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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 케이크층을 제거하는 일반적인 방법으로 사용되고 있는 헹구기, 문지르기, 초음파 등의 세정 방법으로 막 표면의 케이크층을 제거한 후, 직렬 여과 저항 모델을 이용하여 각 저항(Rm, Rc, Rf) 값을 계산하여 비교해 봄으로써 세정 방법에 따른 오차를 파악하고자 하였다.
제안 방법
- 활성슬러지의 농도는 5,000 mg/L로 설정하여 배양하였다. F/M비 0.15~0.2 kg COD/kg MLSS로 조절하였다. 온도 20~25°C 의 조건 하에 운전하였다.
- 즉, 두 저항값의 합 (Rc+Rf)은 거의 유사하지만 각각의 비율은 세정방법에 따라 크게 다름을 알 수 있다. PES 막의 경우와 마찬가지로 전체 막오염저항(Rc+Rf) 중에서 케이크 저항이 차지하는 비중, 즉 Rc/(Rc+Rf)를 계산하여 세정방법에 따른 케이크층 제거 정도를 비교하였다(Fig. 7).
- Polyvinylidene Difluoride(이하 PVDF) 재질의 분리막을 이용하여 위의 실험과 동일한 조건 하에서 여과실험을 수행하였다. 플럭스의 경향을 살펴보면 모든 여과 실험에서 초기물플럭스(Jiw)는 1,400 L/m2·hr 부근에서 비교적 일정한 값을 나타내었다.
- i) 초음파 세척은 여과 실험이 종료되면 비이커에 200 mL의 순수를 채워 분리막 표면이 위를 향하게 한 후 순수 10 L를 채운 초음파 세척 장치에 넣고 초음파를 가하여 세정을 진행하였다. 초음파 세척은 초음파 세기와 세정 시간을 달리하여 세 가지 다른 조건으로 세정을 수행하였다.
- 활성슬러지의 막 여과 실험은 180 mL의 용액을 담을 수 있는 회분식교반셀(Stirred batch cell, Amicon 8200, USA)을 이용하였다. 분리막은 분획분자량(MWCO) 150 kDalton의 i) Polyether- sulfone (UP150, NADIR, Germany), ii) Polyvinylidene Difluoride (UV150, NADIR, Germany) 두 가지로 막 여과 실험을 진행하였다. 사용된 분리막의 유효 막면적은 30.
- ii) 교반기를 이용한 실험 역시 비이커에 200 mL의 순수를 채운 후 분리막 표면이 위를 향하게 하여 교반기의 회전수(rpm)와 시간에 변화를 주어 케이크층 제거 정도를 평가하였다.
- iii) 순수를 이용한 세정은 세정병(squiz bottle)에 담긴 순수를 막 표면으로 분사하여 케이크층을 씻어내고 헹구어 내는 식으로 실험을 수행하였다.
- 002×10-3 kg/m·sec를 사용하였다. 요약하면 순수를 여과하여 초기물플럭스(Jiw)를 측정하고, MLSS 농도 5,000 mg/L의 활성슬러지를 여과하여 플럭스(J)를 구한 후 i) Ultrasonic(100 W, 10 min), ii) Ultrasonic(200 W, 60 min), iii) Ultrasonic(400 W, 120 min), iv) Shaker(100 rpm, 10 min), v)Shaker(300 rpm, 60 min), vi) 순수를 이용한 헹구기(Scrubbing), vii) Sponge를 이용한 문지르기 총 7가지 방법으로 케이크 층을 제거한 후 최종물플럭스(Jfw)를 측정하였다.
- 막 여과 실험은 종말흐름(dead end flow) 방식이며, 막을 투과한 여과수의 질량을 0.1 mg/L까지 측정할 수 있는 전자저울(Satorious LP220s, Germany)을 이용하여 플럭스를 계산하였다. 저울에서 시간 단위별로 측정된 질량은 컴퓨터에 연결된 프로그램에 의해 기록되었다.
