KR20170125172A - 역삼투 막여과 공정에서의 이산화탄소 포화용액을 이용한 유지세정 시스템 및 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 이산화탄소 포화용액을 이용하여 여과막부를 세정하는 역삼투 막여과 공정에서의 이산화탄소 포화용액을 이용한 유지세정 시스템 및 방법에 관한 것으로, 본 발명은 유입된 원수를 처리수 및 농축수로 분리하는 RO 여과막부; 및 RO 여과막부로 이산화탄소 포화용액을 공급하는 이산화탄소 포화용액 공급부;를 포함하며, RO 여과막부로 공급되는 이산화탄소 포화용액에 의하여 RO 여과막부의 세정이 이루어지는 역삼투 막여과 공정에서의 이산화탄소 포화용액을 이용한 유지세정 시스템 및 방법을 제공한다.
이에 의하면, 종래의 역삼투 막여과 공정보다 높은 회수율과 막투과유속으로 운전하여 운영 효율을 높일 수 있으며, 이에 따른 전처리 설비의 제거 효율 및 용량 저감이 가능하다. 또한, 고농도의 화학약품 사용에 따른 이차적 환경 오염을 예방할 수 있다. 더욱이 종래의 역삼투 막여과 공정의 최소한의 설비 변경으로 본 기술을 적용할 수 있으므로 최소한의 초기투자비로 운영효율을 극대화시킬 수 있다.
이에 의하면, 종래의 역삼투 막여과 공정보다 높은 회수율과 막투과유속으로 운전하여 운영 효율을 높일 수 있으며, 이에 따른 전처리 설비의 제거 효율 및 용량 저감이 가능하다. 또한, 고농도의 화학약품 사용에 따른 이차적 환경 오염을 예방할 수 있다. 더욱이 종래의 역삼투 막여과 공정의 최소한의 설비 변경으로 본 기술을 적용할 수 있으므로 최소한의 초기투자비로 운영효율을 극대화시킬 수 있다.
Description
본 발명은, 역삼투 막여과 공정에서의 유지세정에 관한 것으로, 상세하게는 이산화탄소 포화용액을 이용하여 여과막부를 세정하는 역삼투 막여과 공정에서의 이산화탄소 포화용액을 이용한 유지세정 시스템 및 방법에 관한 것이다.
수처리 공정의 일종인 RO(역삼투, Reverse Osmosis)막을 이용한 막여과 공정 여과막부에는 유입수가 투과됨에 따라 오염물질이 분리막 표면에 축적된다.
이러한 막여과 공정에 사용되는 분리막은 그 유입수에 따라 유기 막오염(파울링, fouling)(organic fouling), 무기 막오염(파울링)(inorganic fouling), 생물막오염(파울링)(bio fouling) 등의 현상이 발생하여 그 성능은 지속적으로 감소된다. 따라서, 사용에 따라 감소된 분리막의 투과성능을 회복시키기 위해서 화학약품을 통한 화학세정(CIP, cleaning in place) 또는, 플러싱(flushing), 삼투역세정(Forward Osmosis backwashing) 등의 물리세정이 이루어진다.
일반적인 역삼투 막여과 공정에서는 전처리의 강화 또는 일정 주기로 수행되는 화학세정을 이용한 간접적인 막오염 제어 기술을 사용했기 때문에 역삼투 막여과 공정의 운영 효율을 높이는데 제한이 있으며, 전처리의 과다 설계, 고농도의 약품 사용 등의 문제점이 있다.
이와 관련하여 특허문헌 1에는 고압 막여과 공정의 유지화학세정 시스템이 개시되어 있다. 그러나, 이러한 유지화학세정의 경우 주기적인 세정을 통하여 고압막의 수명을 효과적으로 연장할 수 있으나, 이를 위한 자동화 설비 운영이 어려우며, 세정 전후 배관 및 베셀 내부의 해수 또는 약품을 제거하기 위한 일정 시간의 플러싱을 해야하므로 역삼투 막여과 공정의 가동률과 회수율이 감소되며, 전체적인 경제성이 감소될 수 있다.
또한, 물리세정으로써 특허문헌 2에 개시된 것과 같은 기존의 삼투역세정을 해수담수화 및 하수재이용 공정 등에 적용하는 경우, 화학세정 대비 세정효율이 낮으며, 세정효율을 높이기 위해 원수 측의 삼투압을 증가시키는 것에는 한계가 있다. 따라서, 경제성과 운영 효율을 저감시키기에 기존 삼투역세정이 갖는 물리적 제거 효율을 높일 수 있는 효과적인 물리세정 시스템이 요구된다.
이에, 본 발명은 상기한 종래의 문제점에 착안하여 이를 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 통상적으로 이루어지고 있는 간접적 막오염 제어 기술과 달리 7일 이상의 주기를 갖는 물리적 유지세정을 수행함으로써, 분리막 표면에 장기간 흡착 및 축적된 막오염 물질이 고압으로 압밀되고 상호작용으로 비가역화되기 전인 가역적 막오염 상태에서 단기간에 제거하여 역삼투 막여과 공정의 운영 효율을 제고시키는데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 유입된 원수를 처리수 및 농축수로 분리하는 RO 여과막부; 및 상기 RO 여과막부로 이산화탄소 포화용액을 공급하는 이산화탄소 포화용액 공급부;를 포함하며, 상기 RO 여과막부로 공급되는 상기 이산화탄소 포화용액에 의하여 상기 RO 여과막부의 세정이 이루어지는 역삼투 막여과 공정에서의 이산화탄소 포화용액을 이용한 유지세정 시스템을 제공한다.
