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관형 세라믹 정밀여과와 광촉매 첨가 PES 구를 이용한 혼성 수처리 공정에서 pH 및 산소 역세척의 영향
Effect of pH and Oxygen Back-flushing on Hybrid Water Treatment of Tubular Ceramic MF and Photocatalyst Loaded Polyethersulfone Beads 원문보기

멤브레인 = Membrane Journal, v.24 no.1, 2014년, pp.39 - 49  

박진용 (한림대학교 환경생명공학과) ,  박성우 (한림대학교 환경생명공학과) ,  변홍식 (계명대학교 화학시스템공학과)

초록
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고도정수처리를 위한 관형 세라믹 정밀여과와 이산화티타늄($TiO_2$) 광촉매 첨가 PES (polyethersulfone) 구의 혼성공정에서 pH 및 산소 역세척의 영향을 막오염에 의한 저항($R_f$) 및 투과선속(J), 총여과부피($V_T$)의 관점에서 고찰하였다. pH가 높아질수록 $R_f$가 감소하고, J는 증가하는 경향을 보였다. 결과적으로 pH 9에서 최대의 $V_T$를 나타내었다. 탁도의 처리효율은 pH와 무관하게 98.7~99.0%의 비슷한 처리효율을 보였다. 용존유기물질(DOM)의 처리효율은 pH가 높아질수록 감소하였다. 산소와 질소 역세척의 차이를 비교한 결과, $R_{f,180}$ 값이 산소 역세척 시 질소보다 낮게 나타났고, 초기투과선속($J_0$)으로 무차원 화한 최종투과선속($J_{180}/J_0$)은 역세척 주기(FT) 10분과 12분을 제외하고 산소 역세척이 질소 보다 높게 유지되었다. 산소 역세척 시 탁도물질의 처리효율은 질소 보다 다소 높게 나타났지만, 그 차이는 미비하다. 질소 역세척 시 DOM의 처리율은 산소보다 높게 나타났다. 또한, 포화산소 조건에서 탁도물질의 처리율은 산소 또는 질소 역세척 경우와 비슷하게 나타났지만, 포화산소가 광촉매와 반응하여 OH 라디칼을 생성하였기 때문에 DOM의 처리효율은 큰 폭으로 증가하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

The effects of pH and oxygen back-flushing were investigated in hybrid process of ceramic microfiltration and PES (polyethersulfone) beads loaded with titanium dioxide ($TiO_2$) photocatalyst for advanced drinking water treatment in viewpoints of membrane fouling resistance ($R_f$

