KR20060009127A - 역세형 한외여과 및 나노여과를 이용한 냉각수 처리 공정 - Google Patents

역세형 한외여과 및 나노여과를 이용한 냉각수 처리 공정 Download PDF

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Abstract

본 발명은 냉각탑의 냉각수 속에 존재하는 탁질, 용존물질, 미생물, 스케일 유발 이온 등을 효과적으로 제거할 수 있는 정수처리 공정에 관한 것으로, 구체적으로, 본 발명의 냉각탑 내의 냉각수를 정수처리하는 공정은 냉각탑(10) 내 냉각수를 유입펌프(40)를 이용하여 이송하는 제 1단계; 상기 제 1단계를 거쳐 이송된 냉각수를 역세형 한외여과(50)로 탁질, 콜로이드성 용존물질, 세균과 같은 미생물을 1차로 제거하는 제 2단계; 및 상기 제 2단계에서 역세형 한외여과(50)에 의해 오염물질이 1 차 제거된 냉각수를 나노여과(60)로 스케일을 유발시키는 2가 양이온 및 이와 침전반응을 일으키는 음이온을 선택적으로 2차 제거하는 제 3단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. 상기 정수처리 공정을 이용하여 냉각탑 내 냉각수를 처리시, 수질에 악영향을 주는 탁질, 용존물질, 미생물, 스케일 유발 이온과 같은 물질만을 선택적으로 제거할 수 있어, 전력비, 약품비, 펌프 투자비 등의 투자비를 절감할 수 있을 뿐만 아니라, 냉각시스템의 열교환 효율도 향상시켜 유지관리비를 절감할 수 있는 효과가 있다.
냉각탑, 냉각수, 역세형 한외여과기, 나노여과기