- 막 여과 실험은 준비된 분리막을 회분식교반셀에 장착하여 순수에 의한 초기물플럭스(Jiw, L/m2·hr)를 측정하였다.
- 막오염 정도 및 세정방법에 따른 저항값의 변화를 살펴보기 위해 직렬여과저항 모델을 이용하여 저항값을 계산하였다. 즉, 시료를 여과하기 전 순수를 여과하여 Jiw를 구한 후, 식(5)를 이용하여 막자체저항(Rm)을 구한다.
- 활성슬러지는 지름 150 mm, 높이 450 mm의 원통형 아크릴 반응조를 제작하여 배양하였다. 반응조 내부의 활성슬러지 순환 및 산소 보급을 위하여 다공성 산기관을 통해 1.5 L/min의 유량으로 공기를 공급하였다. 활성슬러지의 농도는 5,000 mg/L로 설정하여 배양하였다.
- 본 연구에서는 활성슬러지 용액의 막 여과 후 초음파, Shaker, 순수를 이용한 헹구기, 스폰지를 이용한 문지르기 방법을 선정하여 케이크층을 제거한 후 직렬여과저항모델을 적용하여 각 세정방법에 따른 저항값 비교를 통해 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 케이크층이 제거된 막을 다시 여과 셀에 장착하고, 순수를 채운 후에 최종물플럭스(Jfw)를 측정한다. 이 때 케이크층을 제거하기 위해 총 4가지 방법을 채택하였다. i) 초음파(Ultrasonic, JAC-4020, JINWOO-ALEX, Korea) 세정, ii) 교반기(Shaker, SK-300, JEIO Teck, Korea)를 이용한 세정, iii) 순수를 이용한 헹구기, iv) 스폰지를 이용한 문지르기 세정.
- i) 초음파 세척은 여과 실험이 종료되면 비이커에 200 mL의 순수를 채워 분리막 표면이 위를 향하게 한 후 순수 10 L를 채운 초음파 세척 장치에 넣고 초음파를 가하여 세정을 진행하였다. 초음파 세척은 초음파 세기와 세정 시간을 달리하여 세 가지 다른 조건으로 세정을 수행하였다.
- 활성슬러지 용액을 여과한 후 분리막 표면에 형성된 케이크층의 제거 방법에 따른 저항값의 변화 특성을 평가하기 위해 분획분자량은 동일하고, 재질이 각기 다른 두 개의 분리막을 이용하였다. Polyether sulfone (이하 PES) 재질 분리막의 플럭스를 살펴보면 모든 여과 실험에서 초기물플럭스(Jiw)는 1,000 1,050 L/m2·hr의 일정한 값을 나타내었다.
대상 데이터
- 활성슬러지는 C시 환경사업소의 포기조 혼합액을 채취한 후 실험실로 운송하여 합성폐수로 수 개월간 순응한 후 실험에 사용하였다. 사용된 합성폐수의 조성은 Table 1과 같으며 주탄소원으로 글루코오즈를 주질소원으로 황산암모늄을 사용하였다. 활성슬러지는 지름 150 mm, 높이 450 mm의 원통형 아크릴 반응조를 제작하여 배양하였다.
- 활성슬러지는 C시 환경사업소의 포기조 혼합액을 채취한 후 실험실로 운송하여 합성폐수로 수 개월간 순응한 후 실험에 사용하였다. 사용된 합성폐수의 조성은 Table 1과 같으며 주탄소원으로 글루코오즈를 주질소원으로 황산암모늄을 사용하였다.
- 사용된 합성폐수의 조성은 Table 1과 같으며 주탄소원으로 글루코오즈를 주질소원으로 황산암모늄을 사용하였다. 활성슬러지는 지름 150 mm, 높이 450 mm의 원통형 아크릴 반응조를 제작하여 배양하였다. 반응조 내부의 활성슬러지 순환 및 산소 보급을 위하여 다공성 산기관을 통해 1.
