KR20060009128A - 역삼투 여과 및 나노여과를 이용한 공업용수의 처리 공정 - Google Patents

역삼투 여과 및 나노여과를 이용한 공업용수의 처리 공정 Download PDF

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Abstract

본 발명은 역삼투 여과 및 나노여과를 이용하여 공업용수를 처리하는 공정에 관한 것으로, 구체적으로, 본 발명의 공업용수 처리 공정은 유입수를 전처리하고, 전처리가 완료된 유입수를 유입펌프(10)를 이용하여 이송하는 제 1단계; 상기 제 1단계를 거쳐 이송된 유입수를 역삼투 여과(20)로 처리하여, 역삼투막을 통과하면서 이온이 제거된 순수 처리수와 역삼투막을 통과하지 못한 이온들이 농축된 농축수로 분리하여 수득하는 제 2단계; 및 상기 제 2 단계에서 수득된 농축수를 나노여과(30)로 처리하여, 스케일을 형성시키는 2가 양이온 및 이와 침전반응을 일으키는 음이온을 선택적으로 제거하는 제 3단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. 상기 처리 공정을 이용하여 공업용수를 처리시, 역삼투 공정에서 필연적으로 발생하는 농축수를 재이용함으로써 용수로 인한 경제적 손실을 방지할 수 있으며, 별도의 고압펌프로 인한 추가적인 투자비가 불필요하고, 운영비를 절감할 수 있으며, 나노여과로 처리된 용수를 냉각수 등의 기타 용도로 사용할 수 있는 장점이 있다.
역삼투 여과, 나노여과, 공업용수, 농축수

