융·복합 분리막 물 처리기술을 이용한 하수재이용 공정개발

김해도 ( Haedo Kim ),이용직 ( Yongjig Lee ),송도선 ( Doseon Song ),손종화 ( Jonghwa Son ) 한국농공학회 2015 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2015 No.-

고성능의 분리막 제조기술과 분리막의 성능을 극대화 할 수 있는 전·후 처리 시스템을 융·복합하여 유입수 성상에 관계없이 분리막을 적용하여 일정한 수준의 재이용수를 생산할 수 있는 공정 기술을 개발하였다. 본 연구에서의 적용한 기술은 분리막 전처리 기술로서 원심력 발생기술인 사이클론을 다중 멀티사이클론방식으로 개발하여 부유물제거 범위를 확대하고, 전기촉매 기술을 적용하여 필터 없이 실시간으로 질소, 인 등 유기물을 부상시켜 제거할 수 있는 물처리 기술을 개발하였고, 또한 분리막 후처리 기술로 분리막 적용의 한계점인 분리막 세정에 극미세 버블에 의한 막세정 기술을 개발하여 분리막이 다양한 유입수 성상에서도 적용할 수 있는 기반기술을 개발하였다. 본 연구에 적용한 분리막은 내오염성 향상 및 사용기간 연장을 위해 8인치 형태의 가압식 블레이드 보강 PVDF(불소고분자) 재질의 UF 분리막(0.05㎛) 을 개발하였으며, 연결프레임 및 배관 없이 분리막 모듈간을 직접 연결하는 방식으로 개발함에 따라 설치부지를 50% 이상 감소시키고 설치비용 및 유지관리비용도 절감함으로서 기존 하수처리공정에 연결의 편리성을 강화하였다. 전처리기술은 기존의 응집부상처리기술과 처리방법은 매우 유사하지만 기존기술의 경우 응집제 반응시간에 따라 최소 1시간~1일 이상 소요되기 때문에 실시간 처리기술 보다는 호소수질개선 같은 총량처리에 의미가 있는 기술로 활용되고 있는데, 본 연구에서는 유기물의 응집시간을 최대 10초~2분 이내로 줄이는 기술을 바탕으로 분리막 모듈형태와 같이 타워형 모듈로 제작하여 필터를 사용하지 않지만 필터와 같은 형태로 분리막 전처리기술을 개발하였다. 전처리기술은 개별기술로도 필터를 사용하지 않고서도 제거에 비용과 시간이 많이 소요되는 유기물을 실시간으로 제거할 수 있는 기술을 구현함으로써 기존 하수처리장에서 문제가 되는 질소 와 인 등 유기물 제거에 기존 처리공정과 별도로 적용 가능함에 따라 활용도가 매우 높다. 실제 두부폐수처리공정에 독립공정으로 적용되어 유기물제거용도로 사용되고 있으며, 하수처리장 활성오니 제거는 물론 정수장 유입구의 녹조류 등 제거 및 고농도의 음식물 폐수처리 용도로도 확장가능성이 매우 클 것으로 판단된다. 개발기술의 성능 실증을 위해 제주도 하수처리장에 일3,000m³규모의 테스트베드를 조성하였으며, 본 공정을 거처 생산한 재이용수를 실제 농가에 공급 중에 있다.

비대칭구조의 중공사 분리막을 이용한 기체분리에 대한 모델링

정상철 ( Sang-chul Jung ),전미진 ( Mi-jin Jeon ),권기욱 ( Ki-wook Kwon ),전용우 ( Yong-woo Jeon ) 한국폐기물자원순환학회(구 한국폐기물학회) 2020 한국폐기물자원순환학회 추계학술발표논문집 Vol.2020 No.-

