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문제 정의
- 2 µm 무기막을 사용하여 십자흐름(Crossflow) 방식에서 임계 투과선속(Critical flux)과 입자 누적에 대한 결과를 발표하였다[1]. 그 결과 중에 각 Latex 입자별 TMP와 투과선속에 대한 상관관계를 제시하였는데, 이러한 결과로부터 본 연구에서 개발하고자 하는 입도별 부유물질 측정 분리막 모듈 및 장치의 원리를 착안하게 되었다. 호소수 및 제지폐수를 대상으로 세라믹 정밀 및 한외여과막을 사용하여 처리하면서, 최적 운전조건에 대한 연구가 꾸준히 수행되어 왔다[2-6].
- 따라서 본 연구에서는 기존의 중량법과 광산란법과는 원리와 기술이 전혀 다른 입도별 부유물질 측정용 분리막 모듈 및 장치를 개발하기 위한 원리를 수립하기 위해 기초 자료를 확립하고자 하였다. 이러한 목적을 위하여, 이산화규소 및 덱스트란(dextran), 카올린(kaolin), PEG(polyethylene glycol) 용액을 대상으로 유리섬유 여과지 GF/C와 GF/A를 분리막 모듈에 장착하여 여과시키면서, 디지털 압력계를 사용하여 TMP 변화를 측정하였다.
- 그 결과에는 TMP 변화가 분리막의 투과유속에 미치는 영향을 고찰한 것이 포함되어 있다. 따라서 수질즉 부유물질나 입도별 부유물질에 따라 TMP의 증가하는 경향이 달라질 것이라는 예측 하에 본 연구를 수행하고자 한 것이다.
- 본 연구에서는 부유물질 측정용 분리막 모듈 및 장치를 개발하기 위한 원리를 수립하기 위해 기초 자료를 확립하고자 하였다. 이러한 목적을 위하여, 이산화규소 및 덱스트란, 카올린, PEG 부유용액을 대상으로 세라믹 분리막 및 유리섬유 여과지 GF/C, GF/A를 분리막 모듈에 장착하여 여과시키면서, 디지털 압력계를 사용하여 TMP 변화를 측정한 결과 다음과 같은 결론을 도출할 수 있었다.
제안 방법
- 1에서 보는 바와 같이 아크릴 재질로 제작하였다. Fig. 2에서 보는 바와 같이 항온조와 연결된 공급탱크 및 분리막 모듈, 정밀 연동펌프(peristaltic pump), 디지털 압력 변환기로 구성된 수중 부유물질 측정장치를 구성하였다. 분리막 전후에 설치된 디지털 압력 변환기의 신호를 컴퓨터에 전송하여 실시간으로 막간압력차(TMP)의 변화를 저장할 수 있게 되어 있다.
- 다양한 분자량의 덱스트란을 일정 비율로 혼합하여 표준시료를 준비한 후, 일정 투과유량 조건에서 분리막 모듈을 통과시키면서 TMP의 변화를 측정한다. 혼합 시료의 농도를 변화시켜가면서 TMP 변화 추이를 측정하여, TMP와 부유물질의 상관관계를 규명하였다.
- 공급탱크에 1 L의 원수를 채우고 원수의 부유물질이 가라앉지 않도록 교반기를 돌려주었다. 모듈에 분리막을 놓고 나사를 조여 결합한 뒤, 압력계의 압력을 0 bar로 영점 조정하였다. 정밀 연동펌프의 흡입유량을 5 mL/min으로 일정하게 유지하여, 일정한 투과량이 나오도록 하였다.
- 본 연구에서는 이산화규소 및 덱스트란(dextran, Sigma), 카올린(kaolin, Sigma-Aldrich), PEG (polyethylene glycol, Junsei) 용액을 대상으로 세라믹 분리막(나노기공) 및 직경 70 mm인 유리섬유 여과지 GF/C (Whatman, Cat. No. 1822070)과 GF/A (Whatman, Cat. No. 1820070)를 분리막 모듈에 장착하여 여과시키면서, TMP 변화를 측정하였다. 세라믹 분리막은 기공 크기(pore size)가 0.
- 분자량 11,600의 덱스트란 부유 수용액을 대상으로 측정 모듈에 GF/C를 장착한 후, 실험방법을 동일하게 일정 투과량 조건에서 여과시간에 따른 TMP의 변화를 측정하였다. 그 결과를 정리한 것이 Fig.
- 분자량과 성분이 다른 수용액과 하천수를 대상으로, 세라믹 분리막 및 GF/C, GF/A 유리섬유 여과지를 부유물질 측정용 분리막 모듈에 장착한 후 수용액과 하천수를 일정 투과량 조건에서 여과하는 동안 막오염에 의해 발생하는 TMP의 변화를 측정하였다. 공급탱크에 1 L의 원수를 채우고 원수의 부유물질이 가라앉지 않도록 교반기를 돌려주었다.
