이온성 액체를 이용한 기체분리막 및 수처리용 디스크 필터의 투과특성 Filtration characteristics of Gas separation membrane using ionic liquids and Disk filter for water treatment원문보기
인구의 증가와 함께 발생되는 대기오염과 수질오염을 처리하는 과정에서 기존의 물리화학적 처리만으로는 한계가 있기 때문에 이를 보완하기 위한 고도기술로 분리막 공정이 대두되고 있다. 따라서 본 연구에서는 여러 분리막 공정 중에서 이온성 액체를 이용한 기체분리와 함께 수처리용 디스크 필터의 여과특성을 평가하였다. 정밀여과용 PVDF막을 활용하여 분리막 세공에 이온성액체를 고정시켜 ...
인구의 증가와 함께 발생되는 대기오염과 수질오염을 처리하는 과정에서 기존의 물리화학적 처리만으로는 한계가 있기 때문에 이를 보완하기 위한 고도기술로 분리막 공정이 대두되고 있다. 따라서 본 연구에서는 여러 분리막 공정 중에서 이온성 액체를 이용한 기체분리와 함께 수처리용 디스크 필터의 여과특성을 평가하였다. 정밀여과용 PVDF막을 활용하여 분리막 세공에 이온성액체를 고정시켜 재현성이 높은 기체분리막을 제조하여 유효면적이 약 3.9 cm2인 이온성액체 기체분리막을 2 bar, 25 ℃에서 순수한 3종류의 N2, H2, CO2 기체 및 2성분 N2/H2, N2/CO2, 3성분 N2/H2/CO2 와 함께 5성분 N2/H2/CO/CH4/CO2 혼합기체를 각각 투과시켜 각 기체의 투과도, 선택도와 함께 혼합기체에서 gas separation factor를 비교하였다. 순수한 N2, H2, CO2 각 기체의 투과도는 N2〈 H2〈 CO2 순이었으며 CO2 의 투과도가 가장 높았다. 투과도에 입각한 CO2/N2, H2/N2의 선택도는 각각 14.2와 2.69로 계산되었다. N2/H2의 2 성분 혼합기체의 투과 실험에서 GPU는 0.877이었으며 이때의 gas separation factor는 N2 3.645와 H2 0.115였다. 또한 N2/CO2 투과 GPU는 0.705이었으며 gas separation factor는 N2 4.243와 CO2 0.32였다. 상대적으로 N2가 많이 투과된 것으로 나타났다. 3성분 N2/H2/CO2의 GPU는 0.463이었으며 gas separation factor는 N2 4.85와 H2 0.1193와 CO2 0.53으로 3성분 혼합 분리에서 H2의 분리가 가장 큰 것으로 나타났다. 5성분 혼합 Feed gas N2/H2/CO/CH4/CO2에서 GPU는 0.143이었으며 gas separation factor는 N2 2.319와 H2 0.326와 CO2 0.315으로 3성분 혼합 분리에서 H2와 CO2의 분리가 비슷하게 된 것으로 나타났다. 혼합된 기체의 상호작용에 따라 혼합기체에서 투과되는 기체의 성분이 약간씩 차이를 보였다. 이온성액체는 가장 운전압력이 낮은 0.8 bar에서 1.6 bar까지 약간 감소하였다가 2 bar에서 1.019 GPU까지 증가하였다. 그 후 2.4 bar 까지 압력을 증가시키면 투과량이 급격히 증가하였다. 따라서 제조된 막에서 이온성액체는 최대 약 2 bar까지 고정되는 것으로 판단되었다. 이온성액체 손실률은 1.90 % 였으며 전반적으로 이온성액체가 분리막 세공 내에 잘 고정 되어있는 것으로 판단되었다. 수처리용 디스크 필터의 여과특성 평가에서는 ㈜엘라이저에서 개발한 새로운 박막 형태의 disk filiter의 표면분석을 통해 친수화 방법과 모듈 내 filter의 적층 매수 등을 통하여 최적의 공정 조건을 모색하였으며 25 ℃, -30~85 kPa의 압력변화로 순수 실험을 실시 25 ℃, 운전압력 –85 kPa에서 kaoilin, yeast, bentonite 세가지 현탁용액에 대한 투과유량과 실험 전후의 현탁물질 제거율을 측정함으로써 투과특성을 평가하였다. 