Description

역세형 한외여과 및 나노여과를 이용한 냉각수 처리 공정{Process for treatment of cooling water using Backwashable ultrafiltration and Nanofiltration}
도 1은 본 발명의 역세형 한외여과 및 나노여과를 이용하여 냉각수를 처리 하는 공정을 개략적으로 나타낸 처리계통도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10: 냉각탑 20: 냉각수 순환펌프
30: 열교환기 40: 유입펌프
50: 역세형 한외여과 60: 나노여과
본 발명은 냉각탑의 냉각수 속에 존재하는 탁질, 용존물질, 미생물, 스케일 유발 이온 등을 효과적으로 제거할 수 있는 정수처리 공정에 관한 것이다.
일반적으로 실내 냉방 등의 공기정화용이나 산업용으로 사용되는 냉각장치는 열교환기(응축기)에서 발생되는 열을 순환하는 냉각수를 통하여 흡열시키고, 이 흡열에 의해 더워진 냉각수를 지상이나 옥상에 설치된 냉각탑을 통하여 공기와 접촉시켜 공기가 냉각수의 열을 흡수토록 함으로써 냉각수를 냉각하는 구조로 되어 있다.
한편, 기존의 냉각수 처리 공정은 주로 모래, 안트라사이트, 규조토 등의 여재를 일정두께로 탑형의 탱크에 충진하여 여층의 표면이나 내부에서 부유성 물질을 억류시킴으로써, 탁도 유발 물질들만을 주로 제거할 수가 있었으므로 콜로이드성의 용존물질, 슬라임을 형성하는 원생동물 및 박테리아와 같은 미생물, 스케일을 유발시키는 이온성 물질의 제거가 불가능하였다.
이로 인하여, 미생물이 성장할 수 있는 환경이 조성되어 열교환이 이루어지는 시스템이나 냉각수를 이송시키는 배관의 내부에 미생물 슬라임 층을 두텁게 형성시키거나, 냉각수의 농축이 가중될 경우에 이온성 물질이 스케일을 형성시킴으로써 열전달 효율을 저하하여 전체적인 운전비용의 상승 및 유지관리의 어려움을 유발시켰다.
또한, 이온성분을 제거하기 위하여 사용되는 역삼투막 여과기는 기공의 크기가 매우 작아 2차 이온뿐만 아니라, 1차 이온까지도 제거가 가능하여 대부분의 이온을 배제할 수 있으나, 막오염에 취약하므로 회수율을 낮게 유지하여야 하며, 여과시 높은 압력을 요구하여 고압의 유입조건을 유지시켜야 하므로 전력비가 상승하여 경제성이 낮은 단점이 있다.
따라서, 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여, 냉각탑 내의 냉각수를 정수처리하기 위하여 수중에 있는 탁질, 용존물질, 슬라임을 형성하는 미생물, 스케일을 유발시키는 이온 등을 효과적으로 제거할 수 있도록 역세형 한외여과 및 나노여과를 결합한 정수처리 공정을 제공하고자 하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 냉각탑의 냉각수 속에 존재하는 탁질, 용존물질, 미생물, 스케일 유발 이온 등을 효과적으로 제거할 수 있는 정수처리 공정을 제공한다.
구체적으로, 본 발명은 냉각탑 내의 냉각수를 정수처리하기 위하여 냉각탑(10) 내 냉각수를 유입펌프(40)를 이용하여 이송하는 제 1단계;
상기 제 1단계를 거쳐 이송된 냉각수를 역세형 한외여과(50)로 탁질, 콜로이드성 용존물질, 세균과 같은 미생물을 1차로 제거하는 제 2단계; 및
상기 제 2단계에서 역세형 한외여과(50)에 의해 오염물질이 1 차 제거된 냉각수를 나노여과(60)로 스케일을 유발시키는 2가 양이온 및 이와 침전반응을 일으키는 음이온을 선택적으로 2차 제거하는 제 3단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 냉각탑 내 냉각수 정수처리 공정을 제공한다.
상기 제 1단계에서, 냉각탑(10) 내의 오염된 물인 냉각수를 이송하고, 필요한 수압을 유지하는 역할을 수행하는 유입펌프(40)는 처리유량 및 여과막의 여과압 력 조건을 만족시킬 수 있는 것을 사용하며, 바람직하게는 원심펌프를 사용한다. 또한, 펌프의 효율은 전력비에 영향을 끼치므로 고효율 펌프를 사용하는 것이 바람직하다.
상기 제 2단계에서, 역세형 한외여과(50)로 냉각수에 포함된 탁질, 콜로이드성 용존물질 및 세균과 같은 미생물을 제거하며, 역세형 한외여과는 0.01 내지 0.05 ㎛의 기공크기를 가지는 역세형 한외여과막을 사용하며, 상기 역세형 한외여과막의 재질은 폴리프로필렌, 폴리플루오르화물비닐리덴 및 폴리에스터술폰으로 구성된 군으로부터 선택된 재질을 사용할 수 있다. 상기 역세형 한외여과막의 형식은 주로 중공사막형(Hollow fiber type)을 사용하며, 이는 단위부피당 여과면적을 증가시킴과 동시에 역세를 용이하도록 하기 위함이다.
또한, 상기 역세형 한외여과막의 운전 중, 필터의 기공이 오염물질에 의해 막히어 운전차압이 상승할 경우에는 처리수를 이용하여 자동적으로 역세척(역세)함으로써 연속적인 운전이 가능할 뿐만 아니라, 오염된 막의 성능을 회복시킴으로서 막의 수명을 연장시킬 수도 있어 유지관리를 편하게 할 수 있으며, 후처리공정에서의 폐색을 최대한 방지할 수 있다. 역세형 한외여과막의 역세(Back Washing)는 바람직하게는 20 내지 60분 간격의 주기로 실시한다.
제 3단계에서, 나노여과(60)로 스케일을 유발시키는 2가 양이온 및 이와 침전반응을 일으키는 음이온을 선택적으로 2차 제거하며, 상기 나노여과(60)는 0.1 내지 5 nm의 기공크기를 가지는 나노여과막을 사용하며, 상기 나노여과막의 재질은 폴리아미드 재질의 분리막을 사용한다.
또한, 상기 분리막은 바람직하게는 나권형(Spiral wound type) 분리막을 사용하며, 이는 처리하려는 냉각수가 상기 제 3단계에서 한외여과를 통하여 제 1차로 처리되었으므로, 물의 탁질에 의한 오염발생을 고려하지 않아도 되므로 나노여과막의 여과면적이 가장 넓은 구조를 선택하는 것이 유리하기 때문이다.
