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ISSN : 1225-7672(Print)
ISSN : 2287-822X(Online)
Journal of the Korean Society of Water and Wastewater Vol.30 No.3 pp.271-278
DOI : https://doi.org/10.11001/jksww.2016.30.3.271

Effect of Membrane Module and Feed Flow Configuration on Performance in Pressure Retarded Osmosis

Gilhyun Go1, Donghyun Kim1, Taeshin Park2, Limseok Kang1
1Department of Environmental Engineering, Pukyong National University
2GS E&C
Corresponding author: Kang, Lim Seok (kangls@pknu.ac.kr)
April 19, 2016 May 20, 2016 May 23, 2016

Abstract

Recently, reverse osmosis (RO) is the most common process for seawater desalination. A common problem in both RO and thermal processes is the high energy requirements for seawater desalination. The one energy saving method when utilizing the osmotic power is utilizing pressure retarded osmosis (PRO) process. The PRO process can be used to operate hydro turbines for electrical power production or can be used directly to supplement the energy required for RO desalination system. This study was carried out to evaluate the performance of both single-stage PRO process and two-stage PRO process using RO concentrate for a draw solution and RO permeate for a feed solution. The major results, were found that increase of the draw and feed solution flowrate lead to increase of the production of power density and water permeate. Also, comparison between CDCF and CDDF configuration showed that the CDDF was better than CDCF for stable operation of PRO process. In addition, power density of two-stage PRO was lower than the one of single-stage. However, net power of two-stage PRO was higher than the one of single-stage PRO.


압력지연삼투(PRO) 공정에서 막 모듈 배치와 유입원수의 유입 흐름방식이 성능에 미치는 영향

고 길현1, 김 동현1, 박 태신2, 강 임석1
1부경대학교 환경공학과
2GS 건설

초록


    Ministry of Land, Infrastructure and Transport
    15IFIP-B065893-03

    1.서 론

    전 세계적으로 물 부족 현상이 심화 되고 있는 가 운데, 물 부족 문제를 해결하기 위한 방안으로 지구 상 수자원의 98%를 차지하고 있는 해수를 이용한 해 수 담수화 방법이 가장 전망 있는 방법으로 제시되 고 있다. 현재 담수화 공정으로 가장 널리 사용되고 있는 역삼투(reverse osmosis: RO) 해수 담수화 공정은 2005년 45% 이상의 점유율로 담수화 시장을 지배하 는 기술로 꾸준히 성장 중이며, 향후 전체 해수 담수 화 시장의 70% 이상을 점유하리라 예측되고 있다. RO 공정은 다른 담수화 방법인 증발법에 비해 에너 지 사용량이 낮지만 여전히 에너지 소비규모는 큰 편이다. 에너지 회수 장치를 이용한 에너지 감소 방 법은 이미 열역학적 최소치에 이르렀고 해수 담수화 플랜트의 에너지 소비율은 약 4 kWh/m3으로 기술적 정체현상에 있다(Lee et al., 2013). 이는 기존의 용수 공급 방법의 10배 이상의 에너지를 사용하여 물을 공급 받아야 하는 시급한 문제이다. 또한 통상 1.6배 이상 농축된 방류수는 밀도가 높아 방류 후 침강하 여 해저면에서 확산되어 해저생물과 해양환경 변화 에 영향을 끼치므로 고농도의 방류수 처리가 해결되 어야 한다(Lee et al., 2013). 이러한 문제점을 해결하 기 위한 방안으로 해수의 삼투압을 이용하여 에너지 를 생산하는 새로운 방식인 압력지연삼투(pressure retarded osmosis: PRO) 기술이 제시되어 왔다. PRO 기술은 기존의 풍력, 태양열 발전 등과 달리 날씨에 큰 영향을 받지 않고 일정한 에너지 생산이 가능하 다는 장점이 있으며 이산화탄소와 같은 유해 물질을 방출하지 않는 청정에너지 기술이다(Hong et al., 2011).