Description

역삼투 여과 및 나노여과를 이용한 공업용수의 처리 공정{Process for treatment of industrial water using Reverse osmosis filtration and Nanofiltration}
도 1은 본 발명의 역삼투 여과 및 나노여과를 이용한 공업용수의 처리 공정을 개략적으로 나타낸 처리계통도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 유입펌프 20 : 역삼투 여과
30 : 나노여과
본 발명은 역삼투 여과 및 나노여과를 이용하여 공업용수를 처리하는 공정에 관한 것이다.
공업용수(工業用水, industrial water)란 제조공업에 사용되는 물로서, 공업 생산에 관련되는 모든 용도의 물이 포함되며, 일반적으로 대부분의 공업용수는 냉각용수, 세정용수, 원료 운송용수 및 공정용수 등으로 이용된다.
공장 내에서 사용하는 공업용수를 생산하기 위해 사용되는 순수(純水) 제조설비인 역삼투막 설비는 원수(原水)의 수질에 따라 공업용수의 회수율이 결정된다. 일반적으로 그 회수율은 70 내지 80 % 정도이고, 나머지 20 내지 30 %는 염농도가 높은 농축수로서, 하수관로나 우수관로를 통하여 계외로 버려지고 있는데, 이렇게 버려지는 농축수의 양은 공장의 규모에 따라 매우 크다.
또한, 하천이나 호수 등과 같은 상수원으로부터 공업용수를 생산하는 경우, 먼저, 이를 역삼투막 설비의 유입수(공급수)로 하기 위해서 취수, 도수, 송수, 정수 및 기타 처리 등에 엄청난 비용이 수반되므로, 농축수의 재이용이 반드시 필요한 실정이다.
특히, 농축수의 처리시, 농축수 내에 포함되어 있는 이온 중 다가 양이온이나 분자량이 큰 이온을 제거하여, 최종 처리수내에 1 가 이온과 같이 크기가 작은 물질만을 잔류시킴으로서 스케일이 발생되지 않아 냉각수와 같은 용도로 사용이 가능하다. 또한, 다가 양이온 중에는 칼슘, 마그네슘, 철, 알루미늄 등과 같은 성분들이 있으며, 황산이온, 탄산이온, 중탄산이온 등과 결합하여 다양한 형태의 스케일을 형성시키므로 이러한 물질의 제거는 공업용수의 용도를 결정하는데도 매우 중요하다.
그런데, 역삼투 여과 후 발생하는 농축수의 처리를 위하여, 다시 또 다른 역삼투 설비를 이용하여 처리하는 경우, 1 가 이온을 포함한 대부분의 이온을 제거할 수가 있으나, 높은 압력을 유지하여야 하므로 높은 사양의 펌프와 전력비가 요구되며, 또한 스케일 발생이 용이하여 막의 투과 플럭스(flux)를 급격히 감소시키므로 정상적인 처리가 불가능하다.
또한, 한외여과막의 경우에는 탁질 및 용존유기물의 부분적인 제거가 가능하나, 이온의 제거는 불가능하다.
한편, 나노여과막(Nanofiltration membrane)은 역삼투막과 한외여과막의 중간크기의 기공을 가지는 것으로, 다가 양이온을 배제시킬 수 있어 이온의 선택적 제거에 주로 사용된다.
따라서, 나노여과막을 사용하는 나노여과를 이용할 경우에는 역삼투막에 비하여 기공의 크기가 크므로 막의 폐색에 강하여 약품세정 주기를 향상시킬 수 있으며, 저압의 운전조건에서 처리가 가능하므로 압력 상승을 위한 추가적인 부스터 펌프가 불필요하다.
반면, 나노여과를 이용하여 농축수를 처리할 경우, 처리수 내에는 1 가 이온이 다량 포함되어 있으므로 역삼투막 설비를 사용할 경우보다 전기전도도가 나빠진다. 그러나, 스케일 발생을 유발시키는 이온들은 대부분 제거되므로 냉각시스템에서 사용되는 냉각수 등의 용도로는 적합하다.
따라서, 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여, 공업용수를 역삼투 설비를 이용하여 처리시 필연적으로 발생하는 농축수를 재이용하기 위하여, 역삼투 여과 및 나노여과를 이용하여 공업용수를 처리하는 공정을 제공하고자 하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 역삼투 여과 및 나노여과를 이용하여 공업용수를 처리하는 공정을 제공한다.
구체적으로, 본 발명은 유입수를 전처리하고, 전처리가 완료된 유입수를 유입펌프(10)를 이용하여 이송하는 제 1단계;
상기 제 1단계를 거쳐 이송된 유입수를 역삼투 여과(20)로 처리하여, 역삼투막을 통과하면서 이온이 제거된 순수 처리수와 역삼투막을 통과하지 못한 이온들이 농축된 농축수로 분리하여 수득하는 제 2단계; 및
상기 제 2 단계에서 수득된 농축수를 나노여과(30)로 처리하여, 스케일을 형성시키는 2가 양이온 및 이와 침전반응을 일으키는 음이온을 선택적으로 제거하는 제 3단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 공업용수의 처리 공정을 제공한다.
상기 제 1 단계에서 전처리는 유입수를 모래여과, 활성탄과 같은 전처리 설비로 처리하여 탁질 및 유기물질을 제거하는 a 단계; 및
상기 a 단계를 거친 유입수를 저압펌프를 이용하여 정밀여과기로 이송하여 미세입자를 제거하는 b 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 a 및 b 단계는 유입수의 수질에 따라 적절히 조합되어 전처리 된다.
상기 b 단계에서, 정밀여과기로서 폴리프로필렌 재질의 0.1 내지 5㎛ 기공 크기를 가지는 것을 사용할 수 있다.
또한, 유입펌프(10)는 전처리가 완료된 유입수를 이송하고, 필요한 수압을 유지하는 역할을 수행하는 것으로, 처리유량 및 여과막의 여과압력 조건을 만족시킬 수 있는 것을 사용하며, 바람직하게는 고압의 유입펌프를 사용한다. 이는 역삼투막의 투과를 위해서는 높은 압력이 요구되기 때문이다.
