Desalinating RO retentate employing NF coupled with CDI: A path towards cleaner production

-K. Maheshwari et al.-

 

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0959652623005632

Desalinating RO retentate employing NF coupled with CDI: A path towards cleaner production

 

 

 

Abstraction

 

본 연구에서는 NF 모듈과 함께 용량성 탈이온화 유닛(CDI)을 결합한 통합 시스템을 통해 역삼투압 잔류물을 처리하는 전략을 제안한다.

 

Introduction

 

역삼투압 방식은 더러운 해수에 대해 오염물질이 생길 수 있다는 것이 단점이다. 온전히 거르지 못할 수 있다는 것. 즉, 공정과정에서 폐기물로 다량의 농축액이 나오기 떄문에 이를 해결하기 위해 엄격한 모니터링이 필요하다. 따라서 기존 연구에서 chemical softening, electrodialysis(전기투석), hybrid membrane technologies(하이브리드 막기술과 같은 방법을 제안함. 대부분은 경제적으로 비효율적이었다.

염수는 해수보다 상대적으로 낮은 염도를 가지고 있으며, NF 나노필터는 칼슘, 마그네슘, 황산염, 경도, 염화물, 질산염 등과 같은 이온에 대한 저염도 처리에 있어 유망한 기술이다. NF는 염수에 있어서는 매력적인 최적화 연구방법이다. 성능으로도  NF 90의 경우 SO42-, F-, Cl- 및 NO3-가 각각 99%, 98%, 96% 및 84%로 매우 큰 이온 거부 반응에 도달한 것으로 나타났다(Sun et al., 2019).

NF를 후처리에서 사용하는 연구는 없었다. 이온이 유지되기 때문에 염분 제거에 효과적이지 않았고 추가로 용량성 탈이온화(CDI) 기술이 특별한 주목을 받고 있다. 이 공정은 에너지 효율적이고 취급이 용이하고 유지보수가 쉬우며 관련 2차오염이 없다는 장점이 있다.

전극제작을 위한 재료를 선택해야 한다. 현재 연구는 비용이 적은 전극 재료를 개발하는데 초점이 맞추어져 있다.

요약하면 NF와 CDI를 함께 사용함으로써 NF의 장점인 2가 이온을 제거하고 CDI의 장점인 1가 이온을 제거할 수 있다.

 

Materials and Methods

실험과정에 대한 내용은 연구 방향성과 맞지 않아서 생략

 

Result and Interpretaion

 

-1 Nanofilteration experiments

결과해석으로 압력을 증가시킬 때 좌측 담수화의 %와 침투 유속(반투막에서의 유속 같음)의 값이 증가하는 경향을 보임. 9~12의 압력 구간에서는 성능이 저하되는 파울링(fouling) 특성을 보이기도 함. 본 연구는 실험을 통해 6의 값의 압력에서 최적임을 제안한다. .

 

한편, 압력을 최적값인 6으로 고정한 상태로 초기 농도에 변화를 주었더니 초기 염분 농도가 증가할 수록 점진적으로 감소하는 결과를 얻었다.  

샘플에 대해서 상업용 유닛에서는 높은 TDS(total dissolved solid)가 관찰되고 가정용에서는 적은 TDS가 관찰되었다. *TDS : 총용해고체

NF의 경우 농도가 500~1200 정도에서 양호한 permeate flux가 나타나지만 대량 농축 원료(2500 이상의 TDS)에서는 permeate flux가 감소했다. 따라서 앞서 언급했듯 NF만으로는 한계가 있는 이유로서 CDI가 필요한 이유라고 한다.

.

-2 Capacitive deionization experiments (용량적 탈이온화 실험)

 

Fe-Cu 쌍금속 전극을 포함하는 탈이온화 유닛으로 이동되었고 NF에서 나와서 전극으로 들어갔다가 나온 TDS는 다음과 같은 그림을 따른다.

 

실험에 사용한 5개의 샘플 중 Beelwa 샘플에서는 여과 후 우수한 흡수 능력을 보여주었다. 또한 단일 배치 탈이온화 연구보다 거의 두 배 가까운 향상치를 보였다.

 

Global scheme of combined NF-CDI

 

경제적으로 우선 NF필터를 사용하면 유사한 담수화 성능의 역삼투압 방식 대비 26%의 에너지 절감 공정이 나타났고 CDI에 소비되는 특정에너지는 0.48 kWh/m^3이었다. NF는 아까 최적값 6에 대해서 3.02 kWh /m^3 의 소비량이 나타남. 기존의 RO 시스템에서 1~40 kWh였던 것에 비교하면 비용 효율적이다.

 

Outcome의 recovery 수치와 energy consumption을 비교하면 NF-CDI의 경제성을 확인할 수 있다.

 

NF-CDI 기술 도식화 그림

 

 

Conclusion

 

본 연구는 NF와 CDI를 결합하는 방법이 탈염에 있어 효과적인 방법임을 보인다. 에너지 효율 측면에서 이점이 있다. CDI 시스템 이전의 전처리로서 NF가 역삼투 1차 잔류물을 처리하기 위한 훌륭한 접근법이라고 한다.

 

View

기술에 대해서는 실험 및 과학 내용에 대한 이해가 부족해서 자세한 이해를 하기에는 한계가 있었지만, 해수담수화라는 큰 트렌드의 현재 주목받는 기술에 대한 이해와 기술에서 사용되는 용어에 대한 이해를 하는 관점으로 논문에 접근했다.

 

Vocab

Permeate , membrane, concentrate(=reject, effluent), fouling, Brackish water,