    PRO 공정은 RO 기술을 이용한 해수담수화 공정에 서 사용되는 에너지를 저감 하며, 해양으로 배출 되 는 농축수를 희석시켜 해양환경에 미치는 영향을 최 소화 할 수 있는 기술이다. PRO 연구는 최근 평막을 이용한 실험실 규모의 PRO 공정에 대한 연구와 중공 사 막 모듈을 이용한 PRO 공정에 대한 연구는 광범 위하게 진행 되어 왔으나, RO 공정의 농축수를 이용 하며, 나권형 막 모듈을 통한 연구는 미흡한 실정이 다. 또한 단일 막 모듈에 대한 연구는 활발히 진행 되 었으나, 2개 이상의 막 모듈을 연결한 연구 또한 미흡 한 실정이다(Kim et al., 2013; He et al., 2015). 따라서 본 연구에서는 20 m3/day의 PRO 파일럿 플랜트에 8 in. 나권형 막 모듈 2개를 직렬로 연결하여 PRO 공정 에서 유량, 압력, 유입원수의 유입 방식 등에 따른 PRO 공정의 투과수량, 전력밀도, 에너지생산량을 조 사하였다.

    2.압력지연삼투 (pressure retarded osmosis: PRO)

    PRO 공정은 삼투압을 이용하여 에너지를 생산하는 기술로서, 반투과성 막을 경계로 저농도의 유입원수 가 고농도의 유도용액 방향으로 이동할 때, 유도용액 방향에 높은 압력을 가해 터빈을 돌림으로써 에너지 를 생산해내는 기술이다(Loeb, 1976). PRO 공정은 1954년 Pattle이 담수와 염수를 혼합하여 에너지를 추 출해 내는 아이디어를 최초로 제시한 이래로 1975년 Loeb에 의해 ‘Pressure retarded osmosis'라는 용어를 처 음으로 제시했다. 2000년 이후에는 RO 방식 담수화 공정을 위해 고안된 압력회수장치를 PRO 공정에 도 입함으로써 소비에너지를 저감할 수 있는 방안이 제 시되었으며, 이로 인해 PRO 공정 개발 및 연구가 더 욱 다양하게 이루어지고 있다(Loeb, 2002).

    2.1수투과량과 전력밀도

    PRO 공정에서 물은 반투과성막을 통해 저농도 유입 원수(feed solution)에서 고농도 유도용액(draw solution) 으로 이동하며, 그 성능은 용액-확산(solution-diffusion) 모델에서 유도된 투과수량 식과 단위 면적당 전력밀 도로 표현된다. 이때, PRO 공정의 투과되는 물의 흐 름은 RO 공정과는 반대 방향이므로, 다음의 식과 같 이 변형 되었으며 전력밀도는 식 (2)와 같이 나타낼 수 있다.

    J w = A ( Δ π Δ P )
    (1)

    W = J w Δ P = A ( Δ π Δ P ) Δ P
    (2)

    여기서

    Jw :

    수투과량, L/m2・hr

    A :

    수투과도, L/m2・hr・bar

    W :

    전력밀도, W/m2

    Δπ :

    삼투압 차, bar

    ΔP :

    가해지는 압력, bar

    2.2농도분극(concentration polarization) 현상

    1978년 Mehta와 Loeb에 의해 발견된 농도분극 현상 은 PRO 막의 성능저하에 가장 큰 영향을 미치는 요인 이다. 농도분극 현상에 대한 첫 연구는 RO 막을 이용 한 실험실 규모의 PRO 모듈을 사용하였다(Loeb and Mehta. 1978; Jellinek and Masuda, 1981; Lee et al., 1981). 농도분극현상은 삼투압을 이용한 막 공정을 운 전하는데 있어 중요한 문제로 취급된다(Gray et al., 2006; McGinnis and Elimelech, 2007). Fig. 1은 PRO 공 정에서의 농도분극현상을 나타내고 있다. PRO 공정 에서는 물이 막을 투과하면서 막의 내·외부에 용질의 축적으로 인한 농도분극현상(Achilli et al., 2009)과 고 농도의 유도용액(draw solution)에서 저농도의 유입원 수(feed solution) 방향으로 확산에 의한 염의 이동이 일어나는 역염투과(reverse salt flux)에 의해 유효 삼투 압이 감소하게 되고(Lee et al., 1981) 이로 인해 투과 수량이 감소하게 되는데 이를 고려한 식은 다음과 같 이 나타낼 수 있다(Gray et al., 2006; Gruber et al., 2011; Yip et al., 2011).