상기 이산화탄소 포화용액 공급부에서 기설정된 염 농도의 용액과 이산화탄소 기체가 포화된 이산화탄소 포화용액이 상기 RO 여과막부로 공급되며,
상기 RO 여과막부로 공급된 상기 이산화탄소 포화용액과 상기 RO 여과막부 내의 처리수 사이의 농도차 및 상기 이산화탄소 포화용액의 전단력으로 인하여 상기 RO 여과막부의 세정이 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 유입된 원수를 여과하여 전처리수를 배출하는 전처리부를 포함하며, 배출되는 상기 전처리수가 상기 이산화탄소 포화용액 공급부로 공급되며, 상기 이산화탄소 포화용액 공급부에서 상기 전처리수와 이산화탄소 기체가 포화된 상기 이산화탄소 포화용액이 상기 RO 여과막부로 공급되어, 상기 RO 여과막부로 공급된 상기 이산화탄소 포화용액과 상기 RO 여과막부 내의 처리수 사이의 농도차 및 상기 이산화탄소 포화용액의 전단력으로 인하여 상기 RO 여과막부의 세정이 이루어지는 것이 바람직하다.
유입된 상기 원수 또는 상기 RO 여과막부에서 분리된 상기 농축수가 상기 이산화탄소 포화용액 공급부로 공급되며, 상기 이산화탄소 포화용액 공급부에서 상기 전처리수 또는 상기 원수와 이산화탄소 기체가 포화된 상기 이산화탄소 포화용액이 상기 RO 여과막부로 공급되어, 상기 RO 여과막부로 공급된 상기 이산화탄소 포화용액과 상기 RO 여과막부 내의 처리수 사이의 농도차 및 상기 이산화탄소 포화용액의 전단력으로 인하여 상기 RO 여과막부의 세정이 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 RO 여과막부로 공급되는 상기 이산화탄소 포화용액은, 상기 RO 여과막부의 막오염 성상에 따라 상기 RO 여과막부의 전단 또는 후단으로 선택적으로 공급되는 것이 바람직하다.
상기 RO 여과막부로 공급되는 상기 이산화탄소 포화용액은, 상기 이산화탄소 포화용액이 공급되는 상기 RO 여과막부의 전단 또는 후단의 반대단에서 발생하는 음압에 의해 상기 RO 여과막부의 전단 또는 후단으로 공급되는 것이 바람직하다.
상기 RO 여과막부의 세정 후 상기 RO 여과막부로부터 배출되는 상기 이산화탄소 포화용액이 상기 이산화탄소 포화용액 공급부로 공급되어 상기 RO 여과막부로의 재공급이 가능한 것이 바람직하다.
또한, (a) 유입되는 원수가 RO 여과막부에서 처리수 및 농축수로 분리되어 배출되는 단계; (b) 기설정된 세정개시조건이 만족되었는지 여부가 판단되는 단계; (c) 기설정된 상기 세정개시조건이 만족되면, 이산화탄소 포화용액이 상기 RO 여과막부(400)로 공급되는 단계; 및 (d) 상기 RO 여과막부로 공급되는 상기 이산화탄소 포화용액에 의하여 상기 RO 여과막부의 세정이 이루어지는 단계;를 포함하는역삼투 막여과 공정에서의 이산화탄소 포화용액을 이용한 유지세정 방법을 제공한다.
상기 (c) 단계는, (1c) 기설정된 상기 세정개시조건이 만족되면, 기설정된 염 농도의 용액에 이산화탄소 기체가 포화된 이산화탄소 포화용액이 상기 RO 여과막부로 공급되는 단계이고, 상기 (d) 단계는, (1d) 상기 RO 여과막부로 공급되는 상기 이산화탄소 포화용액과 상기 RO 여과막부 내의 처리수와의 농도차 및 상기 이산화탄소 포화용액의 전단력으로 인하여 상기 RO 여과막부의 세정이 이루어지는 단계인 것이 바람직하다.
상기 (a) 단계는, (1a) 유입된 원수가 여과된 전처리수가 RO 여과막부에서 처리수 및 농축수로 분리되어 배출되는 단계;이고, 상기 (c)단계는, (2c) 기설정된 상기 세정개시조건이 만족되면, 상기 전처리수에 이산화탄소 기체가 포화된 이산화탄소 포화용액이 상기 RO 여과막부로 공급되는 단계;인 것이 바람직하다.
상기 (c) 단계는, (3c) 기설정된 상기 세정개시조건이 만족되면, 상기 농축수에 이산화탄소 기체가 포화된 이산화탄소 포화용액이 상기 RO 여과막부로 공급되는 단계;인 것이 바람직하다.
상기 (b) 단계와 상기 (c) 단계 사이에, (b1) 상기 RO 여과막부의 오염성상이 감지되는 단계;를 더 포함하며, 상기 (d)단계에서, 상기 RO 여과막부로 공급되는 상기 이산화탄소 포화용액은, 감지된 상기 RO 여과막부의 오염성상에 따라 상기 RO 여과막부의 전단 또는 후단으로 선택적으로 공급되는 것이 바람직하다.
