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문제 정의
- 나노여과막에 의한 중금속류의 제거특성을 조사했다. 나노여과막의 운전압력은 0.
- 본 연구에서는, 각종 중금속류의 나노여과 공정에서의 제거율을 공칭탈염율 등과 비교검토해서, 각종 중금속의 종류별 제거특성을 조사하고, 평가수법을 개발하는 것을 목적으로 하였다.
제안 방법
- 이들의 나노여과에 의한 제거율보다 중금속류의 제거율이 높았다. 더욱이, 중금속류의 제거특성을 염소이온 혹은 황산이온에 대한 분리계수를 제안하여 고찰하였다. 나노여과막의 재질, 공칭 탈염율에 상관없이 각종 중금속류의 나노여과에 의한 분리거동은 유사하였으며, 특히 비소의 염소이온 및 TOC에 대한 분리계수가 다른 중금 속류의 분리계수에 비해 크며 , 비소가 막을 통과하기 쉬운 것을 알 수 있었다.
- 막의 제거특성에는 용액환경을 고려하기 위해서, 평가용액은 실제의 침출수를 희석하여 염소 이온, 황산이온 및 전유기탄소의 농도를 조절한 용액에 각종중금속 산류를 첨가한 모의 폐수를 나노여과막으로 처리하는 방법론을 취하기로 하였다. 매립지 침출수는 환경 시료 중에 상존하는 적절한 농도의 후민 성분을 함유한 모의폐수로 사용되었으며 , 실험 대상 중금속 물질들이 막에 직접 홉착되는 영향을 억제하는 역할을 한다고 보고되어져 있다(Oh 등, 1999).
- 대표한다고 볼 수 있다. 여기서, 분리계수를 이용하여 각각의 막에 의한 중금속류의 제거를 대표적물질의 제거율과 비교해, 막의 선택성을 제시할 수 있었다. 각각의 막에 있어서 모의폐수 중에 함유되어있는 중금속류, 염소이온 및 황산이온성분의 투과율로부터 분리계수를 다음과 같이 정의 하였다.
- 염소이온(CK) 및 황산이온(SQj)은 이온크로마토그라피 (IC-7000, Yokogawa)에 의해 측정하였고, TOC(Total Organic Carbon)는 전유기 탄소계 (TOC5000. Shimadzu)에 의해서 측정했다.
- 여기서 . 제거율은 투과액 농도의 원액 용해성 중금속류의 농도에 대한 비로 평가했다. 모의 폐수 중에는 조정된 염소이온.
대상 데이터
- NTR7410의 재질은 Polysulfones이며, NTR725Oe 재질이 Polyvinyl Alcohol/Polyamide이다. 또, 고제거 율 막인 ES10은 재질이 Aromatic Polyamide이다.
- 각종 중금속류는 ICP/MS (유도결 합플라즈마질 량분석장치, HP4500) 에 의해서 측정했다. 환경 시료 중의 원소분석에 대해서 본 장치를 이용하여 검토한 결과, Cr(m/z=53)은 동위원소비가 이상이 있으므로, 37CI16O 등의 산화물의 영향을 받을 가능이 높다고 본다.
- 사용한 침출수 원액은 일본 동경灣 매립지로부터 채수하였고, 차갈색으로 부유물질은 거의 함유하지 않은 상태였다. 나노여과막 실험에 사용한 공급액은, 매립지 침출수 1%와 순수한 물 99%로 구성된 모의폐수에 Cr, Fe, Cu, Zn, As, Sn, Pb을 각각 0.lmg/L를 첨가하였다. 이는 중금속류의 제거특성을 용이하게 관찰하기 위해 비교적 높은 농도의 모의폐수를 만들었으며, 그때의 모의폐수에 함유된 화학성분의 분석치를 Table 2에 나타내었다.
- 1과 같은 Cross-Flow 실험 장치를 이용하여 행하였다. 막 모듈은 유효면적 60cm2 의 C-10T모듈(Nitto Denko Co. Ltd.)을 이용하였으며, 8시간 운전을 하는 도중에 3회 나누어서 공급액과 여과액을 채취하였다. 제거율은 3회 채취한 공급액과 여과액 시료의 평균치로부터 계산되었다.
- 본 연구에서는 재질이 다른 3 종류의 나노 여과막을 사용했다. NTR7410의 재질은 Polysulfones이며, NTR725Oe 재질이 Polyvinyl Alcohol/Polyamide이다.
- 매립지 침출수는 환경 시료 중에 상존하는 적절한 농도의 후민 성분을 함유한 모의폐수로 사용되었으며 , 실험 대상 중금속 물질들이 막에 직접 홉착되는 영향을 억제하는 역할을 한다고 보고되어져 있다(Oh 등, 1999). 사용한 침출수 원액은 일본 동경灣 매립지로부터 채수하였고, 차갈색으로 부유물질은 거의 함유하지 않은 상태였다. 나노여과막 실험에 사용한 공급액은, 매립지 침출수 1%와 순수한 물 99%로 구성된 모의폐수에 Cr, Fe, Cu, Zn, As, Sn, Pb을 각각 0.
