본 연구에서는 펄프공정으로부터 배출되는 리그닌 추출물 내의 금속이온분리를 위한 연구를 진행하였다. ${\alpha}$-Alumina 분말에 DMAc (N,N-dimethylacetamide) 용매와 PESf (Polyethersulfone) 고분자를 혼합하고 PVP (Polyvinylpyrrolidone)분산제를 첨가하여 슬립 캐스팅 방법으로 분리막을 제조하였다. 분리막은 CFP (Capillary Flow Porometer) 장치를 통해 기공크기를 측정하고 FE-SEM (Field Emission Scanning Electron Microscope) 장치를 이용하여 실제 분리막 표면과 단면을 관찰하였다. 플럭스는 분리 실험장치를 이용하여 시간당 여과된 무게를 측정하여 계산하였다. 기공크기측정은 0 psi에서 30 psi까지 서서히 증가하는 승압조건에서 진행하였다. 분리막의 기공크기는 $0.4{\mu}m$ 크기를 가지며 플럭스는 분리막의 파울링에 의해 초기 플럭스 값인 $6.36kg{\cdot}m^{-2}{\cdot}h^{-1}$에서 $1.98kg{\cdot}m^{-2}{\cdot}h^{-1}$으로 감소하여 3시간 이후부터 일정해지는 것을 확인하였다. 투과 실험 후 막 오염물질은 간단한 세척을 통해 제거 가능하였다. 분리실험을 통해 초기 리그닌 추출물 내에 포함되어 있던 Na은 69%만큼 줄었고, Fe은 87%, K은 95%, Ca은 93%, Mg은 96%만큼 제거됨을 보였다.
본 연구에서는 펄프공정으로부터 배출되는 리그닌 추출물 내의 금속이온분리를 위한 연구를 진행하였다. ${\alpha}$-Alumina 분말에 DMAc (N,N-dimethylacetamide) 용매와 PESf (Polyethersulfone) 고분자를 혼합하고 PVP (Polyvinylpyrrolidone) 분산제를 첨가하여 슬립 캐스팅 방법으로 분리막을 제조하였다. 분리막은 CFP (Capillary Flow Porometer) 장치를 통해 기공크기를 측정하고 FE-SEM (Field Emission Scanning Electron Microscope) 장치를 이용하여 실제 분리막 표면과 단면을 관찰하였다. 플럭스는 분리 실험장치를 이용하여 시간당 여과된 무게를 측정하여 계산하였다. 기공크기측정은 0 psi에서 30 psi까지 서서히 증가하는 승압조건에서 진행하였다. 분리막의 기공크기는 $0.4{\mu}m$ 크기를 가지며 플럭스는 분리막의 파울링에 의해 초기 플럭스 값인 $6.36kg{\cdot}m^{-2}{\cdot}h^{-1}$에서 $1.98kg{\cdot}m^{-2}{\cdot}h^{-1}$으로 감소하여 3시간 이후부터 일정해지는 것을 확인하였다. 투과 실험 후 막 오염물질은 간단한 세척을 통해 제거 가능하였다. 분리실험을 통해 초기 리그닌 추출물 내에 포함되어 있던 Na은 69%만큼 줄었고, Fe은 87%, K은 95%, Ca은 93%, Mg은 96%만큼 제거됨을 보였다.
In this study, a study was carried out for the separation of metal ions in lignin extract discharged from the pulp process. alumina powders were mixed with DMAc (N, N-dimethylacetamide) solvent and PESf (Polyethersulfone) polymer, PVP (polyvinylpyrrolidone) dispersant was added and slip casting meth...
In this study, a study was carried out for the separation of metal ions in lignin extract discharged from the pulp process. alumina powders were mixed with DMAc (N, N-dimethylacetamide) solvent and PESf (Polyethersulfone) polymer, PVP (polyvinylpyrrolidone) dispersant was added and slip casting method was used to prepare the membrane. The membrane was measured for pore size through a CFP (Capillary Flow Porometer) device and the surface and cross-section of the membrane were observed through a FE-SEM (Field Emission Scanning Electron Microscope). The flux was calculated by measuring the filtered weight per hour using a separation experiment device. Pore size measurements were performed under increasing pressure from 0 psi to 30 psi. The pore size of the membrane was $0.4{\mu}m$ and the flux decreased from the initial flux value of $6.36kg{\cdot}m^{-2}{\cdot}h^{-1}$ to $1.98kg{\cdot}m^{-2}{\cdot}h^{-1}$ due to the fouling of the membrane. After the permeation experiment, membrane contaminants were removed by simple washing. Separation experiments showed that Na contained in the initial lignin extract was reduced by 69%, Fe was removed by 87%, K by 95%, Ca by 93% and Mg by 96%.
