KR102082284B1 - 막분리공정의 여과성능 예측방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 막분리공정의 막오염도를 산출하여 막세정주기를 도출하는 막분리공정의 여과성능 예측방법에 관한 것으로서, 막분리공정의 운전압력 데이터를 수집하는 단계와, 막분리공정의 막오염속도의 평가범위를 결정하는 단계와, 수집단계에서 수집된 운전압력 데이터에 의거한 폐색여과식을 이용하여 평가범위 내에서 폐색지수와 막오염속도를 변화시키면서 산정된 운전압력과 실제 운전압력을 비교하는 단계와, 비교단계에서 최소 오차의 폐색지수와 막오염속도를 도출하는 단계와, 도출단계에서 도출된 폐색지수와 막오염속도에 의거해서 막분리공정의 운전압력 변화를 산출하여 막세정주기를 도출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. 따라서 본 발명은 막분리공정의 여과성능을 예측하도록 실제 막분리공정의 초기 여과성능을 분석하여 해당 막분리공정을 가장 정확하게 모사하는 폐색지수(n)와 막오염속도(k)를 도출함으로써, 막분리공정의 운전이 지속되었을 때의 세정주기를 예측하여 막분리공정의 여과성능을 평가할 수 있는 효과를 제공한다.

Description

막분리공정의 여과성능 예측방법{METHOD FOR PREDICTING FILTRATION CAPACITY OF MEMBRANE FILTRATION PROCESS}
본 발명은 막분리공정의 여과성능 예측방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 막분리공정의 막오염도를 산출하여 막세정주기를 도출하는 막분리공정의 여과성능 예측방법에 관한 것이다.
일반적으로 수처리 시스템에서의 막여과 공정에서 가장 큰 문제점은 막 여과가 진행함에 따라 발생하는 막 오염(membrane fouling)이다. 이러한 막 오염은 대상 원수의 특성에 따라 막 표면에 오염물질이 강하게 결합, 축척되기 때문에 발생한다.
막 오염을 일으키는 오염물질들은 유기물, 무기물, 미생물 등으로 나뉘며 원수 특성에 따라 다르기 때문에 막오염 물질이 무엇인지를 파악하는 것은 유지관리에 있어 중요한 요소이나, 실제로 이를 정확하게 분석하는 데는 어려움이 따른다.
막 오염은 크게 가역적 막오염과 비가역적 막오염으로 구분된다. 가역적 막 오염은 물리적 세정에 의해 제거할 수 있지만, 비가역 막오염은 화학약품에 의한 세정이 이루어져야 제거가 가능하다.
또한, 막 오염 물질에 따라 화학 약품의 선택이 달라지는데 보통 원수 특성과 막의 특성을 고려하여 결정한다. 화학 세정의 경우 유지 세정과 회복 세정으로 구분하는데 최근 들어 유지 세정에 대한 중요성이 보다 강조되고 있는 실정이다.
막분리(Membrane Filtration)는 분리막 표면의 세공경과 표면전하에 따라 원수 및 하·폐수 중에 존재하는 처리대상물질을 거의 완벽하게 분리할 수 있는 기술이다.
분리막은 다수의 공극을 갖는 다공징 매체 (Porous Media)로서 수중에 포함된 유기오염 물질, 무기오염물질, 기생충, 박테리아 등을 배제시킬 수 있다. 따라서 막분리 기술은 정수 및 하폐수 처리뿐만 아니라 재이용, 해수담수화 전처리 공정에 적용이 증가하고 있다.
수처리에 적용된 분리막은 여과시간이 증가함에 따라 배제된 오염물질의 침적 또는 흡착 등의 작용에 의해 공극이 폐색되어 물이 통과하는 유효 막면적이 감소함에 따라 여과저항이 증가하는 막오염 현상이 발생하게 된다.
