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문제 정의
- 위와 같은 기존연구들의 결과를 분석하면 초음파의 세정 기작은 초음파에 의하여 생성된 기포(cavity)가 붕괴할 때 발생하는 기계적 에너지로 인한 탈착효과에 기인하며, 막 분리공정의 투과속도에 영향을 주는 초음파의 인자로는 주파수, 조사 강도(음파의 세기), 압력, 용액의 점도, 농도, 온도, 공급분자량 그리고 초음파 조사 방향 등인 것으로 알려지고 있으나, 현재까지 초음파의 영향인자에 따른 투과속도의 향상에 관한 정량적인 규명이 부족하며, 특히 환경기술로서의 적용사례가 미흡하였다. 이에 본 연구에서는 매립지 침출수 처리를 위한 막 처리 공정에 초음파를 도입하여 투과속도를 향상시키고 아울러 기존의 수세정 과정과 약품세정 대신에 초음파를 도입하여 막의 재생효율을 향상시킬 수 있는 기술을 개발하고자 초음파-막분리 공정의 영향인자들의 관계를 분석하였다.
제안 방법
- Chai(1998, 1999)와 Kobayashi。999)는 초음파를 UF의 운전특성 개선에 적용하였다.*)Dextran용액의 UF막 분리에 초음파를 조사 하여 물질의 분자량에 따른 투과속도 개선에 관한 연구를 수 행하였으며, 초음파 조사과정에서 dextran의 일부가 분해되는 것을 관찰하였다. 또한 주파수가 낮은 초음파 조사에 의해서 막의 투과속도가 향상되고 역세과정에서 초음파을 조사 하는 경우 투과속도의 급격한 상승을 확인하였다.
- 또한 막 모듈은 일정한 막의 면적을 가지면서 각각의 운전 조건에 따라 제작을 용이하게 하기 위하여 자체 제작하여 사용하였다. 40 kHz와 120 kHz의 발진주파수와 가변출력을(최 대설계출력 600 W, 상용최대출력 500 W)가지고 있는 UL- Tech사의 초음파 발생장치를 사용하였고, 막 모듈로의 초음파 전달을 용이하게 하기 위해 반응기에 막 모듈을 넣고, 초음파발진기의 표면에서 10 cm정도 떨어지도록 설치하였으며, 초음파발진기의 온도 상승에 의해서 수온에 의한 투과속도와 세정효과의 영향을 최소한으로 줄이기 위하여 막 모듈이 들어있는 반응기는 냉동기와 연결된 순환펌프를 사용하여 항 상 일정한 온도(20℃)로 유지할 수 있게 하였다.
- 또한 막 모듈은 일정한 막의 면적을 가지면서 각각의 운전 조건에 따라 제작을 용이하게 하기 위하여 자체 제작하여 사용하였다. 40 kHz와 120 kHz의 발진주파수와 가변출력을(최 대설계출력 600 W, 상용최대출력 500 W)가지고 있는 UL- Tech사의 초음파 발생장치를 사용하였고, 막 모듈로의 초음파 전달을 용이하게 하기 위해 반응기에 막 모듈을 넣고, 초음파발진기의 표면에서 10 cm정도 떨어지도록 설치하였으며, 초음파발진기의 온도 상승에 의해서 수온에 의한 투과속도와 세정효과의 영향을 최소한으로 줄이기 위하여 막 모듈이 들어있는 반응기는 냉동기와 연결된 순환펌프를 사용하여 항 상 일정한 온도(20℃)로 유지할 수 있게 하였다.
- 3 kg/cnf)을 선정하여 실험을 수행하였다. 또한 막의 운전에서 펌프의 위치를 조절하여 M頂막의 경우 펌프를 막의 뒷부분에 설치하여 낮은 압력의 흡입식 형태로 운전하였으며, UF막의 경우에는 펌프를 막의 앞부분에 설치하여 가압식의 형태로 운전하였다. 막의 투과속도 변화는 동일한 압력조건 에서 통과한 유량의 질량변화를 정밀 전자저울(Mettler Toledo balance, PB4002-S)로 측정하였으며 컴퓨터와 연결하여 실시 간으로 그 변화량을 계측하였다.
