2.1 실험연구

Fig. 1은 본 연구에 사용된 실험 모사 장치의 개략도이다. 실험장치는 보일러, 칠러, 유입수 탱크, 투과부 탱크, 소수성 막, 막 모듈, 진공 펌프, 저울, 데이터 수집 장치로 구성된다. LiBr 수용액은 공기와 접촉 할 경우 강한 부식성을 갖기 때문에 유입수 탱크와 투과수 탱크는 부식에 비교적 강한 SUS316 재질로 제작하였다. 보일러와 칠러를 사용하여 실험 중 유입수의 온도 및 투과부 탱크의 내부 온도를 일정하게 유지하였다. 마이크로 기어펌프와 인버터를 활용하여 LiBr 수용액을 일정한 유속을 모듈의 유입채널로 공급하였다. LiBr 수용액용으로 체적 유량계를 교정하여 사용하였다. 모듈의 투과부 측에 진공 조건을 구현하기 위해 진공펌프를 활용하였다. 실험 중 투과 수증기가 투과부 탱크로 유입되기 때문에 이를 응축하고자 투과부 탱크에 냉각 코일을 삽입하여 투과 수증기를 응축시켰다. 냉각 코일에 일정한 냉각온도를 공급하여 투과 수증기의 잠열을 제거하였으며 포화 압력을 일정하게 하였다. 투과 수증기는 투과부 탱크에서 완전히 응축된다. 투과부 탱크에 포집된 투과수의 질량을 측정하기 위해 저울을 사용하였고, 데이터로거를 사용하여 투과수의 질량을 기록하였다. 유체의 온도를 측정하기 위해 Resistance Temperature Detector(RTD, range : -200~400℃, error : ±0.01℃)를 활용하였으며 챔버 및 막모듈의 진공도를 측정하기 위해 진공 센서(Model 730, Setra, reading accuracy 0.5%)를 사용하였다. 투과 수증기 응축수의 무게를 측정하기 위해 정밀저울(CUW 6200H, CAS, repeatability 0.01 g)을 사용하였다. 투과부 탱크에 포집된 응축수의 전기전도도를 HACH사의 HQd Portable Meter를 사용하여 측정하였다. 전기전도도를 측정하기 위해 HQd Portable Meter를 1000 μm/cm NaCl 수용액을 활용하여 보정하였다. 실험에 사용한 막은 Sterlitech사(미국)의 PTFE/PP(Polytetrafluoroethylene/Polypropylene) 재질의 소수성 복합막을 사용했다.

Fig. 2는 전계방사형 주사전자현미경(Field Emission Scanning Electron Microscope, FE-SEM)(Qaunta 200 FEG, FEI)을 사용하여 막 표면을 촬영한 사진이며 막은 복합막 구성으로 엑티브 레이어(PTFE)와 서포트 레이어(PP)로 구성되어 있다. 또한 막의 물리적 특성은 Table 1에 나타내었다.

Fig. 3은 실험에 사용된 막 모듈과 막을 통과하는 열 및 물질전달에 대한 개략도를 나타낸 그림이다. 가열되어 유입부 채널로 유입된 LiBr 수용액의 수증기 분압과 진공측의 분압차이가 구동력이 되며, 분압차이로 막 표면 에서 발생한 순수한 수증기가 막을 투과해 투과부 탱크 쪽으로 이동하게 된다.

사용된 막의 총 두께(δ)는 약 100 μm이며 기공률(r)은 액티브 레이어의 경우 70%, 서포트 레이어의 경우 34%이다. 기공크기는 액티브 레이어의 경우 약 0.5 μm, 서포트 레이어의 경우 약 0.1 μm이다. 유체가 흐르는 채널은 15 mm×68 mm×0.2 mm(너비×길이×높이)이다. 막 모듈은 내부식성 재료인 아크릴을 사용하여 제작하였고 바이톤 고무링을 사용하여 기밀을 유지하였다. 모듈의 상판과 하판 사이에 막이 위치하고 바이톤 오링으로 막을 고정하고 막간의 기밀을 유지할 수 있도록 하였다. 아크릴 케이스는 상판과 하판으로 분리되어 있으며 82 mm×130 mm×200 mm(너비×길이×두께)로 되어 있다. 상판 채널 쪽으로 LiBr 수용액이 통과하고 하판 채널 쪽은 진공을 유지하였다. 실험에서 요구하는 53 wt%의 LiBr 수용액을 만들기 위해 상용 55 wt%의 LiBr 수용액(한창산업(주))을 증류수로 희석하여 사용하였다. 다른 성분의 정확한 조성은 파악하기 어려웠기 때문에 LiBr만 첨가된 수용액이라고 가정하였다. LiBr 수용액을 희석하기 위해 첨가하는 증류수의 질량은 다음의 식으로 계산 되었다.