    J w = A { D , b exp ( J w k ) F , b exp ( J w S D ) 1 + B J w [ exp ( J w S D ) exp ( J w k ) ] Δ P }
    (3)

    여기서,

    πD,b:

    유도용액의 삼투압, bar

    πD,b:

    유입원수의 삼투압, bar

    k:

    물질전달계수, m/s

    D :

    확산계수, m2/s

    S :

    막구조 파라미터, m

    B :

    염투과도, L/m2h

    2.2.1외부농도분극(external concentration polarization: ECP) 현상

    압력지연 삼투공정에서 물이 이동할 때, 저농도의 유입원수가 고농도의 유도용액으로 투과되면서 유도 용액을 희석시키는 현상이 발생한다. 이로 인해 막의 활성층(active layer)과 유도용액의 경계면서의 농도가 (CD,m)가 유입되는 유도용액의 농도보다 낮아지게 되 며, 이러한 현상을 외부농도분극(ECP)이라 한다. 외부 농도분극에 의해 감소된 유도용액의 삼투압은 식 (3) 의 투과수량 식에서 exp(-Jw/k) 항으로 표현된다. 외부 농도분극은 막의 지지층(support layer)과 유입용액이 접하는 곳에서도 발생하나 그 영향은 크지 않아 무시 되어 왔다(Kim et al., 2014).

    2.2.2내부농도분극(internal concentration polarization: ICP) 현상

    물이 막을 통해 투과될 때, 유입원수의 염들이 선택적 투과성을 가진 활성층에 막혀 지지층(support layer) 내부 에 쌓이면서 활성층과 지지층 경계면의 염분 농도(CF,m)가 증가하는 현상으로 유입원수의 농도가 증가함에 따라 유 효 삼투압이 감소하고(Chou et al., 2012; Tan and Ng, 2008) 이로 인해 공정의 성능이 떨어지게 된다. 식 (3)의 투과수량 식에서 exp(JwS/D)로 표현 된다(Kim et al., 2014).

    3.실험 재료 및 방법

    3.1실험 재료

    본 연구에 사용된 PRO 모듈은 Toray Chemical 사에서 제공한 CSM-PRO 2 모듈을 사용 하였다. 막은 나권형 모듈 이며 유효막면적 18 m2, A(water permeability)는 2.5 L/m2・h・ bar, B(salt permeability)은 0.6 L/m2・hr, S(membrane structure parameter)는 1.1 mm이다. 막 모듈의 구조는 Fig. 2과 같다. 실험에 사용된 용액은 염분농도 35,000 mg/L (0.6 M NaCl) 을 제조하여 RO 공정을 거친 후 농축수는 유도용액(염분 농도 50,000 or 70,000 mg/L)으로 생산수(RO 투과수)는 유입원수(염분농도 400 mg/L)로 사용 하였다.

    3.2PRO 공정

    본 실험을 위하여 20 m3/day 규모의 PRO 파일럿 플 랜트를 이용하였다. Fig. 3은 본 실험에 사용된 PRO 공정의 모식도이다. Fig. 3에서 유도용액은 고압펌프 에 의해 PRO 모듈로 유입되며, 유입원수는 저압펌프 에 의해 PRO 모듈로 유입된다. 두 용액 모두 컨트롤 벨브와 리턴 벨브에 의해 유량을 조절하며, 유도용액 의 경우 backpressure 벨브에 의해 압력을 제어하게 된 다. 투과수량 및 전력밀도는 유도용액의 유량 변화를 통해 매 30초 단위로 측정하여 계산하였다.

    3.3막 모듈 배치 및 유입원수 흐름에 따른 성능 분석

    Fig. 4의 (a)는 1개의 막 모듈을 이용한 single-stage PRO (단일모듈) process의 모식도이며, two-stage PRO process 의 유입원수(feed solution)의 유입 흐름 방식에 따른 모식 도이다. Fig. 4의 (b)는 유도용액과 유입원수 모두 첫 번째 모듈에서 두 번째 모듈로 직렬로 흐르는 CDCF(Continuous draw solution and continuous feed solution)의 모식도 이며, (c)는 유도용액은 직렬흐름이며 유입원수는 각각의 모듈 로 분배되어 들어가는 CDDF(Continuous draw solution and divided feed solution)의 모식도이다.