- 0057 n?의 오염된 막을 넣고, 초음파의 주파수와 세기가 서로 다 른 여러 가지 초음파를 조사하면서 일정시간 간격으로 탈착 되는 고형물을 측정하였으며, 초음파에 의한 막의 세정효과를 확인하기 위해 주사현미경 (Scanning Electron Microscopy, SEM)을 이용하여 막의 표면을 관찰하였다. 또한 초음파의 조사에 의해서 막의 물리적인 투과성능 변화를 알아보기 위해 순수를 막에 통과시키면서 투과속도의 변화를 실험하였다.
- 또한 막의 운전에서 펌프의 위치를 조절하여 M頂막의 경우 펌프를 막의 뒷부분에 설치하여 낮은 압력의 흡입식 형태로 운전하였으며, UF막의 경우에는 펌프를 막의 앞부분에 설치하여 가압식의 형태로 운전하였다. 막의 투과속도 변화는 동일한 압력조건 에서 통과한 유량의 질량변화를 정밀 전자저울(Mettler Toledo balance, PB4002-S)로 측정하였으며 컴퓨터와 연결하여 실시 간으로 그 변화량을 계측하였다.
- 본 연구에서는 Fig. 1에 나타낸 초음파-막 실험장치를 활 용하여 초음파를 이용한 중공사와 관형의 형태로 제작된 MF 와 UF막의 세정효과와 투과속도 변화에 관한 실험을 실시하 였다. MF막과 UF막은 국내 S사와 K사에서 제조한 Polysul- fone재질을 사용하여 UF막은 분획분자량<MWC0 = Molecular Weight Cut-Off) 이 10, 000과 100, 000을 갖는 막으로 모듈을 제작하여 사용하였고, MF막의 경우 기공의 범위가 0.
- 침전 처리한 1차 처리침출수(Table 2)를 직접 채취하여 사용하였다. 실험은 1차 처리 침출수를 이용하여 초기 50 min 동안 막을 오염시킨 후 연속적인 침출수 투과조건에서 초음파의 조건을 변화시 키며 70 min 동안 조사하면서 투과속도의 변화량을 측정하 였다.
- 50 mL의 증류수에 침출수 처리장에서 사용한 0.0057 n?의 오염된 막을 넣고, 초음파의 주파수와 세기가 서로 다 른 여러 가지 초음파를 조사하면서 일정시간 간격으로 탈착 되는 고형물을 측정하였으며, 초음파에 의한 막의 세정효과를 확인하기 위해 주사현미경 (Scanning Electron Microscopy, SEM)을 이용하여 막의 표면을 관찰하였다. 또한 초음파의 조사에 의해서 막의 물리적인 투과성능 변화를 알아보기 위해 순수를 막에 통과시키면서 투과속도의 변화를 실험하였다.
- 초음파 조사에 의한 막의 물리적인 영향을 평가하기 위하여 실험용 관형 UF막에 순수를 연속적으로 투과시키면서 초음파를 조사하여 투과속도에 미치는 영향을 조사하였다. Fig.
- 초음파에 의한 막 세정효과를 알아보기 위해서 M^R을 적용한 Y침출수 처리장에서 사용한 오염된 막에 초음파를 가 하여 탈착되는 고형물질의 농도를 측정하는 방법을 이용하 였다. 50 mL의 증류수에 침출수 처리장에서 사용한 0.
- 초음파에 의한 막의 투과속도 변화와 세정효과에 영향을 주는 주된 인자로 막의 종류(ME UF), 초음파의 주파수(40, 120 kHz), 초음파의 세기(200, 400, 500 W) 및 막의 운전압력 (0.1-2.3 kg/cnf)을 선정하여 실험을 수행하였다. 또한 막의 운전에서 펌프의 위치를 조절하여 M頂막의 경우 펌프를 막의 뒷부분에 설치하여 낮은 압력의 흡입식 형태로 운전하였으며, UF막의 경우에는 펌프를 막의 앞부분에 설치하여 가압식의 형태로 운전하였다.
- 초음파의 주파수를 40 kHz와 120 kHz로 변화시키면서 막의 투과속도 변화와 개선에 관한 실험을 실시하였다. UF막과 MF막을 사용하여 50 min 동안 1차 처리 침출수를 막에 통과시키고, 연속적인 흐름(flux)이 존재하는 상태에서 오염된 막에 서로 다른 주파수의 초음파를 조사하여 그 효과를 관찰하 였으며, Fig.