이러한 막오염 현상은 분리막의 운전모드에 따라 결과가 다르게 나타나는데, 일정한 압력으로 운전하는 정압여과 막분리 장치에서는 시간이 지속됨에 따라 여과수의 양이 감소하게 되고, 일정한 여과유량으로 운전되는 정유량여과 막분리 장치에서는 일정한 양의 여과수를 얻기 위해 가해지는 운전압력이 지속적으로 증가하게 된다.
여과시간에 따른 분리막 폐색은 완전폐색모델, 표준폐색모델, 중간폐색모델, 케익여과모델의 4가지 막오염 메커니즘으로 설명된다.
완전폐색모델은 일정한 직경과 길이의 병렬공극으로 구성된 분리막의 열린 공극에 도달한 각 입자들이 입자간의 겹침 없이 공극을 막는 것으로 가정한다. 따라서 완전폐색 법칙은 분리막 공극보다 큰 입자들만 존재하는 시스템에 적용된다.
공극수축에 기반한 표준폐색모델은 분리막이 일정한 직경과 길이의 병렬공극으로 구성되고, 여과수량 체적에 비례하여 입자가 공극 벽에 침적됨에 따라 공극체적이 감소하며 입자들은 완전히 배제된다는 가정으로부터 도출된다. 단위면적당 공극의 수는 일정하고, 막오염은 공극개구가 좁아짐으로서 발생한다.
중간폐색모델은 분리막에 도달한 막오염물질이 직접적으로 일부 막면적을 폐색시키거나 이미 침적된 막오염 입자들 위에 침적되는 것으로 가정한다. 다시 말해서, 각 입자들이 반드시 공극을 폐쇄하는 것은 아니며 표면에 이미 침적된 입자들 위에 침적될 확률로 설명된다.
케익여과모델은 입자의 크기가 분리막의 공경보다 커서 공극 내부로 유입되지 않고, 분리막 표면에 지속적으로 침적되어 입자층이 성장하는 것으로 가정한다. 실제 막분리공정에서는 분리막 공급 수 내에 다양한 막오염 물질이 존재하게 되어 막 오염이 공극 내부와 분리막 표면에서 모두 발생하며 한 가지 이상의 메커니즘의 폐색여과가 복합적으로 진행되어 상기 완전폐색, 표준폐색, 중간폐색, 케익여과의 단일 메커니즘으로는 설명이 될 수 없다. 즉, 실제 운전되는 막분리공정의 여과성능을 모사하면 분리막은 4가지 폐색모델 중 한 가지 모델 (n=0, 1, 2/3, 2)이 아닌 0~2사이의 값을 갖는다.
일반적으로 실제 막분리공정의 여과성능을 모사하고 예측하기 위해서는 위 4가지 폐색모델을 개별적으로 적용하여 가장 상관계수가 높은 모델을 해당 막분리공정의 폐색모델로 결정하는데, 전술한 바와 같이 실제 막분리공정은 다양한 오염물질이 혼합되어 폐색형태가 복합적으로 발생하기 때문에 정확한 예측을 할 수 없다는 문제가 있었다.
