역삼투막을 이용한 기수 담수화에서 fouling 저감을 위한 전처리기술 = Pretreatment of silica and humic acid in brackish water desalination using RO membrane

국문 초록 (Abstract)

역삼투막을 이용한 담수화는 해안지방이나 섬지방과 같이 담수가 부족하고 해수와 인접한 지역에서 수자원 확보를 위해 사용될 수 있는 유용한 방법이다. 특히 해수보다는 해수와 맞닿는 강 하구나 해안가 호소, 지하수 등에 존재하는 기수를 담수화 할 경우 해수 담수화에 비해 매우 낮은 압력으로도 담수화가 가능하다는 장점이 있어 많이 활용되고 있다. 역삼투막 담수화 과정에서 그 효율을 떨어뜨리는 중요한 요소인 fouling 현상은 처리수 내의 물질이 막 표면을 오염시킴으로써 담수화의 투과 수량을 감소시키는 악영향을 가져온다. 따라서 fouling의 원인과 그 형성 기작을 규명하고 이를 저감하기 위한 대책을 세우는 것이 경제적인 담수화를 하는데 필수적이며 이에 관한 연구가 많이 이루어지고 있다. 일반적인 담수화 장치는 취수부분과 전처리 장치, 역삼투막, 후처리 과정 등으로 이루어지는데 전처리 장치는 fouling을 저감시키기 위함이 목적이며 처리수 내에서 fouling을 일으키는 원인 물질에 따라 그 형태가 다르다. 기수에 존재하는 실리카와 휴믹산은 담수화 과정에서 fouling을 일으키는 주 원인 물질이며 특히 해수에 비해 기수에 높은 농도로 존재하므로 기수를 담수화하는데 있어서 적절한 전처리 장치는 필수적이다. 따라서 본 연구에서는 흡착제를 이용한 전처리 장치를 고안하여 기수로부터 실리카와 휴믹산을 제거하고 그에 따른 fouling 저감 효과를 확인해보고자 하였다. 흡착제로는 calcite와 iron oxide를 사용하였으며 그 결과 이 두 흡착제가 기수 중의 실리카와 휴믹산을 제거하는데 효과적이었다. 따라서 본 연구의 결과가 실제 역삼투막을 이용한 기수 담수화 공정에서 fouling을 최소화하는 전처리 공정으로써 효율적으로 활용될 수 있으리라 사료된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Desalination of seawater or brackish water is an extremely efficient way to make fresh water in coastal area and islands. Desalination of brackish water is an economic way compared to desalination of sea water because of its low TDS(total dissolved solid) concentrations. But it has long been known that silica and humic acid in brackish water can cause fouling problems in desalination using RO(reverse osmosis) membrane. Membrane fouling is a phenomenon of deposition of materials from solution or suspension on membrane surface. Fouling causes a decline of permeate flux, an increase in operating pressure and damage to membrane itself. Silica in brackish water can cause serious membrane fouling because of its high concentration in brackish water and make a metal-silicate scale on membrane surface. Humic acid can also make membrane fouling because of its large molecular size and complex structure and potential for microorganism growth(formation of biofilm). In this study, silica and humic acid as foulants were removed with calcite and iron oxide prior to filtration. Batch test and column test were conducted to evaluate the removal capacities of calcite and iron oxide. The mechanism of removal silica and humic acid with these sorbents was adsorption by electrostatic attraction which is associated with pH conditions of feed water. Removal efficiencies of silica and humic acid were higher with calcite than iron oxide and calcite column had both adsorption ability and screening effect.

목차 (Table of Contents)

• 목차
• 목차 = i
• 표목차 = v
• 그림목차 = vi
• 감사의 글 viii
• 논문개요 = ix
• I. 서론 = 1
• II. 이론적 고찰
• 2.1 담수화 개론 3
• 2.1.1 세계의 물 사정 = 3
• 2.1.2 담수화의 의의와 필요성 = 3
• 2.1.3 해수의 성분 = 4
• 2.1.4 담수화 기술의 종류 = 5
• 2.1.4.1 막이용 기술 = 5
• 2.1.4.2 증발법 = 6
• 2.1.4.3 냉동법 = 7
• 2.1.4.4 이온교환법 = 7
• 2.1.5 국내·외 담수화 현황 = 7
• 2.2 역삼투막 담수화 = 9
• 2.2.1 역삼투막 담수화 개론 = 9
• 2.2.2 역삼투막 이론 = 9
• 2.2.2.1 삼투 현상과 역삼투 현상 = 9
• 2.2.2.2 막여과 이론 = 11
• 2.2.2.3 여과 성능의 지표 = 12
• 2.2.2.4 막의 종류 = 13
• 2.2.3 역삼투막 담수화의 문제점 = 16
• 2.2.3.1 Capital cost와 operating cost = 16
• 2.2.3.2 에너지 절약 = 16
• 2.2.3.3 막의 오염(fouling) = 17
• 2.3 기수 담수화 = 17
• 2.4 fouling 현상 = 19
• 2.4.1 fouling 현상의 정의 = 19
• 2.4.2 fouling의 기작과 foulants = 19
• 2.4.3 fouling 저감방안 = 20
• 2.4.3.1 전처리 방법 = 20
• 2.4.3.2 막 세정 = 21
• 2.5 실리카와 휴믹산의 제거 = 22
• 2.5.1 흡착의 원리 = 22
• 2.5.2 흡착제와 흡착질 = 23
• 2.5.2.1 흡착제 = 23
• 2.5.2.2 흡착질 = 25
• III. 실험방법
• 3.1 Fouling에 의한 투과 수량 변화 = 28
• 3.1.1 실험재료 = 28
• 3.1.2 막의 사양 = 28
• 3.1.3 실험방법 = 29
• 3.2 Calcite를 이용한 흡착 실험 = 30
• 3.2.1 실험재료 = 30
• 3.2.2 Calcite의 특성 분석 = 31
• 3.2.3 Calcite를 이용한 실리카와 휴믹산의 회분식 흡착 실험 = 31
• 3.2.4 Calite를 이용한 연속식 실험 = 32
• 3.2.5 Calcite의 leaching test = 32
• 3.3 Iron oxide를 이용한 흡착 실험 = 32
• 3.3.1 실험재료 = 32
• 3.3.2 Iron oxide를 이용한 실리카와 휴믹산의 회분식 흡착 실험 = 33
• 3.3.3 Iron oxide를 이용한 연속식 실험 = 33
• IV. 결과 및 고찰
• 4.1 Fouling에 의한 투과 수량 변화 측정 = 34
• 4.2 Calcite를 이용한 흡착 실험 = 41
• 4.2.1 Calcite의 특성 분석 = 41
• 4.2.2 Calcite를 이용한 실리카와 휴믹산의 회분식 흡착실험 = 43
• 4.2.3 Calcite를 이용한 연속 흡착 실험 = 48
• 4.2.4 Calcite의 leaching test = 51
• 4.3 Iron oxide를 이용한 흡착 실험 = 53
• 4.3.1 Iron oxide를 이용한 실리카와 휴믹산의 회분식 흡착실험 = 53
• 4.3.2 Iron oxide를 이용한 연속 흡착 실험 = 57
• V. 결론 = 60
• 참고문헌 = 63
• Abstract = 69