- 본 연구에서 사용된 시료는 경북 A 매립지에서 발생된 침출수를 응집 . 침전 처리한 1차 처리침출수(Table 2)를 직접 채취하여 사용하였다. 실험은 1차 처리 침출수를 이용하여 초기 50 min 동안 막을 오염시킨 후 연속적인 침출수 투과조건에서 초음파의 조건을 변화시 키며 70 min 동안 조사하면서 투과속도의 변화량을 측정하 였다.
대상 데이터
- 1에 나타낸 초음파-막 실험장치를 활 용하여 초음파를 이용한 중공사와 관형의 형태로 제작된 MF 와 UF막의 세정효과와 투과속도 변화에 관한 실험을 실시하 였다. MF막과 UF막은 국내 S사와 K사에서 제조한 Polysul- fone재질을 사용하여 UF막은 분획분자량<MWC0 = Molecular Weight Cut-Off) 이 10, 000과 100, 000을 갖는 막으로 모듈을 제작하여 사용하였고, MF막의 경우 기공의 범위가 0.1 〜0.3 μm(상업적으로 0.1 μm MF막이라 칭함)인 막을 사용하였다. 사용된 막의 사양과 실험과정에서 측정된 순수의 투과속도는 Table 1에 나타낸 바와 같다.
- 02 n?로 제작하 여 실험을 실시하였다. 본 연구에서 사용된 시료는 경북 A 매립지에서 발생된 침출수를 응집 . 침전 처리한 1차 처리침출수(Table 2)를 직접 채취하여 사용하였다.
성능/효과
- 1) 실제 침출수 처리장에서 오염된 막의 시료 일부를 채취한 후 초음파를 조사하여 오염물질의 탈착에 관한 영향분석을 통하여 낮은 주파수(kHz)와 높은 강도(W)에서 뛰어난 오염물의 제거 효과가 있으며, 막의 표면뿐 만 아니라 내부 공극에서도 부착물질이 제거되는 것을 확인하였다.
- 5에서 10, 000 MWC0의 UF막의 경우 낮은 주파수에서 좀 더 높은 투과속도의 상승을 보여주었으나, 지속적으로 운전할 경우 초음파 조사 후 50 min이 경과되면 재막힘 현상이 일어나며 주파수의 차이에 따라 투과속도가 다시 감소되는 현상은 낮은 주파수에 크게 나타났다. 10, 000 MWC0 의 UF막에서 최대 투과속도 상승률은 40 kHz의 경우 약 50%이었고 순수의 투과속도에 대한 66%의 최대 투과속도 회복율이 나타났으나, 120 kHz의 경우는 불과 상승률과 회복율이 10%와 45% 내외로 비교적 작게 나타났다.
- 2) 순수의 막 투과과정에 초음파를 조사하여도 투과속도가 변하지 않는 것으로부터 초음파 조사에 의해 중공사형 막이나 관형 막에서 물리적인 변화가 일어나지 않는다는 것을 알 수 있었다.
- 3) 초음파의 주파수 크기와 막의 투과속도의 개선 효과는 반비례관계이며, 특히 MF막의 경우 120 kHz에서는 투과속도의 최대 상승률이 50% 미만이었으나 40 kHz일 때에는 500% 정도의 높은 투과속도의 상승률을 보여주었다. UF막의 경우 MF막처럼 큰 폭의 상승효과는 없었으나 낮은 주파수(40 kHz)에서 66%의 최대 투과속도 상승률을 보여주었다.
- 4) 초음파의 조사세기를 증가시킬 경우 UF막의 경우 조사 직후의 투과속도의 상승속도는 200 W보다 500 W에서 2.4배 증가하였고, 투과속도의 개선이 일어나는 지속적인 상승시 간도 2.2배 이상 증가하였다. MF막의 경우 UF막 보다 더 높은 개선효과를 보이며, 투과속도의 상승속도는 5.
- 5) 막의 운전압력 범위(중공사형 막 : 0.1 kg/cm2~0.5 kg/ cm2, 관형 막 : 1.0 kg/cm2~2.3 kg/cn?)에서는 초음파를 조 사하는 경우 운전압력에 따른 투과속도의 증가와 재막힘 현 상에 의한 투과속도의 감소 경향이 유사하게 나타났으나, 운 전압력이 높아지면 최대 투과속도의 상승률이 감소하는 동시에 최대 투과속도의 상승률이 나타나는 시간도 연장되는 현 상이 발생되어 낮은 압력에서 운전되는 막에서 개선효과가 높은 것을 알 수 있다.