대한민국 등록특허 제10-1006901호 (2011년01월13일) 대한민국 등록특허 제10-1181549호 (2012년09월10일) 대한민국 공개특허 제10-2011-0102750호 (2011년09월19일)
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해소하기 위해 안출한 것으로서, 막분리공정의 운전이 지속되었을 때의 세정주기를 예측하여 막분리공정의 여과성능을 평가할 수 있는 막분리공정의 여과성능 예측방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 막오염지수 해석의 정확도를 높이고, 이를 통해 막여과 성능을 사전에 예측하여 세정시기를 조기에 예측할 수 있고 여과 가능한 여과 잔여일수를 정확하게 평가할 수 있는 막분리공정의 여과성능 예측방법을 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 분리막을 이용한 수처리 시스템에서 막오염지수를 해석하기 위하여 고압에서 운전되는 동일한 고압 정유량 방식의 운전특성을 모사하는 동시에 공정의 운전상태에 대한 진단과 전처리 공정에 대한 가이드라인을 부여할 수 있는 막분리공정의 여과성능 예측방법을 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 막분리공정의 막오염도를 산출하여 막세정주기를 도출하는 막분리공정의 여과성능 예측방법으로서, 막분리공정의 운전압력 데이터를 수집하는 단계; 막분리공정의 막오염속도의 평가범위를 결정하는 단계; 상기 수집단계에서 수집된 운전압력 데이터에 의거한 폐색여과식을 이용하여 상기 평가범위 내에서 폐색지수와 막오염속도를 변화시키면서 산정된 운전압력과 실제 운전압력을 비교하는 단계; 상기 비교단계에서 최소 오차의 폐색지수와 막오염속도를 도출하는 단계; 및 상기 도출단계에서 도출된 폐색지수와 막오염속도에 의거해서 막분리공정의 운전압력 변화를 산출하여 막세정주기를 도출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 폐색여과식은, 폐색지수(n), 막오염속도(k), 초기운전압력(p0)을 변수로 하여 운전시간(t)에 따라 하기 수학식 1에 의해 도출되어 운전압력(pt)을 산정하는 것을 특징으로 한다.
[수학식 1]
Figure 112018086243938-pat00001
한다.
본 발명의 상기 비교단계에서 폐색지수와 막오염속도의 최소 오차는, 예측값과 실제값과의 오차(e), 분리막 압력 예측값(pest), 실제 분리막 압력 측정값(pact)에 의거해서 하기 수학식 4에 의해 도출되는 것을 특징으로 한다.
[수학식 4]
Figure 112018086243938-pat00002
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 막분리공정의 여과성능을 예측하도록 실제 막분리공정의 초기 여과성능을 분석하여 해당 막분리공정을 가장 정확하게 모사하는 폐색지수(n)와 막오염속도(k)를 도출함으로써, 막분리공정의 운전이 지속되었을 때의 세정주기를 예측하여 막분리공정의 여과성능을 평가할 수 있는 효과를 제공한다.
또한, 폐색지수(n), 막오염속도(k), 초기운전압력(p0)을 변수로 하여 운전시간(t)에 따라 운전압력(pt)을 산정함으로써, 막오염지수 해석의 정확도를 높이고, 이를 통해 막여과 성능을 사전에 예측하여 세정시기를 조기에 예측할 수 있고 여과 가능한 여과 잔여일수를 정확하게 평가할 수 있는 효과를 제공한다.
또한, 예측값과 실제값과의 오차(e), 분리막 압력 예측값(pest), 실제 분리막 압력 측정값(pact)에 의거해서 폐색지수와 막오염속도의 최소 오차를 도출함으로써, 분리막을 이용한 수처리 시스템에서 막오염지수를 해석하기 위하여 고압에서 운전되는 동일한 고압 정유량 방식의 운전특성을 모사하는 동시에 공정의 운전상태에 대한 진단과 전처리 공정에 대한 가이드라인을 부여할 수 있는 효과를 제공한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 막분리공정의 여과성능 예측방법을 나타내는 흐름도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 막분리공정의 여과성능 예측방법에 의한 운전데이터와 예측데이터를 나타내는 그래프.
도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 막분리공정의 여과성능 예측방법에 의한 TMP(Trans-Membrane Pressure)를 나타내는 그래프.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시예를 더욱 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 막분리공정의 여과성능 예측방법을 나타내는 흐름도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 막분리공정의 여과성능 예측방법에 의한 운전데이터와 예측데이터를 나타내는 그래프이고, 도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 막분리공정의 여과성능 예측방법에 의한 TMP(Trans-Membrane Pressure)를 나타내는 그래프이다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 본 실시예에 의한 막분리공정의 여과성능 예측방법은, 수집단계(S10), 결정단계(S20), 비교단계(S30), 도출단계(S40) 및 평가단계(S50)를 포함하여 이루어져, 막분리공정의 막오염도를 산출하여 막세정주기를 도출하는 막분리공정의 여과성능 예측방법이다.