- 활성슬러지의 막 여과 실험은 180 mL의 용액을 담을 수 있는 회분식교반셀(Stirred batch cell, Amicon 8200, USA)을 이용하였다. 분리막은 분획분자량(MWCO) 150 kDalton의 i) Polyether- sulfone (UP150, NADIR, Germany), ii) Polyvinylidene Difluoride (UV150, NADIR, Germany) 두 가지로 막 여과 실험을 진행하였다.
성능/효과
- 2. PES 막의 경우 총 막오염 저항(Rc+Rf) 중 Rc가 차지하는 비율, Rc/(Rc+Rf)은 세정 방법에 따라 64~100%로 변화폭이 크게 나타났다. 이는 동일한 막 오염이 발생하였음에도 불구하고 세정방법에 따라 케이크층에 의한 막오염 기여도가 상이하게 평가될 수 있음을 시사하고 있다.
- 3. PVDF 막의 경우 Rc/(Rc+Rf)은 세정 방법에 따라 79~97%로 나타났다. 역시 동일한 정도로 유발된 막 오염 현상이 세정 방법에 따라 케이크층에 의한 막오염 기여도가 다른 것으로 평가되고 있음을 나타내고 있다.
- 4. PES, PVDF 막 모두 Shaker 300 rpm, 60 min과 스폰지를 이용한 문지르기 방법이 케이크층을 제거하는데 가장 효과적인 것으로 나타났다.
- 이는 다른 연구들에서도 헹구기 방법이 케이크층을 비교적 효과적으로 제거할 수 있음을 시사하고 있다. PVDF 재질의 분리막 세정 시에는 Shaker 300 rpm 60 min으로 세정하거나 스폰지를 이용한 문지르기 방법이 케이크층을 제거하는데 가장 효과적인 것으로 나타났다.
- 역시 동일한 정도로 유발된 막 오염 현상이 세정 방법에 따라 케이크층에 의한 막오염 기여도가 다른 것으로 평가되고 있음을 나타내고 있다. 그러나 PVDF 막이 PES 막보다 소수성이 더 강한 막이어서 총오염도는 PES 막보다는 크게 나타났으며, 세정 방법에 따른 Rc/(Rc+Rf)의 변화폭이 적은 것으로 나타났다. 반면, 일부의 세정방법에서는(Shaker를 이용한 100 rpm 10 min, 300 rpm 60 min, 스폰지) PES막의 세정효과가 2~4% 정도 더 양호하게 나타났다.
- 그러나 초음파 200 W 60 min과 400 W 120 min의 비율은 4% 포인트로 근소한 차이를 나타냄에 따라 PVDF 막에 쌓인 케이크층은 초음파 200 W 60 min 조건에서 이미 상당부분 제거된 것으로 판단된다. 또한 초음파 100W 10 min의 조건에서는 79% 비율을 보임에 따라 사용한 세정방법 중에서 케이크층 제거 효과가 가장 적은 것으로 나타났다. Lim and Bai(2003)의 초음파를 이용하여 PVDF 막을 세정하는 연구에서 일정한 세정 시간(Sonication duration) 까지는 세정에 의한 회복률이 증가하여 최대 87.
- 이는 100 rpm 10 min에서 대부분의 케이크 층이 제거된 것으로 보이며, Shaker는 분당 회전수인 rpm과 반응시간의 영향이 크지 않은 것으로 판단된다. 순수와 스폰지를 이용한 경우에는 각각 79, 100%로 나타나 순수를 이용한 헹구기의 방법이 초음파 (100 W, 10 min)과 마찬가지로 케이크층을 효과적으로 제거하지 못하는 것으로 나타났다. 요약하면 PES 재질 분리막의 경우, Shaker 300 rpm 60 min과 스폰지를 이용한 문지르기(Scrubbing) 방법이 케이크층을 제거하는데 가장 효과적이었으며, Rc가 차지하는 비율은 64~100%로 나타났다.