- 6) UF막에서 분획분자량이 큰 경우(막의 공극이 큰 것) 초음파 조사에 의해 초기 투과속도의 상승속도가 상대적으로 커지고 최대 상승률도 빠르게 나타나나 재막힘 현상도 빠르게 나타났다. 반면에 분획분자량이 작은 경우에는 투과속도의 상승이 느리게 일어나는 반면에 재막힘 현상이 상당히 지연 되어 투과속도의 개선이 상당기간 유지되었다.
- Fig. 5에서 10, 000 MWC0의 UF막의 경우 낮은 주파수에서 좀 더 높은 투과속도의 상승을 보여주었으나, 지속적으로 운전할 경우 초음파 조사 후 50 min이 경과되면 재막힘 현상이 일어나며 주파수의 차이에 따라 투과속도가 다시 감소되는 현상은 낮은 주파수에 크게 나타났다. 10, 000 MWC0 의 UF막에서 최대 투과속도 상승률은 40 kHz의 경우 약 50%이었고 순수의 투과속도에 대한 66%의 최대 투과속도 회복율이 나타났으나, 120 kHz의 경우는 불과 상승률과 회복율이 10%와 45% 내외로 비교적 작게 나타났다.
- Fig. 9에 나타낸 40 kHz 주파수에서 MF막의 결과를 살펴 보면, UF에서와 마찬가지로 200 W의 초음파 세기에서 보다 400 W에서 더 높은 투과속도의 상승효과를 보여주었으나 UF와는 달리 200W에서도 투과속도가 크게 향상되었다. 즉, 200 W에서는 최대 96% 정도의 투과속도의 상승률을 보여 준 것에 비해서 400 W의 높은 초음파 세기에서는 최대 상 승률이 500%로 나타나 상당히 높은 투과속도의 개선효과를 나타내었다.
- 2배 이상 증가하였다. MF막의 경우 UF막 보다 더 높은 개선효과를 보이며, 투과속도의 상승속도는 5.2배 이상 의 높은 값을 보였다. 즉, 높은 세기의 초음파를 조사할 경우 초기 투과속도의 상승속도 최대 투과속도 상승률과 지속 시간이 향상되어 더 큰 막투과 개선효과가 나타났다.
- 결론적으로 동일한 조건에서 초음파를 이용하여 막을 세정 하는 경우 투과속도 개선 효과는 초음파의 조사강도에 비례 적이나 주파수에 반비례적이며 막의 운전압력이 높으면 세정 효과가 지연되어 투과속도의 개선효과가 감소한다. 또한 순수의 투과속도가 높은 막에서 초음파 조사가 더 효과적이다.
- 즉 막의 분리작용은 막의 표면과 내부공극에서 일어나므로 MWCO 가 작아지게 되면 공극내부의 부착물질의 탈작이 어려워져 초음파에 의한 막힘현상의 개선이 느리게 나타난다. 따라서 초음파의 조사시간이 많이 필요하게 되며 최대 상승률이 나타난 이후 재막힘 현상도 억제되는 효과가 존재하는 것을 알 수 있었다.
- 4배 빠르게 나타났다. 또한 10, 000 MWCO의 최대 투과속도 상승률이 나타나는 시간도 초음파 조사 후 21 min으 로 100, 000 MWCO에 비해 2배 정도 지연되어 나타났다. 즉 막의 분리작용은 막의 표면과 내부공극에서 일어나므로 MWCO 가 작아지게 되면 공극내부의 부착물질의 탈작이 어려워져 초음파에 의한 막힘현상의 개선이 느리게 나타난다.
- 2배 증가한 것으로 나타났다. 또한 재막힘 현상도 높은 초음파의 세기에서 줄어들어 초음파에 의한 투과속 도 상승효과와 막의 재막힘 현상도 개선되는 것을 알 수 있었다. Fig.