상기 (d) 단계 이후, (e) 상기 RO 여과막부의 세정 후 상기 RO 여과막부로부터 배출되는 상기 이산화탄소 포화용액이 상기 이산화탄소 포화용액 공급부로 재공급되어 상기 RO 여과막부의 세정이 이루어지는 단계;를 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기와 같이, 본 발명에 따른 역삼투 막여과 공정에서의 이산화탄소 포화용액을 이용한 유지세정 시스템 및 방법에 의하면, 종래의 역삼투 막여과 공정보다 높은 회수율과 막투과유속으로 운전하여 운영 효율을 높일 수 있으며, 이에 따른 전처리 설비의 제거 효율 및 용량 저감이 가능하다. 또한 고농도의 화학약품 사용에 따른 이차적 환경오염을 예방할 수 있다. 더욱이 종래의 역삼투 막여과 공정의 최소한의 설비 변경으로 본 기술을 적용할 수 있으므로 최소한의 초기투자비로 운영효율을 극대화시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 역삼투 막여과 공정에서의 이산화탄소 포화용액을 이용한 유지세정 시스템을 개략적으로 나타낸다.
도 2 내지 도 3은 여과막부의 구성을 상세히 나타낸다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 역삼투 막여과 공정에서의 이산화탄소 포화용액을 이용한 유지세정 방법을 순서대로 나타낸다.
도 5는, 여과막부에 단순 기체 주입에 따른 세정효율을 비교한 그래프이다.
도 6은, 여과막부에 기체포화 상태의 용액 공급에 따른 세정 효율을 비교한 그래프이다.
도 7은, 각 세정 형태에 따른 효율을 비교한 그래프이다.
도 2 내지 도 3은 여과막부의 구성을 상세히 나타낸다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 역삼투 막여과 공정에서의 이산화탄소 포화용액을 이용한 유지세정 방법을 순서대로 나타낸다.
도 5는, 여과막부에 단순 기체 주입에 따른 세정효율을 비교한 그래프이다.
도 6은, 여과막부에 기체포화 상태의 용액 공급에 따른 세정 효율을 비교한 그래프이다.
도 7은, 각 세정 형태에 따른 효율을 비교한 그래프이다.
본 발명의 상기와 같은 목적, 특징 및 다른 장점들은 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명함으로써 더욱 명백해질 것이다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 기술되어야 할 것이다.
또한, 기술되는 실시예는 발명의 설명을 위해 예시적으로 제공되는 것이며, 본 발명의 기술적 범위를 한정하는 것은 아니다.
본 발명에 따른 역삼투 막여과 공정에서의 이산화탄소 포화용액을 이용한 유지세정 시스템을 이루는 각 구성요소들은 필요에 따라 일체형으로 사용되거나 각각 분리되어 사용될 수 있다. 또한, 사용 형태에 따라 일부 구성요소를 생략하여 사용이 가능하다.
이하, 첨부된 도 1 내지 도 3을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 역삼투 막여과 공정에서의 이산화탄소 포화용액을 이용한 유지세정 시스템(이하, 설명의 편의를 위하여 단순히 '유지세정 시스템'이라 칭함)을 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 역삼투막을 이용한 막여과 공정에서의 막여과부를 이산화화탄소 포화용액을 이용하여 물리적 유지세정을 행하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유지세정 시스템은, 도 1에 도시된 바와 같이, 원수조(100), 전처리부(200), 전처리수조(300), RO 여과막부(400), 처리수조(500), 농축수조(600) 및 이산화탄소 포화용액 공급부(700)를 포함할 수 있다.
원수조(100)에는 처리대상인 원수가 유입되어 저장된다. 원수는 예를 들면 해수 및 기수 등을 들 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
원수조(100)에 저장된 원수는 후술할 전처리부(200) 또는 이산화탄소 포화용액 공급부(700)로 공급될 수 있다.
전처리부(200)는 유입된 원수를 여과 등을 통하여 전처리하며, 이로써 원수에 포함된 입자 등이 제거된다.
전처리부(200)의 구성은 한정되지 않으나, 일례로서, MF(Micro-filtration)여과막, UF(ultra-filtration) 여과막 또는 NF(nano-filtration) 여과막 등이 사용될 수 있다.
전처리수조(300)는 전처리부(200)에서 전처리된 전처리수가 유입되어 저장된다.
전처리수조(300)에 저장되는 전처리수는 RO 여과막부(400) 또는 이산화탄소 포화용액 공급부(700)로 공급될 수 있다.
다만 전처리수조(300)의 구성은 생략이 가능하며, 이 경우, 전처리부(200)에서 전처리된 전처리수가 직접 RO 여과막부(400) 또는 이산화탄소 포화용액 공급부(700)로 공급된다.
RO 여과막부(400)에는 전처리수가 유입되며, 유입된 전처리수가 RO 여과막부(400)의 역삼투막에 의하여 처리수 및 농축수로 분리되어 배출된다.
배출된 처리수 및 농축수는 각각 RO 여과막부(400)와 연결된 처리수조(500) 및 농축수조(600)로 유입되어 저장될 수 있고, 처리수는 배출되어 사용되고, 농축수는 이산화탄소 포화용액 공급부(700)로 공급되어 RO 여과막의 세정에 사용될 수 있다. 상세하게는 후술한다.
이산화탄소 포화용액 공급부(700)는 이산화탄소 포화용액을 RO 여과막부(400)로 공급함으로써 RO 여과막부(400)의 세정이 이루어지도록 한다. 이를 위하여 이산화탄소를 일정 압력으로 이산화탄소 포화용액 공급부(700)에 공급하는 이산화탄소 공급탱크(800)가 구비될 수 있다.
