본 연구에서는 도금산업폐수 내에 포함된 구리 및 니켈을 나노여과막공정을 통해 제거하기 위한 최적 조건을 도출하고자 한다. 구리 및 니켈을 포함한 도금폐수를 나노여과막공정으로 처리하는데 있어서 폐수의 pH가 중금속 제거율과 분리막플럭스에 어떠한 영향을 주는지 살펴보고자 하였다. Donnan 배제 효과 기작을 바탕으로, 다양한 pH 조건에서 중금속(구리, 니켈)의 제거율, 막의 표면전위, 투과율(Flux), 막 오염(...
본 연구에서는 도금산업폐수 내에 포함된 구리 및 니켈을 나노여과막공정을 통해 제거하기 위한 최적 조건을 도출하고자 한다. 구리 및 니켈을 포함한 도금폐수를 나노여과막공정으로 처리하는데 있어서 폐수의 pH가 중금속 제거율과 분리막플럭스에 어떠한 영향을 주는지 살펴보고자 하였다. Donnan 배제 효과 기작을 바탕으로, 다양한 pH 조건에서 중금속(구리, 니켈)의 제거율, 막의 표면전위, 투과율(Flux), 막 오염(Fouling)을 비교하여 나노분리막 시스템 가동을 위한 최적 조건을 도출하였다. 이를 바탕으로 실제 도금폐수 처리 현장에서의 적용가능성을 평가하였다. 나노여과막공정은 분리막의 표면전하를 통한 Donnan 배제 제거 기작이 존재하기 때문에 단순히 투과율(Flux)과 단기간 가동 후 제거율만으로 최적조건을 결정하기 어렵다. 투과율(Flux)과 제거율로 최적조건을 도출하는 기존의 연구와 달리, 중금속 스케일, 유기물질 파울링 등의 막 오염으로 인한 분리막의 표면전하 중성화로 야기되는 Donnan 배제 제거 효율 감소를 고려하여 최적조건을 도출하고자 하였다. 이에 본 연구에서는 폐수의 pH에 따른 분리막 표면에 농축된 구리, 니켈을 정량분석하여 막 오염을 비교하였다. 이를 위해 인공도금폐수의 pH를 3, 5, 6으로 실험 조건을 설정하여 나노분리막 시스템를 가동한 뒤, 유입수, 농축수, 처리수의 샘플을 채취하여 Inductively Coupled Plasma-Optical Emission Spectrometry(ICP-OES)를 통해 구리 및 니켈 농도를 분석하였다. 또한 고분자로 이루어진 분리막 자체를 분해할 수 있는 Microwave 시료분해기를 이용하여 분리막 표면에 농축된 구리 및 니켈을 정량 분석하여 비교하였다. 추가적인 분리막 분석으로 Field Emission Scanning Electron Microscope(FE-SEM), Energy Dispersive X-ray(EDX-weight %), Fourier Transform Infrared Spectroscopy(FT-IR) 분석을 하였다. 이상의 결과로부터 도출된 최적 pH에서 인공도금폐수의 구리 및 니켈의 농도를 달리하여 나노분리막 시스템를 가동하여, 여과 성능평가를 하였다. 다음으로 실제도금폐수를 유입수로하여 실제공정에 투입 가능성을 평가하였다. 기존 연구는 산성의 pH를 갖는 유입수에 대한 분리막 공정 연구가 미흡한 상황이다. 따라서 본 연구에서는 산성의 pH에서의 영향 및 분리막에 농축된 제거대상(구리, 니켈)을 정량분석을 하였다는 점에서 차별성이 있다. pH에 따른 제거율 확인 실험 결과, pH 3, 5에서는 가동시간동안 제거율이 98%까지 증가하였으나, pH 6에서는 초기에는 97%까지 증가하다가 3시간 이 후 부터는 90%까지 감소하였다. 투과율(Flux)의 경우, pH 3에서는 고분자 사슬 배치 변형으로 공극사이즈가 감소, 전기점성효과의 증가, 삼투압의 증가에 따라 Net driving pressure가 감소하는 이유(Childress & Elimelech, 2000)로 투과율(Flux)이 감소하였다. pH 6에서는 구리 및 니켈의 스케일 발생으로 투과율(Flux)이 급격하게 감소하였다. 막에 농축된 구리 및 니켈의 정량 분석 결과, 등전위점 이상의 pH 범위에서, 원수의 pH가 증가할수록 막에 농축된 구리 및 니켈의 양이 증가하였다. FTIR 분석 결과를 통해 pH 6에서는 나노분리막의 Donnan 배재 효과를 발휘하는 폴리아마이드작용기가 사라짐을 확인하였다. 최적 pH에서 구리 및 니켈 농도에 따른 여과 성능 실험 결과, 각 중금속 이온의 농도를 1, 10, 20, 100, 200 ppm 까지 변화시키는 경우에도, 투과율(Flux)의 차이는 크게 나타나지 않았다. 유사하게 제거율의 경우에도 구리 및 니켈의 농도에 관계없이 모두 97% 수준을 나타내었다. 실제도금폐수 대상 여과성능 실험에서는 초기 투과율(Flux) 51 LMH에서 약 2 시간 후 39 LMH 까지 감소하고, 이후 6 시간동안 35 LMH까지 감소한 뒤 일정하게 유지 되었다. 구리 및 니켈의 제거율은 98-99%임을 확인하였다.
