[논문]유·무기계 역삼투 복합막의 제조와 해양심층수의 기능화 특성분석

임경빈; 홍영기

doi:10.12772/tse.2013.50.337

유·무기계 역삼투 복합막의 제조와 해양심층수의 기능화 특성분석
Preparation of Inorganic/Organic Reverse Osmosis Composite Membrane and Its Performance for Desalination of Deep Ocean Water

한국섬유공학회지 = Textile science and engineering, v.50 no.5, 2013년, pp.337 - 343

임경빈 ((주)선진인더스트리 기업부설연구소) , 홍영기 (건양대학교 패션디자인산업학과)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, a microfilter medium was prepared using a melt-blown system and used as a pre-filter in a reverse osmosis (RO) separation system. Asymmetric RO composite membranes, which are inorganic/organic-reverse osmosis (IPO-RO) membranes composed of polysulfone and polyamide with tourmaline nanoparticles, have been designed to develop a new desalination membrane showing high selectivity and permeability. The practical separation performance of IPO-RO composite membranes was investigated for the desalination of seawater, especially for deep ocean water. The separation characteristics of IPO-RO composite membranes were discussed by changing some parameters such as applied pressure and temperature. The permeation flux of the IPO-RO composite membranes was investigated using a module composed of RO plate-frame and spiral wound units. The solute rejection and flux for the IPO-RO composite membrane were 99.0-99.4% and 7.4-23.3 $L/m^2{\cdot}h$ in deep ocean water at $20^{\circ}C$, respectively. Further, the separation performance of the IPO-RO composite membrane for deep ocean water was very steady-state for a long time. Remarkably, the solution permeated through the IPO-RO composite membrane matched drinking water standards.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 유기계 역삼투막의 미흡한 점을 보완하고 양질의 음용수를 제조하기 위하여 유기계 고분자물질인 폴리아미드계 소재와 전기장형성, 음이온 발생, 계면활성 작용, 원적외선 방사, 미네랄 용출효과 및 물을 활성화시키는 무기계 고분자 물질인 나노토르말린을 소재로 유·무기계 역삼투(IPO-RO) 복합막을 제조하고, 역삼투 파일럿형 시스템을 설계·제작하여 해양심층수의 투과특성과 투과용액에 대한 음용수 적합성 등의 특성을 분석함으로써 해양심층수의 담수화에 관한 체계적 연구의 기반을 구축하였다.
본 연구에서는 해양심층수의 기능화에 응용 가능한 유·무기계 역삼투막을 제조하기 위하여 유기고분자막, 즉 폴리술폰 고분자와 폴리아미드계 고분자를 바탕으로 유기고분자막 형성시 무기계 고분자물질인 나노크기입자의 토르말린 물질을 함침하여 새로운 복합기능을 갖는 IPO-RO 역삼투 복합막을 제조하였다.
해양심층수 분리특성은 적정 NaCl 수용액의 분리특성에 의한 분리막의 담수화 적용가능성이 검토된 후 평가하였다. 유·무기계 역삼투 복합막의 나권형 모듈 및 평판형 모듈을 분리장치에 선택적으로 설치하고, 피분리액은 강원도 고성지역에서 취수된 해양심층수를 사용하였다.