- 정밀 연동펌프의 흡입유량을 5 mL/min으로 일정하게 유지하여, 일정한 투과량이 나오도록 하였다. 수용액은 0.01, 0.1, 0.5, 1, 2, 4, 6, 8, 10 mg/L의 농도로 만들어 실험하였다. 정밀 연동펌프로 흡입되어 분리막을 투과한 처리수를 전자저울(electric balance) 위에 놓인 비이커에 모아서 2분마다 누적질량을 측정하였다.
- 시험방법으로는 유리섬유 여지(GF/C) 또는 이와 동등한 규격으로서 지름 47 mm의 것을 여과기에 부착하여 미리 물 20 mL씩으로 3회 흡인여과하여 씻었다. 그 다음 시계접시위에 놓고 105∼110℃ 건조기 안에서 2시간 건조시켜 황산 데시케이터에 넣어 방냉하고 항량으로 건조한 후, 무게를 정밀히 달고 여과기에 부착시켰다.
- 유리 섬유 여과지 GF/A (기공 1.6 µm)를 사용해서 같은 500,000 분자량의 덱스트란 부유 수용액을 사용하여 시험방법을 동일하게 실험을 실시하였다.
- 유리섬유 여과지 GF/C (기공 1.2 µm)를 부유물질 측정 모듈에 장착한 후, 분자량 500,000의 덱스트란 부유 수용액을 대상으로 30분 동안 막여과를 진행하면서 분리막 전후의 압력을 측정하여 TMP의 변화를 구하였다.
- 유리섬유 여지를 핀센트로 주의하면서 여과기에서 끄집어내어 시계접시위에 놓고 105∼110℃의 건조기 안에서 2시간 건조시켜 황산 데시케이터에 넣어 방냉한 다음 항량으로 하여 무게를 정밀히 측정하였다.
- 따라서 본 연구에서는 기존의 중량법과 광산란법과는 원리와 기술이 전혀 다른 입도별 부유물질 측정용 분리막 모듈 및 장치를 개발하기 위한 원리를 수립하기 위해 기초 자료를 확립하고자 하였다. 이러한 목적을 위하여, 이산화규소 및 덱스트란(dextran), 카올린(kaolin), PEG(polyethylene glycol) 용액을 대상으로 유리섬유 여과지 GF/C와 GF/A를 분리막 모듈에 장착하여 여과시키면서, 디지털 압력계를 사용하여 TMP 변화를 측정하였다. 이러한 실험 결과로부터 모사용액의 농도와 TMP 변화율 기울기의 상관관계식을 구하여, TMP 변화 기울기로부터 시료의 농도를 예측할 수 있도록 하였다.
- 본 연구에서는 부유물질 측정용 분리막 모듈 및 장치를 개발하기 위한 원리를 수립하기 위해 기초 자료를 확립하고자 하였다. 이러한 목적을 위하여, 이산화규소 및 덱스트란, 카올린, PEG 부유용액을 대상으로 세라믹 분리막 및 유리섬유 여과지 GF/C, GF/A를 분리막 모듈에 장착하여 여과시키면서, 디지털 압력계를 사용하여 TMP 변화를 측정한 결과 다음과 같은 결론을 도출할 수 있었다.
- 현재 평판형 고분자 분리막은 정수 및 폐수처리용으로 널리 보급되고 있는 단계이다. 이러한 분리막 중 기계적 인장 강도가 강한 고분자 분리막과 아직 널리 실용화되지 못한 세라믹 분리막을 문헌 및 전산자료를 활용하여 조사하였다.
- 이러한 목적을 위하여, 이산화규소 및 덱스트란(dextran), 카올린(kaolin), PEG(polyethylene glycol) 용액을 대상으로 유리섬유 여과지 GF/C와 GF/A를 분리막 모듈에 장착하여 여과시키면서, 디지털 압력계를 사용하여 TMP 변화를 측정하였다. 이러한 실험 결과로부터 모사용액의 농도와 TMP 변화율 기울기의 상관관계식을 구하여, TMP 변화 기울기로부터 시료의 농도를 예측할 수 있도록 하였다.
- 이산화규소 및 덱스트란, 카올린 부유 수용액을 대상으로 TMP 변화 실험을 하였고, 이번에는 PEG 부유용액을 사용해서 모듈에 GF/C를 장착한 후 동일한 방법으로 TMP 변화를 측정하였다. PEG는 용해보조제나 고분자 합성 시에 사용되는 원료물질로, 용해시키고자 하는 물질의 종류에 따라, 또는 합성하고자 하는 고분자의 종류에 따라 적절한 PEG를 선택하여 사용한다.
