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용존 철(II) 제거를 위한 미셀형성 세라믹 정밀여과: 계면활성제 농도 및 질소 역세척의 영향
Micellar Enhanced Ceramic Microfiltration for Removal of Aqueous Ferrous Ion: Effect of Surfactant Concentration and $N_2$-back-flushing 원문보기

멤브레인 = Membrane Journal, v.19 no.2, 2009년, pp.136 - 144  

박진용 (한림대학교 환경생명공학과) ,  강성규 (한림대학교 환경생명공학과)

초록
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본 연구에서는 공업용수 중에 미량 함유될 수 있는 철 이온 제거를 위해 철 용액에 음이온 계면활성제 SDS를 주입하여 미셀을 형성한 후, 미셀 표면에 철 이온의 흡착 또는 결합으로 형성된 응집체를 관형 세라믹 정밀여과막으로 제거하였다. 음이온 계면활성제의 영향을 살펴보기 위해 일정한 1mM의 철 농도에서 음이온 계면활성제의 농도를 $0{\sim}10mM$로 변화시켰다. 그 결과, 6mM 일 때 가장 높은 철 제거율 88.97%를 보였다. SDS 농도에 따른 미셀 응집체의 입도 분포를 확인하기 위해 전기영동광산란분광광도계(Electrophoretic Light Scattering Spectrometer)를 사용하여 분석 한 결과, 6mM 일때 큰 응집체의 분포도가 가장 높았다. 또한, 세라믹 분리막에 대하여 주기적 질소 역세척을 실시할 경우 역세척 주기의 영향을 조사하였다. 그 결과, NCMT-7231 (평균기공 $0.10{\mu}m$) 분리막의 최적 역세척 시간(BT)는 20초이었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this study, sodium dedocyl sulfate (SDS), which was anionic surfactant, was added for forming micelles to remove ferrous ions that could be contained with a small amount in industrial water. Then aggregates were formed by adsorption or binding of ferrous ions on the surface of micelles, and then ...