근래 기후변화에 대한 국제적 이슈에 대응하기 위한 노력으로 화석에너지와 같은 전통적인 에너지원세어 친환경적인 재생에너지원에 대한 관심이 높아지고 있다. 지구온난화는 산업 활동에서 발생하는 온실가스가 주원인으로 지목되고 있으며 이를 해결하기 위해 국제적으로 저급에너지 활용기술을 확대하기 위한 노력을 하고 있다. 분리막 공정에서 기체분리 성능을 성공적으로 모사하여 평가하는 것은 실증 분리막 설계를 개선하는 데 중요한 부분을 차지하고 있다. 이러한 이유로 분리막 공정에서 기체 분리를 위한 분리성능 전산모사에 필요한 수학적 모델링에 많은 연구가 진행되고 있다. 기체 분리막에 대한 수학적 모델링은 Weller와 Steiner에 의해 2성 분계의 기체분리 모델이 처음으로 제안되었으며, Huckins와 Kammermeyer에 의해 다성분계 혼합기제 분리모델로 확장되었다. 이후 기체 분리막 구동방식에 대한 다양한 수학적 모델과 접근방법들이 제안되었다. 대칭 분리막에 대한 많은 연구가 발표되었지만, 비대칭 분리막에 대한 모델링 연구결과는 상대적으로 적은 실정이다. 본 연구에서는 바이오가스 고질화를 목적으로 비대칭 구조의 CA 중공사형 기체분리막 모듈에 대하여 분리 실험을 수행하고, 전산 모사를 통해 메탄과 이산화탄소의 분리거동을 실험데이터와 비교하였다. 메탄 고질화 분리막 공정의 전산모사를 위하여 유한차분법(Finite Difference Method)으로 향류 흐름에 대한 비대칭 분리막 모듈 내에서 메탄과 이산화탄소의 분리 거동 및 공정 변수에 따른 분리특성을 분석하는 연구를 수행하였다.

CO₂의 고순도 분리를 위한 튜브형 분리막 연구

이용국,김용주,신미수,장동순 한국폐기물자원순환학회(구 한국폐기물학회) 2015 한국폐기물자원순환학회 심포지움 Vol.2015 No.2

대기 중의 이산화탄소(CO₂) 농도는 지속적으로 상승하고 있으며 전세계적으로 지구온난화에 대한 관심이 매우 높은 상태이다. 또한 환경 기초시설의 곳곳에서도 온실가스를 방출하는 여러 공정들이 있으며 그중 환경 기초시설인 하폐수처리장 및 매립지 등에서도 메탄과 이산화탄소를 포함하는 다량의 온실가스가 배출되고 있으며 이를 분리 회수하기 위한 다양한 공정에 대한 연구들이 이루어지고 있는 실정이다. 바이오가스를 분리정제하는 공법에는 흡수법(absorption), 흡착법(adsorption), 심냉법(cryogenics) 그리고 막 분리법(membrane) 등이 있다. 현재 사용되고 있는 대표적인 분리막은 다양한 재질로 사용하여 만든 가운데가 빈 가는 실과 같은 중공사막(hallow fiber membrane)이다. 이러한 막의 대표적인 직경은 100㎛, 즉 0.1mm이다. 이는 보통 가정에서 사용하는 실의 굵기의 1/10 정도로 매우 가는 것으로 이러한 실의 다발을 묶어서 모듈로 만들어 이산화탄소를 분리하는 기본 장치로 사용한다. 그러나 일반적으로 분리막을 통과하는 기체의 양이 많아지면 이산화탄소의 상대적인 분리도는 낮아지는 상충적(tradeoff) 경향을 나타낸다. 또한 기존의 가는 분리막은 모듈의 구성과 그 모듈을 이용한 시스템 설계라는 매우 어려운 난제를 해결해야 하고 그 후에도 오염물질에 대한 분리막 장치와 재질의 내구성 문제가 대두되고 있다. 본 연구에서는 활용하고자 하는 튜브형 분리막은 기존의 분리막에 비해 100배 큰 1cm 크기의 직경을 갖고 있기 때문에 압력변화 및 유량변화 등에 탄력적으로 적용이 가능하여 투과량이나 분리도 설정과 조절에 용이하다는 점이 절대적으로 유리한 조건으로 작용한다. 본 연구는 다양한 환경기초 시설의 CO₂ 분리에 적용하기 위한 튜브형 분리막에 대한 기초연구로써 분리막에 대한 이론연구를 수행하고 분리막의 직경 변화 및 배기가스 유량 변화에 따른 압력강하에 대한 다양한 변수연구를 수행하고자 한다. 이러한 자료를 바탕으로 향후 운전조건에 따른 분리막의 투과량(P)와 분리도(S)에 대한 상관관계 및 최적 운전변수를 설정하는데 일조하고자 한다.

