 입자성 물질 및 유기성 물질 등 막오염 물질에 의해서 CEOP(Cake Enhanced Osmotic Pressure) 현상으로 추가적인 여과 저항층이 형성으로 성능저하의 원인이 된다.
따라서 본 발명의 실시예에 따른 고압 정유량 실린지펌프와 여과막을 이용한 다채널 막오염지수 측정 시스템은 상기 분리막 지지층에서 형성되는 막오염을 수치적으로 지수화하고, 이를 토대로 세정 시점과 방법을 의사결정하기 위한 것으로서, 도면부호 A로 도시된 바와 같이, 압력지연삼투막으로부터 저농도 유입수를 대상원수로 하여 샘플수를 채취하고, 또한, 도면부호 B로 도시된 바와 같이, 역삼투막으로부터 해수 유입수를 대상원수로 하여 샘플수를 채취하여, 각각의 막오염지수를 측정하게 된다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 고압 정유량 실린지펌프와 여과막을 이용한 다채널 막오염지수 측정 시스템이, 직렬 운전모드 및 병렬 운전모드에 따라 각각 구현되는 것을 구체적으로 설명하기로 한다.
[직렬 운전모드의 다채널 막오염지수 측정 시스템(100)]
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 고압 정유량 실린지펌프와 여과막을 이용한 다채널 막오염지수 측정 시스템이 직렬 운전모드로 구현되는 것을 나타내는 구성도로서, 여과막 홀더가 4개의 여과막 홀더로 구성될 수 있는 것을 예시한다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 고압 정유량 실린지펌프와 여과막을 이용한 다채널 막오염지수 측정 시스템(100)은, 압력지연삼투 공정 또는 역삼투막 공정에서 저농도 유입수가 공급되는 다공성 지지층에서 입자성 물질, 콜로이드 및 유기물에 의한 막오염을 실시간 모니터링하기 위한 막오염지수 측정 시스템으로서, 직렬 운전모드로 구성되며, 저장조(110), 고압 정유량 실린지펌프(120), 연결배관(131, 132, 133, 134), 여과막 홀더(140), 압력센서(150), 처리수 유입배관(161, 162, 163) 및 연산 및 제어 유닛(170)을 포함한다.
저장조(110)는 막오염 유발물질을 포함한 대상원수를 샘플링한 샘플수 및 여과막 처리수를 각각 저장하도록 적어도 3개 이상 다채널 배치된다.
구체적으로, 상기 저장조(110)는, 샘플수 저장조(111), 정밀여과막 처리수 저장조(112), 제1 한외여과막 처리수 저장조(113) 및 제2 한외여과막 처리수 저장조(114)를 포함한다. 예를 들면, 샘플수 저장조(111)는 제1 저장조로서, 압력지연삼투막 또는 역삼투막으로부터 막오염지수를 측정할 대상원수를 샘플링한 샘플수를 저장하고, 정밀여과막 처리수 저장조(112)는 제2 저장조로서, 상기 여과막 홀더(140)의 정밀여과막 홀더(141)를 통해 여과된 정밀여과막 처리수를 저장한다. 또한, 제1 한외여과막 처리수 저장조(113)는 제3 저장조로서, 상기 여과막 홀더(140)의 제1 한외여과막 홀더(142)를 통해 여과된 제1 한외여과막 처리수를 저장하고, 제2 한외여과막 처리수 저장조(114)는 제4 저장조로서, 상기 여과막 홀더(140)의 제2 한외여과막 홀더(143)를 통해 여과된 제2 한외여과막 처리수를 저장한다.
고압 정유량 실린지펌프(120)는 적어도 3개 이상 다채널 배치되고, 실제 수처리 플랜트와 동일한 정유량 방식으로 상기 저장조(110)에 저장된 샘플수 및 여과막 처리수를 고압의 정유량으로 공급한다.
구체적으로, 상기 고압 정유량 실린지펌프(120)는 제1 고압 정유량 실린지펌프(121), 제2 고압 정유량 실린지펌프(122), 제3 고압 정유량 실린지펌프(123) 및 제4 고압 정유량 실린지펌프(124)를 포함하며, 각각 연결배관(131, 132, 133, 134)을 통해 샘플수 또는 여과막 처리수를 공급한다. 예를 들면, 제1 고압 정유량 실린지펌프(121)는 상기 샘플수 저장조(111)에 저장된 샘플수를 정유량 공급하고, 제2 고압 정유량 실린지펌프(122)는 상기 정밀여과막 처리수 저장조(112)에 저장된 정밀여과막 처리수를 정유량 공급한다. 또한, 제3 고압 정유량 실린지펌프(123)는 상기 제1 한외여과막 처리수 저장조(113)에 저장된 제1 한외여과막 처리수를 정유량 공급하고, 제4 고압 정유량 실린지펌프(124)는 상기 제2 한외여과막 처리수 저장조(114)에 저장된 제2 한외여과막 처리수를 정유량 공급한다.
여과막 홀더(140)는 적어도 3개 이상 직렬로 다채널 배치되고, 각각 상이한 공극 크기를 갖는 여과막이 내재되어, 상기 고압 정유량 실린지펌프(120)로부터 정유량 공급되는 샘플수 및 여과막 처리수를 각각 여과한다. 이때, 상기 여과막 홀더(140)에 의해 각각 여과된 처리수는 정밀여과막 처리수 유입배관(161), 제1 한외여과막 처리수 유입배관(162) 및 제2 한외여과막 처리수 유입배관(163)을 통해 상기 저장조(110)로 각각 유입된다.
구체적으로, 상기 여과막 홀더(140)는 정밀여과막(MF) 홀더(141), 제1 한외여과막(UF) 홀더(142), 제2 한외여과막(UF) 홀더(143) 및 제3 한외여과막(UF) 홀더(144)를 포함한다. 예를 들면, 정밀여과막 홀더(141)는 정밀여과막(MF)이 내재된 제1 여과막 홀더로서, 상기 제1 고압 정유량 실린지펌프(121)로부터 정유량 공급되는 샘플수를 여과하고, 제1 한외여과막 홀더(142)는 제1 한외여과막(UF)이 내재된 제2 여과막 홀더로서, 상기 제2 고압 정유량 실린지펌프(122)로부터 정유량 공급되는 정밀여과막 처리수를 여과한다. 또한, 제2 한외여과막 홀더(143)는 제2 한외여과막(UF)이 내재된 제3 여과막 홀더로서, 상기 제3 고압 정유량 실린지펌프(123)로부터 정유량 공급되는 제1 한외여과막 처리수를 여과하고, 제3 한외여과막 홀더(144)는 제3 한외여과막(UF)이 내재된 제4 여과막 홀더로서, 상기 제4 고압 정유량 실린지펌프(124)로부터 정유량 공급되는 제2 한외여과막 처리수를 여과한다. 이때, 상기 제1 한외여과막은 100kDa(킬로돌턴)의 공극 크기를 갖고, 상기 제2 한외여과막은 50kDa(킬로돌턴)의 공극 크기를 가지며, 상기 제3 한외여과막은 10kDa(킬로돌턴)의 공극 크기를 갖는 것이 바람직하다.
압력센서(150)는 상기 고압 정유량 실린지펌프(120) 및 여과막 홀더(140) 사이에 각각 설치되어 압력값을 각각 감지한다. 예를 들면, 상기 압력센서(150)는 압력 트랜스듀서(Pressure Transducer: PT)로 구현될 수 있다.
구체적으로, 상기 압력센서(150)는 제1 압력센서(151), 제2 압력센서(152), 제3 압력센서(153) 및 제4 압력센서(154)를 포함한다. 예를 들면, 제1 압력센서(151)는 상기 제1 고압 정유량 실린지펌프(121) 및 상기 정밀여과막 홀더(141) 사이에 설치되어 압력값을 감지하고, 제2 압력센서(152)는 상기 제2 고압 정유량 실린지펌프(122) 및 상기 제1 한외여과막 홀더(142) 사이에 설치되어 압력값을 감지한다. 또한, 제3 압력센서(153)는 상기 제3 고압 정유량 실린지펌프(123) 및 상기 제2 한외여과막 홀더(143) 사이에 설치되어 압력값을 감지하고, 제4 압력센서(154)는 상기 제4 고압 정유량 실린지펌프(124) 및 상기 제3 한외여과막 홀더(144) 사이에 설치되어 압력값을 감지한다.
