RO Membrane 성능 저하 원인 및 관리 방안

RO 시스템의 성능을 최적의 상태로 유지하기 위해서, RO membrane의 성능을 저하시키는 주요 요인인 파울링(Fouling), 스케일(Scale), RO Membrane 손상 등이 발생하는 원인과 효과적인 Membrane 관리 방안에 대해 알아보고자 한다.

 

 

 

RO Membrane 성능 저하 원인 및 관리 방안

RO Membrane 구조

RO Membrane 구조는 다음 그림과 같다.

<그림 1> RO Membrane 구조(그림 출처: Steam People Vol. 117)

 

 

RO Membrane 성능 

RO Membrane의 성능을 확인할 수 있는 지표는 회수율 % (Recovery rate), 용존이온 제거율 % (Salt Rejection rate), 압력 차 (Differential Pressure, ∆P) 등이 있고, 이를 지속적으로 모니터링하고 기록 관리함으로써 RO Membrane의 파울링, 스케일링 그리고 손상 정도를 파악할 수 있다.

1. 회수율 % (Recovery rate)

 

회수율은 급수에서 생산수(순수)로 전환하는 유량의 비율을 말한다.

회수율이 높을수록 더 많은 양의 물이 생산수로 생산되며 이에 반해 농축수 TDS (Total Dissolved Solids, 물 중에 녹아 있는 이온의 총 합) 농도는 증가한다. 농축수 TDS 농도가 증가할수록 농축수는 이온 과포화 상태가 되어 결국 RO Membrane 표면에서 석출(스케일)된다.

 

 

2. 용존이온 제거율 % (Salt Rejection rate)

 

용존이온 제거율은 RO Membrane에 의해 제거되는 TDS의 %로 대부분 RO Membrane은 92~99% 제거율을 나타낸다.

RO Membrane이 막혔거나 손상을 입었을 경우 이온 제거율은 감소하며 생산수 중 TDS는 증가한다. 이온 제거율이 감소하는 경향을 나타내는 것은 RO Membrane 사이의 O-ring 누수, 파울링, 스케일링, 막 손상, 급수 pH 변화, 높은 생산수율, 너무 낮은 급수 압력 그리고 급수의 수질 변화 등이 원인이 될 수 있다.

 

 

3. 압력 차 (Differential Pressure, ∆P)

 

압력 차는 급수 압력(Feed Pressure)에서 농축수 압력(Concentrate Pressure)을 뺀 값으로, 운전 시간이 경과함에 따라 파울링 또는 스케일링 등의 영향으로 변화한다.

∆P가 증가하는 만큼 생산수량에도 영향을 미치게 된다. 압력 차가 발생한다는 것은 RO Membrane 내에 흐름을 방해하는 요인이 발생한 것으로 이의 주 원인은 파울링과 스케일링이다. 부유물질에 의한 파울링은 RO Membrane 전단계에서 주로 발생하며 금속 산화물 (Fe ,Mn) 등도 전단계 RO Membrane에 영향을 준다. 용존이온들의 농축에 따른 과포화 현상은 주로 RO Membrane후단에서 일어나므로 스케일링은 RO 시스템 후단에서 주로 발생한다. RO 시스템 성능 확인을 위해서 ∆P 모니터링은 아주 유용하게 이용된다.

 

 

RO Membrane 성능 저하 원인

1. 파울링 (Fouling)

RO 시스템에 있어서 파울링을 유발하는 물질은 미사(Silt), 부유물질(Suspended Solid), 미생물, 실리카, 금속 부식 산화물 등이며, 이온 농도가 증가하여 과포화 상태에서 침전이 발생하는 스케일과 달리 각 성분의 농도에 관계없이 파울링을 유발한다.

파울링은 생산수량 (Permeate Flowrate)을 감소시키고, 압력 차 (∆P, 급수 압력 – 농축수 압력)를 증가시키지만 용존 이온 제거율 (salt rejection rate)에는 영향을 미치지 않는다.

파울링에 의한 membrane 성능 저하는 보통 세정 (CIP, Clean In Place)에 의해 회복할 수 있다. 그러나 만일 세정 후에도 생산수량이 회복되지 않는다면 이는 너무 오랜 기간 파울링으로 인하여 파울링 정도가 과도하여 세정으로는 회복 불능 상태를 의미하는 것으로 이 때는 RO membrane을 교체해야 한다. 그러므로, 지속적으로 생산수량과 압력 차를 모니터링하여 적시에 세정을 실시해야 한다.