수집단계(S10)는, 막분리공정의 운전압력 데이터를 수집하는 단계로서, 막분리공정의 운전압력 데이터를 분, 시간, 일자 등에 따라 시간범위가 다르게 적용하도록 수집하는 것이 바람직하다.
결정단계(S20)는, 막분리공정의 막오염속도(k)의 평가범위를 결정하는 단계로서, 이러한 막오염속도(k)의 평가범위를 결정하는 단계에서는 대상 막분리공정의 투과유속 범위와 운전시간의 단위를 분, 시간, 일자 등에 따라 적용범위가 다르게 적용하게 되는 것이 바람직하다.
비교단계(S30)는, 수집단계(S10)에서 수집된 운전압력 데이터에 의거한 폐색여과식을 이용하여 결정단계(S20)에서 결정된 막오염속도(k)의 평가범위 내에서 폐색지수(n)와 막오염속도(k)를 변화시키면서 산정된 운전압력과 실제 운전압력을 비교하는 단계로서, 도 2에 나타낸 바와 같이 폐색여과식에 의해 산정된 운전압력과 실제 운전압력을 비교하게 된다.
이러한 폐색여과식은, 폐색지수(n), 막오염속도(k), 초기운전압력(p0)을 변수로 하여 운전시간(t)에 따라 하기 수학식 1에 의해 도출되어 운전압력(pt)을 산정하게 된다.
[수학식 1]
Figure 112018086243938-pat00003
한다.
이러한 수학식 1은 하기 수학식 2에 의해 도출된다.
[수학식 2]
Figure 112018086243938-pat00004
수학식 2에 따르면 정압여과로 운전되는 막분리장치에서 시간에 따른 분리막 운전압력(Pt)은, 폐색지수(n)와 막오염속도 계수(k)와 초기압력(P0)의 함수로 이루어지게 된다.
도출단계(S40)는, 비교단계(S40)에서 최소 오차의 폐색지수와 막오염속도를 도출하는 단계로서, 운전데이터를 입력받아 폐색지수(n)와 막오염속도(k)를 변화시키면서 예측값과 실제값의 오차가 최소값이 되는 최소자승법에 의해 폐색지수(n)과 막오염속도계수(k)를 도출하고,
또한, 이러한 도출단계(S40)에서 폐색지수와 막오염속도의 최소 오차는, 예측값과 실제값과의 오차(e), 분리막 압력 예측값(pest), 실제 분리막 압력 측정값(pact)에 의거해서 하기 수학식 3에 의거해서 변환된 하기 수학식 4에 의해 도출하게 된다.
[수학식 3]
Figure 112018086243938-pat00005
[수학식 4]
Figure 112018086243938-pat00006
평가단계(S50)는, 도출단계(S40)에서 도출된 폐색지수(n)와 막오염속도(k)에 의거해서 막분리공정의 운전압력 변화를 산출하여 막세정주기를 도출하도록 여과성능을 평가하는 단계로서, 이와 같은 조건에서 막분리장치의 여과가 지속되는 경우에 도 3 및 도 4에 나타낸 바와 같이 TMP(Trans-Membrane Pressure)의 변화에 의거해서 운전압력 경시변화를 시뮬레이션하여 예측세정주기(tcip, 한계압력에 도달하기까지의 운전지속 예측시간)를 도출하게 된다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면 막분리공정의 여과성능을 예측하도록 실제 막분리공정의 초기 여과성능을 분석하여 해당 막분리공정을 가장 정확하게 모사하는 폐색지수(n)와 막오염속도(k)를 도출함으로써, 막분리공정의 운전이 지속되었을 때의 세정주기를 예측하여 막분리공정의 여과성능을 평가할 수 있는 효과를 제공한다.