연산 및 제어 유닛(170)은 예를 들면, 사용자 단말로서, 직렬 운전모드에서, 상기 적어도 3개 이상의 고압 정유량 실린지펌프(120)의 압력 설정을 각각 제어하고, 상기 적어도 3개 이상의 압력센서(150)에서 각각 감지된 압력값을 모니터링하여 플럭스별 압력변화의 상관성을 통해 막오염 속도에 대응하는 막오염지수(FI)를 산출하고, 상기 산출된 막오염지수(FI)에 근거한 수정 막오염지수(MFI)를 산출하여 막오염지수를 정량화한다. 또한, 상기 연산 및 제어 유닛(170)은 상기 막오염지수(FI) 및 상기 수정 막오염지수(MFI)에 따라 여과막의 케익 및 압력지연삼투막 또는 역삼투막의 케익의 차이에 대응하는 케익층 비저항을 산출하고, 여과막의 표면상 입자 침적인자 및 유기물 침적인자를 산출하여 압력지연삼투막 또는 역삼투막의 세정시기를 결정한다.
이때, 상기 연산 및 제어 유닛(170)은 상기 막오염지수(FI) 및 상기 수정 막오염지수(MFI)에 따라 막간 차압의 상승 15% 지점 또는 플럭스 저하 15% 지점까지 도달하는 시간을 결정하여 압력지연삼투막 또는 역삼투막의 세정시기를 결정할 수 있다.
한편, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 고압 정유량 실린지펌프와 여과막을 이용한 다채널 막오염지수 측정 시스템에서 여과막 홀더가 3개의 여과막 홀더로 구성될 수 있는 것을 예시하는 도면이다.
전술한 도 3에서 본 발명의 실시예에 따른 고압 정유량 실린지펌프와 여과막을 이용한 다채널 막오염지수 측정 시스템(100)의 경우 여과막 홀더(140)가 4개의 여과막 홀더(141, 142, 143, 144)로 구성되지만, 본 발명의 실시예에 따른 고압 정유량 실린지펌프와 여과막을 이용한 다채널 막오염지수 측정 시스템(100)은, 도 4에 도시된 바와 같이, 여과막 홀더가 3개의 여과막 홀더로 구성될 수도 있다.
즉, 전술한 도 3에서 상기 여과막 홀더(140)는 정밀여과막(MF) 홀더(141), 제1 한외여과막(UF) 홀더(142), 제2 한외여과막(UF) 홀더(143) 및 제3 한외여과막(UF) 홀더(144)를 포함하지만, 도 4에 도시된 바와 같이, 정밀여과막(MF) 홀더, 한외여과막(UF) 홀더 및 나노여과막 홀더로 구성할 수도 있지만, 이에 국한되는 것은 아니다.
한편, 도 5는 도 2에 도시된 압력지연삼투막 모듈의 분리막에서 입자성물질 및 유기성물질에 의한 내부 농도분극과 외부 농도분극으로 압력지연삼투막 모듈의 지지층에 케익층이 형성되는 것을 나타내는 도면이다.
전술한 도 2의 A에 도시된 바와 같이, 압력지연삼투(PRO) 공정에 사용되는 분리막에서, 활성층은 유도용액(Draw solution)에 인접하도록 형성되고, 다공성의 지지층은 유입수(Feed solution)와 접촉하도록 형성된다. 이러한 분리막 형상은 유도용액 측에서 인가되는 수리학적 압력을 확실하게 유지하기 위해서 필요하다.
또한, 전술한 도 2의 B에 도시된 바와 같이, 역삼투막(Reverse Osmosis: RO) 공정에 사용되는 분리막(멤브레인)은 전형적으로 얇은 활성층과 다공성의 지지층으로 구성된 비대칭의 구조이기 때문에 외부 농도분극은 활성층에서 발생하고, 내부 농도분극은 다공성의 지지층에서 발생한다.
여기서, 농도분극(Concentration polarization)은 발생하는 위치에 따라 크게 외부 농도분극(External concentration polarization)과 내부 농도분극(Internal concentration polarization)으로 구분할 수 있다.
구체적으로, 외부 농도분극은 분리막 활성층(Dense Layer)과 유입수 또는 유도용액에서 발생하는 현상으로서, 분리막의 설치 위치에 따라 상기 활성층을 유도용액과 접촉시키고 다공성의 지지층(Porous Support Layer)을 유입수와 접촉시킨 희석 외부 농도분극(Dilutive external concentration polarization), 및 상기 활성층을 유입수와 접촉시키고 상기 다공성의 지지층을 유도용액과 접촉시킨 농축 외부 농도분극(Concentrative external concentration polarization)으로 구분할 수 있다. 이때, 상기 압력지연삼투(PRO) 공정은 분리막의 배치 특성상 희석 외부 농도분극이 발생하게 된다. 여기서, 희석 외부 농도분극이란 농축 외부 농도분극 현상과 비슷하지만, 농축 외부 농도분극은 투과플럭스에 의해 유입수와 접촉하고 있는 분리막 표면의 용질의 농도가 증가하여 유입수의 삼투압이 증가하는 현상이고, 반면에 희석 외부 농도분극은 유도용액과 활성층 사이에서 발생하는 현상으로 분리막을 통과한 투과플럭스에 의해 활성층 표면의 유도용액의 농도가 낮아져서 분리막 전단 및 후단의 삼투압이 감소하는 현상을 말한다.
또한, 내부 농도분극(Internal Concentration Polarization)은 다공성의 지지층과 유입수 또는 유도용액에서 발생하는 현상으로서, 분리막의 설치 위치에 따라 농축 내부 농도분극 및 희석 내부 농도분극으로 구분할 수 있다.
구체적으로, 도 5에 도시된 바와 같이, 농축 내부 농도분극은 활성층을 유도용액과 접촉시키고 다공성의 지지층을 유입수와 접촉하도록 위치시킴으로써 확산에 의해 유입수가 다공성 지지층으로 유입된 후에 분리막의 전단 및 후단의 삼투압 차이에 의해 투과플럭스가 발생하게 된다. 이때, 용매는 분리막을 투과하지만 용질은 투과되지 못함으로써 다공성 지지층 내부의 용질의 농도는 지속적으로 증가하게 되어 분리막 전단 및 후단의 유효 삼투압의 차이가 감소하여 투과플럭스가 감소하게 된다.
또한, 저농도 측의 용매의 입자성 물질 및 유기성 물질 등 막오염 물질에 의해서 형성된 케익층으로 분리막의 여과저항이 추가로 생기는 CEOP(Cake Enhanced Osmotic Pressure) 현상으로 추가적인 여과 저항층이 형성되어 압력지연삼투의 고농도 측 용매의 농도로 계산되는 최대전력밀도를 생산하는 고농도 용매측 수리학적 압력의 변화가 발생하며, 결국, 상기 외부 농도분극과 내부 농도분극 이외에 막오염으로 인한 플럭스 및 전력밀도가 운전시간에 따라 지속적으로 변화하게 된다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 직렬 운전모드에서, 각각 다른 공극 크기를 갖는 여과막을 갖고, 각각 다른 속도 또는 운전플럭스로 구동한다.
본 발명의 실시예에 따른 다채널 막오염지수 측정 시스템은 기존 기술과의 큰 차별성은 일정한 압력을 필터에 가하는 정압 방식의 운전 방식이 아니라 일정한 플럭스 또는 유속을 가하는 정유량 방식의 운전 방식이다. 이러한 이유는 분리막을 이용하는 실제 수처리 플랜트에서는 정유량 방식으로 운전되기 때문에 동일한 환경에서 막오염 특성을 모사할 수 있다.
따라서 본 발명의 실시예에 따른 직렬 운전모드의 정유량 방식에서는 종래의 기술에 따른 정압 방식의 여과모델을 사용할 수 없고, 별도의 정유량 방식의 여과모델을 가지고 해석해야 한다. 본 발명의 실시예에 따른 데이터 해석을 위한 정유량 방식의 여과모델은 다음의 수학식 1과 같은 기본 여과모델로 주어진다.
Figure 112016066151482-pat00033
여기서,
Figure 112016066151482-pat00034
는 여과시간[sec]을 나타내고,
Figure 112016066151482-pat00035
는 누적여과 부피[㎥]를 각각 나타내며, 이러한 두 값,
Figure 112016066151482-pat00036
와
Figure 112016066151482-pat00037
는 일정한 여과 압력 실험을 통하여 얻어지는 실험값이다. 또한,
Figure 112016066151482-pat00038
은 막오염 메커니즘과 관련된 무차원 상수이며,
Figure 112016066151482-pat00039
은 그 값이나 차원이 변화하는 값이다.
전술한 수학식 1로부터 얻어지는 값과 막오염에 의한 여과 특성의 편차는 막여과 시스템 특성과 동시에 발생하는 다양한 막오염 조건 때문에 발생한다.