- 5, 1, 2, 4, 6, 8, 10 mg/L의 농도로 만들어 실험하였다. 정밀 연동펌프로 흡입되어 분리막을 투과한 처리수를 전자저울(electric balance) 위에 놓인 비이커에 모아서 2분마다 누적질량을 측정하였다. 총 실험시간은 30분으로 각각 일정하게 유지하였으며, 유입부와 유출부의 디지털 압력 변환기의 신호를 컴퓨터에 전송하여 실시간으로 막간압력차(TMP)의 변화를 저장하였다.
- 정밀 연동펌프로 흡입되어 분리막을 투과한 처리수를 전자저울(electric balance) 위에 놓인 비이커에 모아서 2분마다 누적질량을 측정하였다. 총 실험시간은 30분으로 각각 일정하게 유지하였으며, 유입부와 유출부의 디지털 압력 변환기의 신호를 컴퓨터에 전송하여 실시간으로 막간압력차(TMP)의 변화를 저장하였다.
- 춘천시 지역 내 의암호 주변의 지류인 율무천, 만천천, 공지천, 팔미천, 강촌천의 실제 하천수를 2008년 9월 5일 직접 채수하여 모사 부유 수용액을 대상으로 실행한 방법과 동일하게 GF/C를 모듈에 장착한 후 TMP 변화 실험을 실시하였다. 또한, 각 지류에서 채수한 하천수의 부유물질(SS)를 유리섬유 여지법[9]으로 측정하였다.
- 카올린 부유 수용액를 대상으로 덱스트란에 대한 실험에서 실시했던 방법과 동일하게 TMP 변화 측정 실험을 실시하였다. 유리섬유 여과지 GF/C를 사용하였고, 총여과시간을 30분으로 하였다.
- 유리섬유 여과지 GF/C를 사용하였고, 총여과시간을 30분으로 하였다. 카올린 부유 수용액의 농도는 덱스트란의 경우와 동일하게 4, 6, 8, 10 mg/L로 하였다. 그 결과를 정리한 Fig.
- 평판형 분리막을 장착하여 일정 투과량 조건에서 TMP를 측정할 수 있는 모듈을 설계하고, 내부 변화를 쉽게 관찰할 수 있도록 Fig. 1에서 보는 바와 같이 아크릴 재질로 제작하였다. Fig.
- 다양한 분자량의 덱스트란을 일정 비율로 혼합하여 표준시료를 준비한 후, 일정 투과유량 조건에서 분리막 모듈을 통과시키면서 TMP의 변화를 측정한다. 혼합 시료의 농도를 변화시켜가면서 TMP 변화 추이를 측정하여, TMP와 부유물질의 상관관계를 규명하였다.
대상 데이터
- 국내 분리막 제조회사와 국외 분리막 구매 대행회사를 통하여 다양한 기공의 크기를 가진 평판형 고분자 및 세라믹 분리막을 구입하였다.
이론/모형
- 춘천시 지역 내 의암호 주변의 지류인 율무천, 만천천, 공지천, 팔미천, 강촌천의 실제 하천수를 2008년 9월 5일 직접 채수하여 모사 부유 수용액을 대상으로 실행한 방법과 동일하게 GF/C를 모듈에 장착한 후 TMP 변화 실험을 실시하였다. 또한, 각 지류에서 채수한 하천수의 부유물질(SS)를 유리섬유 여지법[9]으로 측정하였다. 그 결과를 정리한 것이 Fig.
성능/효과
- 1) 기공의 크기가 0.1 µm인 세라믹 분리막으로 이산화규소를 여과한 경우, 이산화규소 부유 수용액의 농도에 따른 TMP 변화 기울기의 상관도가 매우 미약함을 알 수 있다.
- 2) 동일한 분자량 500,000의 덱스트란 용액에 대한 GF/C와 GF/A의 TMP 변화 실험 결과, 농도에 따른 TMP의 변화율 기울기는 기공의 크기가 더 작은 GF/C가 GF/A 보다 작은 값을 나타냈다. 이것은 동일한 분자량의 부유수용액에서 분리막의 기공이 작을수록 막오염이 급격하게 발생하여, 부유 수용액 농도가 증가할수록 TMP의 변화율이 가파르게 증가하기 때문이다.
- 3) 카올린 농도에 대한 TMP 변화율의 기울기는 6.12 ×10-5로, 분자량 11,600과 500,000 덱스트란의 경우보다 큰 값을 나타내었다.
- 4) PEG 수용액 역시 농도가 증가할수록 TMP 변화율이 증가하는 경향을 보였으나, 그 상관계수가 0.836으로 이산화규소 및 덱스트란, 카올린의 경우보다 낮은 상관관계를 나타내었다. 한편, TMP 변화율의 기울기가 1.