    4.결과 및 고찰

    4.1Single-stage PRO process

    PRO 공정에서 유도용액과 유입원수의 유입유량에 따른 영향을 비교하기 위해 두 용액의 유입비를 1:1로 하여 유입 유량변화에 따른 투과수량 및 전력밀도를 비교하였다. Fig. 5는 single-stage PRO process에서 유 량 변화에 따른 투과수량 및 전력밀도를 나타낸 것이 다. 2.4 L/min의 유량에서 유도용액과 유입원수의 유 속은 각각 0.42 cm/s, 0.53 cm/s이며, 5.0 L/min의 유량 에는 각각 0.88 cm/s, 1.10 cm/s 이며, 10.0 L/min에서 는 각각 1.75 cm/s, 2.19 cm/s이다. 2.4 L/min의 유량에 서 최대 전력밀도는 0.7 W/m2, 5.0 L/min의 유량에서 는 2.71 W/m2, 10.0 L/min의 유량에서는 3.68 W/m2이 도출 되었다. 유량이 증가 할수록 투과수량이 증가하 고 이로 인해 전력밀도 또한 높게 나타나는 것을 알 수 있다. 또한 최대전력밀도를 형성하는 압력은 유량 이 증가 할수록 각각 13.6 bar, 17.7 bar, 19.2 bar로 증 가하는 것을 알 수 있다. 이는 유량의 증가가 막 내부 의 유속을 증가시킴으로써 막 내·외부의 농도분극 현 상과 역염투과의 감소로 인해 유효삼투압이 증가하여 (Altaee et al., 2014) 최대 전력밀도와 최대 전력밀도 형성 압력이 올라가는 것으로 판단된다.

    4.2Two-stage PRO process (CDCF vs. CDDF)

    Two-stage PRO process의 성능 및 유입원수(feed solution) 의 유입 흐름 방식에 따른 성능 비교를 위해 운전 압 력 5~30 bar, 유입비 1:1, 유입유량은 각각 5.0 L/min, 10.0 L/min으로 실험을 수행 하였다. Fig. 6은 각각의 유량에 대한 전력밀도, 투과수량을 나타낸 것으로 5.0 L/min의 조건에서 CDCF와 CDDF는 각각 19.9 bar, 19.5 bar에서 2.3 W/m2, 2.1 W/m2으로 나타났으며, 10.0 L/min의 조건에서 각각 18.4 bar, 23.7 bar에서 2.8 W/m2, 2.9 W/m2으로 나타났다. CDCF와 CDDF의 전력 밀도 및 투과수량의 차이는 약 5% 미만으로 공정 성 능의 차이가 크게 없는 것으로 판단된다. 그러나 Fig. 7에 나타난 바와 같이 CDCF 흐름의 two-stage PRO 공 정은 5.0 L/min 유량에서 유도용액의 압력 20 bar 이후 에는 유입원수의 압력이 증가하며, 10.0 L/min 유량에 서 유도용액 유입부 측의 압력이 20 bar 정도에서 유 입원수(feed solution) 측의 압력이 4 bar에 도달하는 것을 볼 수 있다. 이는 △P를 감소시켜 전력밀도를 감 소시키게 된다. 반면 CDDF 흐름의 two-stage PRO 공 정은 5.0 L/min의 유량에서 뿐만 아니라 10.0 L/min의 유량에서도 30 bar 까지 유입원수 측의 압력이 변하지 않는 것을 볼 수 있다. 이는 고압에서 운전해야 하는 PRO 공정의 조건상 CDDF와 같이 분개되어 들어가는 흐름이 고유량의 조건에서 안정정인 운전을 나타낼 수 있을 것으로 판단된다.