상기와 같은 나노여과막을 사용한 나노여과로, 물 속에 포함되어 있는 이온 중에서 스케일의 형성을 일으키는 칼슘, 마그네슘과 같은 2가 양이온이나 이와 침전물을 형성하는 황산이온, 탄산이온, 중탄산이온과 같은 음이온을 동시에 제거할 수 있다.
일반적으로, 나노여과는 이온의 입자 크기가 작은 1가 이온의 제거에는 큰 효율을 나타내지 못하지만, 2가 이상의 양이온 제거에는 상대적으로 높은 효율을 나타낸다. 특히, 황산이온과 같은 2가 음이온의 경우에는 나노여과에 의하여 거의 70 ~ 90 % 이상의 제거율을 나타나며, 경도 제거율도 매우 우수하다. 한편, 냉각수에 포함되어 있는 1가 이온들은 스케일 형성에 영향을 주지 않아 제거가 불필요하다.
따라서, 2가 양이온 및 이와 스케일을 형성하는 음이온이 나노여과의 주요 제거 대상 물질이 된다.
또한, 나노여과를 이용할 경우에는 꼭 제거가 필요한 이온만 선택적으로 제거하므로 높은 압력을 요구하지 않으므로 전력비가 낮아 운영비를 절감할 수 있다.
상기 나노여과(60)의 최종 처리수는 다시 냉각탑(10)으로 투입된다.
이하, 본 발명을 첨부된 도면을 참고로 하여 더욱 상세히 설명하나, 본 발명 의 권리범위가 하기 도면으로 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 역세형 한외여과 및 나노여과를 이용하여 냉각수를 처리 하는 공정을 개략적으로 나타낸 처리계통도이다.
도 1에서 보면, 순환되는 냉각수는 냉각탑(10)내에 저장되며, 상기 저장된 냉각수는 냉각수 순환펌프(20)를 통하여 공장 또는 빌딩 내의 열교환기(30)에 이송되어 고온의 유체와 상호 열교환이 일어난 다음, 다시 냉각탑(10)으로 재공급되는데, 상기와 같은 순환과정에서 탁질의 유입, 미생물의 성장, 냉각수의 농축, 스케일 형성 등으로 수질이 악화되고 열전달 효율이 저하되므로, 이를 방지하기 위하여 냉각수를 정수처리하는 공정이 필요하므로, 이에 따라 본 발명의 역세형 한외여과 및 나노여과를 이용하여 냉각수를 정수처리하기 위하여, 냉각탑(10) 내의 오염된 냉각수는 냉각탑(10)에 연결된 유입펌프(40)에 의하여 후처리과정에서의 압력손실을 극복하기 위하여 요구되는 수압을 유지하며 이송되고, 유입펌프(40)에 의해 이송된 오염된 냉각수는 역세형 한외여과(50)의 미세한 한외여과막을 통하여 탁질, 콜로이드성 용존물질, 세균과 같은 미생물이 제거되며, 이 때, 역세는 20 내지 60분 간격의 주기로 실시되어 오염된 막의 성능을 회복시킴으로써 막의 수명을 연장시키게 되고, 역세형 한외여과(50)를 통하여 처리된 냉각수는 나노여과(60)에 의해, 스케일 형성을 일으키는 2가 양이온이나 이와 침전반응을 일으키는 황산이온, 탄산이온과 같은 음이온이 제거되고, 나노여과(60)를 거친 최종 처리수는 다시 냉각탑(10)으로 투입된다.
이하, 본 발명의 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세히 설명하지만, 하기 실 시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.
실시예 1. 역세형 한외여과 및 나노여과를 이용한 냉각수 처리
본 발명의 역세형 한외여과 및 나노여과를 이용하여 냉각탑 내 냉각수를 1 m3/hr로 처리하였으며, 이 때, 역세형 한외여과시 0.01 ㎛의 기공크기를 가지며, 폴리에스터술폰 재질의 역세형 한외여과막을 이용하였으며, 역세는 30분 간격의 주기로 수행하였고, 나노여과시 1.5 nm의 기공크기를 가지며, 폴리아미드 재질의 나권형 분리막의 나노여과막을 이용하였다.
비교예 1. 역세형 한외여과 및 역삼투를 이용한 냉각수 처리
또한, 비교예로 역세형 한외여과 및 역삼투를 이용하여 냉각탑내 냉각수를 1 m3/hr로 처리하였으며, 이 때, 역세형 한외여과시 0.01 ㎛의 기공크기를 가지며, 폴리에스터술폰 재질의 역세형 한외여과막을 이용하였으며, 역세는 30분 간격의 주기로 수행하였고, 역삼투시 0.05 nm의 기공크기를 가지며, 폴리아미드 재질의 나권형 분리막의 역삼투막을 이용하였다.
실험예 1. 상기 실시예 1 및 비교예 1의 운전조건, 처리수 수질 및 경제성 분석
상기 실시예 1 및 비교예 1에서 냉각수 처리시 운전조건을 하기 표 1에 나타 내었으며, 실시예 1 및 비교예 1을 통하여 각각 처리된 처리수의 수질을 분석하여 그 결과를 하기 표 2에 나타내었으며, 실시예 1 및 비교예 1의 경제성을 각각 비교하여 그 결과를 하기 표 3에 나타내었다.
하기 표 1에서 보면, 동일한 70 %의 회수율을 유지하기 위한 펌프의 압력은 실시예 1의 경우는 8.8(bar)로, 비교예 1의 경우인 19.2(bar)의 50 % 이하였다.
또한, 하기 표 2에서 보면, 수질은 비교예 1의 경우 보다 실시예 1의 경우가 좋지 않았지만, 냉각수의 수질 관리 기준을 좌우하는 2가 양이온이나 황산이온 등의 농도는 실시예 1과 같이 나노여과기를 적용하였을 때도 냉각수에 필요한 요건은 충분히 만족시킬 수 있음을 알 수 있었다.
마지막으로 표 3에서 보면, 실시예 1의 경우, 하기 표 1에서와 같이 펌프의 낮은 압력으로 인한 전력비로 인하여 유지관리비가 낮게 요구되므로, 실시예 1의 나노여과기에 사용되는 모듈의 비교적 높은 투자비용을 상쇄할 수 있어 전체적인 비용을 절감할 수 있으며, 또한 낮은 압력의 펌프 사양을 요구하므로 펌프 투자비의 절감이 가능하고, 비교예 1에서 사용한 역삼투막 보다 큰 막의 기공구조로 인하여 낮은 막오염이 예상되어 약품세정 주기가 증가하여 약품 비용의 절감이 가능하다. 한편, 비교예 1의 경우에는 물속에 포함되어 있는 모든 성분을 무조건적으로 제거함으로써 전력비나 약품비 같은 유지관리 비용이 매우 높아 경제성에서 불리함을 알 수 있다.
운전조건
구분 실시예 1 (역세형 한외여과+나노여과) 비교예 1 (역세형 한외여과+역삼투)
회수율(%) 70 70
펌프 유량(m3/hr) 1 1
펌프 압력(bar) 8.8 19.2