CO2의 고순도 분리를 위한 튜브형 분리막 연구

이용국,김용주,신미수,장동순 한국폐기물자원순환학회 2015 한국폐기물자원순환학회 학술대회 Vol.2015 No.11

대기 중의 이산화탄소(CO2) 농도는 지속적으로 상승하고 있으며 전세계적으로 지구온난화에 대한 관심이 매우 높은 상태이다. 또한 환경 기초시설의 곳곳에서도 온실가스를 방출하는 여러 공정들이 있으며 그중 환경 기초시설인 하폐수처리장 및 매립지 등에서도 메탄과 이산화탄소를 포함하는 다량의 온실가스가 배출되고 있으며 이를 분리 회수하기 위한 다양한 공정에 대한 연구들이 이루어지고 있는 실정이다. 바이오가스를 분리정제하는 공법에는 흡수법(absorption), 흡착법(adsorption), 심냉법(cryogenics) 그리고 막분리법(membrane) 등이 있다. 현재 사용되고 있는 대표적인 분리막은 다양한 재질로 사용하여 만든 가운데가 빈 가는 실과 같은 중공사막(hallow fiber membrane)이다. 이러한 막의 대표적인 직경은 100㎛, 즉 0.1mm이다. 이는 보통 가정에서 사용하는 실의 굵기의 1/10 정도로 매우 가는 것으로 이러한 실의 다발을 묶어서 모듈로 만들어 이산화탄소를 분리하는 기본 장치로 사용한다. 그러나 일반적으로 분리막을 통과하는 기체의 양이 많아지면 이산화탄소의 상대적인 분리도는 낮아지는 상충적(tradeoff) 경향을 나타낸다. 또한 기존의 가는 분리막은 모듈의 구성과 그 모듈을 이용한 시스템 설계라는 매우 어려운 난제를 해결해야 하고 그 후에도 오염물질에 대한 분리막 장치와 재질의 내구성 문제가 대두되고 있다. 본 연구에서는 활용하고자 하는 튜브형 분리막은 기존의 분리막에 비해 100배 큰 1cm 크기의 직경을 갖고 있기 때문에 압력변화 및 유량변화 등에 탄력적으로 적용이 가능하여 투과량이나 분리도 설정과 조절에 용이하다는 점이 절대적으로 유리한 조건으로 작용한다. 본 연구는 다양한 환경기초 시설의 CO2 분리에 적용하기 위한 튜브형 분리막에 대한 기초연구로써 분리막에 대한 이론연구를 수행하고 분리막의 직경 변화 및 배기가스 유량 변화에 따른 압력강하에 대한 다양한 변수연구를 수행하고자 한다. 이러한 자료를 바탕으로 향후 운전조건에 따른 분리막의 투과량(P)와 분리도(S)에 대한 상관관계 및 최적 운전변수를 설정하는데 일조하고자 한다.

