1. Title & Journal
Full-scale simulation of seawater reverse osmosis desalination processes for boron removal: Effect of membrane fouling
Journal: Water Research (2012)
Pyung-Kyu Parka, Sangho Leeb, Jae-Seok Choc, Jae-Hong Kima,*
aSchool of Civil and Environmental Engineering, Georgia Institute of Technology, United States
bSchool of Civil and Environmental Engineering, Kookmin University, South Korea
cConstruction Environment Research Department, Korea Institute of Construction Technology, South Korea
3. Summary
본 논문은 RO 퍼포먼스 예측모델 개발 및 이를 이용하여 막파울링에 따른 full-scale(RO treatment)에서의 보론의 제거 효과를 정량적으로 분석하였다. 또한 저자는 아래와 같은 RO공정 디자인 및 운전조건 상황에 따른 시스템 퍼포먼스를 생산수 1톤당 소요 에너지비용으로 환산하여 비교 분석을 수행하였다.
- Single pass vs. Double-pass configurations
- 베셀 내 RO element의 개수
- 보론제거 강화 막 사용
- pH조정
기본적인 모델 개발은 irreversible thermodynamic model과 film theory (Spiegler, 1966; Marinas and Urama, 1996)을 바탕으로 수행되었으며,
CP 층에서의 질량이동계수(mass transfer coefficient, k)는 다음과 같은 경험적 식이 사용되었다. (Winograd et al., 1973; Benboudinar et al., 1992)
모델 시뮬레이션 및 Lab-scale 실험 결과, 파울링 정도가 커질 수록 RO막의 염제거율 및 보론제거율이 많이 저하됨을 알 수 있었는데, 이는 막 표면의 파울링 층이 해수 내 보론을 포함한 용질의 back-diffusion을 막음으로써 결과적으로 물질이동계수(k)가 감소되기 때문이라고 저자는 언급한다.
Fig.2의 그래프를 보면 알 수 있듯이, 회수율이 높아짐에 따라 파울링의 정도가 커짐과 동시에 막표면의 염과 보론 농도가 증가함을 알 수 있으며, 그로 인하여 용질의 막 통과(이동)에 영향을 미치는 driving force가 증가함을 추측할 수 있다.
또한 물질이동 계수가 100→20%까지 감소함도 볼 수 있다. 특히 주목할 점은 염과 보론제거율이 저하되는 상황에서 보론 제거율이 큰 폭의 감소를 보임을 알 수 있었다.
한편, RO element 개수의 변화와 RO시스템 디자인에 따른 소요에너지 비용 결과는 다음과 같다.
위의 결과를 토대로, 파울링이 발생하였을 시, 가장 최적의 옵션은 double configuration의 1st -pass에서 6개의 elements; 2st-pass에서 3개의 elements가 4.66 kWh/m3 로 가장 낮은 소요에너지비용을 보였다.
또한 저자는 보론제거를 높이고 소요에너지 비용을 줄 일수 있는 방법으로, 보론제거 강화 막(일반 SWRO막보다 낮은 물투과 계수를 가짐) 사용을 언급한다. 시뮬레이션 결과 보론제거율이 88%, 90%, 92%인 element를 사용하였을 시, 일반적인 예상과는 달리 소요에너지 비용이 4.91→4.03→3.54 kWh/m3로 절감이 나타났다.
4. Originality
막파울링이 보론제거율에 미치는 영향을 모델 시뮬레이션 및 실험적 결과를 토대로, 물리적 재해석을 하였으며, 다양한 RO공정 디자인 및 운전조건을 가지고 실제 상황에서의 최적화된 시스템 옵션 및 에너지 절감 방법을 제시하고 있다.
5. Reviewer: 정관호 jkh@gist.ac.kr