- 즉, 서로 다른 4가지 조건(35 kHz-600 W, 120 kHz-500 W, 120 kHz-350 W, 120 kHz-200 W)에서 막의 오염물질 탈착 실험을 수행한 결과 35 kHz-600 W가 가장 효과적(가장 많은 탈 착량)이었으며, 이러한 결과는 액상의 초음파장(ultrasonic field) 에서 낮은 주파수와 높은 초음파 강도에서 세정효과가 높다는 초음파 이론과 일치하는 결과이다. 또한 주파수 120 kHz 에서 200 W와 350 W사이에서의 탈착량은 큰 차이를 보이지 않았으며, 높은 주파수(120 kHz)일 경우 초음파의 세기를 크게 하여야 오염물질의 탈착효과가 증가하는 것을 알 수 있었다. 이는 주파수가 높아질수록 초음파의 단위에너지가 작아지는 특성을 갖기 때문이다.
- *)Dextran용액의 UF막 분리에 초음파를 조사 하여 물질의 분자량에 따른 투과속도 개선에 관한 연구를 수 행하였으며, 초음파 조사과정에서 dextran의 일부가 분해되는 것을 관찰하였다. 또한 주파수가 낮은 초음파 조사에 의해서 막의 투과속도가 향상되고 역세과정에서 초음파을 조사 하는 경우 투과속도의 급격한 상승을 확인하였다. 조사강도 (W)가 증가함에 따라서 투과속도는 향상되지만 진동수에 따라 상이한 특성을 보이며, 45 kHz의 진동수에서 조사강도가 증가하면 투과속도가 향상됨을 보였다.
- 이러한 현상은 평막 (plate membrane)을 이용하여 실험한 Kobayashi 등의 결과와 일치하는 것으로서, 막의 형태에 관계없이 순수의 경우에는 초음파의 영향을 받지 않는다는 것을 확인할 수 있었다. 또한 초음파를 조사하는 동안 막의 연속적인 운전시간이 120 min이었음에도 불구하고 막 세공의 크기변화나 막의 파괴 현상 등의 물리적인 변화에 의한 투과속도의 변화는 관찰되지 않아 초음파에 대한 안정성이 존재하는 것을 알 수 있 었다.
- 특히 MF막 에서 주파수의 차이에 따른 투과속도의 차이가 UF막에 비하여 훨씬 더 크게 나타났고, 운전 조건 중 낮은 주파수로 운전을 할 경우 UF막 보다 상당히 높은 투과속도의 상승효과를 나타내었다. 또한 초음파의 주파수가 높아지면 투과속도의 상승에 관한 기울기 값(투과속도의 상승속도를 표현한 것으로 상승구간에서 최대 기울기 값을 의미함)이 작아져 막의 세정효과가 느리게 나타났으며, 40 kHz에서는 최대 투과속도 상승률이 조사 후 6~7 min에 나타난 반면 120 kHz 에서는 10 min 이후에 나타났다. 즉 Fig.
- 반면에 Fig. 6에 나타낸 MF의 경우 400 W의 초음파 세 기에서 120 kHz에서는 50%미만의 투과속도의 상승률을 나타낸 반면 40 kHz의 경우 500%가까운 투과속도의 상승률을 나타냄으로서 주파수에 의한 세정능력과 막의 투과속도 향상에 미치는 영향력이 큰 것을 확인할 수 있었다. 특히 MF막 에서 주파수의 차이에 따른 투과속도의 차이가 UF막에 비하여 훨씬 더 크게 나타났고, 운전 조건 중 낮은 주파수로 운전을 할 경우 UF막 보다 상당히 높은 투과속도의 상승효과를 나타내었다.
- 운전압력이 높은 상태에서 운전되는 막 분리 공정에서는 초음파의 조사로 막의 표면에서 탈착된 오염물질들이 막에서 이탈되는 것이 유체역학적인 상태로 억제되고 있기 때문에 최 대 상승률이 증가하지 않게 되고, 특히 투과속도가 작은 UF 막에서는 초음파를 조사하는 동안 막의 재막힘 현상도 높은 운전압력에서 보다 빠르게 나타나는 것을 알 수 있었다.
- 위의 결과들을 종합하여 볼 때 정량적인 차이는 있으나 전체적으로 높은 세기의 초음파를 조사할 경우 투과속도 상승률이 증가하고 투과속도가 개선되는 효과를 확인할 수 있었으며, 같은 초음파 세기에서는 낮은 주파수 그리고 투과속도가 큰 MF계열에서 더 높은 효과를 확인하였다. 즉 동일한 조건에서 초음파 강도가 증가하면 일정 공간에서 더 많은 에너지가 발생되어 오염물질(fouling material)에 전달되는 에너 지가 많아 더 높은 세정력이 발생되기 때문이다.
