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문제 정의
- 이 경우 SFCO 운전방식에 따른 TMP는 기존의 침지식 분리막에 적용되는 운전/휴지(run/stop, R/S) 방식에 비하여 60% 이하로 유지되었으며 투과유속의 증가에 따른 TMP의 감소가 상대적으로 크게 나타남을 확인하였다[16]. 계속해서 본 연구에서는 SFCO 투과유속의 파형을 최적화하기 위하여 침지식 정밀여과용 평막을 수용성 절삭유 수용액 내 침지시키고 대칭형 및 비대칭형 SFCO 방식의 투과실험을 수행하였다. 또한 운전방식에 따른 투과유속 및 대칭형의 산기량 변화에 따른 TMP의 변화를 비교 분석하여 그 특성을 확인하고자 하였다.
- 계속해서 본 연구에서는 SFCO 투과유속의 파형을 최적화하기 위하여 침지식 정밀여과용 평막을 수용성 절삭유 수용액 내 침지시키고 대칭형 및 비대칭형 SFCO 방식의 투과실험을 수행하였다. 또한 운전방식에 따른 투과유속 및 대칭형의 산기량 변화에 따른 TMP의 변화를 비교 분석하여 그 특성을 확인하고자 하였다.
제안 방법
- 0.5 wt% 에멀젼형 절삭유 수용액에 대칭형 및 비대칭형을 적용한 SFCO 운전 방식으로 JR/S를 10, 15, 20, 25 L/m2⋅h 및 30 L/m2⋅h로 증가시키면서 각각의 TMP를 측정하여 Fig. 5에 나타내었다.
- R/S 및 SFCO의 운전주기는 동일하게 12분이고 R/S 운전의 경우는 10분간 여과운전 후 2분간 휴지(R/S 10분-운전/2분-휴지)하였으며 SFCO는 흡입펌프의 특성을 고려하여 1분 단위의 step function으로 투과유량을 조절 하였다. SFCO 운전방법에 대한 펌프의 제어는 Labview 프로그램을 사용하였다.
- ωt는 0∼π 범위의 주기적인 사인파형을 형성하도록 w = π/12로 설정하였다. SFCO의 최대 투과유속을 기존 R/S운전의 투과유속이하로 운전하면서 12분 주기당 투 과수 생산량을 동일하게하기 위하여 상수인 C 값을 조정하였다. 또한 비대칭형 운전방식 투과유속(JAS)를 제어하기 위한 일반식은 다음과 같다.
- 본 실험에서는 동일한 조건하에서 분리막을 침지시켜 비대칭형과 대칭형 운전방식을 적용하여 투과시간에 따른 TMP를 비교하였다. TMP 변화 경향을 확인하기 위하여 12분 주기로 8번을 반복 운전한 후 투과 실험을 중지하였다. 운전 중에는 분리막 오염을 저감시키기 위하여 모듈 하단부의 산기관에서 1 L/min의 공기를 연속적으로 공급하였다.
- 투과 실험을 마친 후에는 분리막 표면을 부드러운 재질의 스펀지로 물리적 세척하여 막 표면의 오일층을 제거한 후 순수에 침지시켜 TMP를 확인하였다. 그리고 99% 에탄올 용액에 침지시키고 약 8분간 에탄올 용액을 투과시켜 분리막 표면 및 세공 내에 절삭유를 용해 시킨 후 마지막으로 순수 투과유속을 측정하고 초기 TMP와 비교하여 분리막의 세척을 확인하였다[16].
- 절삭유의 입자 크기보다 분리막 기공이 상대적으로 커서 절삭유의 제거율이 감소할 수 있으므로 분리막 표면에 인위적으로 얇은 오일층을 형성시켰다. 먼저, 분리막을 절삭유 수용액에 침지시키고 공기를 공급하지 않은 상태에서 높은 투과 유속으로 TMP가 20 kPa에 도달할 때까지 흡입하여 분리막의 표면에 오일층을 형성시킨 후 순수에 침지하여 유속을 확인하고 투과실험을 진행하였다. 이때 너무 낮은 투과유속으로 흡입할 경우는 오일이 분리막을 투과하여 양질의 처리수를 확보할 수 없었다.