CO₂의 고순도 분리를 위한 튜브형 분리막 연구

이용국,김용주,신미수,장동순 한국폐기물자원순환학회(구 한국폐기물학회) 2015 한국폐기물자원순환학회 추계학술발표논문집 Vol.2015 No.-

대기 중의 이산화탄소(CO₂) 농도는 지속적으로 상승하고 있으며 전세계적으로 지구온난화에 대한 관심이 매우 높은 상태이다. 또한 환경 기초시설의 곳곳에서도 온실가스를 방출하는 여러 공정들이 있으며 그중 환경 기초시설인 하폐수처리장 및 매립지 등에서도 메탄과 이산화탄소를 포함하는 다량의 온실가스가 배출되고 있으며 이를 분리 회수하기 위한 다양한 공정에 대한 연구들이 이루어지고 있는 실정이다. 바이오가스를 분리정제하는 공법에는 흡수법(absorption), 흡착법(adsorption), 심냉법(cryogenics) 그리고 막 분리법(membrane) 등이 있다. 현재 사용되고 있는 대표적인 분리막은 다양한 재질로 사용하여 만든 가운데가 빈 가는 실과 같은 중공사막(hallow fiber membrane)이다. 이러한 막의 대표적인 직경은 100㎛, 즉 0.1mm이다. 이는 보통 가정에서 사용하는 실의 굵기의 1/10 정도로 매우 가는 것으로 이러한 실의 다발을 묶어서 모듈로 만들어 이산화탄소를 분리하는 기본 장치로 사용한다. 그러나 일반적으로 분리막을 통과하는 기체의 양이 많아지면 이산화탄소의 상대적인 분리도는 낮아지는 상충적(tradeoff) 경향을 나타낸다. 또한 기존의 가는 분리막은 모듈의 구성과 그 모듈을 이용한 시스템 설계라는 매우 어려운 난제를 해결해야 하고 그 후에도 오염물질에 대한 분리막 장치와 재질의 내구성 문제가 대두되고 있다. 본 연구에서는 활용하고자 하는 튜브형 분리막은 기존의 분리막에 비해 100배 큰 1cm 크기의 직경을 갖고 있기 때문에 압력변화 및 유량변화 등에 탄력적으로 적용이 가능하여 투과량이나 분리도 설정과 조절에 용이하다는 점이 절대적으로 유리한 조건으로 작용한다. 본 연구는 다양한 환경기초 시설의 CO₂ 분리에 적용하기 위한 튜브형 분리막에 대한 기초연구로써 분리막에 대한 이론연구를 수행하고 분리막의 직경 변화 및 배기가스 유량 변화에 따른 압력강하에 대한 다양한 변수연구를 수행하고자 한다. 이러한 자료를 바탕으로 향후 운전조건에 따른 분리막의 투과량(P)와 분리도(S)에 대한 상관관계 및 최적 운전변수를 설정하는데 일조하고자 한다. 사사: 본 연구는 충남대학교 학술연구지원사업(CUN)과 환경부의 폐기물에너지화 전문인력 양성사업에서 지원받았으며 이에 감사드립니다.