 

 

2. 스케일 (Scale)

RO Membrane에서의 스케일은 용존 이온이 Membrane을 통과하는 과정에서 농축되어, 해당 이온의 용해도를 초과할 때 석출되는 현상이다. Membrane 표면 또는 Spacer (Membrane Sheet와 Sheet 사이 공간)에 부착하여 성장하게 된다.

스케일을 일으키는 주요 성분은 탄산칼슘, 황산칼슘, 황산바륨, 규산칼슘 & 마그네슘 등이다.

스케일이 형성되면 생산수량이 감소하며, 압력 차 (∆P, 급수 압력 – 농축수 압력)를 증가시킨다.

스케일도 파울링과 마찬가지로 용존 이온 제거율 (Salt Rejection Rate)에는 영향을 미치지 않으나 경계층에서 이온 농축과 결정화 등으로 생산수 수질을 떨어뜨린다.

스케일 형성은 pH 조절과 농축수의 이온 농도가 용해도 범위를 벗어나지 않게 잘 관리하여 방지할 수 있다.

스케일이 형성되었을 때 이의 제거 여부는 스케일 정도와 스케일 형태에 좌우된다.

 

 

3. RO Mmembrane 손상

RO Membrane을 손상시키는 대표적인 물질은 산화성 물질이다.

산화성 물질에 의한 Membrane 파괴는 한번 발생하면 비가역적으로 작용하기 때문에 재생이 불가능하다. 이러한 손상을 피할 수 있는 최선의 방법은 RO 유입수 중 잔류 산화성 물질을 제거하는 방법으로 일반적으로 아황산(CO3 2-)염을 사용한다.

RO 시스템 유입수의 높은 온도 또한 Membrane의 가수분해를 촉진시켜 손상시킨다. 최적의 RO 유입수 온도는 25℃로 이를 유지하기 위해 열교환기를 설치하게 되는데 잘못 설계된 열교환기 때문에 높은 온도의 유입수가 공급된다면 초기 가동 시 RO 시스템에 큰 타격 을 입힐 수 있다.

CaCO3 스케일도 RO membrane 가수분해 속도를 증가시킬 수 있다. CaCO3 용해도가 초과하게 되면 수중 평형을 유지하기 위하여 Membrane 표면에 석출되었다가 평형이 깨지면 다시 재용해 되는 과정을 계속해서 반복한다. 이러는 동안 Membrane 표면에 국부적인 pH 상승으로 빠르게 가수분해가 일어날 수 있다.

 

 

RO Membrane 관리 방안

이러한 장해를 최소화 하기 위해서는 RO Membrane 제조사의 운전 가이드를 준수해야 한다.

운전 압력, 회수율(% Recovery), 염 제거율 (Salt Rejection), pH, SDI, 급수 온도, 급수 탁도, 산화제 함량 등 제반 수치들이 제한 범위 내에서 이루어지도록 철저히 관리해야 한다.

급수 수질과 장치에서 변수가 발생하면 생산성 효율과 파울링 방지를 위하여 추가로 약품을 사용해야 할 경우도 있다. 파울링의 결과는 RO Membrane 교체 시기를 앞당기며 물 사용을 증가시키고, 에너지 원단위 상승, 유속 감소, 생산 수율 저하, 수질 악화 , 예정에 없던 시스템 운전 중단 등을 초래할 수 있다.

RO Membrane 파울링을 제거하기 위한 전처리 방법으로는 응집 침전 또는 pH 조절 등의 방법이 있다.

 

 

RO성능 계산 사례

RO성능은 생산수 회수율과 염제거율로 표현한다.

TDS 100 ppm인 보급수가 100㎥ /hr로 RO 시스템을 통과하여, 생산수가 TDS 1ppm, 시간당 75㎥ /hr 생산될 때, 생산수 회수율 75%, 염 제거율 99% 이다.

 

 

 

Reference : 한국스파이렉스사코(주), Steam People Vol. 117 (Sep. 2018), 116 (Jun. 2018)