[논문]폴리아미드 역삼투막을 이용한 염화나트륨, 아세트산나트륨, 구연산나트륨 용액의 농축

이흥길; 김인호

doi:10.9713/kcer.2018.56.5.679

폴리아미드 역삼투막을 이용한 염화나트륨, 아세트산나트륨, 구연산나트륨 용액의 농축
Concentration of Sodium Chloride, Sodium Acetate and Sodium Citrate Solutions by using Polyamide Reverse Osmosis Membrane 원문보기

Korean chemical engineering research = 화학공학, v.56 no.5, 2018년, pp.679 - 686

이흥길 (충남대학교 응용화학공학과) , 김인호 (충남대학교 응용화학공학과)

초록
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폴리아미드 역삼투막을 이용하여 염화나트륨, 아세트산나트륨, 구연산나트륨 용액의 역삼투 농축실험을 행하고, 농도분극 현상을 압력, 용질의 종류, 농축액의 초기 농도를 변수로 연구하였다. 투과 플럭스에 대한 압력과 농도의 영향을 살펴보면, 공정 압력이 증가할수록 그리고 원액의 초기 농도가 작을수록 투과플럭스가 증가하였다. 농도분극이 일어나면 막 표면의 농도가 증가하여 투과플럭스가 감소한다. 농도분극은 농축이 진행됨에 따라 투과 플럭스의 감소로 이어지고 농도분극 층에서 용질 역확산을 통하여 점차 감소하였다. 이온의 크기, 분자량, 전하량이 증가함에 따라 막표면에서 정전기적 반발력이 커서 농도분극의 이론적 해석과 실험값의 차이가 컸다.

Abstract ▼ AI-Helper

Reverse osmosis (RO) concentration of sodium chloride, sodium acetate, and sodium citrate solutions has been performed by polyamide RO membrane. Concentration polarization phenomena was also studied by changing pressure, solute kinds, and initial solution concentration. Pressure effect on permeation flux was that the increase of flux was accompanied by the increase of pressure. Flux increase was observed by the decrease of initial solution concentration. Surface concentration on the RO membrane increases and so flux declines due to the concentration polarization. In the later phase of concentration, concentration polarization effect was decreased by the back diffusion of solute from the polariztion layer. In case of sodium citrate, its large ion size and charge density resulted in the discrepancy between theory and experimental data of concentration polarization. It may be due to electric repulsion on the membrane surface.

주제어

표/그림 (13)

표 Table 1. Characteristics of polyamide TFC membrane (left column) and cellulose acetate (CA) membrane (right column)
표 Table 2. Specification of polyamide Vontron TFC membrane
그림 Fig. 1. Schematic flow diagram of reverse osmosis experimental appa-ratus. 1. Feed tank 2. Stirrer 3. Conductivity meter 4. Feed pump 5. Reverse osmosis module 6. Valve 7. Pressure gauge 8. Feed recycle flow 9. Permeate flow 10. Electronic scale 11. Flow out
그림 Fig. 2. Permeate flux histories with the change of sodium chloride concentration in reservoir.
그림 Fig. 3. Permeate flux histories with the change of sodium acetate concentration in reservoir.
그림 Fig. 4. Permeate flux histories with the change of sodium citrate concentration in reservoir.
그림 Fig. 5. Permeate flux versus operation pressure. (a) sodium chloride, (b) sodium acetate and (c) sodium citrate.
표 Table 3. Hydraulic permeability (L_p) calculated from permeate flux (m/s MPa)
그림 Fig. 6. Histories of permeate volume for various operation conditions: (a) low initial concentration at 0.4 MPa, (b) high initial concentration at 0.4 MPa, (c) low initial concentration at 0.5 MPa, (d) high initial concentration at 0.5 MPa, (e) low initial concentration at 0.6 MPa and (f) high initial concentration at 0.6 MPa.
표 Table 4. Properties of ions [13,14]
그림 Fig. 7. Comparisons between linear flux, model calculated perme-ate flux and experimental permeate flux of sodium chlo-ride: (a) 0.4 MPa, (b) 0.5 MPa and (c) 0.6 MPa.
그림 Fig. 8. Comparisons between linear flux, model calculated perme-ate flux and experimental permeate flux of sodium acetate. (a) 0.4 MPa, (b) 0.5 MPa and (c) 0.6 MPa.
그림 Fig. 9. Comparisons between linear flux, model calculated perme-ate flux and experimental permeate flux of sodium citrate: (a) 0.4 MPa, (b) 0.5 MPa and (c) 0.6 MPa.