2.2 수치해석 연구

LiBr 희용액을 유입수로 사용하는 VMD 증류공정의 성능을 계산하기 위한 수학적 모델을 개발하였다. 막을 투과하는 수증기의 물질전달과 채널 유동에서 모멘텀, 질량, 브라인 농도, 에너지 평형식을 사용하여 공정 성능을 산출하였다.^(1-9)

3.1 운전시간에 따른 수증기 생산량 및 LiBr 수용액 농도

Fig. 4는 LiBr 수용액을 VMD공정을 이용하여 농축시켰을 때, 운전시간에 따른 수증기 생산량(g) 및 LiBr 수용액 농도(wt%)의 실험결과이다. 총 4시간 동안 실험을 진행하였으며 초기 희석 용액의 농도는 53 wt%였다. 실험의 운전 조건은 모듈 유입 LiBr 수용액의 온도, 유량, 진공 압력을 각각 64.5℃ 0.9 L/min, 4300 Pa로 하였다. 시간당 약 8 g정도 수증기 응축액이 생성되었으며 투과유량은 약 7.84 kg/m$^{2}$h임을 알 수 있었다. 해수 및 염수에서 수증기 응축액을 분리하였을 때의 투과유량보다는 현저히 낮은 수준이었으며, 이는 해수나 염수보다 LiBr 수용액의 수증기 분압이 해당 온도에서 낮게 형성되기 때문이다.

Table 2는 수치해석을 통해 산출한 수치해석 데이터와 실험에서 얻은 데이터를 비교한 표이다. 유속을 0.5 L/min 에서 0.9 L/min로 증가시켰을 때, 투과담수량은 약 1 kg/m$^{2}$h 증가함을 알 수 있었다. 이는 유속증가로 인해 막간의 온도분극 및 농도분극 현상이 완화되었기 때문이다. 온도분극(temperature polarization)은 막과 공급수 온도의 비(ratio)를 뜻하며 수증기가 막을 투과하는 물질전달현상과 막을 투과하는 수증기로 인한 잠열 및 현열이동에 따른 온도차로 인해 발생된다. 농도분극은 공정에서 수증기가 막을 통과함에 따라 막 측에서의 수용액의 농도가 공급수 중의 농도보다 높아지는 현상을 의미한다. 수치해석을 통해 산출한 투과유량데이터와 실험데이터를 비교했을 때 잘 일치함을 알 수 있었다.

3.2 반복 테스트

Fig. 5는 일 8시간 7일 동안 수증기투과유량과 포집된 투과수의 농도를 나타낸 그래프이다. 실험은 일 8시간 공정으로 7일 동안 진행되었으며 사용된 막은 교체하지 않고 사용하였다. 이는 소수성 막을 장기적으로 사용할 때 발생할 수 있는 막의 파울링의 발생 여부를 테스트하기 위한 연구였다. 모듈 유입 LiBr 수용액의 온도, 유량, 진공 압력을 각각 64.5℃, 0.9 L/min, 4300 Pa으로 하여 실험을 진행하였다. 일 8시간의 실험이 끝난 후 투과부 탱크에 포집된 수증기 응축수의 농도 및 무게를 측정하였으며 이를 다시 LiBr 수용액 탱크에 넣어 농도를 유지하였다.

실험결과 투과 수증기 유량은 7일 실험동안 평균값 7.82 kg/m$^{2}$h로 거의 변화가 없음을 알 수 있었다. 전기 전도도는 초기 6일 동안 6차례의 실험연구의 결과 포집된 수증기 응축액의 전기전도도는 약 305 μs/cm였으며 이는 증류수 수준이다. 하지만 7일째 실험에서 포집된 수증기 응축액의 전기전도도가 약 3.25 ms/cm 까지 증가함을 보였다. 막 증류공정은 유기물이 섞이지 않은 수용액에서의 염을 분리할 때 99.99%의 염 제거율을 나타내는 것으로 보고되고 있다. 반복 테스트 실험에서 발생한 LiBr의 일부 투과현상은 LiBr 수용액에 포함된 부식억제제가 소수성 막을 오염시킨 것으로 판단되며 7일차 실험이 끝난 후에 모듈을 분리하여 소수성 막의 표면을 살펴보았을 때 오염(Fig. 6의 좌측하단 부)이 발생한 것을 확인할 수 있었다. 본 실험의 결과로 고농도의 LiBr 수용액을 진공 막 증류공정을 통해 장기간 농축 시 막의 내구성 문제로 인해 염이 막을 투과할 수 있음을 알 수 있었다.