본 발명의 실시예에 따른
Figure 112016066151482-pat00040
(Modified Fouling Index)는 분리막 케익층(Cake Layer)의 막오염을 가장 많이 유발하는 물질을 지수화한 것으로, 본 발명의 실시예에 따른 다채널 막오염지수의 경우, 제1 고압 정유량 실린지펌프(121) 및 정밀여과막 홀더(141)에 의한 막오염지수는 정밀여과막(Micro Filter: MF)에 따른
Figure 112016066151482-pat00041
로서, 주로 입자성 물질에 의한 막오염 인자 특성을 나타내고, 제2 고압 정유량 실린지펌프(122) 및 한외여과막 홀더(142)에 따른 막오염지수는 한외여과막(Ultra Filter: UF)에 의한
Figure 112016066151482-pat00042
로서, 콜로이드 물질에 대한 막오염 인자 특성을 나타내며, 또한, 제3 고압 정유량 실린지펌프(123) 및 나노여과막 홀더(143)에 의한 막오염지수는 나노여과막(Nano Filter: NF)에 따른
Figure 112016066151482-pat00043
로서, 유기물 물질에 대한 막오염 인자 특성을 나타낸다.
이러한 막오염지수(Fouling Index: FI)는 실험적으로 결정되는 여과시간(
Figure 112016066151482-pat00044
)과 누적 여과부피(
Figure 112016066151482-pat00045
)와의 관계로부터 산출할 수 있다. 이때, 본 발명의 실시예에 따라 케익층(Cake Layer) 형성(Formation)과 관련하여 전술한 수학식 1의
Figure 112016066151482-pat00046
은 0이 되고, 수학식 1을 적분하면 다음의 수학식 2와 같다.
Figure 112016066151482-pat00047
여기서,
Figure 112016066151482-pat00048
는 수정 막오염지수(Modified Fouling Index)를 나타내며, 전술한 수학식 1에서
Figure 112016066151482-pat00049
가
Figure 112016066151482-pat00050
로 대체되었다. 예를 들면, 수학식 2에서
Figure 112016066151482-pat00051
가 커질수록
Figure 112016066151482-pat00052
는 작아지는 것을 알 수 있다. 이것은 주어진 누적 여과부피(
Figure 112016066151482-pat00053
)보다 오염된 분리막(Membrane)을 시간당 통과하는 투과수가 적다는 것을 나타낸다. 이에 따라, 상기 수정 막오염지수(
Figure 112016066151482-pat00054
)는 처리될 대상원수의 막오염 잠재능을 간단하게 평가할 수 있다는 것을 의미하며, 이하, 본 발명의 실시예에 따른 직렬 운전모드로 구현된 고압 정유량 실린지펌프와 여과막을 이용한 다채널 막오염지수 측정 방법에서 보다 구체적으로 설명하기로 한다.
도 6은 도 3에 도시된 직렬 운전모드의 연산 및 제어 유닛의 구체적인 구성도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 고압 정유량 실린지펌프와 여과막을 이용한 다채널 막오염지수 측정 시스템(100)에서 직렬 운전모드의 연산 및 제어 유닛(170)은, 실린지펌프 압력 설정부(171), 압력 데이터 수집부(172), 플럭스별 압력변화 판단부(173), 여과막별 막오염지수(FI) 산출부(174), 여과막별 수정 막오염지수(MFI) 산출부(175), 입자 및 유기물 침적인자 산출부(176), 케익층 비저항 산출부(177) 및 분리막 세정시기 판단부(178)를 포함한다.
실린지펌프 압력 설정부(171)는 상기 고압 정유량 실린지펌프(120)의 압력을 각각 설정한다.
압력 데이터 수집부(172)는 상기 압력센서(150)의 감지된 압력 데이터를 각각 수집한다.
플럭스별 압력변화 판단부(173)는 상기 압력 데이터 수집부(172)에서 수집된 압력 데이터에 대해 플럭스별 압력변화 여부를 각각 판단한다.
여과막별 막오염지수(FI) 산출부(174)는 상기 플럭스별 압력변화 판단부(173)에서 판단된 각각의 플럭스별 압력변화에 대응하는 기울기 및 절편에 따라 오염속도에 대응하는 막오염지수(FI)를 산출한다.
여과막별 수정 막오염지수(MFI) 산출부(175)는 상기 여과막별 막오염지수(FI) 산출부(174)에서 산출된 막오염지수(FI)에 근거하여 여과막별 수정 막오염지수(MFI)를 산출한다.
입자 및 유기물 침적인자 산출부(176)는 여과막의 표면상 입자 침적인자 및 유기물 침적인자를 각각 산출한다.
케익층 비저항 산출부(177)는 여과막의 케익 및 압력지연삼투막 또는 역삼투막의 케익의 차이에 대응하는 케익층 비저항을 산출한다.
분리막 세정시기 판단부(178)는 상기 케익층 비저항, 상기 입자 침적인자 및 상기 유기물 침적인자에 따라 막간 차압의 상승 15% 지점 또는 플럭스 저하 15% 지점까지 도달하는 시간으로부터 압력지연삼투막 또는 역삼투막의 세정시기를 결정한다.
[직렬 운전모드의 다채널 막오염지수 측정 방법]
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 직렬 운전모드로 구현된 고압 정유량 실린지펌프와 여과막을 이용한 다채널 막오염지수 측정 방법을 나타내는 동작흐름도이고, 도 8은 도 7에 도시된 S120 단계를 구체적으로 나타내는 동작흐름도이다.
도 3 및 도 7을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 직렬 운전모드로 구현된 고압 정유량 실린지펌프와 여과막을 이용한 다채널 막오염지수 측정 방법은, 압력지연삼투 공정 또는 역삼투막 공정에서 저농도 유입수가 공급되는 다공성 지지층에서 입자성 물질, 콜로이드 및 유기물에 의한 막오염을 실시간 모니터링하기 위한 막오염지수 측정 방법으로서, 먼저, 압력지연삼투막 또는 역삼투막에 대한 막오염지수를 측정할 대상원수를 샘플링하여 제1 저장조인 샘플수 저장조(111)에 저장한다(S110).
다음으로, 샘플수를 직렬로 연결된 제1 내지 제4 고압 정유량 실린지펌프(121~124) 및 제1 내지 제4 여과막 홀더(141~144)를 경유하도록 여과를 실시하고, 제1 내지 제4 압력센서(151~154)가 각각의 압력을 감지한다(S120).
구체적으로, 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 제1 저장조인 샘플수 저장조(111)에 저장된 샘플수가 상기 제1 고압 정유량 실린지펌프(121) 및 상기 제1 여과막 홀더인 정밀여과막 홀더(141)를 통과하도록 처리된 정밀여과막 처리수를 제2 저장조인 정밀여과막 처리수 저장조(112)에 저장한다(S121).
다음으로, 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 제1 고압 정유량 실린지펌프(121) 및 정밀여과막 홀더(141) 사이에 설치된 제1 압력센서(151)가 압력값을 감지한다(S122).
다음으로, 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 제2 저장조인 정밀여과막 처리수 저장조(112)에 저장된 정밀여과막 처리수가 상기 제2 고압 정유량 실린지펌프(122) 및 상기 제2 여과막 홀더인 제1 한외여과막 홀더(142)를 통과하도록 처리된 제1 한외여과막 처리수를 제3 저장조인 제1 한외여과막 처리수 저장조(113)에 저장한다(S123).
다음으로, 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 제2 고압 정유량 실린지펌프(122) 및 제1 한외여과막 홀더(142) 사이에 설치된 제2 압력센서(152)가 압력값을 감지한다(S124).
다음으로, 상기 제1 한외여과막 처리수 저장조(113)에 저장된 제1 한외여과막 처리수가 상기 제3 고압 정유량 실린지펌프(123) 및 상기 제3 여과막 홀더인 제2 한외여과막 홀더(143)를 통과하도록 처리된 제2 한외여과막 처리수를 제4 저장조인 제2 한외여과막 처리수 저장조(114)에 저장한다(S125).
다음으로, 상기 제3 고압 정유량 실린지펌프(123) 및 제2 한외여과막 홀더(143) 사이에 설치된 제3 압력센서(153)가 압력값을 감지한다(S126).
다음으로, 상기 제2 한외여과막 처리수 저장조(114)에 저장된 제2 한외여과막 처리수가 상기 제4 고압 정유량 실린지펌프(124) 및 상기 제4 여과막 홀더인 제3 한외여과막 홀더(144)를 통과하도록 처리된 제3 한외여과막 처리수를 드레인 배관을 통해 배출한다(S127).
다음으로, 상기 제4 고압 정유량 실린지펌프(124) 및 제3 한외여과막 홀더(144) 사이에 설치된 제4 압력센서(154)가 압력값을 감지한다(S128).
다음으로, 도 7을 다시 참조하면, 연산 및 제어 유닛(170)이 상기 제1 내지 제4 압력센서(151~154)가 각각 감지한 압력값에 따라 플럭스별 압력변화를 각각 판단한다(S130).
다음으로, 상기 연산 및 제어 유닛(170)이 각각의 플럭스별 압력변화에 대응하는 기울기 및 절편에 따라 오염속도에 대응하는 막오염지수(FI)를 산출한다(S140).