In this study, a study was carried out for the separation of metal ions in lignin extract discharged from the pulp process. alumina powders were mixed with DMAc (N, N-dimethylacetamide) solvent and PESf (Polyethersulfone) polymer, PVP (polyvinylpyrrolidone) dispersant was added and slip casting method was used to prepare the membrane. The membrane was measured for pore size through a CFP (Capillary Flow Porometer) device and the surface and cross-section of the membrane were observed through a FE-SEM (Field Emission Scanning Electron Microscope). The flux was calculated by measuring the filtered weight per hour using a separation experiment device. Pore size measurements were performed under increasing pressure from 0 psi to 30 psi. The pore size of the membrane was $0.4{\mu}m$ and the flux decreased from the initial flux value of $6.36kg{\cdot}m^{-2}{\cdot}h^{-1}$ to $1.98kg{\cdot}m^{-2}{\cdot}h^{-1}$ due to the fouling of the membrane. After the permeation experiment, membrane contaminants were removed by simple washing. Separation experiments showed that Na contained in the initial lignin extract was reduced by 69%, Fe was removed by 87%, K by 95%, Ca by 93% and Mg by 96%.
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문제 정의
한편 리그닌 추출물에 포함된 40% 이상의 고형과 다량의 금속이온들은 펄프공정에서 재이용될 수 있다. 이에 따라 펄프공정에 재이용될 수 있는 금속이온 및 고형물질과 하이브리드 석탄에 사용될 유기물을 분리하는 방법으로 본 연구에서는 분리막을 사용하고자한다. 하지만 리그닌 추출물은 180°C 이상의 고온과 pH13 이상의 고염기성 조건에서 배출되기 때문에 고분자 분리막을 사용할 시에는 분리막이 변형되거나 손상되어 분리 성능이 떨어져 장기적인 이용에 한계가 있다.
제안 방법
리그닌 추출물 분리실험은 진공펌프를 이용하여 감압 조건에서 행하였으며, 장치와 분리막 사이의 실링을 위해 에폭시 접착제를 이용하여 분리막 이외에 새어나갈 수 있는 요소를 완전히 제거하였다. 분리실험에 사용된 리그닌 추출물은 펄프공정 중 흑액과 펄프가 혼합되어 있는 용액으로부터 NaOH로 처리하여 펄프를 걸러낸 뒤 나온 용액으로 고형과 액체의 혼합물이며, 대략 40%의 고형이 섞여있다.
하지만 리그닌 추출물은 180°C 이상의 고온과 pH13 이상의 고염기성 조건에서 배출되기 때문에 고분자 분리막을 사용할 시에는 분리막이 변형되거나 손상되어 분리 성능이 떨어져 장기적인 이용에 한계가 있다. 본 연구에서는 고온, 고염기 조건에서 강한 내구성을 보이는 세라믹 막을 제조하여 분리 실험을 진행하였다.
2와 같이 설치하여 실험을 진행하였다. 분리실험은 1시간 단위로 5번 진행하여 각각의 플럭스를 간단한 식을 이용해 계산하였으며, 분리실험 전 리그닌 추출물과 분리실험 후 여과된 추출물을 Inductive Coupled Plasma Mass Spectrometer (ICP-MS, NexION300) 분석을 통해 각각에 들어있는 Na, Ca, K, Fe, Mg 금속 이온의 양을 측정하였다.
알루미나 세라믹 분리막의 기공 크기를 측정하기 위해 분석 장치 크기에 맞게 시편을 준비하고 Capillary Flow Porometer (CFP, CFP-1100A)를 이용하여 분리막의 기공 크기를 측정하였다. 조건은 다음과 같이 Wet curve 형성을 위해 표면장력이 15.
플럭스 측정은 가로, 세로 27 mm 크기의 분리막을 진공압력(IDP-3 Dry Scroll Vacuum Pump) 조건에서 1시간 단위로 총 5시간 측정하였다. 시간에 따른 플럭스와 압력 그래프를 Fig.
대상 데이터
본 연구에서는 알루미나분말을 사용하여 세라믹 분리막을 제조하였다. 그리고 제조된 분리막을 통하여 물리적 특성과 리그닌 추출물 내 금속이온 분리실험을 진행하여 연구한 결과 다음과 같은 결과를 얻었다.
리그닌 추출물 분리실험은 진공펌프를 이용하여 감압 조건에서 행하였으며, 장치와 분리막 사이의 실링을 위해 에폭시 접착제를 이용하여 분리막 이외에 새어나갈 수 있는 요소를 완전히 제거하였다. 분리실험에 사용된 리그닌 추출물은 펄프공정 중 흑액과 펄프가 혼합되어 있는 용액으로부터 NaOH로 처리하여 펄프를 걸러낸 뒤 나온 용액으로 고형과 액체의 혼합물이며, 대략 40%의 고형이 섞여있다. 액체의 주성분은 물이며, 각종 금속이온과 염소이온이 혼합되어있고, 고형은 리그닌, 셀룰로오즈, 헤미셀룰로오즈 등의 유기물과 각종 금속이온이 뒤섞여있다.
1에 간략하게 나타내었다. 세라믹 분리막 도프 용액을 제조하기 위해 용매로 N,N-dimethylacetamide (DMAc, 99.5%, SAMCHUN Pure Chemical CO., LTD, Korea)를 사용하였으며, 고분자로는 Polyethersulfone (PESf, Ultrason® E6020P, BASF, Germany)를 사용하였다. 알루미나는 0.