이와 같이 이산화탄소 포화용액을 이용하여 RO 여과막부(400)를 세정할 경우, 이산화탄소가 액체 내에서 포화된 상태에서 발생하는 이산화탄소 미세기포가 높은 전단력을 가지며, 또한, 이산화탄소 기체의 액체로의 포화과정에서 pH가 3~4로 낮아지기에, RO 여과막부(400)에 존재하는 유기 및 무기 막오염 물질에 대하여 모두 높은 제거효율을 나타낼 수 있다.
한편, 이산화탄소 포화용액 공급부(700)에 기설정된 농도의 염을 포함하는 액체를 공급하고 여기에 이산화탄소 기체를 포화시킨 이산화탄소 포화용액을 RO 여과막부(400)에 공급하여 RO 여과막부(400)의 세정이 이루어 지도록 할 수 있다. 이 경우, RO 여과막부(400)에 공급된 이산화탄소 포화용액과 여과막 내의 처리수와의 농도차로 인한 RO 여과막부(400)의 세정이 이루어질 수 있다.
또한, 상기한 바와 같이, 원수조(100), 전처리수조(300) 및 농축수에 저장된 원수, 전처리수 또는 농축수가 이산화탄소 포화용액 공급부(700)로 공급되고, 공급된 원수, 전처리수 및 농축수에 이산화탄소 기체를 포화시킨 포화용액을 RO 여과막부(400)로 공급하여 RO 여과막부(400)의 세정이 이루어지도록 할 수 있다, 이는, 원수, 전처리수 또는 농축수는 일정량의 염을 포함하고 있기에, 상기한 바와 같이 별도로 염을 포함하는 액체를 따로 공급하지 않고 이를 이용하여 상기한 RO 여과막부(400)의 세정이 이루어질 수 있다는 장점이 있다.
도 2 내지 도 3에 도시된 바와 같이, RO 여과막부(400)는 다수의 분리막 엘리먼트(element, 411, 412, 430, 421, 422)가 연속적으로 집적되어 있는 구성일 수 있다. 도 2 내지 3은 5개의 분리막 엘리먼트로 구성되어 있는 예를 도시하나, 그 개수에 제한되지 않음은 물론이다. 여기에서 막오염 성상을 RO 여과막부(400) 전단측(도 2 및 도 3에서 RO 여과막부(400)의 좌측)의 엘리먼트(410)와 후단측(도 2 및 도 3에서 RO 여과막부(400)의 우측)의 엘리먼트(420)로 나누어볼 수 있다. RO 여과막부(400) 전단의 리드 엘리먼트(lead element, 411)측은 처리수량이 가장 많고, 입자 막오염, 유기(생물) 막오염이 지배적인 막오염 현상이 유발된다. 반면, 후단의 엔드 엘리먼트(end element, 422)측은 이전 엘리먼트들의 여과에 의한 농축이 가속화되어 삼투압의 상승에 따라 처리수량이 가장 적고, 무기(스케일) 막오염이 지배적인 막오염 현상이 유발되기에 그 오염성상이 각각 다르다.
이러한 RO 여과막부(400)의 오염성상은 RO 여과막부(400)의 전, 후단 및 농축수조와 연결된 라인에 구비되는 센서(미도시)에 의해서 RO 여과막부(400)로의 유입수, 여과막부(400)에서 배출되는 처리수와 농축수의 수질을 감지함으로써 알 수 있다.
이렇게 RO 여과막부(400) 전, 후단의 오염성상에 따라 이산화탄소 포화용액의 공급을 제어하여 각각의 오염성상을 효과적으로 세정할 수 있다.
도 2를 참조하면, 유기 막오염이 지배적인 경우, 이산화탄소 포화용액을 RO 여과막부(400) 전단(410) 측, 즉 리드 엘리먼트(411) 측으로 공급하여, 먼저 RO 여과막부(400) 전단(410)에서 이산화탄소 포화용액에 포함된 미세기포의 전단력 및 삼투압에 의하여 유기 막오염이 세정되고, RO 여과막부(400) 후단(420)에서 이산화탄소 포화용액의 낮은 pH를 통하여 스케일 등의 무기 막오염이 세정되도록 할 수 있다.
구체적으로, 이산화탄소 포화용액을 RO 여과막부(400) 전단(410) 측, 즉 리드 엘리먼트(411) 측으로 공급하는 경우, RO 여과막부(400) 전단(410) 측에 구비된 펌프(P1)를 통하여 이산화탄소 포화용액을 RO 여과막부(400) 전단(410) 측으로 공급함으로써, RO 여과막부(400)의 세정이 이루어지도록 할 수있다.
한편, 이와는 반대로, 이산화탄소 포화용액을 RO 여과막부(400) 후단(420) 측에 위치한 펌프(P2)를 통하여, RO 여과막부(400) 후단(420)에 음압을 발생시켜, 이산화탄소 포화용액이 RO 여과막부(400) 전단(410) 측으로 공급되도록 함으로써 RO 여과막부(400)의 세정이 이루어지도록 할 수 있다. 이러한 경우, 포화된 이산화탄소가 RO 여과막부(400) 내의 음압에 의한 압력 하강에 의해 용액 내에서 빠져나오게 됨으로써 보다 효과적인 RO 여과막부(400)의 세정이 가능하다.