다음으로, 상기 연산 및 제어 유닛(170)이 여과막별 막오염지수(FI)에 근거하여 여과막별 수정 막오염지수(MFI)를 산출하고, 이를 정규화하여 막오염지수를 정량화한다(S150).
구체적으로, 본 발명의 실시예에 따른 직렬 운전모드의 고압 정유량 실린지펌프와 여과막을 이용한 다채널 막오염지수 측정 방법에서 다채널 막오염지수는 다음의 수학식 3 및 수학식 4를 이용하여 산출할 수 있다. 먼저, 막간차압(Trans Membrane Pressure drop: TMP)(
Figure 112016066151482-pat00055
)은 다음의 수학식 3과 같이 주어진다.
Figure 112016066151482-pat00056
여기서,
Figure 112016066151482-pat00057
는 투과수의 플럭스[L/㎡ㅇ hr]를 나타내고,
Figure 112016066151482-pat00058
는 점성계수[㎏/m s]를 나타내며,
Figure 112016066151482-pat00059
은 막여과저항[m-1]을 나타내고,
Figure 112016066151482-pat00060
는 오염속도에 대응하는 막오염지수를 나타낸다.
이때, 상기 오염속도에 대응하는 막오염지수(
Figure 112016066151482-pat00061
)는 여과막 홀더에서 측정한 압력값을 오염속도 지수로 나타낸 값으로, 본 발명의 실시예에 따른 실험으로 측정하되, 플럭스별 압력변화 관계의 기울기(
Figure 112016066151482-pat00062
)로부터 다음의 수학식 4와 같이 구할 수 있다.
Figure 112016066151482-pat00063
여기서,
Figure 112016066151482-pat00064
는 측정 시간동안 상승한 압력의 기울기를 나타내며,
Figure 112016066151482-pat00065
는 플럭스[L/㎡ㅇ hr]를 나타내고,
Figure 112016066151482-pat00066
는 점성계수[㎏/mㅇ s]를 각각 나타낸다. 즉, 상기와 같이 기울기(
Figure 112016066151482-pat00067
)가 구해지면, 상기 오염속도에 대응하는 막오염지수(
Figure 112016066151482-pat00068
)를 구할 수 있고, 이에 따라 상기 오염속도에 대응하는 막오염지수(
Figure 112016066151482-pat00069
)에 근거하여 수정 막오염지수(
Figure 112016066151482-pat00070
)를 다음의 수학식 5와 같이 산출할 수 있다.
Figure 112016066151482-pat00071
여기서,
Figure 112016066151482-pat00072
는 점성계수[㎏/mㅇ s]를 나타내고,
Figure 112016066151482-pat00073
는 오염속도에 대응하는 막오염지수를 나타내며,
Figure 112016066151482-pat00074
는 공급 압력을 나타내고,
Figure 112016066151482-pat00075
는 물 여과계수를 각각 나타낸다.
이때, 본 발명의 실시예에 따른 고압 정유량 실린지펌프와 여과막을 이용한 다채널 막오염지수 측정 방법에 의해 상기
Figure 112016066151482-pat00076
와 상기
Figure 112016066151482-pat00077
가 측정되며, 각각의
Figure 112016066151482-pat00078
와
Figure 112016066151482-pat00079
값은 사용된 여과막의 공극 크기와 샘플수의 입자 크기에 따라 매우 다양하게 나타날 수 있다.
다음으로, 도 7을 다시 참조하면, 상기 연산 및 제어 유닛(170)이 여과막의 케익 및 압력지연삼투막 또는 역삼투막의 케익의 차이에 대응하는 케익층 비저항을 산출한다(S160).
다음으로, 상기 연산 및 제어 유닛(170)이 여과막의 표면상 입자 침적인자 및 유기물 침적인자를 산출한다(S170).
다음으로, 상기 연산 및 제어 유닛(170)이 상기 케익층 비저항, 상기 입자 침적인자 및 상기 유기물 침적인자에 따라 막간 차압의 상승 15% 지점 또는 플럭스 저하 15% 지점까지 도달하는 시간으로부터 압력지연삼투막 또는 역삼투막의 세정시기를 결정한다(S180).
구체적으로, 초기 막간차압의 상승(또는 균등화된 플럭스)으로 인해 초기값보다 15% 줄어드는데 걸리는 시간(
Figure 112016066151482-pat00080
)은 다음의 수학식 6과 같이 산출할 수 있다.
Figure 112016066151482-pat00081
여기서,
Figure 112016066151482-pat00082
은 여과하면서 형성된 케익층으로 인한 상승하는 압력 손실(Pressure Drop)을 나타내며,
Figure 112016066151482-pat00083
은 초기의 분리막 자체의 압력 손실을 나타내고,
Figure 112016066151482-pat00084
는 플럭스[L/㎡ㅇ hr]를 나타내고,
Figure 112016066151482-pat00085
는 점성계수[㎏/mㅇ s]를 각각 나타낸다. 또한,
Figure 112016066151482-pat00086
은 잔류물(Retentate)의 막오염지수로서,
Figure 112016066151482-pat00087
와 분리막 표면상의 케익 형성 정도에 따라 산출되는 값이며, 상기
Figure 112016066151482-pat00088
은 다음의 수학식 7과 같이 산출할 수 있다.
Figure 112016066151482-pat00089
여기서,
Figure 112016066151482-pat00090
는 케익 비율인자(Cake Ratio Factor)로서,
Figure 112016066151482-pat00091
측정에 사용된 여과막 상의 케익과 압력지연삼투막 또는 역삼투막 상의 케익의 차이를 나타내며,
Figure 112016066151482-pat00092
는 오염속도에 대응하는 막오염지수(Fouling index)로서, 전술한 수학식 4와 같이 산출할 수 있고, 또한,
Figure 112016066151482-pat00093
은 입자 침적인자(Particle Deposition Factor)로서, 다음의 수학식 8에 의해 산출할 수 있다.
Figure 112016066151482-pat00094
여기서,
Figure 112016066151482-pat00095
는 농축수에 대한
Figure 112016066151482-pat00096
를 나타내며,
Figure 112016066151482-pat00097
는 공급수에 대한
Figure 112016066151482-pat00098
를 나타내고,
Figure 112016066151482-pat00099
은 회수율(Recovery: [%])을 각각 나타낸다.
다시 말하면, 전술한 바와 같이 측정된
Figure 112016066151482-pat00100
와
Figure 112016066151482-pat00101
는 압력지연삼투막 및 역삼투막의 세정시기 결정을 판단하는데 활용된다. 예를 들면, 압력지연삼투막 또는 역삼투막의 경우, 전술한 바와 같이
Figure 112016066151482-pat00102
와
Figure 112016066151482-pat00103
를 측정할 수 있고, 이에 따라 정상운전 조건에서 압력(막간 차압) 또는 운전 플럭스가 각각 15% 감소하는데 걸리는 시간을 계산함으로써 압력지연삼투막 및 역삼투막의 세정시기를 결정할 수 있다.
이때, 상기 압력지연삼투막 및 역삼투막의 세정시기에서 압력지연삼투막 또는 역삼투막의 물리화학적 세정을 실시하여 투과능을 회복시켜야 한다. 또한, 상기
Figure 112016066151482-pat00104
측정에 사용한 여과막 상에 형성된 케익과 압력지연삼투막 또는 역삼투막 상에 형성된 케익의 차이를 나타내는 케익 비율인자(Cake Ratio Factor:
Figure 112016066151482-pat00105
)와 현재의 압력지연삼투막 또는 역삼투막의 표면에 쌓인 입자의 비를 나타내는 입자 침적인자(
Figure 112016066151482-pat00106
)를 이용하여 계산할 수 있다.
특히,
Figure 112016066151482-pat00107
측정에 사용된 정밀여과막(MF) 및 100kDa(킬로돌턴)의 한외여과막(UF)의 경우, 주로 입자를 물리적으로 제거하는 기작을 가지고 있기 때문에 입자 침적인자(
Figure 112016066151482-pat00108
)에 사용하고, 또한, 50kDa 한외여과막(UF) 또는 10kDa 한외여과막(UF)은 유기물을 특징적으로 제거할 수 있기 때문에 유기물 침적인자(Organic Deposition Factor:
Figure 112016066151482-pat00109
)로 사용한다.
이러한 케익 비율인자(
Figure 112016066151482-pat00110
), 입자 침적인자(
Figure 112016066151482-pat00111
) 및 유기물 침적인자(
Figure 112016066151482-pat00112
)에 대한 구체적인 산출 절차는 전술한 수학식 6, 수학식 7 및 수학식 8에 따른다.