상기 제 2단계에서, 역삼투 여과(20)로 유입수에 포함된 이온을 배제하여 제거하며, 상기 역삼투 여과(20)는 0.01 내지 0.1 nm의 기공크기를 가지는 역삼투막을 사용하며, 상기 역삼투막의 재질은 유기고분자로서, 셀룰로오스 아세테이트(Cellulose Acetate), 폴리술포네이트(Polysulfonate), 폴리아미드(Polyamide)로 이루어진 군으로부터 선택된 것을 사용할 수 있다. 또한, 상기 역삼투막의 모듈(Module)은 관형, 나권형, 중공사막형, 평막형 등을 사용할 수 있다.
상기 역삼투 여과(20)로 유입수가 역삼투막을 통과하면서, 유입수의 일부는 이온이 배제되어 제거되므로 순수와 같은 수준의 처리수로 배출되고, 역삼투막을 투과하지 못한 이온들은 유입수의 나머지 부분에 농축되어 농축수로 된다.
상기 제 3단계에서, 나노여과(30)로 농축수에서 스케일을 유발시키는 2가 양이온 및 이와 침전반응을 일으키는 음이온을 선택적으로 제거하며, 상기 나노여과(30)는 0.1 내지 5 nm의 기공크기를 가지는 나노여과막을 사용하며, 상기 나노여과막의 재질은 폴리아미드(polyamide)인 것을 사용할 수 있다.
또한, 상기 나노여과막의 모듈(Module)은 바람직하게는 나권형을 사용할 수 있으며, 이는 처리하려는 농축수가 상기 제 2단계에서 역삼투 여과를 통하여 처리 되었으므로, 물의 탁질에 의한 오염발생을 고려하지 않아도 되어 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.
또한, 나노여과를 이용할 경우에는 꼭 제거가 필요한 이온만 선택적으로 제거하여 높은 압력을 요구하지 않으므로 전력비가 낮아 운영비를 절감할 수 있다.
상기 나노여과(30)의 최종 처리수는 냉각수와 같은 용도로 사용할 수 있다.
이하, 본 발명을 첨부된 도면을 참고로 하여 더욱 상세히 설명하나, 본 발명의 권리범위가 하기 도면으로 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 역삼투 여과 및 나노여과를 이용하여 공업용수를 처리하는 공정을 개략적으로 나타낸 처리계통도이다.
도 1에서 보면, 유입수를 전처리하고, 전처리가 완료된 유입수는 유입펌프(10)에 의하여 후처리 과정에서의 압력손실을 극복하기 위하여 요구되는 수압을 유지하며 이송되고, 유입펌프(10)에 의해 이송된 유입수는 역삼투 여과(20)로 처리하여, 유입수의 일부는 역삼투막을 통과하면서 이온이 제거되어 순수와 같은 수준의 처리수로 배출되고, 유입수의 나머지 부분은 역삼투막을 통과하지 못한 이온들이 농축되어 농축수로 되고, 농축수는 나노여과(30)에 의하여, 스케일 형성을 일으키는 2가 양이온이나 이와 침전반응을 일으키는 황산이온, 탄산이온과 같은 음이온이 제거되고, 나노여과(30)를 거친 최종 처리수는 냉각수 등으로 사용된다.
이하, 본 발명의 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세히 설명하지만, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.
실시예 1. 역삼투 여과 후 수득된 농축수의 나노여과
본 발명의 역삼투 여과 및 나노여과를 이용하여 공업용수를 처리하기 위하여, 먼저 유입수(유량 1 m3/hr)를 역삼투 여과로 처리한 후, 수득된 농축수(농축수의 초기 이온농도는 하기 표 2 참조)를 나노여과로 처리하였다. 이 때, 역삼투 여과시 0.05 nm의 기공크기를 가지며, 폴리아미드 재질의 역삼투막을 이용하였으며, 나노여과시 1.5 nm의 기공크기를 가지며, 폴리아미드 재질의 나권형 분리막의 나노여과막을 이용하였다.
비교예 1. 역삼투 여과 후 수득된 농축수의 역삼투 여과
비교예로 역삼투 여과를 이용하여 공업용수를 처리하기 위하여, 먼저 유입수(유량 1 m3/hr)를 역삼투 여과로 처리한 후, 수득된 농축수(농축수의 초기 이온농도는 하기 표 2 참조)를 다시 역삼투 여과로 처리하였다. 이 때, 첫 번째 역삼투 여과시 0.05 nm 기공크기를 가지며, 폴리아미드 재질의 역삼투막을 이용하였으며, 두 번째 역삼투 여과시 0.05 nm의 기공크기를 가지며, 폴리아미드 재질의 역삼투막을 이용하였다.
실험예 1. 상기 실시예 1 및 비교예 1의 운전조건, 처리수 수질 분석
상기 실시예 1 및 비교예 1에서 농축수 처리시 운전조건을 분석한 결과를 하기 표 1에 나타내었으며, 실시예 1 및 비교예 1을 통하여 각각 처리된 처리수의 수질을 분석하여 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
하기 표 1에서 보면, 회수율은 실시예 1의 경우 90 %로, 비교예 1의 경우인 70 % 보다 더 우수함을 알 수 있었고, 필요한 펌프의 압력도 실시예 1의 경우 8(bar)로, 비교예 1의 18(bar) 보다 훨씬 낮음을 알 수 있었다.
또한, 하기 표 2에서 보면, 수질은 비교예 1의 경우 보다 실시예 1의 경우 좋지 않았으나, 실시예 1에서 농축수 여과에 나노여과를 적용시 스케일을 유발시키는 이온을 대부분 제거함으로써 냉각수와 같은 용도에서는 별다른 문제없이 사용할 수 있음을 알 수 있다.
운전조건
구분 실시예 1 (역삼투 여과 후 수득된 농축수의 나노여과) 비교예 1 (역삼투 여과 후 수득된 농축수의 역삼투 여과)
회수율(%) 90 70
필요압력(bar) 8 18