한편, 도 3에 도시된 바와 같이, 무기 막오염이 지배적인 경우, C02 포화용액을 RO 여과막부(400) 후단(420) 측, 즉 엔드 엘리먼트(422) 측으로 공급하여, 먼저 RO 여과막부(400) 후단(420) 측에서 이산화탄소 포화용액의 낮은 pH 및 미세기포의 전단력에 의해 무기 막오염이 세정되고, RO 여과막부(400) 전단(410) 측에서 이산화탄소 포화용액의 삼투압을 이용하여 유기 막오염이 세정되도록 하고, 이러한 경우에는 상기와 반대로 이산화탄소 포화용액을 RO 여과막부(400) 후단(420) 측에 위치한 펌프(P2)의 가압 또는 RO 여과막부(400) 전단(410) 측에 위치한 펌프(P1)의 음압발생에 의하여 RO 여과막부(400)의 세정이 이루어 진다.
또한, 세정 후 RO 여과막부(400)에서 배출되는 이산화탄소 포화용액은 회수하여 이산화탄소 포화용액 공급부(700)로 다시 공급하여 재사용이 가능하도록 함으로써, 비용 절감의 효과도 얻을 수 있다.
다음, 도 4를 더 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 유지세정 역삼투 막여과 공정에서의 이산화탄소 포화용액을 이용한 유지세정 방법(이하, 설명의 편의를 위하여 단순히 '유지세정 방법'이라 칭함)을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 유입되는 원수가 RO 여과막부(400)에서 처리수 및 농축수로 분리 배출된다(S100).
상기한 바와 같이, 유입되는 원수가 원수조(100)에 저장되어, 저장된 원수가 전처리부(200)에서 전처리되고, 전처리수가 전처리수조(300)에 저장되고, 전처리수가 RO 여과막부(400)로 유입되어 역삼투에 의하여 농축수 및 처리수로 분리된다.
다음, 기설정된 세정개시조건이 만족되었는지 여부가 판단된다(S200).
세정개시조건이란 RO 여과막부(400)의 세정이 요구되는 시점으로서, 예를 들면, RO 여과막부(400)에 있어서, 처리수의 생산수량이 기설정된 양 이상으로 감소한 경우, 염제거율이 기설정된 양 이상 감소한 경우, 차압이 시스템 가동 초기에 비해 기설정된 값 이상으로 증가한 경우 또는 가동 초기 조건과 같은 처리수의 생산수량을 얻기 위한 압력(원수유입압력)이 기설정된 압력이상으로 증가하는 경우 등을 들 수 있고, 이외에도, 일정주기가 도과하면 세정이 이루어지도록 미리 설정되는 조건을 말한다.
이러한 세정개시조건은, RO 여과막부(400) 전단 또는/및 후단에 구비되는 센서(미도시)를 통하여 상기한 각 값(생산수량, 염제거율, 차압 및 유입압력)이 감지되며, 일정주기의 경우는 타이머 등을 이용하여 카운트할 수 있다. 이러한 주기는 한정되지 않으나, 대략 7일 이상의 기간에 1회 세정이 이루어지도록 설정될 수 있다.
상기 감지된 값이 기설정된 값의 범위를 벗어나면, 즉, 기설정된 세정개시조건이 만족되지 않으면, 상기 S100단계로 궤환한다.
한편, 세정개시조건이 만족되면, S300 단계가 수행된다.
다음으로, 상기한 바와 같이, 여과막부(400)로의 유입수, 여과막부(400)에서 배출되는 처리수와 농축수의 수질이 감지될 수 있다. 감지된 여과막부(400)로의 유입수, 여과막부(400)에서 배출되는 처리수와 농축수의 수질에 따라 상기한 여과막 오염성상을 알 수 있다.
다음, 이산화탄소 포화용액이 상기 RO 여과막부(400)로 공급된다(S300).
상기와 같이 세정개시조건이 만족되면, 여과막부의 오염이 진행되었다는 것으로, RO 여과막부(400)로 이산화탄소 포화용액이 공급되도록 한다. 이때, RO 여과막부(400)로 공급되는 이산화탄소 포화용액은 기설정된 농도의 염을 포함하는 액체, 원수, 전처리수 또는 농축수에 이산화탄소 기체를 포화시켜 공급할 수 있고, 이를 상기한 바와 같이, 감지된 여과막부(400)로의 유입수, 여과막부(400)에서 배출되는 처리수와 농축수의 수질에 따라 파악되는 RO 여과막부(400)의 오염성상에 따라, RO 여과막부(400)의 전단 또는 후단으로 공급되도록 할 수 있다.
다음, RO 여과막부(400)로 공급되는 이산화탄소 포화용액에 의하여 RO 여과막부(400)의 세정이 이루어진다(S400).
RO 여과막부(400)로 공급된 이산화탄소 포화용액에 의하여 RO 여과막부(400)의 세정이 이루어지며, 상기와 같이 기설정된 농도의 염을 포함하는 액체, 원수, 전처리수 또는 농축수에 이산화탄소 기체를 포화시킨 이산화탄소 포화용액의 경우 RO 여과막부(400) 내의 처리수와의 농도차에 의한 정삼투압이 발생하고, 이에 의해 RO 여과막부(400)의 삼투역세정이 이루어진다.
그리고, 세정 후 상기한 S100단계로 궤환한다. 즉, 막여과 수처리공정이 다시 개시되며, RO 여과막부(400)로부터 배출되는 상기 이산화탄소 포화용액이 회수되어 이산화탄소 포화용액 공급부(700)로 공급되어 다시 RO 여과막부(400)로 공급됨으로써 이산화탄소 포화용액의 재사용이 가능하다.
이하에서는, 도 5 내지 도 7을 더 참조하여, 상기와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 유지세정 시스템 및 방법의 실험예를 통하여 그 효과를 상세히 설명한다.