순수투과 실험에서 온도 25℃, 흡입압력을 –30에서 –85 kPa까지 각 0.4, 4, 5 ㎛ filter의 압력별 투과유량의 증가량을 비교하였을 때 흡입압력이 증가함에 따라 투과유량도 일정하게 증가하는 것으로 보아 막오염이 거의 없는 상태로 운전이 유지되었다. 현탁용액 투과실험은 kaolin, bentonite, yeast 3가지로 진행하였을 때 Kaolin 의 막오염 투과실험에서 실험 전후 3종류 filter 모두에서 유량감소가 10 % 미만으로 미미하였다. 역세척을 하였음에도 불구하고 마찬가지로 유량감소가 10% 미만으로 나타났다. yeast 투과실험에서는 실험 전 후 kaolin에 비하여 투과유량이 큰 폭으로 감소한 것을 확인할 수 있었다. 또한 역세척을 실시하였을 때 투과유량 감소가 40~60 %로 큰 폭으로 나타났다. 3종류 filter 모두 초기 유량은 달랐으나 후반부에서는 40 LMH 정도로 비슷한 수치를 보였다. bentonite 투과실험 실험 초기 비해 약 5분 후 급격한 감소하다가 실험 종료 시 까지 10 %이내의 작은 감소세로 비교적 일정한 투과유량이 관찰되었다. 이는 투과 초기에 kaoiln, yeast보다 상당한 막 오염이 발생한 것으로 보인다. 역세척을 실시하였을 때 80% 투과유량의 감소율을 나타내었다. 실험 시작과 종료 시의 투과유량 감소가 40~60 %로 큰 폭으로 나타났다. 40분까지 작동시켰을 때 나오는 유량이 거의 없어 bentonite가 완전히 기공을 막는 것으로 사료된다. 카올린 자체의 물성이 모래처럼 잘 뭉치지 않고 팽윤화가 적으며 점성도 낮은 편 이어서 filter 표면에서 쌓인 퇴적층이 흐름을 방해하지 않았으나 yeast, bentonite는 역세척시 완벽히 오염물질이 제거되지 않은 상태에서 재투과 하여 막표면에 누적된 것으로 판단된다. kaoilin, yeast, bentonite 현탁용액 모두 98%이상의 제거율을 나타냈다.
인구의 증가와 함께 발생되는 대기오염과 수질오염을 처리하는 과정에서 기존의 물리화학적 처리만으로는 한계가 있기 때문에 이를 보완하기 위한 고도기술로 분리막 공정이 대두되고 있다. 따라서 본 연구에서는 여러 분리막 공정 중에서 이온성 액체를 이용한 기체분리와 함께 수처리용 디스크 필터의 여과특성을 평가하였다. 정밀여과용 PVDF막을 활용하여 분리막 세공에 이온성액체를 고정시켜 재현성이 높은 기체분리막을 제조하여 유효면적이 약 3.9 cm2인 이온성액체 기체분리막을 2 bar, 25 ℃에서 순수한 3종류의 N2, H2, CO2 기체 및 2성분 N2/H2, N2/CO2, 3성분 N2/H2/CO2 와 함께 5성분 N2/H2/CO/CH4/CO2 혼합기체를 각각 투과시켜 각 기체의 투과도, 선택도와 함께 혼합기체에서 gas separation factor를 비교하였다. 순수한 N2, H2, CO2 각 기체의 투과도는 N2〈 H2〈 CO2 순이었으며 CO2 의 투과도가 가장 높았다. 투과도에 입각한 CO2/N2, H2/N2의 선택도는 각각 14.2와 2.69로 계산되었다. N2/H2의 2 성분 혼합기체의 투과 실험에서 GPU는 0.877이었으며 이때의 gas separation factor는 N2 3.645와 H2 0.115였다. 또한 N2/CO2 투과 GPU는 0.705이었으며 gas separation factor는 N2 4.243와 CO2 0.32였다. 