여기서, 전술한 수학식 8에서 입자 침적인자(
Figure 112016066151482-pat00113
) 값이 0이라는 의미는 도 2에 도시된 압력지연삼투막 또는 역삼투막 상에 입자가 쌓이지 않는다는 것을 의미하며, 입자 침적인자(
Figure 112016066151482-pat00114
) 값이 1이라는 의미는 유입수의 모든 입자가 도 2에 도시된 압력지연삼투막 또는 역삼투막 상에 쌓이는 것을 의미한다. 또한, 상기 입자 침적인자(
Figure 112016066151482-pat00115
) 값이 1보다 큰 경우도 마찬가지로 유입수의 모든 입자가 압력지연삼투막 또는 역삼투막 상에 쌓이는 것을 의미하며, 입자 침적인자(
Figure 112016066151482-pat00116
) 값이 0보다 작은 것은 일부 압력지연삼투막 또는 역삼투막이 포함된 압력용기에서 일부 제거된 것을 의미한다.
[병렬 운전모드의 다채널 막오염지수 측정 시스템(200)]
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 고압 정유량 실린지펌프와 여과막을 이용한 다채널 막오염지수 측정 시스템이 병렬 운전모드로 구현되는 것을 나타내는 구성도이다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 병렬 운전모드로 구현되는 고압 정유량 실린지펌프와 여과막을 이용한 다채널 막오염지수 측정 시스템(200)은, 압력지연삼투 공정 또는 역삼투막 공정에서 저농도 유입수가 공급되는 다공성 지지층에서 입자성 물질, 콜로이드 및 유기물에 의한 막오염을 실시간 모니터링하기 위한 막오염지수 측정 시스템으로서, 병렬 운전모드로 구성되며, 저장조(210), 다채널 연결배관(220), 샘플수 선택부(230), 고압 정유량 실린지펌프(240), 연결배관(251, 252, 253, 254), 압력센서(260), 여과막 홀더(270) 및 연산 및 제어 유닛(280)을 포함한다.
저장조(210)는 막오염 유발물질을 포함한 대상원수를 샘플링한 적어도 3개 이상의 샘플수를 각각 저장하도록 다채널 배치된다. 예를 들면, 상기 저장조(210)는 제1 샘플수 저장조(211), 제2 샘플수 저장조(212), 제3 샘플수 저장조(213) 및 제4 샘플수 저장조(214)로 이루어지며, 이때, 상기 저장조(210)에 저장되는 샘플수는 막오염물질의 종류나 농도가 동일한 샘플수이거나 또는 막오염물질의 종류나 농도가 상이한 샘플수일 수 있다.
샘플수 선택부(230)는 상기 저장조(210)에 저장되어 다채널 연결배관(220)을 통해 공급되는 적어도 3개 이상의 샘플수 중 어느 하나를 선택한다.
고압 정유량 실린지펌프(240)는 적어도 3개 이상 다채널 배치되고, 상기 샘플수 선택부(230)에서 선택된 샘플수를 각각 상이한 압력으로 정유량 공급한다. 예를 들면, 상기 고압 정유량 실린지펌프(240)는 제1 고압 정유량 실린지펌프(241), 제2 고압 정유량 실린지펌프(242), 제3 고압 정유량 실린지펌프(243) 및 제4 고압 정유량 실린지펌프(244)를 포함할 수 있다.
압력센서(260)는 상기 고압 정유량 실린지펌프(240) 및 여과막 홀더(270) 사이에 각각 설치되어 압력값을 각각 감지한다. 예를 들면, 상기 압력센서(260)는 제1 압력센서(261), 제2 압력센서(262), 제3 압력센서(263) 및 제4 압력센서(264)를 포함할 수 있다.
여과막 홀더(270)는 적어도 3개 이상 병렬로 다채널 배치되고, 각각 상이한 공극 크기를 갖는 여과막이 내재되어, 상기 고압 정유량 실린지펌프(240)로부터 정유량 공급되는 샘플수를 각각 여과한다. 예를 들면, 상기 여과막 홀더(270)는 정밀여과막 홀더(271), 제1 한외여과막 홀더(272), 제2 한외여과막 홀더(273) 및 제3 한외여과막 홀더(274)를 포함할 수 있다.
연산 및 제어 유닛(280)은 병렬 운전모드에서, 상기 적어도 3개 이상의 고압 정유량 실린지펌프(240)의 압력 설정을 각각 제어하고, 상기 적어도 3개 이상의 압력센서(260)에서 각각 감지된 압력값을 모니터링하여 플럭스별 압력변화의 상관성을 통해 막오염 속도에 대응하는 막오염지수(FI)를 산출하고, 상기 산출된 막오염지수(FI)에 근거한 수정 막오염지수(MFI)를 산출하여 막오염지수를 정량화한다. 또한, 상기 연산 및 제어 유닛(280)은 상기 막오염지수(FI) 및 상기 수정 막오염지수(MFI)에 따라 여과막의 케익 및 압력지연삼투막 또는 역삼투막의 케익의 차이에 대응하는 케익층 비저항을 산출하고, 여과막의 표면상 입자 침적인자 및 유기물 침적인자를 산출하여 압력지연삼투막 또는 역삼투막의 세정시기를 결정할 수 있다.
따라서 상기 연산 및 제어 유닛(170)은 상기 막오염지수(FI) 및 상기 수정 막오염지수(MFI)에 따라 막간 차압의 상승 15% 지점 또는 플럭스 저하 15% 지점까지 도달하는 시간을 결정하여 압력지연삼투막 또는 역삼투막의 세정시기를 결정할 수 있다. 여기서, 상기 연산 및 제어 유닛(280)은 입자에 의한 오염의 비가 유기물에 의한 오염의 비보다 클 경우 물리적 세정을 강화하여 막 성능을 회복하고, 유기물에 의한 오염의 비가 입자에 의한 오염의 비보다 클 경우 물리적 세정과 화학적 세정을 강화하여 막 성능을 회복할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 정유량 방식의 병렬 운전모드로 구현되는 고압 정유량 실린지펌프와 여과막을 이용한 다채널 막오염지수 측정 시스템에서, 다채널 막오염지수는 전술한 수학식 4와 수학식 5를 이용하여 산출할 수 있다. 이때, 병렬 운전모드에서는 동일한 압력이지만, 다른 플럭스 조건으로 운전하는 모드이기 때문에,
Figure 112016066151482-pat00117
(막오염지수)는 여과막 표면의 케익층의 저항과 비례하고, 이를 통해 케익층 여과저항을 산출함으로써 압력지연삼투막 및 역삼투막 상에 미치는 막오염 경향을 파악할 수 있고, 정밀여과막 또는 한외여과막의 경우, 임계플럭스 개념의 케익층 여과저항을 최소한으로 유지할 수 있는 운전플럭스를 산출할 수 있다.
[병렬 운전모드의 다채널 막오염지수 측정 방법]
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 병렬 운전모드로 구현된 고압 정유량 실린지펌프와 여과막을 이용한 다채널 막오염지수 측정 방법을 나타내는 동작흐름도이다.
도 10을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 병렬 운전모드로 구현된 고압 정유량 실린지펌프와 여과막을 이용한 다채널 막오염지수 측정 방법은, 압력지연삼투 공정 또는 역삼투막 공정에서 저농도 유입수가 공급되는 다공성 지지층에서 입자성 물질, 콜로이드 및 유기물에 의한 막오염을 실시간 모니터링하기 위한 막오염지수 측정 방법으로서, 먼저, 막오염지수를 측정할 대상원수를 샘플링하여 제1 내지 제4 샘플수 저장조(211, 212, 213, 214)에 저장한다(S210). 이때, 상기 제1 내지 제4 샘플수 저장조(211, 212, 213, 214)에 저장되는 샘플수는 막오염물질의 종류나 농도가 동일한 샘플수이거나 또는 막오염물질의 종류나 농도가 상이한 샘플수일 수 있다.
다음으로, 상기 제1 내지 제4 샘플수 저장조(211, 212, 213, 214)에 연결되어 다채널 연결배관(220)을 통해 공급되는 샘플수 중에서 막오염지수를 측정할 샘플수를 선택한다(S220).
다음으로, 상기 선택된 샘플수를 병렬로 연결된 제1 내지 제4 고압 정유량 실린지펌프(240) 및 제1 내지 제4 여과막 홀더(270)를 경유하도록 여과를 실시하고, 제1 내지 제4 압력센서(261, 262, 263, 264)가 각각의 압력을 감지한다(S230). 이때, 상기 병렬로 연결된 제1 내지 제4 고압 정유량 실린지펌프(241, 242, 243, 244)는 실제 수처리 플랜트와 동일한 정유량 방식으로 상기 제1 내지 제4 샘플수 저장조(211, 212, 213, 214)에 저장된 샘플수를 고압의 정유량으로 공급하게 된다.
다음으로, 상기 제1 내지 제4 압력센서가 각각 감지한 압력값에 따라 연산 및 제어 유닛(280)이 플럭스별 압력변화를 각각 판단한다(S240).