- 본 실험에서는 동일한 조건하에서 분리막을 침지시켜 비대칭형과 대칭형 운전방식을 적용하여 투과시간에 따른 TMP를 비교하였다. TMP 변화 경향을 확인하기 위하여 12분 주기로 8번을 반복 운전한 후 투과 실험을 중지하였다.
- 20 L 크기의 에멀젼형 절삭유 수용액 저장조 (1)에는 평막형 분리막 모듈 (2)가 침지되어 있고 교반기 (3)를 설치하여 절삭유 수용액을 균일하게 혼합하도록 하였다. 분리막 모듈과 연결된 펌프((4), Masterflex7518-00)를 사용하여 일정한 유량으로 투과액을 얻은 후, 투과액은 절삭유 수용액 농도를 일정하게 유지하도록 저장조로 반송하였다. 흡입압력은 압력계((5), Sensys PTDC-100 RCIA)로 측정하였고 UTP케이블로 연결된 컴퓨터 (6)에 실시간으로 측정 압력을 저장하였다.
- 3에 나타내었다. 이와 같은 검량선을 이용하여 투과수의 농도를 추정하였으며 이를 이용하여 분리막의 제거율을 계산하였다. 본 연구의 투과실험에 대한 분리막 제거율은 99% 이상임을 확인하였다.
- 투과 실험을 마친 후에는 분리막 표면을 부드러운 재질의 스펀지로 물리적 세척하여 막 표면의 오일층을 제거한 후 순수에 침지시켜 TMP를 확인하였다. 그리고 99% 에탄올 용액에 침지시키고 약 8분간 에탄올 용액을 투과시켜 분리막 표면 및 세공 내에 절삭유를 용해 시킨 후 마지막으로 순수 투과유속을 측정하고 초기 TMP와 비교하여 분리막의 세척을 확인하였다[16].
- 분리막 모듈과 연결된 펌프((4), Masterflex7518-00)를 사용하여 일정한 유량으로 투과액을 얻은 후, 투과액은 절삭유 수용액 농도를 일정하게 유지하도록 저장조로 반송하였다. 흡입압력은 압력계((5), Sensys PTDC-100 RCIA)로 측정하였고 UTP케이블로 연결된 컴퓨터 (6)에 실시간으로 측정 압력을 저장하였다. 에어 펌프 (7)을 사용하여 공급되는 공기는 유량계((8), Dwyer)로 측정한 후 저장조 하부에 설치된 산기관 (9) 을 통하여 저장조에 공급되었다.
대상 데이터
- 본 실험에서 사용한 에멀젼형 절삭유(MegaLube Co.) 수용액의 농도 및 제거율을 확인하기 위하여 농도에 따른 탁도를 탁도계(HACH, US2100N)로 측정하였으며 Fig. 3에 나타내었다. 이와 같은 검량선을 이용하여 투과수의 농도를 추정하였으며 이를 이용하여 분리막의 제거율을 계산하였다.
- 본 연구에서 사용한 분리막은 공칭공경 0.15 μm인 P 사 CPVC (Chlorinated Polyvinyl Chloride)평막으로 양면의 유효 막면적이 0.02 m2(0.1 × 0.1 m)이며 평막이 0.006 m 두께의 지지체에 고정되어 있는 모듈로서 처리 수는 막모듈 상단 처리수 관으로 모아져서 배출되는 방식이며 실험장치에 대한 개략적인 흐름도를 Fig. 1에 나타내었다.
데이터처리
- R/S 및 SFCO의 운전주기는 동일하게 12분이고 R/S 운전의 경우는 10분간 여과운전 후 2분간 휴지(R/S 10분-운전/2분-휴지)하였으며 SFCO는 흡입펌프의 특성을 고려하여 1분 단위의 step function으로 투과유량을 조절 하였다. SFCO 운전방법에 대한 펌프의 제어는 Labview 프로그램을 사용하였다. 대칭형 운전방식 투과유속(JS)에 대한 일반식은 아래와 같다.
