Membrane Filtration Plant

Membrane Filtration

Abstract

Membrane filtration is a process of separating particles or molecules from a liquid or gas by passing it through a membrane. The membrane acts as a physical barrier, allowing the solvent and some dissolved species to pass through while retaining larger particles or molecules.
The membrane can be made of various materials such as polymers, ceramics, or metals and can have different pore sizes and shapes depending on the specific application. The filtration process can be achieved through different techniques such as pressure-driven filtration, vacuum-driven filtration, or centrifugal force-driven filtration.
Membrane filtration is commonly used in various industries such as water treatment, pharmaceuticals, food and beverage, and biotechnology for applications such as separating impurities, clarifying solutions, concentrating or desalinating solutions, and sterilizing liquids.
There are several types of membrane filtration techniques based on the characteristics of the membrane and the mechanism of separation. The main types of membrane filtration are:
- Microfiltration (MF): This technique uses membranes with pore sizes of 0.1 to 10 microns to remove suspended particles, bacteria, and other large impurities from the liquid.
- Ultrafiltration (UF): UF employs membranes with pore sizes ranging from 0.001 to 0.1 microns to remove proteins, colloids, and macromolecules from the liquid.
- Nanofiltration (NF): NF uses membranes with pore sizes of 0.001 to 0.01 microns to remove divalent ions, organic molecules, and smaller particles from the liquid.
- Reverse Osmosis (RO): RO employs membranes with pore sizes of less than 0.001 microns to remove dissolved salts and other ions from the liquid.

막여과란?

막여과(Membrane Filtration)란 막(Membrane)을 여재로 하여 물을 통과시켜 수중에 존재하는 오염물질이나 불순물을 여과하는 기술
막여과 기술은 고액분리, 이온분리, 가스분리 등을 행하는 분리기술로써 정수처리, 하폐수처리, 해수담수화, 식품 및 의료분야 등 다양한 분야에서 사용되고 있다.

(NF막 여과시설)

(역삼투 담수화시설)

막 여과법 종류 및 특징

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.
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)


항 목	여과법	분리경	제거대상물질
정밀여과막 (MF)	정밀여과법	공칭공경 0.01 μm이상	부유물질, 콜로이드, 세균, 조류, 바이러스, 크립토스포리디움 포낭(包囊), 지아디아 포낭 등
한외여과막 (UF)	한외여과법	분획 분자량 100,000Dalton이하	부유물질, 콜로이드, 세균, 조류, 바이러스, 크립토스포리디움 포낭, 지아디아 포낭, 부식산 등
나노여과막 (NF)	나노여과법	염화나트륨 제거율 5~93%미만	유기물, 농약, 맛․냄새물질, 합성세제, 칼슘이온, 마그네슘이온, 황산이온, 질산성질소 등
역삼투막 (RO)	역삼투법	염화나트륨 제거율 93% 이상	금속이온, 염소이온 등
해수담수화 (RO)	역삼투법	염화나트륨 제거율 99% 이상	해수중의 염분

※ MF/UF : 지아디아, 크립토스포리디움 등 입자성 물질 위주로 여과

※ NF/R:소독부산물, 내분비계 교란물질, 이취미물질 등 용존성 물질 위주로 여과

막여과법의 장단점


장 점	단 점
- 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

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.
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.

Flux(㎥/㎡.hr)= 통과수량(㎥/h)/막의 면적(㎡)
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.

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.

막여과 공정 설계시 운전 압력(막차압)을 높게 하면 시설의 크기는 작아지고 투과 Flux는 커지는 특징이 있다.

(4) 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.

회수율(%)=(투과수량/공급수량)×100 또는 (공급수량-농축수량)/공급수량× 100
해수담수화의 경우 35 ~ 40%, 일반적인 막여과 정수인 경우 90% 이상으로 설계 한다.

가압식과 침지식 막여과

(1)가압식 막여과 시스템

분리막(멤브레인)을 압력베셀에 장착하고 원수를 막에 압송시켜서 여과하는 형식

①특 성

대형화가 용이하며 공정자동화가 용이하다
전처리가 필요하며, 세척이 용이하다

(2) 침지 식 막여과 시스템

분리막(멤브레인)을 원수중에 침적시키고 막에 흡입력을 가하여 여과수만을 흡입 여과하는 형식

①특 성

막수명이 길고 시스템 구성이 간단하여·공정자동화가 용이하다
전처리 공정이 불필요 하고 세정 주기가 비교 적 길다.
일반적으로 고농도 및 고점도 용액처리가 가능하여 하․폐수처리에 적용한다.

(가압식 막여과 (Aquasource UF),침지식 막여과 (Memcor, MF)

여과방식 및 제어방식

1) 여과방식 및 특징

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

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.

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

공정설계 바로가기

막여과 관련 용어정리

(1) 막모듈 : 일정 개수의 막을 일정형태의 용기(容器) 안에 설치하여 일체 화 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.
- 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
- 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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