막여과란?
o 막여과(Membrane Filtration)란 막(Membrane)을 여재로 하여 물을 통과시켜 수중에 존재하는 오염물질이나 불순물을 여과하는 기술
ㅇ 막여과 기술은 고액분리, 이온분리, 가스분리 등을 행하는 분리기술로써 정수처리, 하폐수처리, 해수담수화, 식품 및 의료분야 등 다양한 분야에서 사용되고 있다.
(UF 막여과시설과 NF 막여과시설)
(역삼투시설과 ED 시설)
막 여과법 종류 및 특징
ㅇ 막여과 공법은 제거되는 입자의 크기에 따라 역삼투(RO; Reverse Osmosis)법, 나노여과막 또는 저압역삼투(NF; Nanofiltration)법, 한외여과(UF; Ultrafiltration)법, 정밀여과(MF; Microfiltration)법, 전기투석(ED, Electrodialysis)법으로 분류된다.
ㅇ 막여과 공정에 이용되는 막(Membrane)에는 역삼투막(RO; Reverse Osmosis Membrane), 나노여과막 또는 저압 역삼투막(NF; Nanofiltration Membrane), 한외여과막(UF; Ultrafiltration Membrane), 정밀여과막(MF; Microfiltration Membrane) 등이 있다.
(막여과법 종류 및 특징)
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항 목 |
여과법 |
분리경 |
제거대상물질 |
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정밀여과막
(MF) |
정밀여과법 |
공칭공경
0.01 μm이상 |
부유물질, 콜로이드, 세균, 조류, 바이러스, 크립토스포리디움 포낭(包囊), 지아디아 포낭 등 |
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한외여과막
(UF) |
한외여과법 |
분획 분자량
100,000Dalton이하 |
부유물질, 콜로이드, 세균, 조류, 바이러스, 크립토스포리디움 포낭, 지아디아 포낭, 부식산 등 |
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나노여과막
(NF) |
나노여과법 |
염화나트륨
제거율 5~93%미만 |
유기물, 농약, 맛․냄새물질, 합성세제, 칼슘이온, 마그네슘이온, 황산이온, 질산성질소 등 |
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역삼투막
(RO) |
역삼투법 |
염화나트륨
제거율 93% 이상 |
금속이온, 염소이온 등 |
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해수담수화
(RO) |
역삼투법 |
염화나트륨
제거율 99% 이상 |
해수중의 염분 |
※ MF/UF : 지아디아, 크립토스포리디움 등 입자성 물질 위주로 여과
※ NF/RO : 소독부산물, 내분비계 교란물질, 이취미물질 등 용존성 물질 위주로 여과
막여과법의 장단점
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장 점 |
단 점 |
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- 원수에 포함된 일정 크기이상의 현탁 물질을 확실하게 제거할 수 있음.(처리수질 고급화)
- 시설이 콤펙트하여 소요 면적 1/2, 기계적으로 움직이는 부분이 적어 자동확 쉽다(유지관리 단순화)
- 응집제 없이 운전이 가능하거나, 필요시에도 소량으로 가능하여 운전관리가 간단함.(화학처리 최소화)
- 공사기간이 오래 소요되지 않음. |
- 색, 냄새, 맛 등에 관계되는 용해성 물질을 제거하기 위해서는 재래식처리 방법과의 조합이 필요함.
- 막오염을 방지하기 위해 약품세정이 필요하고, 막의 수명이 짧아 교환비용이 많이 소요됨.
- 건설 및 유지 관리비용이 많이 소요됨
- 고농도의 농축수가 발생하므로 이를 처리하기 위한 시설이 필요함. |
주요 설계 항목
ㅇ 막여과 설비의 설계시 주요 고려사항은 막 투과 Flux, 수온, 운전압력 및 회수율 등이 있으며, 막여과 공정의 효율성과 막 성능에 밀접한 관련이 있음으로 충분한 고찰이 필요하다.
ㅇ 설계기준은 운영방식에 따라서도 달라지는데 정압제어 운전일 경우는 최저 수온일 때의 투과 Flux, 정유량 제어 운전일 경우는 최저수온일 때의 막 차압을 기준 한다.