다음으로, 상기 연산 및 제어 유닛(280)이 각각의 플럭스별 압력변화에 대응하는 기울기 및 절편에 따라 오염속도에 대응하는 막오염지수(FI)를 산출한다(S250).
다음으로, 상기 연산 및 제어 유닛(280)이 상기 여과막별 막오염지수(FI)에 근거하여 여과막별 수정 막오염지수(MFI)를 산출하고, 이를 정규화하여 막오염지수를 정량화한다(S260).
다음으로, 상기 연산 및 제어 유닛(280)이 여과막의 케익 및 압력지연삼투막 또는 역삼투막의 케익의 차이에 대응하는 케익층 비저항을 산출한다(S270).
다음으로, 상기 연산 및 제어 유닛(280)이 여과막의 표면상 입자 침적인자 및 유기물 침적인자를 각각 산출한다(S280).
다음으로, 상기 연산 및 제어 유닛(280)이 상기 케익층 비저항, 상기 입자 침적인자 및 상기 유기물 침적인자에 따라 막간 차압의 상승 15% 지점 또는 플럭스 저하 15% 지점까지 도달하는 시간으로부터 압력지연삼투막 또는 역삼투막의 세정시기를 결정한다(S290). 이때, 상기 연산 및 제어 유닛(280)은 입자에 의한 오염의 비가 유기물에 의한 오염의 비보다 클 경우 물리적 세정을 강화하여 막 성능을 회복하고, 유기물에 의한 오염의 비가 입자에 의한 오염의 비보다 클 경우 물리적 세정과 화학적 세정을 강화하여 막 성능을 회복할 수 있다.
다시 말하면, 전술한 수학식 6 내지 수학식 8에 의하여 압력지연삼투막 또는 역삼투막 상에서 케익 형성에 대응하는 입자에 따른 막오염의 비와 유기물에 따른 막오염의 비(Ratio)를 각각 측정하여, 상기 입자에 따른 막오염의 비가 상기 유기물에 따른 막오염의 비보다 클 경우, 단지 물리적 세정을 강화하여 분리막의 성능을 회복할 수 있고, 또한, 상기 유기물에 따른 막오염의 비가 상기 입자에 따른 막오염의 비보다 클 경우, 물리적 세정과 화학적 세정을 모두 강화하여 분리막의 성능을 회복하는 의사결정을 지원할 수 있다.
한편, 도 11은 본 발명의 실시예에 따른 정유량 조건의 운전 플럭스 조건별 산출된 수정 막오염지수-한외여과막(MFI-UF)을 예시하는 도면이고, 도 12는 본 발명의 실시예에 따른 압력지연삼투막 또는 역삼투막의 유입수와 농축수의 MFI-UF에 대해 입자 침적인자를 산출한 것을 예시하는 도면으로서, 전술한 절차를 통해 압력지연삼투막 또는 역삼투막의 유입수와 농축수의 MFI-UF에 대해 입자 침적인자(
Figure 112016066151482-pat00118
)를 산출한 것을 나타낸다.
결국, 본 발명의 실시예에 따르면, 압력지연삼투막 또는 역삼투막이 적용된 수처리 시스템의 막오염지수를 해석하기 위하여 실제 분리막 공정과 동일한 플럭스를 유지하는 정유량 방식의 실린지펌프를 적용하고 다채널의 여과막에서 압력의 변화를 측정함으로써 수처리 시스템과 동일한 운전조건에서 막오염지수를 산출하여 정량화된 막오염지수를 측정할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 일정한 유속의 정유량 방식으로 구동하는 직렬 운전모드 또는 병렬 운전모드와 공극 크기가 상이한 3개 이상의 여과막을 이용하여 동일하거나 상이한 운전 플럭스에서 압력지연삼투막 또는 역삼투막의 지지층의 막오염을 지수화함으로써 입자성 물질, 콜로이드 및 유기물 등에 의한 막오염을 실시간 모니터링할 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100: 직렬 운전모드 막오염지수 측정 시스템
110: 저장조
111: 샘플수 저장조
112: 정밀여과막 처리수 저장조
113: 제1 한외여과막 처리수 저장조
114: 제2 한외여과막 처리수 저장조
120: 고압 정유량 실린지펌프
121: 제1 고압 정유량 실린지펌프
122: 제2 고압 정유량 실린지펌프
123: 제3 고압 정유량 실린지펌프
124: 제4 고압 정유량 실린지펌프
131, 132, 133, 134: 연결배관
140: 여과막 홀더
141: 정밀여과막(MF) 홀더
142: 제1 한외여과막(UF) 홀더
143: 제2 한외여과막(UF) 홀더
144: 제3 한외여과막(UF) 홀더
150: 압력센서
151: 제1 압력센서
152: 제2 압력센서
153: 제3 압력센서
154: 제4 압력센서
161: 정밀여과막 처리수 유입배관
162: 제1 한외여과막 처리수 유입배관
163: 제2 한외여과막 처리수 유입배관
170: 연산 및 제어 유닛
171: 실린지펌프 압력 설정부
172: 압력 데이터 수집부
173: 플럭스별 압력변화 판단부
174: 여과막별 막오염지수(FI) 산출부
175: 여과막별 수정 막오염지수(MFI) 산출부
176: 입자 및 유기물 침적인자 산출부
177: 케익층 비저항 산출부
178: 분리막 세정시기 판단부
200: 병렬 운전모드 막오염지수 측정 시스템
210: 저장조
211: 제1 샘플수 저장조
212: 제2 샘플수 저장조
213: 제3 샘플수 저장조
214: 제4 샘플수 저장조
220: 다채널 연결배관
230: 샘플수 선택부
240: 고압 정유량 실린지펌프
241: 제1 고압 정유량 실린지펌프
242: 제2 고압 정유량 실린지펌프
243: 제3 고압 정유량 실린지펌프
244: 제4 고압 정유량 실린지펌프
251, 252, 253, 254: 연결배관
260: 압력센서
261: 제1 압력센서
262: 제2 압력센서
263: 제3 압력센서
264: 제4 압력센서
270: 여과막 홀더
271: 정밀여과막 홀더
272: 제1 한외여과막 홀더
273: 제2 한외여과막 홀더
274: 제3 한외여과막 홀더
280: 연산 및 제어 유닛

Claims (22)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 압력지연삼투 공정 또는 역삼투막 공정에서 저농도 유입수가 공급되는 다공성 지지층에서 입자성 물질, 콜로이드 및 유기물에 의한 막오염을 실시간 모니터링하기 위한 막오염지수 측정 시스템에 있어서,
    막오염 유발물질을 포함한 대상원수를 샘플링한 적어도 3개 이상의 샘플수를 각각 저장하도록 다채널 배치되는 저장조(210);
    상기 저장조(210)에 저장되어 다채널 연결배관(220)을 통해 공급되는 적어도 3개 이상의 샘플수 중 어느 하나를 선택하는 샘플수 선택부(230);
    적어도 3개 이상 다채널 배치되고, 상기 샘플수 선택부(230)에서 선택된 샘플수를 각각 상이한 압력으로 정유량 공급하는 고압 정유량 실린지펌프(240);
    적어도 3개 이상 병렬로 다채널 배치되고, 각각 상이한 공극 크기를 갖는 여과막이 내재되어, 상기 고압 정유량 실린지펌프(240)로부터 정유량 공급되는 샘플수를 각각 여과하는 여과막 홀더(270);
    상기 고압 정유량 실린지펌프(240) 및 여과막 홀더(270) 사이에 각각 설치되어 압력값을 각각 감지하는 압력센서(260); 및
    병렬 운전모드에서, 상기 적어도 3개 이상의 고압 정유량 실린지펌프(240)의 압력 설정을 각각 제어하고, 상기 적어도 3개 이상의 압력센서(260)에서 각각 감지된 압력값을 모니터링하여 플럭스별 압력변화의 상관성을 통해 막오염 속도에 대응하는 막오염지수(FI)를 산출하고, 상기 산출된 막오염지수(FI)에 근거한 수정 막오염지수(MFI)를 산출하여 막오염지수를 정량화하는 연산 및 제어 유닛(280)
    을 포함하되,
    상기 연산 및 제어 유닛(280)은 상기 막오염지수(FI) 및 상기 수정 막오염지수(MFI)에 따라 여과막의 케익 및 압력지연삼투막 또는 역삼투막의 케익의 차이에 대응하는 케익층 비저항을 산출하고, 여과막의 표면상 입자 침적인자 및 유기물 침적인자를 산출하여 압력지연삼투막 또는 역삼투막의 세정시기를 결정하는 것을 특징으로 하는 고압 정유량 실린지펌프와 여과막을 이용한 다채널 막오염지수 측정 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 저장조(210)에 저장되는 샘플수는 막오염물질의 종류나 농도가 동일한 샘플수이거나 또는 막오염물질의 종류나 농도가 상이한 샘플수인 것을 특징으로 하는 고압 정유량 실린지펌프와 여과막을 이용한 다채널 막오염지수 측정 시스템.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 연산 및 제어 유닛(170)은 상기 막오염지수(FI) 및 상기 수정 막오염지수(MFI)에 따라 막간 차압의 상승 15% 지점 또는 플럭스 저하 15% 지점까지 도달하는 시간을 결정하여 압력지연삼투막 또는 역삼투막의 세정시기를 결정하는 것을 특징으로 하는 고압 정유량 실린지펌프와 여과막을 이용한 다채널 막오염지수 측정 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 연산 및 제어 유닛(280)은 입자에 의한 오염의 비가 유기물에 의한 오염의 비보다 클 경우 물리적 세정을 강화하여 막 성능을 회복하고, 유기물에 의한 오염의 비가 입자에 의한 오염의 비보다 클 경우 물리적 세정과 화학적 세정을 강화하여 막 성능을 회복하는 것을 특징으로 하는 고압 정유량 실린지펌프와 여과막을 이용한 다채널 막오염지수 측정 시스템.