수질결과
구분 농축수의 초기 이온농도 실시예 1 (역삼투 여과 후 수득된 농축수의 나노여과) 비교예 1 (역삼투 여과 후 수득된 농축수의 역삼투 여과)
Ca(mg/ℓ) 16.7 1.8 0.1
Mg(mg/ℓ) 8.7 1.0 0.0
Na(mg/ℓ) 62.9 30.4 0.5
K(mg/ℓ) 9.1 4.8 0.1
Ba(mg/ℓ) 0.1 0.01 0.0
Sr(mg/ℓ) 0.4 0.04 0.0
SO4(mg/ℓ) 27.9 2.1 0.0
Cl(mg/ℓ) 53.5 12.7 0.5
F(mg/ℓ) 0.6 0.4 0.0
NO3(mg/ℓ) 17.5 13.3 0.9
pH(mg/ℓ) 7.5 7.4 5.7

비록 상기에서 본 발명이 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 역삼투 여과 및 나노여과를 이용하여 공업용수를 처리시, 역삼투 공정에서 필연적으로 발생하는 농축수를 재이용함으로써 용수 필요량을 최소화하여 용수 구입비용을 절감할 수 있으므로 용수로 인한 경제적 손실을 방지할 수 있으며, 그로 인한 투자비와 유지관리비를 절감할 수 있고, 나노여과시 별도의 고압펌프로 인한 추가적인 투자비가 불필요하며, 낮은 압력의 공급만으로 충분한 여과 플럭스를 얻을 수 있고, 막의 폐색 현상이 적어 약품 세정 주기가 증가하므로 운영비를 절감할 수 있으며, 나노여과로 처리된 용수는 냉각수 등의 기타 용도로 사용할 수 있다.

















Claims (6)

  1. 유입수를 전처리하고, 전처리가 완료된 유입수를 유입펌프(10)를 이용하여 이송하는 제 1단계;
    상기 제 1단계를 거쳐 이송된 유입수를 역삼투 여과(20)로 처리하여, 역삼투막을 통과하면서 이온이 제거된 순수 처리수와 역삼투막을 통과하지 못한 이온들이 농축된 농축수로 분리하여 수득하는 제 2단계; 및
    상기 제 2 단계에서 수득된 농축수를 나노여과(30)로 처리하여, 스케일을 형성시키는 2가 양이온 및 이와 침전반응을 일으키는 음이온을 선택적으로 제거하는 제 3단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 공업용수의 처리 공정.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 제 1 단계의 전처리는 유입수를 모래여과, 활성탄과 같은 전처리 설비로 처리하여 탁질 및 유기물질을 제거하는 a 단계; 및
    상기 a 단계를 거친 유입수를 저압펌프를 이용하여 정밀여과기로 이송하여 미세입자를 제거하는 b 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 공업용수의 처리 공정.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 제 2단계의 역삼투 여과(20)는 0.01~0.1nm의 기공크 기를 가지는 역삼투막을 사용하는 것을 특징으로 하는 공업용수의 처리 공정.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 역삼투막의 재질은 유기고분자로서, 셀룰로오스 아세테이트(Cellulose Acetate), 폴리술포네이트(Polysulfonate), 폴리아미드(Polyamide)로 이루어진 군으로부터 선택된 재질인 것을 특징으로 하는 공업용수의 처리 공정.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 제 3단계의 나노여과(30)는 0.1~5nm의 기공크기를 가지는 나노여과막을 사용하는 것을 특징으로 하는 공업용수의 처리 공정.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 나노여과막의 재질은 폴리아미드(polyamide)인 것을 특징으로 하는 공업용수의 처리 공정.
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KR1020040056588A KR20060009128A (ko) 2004-07-20 2004-07-20 역삼투 여과 및 나노여과를 이용한 공업용수의 처리 공정

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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR101335730B1 (ko) * 2009-01-23 2013-12-02 아사히 가세이 케미칼즈 가부시키가이샤 수처리 장치 및 그 설치 방법
CN111620458A (zh) * 2020-01-22 2020-09-04 江苏久吾高科技股份有限公司 一种卤水浓缩和软化处理的方法及装置
CN114349198A (zh) * 2022-01-20 2022-04-15 宝钢湛江钢铁有限公司 一种截留冷轧反渗透浓水中二价离子和toc的工艺
CN114540151A (zh) * 2022-02-28 2022-05-27 四川绵竹剑南春酒厂有限公司 一种固态发酵白酒酒头处理工艺

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