(1) 막 투과 Flux : 막 투과 Flux란 단위시간, 단위 막 면적당의 투과수량을 말한다.
ㅇ Flux(㎥/㎡.hr)= 통과수량(㎥/h)/막의 면적(㎡)
ㅇ 막 투과 Flux의 지배인자는 막의 종류, 수온, 원수 수질 등이 있으며, 수온 영향을 가장 크게 받는다.
(2) 수온 : 수온에 따라 물의 점성계수가 변화하기 때문에 투과 Flux에 많은 영향을 준다.
ㅇ 막여과 공정 설계 시는 연중 최저 수온에서의 생산량과 막의 온도특성을 충분히 고려해야 한다.
(3) 운전 압력 : 운전 압력(막차압)은 이론적으로 투과 Flux와 비례관계를 가지고 있지만, 현실적으로는 막 차압을 크게 하면 투과 Flux의 상승 비율이 작아지는 감소 증가 상태를 나타낸다.
ㅇ 막여과 공정 설계시 운전 압력(막차압)을 높게 하면 시설의 크기는 작아지고 투과 Flux는 커지는 특징이 있다.
(3) 회수율 : 회수율은 공급수량에 대한 투과수량의 비로, 막 여과법에 있어서 양적인 처리효율을 보여주는 지표이다. 막여과 공정에서 회수율은 막 오염 정도에 큰 영향을 받으며, 막 오염은 원수수질, 투과 Flux, 세정 정도 등에 따라 달라진다.
ㅇ 회수율(%)=(투과수량/공급수량)×100 또는 (공급수량-농축수량)/공급수량× 100
ㅇ 해수담수화의 경우 35 ~ 40%, 일반적인 막여과 정수인 경우 90% 이상으로 설계 한다.
가압식과 침지식 막여과
(1) 가압식 막여과 시스템
ㅇ 분리막(멤브레인)을 압력베셀에 장착하고 원수를 막에 압송시켜서 여과하는 형식
① 특 성
ㅇ 대형화가 용이하며 공정자동화가 용이하다
ㅇ 전처리가 필요하며, 세척이 용이하다
(2) 침지식 막여과 시스템
ㅇ 분리막(멤브레인)을 원수중에 침적시키고 막에 흡입력을 가하여 여과수만을 흡입 여과하는 형식
① 특 성
ㅇ 막수명이 길고 시스템 구성이 간단하여·공정자동화가 용이하다
ㅇ 전처리 공정이 불필요 하고 세정 주기가 비교적 길다.
ㅇ 일반적으로 고농도 및 고점도 용액처리가 가능하여 하․폐수처리에 적용한다.
(가압식 막여과 (Aquasource UF), 침지식 막여과 (Memcor, MF)
여과방식 및 제어방식
1) 여과방식 및 특징
ㅇ 막여과 공정에서 운전방식은 유입원수 대부분을 여과하는 전량여과방식과 막표면에 투과되는 방향과 직각 방향으로 유속을 주어 여과하는 순환(십자흐름)여과방식이 있다.
(1) 전량여과방식 (Dead-End Filtration Method) : 막면에 대해 직각흐름을 만들어 종래의 모래여과와 같이 막 공급수의 전량을 여과하는 방식이다.
(2) 순환(십자흐름)여과방식 (Cross flow Filtration Method) :Cross flow 여과방식은 막면에 대해 평행한 흐름으로 원수를 공급하여 막 공급수 중의 현탁물질이나 콜로이드가 막면에 퇴적하는 현상을 억제하면서 여과하는 방식 이다.
2) 제어방식 및 특징
ㅇ 막여과 설비의 운전 제어 방식에는 투과수량을 항상 일정하게 유지하는 정유량 제어방식과 구동압력을 항상 일정하게 유지하는 정압 제어 방식이 있다.
(1) 정유량 제어방식 : 정유량 제어방식은 여과유량을 항상 일정하게 유지하는 운전 제어 방식이다.
ㅇ 운전 경과 시간에 따라 여과 저항이 상승되기 때문에 막차압(여과 저항)이 서서히 상승하면, 정량펌프나 유량계 등을 이용하여 여과 수량을 일정하게 유지하면서 여과 한다.