CO₂ 분리막의 운전조건에 따른 압력강하 연구

이용국,박민정,신미수,장동순 한국폐기물자원순환학회(구 한국폐기물학회) 2016 한국폐기물자원순환학회 심포지움 Vol.2016 No.2

사용되고 있는 대표적인 분리막은 다양한 재질로 사용하여 만든 가운데가 빈 가는 실과 같은 중공사막 (hallow fiber membrane)이다. 이러한 막의 대표적인 직경은 100㎛, 즉 0.1mm이다. 이는 보통 가정에서 사용하는 실의 굵기의 1/10 정도로 매우 가는 것으로 이러한 실의 다발을 묶어서 모듈로 만들어 이산화탄소를 분리하는 기본 장치로 사용한다. 그러나 일반적으로 분리막을 통과하는 기체의 양이 많아지면 이산화탄소의 상대적인 분리도는 낮아지는 상충적(tradeoff) 경향을 나타낸다. 또한 기존의 가는 분리막은 모듈의 구성과 그 모듈을 이용한 시스템 설계라는 매우 어려운 난제를 해결해야 하고 그 후에도 오염물질에 대한 분리막 장치와 재질의 내구성 문제가 대두되고 있다. 본 연구에서는 활용하고자 하는 튜브형 분리막은 기존의 분리막에 비해 100배 큰 1cm 크기의 직경을 갖고 있기 때문에 압력변화 및 유량변화 등에 탄력적으로 적용이 가능하여 투과량이나 분리도 설정과 조절에 용이하다는 점이 절대적으로 유리한 조건으로 작용한다. 본 연구는 다양한 환경기초 시설의 CO2 분리에 적용하기 위한 튜브형 분리막에 대한 기초연구로써 분리막에 대한 이론연구를 수행하고, 분리막의 직경, 길이, 압력을 변수로 하여 각 조건의 최대 유속에서 주입부의 압력에 따른 압력강하와 압력강하에 따른 출구에서의 속도 변화를 고찰하였다. 이 계산은 pip flow calculator라는 상용코드를 이용하여 계산을 수행하였다. 2012년 RTI 실증시스템에서 수행된 최종 연구결과 향후 분리막의 직경을 100㎛에서 150㎛로 50% 증가하고 분리막의 길이를 36인치에서 24인치로 줄이는 것을 강력히 추천한 바 있다. 본 연구의 계산 결과 RTI는 100㎛의 중공사막에 대한 최대 유량으로 0.0001m³/hr의 조건에 압력 4.5기압을 사용하는 경우 압력손실이 0.46기압, 즉 약 10% 정도의 손실이 발생한 반면 유속은 출구에서 약 10% 입구유속보다 증가한 것으로 나타났다. 그러나 권장 직경 150㎛으로 직경을 증가하고 길이를 36인치에서 24인치로 감소한 경우 압력손실은 약 0.056기압으로 나타나 100㎛ 직경일 때 압력손실의 약 1.2%만 발생한 것으로 나타났다. 이와 같이 직경의 증가와 길이의 감소는 압력 강하와 밀접한 관계가 있음을 알 수 있다. 그러나 직경이 증가할 때 분리막의 단위체적당의 물질전달면적 감소와 함께 두께가 얇은 분리막 모듈의 제작상의 어려움 등을 동시에 고려해야 할 것이다.