    4.3Single-stage와 two-stage PRO process의 비교

    모듈의 직렬연결을 통한 성능 변화를 알아보기 위해 single-stage PRO process와 two-stage PRO process를 비교 수행 하였다. 유입유량비 1:1, 유입유량 5.0 L/min과 10.0 L/min을 비교 하였다. Fig. 8은 single-stage PRO process와 two-stage PRO process의 투과수량과 전력밀도를 나타낸 것이며, 5.0 L/min의 유량에서 전력 밀도는 two-stage PRO process가 single-stage PRO process보다 약 0.7 W/m2 낮게 나오며, 10.0 L/min의 유량에서는 1.0 W/m2 낮게 나타났다. 전력밀도의 감소율은 5.0 L/min에서 약 25%, 10.0 L/min에 서 약 26%이며, 투과수량의 증가는 5.0 L/min에서 약 55%, 10.0 L/min에서 약 46% 증가 하였다. 이를 통해 총 유효 막면적의 증가로 인해 전력밀도는 감소하지만 총 투과수 량은 증가하는 것을 알 수 있다. Fig. 9는 single-stage PRO process와 two-stage PRO process의 에너지 생산량을 비교 한 것으로 5.0 L/min, 10.0 L/min의 유량 조건에서 각각 47%, 52% 증가 하였다. 즉, two-stage PRO process의 경우 전력밀도는 single-stage PRO process에 비해 낮은 전력밀 도를 나타내었으나, 에너지 생산량을 의미하는 net power는 약 1.5배 높게 나타나는 것을 알 수 있다.

    5.결 론

    본 연구는 SWRO-PRO hybrid 공정 중 PRO 공정에 서 막 모듈의 직렬연결을 통한 PRO 공정의 성능을 파 악하기 위하여 수행되었다. 본 연구에서는 8 in 나권 형 PRO 막 모듈을 이용한 20 m3/day 규모의 파일럿 플랜트에서 single-stage PRO process와 two-stage PRO process에서 유입유량에 대한 투과수량 및 전력밀도를 조사하였으며, two-stage PRO process에서 유입원수의 유입 방식에 따른 투과수량, 전력밀도, 에너지 생산량 에 대하여 조사하였다.

    실험에 의하여 도출된 결과로는 single-stage PRO process와 two-stage PRO process 모두 유량의 증가는 투과수량과 전력밀도를 증가 시키는 것을 알 수 있다. 또한 two-stage PRO process에서 유입원수의 유입 흐 름 방식(CDCF vs. CDDF)에 따른 비교 결과 성능의 차이는 크게 나타나지 않았으나, CDDF의 방식이 고 압조건의 PRO 공정에서 안정정인 운전을 할 수 있는 것으로 나타났다. 또한 single-stage PRO process 보다 two-stage PRO process가 전력밀도는 낮으나, 에너지의 생산량은 투과수량이 증가하여 약 1.5배 높게 나타났 다. 전력밀도는 PRO 막의 성능을 평가하는 중요 인자 중 하나이지만, PRO 공정의 성능의 평가에 있어서 전 력밀도는 에너지 생산량 함께 비교하여 고려되어야 할 것으로 판단된다.

    사 사

    본 연구는 국토교통부 플랜트연구개발사업의 연구 비지원(과제번호 15IFIP-B065893-03)에 의해 수행되었 습니다.

    Figure

    JKSWW-30-271_F1.gif

    Illustration external and internal membrane concentration polarizations that occur during PRO process.

    JKSWW-30-271_F2.gif

    A schematic illustration of PRO membrane module.

    JKSWW-30-271_F3.gif

    Schamatic of pressure retarded osmosis process used in this experiment.

    JKSWW-30-271_F4.gif

    Schamatic of Single-stage PRO and Two-stage PRO processes.

    JKSWW-30-271_F5.gif

    Effect of the draw solution and feed solution inlet flowrate on the PRO performance under various hydraulic pressure differences.

    JKSWW-30-271_F6.gif

    Comparison of feed solution configuration(CDCF vs. CDDF) for the PRO power density and flowrate of membrane permeate under various hydraulic pressure differences.

    JKSWW-30-271_F7.gif

    Changes in feed sloution inlet pressure under various hydraulic difference pressures.

    JKSWW-30-271_F8.gif

    Comparison of single-stage PRO and two-stage PRO for the PRO power density and flowrate of membrane permeate under various hydraulic pressure differences.

    JKSWW-30-271_F9.gif

    Comparison of single-stage PRO and two-stage PRO for the PRO net power under various hydraulic pressure differences.

