1) Title & Author
Journal: Desalination, 2010, in press
Title: Early warning of biofouling in spiral wound nanofiltration and reverse osmosis membranes
Author: J.S. Vrouwenvelder, M.C.M. van Loosdrecht, J.C. Kruithof
2) Summary of Paper
이 논문은 역삼투막 해수담수화에서 막오염의 중요한 부분을 차지하는 bio-fouling을 사전에 예방하는 이른 경고 시스템 (early warning system)을 개발하는 것입니다. 이 연구에서는 막오염 시뮬레이터 (membrane fouling simulator, MFS)를 사용하여 막오염을 추적 관찰하고자 하였습니다. MFS는 그림 7에서 보여주는 장치입니다..
문헌에서 full-scale pilot과 MFS에서의 pressure drop development가 거의 동일하게 나타나는 것을 통해, MFS가 bio-fouling을 모니터링 할 수 있는 역할을 대신할 수 있을 것으로 보여졌습니다. 아래의 그림 2와 같이 Vessel에서 첫 번째 module에서 biomass가 먼저 축적되기 시작하여 pressure drop이 크게 나타나기 때문에, 그림 3과 같이 MFS를 이용해 bio-fouling을 먼저 detection하여 이를 토대로 실제 플랜트의 bio-fouling 발생 시점을 미리 경고할 수 있게끔 하고자 시도하였습니다.
Bio-fouling을 판단하는 기준으로서 pressure drop increase를 이용하는데, 이는 Characklis가 bio-fouling은 pipeline이나 porous media에서 유체의 마찰 저항을 증가시켜 결국 pressure drop이 발생한다라는 논문을 기초로 하고 있습니다.
Pressure drop은 아래의 수식과 같이 채널을 통과하는 유체의 속력에 비선형적인 영향을 받습니다.
실험결과를 통해 볼 때, 아래 그림 5에서 보는 바와 같이 유체의 속력이 증가함에 따라 pressure drop increase가 증가하고, 이로 인해 biomass의 부하가 증가하여 결국 농도도 증가하는 결과를 보여주고 있습니다. 유체의 속도에 따라 일정한 pressure drop을4일 정도까지 일정하게 유지하다가 그 이후로 유체의 속도가 0.163, 0.245 m/s 인 경우, 기하급수적으로 증가하는 것을 보여줍니다.
또한, 생산수의 생산이 bio-fouling에 영향을 주는가를 확인하기 위해 생산수 생산이 있을 때 (with flux) 와 없을 때 (without flux)를 실험하였습니다. 결과 아래 그림에서 보여지는 것과 같이 feed channel pressure drop은 생산수 생산의 영향이 크지 않음을 보여주고 있습니다 (그림 1-A). 또한, 멤브레인 부검(Autopsy)을 통해 멤브레인 표면에 있는 biomass의 농도를 측정한 결과 그 농도차이 역시 생산수 생산의 영향을 크게 받지 않음을 보여줍니다.
그리고, 여러 가지 타입의 막오염에 대한 멤브레인 성능 변화를 파악하기 위해 MFS를 통해 막오염의 메커니즘별로 연구하였습니다. 막오염은 크게 scailing, particulate그리고 organic fouling으로 구분되었습니다. 실험 계획은 아래 그림 8과 같이 MFS를 평행하게 설치하여 Table 2에서 보여지는 전처리를 통해 각각의 막오염 영향을 볼 수 있도록 하였습니다. 그러나 이 논문에서는 이에 대한 결과를 보여주고 있지는 않고, 방향을 제시해주고 있습니다. 이 연구로부터 얻어지는 정보는 막오염을 극복하기 위한 전처리의 선택에 도움을 줄 것으로 생각됩니다.
3) Originality & Creativity
이 논문의 가장 큰 차별성은 bio-fouling에 대한 연구를 위한 방향성을 제시하고, 구체적인 방법을 제안하고 있다는 것입니다. 여러가지 막오염에서 각각의 멤브레인 성능에 대한 영향을 파악하지 못하고 있는 지금 이 연구는 중요한 시점에 있는 것 같습니다.
4) Contribution to ESEL
이 연구도 시작단계이어서 많은 결과가 아직 있지 않지만 이에 대한 연구가 계속 진행된다면, fouling 모델 개발에 큰 도움이 될 것으로 판단됩니다. 실제로 모델에서는 정확한 fouling의 영향에 대한 결과가 없어서 fouling 모델에 있어서 큰 어려움이 있기 때문입니다.
5) 리뷰어 : lyg@gist.ac.kr