제안 방법

PET 부직포 보강재에 PS 미세다공성 지지층을 상전환법으로 형성시키고, PS 지지층 위에 나노토르말린과 폴리아미드를 혼합하여 박막형태로 코팅하여 활성층으로 구조화 시킴으로써, 평판형 유·무기계 역삼투 복합막을 제조하였다.
역삼투막으로 적합한 기공크기의 활성층을 갖도록 나노토르말린과 폴리아미드 혼합용액을 한외여과 복합막 위에 박막형태로 코팅하였다. 박막형태로 코팅하기 위하여 우선 0.1~0.3 wt%의 나노토르말린과 2 wt%의 MPD를 증류수에 브랜딩시켜 수용액을 만들었다. 한외여과 복합막을 수용액에 예비 침지시킨 후, 바로 0.
역삼투막으로 적합한 기공크기의 활성층을 갖도록 나노토르말린과 폴리아미드 혼합용액을 한외여과 복합막 위에 박막형태로 코팅하였다. 박막형태로 코팅하기 위하여 우선 0.
유효막면적 113 cm2를 갖는 평판형 모듈에서 25°C의 온도에서 적용압력을 30, 40, 50 kgf/ cm2로 변화시켰다.
응고욕에서 상전환이 완전히 끝난 복합막을 꺼내어 25°C의 진공오븐에서 건조시켜, 부직포 위에 균일한 두께를 갖는 복합막을 제조하였다.
이때 공급액의 온도는 일정한 온도 20°C에서 적용압력을 20, 30, 40, 50 kg/cm2로 변화시켜 분리시간에 따른 투과유량 및 배제율을 측정하였다.
제조된 유·무기계 역삼투(IPO-RO) 복합막의 순수투과 와 해양심층수 분리특성을 평가하기 위해 파일럿형 시스템을 제작하였다.
PS 고분자는 15 wt%의 농도로 DMAc에 용해시켜, 겔상태의 제막용액을 제조하였다. 제조된 제막용액은 아스피레이터를 이용하여 기포를 제거시켰으며, 평평한 유리판 위에 PET 부직포의 가장자리를 고정시키고, 일정한 두께의 스페이서를 부직포 가장자리에 부착시킴으로써 막두께를 조절하면서 나이프캐스팅하였다. 그 후 대기 중의 방치시간을 갖지 않고 즉시 실온의 증류수 비용매로 채워진 응고욕에 침지시켰다.
토르말린 함량이 막에 미치는 영향을 알아보기 위해 0.1 wt%, 0.2 wt%, 0.3 wt%의 토르말린 농도별 NaCl 수용액 분리특성을 평가하였다. 유효막면적 113 cm²를 갖는 평판형 모듈에서 25°C의 온도에서 적용압력을 30, 40, 50 kgf/ cm²로 변화시켰다.
한편 역삼투 분리막의 분리모듈은 형태에 따라 관형, 중공사형, 평판형, 나권형으로 나뉘어지며, 본 파일럿형 시스템 장치에서 사용된 분리 모듈은 평판형 모듈과 나권형 모듈을 실험 조건에 따라 선택적으로 장착하여 실험을 실시하였다. 평판형 모듈은 공급측과 투과측에 각각 스페이서가 설치되며, 밀폐용 실(seal) 링과 평편형틀에 의해 구조가 완성된다.
이때 공급액의 온도는 일정한 온도 20°C에서 적용압력을 20, 30, 40, 50 kg/cm²로 변화시켜 분리시간에 따른 투과유량 및 배제율을 측정하였다. 한편 음용수로서 적합성을 평가하기 위하여 해양심층수를 적용압력 50 kgf/cm²에서 심층수 분리 실험 한 투과수를 ICP-MS로 정량 분석하였다.

대상 데이터

PS의 스폰지구조 및 핑거구조의 다공성 지지층막 위에 막 여과에서 핵심부분인 유·무기계 활성층을 박막형태로 코팅하여 구조화시키기 위하여, 나노토르말린(tourmaline, Shenzhen Become Industry and Trade Co.), m-phenylenediamine(MPD, Alfa Aesar Co.), 2차 증류수, trimesoyl chloride(TMC, Sigma-Aldrich), n-hexane (Sigma-Aldrich Co.)이 사용되었다.
유·무기계 역삼투 복합막은 PET 부직포 보강재, 미세다공성 지지층과 활성층으로 구성된다. 보강재 역할로 사용되는 부직포 필터는 조밀한 기공도를 갖는 PET 부직포(MF-135K, Japan)가 사용되었으며, 미세다공성 지지층을 구성하는 고분자는 polysulfone(PS, Udel P-3500, Amico.)이 사용되었고, 제막 용매는 N,N-dimethyl acetamide(DMAc, Sigma-Aldrich Co.) 비용매는 용매와 잘 섞이는 것으로 2차 증류수를 사용하였다.
유·무기계 역삼투 복합막의 나권형 모듈 및 평판형 모듈을 분리장치에 선택적으로 설치하고, 피분리액은 강원도 고성지역에서 취수된 해양심층수를 사용하였다.