본 연구에서는 도금산업폐수 내에 포함된 구리 및 니켈을 나노여과막공정을 통해 제거하기 위한 최적 조건을 도출하고자 한다. 구리 및 니켈을 포함한 도금폐수를 나노여과막공정으로 처리하는데 있어서 폐수의 pH가 중금속 제거율과 분리막 플럭스에 어떠한 영향을 주는지 살펴보고자 하였다. Donnan 배제 효과 기작을 바탕으로, 다양한 pH 조건에서 중금속(구리, 니켈)의 제거율, 막의 표면전위, 투과율(Flux), 막 오염(Fouling)을 비교하여 나노분리막 시스템 가동을 위한 최적 조건을 도출하였다. 이를 바탕으로 실제 도금폐수 처리 현장에서의 적용가능성을 평가하였다. 나노여과막공정은 분리막의 표면전하를 통한 Donnan 배제 제거 기작이 존재하기 때문에 단순히 투과율(Flux)과 단기간 가동 후 제거율만으로 최적조건을 결정하기 어렵다. 투과율(Flux)과 제거율로 최적조건을 도출하는 기존의 연구와 달리, 중금속 스케일, 유기물질 파울링 등의 막 오염으로 인한 분리막의 표면전하 중성화로 야기되는 Donnan 배제 제거 효율 감소를 고려하여 최적조건을 도출하고자 하였다. 이에 본 연구에서는 폐수의 pH에 따른 분리막 표면에 농축된 구리, 니켈을 정량분석하여 막 오염을 비교하였다. 이를 위해 인공도금폐수의 pH를 3, 5, 6으로 실험 조건을 설정하여 나노분리막 시스템를 가동한 뒤, 유입수, 농축수, 처리수의 샘플을 채취하여 Inductively Coupled Plasma-Optical Emission Spectrometry(ICP-OES)를 통해 구리 및 니켈 농도를 분석하였다. 또한 고분자로 이루어진 분리막 자체를 분해할 수 있는 Microwave 시료분해기를 이용하여 분리막 표면에 농축된 구리 및 니켈을 정량 분석하여 비교하였다. 추가적인 분리막 분석으로 Field Emission Scanning Electron Microscope(FE-SEM), Energy Dispersive X-ray(EDX-weight %), Fourier Transform Infrared Spectroscopy(FT-IR) 분석을 하였다. 이상의 결과로부터 도출된 최적 pH에서 인공도금폐수의 구리 및 니켈의 농도를 달리하여 나노분리막 시스템를 가동하여, 여과 성능평가를 하였다. 다음으로 실제도금폐수를 유입수로하여 실제공정에 투입 가능성을 평가하였다. 기존 연구는 산성의 pH를 갖는 유입수에 대한 분리막 공정 연구가 미흡한 상황이다. 따라서 본 연구에서는 산성의 pH에서의 영향 및 분리막에 농축된 제거대상(구리, 니켈)을 정량분석을 하였다는 점에서 차별성이 있다. pH에 따른 제거율 확인 실험 결과, pH 3, 5에서는 가동시간동안 제거율이 98%까지 증가하였으나, pH 6에서는 초기에는 97%까지 증가하다가 3시간 이 후 부터는 90%까지 감소하였다. 투과율(Flux)의 경우, pH 3에서는 고분자 사슬 배치 변형으로 공극사이즈가 감소, 전기점성효과의 증가, 삼투압의 증가에 따라 Net driving pressure가 감소하는 이유(Childress & Elimelech, 2000)로 투과율(Flux)이 감소하였다. pH 6에서는 구리 및 니켈의 스케일 발생으로 투과율(Flux)이 급격하게 감소하였다. 막에 농축된 구리 및 니켈의 정량 분석 결과, 등전위점 이상의 pH 범위에서, 원수의 pH가 증가할수록 막에 농축된 구리 및 니켈의 양이 증가하였다. FTIR 분석 결과를 통해 pH 6에서는 나노분리막의 Donnan 배재 효과를 발휘하는 폴리아마이드 작용기가 사라짐을 확인하였다. 최적 pH에서 구리 및 니켈 농도에 따른 여과 성능 실험 결과, 각 중금속 이온의 농도를 1, 10, 20, 100, 200 ppm 까지 변화시키는 경우에도, 투과율(Flux)의 차이는 크게 나타나지 않았다. 유사하게 제거율의 경우에도 구리 및 니켈의 농도에 관계없이 모두 97% 수준을 나타내었다. 실제도금폐수 대상 여과성능 실험에서는 초기 투과율(Flux) 51 LMH에서 약 2 시간 후 39 LMH 까지 감소하고, 이후 6 시간동안 35 LMH까지 감소한 뒤 일정하게 유지 되었다. 구리 및 니켈의 제거율은 98-99%임을 확인하였다.