- 실험에 사용한 나노여과막은 NTR7410(재질: Polysulfones, 공칭탈염율:15%, Nitto Denko Co. Ltd.), NTR725O(재질 : polyvinyl alcohol/polyamide, 공칭 탈염율 : 70%, Nitto Denko Co. Ltd.) 및 ES10(재 질 : aromatic polyamide, 공칭 탈염율 : 99.6%, Nitto Denko Co. Ltd.)이 였으며 , 운전조건은 Table 1 과 같다.
이론/모형
- 나노여과 실험은 Fig. 1과 같은 Cross-Flow 실험 장치를 이용하여 행하였다. 막 모듈은 유효면적 60cm2 의 C-10T모듈(Nitto Denko Co.
성능/효과
- As(Ⅲ)은 이온이지 않은 존재형태를 나타내는 pH 범위에서는 나노여과막에 의한 제거율이 낮았지만, 이온으로 존재하는 높은 pH범위에 갈수록 나노 여과막에 의한 제거율은 높았다. 한편, pH3-pH10에 있어서, As(V)는 이온의 형태로 존재하므로, 나노여과에 의한 제거율은 항상 As(Ⅲ)보다 높았다.
- NTR725O과 NTR7410에 의한 염소 이온의 제거율은 12.8%, 3.5%였고, 막의 공칭탈염율 보다 꽤 낮았다. Solution Diflbsion model에 의하면 이온제거율은 막의 투과량과 회수율에 영향을 받는 것으로 알려져 있다.
- NTR7250. NTR7410은 중금속류의 분리계수가 1 이하이며, 중금속류는 염소 이온 혹은 황산이온 성분보다 막을 통과하기 어려운 것을 알 수 있었다. 반면, ES10은 하전 밀도가 크고, 이온성분에 대한 제거율은 높은 막이지만, 중금속류에 대해서의 제거율은 NTR725O 및 NTR7410에 비해 그다지 향상되지 않았기 때문에, 중금속의 염소이온에 대한 분리계수는 높아졌다.
- 더욱이, 중금속류의 제거특성을 염소이온 혹은 황산이온에 대한 분리계수를 제안하여 고찰하였다. 나노여과막의 재질, 공칭 탈염율에 상관없이 각종 중금속류의 나노여과에 의한 분리거동은 유사하였으며, 특히 비소의 염소이온 및 TOC에 대한 분리계수가 다른 중금 속류의 분리계수에 비해 크며 , 비소가 막을 통과하기 쉬운 것을 알 수 있었다. 그러므로, 나노여과를 이용하여 염소이온 등은 통과시키면서, 중금속류 성분은 회수할 수 있는 공정이 가능함이 시사되었다.
- 또, 염소이온 및 황산이온의 제거율에 비해 각종 중금속의 제거율은 대부분 높았다. 하지만, 중금속류 중에도 비소의 제거율은 낮았다.
- 하지만, 비소는 다른 중금 속류에 비해서 제거율이 낮았다. 즉, ES10에 의한 크롬, 철, 동, 아연, 주석, 납 등은 제거율이 거의 92%을 넘고 있는 대 비해 비소는 87%였다.
- Solution Diflbsion model에 의하면 이온제거율은 막의 투과량과 회수율에 영향을 받는 것으로 알려져 있다. 즉, 염소 이온의 낮은 제거율은 나노여과막의 운전압력이 0.24MPa의 저압이고, 공칭탈염율의 측정압력과 차이가 크며, 낮은 운전압력에 의한 낮은 투과량이 상대적으로 낮은 이온 제거율이 얻어졌다고 사료된다.
- 제거율은 3회 채취한 공급액과 여과액 시료의 평균치로부터 계산되었다. 한편, 8시간 운전하는 동안의 공급액과 여과액에서의 중금속 및 염소 이온 등의 농도는 일정하게 변화가 거의 없이 안정된 데이터를 확보할 수 있었다. 더욱이, 여과액은 다시 공급액으로 돌려보냄으써, 공급액의 성분농도가 증가하지 않았다.
후속연구
- 24MPa로 일반적인 나노여과막의 운전압력인 l.OMPa에 비해서 극히 낮은 운전압력으로 실험을 수행하였으며 , 추후 실제 나노여과 공정에서의 중금속 제거에 대한 운전방향의 설정에도 기초자료가 될 수 있었다. 실험상의 저압운전에서, 오염원인 중금속류에 비해 염소 이온, 황산이온 및 TOC성분으로 나타내어지는 유기물은 다량 함유되어 있으며 하천수, 지하수 및 산업폐수 등의 주요 구성물질로 간주되어지지만.
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