  13. 압력지연삼투 공정 또는 역삼투막 공정에서 저농도 유입수가 공급되는 다공성 지지층에서 입자성 물질, 콜로이드 및 유기물에 의한 막오염을 실시간 모니터링하기 위한 막오염지수 측정 방법에 있어서,
    a) 압력지연삼투막 또는 역삼투막에 대한 막오염지수를 측정할 대상원수를 샘플링하여 제1 저장조인 샘플수 저장조(111)에 저장하는 단계;
    b) 샘플수를 직렬로 연결된 제1 내지 제4 고압 정유량 실린지펌프(121~124) 및 제1 내지 제4 여과막 홀더(141~144)를 경유하도록 여과를 실시하고, 제1 내지 제4 압력센서(151~154)가 각각의 압력을 감지하는 단계;
    c) 연산 및 제어 유닛(170)이 상기 제1 내지 제4 압력센서(151~154)가 각각 감지한 압력값에 따라 플럭스별 압력변화를 각각 판단하는 단계;
    d) 상기 연산 및 제어 유닛(170)이 각각의 플럭스별 압력변화에 대응하는 기울기 및 절편에 따라 오염속도에 대응하는 막오염지수(FI)를 산출하는 단계;
    e) 상기 연산 및 제어 유닛(170)이 여과막별 막오염지수(FI)에 근거하여 여과막별 수정 막오염지수(MFI)를 산출하고, 이를 정규화하여 막오염지수를 정량화하는 단계;
    f) 상기 연산 및 제어 유닛(170)이 여과막의 케익 및 압력지연삼투막 또는 역삼투막의 케익의 차이에 대응하는 케익층 비저항을 산출하는 단계;
    g) 상기 연산 및 제어 유닛(170)이 여과막의 표면상 입자 침적인자 및 유기물 침적인자를 산출하는 단계; 및
    h) 상기 연산 및 제어 유닛(170)이 상기 케익층 비저항, 상기 입자 침적인자 및 상기 유기물 침적인자에 따라 막간 차압의 상승 15% 지점 또는 플럭스 저하 15% 지점까지 도달하는 시간으로부터 압력지연삼투막 또는 역삼투막의 세정시기를 결정하는 단계를 포함하되,
    상기 직렬로 연결된 제1 내지 제4 고압 정유량 실린지펌프(121~124)는 실제 수처리 플랜트와 동일한 정유량 방식으로 상기 샘플수 저장조(111)에 저장된 샘플수 및 여과막 처리수를 고압의 정유량으로 공급하며,
    상기 h) 단계에서 초기 막간차압의 상승(또는 균등화된 플럭스)으로 인해 초기값보다 15% 줄어드는데 걸리는 시간(
    Figure 112017108216493-pat00163
    )은,
    Figure 112017108216493-pat00164
    로 주어지고, 여기서,
    Figure 112017108216493-pat00165
    은 여과하면서 형성된 케익층으로 인한 상승하는 압력 손실(Pressure Drop)을 나타내며,
    Figure 112017108216493-pat00166
    은 초기의 분리막 자체의 압력 손실을 나타내고,
    Figure 112017108216493-pat00167
    는 플럭스[L/㎡ㅇ hr]를 나타내고,
    Figure 112017108216493-pat00168
    는 점성계수[㎏/mㅇ s]를 각각 나타내며,
    Figure 112017108216493-pat00169
    은 잔류물(Retentate)의 막오염지수로서,
    Figure 112017108216493-pat00170
    와 분리막 표면상의 케익 형성 정도에 따라 산출되는 값인 것을 특징으로 하는 고압 정유량 실린지펌프와 여과막을 이용한 다채널 막오염지수 측정 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 d) 단계에서 상기 오염속도에 대응하는 막오염지수(
    Figure 112016066151482-pat00119
    )는 상기 여과막 홀더(140)에서 측정한 압력값을 오염속도 지수로 나타낸 값으로, 플럭스별 압력변화 관계의 기울기(
    Figure 112016066151482-pat00120
    )로부터
    Figure 112016066151482-pat00121
    로 주어지고, 여기서,
    Figure 112016066151482-pat00122
    는 측정 시간동안 상승한 압력의 기울기를 나타내며,
    Figure 112016066151482-pat00123
    는 플럭스[L/㎡ㅇ hr]를 나타내고,
    Figure 112016066151482-pat00124
    는 점성계수[㎏/mㅇ s]를 각각 나타내는 것을 특징으로 하는 고압 정유량 실린지펌프와 여과막을 이용한 다채널 막오염지수 측정 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 e) 단계에서 여과막별 수정 막오염지수(MFI)는
    Figure 112016066151482-pat00125
    로 주어지고, 여기서,
    Figure 112016066151482-pat00126
    는 점성계수[㎏/mㅇ s]를 나타내고,
    Figure 112016066151482-pat00127
    는 오염속도에 대응하는 막오염지수를 나타내며,
    Figure 112016066151482-pat00128
    는 공급 압력을 나타내고,
    Figure 112016066151482-pat00129
    는 물 여과계수를 각각 나타내는 것을 특징으로 하는 고압 정유량 실린지펌프와 여과막을 이용한 다채널 막오염지수 측정 방법.
  16. 삭제
  17. 제13항에 있어서,
    상기
    Figure 112017108216493-pat00138
    은
    Figure 112017108216493-pat00139
    로 주어지고, 여기서,
    Figure 112017108216493-pat00140
    는 케익 비율인자(Cake Ratio Factor)로서,
    Figure 112017108216493-pat00141
    측정에 사용된 여과막 상의 케익과 압력지연삼투막 또는 역삼투막 상의 케익의 차이를 나타내며,
    Figure 112017108216493-pat00142
    는 오염속도에 대응하는 막오염지수(Fouling index)이며,
    Figure 112017108216493-pat00143
    은 입자 침적인자(Particle Deposition Factor)인 것을 특징으로 하는 고압 정유량 실린지펌프와 여과막을 이용한 다채널 막오염지수 측정 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 입자 침적인자(
    Figure 112016066151482-pat00144
    )는
    Figure 112016066151482-pat00145
    로 주어지고, 여기서,
    Figure 112016066151482-pat00146
    는 농축수에 대한
    Figure 112016066151482-pat00147
    를 나타내며,
    Figure 112016066151482-pat00148
    는 공급수에 대한
    Figure 112016066151482-pat00149
    를 나타내고,
    Figure 112016066151482-pat00150
    은 회수율(Recovery: [%])을 각각 나타내는 것을 특징으로 하는 고압 정유량 실린지펌프와 여과막을 이용한 다채널 막오염지수 측정 방법.