본 실험에서는 RO 여과막부(400)의 오염상태를 만들기 위하여 HA(Humic acid), SA(Sodium alginate), BSA(bovine serum albumin)를 각각 1:1:1 비율로 혼합하여 총 100 mg/L으로 RO 여과막부(400)에 주입하여 막오염을 진행하였고, FDR(Flux decline rate) 10% 도달 시 운전을 정지한 후 RO 여과막부(400)를 분리하여 세정 전 막오염 분석을 실시하였다(NaOH 0.05M 수용액에 오염된 여과막을 침지시켜 초음파 세정기를 통해 25℃에서 1시간 세정한 후 HCl을 이용해 pH를 중화시켜 유기물을 추출).
또한, 세정효율(CE, Cleaning Efficiency, %)는 하기 식에 의하여 계산되었다.
여기서, fi는 초기 막투과유속, ff는 감소된 막투과유속, fc는 세정 후 회복된 막투과유속을 나타낸다.
먼저, 비교를 위하여 단순 기체 공급에 따른 세정 효율을 평가하였다.
상기와 같이, 여과막부의 막오염을 FDR 10%까지 진행시킨 후 공기, 질소, 이산화탄소 기체를 0.5 L/min으로 공급하는 것과 동시에 NaCl 수용액을 0.5 L/min으로 공급함으로써 순환유량을 1 L/min으로 세정을 실시하였다.
그림 5a는 각 기체별 세정 시 세정효율을 나타낸 그래프이다. 이와 비교하여 단순 플러싱(flushing)시 세정효율은 6%였으며, 기존 삼투역세정은 28%, 공기 주입 세정 시 24.5%, 질소 주입 세정 시 25.5%, 이산화탄소 주입 세정 시 25.1%로, 기체를 주입할 경우 기존 삼투역세정보다 낮은 세정효율을 보였다.
도 5b는 각 기체별 세정 시 유기물 제거율을 나타낸 그래프이다.
플러싱 후 유기물이 16.2% 제거되었으며, 기존 삼투역세정 시 67.6% 제거되었다.
공기 주입 세정 시 50.3%, 질소 주입 세정 시 52.5%, 이산화탄소 주입 세정 시 50.7%로 기존 삼투역세정보다 낮은 유기물 제거율을 보였다.
도 5c는 각 기체별 세정 시 역세수 유입 유량을 비교한 그래프이다.
기존 삼투역세정 시 23.9 mL이 유입된 반면, 기체를 주입할 경우 공기 22 mL, 질소 21.4 mL, 이산화탄소 22.2 mL로 유입 유량이 감소되는 경향을 보였다. 이는 삼투역세정 효율과 비교했을 때 층류 형태의 기체 흐름으로 인해 삼투역세정 시 처리수 유입 측에 기체층을 형성하여 역세수 유입을 방해하여 세정효율이 감소되는 것으로 판단된다.
도 5d는 각 기체별 세정 후 가역, 비가역 여과저항의 비를 나타낸 그래프이다. 플러싱 시 가역/비가역 비율은 0.07:0.93이었으며, 기존 삼투역세정 시 0.3:0.7, 공기 주입 시 0.27:0.73, 질소 주입 시 0.29:0.71, 이산화탄소 주입 시 0.26:0.74였다. 이는 세정효율과 유사한 경향을 나타냈으며, 이를 통해 단순 기체 주입으로는 세정효율을 증가시키기 보다는 세정 효율을 다소 감소시키는 것을 확인할 수 있었다.
다음, 기체포화 상태의 용액 공급에 따른 세정 효율을 평가하였다. 본 실험에서는 FDR 10%까지 막오염 시, 포화 압력 탱크에 NaCl 수용액을 18 L 주입하여 공기, 질소, 이산화탄소를 1 bar의 압력으로 24시간 포화시킨 후 1 L/min의 순환유량을 유지시키며 세정을 실시하였다. 또한 이산화탄소가 1 bar에서 포화 시 약 pH 3.9로 감소되므로 pH에 대한 세정효율 영향을 판단하기 위해 추가적으로 질소 포화 시 pH를 3.9로 낮춘 NaCl 수용액을 이용하였다.
도 6a는 각 용존 기체별 세정 시 세정효율을 나타낸 그래프이다. 용존 공기와 용존 질소의 경우 각 세정효율이 29.6%, 28.3%로 기존 삼투역세정과 유사한 세정효율을 보였으며, pH를 3.9로 낮춘 질소 포화용액을 이용한 세정 시 세정효율은 27.9%로 pH에 대한 영향이 없음을 확인하였다.
반면, 이산화탄소 포화 세정 시 세정효율은 38.6%로 기존 삼투역세정보다 높은 효율을 보였는데, 이는 공기와 질소와는 달리 이산화탄소 포화용액에서 미세기포가 발생되어 이로 인한 세정효율 증가로 판단된다. 이산화탄소의 용해도는 25°C, 1 기압에서 0.034 mol/L로 산소 0.0013 mol/L과 질소 0.00061 mol/L과 비교하여 매우 높은 값을 가지며, 수화평형상수가 낮아 대부분 분자상태의 이산화탄소로 수중에 존재하게 된다. 이에 용존된 이산화탄소가 압력차에 의해 방출되어 공기와 질소와 달리 미세기포를 발생하게 되고 이에 따른 높은 전단력에 의하여 세정효율이 높아졌다고 판단된다.
