다양한 산업에서 발생하는 하수 처리수 방류수, 냉각수 등을 재이용하기 위해서는 탈염공정이 필수이다. 탈염 공법에는 증발법, 이온교환법, 역삼투법(Reverse Osmosis, RO), 축전식 탈염법(Capacitive Deionization, CDI) 등이 있다. 이 가운데 CDI는 전극에 전위를 인가하여 형성된 전기적 이중층에 이온들을 흡착 및 탈착시켜 탈염하는 원리로 장기 운전 시 RO에 비해 에너지와 비용이 적게 사용되며 회수율이 높다는 장점이 있다. 하지만 CDI 공법도 파울링 및 스케일링이 발생하며, 전극에 이온이 흡착되어 공극 면적이 감소하게 되면 전기흡착용량 감소와 전기저항 증가로 인해 전체 에너지 효율 및 탈염 성능이 저하된다. 파울링 및 스케일링 제어 방법에는 전처리를 통해 유발 물질들을 미리 제어하거나 후처리로 약품을 사용하여 전극을 재생하는 방법이 있다. 그러나 약품을 통한 전극 재생은 2차 오염을 유발할 수 있고 잦은 약품 세척은 CDI 공정 운영의 효율을 떨어뜨리기 때문에 전처리를 통해 파울링 및 스케일링이 발생하지 않도록 하는 것이 더 효과적이다.
본 연구에서는 CDI 공정을 이용한 재이용수 생산을 위해서 CDI 공정이 주로 적용되는 염수 수준의 TDS 농도를 갖는 냉각수를 대상 원수로 선정하였다. 냉각수 수질 분석 결과 입자성 오염물질과 유기 오염물질에 의해 전극에 파울링이 발생할 것으로 예상하였다. 입자성 오염물질 제거를 위해 모래 여과, Activated filtration media (AFM) 여과 그리고 세라믹 정밀여과를 통해 전처리 테스트를 하였고, 유기 오염물질 제거를 위해 Granular activated carbon (GAC) 흡착여과 테스트를 진행하였다. 위의 전처리 방법들의 비교 평가를 통하여 최적 전처리 조합 공정을 설계 후, CDI 공정에 적용하여 운전한 다음 발생한 파울링을 비교하는 방식으로 연구를 진행하였다.
입자성 오염물질 제거 성능은 세라믹 정밀여과에서 처리수의 탁도가 0.23 NTU로 다른 전처리 공정과 비교해서 가장 높았다. 유기 오염물질은 모래여과, AFM여과 그리고 세라믹 정밀여과에서는 거의 제거가 되지 않은 반면 GAC 흡착여과에서는 TOC가 2.57 mg/L로 가장 좋은 성능을 보였다. 위의 전처리 비교 평가 결과를 바탕으로 GAC를 이용한 유기물 제어를 하기 전 입자성 오염물질 제어를 위한 추가 전처리 공정으로 AFM 여과와 세라믹 정밀여과를 비교하였다. 유속이 증가함에 따라 AFM 여과의 제거율은 5 mL/min 유속일 때 약 43%에서 15 mL/min 일 때 약 31%로 급격히 감소하는 반면, 세라믹 정밀여과는 유속이 증가해도 96% 이상의 높은 제거율을 유지했다.
세라믹 정밀여과를 앞 단에 배치한 후 GAC 흡착여과를 통해 냉각수를 전처리한 후 CDI 운전한 결과를 GAC 흡착여과 단일 전처리만 한 후 CDI 운전한 결과와 비교하여 파울링 발생 변화를 관찰하였다. 단일 GAC 흡착여과 전처리수를 이용한 CDI 운전시 염흡착용량이 1.2 mg/g에서 50시간 후 0.25 mg/g으로 크게 감소하였고 운전 시작 후 초반 4시간 동안 급격하게 효율이 저하되었다. 반면, 세라믹 정밀여과를 GAC 흡착여과 앞 단에 추가한 경우에는 초기 염흡착용량은 GAC와 비슷한 1.21 mg/g이었지만 50시간 후에는 0.41 mg/g으로 전극의 효율이 더 좋은 것을 확인하였다. CDI 운전 종료 후, CDI 운전 전과 후의 전극을 SEM-EDS로 분석한 결과 세라믹 정밀여과에서는 GAC에 비해 오염이 덜 발생한 상태의 전극을 확인하였고, 두껍고 빽빽한 적층으로 덮여있는 GAC에서와는 달리 칼슘과 알루미늄 성분에 의한 스케일링이 주된 오염 물질인 것을 확인하였다. 또한 두가지 전처리 경우 모두 양극에서 보다 음극에서 더 심한 오염이 발생한 것을 확인하였다.
본 연구를 통하여 세라믹 정밀여과 후 GAC 흡착여과를 통한 전처리가 CDI 전극의 파울링을 저감할 수 있다는 사실을 확인하였고, 양극과 보다 음극에서 오염물질에 의한 파울링과 무기염에 의한 스케일링이 더 발생한다는 것을 관찰하였다. 그러나 추후 파울링을 발생시키는 원인 물질의 정량적 분석을 통하여 양극과 음극에서 다른 양상으로 발생되는 파울링의 메커니즘을 규명하기위한 추가적인 연구가 필요할 것으로 생각된다.