In this study, the optimum conditions for the removal copper(Cu) and nickel(Ni) in the plating wastewater by using the Nanofiltration(NF) were determined. It is known that the Donnan (exclusion) effect related to the surface charge of the membrane is the major mechanism of the removal of ions in NF....
In this study, the optimum conditions for the removal copper(Cu) and nickel(Ni) in the plating wastewater by using the Nanofiltration(NF) were determined. It is known that the Donnan (exclusion) effect related to the surface charge of the membrane is the major mechanism of the removal of ions in NF. Previous studies have tried to describe the observed flux and rejection rate of ions based on the Donnan effect. To better understand the flux and ions rejection, scaling on the surface of the membrane should also be considered along with the Donnan effect. Therefore, this study considered the flux and rejection rate of ions by Donnan exclusion as well as scaling of ions on the membrane surface, both of which causing the neutralization of the membrane surface charge and membrane fouling. To find the effect of wastewater pH on the removal of heavy metals and membrane flux in the treatment of plating wastewater containing Cu and Ni by NF, a laboratory scale NF system was used. The pH of the synthetic plating wastewater was set to 3, 5, and 6. The feed, concentrate and permeate samples were collected and analyzed by inductively coupled plasma-optical emission spectrometry (ICP-OES) to determine the concentrations of both Cu and Ni. Similarly, the concentrations of Cu and Ni on the surface of the membrane were quantitatively analyzed after decomposing the polymeric membrane using a microwave digestion system. In addition, membrane surface were analyzed by field emission scanning electron microscope (FE-SEM), energy dispersive x-ray (EDX - weight%) and fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR). At the optimum pH derived from the first experiment, the NF system was operated with varying concentrations of Cu and Ni in synthetic plating wastewater. Then the filtration performance was evaluated. The real plating wastewater was used as the feed to evaluate the filtration performances. The results showed that at pH values of 3 and 5, the removal rate increased up to 98%. At pH 6, the removal rate increased to 97% until 3 h, but decreased to 90% in the next 3h. The flux rapidly decreased due to scaling at pH 6. The results of ICP-OEC showed that the concentration of Cu and Ni on the membrane increased as the pH of the feed water increased. The FT-IR vibrational polyamide band having disappeared in the membrane sample at pH 6 confirmed that the observation was related to the Donnan effect. Based on these results, the possibility of application in actual plating wastewater treatment was evaluated.
In this study, the optimum conditions for the removal copper(Cu) and nickel(Ni) in the plating wastewater by using the Nanofiltration(NF) were determined. It is known that the Donnan (exclusion) effect related to the surface charge of the membrane is the major mechanism of the removal of ions in NF. Previous studies have tried to describe the observed flux and rejection rate of ions based on the Donnan effect. To better understand the flux and ions rejection, scaling on the surface of the membrane should also be considered along with the Donnan effect. Therefore, this study considered the flux and rejection rate of ions by Donnan exclusion as well as scaling of ions on the membrane surface, both of which causing the neutralization of the membrane surface charge and membrane fouling. To find the effect of wastewater pH on the removal of heavy metals and membrane flux in the treatment of plating wastewater containing Cu and Ni by NF, a laboratory scale NF system was used. The pH of the synthetic plating wastewater was set to 3, 5, and 6. The feed, concentrate and permeate samples were collected and analyzed by inductively coupled plasma-optical emission spectrometry (ICP-OES) to determine the concentrations of both Cu and Ni. Similarly, the concentrations of Cu and Ni on the surface of the membrane were quantitatively analyzed after decomposing the polymeric membrane using a microwave digestion system. In addition, membrane surface were analyzed by field emission scanning electron microscope (FE-SEM), energy dispersive x-ray (EDX - weight%) and fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR). At the optimum pH derived from the first experiment, the NF system was operated with varying concentrations of Cu and Ni in synthetic plating wastewater. Then the filtration performance was evaluated. The real plating wastewater was used as the feed to evaluate the filtration performances. The results showed that at pH values of 3 and 5, the removal rate increased up to 98%. At pH 6, the removal rate increased to 97% until 3 h, but decreased to 90% in the next 3h. The flux rapidly decreased due to scaling at pH 6. The results of ICP-OEC showed that the concentration of Cu and Ni on the membrane increased as the pH of the feed water increased. The FT-IR vibrational polyamide band having disappeared in the membrane sample at pH 6 confirmed that the observation was related to the Donnan effect. Based on these results, the possibility of application in actual plating wastewater treatment was evaluated.
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