KR20100057262A - 막오염 지수 측정장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 역삼투막 또는 나노 여과막을 이용하는 수처리 공정에서 친수성 및 소수성 입자물질 및 콜로이드, 유기물 등에 의한 막의 오염현상을 사전에 예측하기 위한 막오염 지수 측정장치에 관한 것으로서, 친수성 정밀 여과막과 소수성 정밀 여과막 및 한외 여과막 등 다수 개의 다른 여과막을 조합하여 역삼투 또는 나노 여과막 여과공정의 유입수 내에 존재하는 다양한 종류의 막오염 물질의 막오염 세기를 정량화할 수 있게 구성한 막오염 지수 측정장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 막오염 지수 측정장치는 막오염 지수를 측정하고자 하는 원수가 유입된 후 배출되며, 다른 특성의 여과막들이 각각 장착되어 원수가 각각의 여과막을 통과하도록 장착된 복수 개의 여과막 홀더들과, 상기 여과막 홀더로 상기 원수가 유입되도록 상기 여과막 홀더에 연결된 유입관에 설치되어 유동하는 원수의 압력을 측정하는 압력계와, 상기 여과막 홀더에서 배출되는 원수의 유량을 측정하는 유량계 및, 상기 압력계와 상기 유량계로부터 정보를 수집하여 설치된 해석 프로그램을 이용하여 막오염 지수를 연산하는 컴퓨터를 포함하는 것을 기술적 특징으로 한다.
막오염, 지수, 측정장치, 부유물, 원수, 여과막, 여과막 홀더

Description

막오염 지수 측정장치{Membrane Fouling Pollution Index Measurement Apparatus}
본 발명은 역삼투막 또는 나노 여과막을 이용하는 수처리 공정에서 친수성 및 소수성 입자물질, 콜로이드, 유기물 등에 의한 막의 오염현상을 사전에 예측하기 위한 막오염 지수 측정장치에 관한 것으로서, 특히 친수성 정밀 여과막과 소수성 정밀 여과막, 한외 여과막 등 다수 개의 서로 다른 여과막을 조합하여 원수의 여과능력을 측정함으로써, 역삼투 또는 나노 여과막 여과공정의 유입수 내에 존재하는 다양한 종류의 막오염 물질에 의한 막오염 정도를 정량화하여 측정할 수 있도록 하는 막오염 지수 측정장치에 관한 것이다.
역삼투 또는 나노 여과공정은 최근 다양한 수처리 분야에서 주목하고 있는 기술이다. 특히 최근에는 해수담수화 및 하수재 이용분야에서 역삼투를 이용한 공정이 확대되고 있는 추세이다. GWI의 "Water Reuse Markets 2005-2015: A Global Assessment & Forecast"에 따르면 물의 재이용 시장은 세계적으로 볼 때, 현재 200만 톤/일 규모이고, 2015년에는 540만 톤/일 규모로 성장할 것으로 전망되며, 해수 담수화 시장은 현재 300만 톤/일 규모이며 2015년에는 620만 톤/일 규모로 성장할 것으로 전망된다. 그 외에도 지표수 및 지하수의 처리, 산업폐수의 처리 및 무방류 재이용 등의 분야에서 역삼투와 나노 여과공정은 주목받고 있는 고도한 기술의 수처리 방법이다.
그러나 이와 같은 역삼투 및 나노 여과공정의 기술을 상용화하거나 현장에 설치하여 운영하기에 장애로 작용하는 것이 막오염의 문제이다.
막오염이란 유입수 중에 존재하는 여러 가지 이물질들이 막의 표면에 침착되거나 흡착되어 막의 물투과도를 감소시키는 현상이다. 막오염을 유발하는 이물질의 종류로는 부유성 입자, 콜로이드, 유기물, 미생물, 칼슘염 등의 무기염 등 다양한 종류가 있다.
이와 같은 다양한 막오염을 유발하는 이물질 때문에, 막오염 현상을 미리 예측한다는 것은 상당히 어려운 일이다.
일반적으로 역삼투 또는 나노 여과공정에서의 막오염 현상을 미리 예측하기 위한 방법으로는, SDI(Silt Density Index) 측정방법이 많이 사용된다. SDI는 분리막에 오염(fouling)이 일어날 수 있는 가능성을 나타내는 척도로 이용된다. SDI 측정방법에 따르면, 직경 47mm이고 0.45㎛의 필터에 30 psid의 압력으로 물을 흘려 부유물(SS; Suspended Solid)성분에 의해 일어나는 오염의 정도를 측정한다.