    Table

    References

    1. Achilli A , Cath T Y , Childress A E (2009) Power generation with pressure retarded osmosis: An experimental and theoretical investigation , J. Membr. Sci, Vol.343 ; pp.42-52
    2. Altaee Ali , Guillermo Zaragoza , Adel Sharif (2014) Pressure retarded osmosis for power generation and seawater desalination: performance analysis , Desalination, Vol.355 ; pp.108-115
    3. Chou S , Wang R , Shi L , Fu QSA , Nie SZ (2012) Thin-film composite hollow fiber membranes for pressure retarded osmosis (PRO) process with high power density , J. Membr. Sci, Vol.389 ; pp.25-33
    4. Gray G , McCutcheon JR , Elimelech M (2006) Internal concentration polarization in forward osmosis: role of membrane orientation , Desalination, Vol.197 ; pp.1-8
    5. Gruber MF , Johnson CJ , Tang CY , Jensen MH , Yde L , Hélix-Nielsen C (2011) Computational fluid dynamics simulations of flow and concentration polarization in forward osmosis membrane systems , J. Membr. Sci, Vol.379 ; pp.488-495
    6. He W , Wang Y , Mohammad HS (2015) Enhanced energy generation and membrane performance by two-stage pressure retarded osmosis (PRO) , Desalination, Vol.359 ; pp.186-199
    7. Hong SK , Lee SH , Kim JH , Ju YG (2011) Evolution of RO Process for Green Future , Kor. Ind. Chem. News, Vol.14 (6) ; pp.9-20
    8. Jellinek HHG , Masuda H (1981) Theory and performance of an osmotic-power pilot plant , Ocean Eng, Vol.8 ; pp.103-128
    9. Kim J , Kim SH , Kim JH (2014) Pressure Retarded Osmosis Process: Current Status and Future , J. Kor. Soc. Environ. Eng, Vol.36 (11) ; pp.791-802
    10. Kim YC , Kim Y , Oh D , Lee KH (2013) Experimental Investigation of a Spiral-wound Pressure-Retarded Osmosis Membrane Module for Osmotic Power Generation , Env. Sci. Tech, Vol.47 ; pp.2966-2973
    11. Lee KL , Baker RW , Lonsdale HK (1981) Membranes for power generation by pressure-retarded osmosis , J. Membr. Sci, Vol.8 ; pp.141-171
    12. Lee SH , Choi JS , Hwang TM (2013) [Q&A]What Can We Expect on the Next Generation Desalination Technology in the Future Civil and Environmental Engineering? , Kor. Soc. of Civil eng, Vol.61 (5) ; pp.102-107
    13. Loeb S (1975) Osmotic power plants , Science, Vol.189 ; pp.654-655
    14. Loeb S (1976) Production of energy from concentrated brines by pressure retarded osmosis: I. Preliminary technical andeconomic correlations , J. Membr. Sci, Vol.1 (1) ; pp.49-63
    15. Loeb S (2002) Large-scale power production by pressureretarded osmosis, using river water and sea water passing through spiral modules , Desalination, Vol.143 (2) ; pp.115-122
    16. Loeb S , Mehta GD (1978) A two-coefficient water transport equation for pressure retarded osmosis , J. Membr. Sci, Vol.4 ; pp.351-362
    17. McGinnis RL , Elimelech M (2007) Energy requirements of ammonia-carbon dioxide forward osmosis desalination , Desalination, Vol.207 (1-3) ; pp.370-382
    18. Mehta GD , Loeb S (1978) Internal polarization in the porous substructure of a semipermeable membrane under pressure-retarded osmosis , J. Membr. Sci, Vol.4 ; pp.261-265
    19. Pattle RE (1954) Production of electric power by mixing fresh and salt water in the hydroelectric pile , Nature, Vol.174 ; pp.660
    20. Tan CH , Ng HY (2008) Modified models to predict flux behavior in forward osmosis in consideration of external and internal concentration polarizations , J. Membr. Sci, Vol.324 ; pp.209-219
    21. Yip NY , Elimelech M (2011) Performance limitin effects in power generation from salinity gradients by pressure retarded osmosis , Environ. Sci. Technol, Vol.45 (23) ; pp.10273-10282