- 5) 실제 하천수 역시 하천수의 부유물질 농도가 증가함에 따라 TMP 변화율의 기울기가 증가하였다. 그러나 부유물질 농도와 TMP 변화율 기울기의 상관계수는 0.
- 그 결과, PEG 농도에 대한 TMP 변화율의 상관계수는 0.901로 다소 증가하였고, TMP 변화율의 기울기는 4.93 × 10-4로 다소 감소하였다.
- 8이다. 그 결과를 살펴보면, PEG 수용액 역시 농도가 증가할수록 TMP 변화율이 증가하는 경향을 보여주고 있으나, 그 상관계수 R2이 0.836으로 이산화규소 및 덱스트란, 카올린의 경우보다 낮은 상관관계를 나타내었다. 한편, PEG 농도의 증가에 대한 TMP 변화율의 기울기가 1.
- 카올린 부유 수용액의 농도는 덱스트란의 경우와 동일하게 4, 6, 8, 10 mg/L로 하였다. 그 결과를 정리한 Fig. 7에서 보는 바와 같이, 카올린 농도가 증가함에 따라 TMP 변화의 기울기가 증가하였다. 카올린 농도에 대한 TMP 변화율의 기울기는 6.
- 또한, 각 지류에서 채수한 하천수의 부유물질(SS)를 유리섬유 여지법[9]으로 측정하였다. 그 결과를 정리한 것이 Fig. 10인데, 하천수 역시 일정 투과량 조건에서 여과시간이 진행됨에 따라 TMP가 증가하였고, 하천수의 부유물질 농도가 증가함에 따라 TMP 변화율의 기울기가 증가하였다. 그러나 부유물질 농도와 TMP 변화율 기울기의 상관계수는 0.
- 분자량 11,600의 덱스트란 부유 수용액을 대상으로 측정 모듈에 GF/C를 장착한 후, 실험방법을 동일하게 일정 투과량 조건에서 여과시간에 따른 TMP의 변화를 측정하였다. 그 결과를 정리한 것이 Fig. 6으로, 역시 덱스트란 부유 수용액의 농도가 증가할수록 TMP의 변화율이 증가하는 것을 알 수 있었다. 덱스트란 농도에 대한 TMP 변화율의 기울기는 3.
- 이들 특허 모두 광원을 시료에 조사하여 측정부에서 생성된 형광과 산란광을 광학센서를 이용하여 측정한 후, 부유물질로 환산 계산하는 기술이다. 따라서 본 과제에서 개발하고자 하는 입도 별 부유물질 측정 분리막 모듈 및 장치는 그 원리가 전혀 다르며, 입도별 부유물질 측정이 가능하다는 장점을 가지고 있다.
- 분야별 환경시장 중 환경측정 및 분석장비 시장은 2000년 98억 달러에서 2010년 130억 달러로 약 33%가 증가될 것으로 예상되며, 이 중 중국의 환경 측정기기 분야는 기술적인 낙후로 인하여 환경관리 감독, 긴급 현장측정 등을 위해 휴대형 측정기기의 수요가 지속적으로 증가하고 있는 것으로 조사되었다. 일례로 쓰촨성 환경보호국에 따르면 성내 환경측정기기 분야에 매년 3,000만∼5,000만 위안의 예산이 소요될 것으로 전망되고 있다.
- 실제 하천수는 다양한 크기의 여러 가지 물질들이 혼합되어 있으나, 이러한 분리막 모듈을 이용한 TMP 변화 실험을 통하여 TMP 변화율 기울기로부터 역으로 하천수의 부유물질의 양을 도출할 수 있는 가능성을 보여 주었다. 앞으로 여러 분자량의 덱스트란과 PEG 부유용액을 대상으로 TMP 변화 실험을 수행하여, 분리막 모듈을 이용한 부유물질 측정장치의 기초 자료를 확립할 것이다.
- 75 × 10-5보다 상당히 큰 값이다. 이러한 결과로부터 분자량만 아니라 물질에 따라 TMP 변화율 기울기가 변할 수 있다는 것을 알 수 있었다.
후속연구
- 실제 하천수는 다양한 크기의 여러 가지 물질들이 혼합되어 있으나, 이러한 분리막 모듈을 이용한 TMP 변화 실험을 통하여 TMP 변화율 기울기로부터 역으로 하천수의 부유물질의 양을 도출할 수 있는 가능성을 보여 주었다. 앞으로 여러 분자량의 덱스트란과 PEG 부유용액을 대상으로 TMP 변화 실험을 수행하여, 분리막 모듈을 이용한 부유물질 측정장치의 기초 자료를 확립할 것이다. 이러한 분리막 모듈을 이용한 부유물질 측정 원리를 특허[10]로 출원하였다.
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