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 동일한 광촉매 첨가 PES 구와 정밀여과의 혼성수처리에서 질소 역세척한 결과[28]와 본 연구의 산소 역세척 결과를 고찰하였다. 또한, 공급수 내 산소를 포화시켜 포화 산소가 처리효율과 막오염에 미치는 영향을 알아보았다.
  • 동일한 광촉매 첨가 PES 구와 정밀여과의 혼성수처리에서 질소 역세척한 결과[28]와 본 연구의 산소 역세척 결과를 고찰하였다. 또한, 공급수 내 산소를 포화시켜 포화 산소가 처리효율과 막오염에 미치는 영향을 알아보았다. 모사용액은 카올린과 휴믹산 농도를 각각 30 mg/L와 10 mg/L로 유지시키고, PES 구의 농도를 40 g/L로, BT 10초로 고정하고, 역세척 기체를 질소 대신 산소로 교체하여 본 연구를 진행하였다.
  • 휴믹산과 카올린의 농도가 일정한 조건에서 pH와 산소 역세척 주기를 변화시키면서 막오염과 처리효율에 미치는 영향을 고찰하였다. 또한, 공급수 내 산소를 포화시켰을 때 처리효율과 막오염에 미치는 영향을 알아보았다.
  • 또한, 산소 역세척 주기(FT, filtration time)의 영향 실험에서는 산소 역세척 주기를 NBF (no back-flushing), 20, 14, 12, 10, 8, 6분으로 변화시키면서 FT의 영향을 알아보았다. 또한, 공급액을 산소로 포화시켜 포화된 산소가 처리효율과 막오염에 어떠한 영향을 미치는지 고찰하였다. 각 조건에서 180분 여과하는 동안 막오염에 의한 저항(Rf) 및 투과 선속(J), 무차원화한 투과선속(J/J0), 총여과부피(VT)의 변화를 살펴보았다.
  • 본 연구에서는 고탁도 원수의 고도정수처리를 위하여 탁질 제거를 위한 관형 세라믹 정밀여과와 용존유기물 제거를 위한 이산화티타늄 광촉매를 탑재한 PES 구를 하나의 막 모듈로 구성하여, 카올린과 휴믹물질로 구성된 모사용액을 대상으로 pH 및 산소 역세척 주기, 포화 산소에 따른 막여과 특성 및 처리효율을 알아 본 결과, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
  • 최근 기계적 강도와 내화학성이 우수하여 각광 받고 있는 세라믹 분리막의 외부에 광촉매를 충전시킨 고기능 광촉매 구와 세라믹 분리막의 혼성공정에 대한 연구는 본 연구팀을 제외하고 국내외적으로 전혀 이루어지지 않고 있는 상태이다. 특히 광촉매와 분리막의 혼성 수처리 공정에서 pH와 산소 역세척이 처리효율과 막오염에 미치는 영향을 고찰한 연구는 본 논문이 첫 시도이다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
수처리 공정에서 광촉매를 이용한 처리기술의 장점은 무엇인가? 수처리 공정에서 광촉매를 이용한 처리기술은 난분 해성 유기물을 처리하는데 효과적인 방법으로 인식되고 있고[1,2], 유기염소화합물이나 중금속, 미생물 및 NOX와 같은 다양한 오염물을 제거하는데 효능이 탁월한 것으로 알려져 있다[3]. 최근 수십 년 간 고도정수처리를 위한 정밀여과(MF) 및 한외여과(UF), 나노여과 (NF), 역삼투(RO)에 대한 연구[4,5]가 주목을 받고 있고, 광촉매와 분리막이 하나의 공정으로 이루어진 혼성 공정에 대한 지속적인 연구가 진행 중이다[6,7].
수처리 공정에서 광촉매를 이용한 처리기술의 처리효율은 무엇에 영향 받는가? 생성된 OH 라디칼이 결과적으로 다양한 형태의 오염물을 산화시키는 것으로 알려져 있다[8]. 광촉매 반응을 통한 처리효율은 광촉매의 입자 크기나 비표면적, 오염물질의 특성, 농도나 반응조의 구성 등에 따라 결과가 다양하게 나타난다.
이산화티타늄(TiO2) 광촉매를 이용한 기술의 주된 반응 메커니즘은 무엇인가? 고도정수처리 방법 중 하나인 이산화티타늄(TiO2) 광촉매를 이용한 기술의 주된 반응 메커니즘은 광촉매에 빛에너지로 사용되는 UV를 조사하게 되면, 광촉매가빛 에너지를 흡수하게 되고, 조사한 빛의 파장에 의해 전자(e- )가 전위대(conduction band, CB)로 전도가 되어 진다. 이로 인해 생성된 양공(hole, h+ )은 물속의 수산화이온과 반응하여 OH 라디칼을 생성하고, 전도된 전자는 수중산소와 반응하여 몇 가지의 반응을 거쳐 OH 라디칼을 생성하게 된다. 생성된 OH 라디칼이 결과적으로 다양한 형태의 오염물을 산화시키는 것으로 알려져 있다[8]. 광촉매 반응을 통한 처리효율은 광촉매의 입자 크기나 비표면적, 오염물질의 특성, 농도나 반응조의 구성 등에 따라 결과가 다양하게 나타난다.
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참고문헌 (28)

  1. H. Zhang, X. Quan, S. Chen, H, Zhao, and Y. Zhao, "Fabrication of photocatalytic membrane and evaluation its efficiency in removal of organic pollutants from water", Sep. Pur. Tech., 50, 147 (2006). 

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  11. R. Molinari, C. Grande, E. Drioli, L. Palmisano, and M. Schiavello, "Photocatalytic membrane reactors for degradation of organic pollutants in water", Catal. Today, 67, 273 (2001). 

  12. R. Molinari, L. Palmisano, E. Drioli, and M. Schiavello, "Studies on various reactor configurations for coupling photocatalysis and membrane process in water purification", J. Membr. Sci., 206, 399 (2002). 

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