, LTD, Korea)를 사용하였으며, 고분자로는 Polyethersulfone (PESf, Ultrason® E6020P, BASF, Germany)를 사용하였다. 알루미나는 0.5 µm 크기의 입자를 갖는 분말을 Kceracell에서 구입하여 사용하였으며, 분산제로 Polyvinylpyrrolidone (PVP, Sigma Aldrich, U.S.A)를 사용하였다. PESf와 DMAc용액을 교반기에 넣고 150 rpm 속도로 상온에서 12시간 동안 교반하였다.
알루미나 세라믹 분리막의 기공 크기를 측정하기 위해 분석 장치 크기에 맞게 시편을 준비하고 Capillary Flow Porometer (CFP, CFP-1100A)를 이용하여 분리막의 기공 크기를 측정하였다. 조건은 다음과 같이 Wet curve 형성을 위해 표면장력이 15.9 dynes/cm인 Galwick용액을 사용하였으며, 이후 분리막 내의 Galwick 용액이 완전히 제거된 후 dry curve 형성을 위해 질소(동아산업가스, 99.99% 고순도 질소)를 사용하였다. 측정 시 주입되는 가스의 압력은 0 psi에서 30 psi까지 순차적으로 증가하는 조건으로 설정하였다.
성능/효과
1. CFP장치를 통한 기공크기 측정 결과 평균 0.43 µm 크기의 기공을 측정하였으며, 0.1 µm 이하의 기공 크기를 측정하는데 있어서 장치 특성상 높은 압력이 요하게 되는데 30 bar 이상에서는 분리막이 손상되어 기공크기 측정에 어려움이 있었다.
3. 리그닌 추출물과 여과 실험 후 여과된 액으로부터 ICP-MS 분석 결과 Na은 32744.07 mg/L에서 10057.01 mg/L로 69% 줄었고, Fe는 23.22 mg/L에서 1.12 mg/L로 87% 줄었고, K는 5201.28 mg/L에서 383.35 mg/L로 95% 줄었고, Ca는 201.24 mg/L에서 26.04 mg/L로 93% 줄었으며, Mg는 30.96 mg/L에서 1.23 mg/L로 96% 줄어들었다.
98 kg⋅m-2⋅h-1까지 내려간 뒤 거의 일정해졌다. 플럭스 값이 감소한 이유는 리그닌 추출물 내유기물이 막 기공에 막히는 파울링 현상에 의한 것이었으며, 물에 의한 세척으로 막 기공에 끼인 유기물을 제거함으로써 플럭스 값이 재생되는 것을 확인하였다.
후속연구
금속이온이 제거된 이유는 금속이온의 일부가 투과압력보다 작은 힘으로 유기물과 단순 결합되어있어 투과 실험 중에 분리막을 투과하게 되고, 일부는 투과압력보다 강한 힘으로 유기물에 흡착되어 유기물이 기공을 투과하지 못할 때 금속이온도 같이 투과되지 못하는 것으로 추정된다. 다만, 이에 대한 정성, 정량적 데이터가 부족하여 금속이온의 분리 메커니즘에 대한 연구가 더 진행되어야 한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
상 변화 분리 공정의 문제점은 무엇인가?
현재 많이 쓰이는 기술은 가열하거나 냉각하여 상 변화에 의한 분리를 하거나 혹은 흡착물질을 혼합하여 특정물질을 흡착시켜 침전시키는 방법으로 분리한다. 하지만 상 변화 분리의 경우 많은 에너지가 소모되고 분리 효율 또한 낮아 공정에서 요구되는 성능을 충족시킬 수 없으며, 흡착을 통한 침전의 경우 고체가 포함된 용액에서는 침전물과 고체의 분리가 어려워 부산물의 재활용에 어려움이 있다[1-4]. 근래에 들어서 분리막을 이용한 분리기술이 개발되고 발전되면서 친환경적이고 효율적인 기술로 떠오르고 있다.
분리막은 크게 어떻게 분류될 수 있는가?
막을 이용한 분리 기술은 목표대상의 상 변화 없이 기공 크기에 따라 선택적으로 분리가 가능하며 친환경적이다. 분리막은 크게 두 종류로 유기막과 무기막이 있다. 유기막은 고분자를 막 형태로 만든 것으로 액체 분리에 높은 효율을 보이며 다양한 방법으로 손쉽게 제조할 수 있기 때문에 여러 분야에서 사용된다.
유기막의 문제점은 무엇인가?
유기막은 고분자를 막 형태로 만든 것으로 액체 분리에 높은 효율을 보이며 다양한 방법으로 손쉽게 제조할 수 있기 때문에 여러 분야에서 사용된다. 하지만 고분자 특성상 열적, 화학적 안정성이 낮고 민감한 구조 변화 때문에 가혹한 조건에서 사용하기가 어려워 특정조건에서는 분리막 이용에 제약이 걸린다. 이러한 유기막의 문제점을 해결하고자 무기물질을 원료로 하여 만든 무기막의 기술이 연구되고 있다.
참고문헌 (13)
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