CO₂ 분리막의 운전조건에 따른 압력강하 연구

이용국,박민정,신미수,장동순 한국폐기물자원순환학회(구 한국폐기물학회) 2016 한국폐기물자원순환학회 추계학술발표논문집 Vol.2016 No.-

현재 사용되고 있는 대표적인 분리막은 다양한 재질로 사용하여 만든 가운데가 빈 가는 실과 같은 중공사막(hallow fiber membrane)이다. 이러한 막의 대표적인 직경은 100㎛, 즉 0.1mm이다. 이는 보통 가정에서 사용하는 실의 굵기의 1/10 정도로 매우 가는 것으로 이러한 실의 다발을 묶어서 모듈로 만들어 이산화탄소를 분리하는 기본 장치로 사용한다. 그러나 일반적으로 분리막을 통과하는 기체의 양이 많아지면 이산화탄소의 상대적인 분리도는 낮아지는 상충적(tradeoff) 경향을 나타낸다. 또한 기존의 가는 분리막은 모듈의 구성과 그 모듈을 이용한 시스템 설계라는 매우 어려운 난제를 해결해야 하고 그 후에도 오염물질에 대한 분리막 장치와 재질의 내구성 문제가 대두되고 있다. 본 연구에서는 활용하고자 하는 튜브형 분리막은 기존의 분리막에 비해 100배 큰 1cm 크기의 직경을 갖고 있기 때문에 압력변화 및 유량변화 등에 탄력적으로 적용이 가능하여 투과량이나 분리도 설정과 조절에 용이하다는 점이 절대적으로 유리한 조건으로 작용한다. 본 연구는 다양한 환경기초 시설의 CO2 분리에 적용하기 위한 튜브형 분리막에 대한 기초연구로써 분리막에 대한 이론연구를 수행하고, 분리막의 직경, 길이, 압력을 변수로 하여 각 조건의 최대 유속에서 주입부의 압력에 따른 압력강하와 압력강하에 따른 출구에서의 속도 변화를 고찰하였다. 이 계산은 pip flow calculator라는 상용코드를 이용하여 계산을 수행하였다. 2012년 RTI 실증시스템에서 수행된 최종 연구결과 향후 분리막의 직경을 100㎛에서 150㎛로 50% 증가하고 분리막의 길이를 36인치에서 24인치로 줄이는 것을 강력히 추천한 바 있다. 본 연구의 계산 결과 RTI는 100㎛의 중공사막에 대한 최대 유량으로 0.0001m³/hr의 조건에 압력 4.5기압을 사용하는 경우 압력손실이 0.46기압, 즉 약 10% 정도의 손실이 발생한 반면 유속은 출구에서 약 10% 입구유속보다 증가한 것으로 나타났다. 그러나 권장 직경 150㎛으로 직경을 증가하고 길이를 36인치에서 24인치로 감소한 경우 압력손실은 약 0.056기압으로 나타나 100㎛ 직경일 때 압력손실의 약 1.2%만 발생한 것으로 나타났다. 이와 같이 직경의 증가와 길이의 감소는 압력 강하와 밀접한 관계가 있음을 알 수 있다. 그러나 직경이 증가할 때 분리막의 단위체적당의 물질전달 면적 감소와 함께 두께가 얇은 분리막 모듈의 제작상의 어려움 등을 동시에 고려해야 할 것이다.

CO2 분리막의 운전조건에 따른 압력강하 연구

이용국,박민정,신미수,장동순 한국폐기물자원순환학회 2016 한국폐기물자원순환학회 학술대회 Vol.2016 No.11

현재 사용되고 있는 대표적인 분리막은 다양한 재질로 사용하여 만든 가운데가 빈 가는 실과 같은 중공사막(hallow fiber membrane)이다. 이러한 막의 대표적인 직경은 100㎛, 즉 0.1mm이다. 이는 보통 가정에서 사용하는 실의 굵기의 1/10 정도로 매우 가는 것으로 이러한 실의 다발을 묶어서 모듈로 만들어 이산화탄소를 분리하는 기본 장치로 사용한다. 그러나 일반적으로 분리막을 통과하는 기체의 양이 많아지면 이산화탄소의 상대적인 분리도는 낮아지는 상충적(tradeoff) 경향을 나타낸다. 또한 기존의 가는 분리막은 모듈의 구성과 그 모듈을 이용한 시스템 설계라는 매우 어려운 난제를 해결해야 하고 그 후에도 오염물질에 대한 분리막 장치와 재질의 내구성 문제가 대두되고 있다. 본 연구에서는 활용하고자 하는 튜브형 분리막은 기존의 분리막에 비해 100배 큰 1cm 크기의 직경을 갖고있기 때문에 압력변화 및 유량변화 등에 탄력적으로 적용이 가능하여 투과량이나 분리도 설정과 조절에 용이하다는 점이 절대적으로 유리한 조건으로 작용한다. 본 연구는 다양한 환경기초 시설의 CO2 분리에 적용하기 위한 튜브형 분리막에 대한 기초연구로써 분리막에 대한 이론연구를 수행하고, 분리막의 직경, 길이, 압력을 변수로 하여 각 조건의 최대 유속에서 주입부의 압력에 따른 압력강하와 압력강하에 따른 출구에서의 속도 변화를 고찰하였다. 이 계산은 pip flow calculator라는 상용코드를 이용하여 계산을 수행하였다. 2012년 RTI 실증시스템에서 수행된 최종 연구결과 향후 분리막의 직경을 100㎛에서 150㎛로 50% 증가하고 분리막의 길이를 36인치에서 24인치로 줄이는 것을 강력히 추천한 바 있다. 본 연구의 계산 결과 RTI는 100㎛의 중공사막에 대한 최대 유량으로 0.0001m³/hr의 조건에 압력 4.5기압을 사용하는 경우 압력손실이 0.46기압, 즉 약 10% 정도의 손실이 발생한 반면 유속은 출구에서 약 10% 입구유속보다 증가한 것으로 나타났다. 그러나 권장 직경 150㎛으로 직경을 증가하고 길이를 36인치에서 24인치로 감소한 경우 압력손실은 약 0.056기압으로 나타나 100㎛ 직경일 때 압력손실의 약 1.2%만 발생한 것으로 나타났다. 이와 같이 직경의 증가와 길이의 감소는 압력 강하와 밀접한 관계가 있음을 알 수 있다. 그러나 직경이 증가할 때 분리막의 단위체적당의 물질전달 면적 감소와 함께 두께가 얇은 분리막 모듈의 제작상의 어려움 등을 동시에 고려해야 할 것이다.

