About Journal of the Korean Society for Marine Environment & Energy

Fig. 1은 NF막을 이용한 실험장치의 사진과 개략도를 나타내고 있다. 실험장치는 고압펌프를 이용하여 해양심층수(원수)가 NF 장치로 들어가서 나온 농축수를 저장탱크에 저장하도록 설계되었다. 그리고 NF는 3단 직렬배열로 구성하여 생산수율을 높게 구성하였다.

Fig. 1. 
Plan of concentrated seawater reduced NF.

실험에 사용한 NF막은 유사한 사양을 가진 Film-tec사의 NF-270-4040과 Vontron사의 VNF1-4040 제품을 사용하여 비교 실험을 하였다. 경도 성분의 농축 및 생산량을 고려하여 막의 한계압력까지 실험하였으며, NF-270-4040은 20 bar, VNF1-4040의 경우는 30bar까지 실험을 할 수 있었다. 막의 직경은 4인치로 동일하였으며, 막 면적은 NF-270-4040이 7.6 m²으로 VNF1-4040 제품의 7.4 m²보다 2.7% 크고, 염 제거율은 유사한 사양을 가짐을 알 수 있다.

본 실험에서는 Fig. 1과 같이 해양심층수(원수)를 NF장치를 통과시켜 나온 농축수를 저장탱크에 담고 1차 농축수로 명명하고, 같은 방법으로 1차 농축수를 다시 NF장치를 통과시켜 나온 농축수를 저장탱크에 담고 2차 농축수로 명명하고, 같은 방법으로 3차, 4차 농축수를 제조하였다. 각각의 실험에서는 십자류여과(cross flow filtration)법으로 막의 사양에 따라 압력을 변수로 주어 진행하였다. NF-270-4040을 사용한 실험에서는 10 bar~20 bar의 압력으로 3차의 실험차수를 진행하였으며, VNF1-4040은 20 bar~30 bar의 압력으로 4차의 실험차수를 진행하였다. 실험분석은 Table 2와 같이 Thermoscientific사의 IonPac CS12A와 IonPac AS14를 사용한 이온크로마토그래프 분석법을 사용하여 분석을 진행하였으며, 경도 측정은 식 (1)을 사용하여 계산하였다.

Fig. 2는 압력변화와 실험 차수에 따른 유량 값을 나타내고 있다. 전반적으로 두 제품 모두 유량 값은 비슷한 경향을 나타내고 있으며, 실험차수와 압력이 높을수록 유량이 감소함을 알 수 있다. NF-270-4040은 실험차수 1차에서 VNF1-4040보다 높은 유량 값을 가졌으나 실험차수가 증가할수록 VNF1-4040보다 낮은 유량 값을 나타내고 있다. Fig. 3은 압력변화와 실험 차수에 따른 생산수율 값을 나타내고 있다. 유량과 비슷하게 두 제품 모두 생산수율 값은 비슷한 경향을 나타내고 있으며, 실험차수와 압력이 높을수록 생산수율이 감소함을 알 수 있다. 이것은 농축수의 생산수율이 증가하는 결과로도 볼 수 있다. 이러한 결과는 실험차수가 증가 할수록 농축수의 농도가 증가하여 이온들의 방해 효과 또한 커짐으로서 생기는 농도분극 현상으로 설명 될 수 있다(Kim[2005]). 그리고 NF-270-4040의 실험차수 2차와 VNF1-4040의 실험차수 3차의 결과 유사한 값을 가짐을 알 수 있었다.

Fig. 2. 
Flux value of NF-270-4040 membrane (Left) and VNF1-4040 membrane (Right).

Fig. 3. 
Recovery ratio value of NF-270-4040 membrane (Left) and VNF1-4040 membrane (Right).

Fig. 4는 압력변화와 실험 차수에 따른 경도 값을 나타내고 있다. 전반적으로 두 제품 모두 경도 값은 비슷한 경향을 나타내고 있으며, 실험차수와 압력이 높을수록 경도 값이 증가함을 알 수 있었다. 특이 한 점으로는 NF-270-4040은 실험차수 1차와 VNF1-4040의 2차 결과 값이 유사하였으며, NF-270-4040은 실험차수 2차와 VNF1-4040의 3차 결과 값이, NF-270-4040은 실험차수 3차와 VNF1-4040의 4차 결과 값이 유사하게 나타났다. 즉 NF-270-4040의 경도 값이 VNF1-4040 보다 한 차수씩 빠름을 확인 할 수 있었다. 또한 압력에서도 NF-270-4040이 VNF1-4040보다 낮은 압력에서 높은 경도 값을 나타내고 있다. 이는 제품에 따라 막 면적, 공극률 및 이온 배제율 등의 사양에서 나오는 결과로 사료 되어 진다. 경도 값을 염소이온 값으로 나눈 비를 Fig. 5에 나타내었다. 두 제품 모두 비슷한 경향을 나타내고 있으며, 실험차수와 압력이 높을수록 경도/Cl^- 값이 증가함을 알 수 있다. 처음에는 염소이온이 경도를 나타내는 이온보다 월등히 높았지만, 실험차수 및 압력이 증가할수록 염소이온은 소폭 증가하는 반면 경도성분은 큰 폭으로 증가하기 때문이다. 압력변화에 따른 경도/Cl^- 결과 값을 보면 NF-270-4040의 경우 15 bar와 20 bar의 결과 값과 방향성이 매우 유사함을 알 수 있었으며, 경도/Cl^- 값의 기울기는 1차에서 2차의 경우가 2차에서 3차 보다 큼을 확인 할 수 있었다. VNF1-4040의 경우는 25 bar와 30 bar의 결과 값과 방향성이 매우 유사함을 알 수 있었으며, 경도/Cl^- 값의 기울기는 2차에서 3차의 경우가 3차에서 4차 보다 큼을 확인 할 수 있었다.

Fig. 4. 
Hardness value of NF-270-4040 membrane (Left) and VNF1-4040 membrane (Right).

Fig. 5. 
Hardness/Cl- ratio of NF-270-4040 membrane (Left) and VNF1-4040 membrane (Right).

압력변화와 실험 차수에 따른 황산이온 제거 값을 Table 3에 나타내고 있다. 두 제품 모두 제거율은 99% 정도로 효율은 좋은 것으로 나타났으며, 압력과 실험차수에 따라 비슷한 경향의 값을 나타내고 있다. 그리고 실험차수가 높을수록 황산이온 제거율은 감소하며, 압력이 증가할수록 황산이온의 제거율은 미세하게 증가함을 확인 할 수 있다.