상대적으로 N2가 많이 투과된 것으로 나타났다. 3성분 N2/H2/CO2의 GPU는 0.463이었으며 gas separation factor는 N2 4.85와 H2 0.1193와 CO2 0.53으로 3성분 혼합 분리에서 H2의 분리가 가장 큰 것으로 나타났다. 5성분 혼합 Feed gas N2/H2/CO/CH4/CO2에서 GPU는 0.143이었으며 gas separation factor는 N2 2.319와 H2 0.326와 CO2 0.315으로 3성분 혼합 분리에서 H2와 CO2의 분리가 비슷하게 된 것으로 나타났다. 혼합된 기체의 상호작용에 따라 혼합기체에서 투과되는 기체의 성분이 약간씩 차이를 보였다. 이온성액체는 가장 운전압력이 낮은 0.8 bar에서 1.6 bar까지 약간 감소하였다가 2 bar에서 1.019 GPU까지 증가하였다. 그 후 2.4 bar 까지 압력을 증가시키면 투과량이 급격히 증가하였다. 따라서 제조된 막에서 이온성액체는 최대 약 2 bar까지 고정되는 것으로 판단되었다. 이온성액체 손실률은 1.90 % 였으며 전반적으로 이온성액체가 분리막 세공 내에 잘 고정 되어있는 것으로 판단되었다. 수처리용 디스크 필터의 여과특성 평가에서는 ㈜엘라이저에서 개발한 새로운 박막 형태의 disk filiter의 표면분석을 통해 친수화 방법과 모듈 내 filter의 적층 매수 등을 통하여 최적의 공정 조건을 모색하였으며 25 ℃, -30~85 kPa의 압력변화로 순수 실험을 실시 25 ℃, 운전압력 –85 kPa에서 kaoilin, yeast, bentonite 세가지 현탁용액에 대한 투과유량과 실험 전후의 현탁물질 제거율을 측정함으로써 투과특성을 평가하였다. 순수투과 실험에서 온도 25℃, 흡입압력을 –30에서 –85 kPa까지 각 0.4, 4, 5 ㎛ filter의 압력별 투과유량의 증가량을 비교하였을 때 흡입압력이 증가함에 따라 투과유량도 일정하게 증가하는 것으로 보아 막오염이 거의 없는 상태로 운전이 유지되었다. 현탁용액 투과실험은 kaolin, bentonite, yeast 3가지로 진행하였을 때 Kaolin 의 막오염 투과실험에서 실험 전후 3종류 filter 모두에서 유량감소가 10 % 미만으로 미미하였다. 역세척을 하였음에도 불구하고 마찬가지로 유량감소가 10% 미만으로 나타났다. yeast 투과실험에서는 실험 전 후 kaolin에 비하여 투과유량이 큰 폭으로 감소한 것을 확인할 수 있었다. 또한 역세척을 실시하였을 때 투과유량 감소가 40~60 %로 큰 폭으로 나타났다. 3종류 filter 모두 초기 유량은 달랐으나 후반부에서는 40 LMH 정도로 비슷한 수치를 보였다. bentonite 투과실험 실험 초기 비해 약 5분 후 급격한 감소하다가 실험 종료 시 까지 10 %이내의 작은 감소세로 비교적 일정한 투과유량이 관찰되었다. 이는 투과 초기에 kaoiln, yeast보다 상당한 막 오염이 발생한 것으로 보인다. 역세척을 실시하였을 때 80% 투과유량의 감소율을 나타내었다. 실험 시작과 종료 시의 투과유량 감소가 40~60 %로 큰 폭으로 나타났다. 40분까지 작동시켰을 때 나오는 유량이 거의 없어 bentonite가 완전히 기공을 막는 것으로 사료된다. 카올린 자체의 물성이 모래처럼 잘 뭉치지 않고 팽윤화가 적으며 점성도 낮은 편 이어서 filter 표면에서 쌓인 퇴적층이 흐름을 방해하지 않았으나 yeast, bentonite는 역세척시 완벽히 오염물질이 제거되지 않은 상태에서 재투과 하여 막표면에 누적된 것으로 판단된다. kaoilin, yeast, bentonite 현탁용액 모두 98%이상의 제거율을 나타냈다.
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