이때, 처음 500ml의 물이 흐르는데 걸리는 시간(T0)을 측정한다. 그리고 15분(T)이 지난 후 다시 500ml의 물이 흐르는데 걸리는 시간(T1)을 측정하고, 이 두 가지 시간의 비율을 척도로 사용한다.
SDI 측정은 현재 역삼투 또는 나노 여과공정에서 유입수의 막오염 경향을 예측하기 위해 가장 널리 사용되는 방법이다. 일반적으로 SDI가 3 미만이면 오염은 심하지 않으며, 5 이상이 될 경우 심한 오염이 일어날 수 있다. 그러나 SDI 측정은 역삼투압 분리막(RO membrane)에서 일어나는 것과 동일한 현상을 이용하는 것이 아니라는 데 한계점이 있다.
즉, SDI 측정방법은, 0.45㎛ 이상의 크기를 가지는 부유성 입자에 의한 막오염 가능성을 간접적으로 평가하는 방법이다. 따라서 SDI로는 0.45㎛ 미만의 크기를 가지는 콜로이드나 유기물에 의한 영향을 평가할 수 없다. 또한 역삼투압 및 나노 여과공정에서는 십자형 여과(crossflow) 모드로 운전되기 때문에, 막오염의 주요 특성인 유발물질의 표면특성들은 SDI에서 측정이 불가능하다. 따라서 SDI 값과 실제 공정에서의 운전결과는 상이하다는 것이 많은 연구에서 밝혀졌다.
이와 같은 문제점을 갖고 있는 SDI를 보완하기 위한 방법으로 MFI(Modified fouling index)등의 방법이 사용되지만, 기본적으로 MFI와 SDI는 동일한 막을 이용하기 때문에, 측정할 수 있는 막오염 물질에 대한 한계를 가지고 있다.
이를 극복하기 위해서 MFI-UF (Modified fouling index - Ultrafilter)나 MFI-NF (Modified fouling index - Nanofilter) 등의 방법이 제안되었으나, 이러한 방법은 유기물에 의한 막오염을 어느 정도 예측할 수 있는데 반하여 부유성 입자에 의한 막오염 경향을 잘 예측할 수 없다.
본 발명은 앞에서 설명한 바와 같은 종래의 기술의 문제점을 해결하기 위하여 발명된 것으로서, SDI와 MFI에서와 같이 1개의 여과막을 이용하는 것이 아니라 서로 다른 특성을 가지는 3개 이상의 여과막을 이용하여 동시에 막오염 경향을 예측함으로써, 부유성 물질이나 콜로이드, 유기물 등 다양한 원인에 의한 복합적인 막오염 현상을 더욱 정확하게 측정하고 정량화할 수 있도록 하는 막오염 지수 측정장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 막오염 지수 측정장치는 막오염 지수를 측정하고자 하는 원수가 유입된 후 배출되며, 다른 특성의 여과막들이 각각 장착되어 원수가 각각의 여과막을 통과하도록 장착된 복수 개의 여과막 홀더들과, 상기 여과막 홀더로 상기 원수가 유입되도록 상기 여과막 홀더에 연결된 유입관에 설치되어 유동하는 원수의 압력을 측정하는 압력계와, 상기 여과막 홀더에서 배출되는 원수의 유량을 측정하는 유량계 및, 상기 압력계와 상기 유량계로부터 정보를 수집하여 설치된 해석 프로그램을 이용하여 막오염 지수를 연산하는 컴퓨터를 포함하는 것을 기술적 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 원수는 저장탱크에 저장되며, 상기 유입관은 상기 저장탱크에서 상기 복수 개의 여과막 홀더로 연장된다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 저장탱크에는 교반기가 장 착된다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 저장탱크에는 공기압축기 또는 고압기체공급탱크가 장착되어 상기 저장탱크 내부의 압력을 증가시킨다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 막오염 지수 측정장치는, 집수조를 더 포함하며, 상기 복수 개의 여과막 홀더들에서 연장된 배출관들이 상기 집수조에 연결되고, 상기 유량계는 상기 배출관에 장착된다.
앞서 설명한 바와 같이, 본 발명의 막오염 지수 측정장치는 역삼투 또는 나노 여과공정에서 다양한 원인에 의하여 나타나는 막오염 현상을 미리 예측함으로써, 공정의 운전상태에 대한 진단과 전처리 공정에 대한 가이드라인 제공 등 다양한 효과를 가진다는 장점이 있다.
특히, 종래 기술의 한계로 지적되어 왔던 부유성 물질이나 콜로이드, 유기물 등 다양한 원인에 의한 복합적인 막오염 현상을 더욱 정확하게 예측하고 정량화할 수 있게 되는 효과가 있다.