성능/효과
- 제8주기(84∼96분)에서 대칭형 SFCO의 최대 TMP가 18 kPa일 때 비대칭형 SFCO의 최대 TMP는 14 kPa로 비대칭형 SFCO가 4 kPa 정도 TMP 저감 효과가 있었다. 그러나 이후 주기가 증가할수록 비대칭형 SFCO의 TMP가 서서히 증가하여 대칭형 SFCO의 TMP 에 근접하는 것을 확인하였다. JR/S = 15 L/m2⋅h일 경우는 Fig.
- 그러나 중간 투과유속인 15 내지 20 L/m2⋅h일 경우는 대칭형 SFCO의 TMP가 3 kPa 정도 낮게 나타났으며 투과유속이 높은 25 내지 30 L/m2⋅h에서는 대칭형 SFCO 운전이 더욱 효과적임을 확인할 수 있었다.
- 그러나, 중간 투과유속인 15∼20 L/m2⋅h에서는 대칭형 SFCO의 TMP가 3 kPa 정도 낮아 막오염 저감에 효과적이었으며 투과유속이 높은 25, 30 L/m2⋅h에서는 대칭형 SFCO 운전이 매우 효과 적임을 확인할 수 있었다.
- 대칭형 SFCO는 운전주기 중간인 6분일 때 투과유속이 최대 20 L/m2⋅ h에 도달하였고 이를 중심으로 운전시간에 대하여 대칭적이며, 비대칭형 SFCO의 경우는 투과유속이 대칭형보다 서서히 증가하여 9분일 때 최대값인 22 L/m2⋅h에 도달하고 그 후에 급격하게 감소함을 알 수 있었다.
- 또한 에멀젼형 절삭유 수용액 내에 오일 입자분포를 입도분석기(Beckman Coulter LS 13 320)로 측정하여 Fig. 4에 나타내었으며 절삭유 오일입자는 0.04 내지 0.25 μm 범위에 폭넓게 분포함을 확인할 수 있었다.
- 그러나, 중간 투과유속인 15∼20 L/m2⋅h에서는 대칭형 SFCO의 TMP가 3 kPa 정도 낮아 막오염 저감에 효과적이었으며 투과유속이 높은 25, 30 L/m2⋅h에서는 대칭형 SFCO 운전이 매우 효과 적임을 확인할 수 있었다. 또한 절삭유 수용액에 침지된 분리막에 산기량을 증가시키면 막표면의 오일층이 기포에 의해 제거되어 막오염을 저감시킬 수 있었다.
- 마지막으로 JR/S = 30 L/m2⋅h까지 더욱 증가시킬 경우 대칭형 SFCO TMP가 비대칭형 SFCO TMP보다 뚜렷하게 낮게 유지되었으며 최대 11 kPa까지 차이가 있었다.
- 이와 같은 검량선을 이용하여 투과수의 농도를 추정하였으며 이를 이용하여 분리막의 제거율을 계산하였다. 본 연구의 투과실험에 대한 분리막 제거율은 99% 이상임을 확인하였다.
- 비대칭형 SFCO 운전방식은 투과유속이 낮은 10∼15 L/m2⋅h 영역에서 비록 효과가 미미할지라도 대칭형 SFCO 운전방식보다 유리하였다.
- 요약하면 투과유속이 낮은 10 내지 15 L/m2⋅h 영역에서는 비록 그 효과가 미미하지만 비대칭형 SFCO 운전방식이 유리한 것으로 나타났다.
- 25 및 1 L/min일 때의 TMP는 각각 30, 28, 25 kPa로 공기를 주입하지 않은 경우와 비교하여 2 내지 5 kPa의 TMP 저감 효과가 있었다. 이와 같이 분리막의 휴지기간이 없이 연속적으로 투과를 실시하는 SFCO 운전 방식에서도 분리막 표면의 절삭유오일층을 기포로 일부 제거 가능하여 막오염을 일부 억제할 수 있었다.
- 25 μm 범위에 폭넓게 분포함을 확인할 수 있었다. 절삭유를 제타전위측정기(Photal Otsuka ELSZ)로 측정한 결과 에멀젼형 절삭유 수용액의 제타전위는 -40.51 mV 로 나타났다.
- 제8주기(84∼96분)에서 대칭형 SFCO의 최대 TMP가 18 kPa일 때 비대칭형 SFCO의 최대 TMP는 14 kPa로 비대칭형 SFCO가 4 kPa 정도 TMP 저감 효과가 있었다.
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