- 여과 실험에 사용되기 직전의 활성슬러지 반응기의 COD, T-N, T-P의 제거효율은 각각 97, 33, 30%를 나타내었다. 활성슬러지 입자 크기의 중간(Median)값은 157.
- 순수와 스폰지를 이용한 경우에는 각각 79, 100%로 나타나 순수를 이용한 헹구기의 방법이 초음파 (100 W, 10 min)과 마찬가지로 케이크층을 효과적으로 제거하지 못하는 것으로 나타났다. 요약하면 PES 재질 분리막의 경우, Shaker 300 rpm 60 min과 스폰지를 이용한 문지르기(Scrubbing) 방법이 케이크층을 제거하는데 가장 효과적이었으며, Rc가 차지하는 비율은 64~100%로 나타났다. 즉 세정방법에 따라 36%의 편차가 발생한다는 결론을 얻을 수 있었다.
- 이번 연구에 사용된 PES와 PVDF 재질의 막 모두 Shaker와 스폰지를 이용한 세정 방법이 가장 효과적으로 케이크층을 제거하였다. 스폰지와 순수를 이용한 방법의 경우 막을 꺼내어 세정하는(Ex-situ) 방법을 적용하였을 경우에 평판형(flat-sheet), 중공사형(hollow-fiber), 관형(tubular) 등 모든 형태의 막 모듈에서 세정 효과가 우수하며, 가역적 오염이 발생하였을 경우에도 비교적 세정효과가 높다는 연구 결과가 보고된 바 있다(Wang et al.
- 요약하면 PES 재질 분리막의 경우, Shaker 300 rpm 60 min과 스폰지를 이용한 문지르기(Scrubbing) 방법이 케이크층을 제거하는데 가장 효과적이었으며, Rc가 차지하는 비율은 64~100%로 나타났다. 즉 세정방법에 따라 36%의 편차가 발생한다는 결론을 얻을 수 있었다.
- 초음파 세기와 세정 시간에 따라 케이크층의 제거 정도에 차이가 있었다. 즉 초음파 세기와 시간이 증가할수록 케이크층이 효과적으로 제거되는 경향을 보였다. 그러나 초음파 200W 60 min, 400 W 120 min에서는 큰 차이를 보이지 않았다.
- 초음파를 이용한 100 W 10 min, 200 W 60 min, 400 W 120 min의 세정 조건에서 케이크 저항이 차지하는 비율은 각각 64, 86, 88%로 나타났다. 초음파 세기와 세정 시간에 따라 케이크층의 제거 정도에 차이가 있었다.
- 가 차지하는 비율은 79~97%로 세정방법에 따라 18%의 차이가 발생하였다. 초음파를 이용한 100 W 10 min, 200 W 60 min, 400 W 120 min의 조건에서 Rc/(Rc+Rf) 값은 각각 79, 91, 95%를 나타내었다. 즉 초음파의 세기와 반응시간이 증가함에 따라 Rc가 차지하는 비율이 증가하는 것이다.
- 플럭스의 경향을 살펴보면 모든 여과 실험에서 초기물플럭스(Jiw)는 1,400 L/m2·hr 부근에서 비교적 일정한 값을 나타내었다.
후속연구
- 5. 본 연구를 통해 각 저항값을 구하기 위해 사용되는 케이크층 제거 방법의 표준화 필요성이 요구되었다. 아울러 활성슬러지의 농도, 분리막 표면 거칠기 등의 인자에 따른 저항값 비교 연구를 추후에 진행한다면 보다 세밀한 세정 방법의 표준화 방안을 모색할 수 있을 것으로 판단된다.
- 본 연구를 통해 각 저항값을 구하기 위해 사용되는 케이크층 제거 방법의 표준화 필요성이 요구되었다. 아울러 활성슬러지의 농도, 분리막 표면 거칠기 등의 인자에 따른 저항값 비교 연구를 추후에 진행한다면 보다 세밀한 세정 방법의 표준화 방안을 모색할 수 있을 것으로 판단된다.
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