고온용 수분 분리 중공사 복합분리막 개발

조성준(Seong-Jun Cho),Yogita M. Shrike,권순진(Soon-Jin Kwon),최원길(Won-Kil Choi),홍성욱(Seong Uk Hong),전재덕(Jae-deok Jeon) 한국에너지기후변화학회 2021 한국에너지기후변화학회 학술대회 Vol.2021 No.11

본 연구팀은 중공사 분리막(hollow fiber membrane)을 이용하여 발전소 냉각탑에서 배출되는 백연(white flume)을 저감하거나 클린룸에서의 습도를 저감하는 제습 연구를 진행하고 있다. 중공사 분리막 표면을 수분과 친한 친수성 물질로 코팅해주면 수분 기체가 분리막 표면에 흡착되고, 분리막 내외부의 농도차 및 압력차에 의해 수분이 분리막을 통과(확산)하여 최종적으로 수분이 분리막 내부 표면으로부터 탈착되는 과정을 거쳐 수분 분리가 일어난다. 수분 분리 성능을 향상시키기 위해서는 중공사 분리막의 표면을 친수성 물질로 코팅하는 과정이 필요하며, 분리막 표면에 고분자 물질로 코팅하는 박막복합(thin film composite, TFC) 분리막 및 나노입자까지 첨가하는 나노복합(thin film nanocomposite, TFN) 분리막 등의 기술이 연구되고 있다. 본 연구에서는 상온이 아닌 고온에서도 적용할 수 있는 중공사 복합분리막을 개발하고자 한다. 발전소의 백연은 냉각탑 및 스택에서 주로 발생한다. 하지만, 냉각탑 배기가스 온도는 30~40도로 비교적 낮은데 비해, 연돌 배기가스 온도는 85도 이상으로 높기 때문에 연돌에서 발생되는 백연을 저감하기 위해서는 고온용 수분 저감 중공사 복합분리막 개발이 필요하다. 고온용 복합분리막을 개발하기 위해서는 내열성 분리막 지지체 및 코팅물질이 필요하며, 본 연구에서는 다양한 고분자 중공사 분리막 지지체에 대해 열적 특성, 표면 특성, 접촉각, 표면 거칠기 등의 기초물성을 평가하여 고온에서 적합한 지지체 후보군을 선정한다. 또한, 지지체 표면에 고온용 친수성 물질로 코팅하여 TFC 분리막을 제조하고 이들에 대해 온도별 수분 투과도(water vapor permeance) 및 선택도(selectivity)를 측정하여 고온에서의 복합분리막 적용 가능성을 확인하고자 한다.

