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[미국] 역삼투압 시스템의 설계 방법
2019년 01월 02일 (수) 09:25:23 워터저널 webmaster@waterjournal.co.kr

[미국] 역삼투압 시스템의 설계 방법

역삼투(RO) 시스템은 발전소 소유자와 운영자에게 신뢰할 수 있고 검증된 수처리 솔루션을 제공한다. 그러나 RO 시스템을 설계하고 관리하는 데에는 발전소의 상수도와 기술 역량에 대한 철저한 이해가 필요하다. 

이 시리즈의 제 1 부에서는 플랜트 엔지니어가 필요에 따라 RO 시스템을 설계하기 시작할 때 물 샘플 및 파일럿 연구의 중요성을 검토해본다.

순수한 물은 자연에 존재하지 않는다. 자연상태의 모든 물에는 용존 및 부유물질의 양이 다양하다.

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삼투는 물과 같은 용매가 덜 농축된 용액에서보다 높은 농도의 반투막을 통해 흐르는 과정이다. 이러한 정상적인 삼투압 흐름은 정화수를 생성하기 위해보다 농축(오염)된 용액에 수압을 가함으로써 역전될 수 있다.

완벽한 반투막은 없다. 소량의 용해된 염도 또한 확산될 수 있지만, 이는 공급수 값에 비해 낮은 농도를 초래한다. 역삼투(RO) 기술의 이점은 특히 운영 및 유지 보수비용을 줄일 수 있는 가능성 때문에 발전용 수처리에서 잘 이해해야 한다. 대부분의 물 공급원에서 RO는 대용량의 용해된 염분의 대부분을 제거하는 가장 비용이 적게 드는 방법이다.

총용존고형분(TDS)이라는 용어는 대부분 용액에 존재하는 무기염을 의미한다. 소금은 양이온(주로 칼슘, 마그네슘, 나트륨 및 칼륨)과 음이온(주로 중탄산염, 염화물, 황산염 및 질산염)으로 존재한다. 이러한 양성 및 음전하 이온은 전기 흐름을 통과하여 TDS 농도의 측정치로서 물의 전도도를 결정한다. 순수한 물은 전기의 빈약한 지휘자이다.

원래 이온 교환만을 사용하여 제조된 식물의 경우 RO를 첨가하면 화학 재생 요구량을 20 배 이상 줄일 수 있다. 재생 가능한 시스템의 완전한 제거가 고려 될 수도 있다. RO의 상류에서 용해된 염분의 대부분을 제거하면 폴리에틸렌 이온 교환 시스템을 외부 물 공급업체가 화학적으로 재생하는 서비스 탈염장치 베드로 경제적으로 대체하거나 전기 탈이온(EDI)으로 대체 할 수 있다.  EDI 장치는 전기를 사용하여 이온교환수지를 지속적으로 재생한다.

일부 신규 및 기존 설비는 배출되기 전에 폐수 스트림에서 용해된 염을 제거해야 한다. 성능이 우수한 RO 시스템은 플랜트 내에서 물을 재사용 할 수 있다. RO 처리 후에 잔류하는 농축 염류는 환경적으로 보다 잘 처리 할 수 있는 영역으로 더 경제적으로 운반될 수 있거나 다른 방식으로 증발되거나 폐기될 수 있다.

제로-액체 배출(ZLD) 설비가 되는 정치적 및 규제적 이점은 자본 및 운영비용의 일부를 상쇄할 수 있다. 그러나 RO 운영의 탁월한 경제성은 시스템 및 상류 처리 구성 요소가 올바르게 설계, 운영 및 유지되는 경우에만 달성할 수 있다.

■ 물 샘플의 분석
실험실 분석을 위해 물 샘플을 가져오는 것이 RO 디자인을 준비하는 좋은 시작이다. 포괄적인 분석은 철, 망간 및 알루미늄과 같은 물 속에 있는 금속에 대한 데이터를 제공한다.  용해된 염(양이온 및 음이온);  물의 pH (산도);  및 아마도 무기 총부유고형물(TSS). 총유기탄소(TOC)의 측정은 종종 생물학적 활동 가능성과 관련이 있다.

TSS 분석은 물 속의 여과 가능한 고형물의 농도를 나타낸다. 철과 같은 물에 용해 된 금속의 농도는 공기와의 접촉에 의해 도입 된 산소와 반응 할 때 시료에서 변화한다. 이로 인해 일부 금속이 산화되어 불용성이 된다. 중단된 금속은 많은 우물에서 TSS 값을 현저하게 증가시킬 수 있다.

생물학적 파울링 고형물은 TSS 결과에서 잘 표현되지 않는다. 이러한 고체의 질량은 일반적으로 TSS 필터가 건조되기 전에 건조될 때 무시해도 된다. 금속이 샘플에서 처음 분리되면 물은 실트밀도지수(SDI)를 테스트 할 수 있다. 이 테스트는 생물학적 고형물이 0.45 마이크론 테스트 필터를 통과하여 유속을 코팅하고 줄이는 능력에 매우 민감하다. 그 결과는 멤브레인 시스템의 파울 링 경향과 상관 관계가 있다.