또한, 폐색지수(n), 막오염속도(k), 초기운전압력(p0)을 변수로 하여 운전시간(t)에 따라 운전압력(pt)을 산정함으로써, 막오염지수 해석의 정확도를 높이고, 이를 통해 막여과 성능을 사전에 예측하여 세정시기를 조기에 예측할 수 있고 여과 가능한 여과 잔여일수를 정확하게 평가할 수 있는 효과를 제공한다.
또한, 예측값과 실제값과의 오차(e), 분리막 압력 예측값(pest), 실제 분리막 압력 측정값(pact)에 의거해서 폐색지수와 막오염속도의 최소 오차를 도출함으로써, 분리막을 이용한 수처리 시스템에서 막오염지수를 해석하기 위하여 고압에서 운전되는 동일한 고압 정유량 방식의 운전특성을 모사하는 동시에 공정의 운전상태에 대한 진단과 전처리 공정에 대한 가이드라인을 부여할 수 있는 효과를 제공한다.
이상 설명한 본 발명은 그 기술적 사상 또는 주요한 특징으로부터 벗어남이 없이 다른 여러 가지 형태로 실시될 수 있다. 따라서 상기 실시예는 모든 점에서 단순한 예시에 지나지 않으며 한정적으로 해석되어서는 안 된다.

Claims (3)

  1. 삭제
  2. 막분리공정의 막오염도를 산출하여 막세정주기를 도출하는 막분리공정의 여과성능 예측방법으로서,
    막분리공정의 운전압력 데이터를 수집하는 단계;
    막분리공정의 막오염속도의 평가범위를 결정하는 단계;
    상기 수집단계에서 수집된 운전압력 데이터에 의거한 폐색여과식을 이용하여 상기 평가범위 내에서 폐색지수와 막오염속도를 변화시키면서 산정된 운전압력과 실제 운전압력을 비교하는 단계;
    상기 비교단계에서 최소 오차의 폐색지수와 막오염속도를 도출하는 단계; 및
    상기 도출단계에서 도출된 폐색지수와 막오염속도에 의거해서 막분리공정의 운전압력 변화를 산출하여 막세정주기를 도출하는 단계;를 포함하고,
    상기 폐색여과식은, 폐색지수(n), 막오염속도(k), 초기운전압력(p0)을 변수로 하여 운전시간(t)에 따라 하기 수학식 1에 의해 도출되어 운전압력(pt)을 산정하는 것을 특징으로 하는 막분리공정의 여과성능 예측방법.
    [수학식 1]
    Figure 112019125759395-pat00007
  3. 막분리공정의 막오염도를 산출하여 막세정주기를 도출하는 막분리공정의 여과성능 예측방법으로서,
    막분리공정의 운전압력 데이터를 수집하는 단계;
    막분리공정의 막오염속도의 평가범위를 결정하는 단계;
    상기 수집단계에서 수집된 운전압력 데이터에 의거한 폐색여과식을 이용하여 상기 평가범위 내에서 폐색지수와 막오염속도를 변화시키면서 산정된 운전압력과 실제 운전압력을 비교하는 단계;
    상기 비교단계에서 최소 오차의 폐색지수와 막오염속도를 도출하는 단계; 및
    상기 도출단계에서 도출된 폐색지수와 막오염속도에 의거해서 막분리공정의 운전압력 변화를 산출하여 막세정주기를 도출하는 단계;를 포함하고,
    상기 도출단계에서 폐색지수와 막오염속도의 최소 오차는, 예측값과 실제값과의 오차(e), 분리막 압력 예측값(pest), 실제 분리막 압력 측정값(pact)에 의거해서 하기 수학식 4에 의해 도출되는 것을 특징으로 하는 막분리공정의 여과성능 예측방법.
    [수학식 4]
    Figure 112019125759395-pat00008
KR1020180102681A 2018-08-30 2018-08-30 막분리공정의 여과성능 예측방법 KR102082284B1 (ko)

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