3.3 운전 조건에 따른 투과유량 예측

막 증류공정을 활용하여 LiBr 수용액의 농축공정을 진행하게 되면 LiBr 수용액의 수증기 분압이 담수나 해수보다 월등히 낮기 때문에 분압차가 해수의 경우 보다 낮게 형성된다 따라서 일정 수준의 온도보다 낮은 LiBr 수용액을 채널로 유입시키면 농축공정이 진행되지 않을 수 있으며 수증기의 역 투과 현상이 발생할 수 있다. 따라서 본 섹션에서는 시스템의 운전조건에 따른 투과 수증기량, 농축한계 및 역 투과현상의 가능성에 대해 수치해석 기법을 통해 논의하였다.

Fig. 7은 입구유입온도와 부피유량에 따른 투과 수증기량 예측 값을 나타낸다. 본 수치해석 연구에서의 사용된 진공압력은 5000 Pa로 고려하였다. 이는 1중 효용 흡수식 냉동기의 KS 기준 표준 냉각수 입구 온도인 31℃를 고려할 때, 재생기 내부의 포화 온도를 약 2℃ 정도 높은 33℃로 가정할 수 있기 때문이다. LiBr 수용액의 농도를 53 wt%로 고정하고, LiBr 수용액의 입구유입온도 및 입구유입부피유량을 각각 50℃에서 80℃까지 5℃씩 증가시키고, 입구 유입 부피유량을 0.5 L/min에서 0.9 L/min로 0.2 L/min씩 증가시켜가며 수치해석 연구를 수행하였다. Fig. 7에서 볼 수 있듯이, 투과 수증기량은 입구유입 온도가 60℃ 이하일 때, 투과 수증기량이 음수가 되는 것을 확인할 수 있었다. 이는 LiBr 수용액의 낮은 수증기 분압으로 인해 해당 운전 조건에서 막간의 분압차이 즉 구동력이 음수가 되기 때문이다. 입구유입온도가 62.6℃ 이상일 때, 투과 수증기량은 0 kg/m$^{2}$h에서 최대 30.89 kg/m$^{2}$h까지 증가함을 보였다. 이는 입구유입온도가 증가할수록 LiBr 수용액의 수증기분압이 증가하여 구동력이 향상되기 때문이다. 또한 유속이 0.5 kg/s에서 0.9 kg/s로 증가함에 따라 투과 수증기량이 증가하는 것을 알 수 있었다. 이는 유속이 증가함에 따라 온도분극현상으로 인한 구동력 감소가 완화되기 때문이다.

Fig. 8은 LiBr 수용액의 농도가 투과 수증기량에 미치는 영향을 부피 유량에 따라 나타낸 그래프이다. 운전 조건은 입구 온도를 80℃로 하였고 입구 부피유량을 0.5 L/min에서 0.9 L/min로 하였다. LiBr 수용액의 농도가 53 wt%에서 60 wt%로 증가함에 따라 투과 수증기량은 30.89 kg/m$^{2}$h에서 5.01 kg/m$^{2}$h로 감소하였다. 이는 LiBr 수용액의 농도가 증가함에 따라 수증기 분압이 낮아지기 때문이다. 입구 부피 유량이 감소함에 따라 투과 수증기량이 감소함을 보이는 데, 이는 입구 부피 유량이 감소함에 따라 막 길이방향에 대한 수용액의 온도구배가 커지기 때문이다. 막 표면에서의 수용액의 온도는 구동력인 수증기 분압을 결정하게 되는데 온도가 높을수록 높은 수증기 분압, 즉 구동력을 갖는다.

Fig. 9는 LiBr 수용액의 농도가 투과 수증기량에 미치는 영향을 입구유입온도에 따라 나타낸 그래프이다. 입구유입온도가 60℃ 이하에서는 모든 농도에서 역 투과현상을 나타내고 입구유입온도가 75℃일 때 LiBr 수용액의 농도가 59 wt% 이상이면 역 투과현상을 보여 농축공정으로 활용할 수 없음을 수치해석 연구를 통해 밝혔다. 본 연구를 통해 LiBr 수용액의 농도가 낮을수록 투과 수증기량이 증가할 수 있지만, LiBr 수용액의 농도가 높으면 운전조건에 따라 역 투과현상이 일어날 수 있음을 밝혔다.