완벽한 분석은 없으며 수질은 시간이 지남에 따라 변할 수 있다. 비록 우물이 상대적으로 얕으면 우물물의 특성조차도 변할 수 있다. 샘플링 방법도 결과에 영향을 준다. 일부 농도는 견본 추출 및 분석간에 변경 될 수 있다. 금속은 용기의 내부 표면에 부착될 수 있다. 암모니아와 이산화탄소(CO2)는 탈기되거나 CO2가 공기에 노출되어 용해될 수 있다.  이러한 변화는 물의 pH를 변화시킨다. 정확한 물 pH는 현장에서 가장 잘 측정된다.

화학물질 공급업체는 용존 염이 남아있는 물에 너무 농축되어 막 요소 내에 스케일을 형성하기 전에 RO가 원수와 안전하게 분리할 수 있는 정제수(침투물)를 예측하기 위해 물 분석을 사용할 수 있다. 수질분석은 정제수 품질을 예측하고 시스템 유압에 대한 염의 영향을 평가할 때도 RO 시스템을 설계하는 데에도 사용된다.

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■ RO 시스템을 위한 파일럿 연구
하나의 수질 분석만으로 설계된 RO 시스템 및 그 전처리 장비는 오염원의 오염 특성에 대해 완전히 최적화되지 않을 수 있다. 크기가 커질 수도 있고, 더 큰 관심사 일 수 있다. 높은 막 오염 가능성을 가진 물에는 이상적이지 않을 수 있다. 이것은 시험 연구를 통해 가장 잘 결정될 수 있다.

잘 설계된 파일럿 연구에서는 축소되었지만 동일한 유형의 미디어를 제공하는 구성 요소를 사용하며 비슷한 유속 및 노출 시간을 사용한다. RO는 투과 물 회수율, 투과유량(즉, 멤브레인 영역 단위당 투과 유량)을 복제하고 스케일 방지제 투여량 및 셧다운 방법과 함께 스트림 출구 속도를 집중시켜야 한다.

전처리 방법이 RO와 함께 시행될 때, 시스템 작동은 투과 물 플럭스 속도 또는 물이 멤브레인 표면을 가로질러 멤브레인을 통과하는 속도와 같은 RO 멤브레인 파울링의 속도를 최소화하도록 조정될 수 있다. 적합한 장비 선택 및 크기 결정을 통해 멤브레인 파울링을 제거하는 것이 가능하여 운영비용을 대폭 절감하고 멤브레인 수명을 극대화 할 수 있다.

멤브레인의 선택도 평가할 수 있다. 더 큰 시스템의 경우, 저 오염 멤브레인 요소가 표준요소보다 우수한 성능을 보임으로써 높은 비용을 정당화 할 수 있다. 저에너지 요소는 펌프 사이징 및 관련 전력 소비를 줄일 수 있는 잠재력을 평가할 수 있다.

파일럿 연구는 RO 시스템을 파울수 있는 것에 대해 자세히 알아볼 수 있는 기회를 제공한다. 파일럿 연구의 멤브레인 요소를 당겨서 부검하고 고체 분석을 통해 파울 링 물질을 제거하는 데 가장 적합한 세척액을 선택할 수 있다. 솔루션 및 세정 방법의 효율성은 파일럿 유닛을 통해 확인할 수 있다. 파일럿 시스템이 작동되는 시간이 길수록 더 많은 정보가 얻어진다. 최소 몇 개월을 권장한다.

[원문보기]

Design And Care Of Reverse Osmosis Systems, Part 1: Design

By Wes Byrne, U.S. Water

Reverse osmosis (RO) systems offer power plant owners and operators a reliable and well-proven water treatment solution. However, designing and caring for an RO system requires a thorough understanding of a plant’s water supply and the technology’s capabilities. Part one of this series will review the importance of water samples and pilot studies as plant engineers begin to design an RO system to match their needs.

Pure water does not exist in nature; all water in its natural state contains varying amounts of dissolved and suspended matter.

Osmosis is the process in which a solvent, such as water, flows through a semipermeable membrane from a less-concentrated solution to one with a higher concentration. This normal osmotic flow can be reversed (reverse osmosis) by applying hydraulic pressure to the more concentrated (contaminated) solution to produce purified water.

There is no perfect semipermeable membrane. A small amount of dissolved salt is also able to diffuse through, but this results in low concentrations relative to the feedwater values. The benefits of reverse osmosis (RO) technology should be well understood in water treatment for power generation, particularly because of its potential to reduce operating and maintenance expenses. For most sources of water, RO is the least expensive way to remove the majority of a large concentration of dissolved salts.