도 6b는 각 용존 기체별 세정 시 유기물 제거율 비교 그래프이다. 그 결과 공기는 68.2%, 질소는 65.6%, pH 3.9 질소는 68.5%로 기존 삼투역세정과 유사한 결과를 보였으며, 이산화탄소의 경우 82.5%로 가장 높은 제거율을 보였다.
도 6c는 각 용존 기체별 세정 시 역세수 유입 유량을 비교한 그래프이다. 공기와 질소, pH 3.9로 조정한 질소 포화용액의 경우 기존 삼투역세정과 유사한 유입유량을 보였으나, 이산화탄소 포화용액의 경우 18.9 mL로 낮음을 확인하였다.
이산화탄소의 경우 발생된 미세기포로 인해 세정 시 기포층을 넓게 형성하여 역세수의 유입을 감소시켜 세정효율을 낮출 수 있으나 미세기포로 높아진 전단력에 의해 기존 삼투역세정보다 높은 세정효율을 보이는 것으로 판단된다.
도 6d는 각 용존 기체별 세정 후 가역, 비가역 여과저항의 비를 나타낸 그래프이다. 공기 포화용액의 경우 0.35:0.65이었으며, 질소 포화용액 주입 시 0.36:0.64, pH 3.9의 질소 포화용액 주입 시 0.29:0.71로 기존 삼투역세정과 유사하였으나, 이산화탄소 포화용액 주입 시 0.48:0.52로 가역적 막오염의 비율이 높음을 확인하였다.
결론적으로, 도 7에 나타낸 바와 같이, 단순 플러싱, 단순 삼투역세정 및 단순 이산화탄소 기체 주입을 통한 플러싱에 비하여, 본 발명에 따른, 이산화탄소 포화용액을 이용한 세정이 세정 효율이 뛰어남을 확인할 수 있다.
이상, 상기와 같이 본 발명에 따른 유지세정 시스템 및 방법에 의하면, 종래의 역삼투 막여과 공정보다 높은 회수율과 막투과유속으로 운전하여 운영 효율을 높일 수 있으며, 이에 따른 전처리 설비의 제거 효율 및 용량 저감이 가능하다. 또한 고농도의 화학약품 사용에 따른 이차적 환경오염을 예방할 수 있다. 더욱이 종래의 역삼투 막여과 공정의 최소한의 설비 변경으로 본 기술을 적용할 수 있으므로 최소한의 초기투자비로 운영효율을 극대화시킬 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니한다. 즉, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 첨부된 특허청구범위의 사상 및 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능하며, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정의 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.
100: 원수조
200: 전처리부
300: 전처리수조
400: RO 여과막부
500: 처리수조
600: 농축수조
700: 이산화탄소 포화용액 공급부
800: 이산화탄소 공급탱크
200: 전처리부
300: 전처리수조
400: RO 여과막부
500: 처리수조
600: 농축수조
700: 이산화탄소 포화용액 공급부
800: 이산화탄소 공급탱크
Claims (13)
- 유입된 원수를 처리수 및 농축수로 분리하는 RO 여과막부(400); 및
상기 RO 여과막부(400)로 이산화탄소 포화용액을 공급하는 이산화탄소 포화용액 공급부(700);를 포함하며,
상기 RO 여과막부(400)로 공급되는 상기 이산화탄소 포화용액에 의하여 상기 RO 여과막부(400)의 세정이 이루어지는,
역삼투 막여과 공정에서의 이산화탄소 포화용액을 이용한 유지세정 시스템.
- 제 1 항에 있어서,
상기 이산화탄소 포화용액 공급부(700)에서 기설정된 염 농도의 용액과 이산화탄소 기체가 포화된 이산화탄소 포화용액이 상기 RO 여과막부(400)로 공급되며,
상기 RO 여과막부(400)로 공급된 상기 이산화탄소 포화용액과 상기 RO 여과막부(400) 내의 처리수 사이의 농도차 및 상기 이산화탄소 포화용액의 전단력으로 인하여 상기 RO 여과막부(400)의 세정이 이루어지는,
역삼투 막여과 공정에서의 이산화탄소 포화용액을 이용한 유지세정 시스템.
- 제 1 항에 있어서,
상기 유입된 원수를 여과하여 전처리수를 배출하는 전처리부(200)를 포함하며, 배출되는 상기 전처리수가 상기 이산화탄소 포화용액 공급부(700)로 공급되며,
상기 이산화탄소 포화용액 공급부(700)에서 상기 전처리수와 이산화탄소 기체가 포화된 상기 이산화탄소 포화용액이 상기 RO 여과막부(400)로 공급되어,
상기 RO 여과막부(400)로 공급된 상기 이산화탄소 포화용액과 상기 RO 여과막부(400) 내의 처리수 사이의 농도차 및 상기 이산화탄소 포화용액의 전단력으로 인하여 상기 RO 여과막부(400)의 세정이 이루어지는,
역삼투 막여과 공정에서의 이산화탄소 포화용액을 이용한 유지세정 시스템.
- 제 3 항에 있어서,
유입된 상기 원수 또는 상기 RO 여과막부(400)에서 분리된 상기 농축수가 상기 이산화탄소 포화용액 공급부(700)로 공급되며,
상기 이산화탄소 포화용액 공급부(700)에서 상기 전처리수 또는 상기 원수와 이산화탄소 기체가 포화된 상기 이산화탄소 포화용액이 상기 RO 여과막부(400)로 공급되어,
상기 RO 여과막부(400)로 공급된 상기 이산화탄소 포화용액과 상기 RO 여과막부(400) 내의 처리수 사이의 농도차 및 상기 이산화탄소 포화용액의 전단력으로 인하여 상기 RO 여과막부(400)의 세정이 이루어지는,
역삼투 막여과 공정에서의 이산화탄소 포화용액을 이용한 유지세정 시스템.