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

  • 1 mM의 철 용액에 농도별로 SDS 주입 후, 세라믹 분리막으로 여과운전 시 SDS 농도 변화가 여과인자즉, 총여과부피(Vt) 및 180분 후 최종 막오염의 저항 (Rf, 180), 초기투과선속(Jo), 180분 후 최 종투과선속(J180), 막 자체의 저항(Rm)에 미치는 영향을 알아보았다. 이러한 여과인자들은 직렬여과저항 모델식(resistance-in series model)[22]을 이용하여 선행 연구 결과[15]의 방법으로 계산하였고, 그 결과를 정리한 것이 Table 4이다.
  • 25 L의 용량을 가지는 공급탱크에 준비된 1 mM 철 용액 2.0 L를 채우고, SDS 농도 변화에 따른 철 제거율을 알아보기 위하여 2, 4, 6, 8, 10 mM 농도가 되도록 SDS를 주입하였다. SDS의 완전한 용해를 위해 교반기를 이용하여 30 min, 200 rpm으로 교반한 후, 막 모듈 안으로 용액을 이송하였다.
  • 이용하여 측정하였다. COD kit에 시료를 2 mL 주입하여 2시간 동안 150℃에서 가열한 후 상온까지 식힌 다음 분광광도계를 이용하여 COD 농도를 즉정하였다. 한편, COD 실험을 통한 SDS 분석은 공급 수에 계면활성제를 제외한 유기물은 거의 없으며, 용액에 존재하는 철은 COD 값에 거의 영향을 미치지 않아서 SDS의 농도와 COD 값이 서로 상관관계를 보였다.
  • 이온을 제거하였다. SDS 농도 및 역세척 시간(BT)에 따라 용존 2가 철과 SDS의 제거율의 영향을 알아보고, 직 렬 여과저항 모델식을 사용하여 투과량 측정값으로부터 계산한 막오염에 의한 저항(Rf) 및 무차원한 투과 선속(J/J), 투과선속(J), 총여과부피(Vt)를 비교한 결과, 다음과 같은 결론을 내릴 수 있었다.
  • SDS 농도 변화에 따라 음이온 계면활성제 SDS와 양이온의 철 이온이 정전기적인 결합과 흡착으로 형성한 응집 체 의 입 도분포와 평 균크기를 전기영 동광 산란 분광광도계로 분석하였다. 1 mM의 철 용액에 SDS를 2, 4, 6, 8 및 10 mM로 각각 주입하여 분석한 결과, Fig.
  • 한편, 철 용액 제조는 iron (11) ammonium sulfate (FeSQKNHQzSQi , 6H2O, 양리화학)를 사용하여, 1 mM 농도로 준비하였다. 또한 SDS 의 농도를 0, 2, 4, 6, 8, 10 mM로 제조하여 사용하였다.
  • 실험은 준비된 1 mM의 철 용액에 미셀을 형성시키기 위해 6 mM 농도가 되도록 SDS를 주입하였다. 또한 역세척 주기를 15분, TMP는 1.8 bar, 역세척 시 질소의 압력 2.0 bar으로 일정하게 유지하면서, BT 조건을 역세척 없을 때(NBF), 5초, 10초, 15초, 20초로 변화시키면서 이에 따른 영향을 살펴보았다.
  • 전자저울(Ohaus, GT series, USA)로 무게를 측정하여 플럭스를 계산하였다. 또한, 모든 실험은 실온(20 ±1℃)에서 수행하였으며, 180 min 운전 후 분석을 위해 공급탱크와 투과 수에서 시료를 채취하였고, 막간압력차(TMP)는 1.8 kgf/cm2, 유량은 1 L/min으로 일정하게 유지시켰다. 한편, 각각의 실험이 끝난 뒤에는 분리막을 회복시키기 위하여 모듈에서 분리막을 탈착하여, 550℃에서 20분간 강열하고, 수산화나트륨 및 질산수용액으로 화학세정한 뒤 다음 실험을 진행하였다.
  • 이 때, 음이온 계면활성제 SDS의 농도에 따른 Fe 제거율을 알아보았다. 또한, 분리막에서 발생하는 막오염 현상을 최소화하기 위하여 질소 기체로 주기적 역세척을 수행하였다. 역세척 수행 시, 역세척 시간(back-flushing time, BT)의 변화에 따른 투과량을 측정한 실험결과를 직렬여과저항식을 사용하여 해석하였다.
  • 본 연구에서는 공업용수 중에 미량 함유될 수 있는 철 이온 제거를 위해 철 용액에 음이온 계면활성제 SDS를 주입하여 미셀을 형성한 후, 미셀과 철 이온이 결합된 응집체를 관형 세라믹 정밀여과막으로 배제하여 철 이온을 제거하였다. 이 때, 음이온 계면활성제 SDS의 농도에 따른 Fe 제거율을 알아보았다.
  • 본 연구에서는 공업용수 중에 미량 함유될 수 있는 철 이온 제거를 위해 철 용액에 음이온 계면활성제 SDS를 주입하여 미셀을 형성한 후, 미셀과 철 이온이 결합된 응집체를 관형 세라믹 정밀여과막으로 배제하여 철 이온을 제거하였다. 이 때, 음이온 계면활성제 SDS의 농도에 따른 Fe 제거율을 알아보았다.
  • )에 의해 공급탱크로부터 분리막 모듈 안으로 원수가 유입되고, 펌프 우회관을 설치하여 분리막에서의 유량과 압력을 조절할 수 있도록 하였다. 분리막에 유입되는 유량은 유량계(RM-85D, Dwyer)로 측정하고, 입구와 출구부에 각각 6 bar까지 측정할 수 있는 압력계를 설치하여 막 내에서 압력차를 측정하였다. 본 여과장치는 위쪽 지지체를 조정이 가능하게 설치하여, 막모듈의 크기가 다른 경우에도 쉽게 장착하여 실험할 수 있도록 하였다5].
  • 세라믹 분리막 공정에서 막오염으로 인한 투과 유속의 감소를 줄이기 위해 질소 기체로 역세척을 하면서, BT의 영향에 따른 최적운전 조건을 알아보았다. 실험은 준비된 1 mM의 철 용액에 미셀을 형성시키기 위해 6 mM 농도가 되도록 SDS를 주입하였다.
  • 역세척 효과에 대한 실험을 위하여 투과액 배출구와 질소 투입구에 각각 솔레노이드 밸브(solenoid val.,e: CKD, Japan)를 설치하였고, 막 투과압력에 관계없이 역세척 동안 막의 내부 압력을 일정하게 유지시키기 위하여 막의 우회관에 솔레노이드 밸브를 장착하였다. 이들 세 개의 솔레노이드 밸브는 모두 하나의 시간 제어계 (twin timer: Omron, Japan)에 연결 부착되어 밸브의 개 .
  • 음이온 계면활성제 SDS의 농도는 COD kit (HACK, USA)를 이용하여 측정하였다. COD kit에 시료를 2 mL 주입하여 2시간 동안 150℃에서 가열한 후 상온까지 식힌 다음 분광광도계를 이용하여 COD 농도를 즉정하였다.
  • 철 이온을 제거하였다. 이 때, 음이온 계면활성제 SDS의 농도에 따른 Fe 제거율을 알아보았다. 또한, 분리막에서 발생하는 막오염 현상을 최소화하기 위하여 질소 기체로 주기적 역세척을 수행하였다.
  • 입 도분석 은 전기 영 동광산란분광광도계(ELS, Electrophoretic Light Scattering Spectrometer, ELS-8000, Otsuka, Japan)를 사용하여 SDS 농도에 따른 입도분포를 측정하였다.
  • SDS의 완전한 용해를 위해 교반기를 이용하여 30 min, 200 rpm으로 교반한 후, 막 모듈 안으로 용액을 이송하였다. 전자저울(Ohaus, GT series, USA)로 무게를 측정하여 플럭스를 계산하였다. 또한, 모든 실험은 실온(20 ±1℃)에서 수행하였으며, 180 min 운전 후 분석을 위해 공급탱크와 투과 수에서 시료를 채취하였고, 막간압력차(TMP)는 1.
  • )와 연결하여 온도를 Z)℃로 일정하게 유지하였다. 펌프(Procon, Standex Co.)에 의해 공급탱크로부터 분리막 모듈 안으로 원수가 유입되고, 펌프 우회관을 설치하여 분리막에서의 유량과 압력을 조절할 수 있도록 하였다. 분리막에 유입되는 유량은 유량계(RM-85D, Dwyer)로 측정하고, 입구와 출구부에 각각 6 bar까지 측정할 수 있는 압력계를 설치하여 막 내에서 압력차를 측정하였다.
  • 8 kgf/cm2, 유량은 1 L/min으로 일정하게 유지시켰다. 한편, 각각의 실험이 끝난 뒤에는 분리막을 회복시키기 위하여 모듈에서 분리막을 탈착하여, 550℃에서 20분간 강열하고, 수산화나트륨 및 질산수용액으로 화학세정한 뒤 다음 실험을 진행하였다.