- 일정한 압력 범위에서 막을 통과하는 순수는 초음파에 대한 영향(투과속도의 향상)을 받지 않고 다만 압력에 따라 그 투과속도가 비례하는 것으로 나타났다. 이러한 현상은 평막 (plate membrane)을 이용하여 실험한 Kobayashi 등의 결과와 일치하는 것으로서, 막의 형태에 관계없이 순수의 경우에는 초음파의 영향을 받지 않는다는 것을 확인할 수 있었다. 또한 초음파를 조사하는 동안 막의 연속적인 운전시간이 120 min이었음에도 불구하고 막 세공의 크기변화나 막의 파괴 현상 등의 물리적인 변화에 의한 투과속도의 변화는 관찰되지 않아 초음파에 대한 안정성이 존재하는 것을 알 수 있 었다.
- 일정한 압력 범위에서 막을 통과하는 순수는 초음파에 대한 영향(투과속도의 향상)을 받지 않고 다만 압력에 따라 그 투과속도가 비례하는 것으로 나타났다. 이러한 현상은 평막 (plate membrane)을 이용하여 실험한 Kobayashi 등의 결과와 일치하는 것으로서, 막의 형태에 관계없이 순수의 경우에는 초음파의 영향을 받지 않는다는 것을 확인할 수 있었다.
- 또한 주파수가 낮은 초음파 조사에 의해서 막의 투과속도가 향상되고 역세과정에서 초음파을 조사 하는 경우 투과속도의 급격한 상승을 확인하였다. 조사강도 (W)가 증가함에 따라서 투과속도는 향상되지만 진동수에 따라 상이한 특성을 보이며, 45 kHz의 진동수에서 조사강도가 증가하면 투과속도가 향상됨을 보였다. Tarleton(1988, 1990) 등은 MF 에서 전기장과 초음파를 동시에 막에 조사함으로서 투과속도를 향상시킬 수 있는 방법을 연구하였다.
- 분획분자량(MWCO) 10, 000과 100, 000의 UF막을 사용하 여 막의 종류에 따른 투과속도를 단순히 비교할 경우 두 가지 막 중 상대적으로 배재율이 직게 나타나는 MWC。가 큰 막 에서 투과속도가 높게 나타났다. 즉 Fig. 12에서 볼 수 있듯이 초음파 조사 없이 50 min간 1차 처리된 침출수를 투과시켰 을 때 10, 000 MWCO의 경우 막힘현상에 의해 느린 속도로 투과속도가 감소되고, 100, 000 MWCO의 경우 10, 000 MWCO의 막보다 투과속도의 감소가 크게 일어났다.
- 결과적으로 운전압력 이 증가하면 최대 투과속도 상승률은 줄어들지만 최대 상승률이 나타나는 시간이 단축 된다. 즉 낮은 압력에서 운전되 는 경우 투과속도의 개선은 효과적이나 세정에 소요되는 시간은 다소 길어지게 됨을 알 수 있으며 이러한 현상은 MF 에서도 유사하게 나타났다(Fig. 11).
- 최대로 향상된 투과속도가 나타나는 조사 시간도 200 W의 경우 8 min에서 나타났으나 500 W의 경우에는 15 min에서 나타났다. 즉 초음파 세기가 증가하면 투과속도 상승률이 높아지고 재막힘 현상도 억제되어 투과속도의 개선이 지속적으로 일어나는 것을 알 수 있었다.
- 9에 나타낸 40 kHz 주파수에서 MF막의 결과를 살펴 보면, UF에서와 마찬가지로 200 W의 초음파 세기에서 보다 400 W에서 더 높은 투과속도의 상승효과를 보여주었으나 UF와는 달리 200W에서도 투과속도가 크게 향상되었다. 즉, 200 W에서는 최대 96% 정도의 투과속도의 상승률을 보여 준 것에 비해서 400 W의 높은 초음파 세기에서는 최대 상 승률이 500%로 나타나 상당히 높은 투과속도의 개선효과를 나타내었다. 또한 투과속도의 상승속도 값도 400 W에서는 0.