아래에서는 본 발명에 따른 막오염 지수 측정장치의 양호한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 다원적 막오염 지수 측정장치를 도시한 전체 구성도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 다원적 막오염 지수 측정장치(100)는, 막오염 지 수를 측정하고자 하는 원수(1)가 유입되어 배출되며 서로 다른 특성을 가진 여과막(121)들이 각각 장착되어 원수(1)가 각각의 여과막(121)을 통과하도록 장착된 복수 개의 병렬식 여과막 홀더(120)들과, 상기 여과막 홀더(120)로 유동하는 원수(1)의 압력을 측정하는 압력계(130)와, 상기 각각의 여과막 홀더(120)에서 배출되는 원수(1)의 유량을 측정하는 유량계(140)와, 상기 압력계(130) 및 상기 유량계(140)로부터 전송된 정보를 이용하여 막오염 지수를 연산하는 컴퓨터(160)를 포함한다.
아래에서는 이와 같이 구성된 막오염 지수 측정장치에 대해 구체적으로 설명한다.
도면에 도시된 실시예에서 부재번호 110은, 막오염지수를 측정하고자 하는 원수(1)가 저장되어 있는 저장탱크(110)인데, 상기 저장탱크(110)에는 도면에 도시된 것처럼 교반기(111)가 설치될 수 있다. 상기 교반기(111)는 원수(1)에 포함된 부유물이 침강되지 않고 부유하도록 작동함으로써, 막오염 지수를 측정하기 위해 공급되는 원수(1)의 조건을 균일하게 만들어 측정의 신뢰성을 향상시킨다. 그리고 저장탱크(110)에는 공기압축기 또는 고압기체공급탱크(113)가 설치될 수 있다. 상기 공기압축기 또는 고압기체공급탱크(113)는 저장탱크(110)의 내부로 기체를 공급하여 저장탱크(110)의 내부압력을 향상시킴으로써, 저장탱크(110)에 저장된 원수(1)가 입수관(115)을 통해 다수 개의 여과막 홀더(120)로 각각 유동하게 만든다.
상기 저장탱크(110)에서 여과막 홀더(120)로 연장된 입수관(115)에는 압력계(130)가 설치된다. 상기 압력계(130)는 전자식으로 구성되는 것이 바람직한데, 입수관(115)을 따라 유동하는 원수(1)의 압력을 감지한 후 압력정보를 갖는 전기적 신호를 발생시키게 되고, 이 압력정보를 갖는 전기적신호는 인터페이스(161)를 통해 컴퓨터(160)로 전송된다.
한편, 원수(1)는 입수관(115)을 따라 여과막 홀더(120)들로 유동한다. 본 발명에서 상기 여과막 홀더(120)는 복수개가 병렬식으로 배치되는데, 각각의 여과막 홀더(120)에는 서로 다른 여과막이 설치되어 있다. 즉, 복수개의 여과막 홀더(120) 각각에는 세공크기, 막 재질, 막 표면 등의 특성이 서로 다른 여과막들이 설치되는 것이다.
도면에 도시된 실시예에서는 3개의 여과막 홀더(120)가 병렬식으로 배치되어 있는데, 여과막 홀더(120)의 개수는 이에 한정되지 아니한다. 후술하는 것처럼 여과막 홀더(120)의 개수를 더 증가시키게 되면 더욱 정확한 측정결과를 얻을 수 있게 된다. 도면에 도시된 것처럼 3개의 여과막 홀더(120)를 가진 실시예를 기준으로 설명하면, 저장탱크(110)에서 연장된 입수관(115)은 3개로 분기되어 각각 여과막 홀더(120)로 연결된다. 따라서 3개의 병렬식 여과막 홀더(120)에는 동일한 조건의 원수(1)가 각각 공급된다.
여과막 홀더(120)에 공급된 원수(1)는 각각의 여과막(121)을 통과한 후 여과막 홀더(120)에서 배출되는데 배출된 원수(1)는 배출수 집수조(150)를 통하여 집수할 수 있다. 그리고 여과막 홀더(120)에서 배출수 집수조(150)로 연장된 각각의 배출관(141)에는 유량계(140)가 설치된다. 상기 유량계는 전자식 유량계로 구성되는 것이 바람직한데, 각각의 배출관(141)을 통해 유동하는 원수(1)의 양을 측정하게 되면, 그 측정된 유량의 정보를 갖는 전기적 신호가 컴퓨터(160)로 전송된다.