마이크로버블을 이용한 분리막 파울링 저감방법

구경환,김영희 한국청정기술학회 2023 청정기술 Vol.29 No.1

Due to water shortages caused by water pollution and climate change, total organic carbon (TOC) standards have been implemented for wastewater discharged from public sewage treatment facilities. Furthermore, there is a growing interest and body of research pertaining to the reuse of sewage treatment water as a secure alternative water resource. The membrane bio-reactor (MBR) method is commonly used for advanced wastewater treatment because it can remove organic and inorganic ions and it does not require or emit any chemicals. However, the MBR process uses a separation membrane (MF), which requires frequent film cleaning due to fouling caused by a high concentration of mixed liquor suspended solid (MLSS). In this study, process improvement and microbubble cleaning efficiency were evaluated to improve the differential pressure, water flow, and MF fouling, which are the biggest disadvantages of operating the MF. The existing MBR method was improved by installing a precipitation tank between the air tank and the MBR tank in which raw water was introduced. Microbubbles were injected into a separation membrane tank into which the supernatant water from the precipitation tank was introduced. The microbubble generator was operated with a 15 day on, 15 day off cycle for 5 months to collect discharged water samples (4L) and measure TOC. As the supernatant water from the precipitation tank flowed into the separation membrane tank, about 95% of the supernatant water MLSS was removed so the MF fouling from biological contamination was prevented. Due to the application of microbubbles to supernatant water from the precipitation tank, the differential pressure of the separation membrane tank decreased by 1.6 to 2.3 times and the water flow increased by 1.4 times. Applying microbubbles increased the TOC removal rate by more than 58%. This study showed that separately operating the air tank and the separation membrane tank can reduce fouling, and suggested that applying additional microbubbles could improve the differential pressure, water flow, and fouling to provide a more efficient advanced treatment method. 수자원 오염 그리고 기후변화로 인한 극한의 기상현상으로 물 부족 현상 심화로 공공하수처리 시설의 폐수 배출시 총유기탄소량(TOC) 기준이 시행되고, 대체 수자원 확보를 위해 하수처리수 재이용에 연구와 관심이 증가하고 있다. 현장에서는 하폐수고도처리로 MBR(membrane bio-reactor)공법을 보편적으로 사용하며, 유기 및 무기 이온 제거 그리고 화학물질의 사용 및 배출이 없다는 친환경적인 장점이 있다. 하지만, 분리막을 사용한 MBR공정은 고농도 활성슬러지 부유물질(mixed liquor suspended solid, MLSS)로 인한 분리막의 막오염(파울링) 현상으로 잦은 막세정 비용 발생의 문제가 있다. 본 연구에서는 분리막 운영시 최대 단점이었던 분리막의 차압 상승, 통수량 저하, 파울링 현상을 개선하고자 i) 공정 개선과 ii) 마이크로버블의 세정 효율을 평가하였다. 기존 MBR공법에 원수가 유입되는 호기조와 MBR조 사이에 침전조를 설치하여 침전조를 거친 상등수가 유입된 분리막조 내부로 마이크로버블을 주입하였다. 마이크로버블은 5개월간 15일 간격으로 마이크로버블 발생장치를 작동(ON), 미작동(OFF)하여 방류수 시료(4L)를 채취 후 TOC를 측정하였다. 침전조를 거친 상등수가 분리막조로 유입하여 원수 MLSS의 95%이상이 제거되어 생물막 등의 오염으로부터 막의 파울링 현상을 1차 방지할 수 있었다. 침전조를 거친 상등수에 마이크로버블의 적용으로 분리막의 차압은 1.6 ~ 2.3배 감소 및 통수량은 최대 1.4배 증가하였다. 마이크로버블의 적용(ON)으로 TOC 제거율은 58% 이상 증가했다. 호기조와 분리막조를 분리 운영함에 따라 침지식 분리막의 파울링 현상을 저감할 수 있고, 추가로 마이크로버블을 적용하여 분리막의 차압, 통수량과 막오염(파울링)이 개선으로 효율적인 고도처리공법을 제시했다.