- 제 1 항 내지 제 4 항에 있어서,
상기 RO 여과막부(400)로 공급되는 상기 이산화탄소 포화용액은, 상기 RO 여과막부(400)의 막오염 성상에 따라 상기 RO 여과막부(400)의 전단 또는 후단으로 선택적으로 공급되는,
역삼투 막여과 공정에서의 이산화탄소 포화용액을 이용한 유지세정 시스템.
- 제 5 항에 있어서,
상기 RO 여과막부(400)로 공급되는 상기 이산화탄소 포화용액은,
상기 이산화탄소 포화용액이 공급되는 상기 RO 여과막부(400)의 전단 또는 후단의 반대단에서 발생하는 음압에 의해 상기 RO 여과막부(400)의 전단 또는 후단으로 공급되는,
역삼투 막여과 공정에서의 이산화탄소 포화용액을 이용한 유지세정 시스템.
- 제 1 항에 있어서,
상기 RO 여과막부(400)의 세정 후 상기 RO 여과막부(400)로부터 배출되는 상기 이산화탄소 포화용액이 상기 이산화탄소 포화용액 공급부(700)로 공급되어 상기 RO 여과막부(400)로의 재공급이 가능한,
역삼투 막여과 공정에서의 이산화탄소 포화용액을 이용한 유지세정 시스템.
- (a) 유입되는 원수가 RO 여과막부(400)에서 처리수 및 농축수로 분리되어 배출되는 단계(S100);
(b) 기설정된 세정개시조건이 만족되었는지 여부가 판단되는 단계(S200);
(c) 세정개시조건이 만족되면, 이산화탄소 포화용액이 상기 RO 여과막부(400)로 공급되는 단계(S300); 및
(d) 상기 RO 여과막부(400)로 공급되는 상기 이산화탄소 포화용액에 의하여 상기 RO 여과막부(400)의 세정이 이루어지는 단계(S400);를 포함하는,
역삼투 막여과 공정에서의 이산화탄소 포화용액을 이용한 유지세정 방법.
- 제 8 항에 있어서,
상기 (c) 단계는,
(1c) 기설정된 상기 세정개시조건이 만족되면, 기설정된 염 농도의 용액에 이산화탄소 기체가 포화된 이산화탄소 포화용액이 상기 RO 여과막부(400)로 공급되는 단계이고,
상기 (d) 단계는,
(1d) 상기 RO 여과막부(400)로 공급되는 상기 이산화탄소 포화용액과 상기 RO 여과막부(400) 내의 처리수와의 농도차 및 상기 이산화탄소 포화용액의 전단력으로 인하여 상기 RO 여과막부(400)의 세정이 이루어지는 단계인,
역삼투 막여과 공정에서의 이산화탄소 포화용액을 이용한 유지세정 방법.
- 제 9 항에 있어서,
상기 (a) 단계는,
(1a) 유입된 원수가 여과된 전처리수가 RO 여과막부(400)에서 처리수 및 농축수로 분리되어 배출되는 단계;이고,
상기 (c)단계는,
(2c) 기설정된 상기 세정개시조건이 만족되면, 상기 전처리수에 이산화탄소 기체가 포화된 이산화탄소 포화용액이 상기 RO 여과막부(400)로 공급되는 단계;인,
역삼투 막여과 공정에서의 이산화탄소 포화용액을 이용한 유지세정 방법.
- 제 9 항에 있어서,
상기 (c) 단계는,
(3c) 기설정된 상기 세정개시조건이 만족되면, 상기 농축수에 이산화탄소 기체가 포화된 이산화탄소 포화용액이 상기 RO 여과막부(400)로 공급되는 단계;인,
역삼투 막여과 공정에서의 이산화탄소 포화용액을 이용한 유지세정 방법.
- 제 8 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 (b) 단계와 상기 (c) 단계 사이에,
(b1) 상기 RO 여과막부(400)의 오염성상이 감지되는 단계;를 더 포함하며,
상기 (d)단계에서,
상기 RO 여과막부(400)로 공급되는 상기 이산화탄소 포화용액은, 감지된 상기 RO 여과막부(400)의 오염성상에 따라 상기 RO 여과막부(400)의 전단 또는 후단으로 선택적으로 공급되는,
역삼투 막여과 공정에서의 이산화탄소 포화용액을 이용한 유지세정 방법.
- 제 8 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 (d) 단계 이후,
(e) 상기 RO 여과막부(400)의 세정 후 상기 RO 여과막부(400)로부터 배출되는 상기 이산화탄소 포화용액이 상기 이산화탄소 포화용액 공급부(700)로 재공급되어 상기 RO 여과막부(400)의 세정이 이루어지는 단계;를 더 포함하는,
역삼투 막여과 공정에서의 이산화탄소 포화용액을 이용한 유지세정 방법.
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|---|---|---|---|---|
| CN108854543A (zh) * | 2018-08-06 | 2018-11-23 | 厦门百霖净水科技有限公司 | 一种浓水导流网制备工艺及具有其的反渗透膜滤芯 |
| KR20200114420A (ko) * | 2019-03-28 | 2020-10-07 | 이규범 | 염소발생 미세기포를 이용하여 분리막의 연속적인 세정이 가능한 수처리 장치 및 방법 |
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2016
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