컴퓨터(160)는 압력계(130)에서 전송된 압력데이터와 유량계(140)에서 전송된 원수의 유량데이터를 설치된 해석 프로그램으로 연산하여 막오염 지수를 산출하게 된다.
한편, 배출수 집수조(150)에 배수관(151)을 연결하여 배출수 집수조(150)에 저장된 원수(1)를 배출할 수 있다.
아래에서는 이와 같이 구성된 막오염 지수 측정장치의 작동관계에 대해 좀더 상세히 설명한다.
원수(1)에 포함된 부유물이 부유하도록 저장탱크(110)에 교반기(111)를 작동하고, 공기압축기 또는 고압기체공급탱크(113)에서 기체를 저장탱크(110)의 내부로 유입시켜 저장탱크(110) 내부의 압력을 증가시킨다. 그러면 저장탱크(110)의 압력에 의해 원수(1)는 입수관(115)을 따라 저장탱크(110)에서 각각의 여과막 홀더(120)로 유동한다. 이때 입수관(115)에 설치된 압력계(130)는 원수(1)의 압력을 측정하고 측정된 압력을 컴퓨터(160)로 전송한다.
한편, 여과막 홀더(120)에서 배출되는 원수(1)의 유량은 시간이 경과함에 따라 감소하게 된다. 이는 여과막 홀더(120)에 장착된 여과막(121)에 부유물이 침착되었다는 것을 의미한다.
이와 같이 원수(1)를 흐르게 하여 여과막 홀더(120)를 통과시키는 여과 실험은 최소 5분, 최대 30분까지 지속되며, 이 여과 실험 동안에 원수(1)의 압력과 유량이 압력계(130)와 유량계(140)에서 측정되고, 측정된 압력 및 유량은 전기적신호로 인터페이스(161)를 통해 컴퓨터(160)로 전송된다. 전송된 데이터들은 컴퓨 터(160)에 저장된다.
저장된 압력 및 유량 정보는 컴퓨터(160)에 설치된 해석 프로그램을 통해 막오염 지수로 연산된다.
해석 프로그램은, 유량 변화 즉, 각 여과막(121)의 시간에 따른 유량의 차로부터 여과시간(t)과 여과시간/여과부피(t/V)와의 관계를 계산하여 그 기울기로부터 막오염 지수를 계산한다. 즉, 동일 압력조건에서 여과시간(t)와 여과시간/여과부피(t/V)는 일정한 관계식(t/V=at+b)으로 표현되며, 이러한 관계식으로부터 계산된 기울기(a)는 막오염이 진행되는 속도 및 경향으로 표현될 수 있다. 이때 서로 다른 특성을 가진 각각의 여과막(121)으로부터 계산되는 막오염 지수는 서로 다른 의미를 갖게 된다.
예를 들어 여과막의 한 종류로서, 친수성 정밀여과막으로 측정된 막오염 지수는 일반적인 부유입자에 의한 막오염 경향을 예측하는 척도가 된다. 소수성 정밀여과막에 의하여 측정된 막오염 지수는 소수성 입자 및 유기물질에 의한 막오염 경향을 예측하는 척도가 된다. 다른 종류의 여과막으로서, 한외여과막에 의하여 측정된 막오염 지수는 고분자 유기물질에 의한 막오염 경향을 예측하는 척도가 된다.
본 발명에서는 위와 같이 여러 종류의 여과막을 동시에 사용하게 되므로, 한 종의 원수(1)에 대해 다양한 종류의 여과막을 통한 막오염 지수를 구할 수 있게 된다. 따라서 여과막의 세공과 분획분자량, 표면의 친수성/소수성 정도, 표면전하, 거칠기 등에 따라 다양한 막오염 물질의 영향을 평가할 수 있다.
예를 들어 동일한 원수 조건에서 분석하고자 하는 목적에 따라 여과막(121)의 종류를 세공 크기별로 장착할 경우 세공과 분획분자량의 크기에 따른 막오염 지수를 구할 수 있으며, 장착된 여과막의 친수성/소수성 특성에 따라 산출되는 막오염 지수로부터 친수성/소수성 특성으로부터 산출된 막오염 지수를 측정할 수 있다. 즉, 이러한 원리를 이용하여 다양한 여과막을 이용할 경우 적용된 여과막의 특성에 따라 막오염 지수를 측정할 수 있으며, 산출된 막오염 지수로부터 막오염 평가를 수행할 수 있다.