(2) 정압 제어 방식 : 정압 제어방식은 공급수 압력을 일정하게 유지하여 여과하는 운전 제어 방식이다.
막여과 관련 용어정리
(1) 막모듈 : 일정 개수의 막을 일정형태의 용기(容器) 안에 설치하여 일체화 또는 용기(容器) 안에 설치를 하지 않고 일정 개수의 막을 묶음형태로 일체화하여 여과 기능을 할 수 있도록 만든 것을 말한다.
(2) 계열 : 제2호의 수도용 막모듈과 여과수를 생산하는 펌프로 이루어져 독립된 여과기능을 나타내는 것을 말한다.
(3) 수도용 막여과공정 : 원수공급, 펌프, 막모듈, 세척, 배관 및 제어 설비 등으로 구성된 일련의 정수처리 과정으로, 수도에 사용되는 정밀여과공정, 한외여과공정, 나노여과공정, 역삼투공정 및 해수담수화 역삼투공정을 말한다.
(4) 공칭공경(公稱孔經, Nominal pore size) : 정밀여과(MF)막의 공경을 직접 측정하는 것이 곤란하여 버블포인트법, 수은압입법, 지표균 등을 이용한 간접법으로 분리성능을 마이크로미터(㎛) 단위로 나타낸 것을 말한다.
(5) 분획분자량(分劃分子量, Molecular weight cutoff) : 한외여과(UF)막의 공경을 직접 측정하는 것이 곤란하여 간접적으로 측정하고 분리성능을 분자량의 단위인 달톤(Dalton)으로 나타내는 지표로서 분자량을 알고 있는 물질의 배제율(排除率)이 90퍼센트(%)가 되는 분자량을 말한다.
(6) 플럭스 (flux, 막 濾過 流束) : 단위시간당, 막의 단위면적당 여과되는 수량 (LMH, ㎥/㎡.hr), 막종류, 재질, 공경, 수온, 수질, 전처리정도에 따라 다름.
(7) 막간 차압 (Transmembrane Pressure, TMP) : 막의 1차와 2차측의 압력차 (예, 가압펌프 토출압 4kg/㎠, 처리수 측 압력 0.5kg/㎠이면 TMP는 약 2.3 kg/㎠)
(8) 파울링 (fouling) : 원수의 용질이 막에 의해 저지됨에 따라 막힘이나 부착층의 형성이 초래되는 현상으로서 막의 여과기능을 저하시킴.
(9) 순수투과유속 (pure water flux) : 막의 물 투과성능을 나타내는 지표, 단위막차압의 표준온도조건 하에서 단위시간당 단위막면적에서 투과 하는 순수한 량을 말한다. 이 때 막의 투과유속을 감소시키는 콜로이드나 미립자를 포함하지 않는 물을 사용해야 하기 위해 역삼투막의 투과수나 측정대상의 막의 공경보다 작은 공경의 막으로 여과시킨 물을 사용한다.
(10) 회수율 (recovery) : 막여과공정의 막공급 원수량에 대하여 여과수량 중에서 막모듈의 세척에 사용되는 여과수량을 제외하여 백분율(%)로 나타낸 값을 말한다.
o 회수율(%) = (Qp/Qf)×100 또는 (Qf-Qb)/Qf×100
(Qp : 막여과수량, Qf : 막공급수량, Qb : 막여과설비로부터의 배수량)
(11) On-line 세정 : 여과라인을 전환하여 막모듈내에 세정액을 순환시켜 세정액을 침투시키는 방법 Off-line 세정
o 막여과설비로부터 막모듈을 별도로 분리시켜 세정하는 방법.
(12) CIP(Clean in Place) : 멤브레인을 세정하는 것으로 통상적으로 약품에 의한 세정을 말한다.
(13) 배출수 : 물, 공기, 약품 등을 이용하여 막의 표면에 부착된 오염물질을 제거할 때 발생되는 세척수 혹은 세척수가 포함된 농축수가 막모듈 밖으로 배출된 것을 말한다.
(14) 농축수 : 막공급 원수가 막을 투과하지 않고 농축된 것을 말한다.
(15) 공정수 : 정수시설을 구성하는 공정에서 소독공정을 제외한 각 단위공정의 처리수를 말한다.
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