이론/모형

PET 부직포 위에 다공성 PS막과 폴리아미드와 토르말린이 함침되어 있는 구조로 본 실험에서 제조된 유·무기계 역삼투 복합막의 구조를 관찰하기 위해 주사전자현미경(SEM, stero-scan 360)이 사용되었다.

성능/효과

1. 유무기계 복합막 제조시 나노 토르말린의 함량은 0.1 wt%에서 0.2, 0.3 wt%로 증가할수록 투과유량은 큰 영향을 주지 않았으나, 배제율은 조금 감소하는 경향을 보여, 나노 토르말린의 최적함량을 0.2 wt%로 설정하여 제조하였다.
2. 제조된 IPO-RO 복합막은 유기막의 특성과 무기계 고분자인 토르말린 특성이 고려된 물리·화학적 방법에 의한 새로운 역삼투 분리특성을 갖는 분리막으로 심층수의 투과분리특성은 온도 20°C, 압력 20~50 kgf/cm2의 범위에서 투과유량은 7.4~23.3 Flux(L/m2·h)와 배제율 99~99.4%를 각각 나타냄으로써 역삼투막의 적용가능성이 확인되었다.
3. IPO-RO 복합막을 통한 투과용액은 음용수 수질기준과 비교하여 경도, total solid 등 조성성분을 분석한 결과 모든 원소가 기준값 이하로 음용수로써 적합함이 확인되었으며, 특히 토르말린의 선택 투과에 의하여 Ca²⁺, Mg²⁺ 등의 미네랄 함유량이 높아진 것으로 판단된다.
Table 1에서 나타낸 것과 같이 상용 RO막과 본 실험에서 제조된 막을 통해 파일럿형 분리실험에 의해 얻어진 투과수는 모두 음용수 수질기준에 적합함을 확인하였고, 특히 본 연구에서 제조된 IPO-RO 복합막을 투과된 경우 Ca²⁺, Mg²⁺ 등의 미네랄 함량이 약간 높게 나타났다. 이는 분리막의 활성층에 함침되어 있는 무기물질인 토르말린에 의한 미네랄 선택 투과에 기인한 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	해양심층수 생수 제품이 개발되어 시판되는 이유는?	한편 해양심층수는 햇빛이 도달하지 않는 바다 200 m이상 깊이에서 채취한 바닷물로서 사람 몸에 좋은 영양염류와 칼슘, 마그네슘, 칼륨, 나트륨 등의 미네랄 함유량이 일반 생수보다 최대 50배 가량 많기 때문에 탈염 정제하여 생수로 활용되지만 이 외에도 주류, 두부, 김치, 화장품, 의료 등 기능수로 활용가능한 제품이 300여 종에 이를 정도로 실용화 가능성이 매우 높은 자원이다. 그러므로 해수의 담수화 보다 개발이 용이한 해양 심층수에 관심을 갖게 되고 연구 및 개발이 본격화 되어 미국, 일본과 우리나라를 비롯한 선진국을 중심으로 해양심층수 생수 제품이 시판되고 있는 실정이다[11-13].
	토르말린의 효과는?	전기석이라고도 불리는 토르말린(tourmaline)은 자연에 존재하는 무기광물질로 영구적인 미약전류 발생에 의한 효과로 전기장형성, 음이온 발생 및 계면활성작용이 있고 원적외선 방사에 의한 효과 및 미네랄 용출효과가 있고, 물에 접촉할 때 효과가 극대화되어 물을 활성화 하는 작용이 있다[1-4].
	해수담수화란?	해수담수화는 지구상에 풍부하게 존재하는 물의 97.5%를 차지하는 해수로부터 염분 등을 제거하여 담수를 얻는 기술로서 댐 개발과 같은 전통적인 수자원 개발방법에 의해 발생되는 환경파괴 등의 부담없이 다량의 수자원을 확보할 수 있는 장점이 있으므로 물 부족 국가뿐만 아니라 기술이 앞선 선진국들도 신기술개발에 큰 관심을 가지고 있다[5-7].

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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