도 2는 다원적 막오염 지수의 해석방법을 도식화한 결과를 예로서 나타낸 것이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 3개의 여과막을 친수성 정밀여과막(MFI-HL), 소수성 정밀여과막(MFI-HP), 및 한외여과막(MFI-UF)으로 설치하고 막오염에 따른 결과를 그래프로 나타내면, 유입수의 종류에 따른 막오염의 경향을 상대적으로 비교할 수 있다. 따라서 유입수 내의 어떤 물질이 막오염을 용이하게 유발하게 되는지에 관한 정보를 얻을 수 있다.
도 3은 막오염 지수로부터 막오염의 경향을 예측한 결과를 도시한 그래프의 예이다.
여과막의 투과량 감소속도(Flux Decline Rate: FDR)는 다원적 막오염 지수를 이용하여 예측할 수 있다. 여기서 FDR은 현장에서의 막 운전데이터를 바탕으로 하여 수학식 1로부터 계산된다.
Figure 112008080405908-PAT00001
한편 막오염 지수를 측정한 값을 이용하면 수학식 2로부터 FDR 값을 구할 수 있다.
Figure 112008080405908-PAT00002
상기 수학식 1 및 수학식 2에서, J는 여과수의 플럭스이고, t는 시간이며, φ는 FDR이며, c0와 ci는 가중치이고, Fi은 서로 다른 여과막으로부터 측정된 개별적인 막오염 지수이며, n은 사용한 막오염 지수 측정에 사용한 여과막 종류의 개수를 나타내는 3 이상의 정수이다.
가중치 c0와 ci는 이전의 실험데이터를 바탕으로 하여 회귀분석하여 구할 수 있다.
한편, 여과막의 개수 즉 여과막을 장착할 수 있는 여과막 홀더의 개수를 4개 이상으로 하여 여과막의 개수를 4개 이상으로 증가시키면, 더 정확한 결과를 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 다원적 막오염 지수 측정장치를 도시한 전체 구성도이고,
도 2는 다원적 막오염 지수의 해석방법을 도식화한 결과를 예로서 나타낸 것이며,
도 3은 다원적 막오염 지수로부터 막오염의 경향을 예측한 결과를 도시한 그래프이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
1 : 원수 100 : 막오염 지수 측정장치
110 : 저장탱크 111 : 교반기
113 : 고압기체공급탱크 115 : 입수관
120 : 여과막 홀더 121 : 여과막
130 : 압력계 140 : 유량계
141 : 배출관 150 : 집수조
151 : 배수관 160 : 컴퓨터
161 : 인터페이스

Claims (6)

  1. 막오염 지수를 측정하고자 하는 원수가 유입된 후 배출되며, 서로 다른 종류의 여과막들이 각각 장착되어 원수가 각각의 여과막을 통과하도록 장착된 복수 개의 여과막 홀더들과;
    상기 여과막 홀더로 상기 원수가 유입되도록 상기 여과막 홀더에 연결된 유입관에 설치되어 유동하는 원수의 압력을 측정하는 압력계와;
    상기 여과막 홀더에서 배출되는 원수의 유량을 측정하는 유량계와;
    상기 압력계와 상기 유량계로부터 정보를 수집하여 설치된 해석 프로그램을 이용하여 막오염 지수를 연산하는 컴퓨터를 포함하는 것을 특징으로 하는 막오염 지수 측정장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 원수는 저장탱크에 저장되며, 상기 유입관은 상기 저장탱크에서 상기 복수 개의 여과막 홀더로 연장된 것을 특징으로 하는 막오염 지수 측정장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 저장탱크에는 교반기가 장착된 것을 특징으로 하는 막오염 지수 측정장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 저장탱크에는 공기압축기 또는 고압기체공급탱크가 장착되어 상기 저장탱크 내부의 압력을 증가시키는 것을 특징으로 하는 막오염 지수 측정장치.
  5. 제1항에 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 막오염 지수 측정장치는,
    집수조를 더 포함하며, 상기 복수 개의 여과막 홀더들에서 연장된 배출관들이 상기 집수조에 연결되고, 상기 유량계는 상기 배출관에 장착된 것을 특징으로 하는 막오염 지수 측정장치.
  6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 컴퓨터의 해석 프로그램은, 수학식 1 및 수학식 2에 의하여 막오염 속도를 계산하는 것을 특징으로 하는 막오염 지수 측정장치.
    (수학식 1)
    Figure 112008080405908-PAT00003
    (수학식 2)
    Figure 112008080405908-PAT00004
    (여기에서, J는 여과수의 플럭스이고, t는 시간이며, φ는 FDR이며, c0와 ci는 가중치이고, Fi은 서로 다른 여과막으로부터 측정된 개별적인 막오염 지수이며, n은 사용한 막오염 지수 측정에 사용한 여과막 종류의 개수를 나타내는 3 이상의 정수이다.)
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