대상 데이터

  • SDS의 농도에 따른 철 제거율을 알아보기 위하여, NCMT-7231 (0.1 μm)의 세라믹 분리막에 대하여 철의 농도가 1 mM인 합성용액을 대상으로, SDS의 농도 증가에 따른 철 및 SDS, 탁도, 총용존고형물(TDS)의 평균 제거율을 나타낸 것이 Table 3이다. Fig.
  • 본 연구에서 사용한 분리막은 국내 나노기공소재(주) 의 제품으로서 관형세라믹 분리막이다. 이러한 세라믹 분리막의 특성으로는 유기질 막에 비해 기계적 강도와 화학적 안정성이 우수하여 장시간 사용이 가능하다.

이론/모형

  • 공급수 및 처리수의 수질을 분석하기 위하여 철은 오페난트로닌법을 Spectrophotometer (HARK DR/2010, USA)로 측정하였고, 탁도는 Turbidimeter (2100N, HACH, USA)로, pH, 전기전도도 및 총용존고형물은 Multi-parameter Analyzer (C861, CONSORT, GER)를사용하여 측정하였다.
  • 또한, 분리막에서 발생하는 막오염 현상을 최소화하기 위하여 질소 기체로 주기적 역세척을 수행하였다. 역세척 수행 시, 역세척 시간(back-flushing time, BT)의 변화에 따른 투과량을 측정한 실험결과를 직렬여과저항식을 사용하여 해석하였다.
  • 이러한 여과인자들은 직렬여과저항 모델식(resistance-in series model)[22]을 이용하여 선행 연구 결과[15]의 방법으로 계산하였고, 그 결과를 정리한 것이 Table 4이다.
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참고문헌 (23)

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