The term total dissolved solids (TDS) refers to mostly inorganic salts present in solution. The salts exist as cations (mostly calcium, magnesium, sodium, and potassium) and anions (mostly bicarbonate, chloride, sulfate, and nitrate). These positively and negatively charged ions can pass electrical flow, thus determining the conductivity of the water as a measurement of its TDS concentration. Pure water is a poor conductor of electricity.

For plants originally built using only ion exchange, adding RO can reduce chemical regeneration requirements by a factor of 20 or more. Complete removal of regenerable systems might even be considered. With RO upstream removing the bulk of the dissolved salts, the polishing ion exchange systems might be economically replaced with service demineralizer beds that are chemically regenerated by an offsite water service company, or they might be replaced by electrodeionization (EDI). EDI units use electricity to continuously regenerate their ion exchange resins.

Some new and existing plants are now required to remove dissolved salts from wastewater streams prior to discharge. A well-performing RO system can make it possible to re-use the water within the plant. The concentrated salt stream remaining after RO treatment can then be more economically hauled to an area better able to handle it environmentally, or it could be evaporated or discarded in some other manner.

The political and regulatory advantages of becoming a zero-liquid discharge (ZLD) facility can offset part of the capital and operating costs. But the superior economics of RO operation are only achievable if the system and its upstream treatment components are correctly designed, operated, and maintained.

Analysis Of A Water Sample

Pulling a water sample for laboratory analysis is a good start in preparing an RO design (Table 1). A comprehensive analysis provides data on the metals in the water, such as iron, manganese, and aluminum; the dissolved salts (cations and anions); the water pH (acidity); and possibly the inorganic total suspended solids (TSS). A measurement of the total organic carbon (TOC) often correlates with the potential for biological activity.

A TSS analysis reveals the concentration of filterable solids in the water. The concentration of dissolved metals in the water, such as iron, changes in the sample as they react with oxygen introduced by contact with air. This causes some of the metals to oxidize and become insoluble. The metals that remain suspended may cause the TSS value to increase significantly with many well-water sources.

Biological fouling solids are not well-represented in TSS results. The mass of these solids typically becomes negligible when the TSS filter is dried prior to weighing for results. The water could be tested for its silt density index (SDI) if the metals are first separated out of the sample. This test is highly sensitive to the ability of biological solids to coat and reduce the flow rate through its 0.45-micron test filter. Its results correlate with the fouling tendencies of a membrane system.

No analysis is perfect, and water quality can change over time. Even the characteristics of a well-water source can change if the well is relatively shallow. Sampling methods also affect results; some concentrations can change between sample pull and analysis. Metals may attach to the container’s inner surface. Ammonia and carbon dioxide (CO2) may degas or CO2 may dissolve from exposure to air. Any of these changes will cause the water pH to change. An accurate water pH is best measured on-site.

Chemical suppliers can use a water analysis to predict how much purified water (permeate) the RO might safely separate from the source before the dissolved salts become too concentrated in the remaining water and form scale within the membrane elements (Table 2). The water analysis is also used in designing the RO system, both in projecting the purified water quality and in assessing any effect of the salts on system hydraulics.

Pilot Study For An RO System

An RO system and its pretreatment equipment designed solely on one water analysis may not be fully optimized for the fouling characteristics of the source. It might be oversized or, of greater concern, it might not be ideal for water that has a high membrane-fouling potential. This can best be determined with a pilot study.

A well-designed pilot study uses components that have been scaled down but still offer the same type of media, and use similar flow velocities and exposure times. The pilot RO (Figure 1) should duplicate the permeate recovery, the permeate flux rate (that is, the permeate flow per unit of membrane area), and concentrate stream vessel exit velocities, along with the scale inhibitor dosage and shutdown flush methods.

When the pretreatment methods are piloted along with the RO, the system operation can be adjusted to minimize the rate of RO membrane fouling, such as by modifying the permeate flux rate, or the rate at which water passes across the membrane surface and through the membrane elements. With the right equipment choices and sizing, it might be possible to eliminate membrane fouling, which could then dramatically reduce operating costs and maximize membrane life.

The choice of membrane might also be evaluated. With larger systems, demonstrating that a low-fouling membrane element performs better than a standard element helps justify the higher cost. Low-energy elements might be evaluated for their potential to reduce pump sizing and associated power consumption..The pilot study also offers an opportunity to learn more, specifically about what could foul the RO system. A membrane element from the pilot study might be pulled and autopsied, and analysis of the solids makes it possible to choose cleaning solutions best-suited for removing the fouling materials. The effectiveness of the solutions and cleaning methodology could then be verified with the pilot unit. The longer the pilot system is operated, the more information is gained; a minimum of several months is recommended.

The next section of this article will discuss the issues related to the water treatment equipment that treats the water before it gets to the RO system.

[출처 = 워터온라인(https://www.wateronline.com/doc/design-and-care-of-reverse-osmosis-systems-part-design-0001) / 2018년 12월 20일]

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