수질결과
구분 냉각수 실시예 1의 처리수 (역세형 한외여과+나노여과) 비교예 1의 처리수 (역세형 한외여과+역삼투)
탁도(NTU) 5 0.1 0.1
Ca(mg/㎎) 16.7 2.0 0.1
Mg(mg/㎎) 8.7 1.1 0.0
Na(mg/㎎) 62.9 32.4 0.9
K(mg/㎎) 9.1 5.6 0.2
Ba(mg/㎎) 0.1 0.012 0.0
Sr(mg/㎎) 0.4 0.049 0.001
SO4(mg/㎎) 27.9 1.8 0.0
Cl(mg/㎎) 53.5 9.2 0.4
F(mg/㎎) 0.6 0.2 0.0
NO3(mg/㎎) 17.5 16.0 0.8
pH(mg/㎎) 7.5 7.2 5.6

경제성 비교(3년간, 60 m3/hr의 실증플랜트 적용시)
구분 실시예 1 (역세형 한외여과+나노여과) 비교예 1 (역세형 한외여과+역삼투)
모듈 투자비 5,940만원 4,320만원
펌프 투자비 소(小) 대(大)
펌프 전력비 3 년간: 2,580만원 3 년간: 5,640만원
약품비 소(小) 대(大)

비록 상기에서 본 발명은 상세히 설명되었지만, 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 본 발명자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것은 당연한 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 역세형 한외여과 및 나노여과를 이용하여 냉각탑내 오염된 냉각수를 처리시 냉각수 속에 존재하는 수질에 악영향을 주는 탁질, 용존물질, 미생물, 스케일 유발 이온과 같은 물질 만을 선택적으로 제거할 수 있으므로, 전력비, 약품비, 펌프 투자비 등의 투자비를 절감할 수 있을 뿐만 아니라, 냉각시스템의 열교환 효율도 향상시켜 유지관리비를 절감할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.




Claims (6)

  1. 냉각탑 내의 냉각수를 정수처리하기 위하여, 냉각탑(10) 내 냉각수를 유입펌프(40)를 이용하여 이송하는 제 1단계;
    상기 제 1단계를 거쳐 이송된 냉각수를 역세형 한외여과(50)로 탁질, 콜로이드성 용존물질, 세균과 같은 미생물을 1차로 제거하는 제 2단계; 및
    상기 제 2단계에서 역세형 한외여과(50)에 의해 오염물질이 1 차 제거된 냉각수를 나노여과(60)로 스케일을 유발시키는 2가 양이온 및 이와 침전반응을 일으키는 음이온을 선택적으로 2차 제거하는 제 3단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 냉각탑 내 냉각수 정수처리 공정.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 제 2단계의 역세형 한외여과(50)는 0.01 내지 0.05 ㎛ 기공크기를 가지는 역세형 한외여과막을 사용하는 것을 특징으로 하는 냉각탑 내 냉각수 정수처리 공정.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 역세형 한외여과막의 재질은 폴리프로필렌, 폴리플루오르화물비닐리덴 및 폴리에스터술폰으로 구성된 군으로부터 선택된 재질인 것을 특징으로 하는 냉각탑 내 냉각수 정수처리 공정.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 제 2단계의 나노여과(60)는 0.1 내지 5 nm의 기공크기를 가지는 나노여과막을 사용하는 것을 특징으로 하는 냉각탑 내 냉각수 정수처리 공정.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 나노여과막은 폴리아미드 재질의 분리막인 것을 특징으로 하는 냉각탑내 냉각수 정수처리 공정.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 분리막은 나권형 분리막인 것을 특징으로 하는 냉각탑내 냉각수 정수처리 공정.
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