- 2배 이상 의 높은 값을 보였다. 즉, 높은 세기의 초음파를 조사할 경우 초기 투과속도의 상승속도 최대 투과속도 상승률과 지속 시간이 향상되어 더 큰 막투과 개선효과가 나타났다.
- 2는 침출수 처리장에서 사용한 오염된 MF막에 초음파를 조사할 경우 부착물의 누적탈착량을 보여주고 있다. 즉, 서로 다른 4가지 조건(35 kHz-600 W, 120 kHz-500 W, 120 kHz-350 W, 120 kHz-200 W)에서 막의 오염물질 탈착 실험을 수행한 결과 35 kHz-600 W가 가장 효과적(가장 많은 탈 착량)이었으며, 이러한 결과는 액상의 초음파장(ultrasonic field) 에서 낮은 주파수와 높은 초음파 강도에서 세정효과가 높다는 초음파 이론과 일치하는 결과이다. 또한 주파수 120 kHz 에서 200 W와 350 W사이에서의 탈착량은 큰 차이를 보이지 않았으며, 높은 주파수(120 kHz)일 경우 초음파의 세기를 크게 하여야 오염물질의 탈착효과가 증가하는 것을 알 수 있었다.
- 7과 8, 9는 초음파의 세기에 따른 막의 막힘현상 개선에 의한 투과속도 변화를 나타낸 것으로 200〜500 W사이 에서 서로 다른 세기의 초음파를 조사하면서 투과속도의 변화를 측정하였다. 초음파세기를 200, 400, 500 W로 변화시 키면서 120 kHz 주파수에서 10, 000 MWCO의 UF막에 초음파를 조사한 결과(Fig. 7) 500 W의 초음파 세기에서 약 40% 의 최대 투과속도 상승률을 보여주었으나, 초음파 세기가 약한 경우(120 kHz-200 W)에는 최대 투과속도 상승률이 10% 정도에 불과하였다. 또한 초음파를 조사한 초기에 투과속도의 상승속도(투과속도 곡선의 기울기)는 200과 500 W에서 각각 0.
- 4배 정도 빨랐다. 최대로 향상된 투과속도가 나타나는 조사 시간도 200 W의 경우 8 min에서 나타났으나 500 W의 경우에는 15 min에서 나타났다. 즉 초음파 세기가 증가하면 투과속도 상승률이 높아지고 재막힘 현상도 억제되어 투과속도의 개선이 지속적으로 일어나는 것을 알 수 있었다.
- 6에 나타낸 MF의 경우 400 W의 초음파 세 기에서 120 kHz에서는 50%미만의 투과속도의 상승률을 나타낸 반면 40 kHz의 경우 500%가까운 투과속도의 상승률을 나타냄으로서 주파수에 의한 세정능력과 막의 투과속도 향상에 미치는 영향력이 큰 것을 확인할 수 있었다. 특히 MF막 에서 주파수의 차이에 따른 투과속도의 차이가 UF막에 비하여 훨씬 더 크게 나타났고, 운전 조건 중 낮은 주파수로 운전을 할 경우 UF막 보다 상당히 높은 투과속도의 상승효과를 나타내었다. 또한 초음파의 주파수가 높아지면 투과속도의 상승에 관한 기울기 값(투과속도의 상승속도를 표현한 것으로 상승구간에서 최대 기울기 값을 의미함)이 작아져 막의 세정효과가 느리게 나타났으며, 40 kHz에서는 최대 투과속도 상승률이 조사 후 6~7 min에 나타난 반면 120 kHz 에서는 10 min 이후에 나타났다.
후속연구
- 이러한 결과는 초음파 주파수에 따른 세정효과를 분석한 Kobayashi와 Chai 등"")의 실험에서도 일부 검증된 바 있다. 결과적으로 실제 공정에서 주파수를 낮추어 세정효과를 높이고 막의 투과속도를 향상 시킬 수 있으나 막의 선택과 적절하지 못한 주파수 선정으로 인하여 막이 파괴될 수 있으므로 사전에 주파수 및 세기의 검증으로 막의 손상에 대한 문제를 해결해야 한다.
- 또한 순수의 투과속도가 높은 막에서 초음파 조사가 더 효과적이다. 따라서 효율적인 투과속도 개선방법으로 초음파를 적용할 수 있을 것으로 판단된다.
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