  19. 제13항에 있어서, 상기 b) 단계는,
    b-1) 상기 제1 저장조인 샘플수 저장조(111)에 저장된 샘플수가 상기 제1 고압 정유량 실린지펌프(121) 및 상기 제1 여과막 홀더인 정밀여과막 홀더(141)를 통과하도록 처리된 정밀여과막 처리수를 제2 저장조인 정밀여과막 처리수 저장조(112)에 저장하는 단계;
    b-2) 상기 제1 고압 정유량 실린지펌프(121) 및 정밀여과막 홀더(141) 사이에 설치된 제1 압력센서(151)가 압력값을 감지하는 단계;
    b-3) 상기 제2 저장조인 정밀여과막 처리수 저장조(112)에 저장된 정밀여과막 처리수가 상기 제2 고압 정유량 실린지펌프(122) 및 상기 제2 여과막 홀더인 제1 한외여과막 홀더(142)를 통과하도록 처리된 제1 한외여과막 처리수를 제3 저장조인 제1 한외여과막 처리수 저장조(113)에 저장하는 단계;
    b-4) 상기 제2 고압 정유량 실린지펌프(122) 및 제1 한외여과막 홀더(142) 사이에 설치된 제2 압력센서(152)가 압력값을 감지하는 단계;
    b-5) 상기 제1 한외여과막 처리수 저장조(113)에 저장된 제1 한외여과막 처리수가 상기 제3 고압 정유량 실린지펌프(123) 및 상기 제3 여과막 홀더인 제2 한외여과막 홀더(143)를 통과하도록 처리된 제2 한외여과막 처리수를 제4 저장조인 제2 한외여과막 처리수 저장조(114)에 저장하는 단계;
    b-6) 상기 제3 고압 정유량 실린지펌프(123) 및 제2 한외여과막 홀더(143) 사이에 설치된 제3 압력센서(153)가 압력값을 감지하는 단계;
    b-7) 상기 제2 한외여과막 처리수 저장조(114)에 저장된 제2 한외여과막 처리수가 상기 제4 고압 정유량 실린지펌프(124) 및 상기 제4 여과막 홀더인 제3 한외여과막 홀더(144)를 통과하도록 처리된 제3 한외여과막 처리수를 드레인 배관을 통해 배출하는 단계; 및
    b-8) 상기 제4 고압 정유량 실린지펌프(124) 및 제3 한외여과막 홀더(144) 사이에 설치된 제4 압력센서(154)가 압력값을 감지하는 단계
    를 포함하는 고압 정유량 실린지펌프와 여과막을 이용한 다채널 막오염지수 측정 방법.
  20. 압력지연삼투 공정 또는 역삼투막 공정에서 저농도 유입수가 공급되는 다공성 지지층에서 입자성 물질, 콜로이드 및 유기물에 의한 막오염을 실시간 모니터링하기 위한 막오염지수 측정 방법에 있어서,
    a) 막오염지수를 측정할 대상원수를 샘플링하여 제1 내지 제4 샘플수 저장조(211, 212, 213, 214)에 저장하는 단계:
    b) 상기 제1 내지 제4 샘플수 저장조(211, 212, 213, 214)에 연결되어 다채널 연결배관(220)을 통해 공급되는 샘플수 중에서 막오염지수를 측정할 샘플수를 선택하는 단계;
    c) 상기 선택된 샘플수를 병렬로 연결된 제1 내지 제4 고압 정유량 실린지펌프(241, 242, 243, 244) 및 제1 내지 제4 여과막 홀더(271, 272, 273, 274)를 경유하도록 여과를 실시하고, 제1 내지 제4 압력센서(261, 262, 263, 264)가 각각의 압력 감지하는 단계;
    d) 상기 제1 내지 제4 압력센서가 각각 감지한 압력값에 따라 연산 및 제어 유닛(280)이 플럭스별 압력변화를 각각 판단하는 단계;
    e) 상기 연산 및 제어 유닛(280)이 각각의 플럭스별 압력변화에 대응하는 기울기 및 절편에 따라 오염속도에 대응하는 막오염지수(FI)를 산출하는 단계; 및
    f) 상기 연산 및 제어 유닛(280)이 상기 여과막별 막오염지수(FI)에 근거하여 여과막별 수정 막오염지수(MFI)를 산출하고, 이를 정규화하여 막오염지수를 정량화하는 단계;
    g) 상기 연산 및 제어 유닛(280)이 여과막의 케익 및 압력지연삼투막 또는 역삼투막의 케익의 차이에 대응하는 케익층 비저항을 산출하는 단계;
    h) 상기 연산 및 제어 유닛(280)이 여과막의 표면상 입자 침적인자 및 유기물 침적인자를 각각 산출하는 단계; 및
    i) 상기 연산 및 제어 유닛(280)이 상기 케익층 비저항, 상기 입자 침적인자 및 상기 유기물 침적인자에 따라 막간 차압의 상승 15% 지점 또는 플럭스 저하 15% 지점까지 도달하는 시간으로부터 압력지연삼투막 또는 역삼투막의 세정시기를 결정하는 단계
    를 포함하되,
    상기 병렬로 연결된 제1 내지 제4 고압 정유량 실린지펌프(241, 242, 243, 244)는 실제 수처리 플랜트와 동일한 정유량 방식으로 상기 제1 내지 제4 샘플수 저장조(211, 212, 213, 214)에 저장된 샘플수를 고압의 정유량으로 공급하는 것을 특징으로 하는 고압 정유량 실린지펌프와 여과막을 이용한 다채널 막오염지수 측정 방법.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 a) 단계에서 제1 내지 제4 샘플수 저장조(211, 212, 213, 214)에 저장되는 샘플수는 막오염물질의 종류나 농도가 동일한 샘플수이거나 또는 막오염물질의 종류나 농도가 상이한 샘플수인 것을 특징으로 하는 고압 정유량 실린지펌프와 여과막을 이용한 다채널 막오염지수 측정 방법.
  22. 제20항에 있어서,
    상기 i) 단계에서 연산 및 제어 유닛(280)은 입자에 의한 오염의 비가 유기물에 의한 오염의 비보다 클 경우 물리적 세정을 강화하여 막 성능을 회복하고, 유기물에 의한 오염의 비가 입자에 의한 오염의 비보다 클 경우 물리적 세정과 화학적 세정을 강화하여 막 성능을 회복하는 것을 특징으로 하는 고압 정유량 실린지펌프와 여과막을 이용한 다채널 막오염지수 측정 방법.
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Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109696390A (zh) * 2019-01-28 2019-04-30 中山大学 电阻法测试薄膜气体透过率的装置及其制作、测试方法
CN109975191A (zh) * 2019-03-21 2019-07-05 江苏富淼科技股份有限公司 阻垢动态评估仪及其使用方法
CN110102189A (zh) * 2019-04-25 2019-08-09 宁波斯蒂罗科技有限公司 一种用于反渗透膜片的高精度检测装置
KR102082802B1 (ko) 2018-09-12 2020-02-28 코웨이엔텍 주식회사 고압펌프 가동률을 이용한 하수재이용 및 정수처리 ro 시스템의 제어 방법
CN111562351A (zh) * 2020-05-28 2020-08-21 中国大唐集团科学技术研究院有限公司华中电力试验研究院 一种反渗透设备进水水质污染指数的自动监测装置及方法
CN114965926A (zh) * 2022-05-20 2022-08-30 德斯科技术(南京)有限公司 一种模块化全自动无人值守污染指数测定系统及方法
CN114965926B (zh) * 2022-05-20 2024-04-26 德斯科技术(南京)有限公司 一种模块化全自动无人值守污染指数测定系统及方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008296087A (ja) 2007-05-29 2008-12-11 Hitachi Ltd 膜損傷検知方法および膜ろ過装置
KR101441493B1 (ko) 2014-01-17 2014-09-17 두산중공업 주식회사 여과막 오염 지수 측정 방법
KR101496100B1 (ko) 2014-09-26 2015-02-26 성균관대학교산학협력단 고회수율 막여과공정을 위한 막여과장치 및 그 세정 방법

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008296087A (ja) 2007-05-29 2008-12-11 Hitachi Ltd 膜損傷検知方法および膜ろ過装置
KR101441493B1 (ko) 2014-01-17 2014-09-17 두산중공업 주식회사 여과막 오염 지수 측정 방법
KR101496100B1 (ko) 2014-09-26 2015-02-26 성균관대학교산학협력단 고회수율 막여과공정을 위한 막여과장치 및 그 세정 방법

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
The Modified Fouling Index Ultrafiltration constant flux for assessing particulate-colloidal fouling of RO systems(Sergio G. S., Desalination 365, 2015)*

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102082802B1 (ko) 2018-09-12 2020-02-28 코웨이엔텍 주식회사 고압펌프 가동률을 이용한 하수재이용 및 정수처리 ro 시스템의 제어 방법
CN109696390A (zh) * 2019-01-28 2019-04-30 中山大学 电阻法测试薄膜气体透过率的装置及其制作、测试方法
CN109975191A (zh) * 2019-03-21 2019-07-05 江苏富淼科技股份有限公司 阻垢动态评估仪及其使用方法
CN110102189A (zh) * 2019-04-25 2019-08-09 宁波斯蒂罗科技有限公司 一种用于反渗透膜片的高精度检测装置
CN111562351A (zh) * 2020-05-28 2020-08-21 中国大唐集团科学技术研究院有限公司华中电力试验研究院 一种反渗透设备进水水质污染指数的自动监测装置及方法
CN114965926A (zh) * 2022-05-20 2022-08-30 德斯科技术(南京)有限公司 一种模块化全自动无人值守污染指数测定系统及方法
CN114965926B (zh) * 2022-05-20 2024-04-26 德斯科技术(南京)有限公司 一种模块化全自动无人值守污染指数测定系统及方法

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