AI 본문요약
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문제 정의

사과쥬스에는 주로 유기산들이 복합적으로 들어 있고 아세트산, 구연산 등이 농축대상이 되므로 모델 용질로 선택하였다. 물질전달 현상에 영향을 미치는 압력, 용질 농도, 분자량 등의 조작 변수들 사이에 상호관계를 경계층 모델을 사용하여 역삼투 공정의 운전에 있어 기초자료로 제시하고자 한다.
경계층 모델은 용질의 막 배제율을 고려하여 막 표면에서의 용질농도를 계산한 물질전달 모델이다. 본 연구에서는 역삼투법을 이용한 액체의 농축에 있어서 경계층 모델을 토대로 용질의 종류에 따른 분자크기 변화를 고려하여 투과플럭스를 실험하고 이론값과 비교하고자 한다. 용질로 염화나트륨, 아세트산 나트륨, 구연산 나트륨를 선택하였다.

제안 방법

4MPa로 설정하였다. 25 ^oC에서 전도도 미터(YSI model 35, YSI, USA)를 이용하여 연속적으로 측정하였다.
막 분리 공정에서 투과플럭스에 영향을 가장 많이 미치는 인자는 압력, 온도, 용액의 농도, 유량 등이다. 본 연구에서는 공급액의 온도는 상온으로 정하였으며, 압력을 0.6 MPa, 0.5 MPa, 0.4MPa로 설정하였다. 25 ^oC에서 전도도 미터(YSI model 35, YSI, USA)를 이용하여 연속적으로 측정하였다.
실험은 3회 반복 실험을 하였고 실험 값의 평균값과 표준 오차를 구하였다. 실험이 끝날 때마다 증류수로 관속에 남아있는 수용액을 세척해준 후에 관 내부를 비우고 막 모듈을 열고 모듈 내부의 증류수도 비워주어 다음 실험에 미치는 영향을 최소화하였다.
염화나트륨, 아세트산나트륨, 구연산나트륨의 투과 플럭스를 벌크용액에서의 농도와 막 표면에서의 용질 농도를 이용하여 계산하여 실험값과 비교하였다. 막 표면에서의 농도를 구하기 위해 식 (12)을 통하여 물질전달계수 k_i를 계산하고 이 값과 식 (7)의 플럭스 J값을 식 (8)에 대입하여 막 표면에서 농도를 계산하였다.
원액을 다르게 하였을 때 압력변화가 투과플럭스에 미치는 영향을 살펴보았다. Fig.
폴리이미드 역삼투막을 이용하여 염화나트륨, 아세트산나트륨, 구연산나트륨 용액의 역삼투 농축 실험을 행하고, 막 표면에 형성된 농도분극 층 내의 용질의 거동상태를 고찰하여 다음의 결론을 얻었다.

대상 데이터

94×10^-2 mol/L의 용액을 제조하였다. 농축공정에 사용된 역삼투압 막은 Vontron사에서 제조한 것으로 폴리아미드 재질로 이루어진 나권형 모듈을 사용하였다. 막의 크기 및 특성은 Table 2에 나타내었다.
실험에 사용한 시약은 염화나트륨(Samchun, Korea), 아세트산나트륨(Sigma, USA), 구연산나트륨(Sigma, USA) 3가지이다. 염화나트륨은 순도 ≥99.
본 연구에서는 역삼투법을 이용한 액체의 농축에 있어서 경계층 모델을 토대로 용질의 종류에 따른 분자크기 변화를 고려하여 투과플럭스를 실험하고 이론값과 비교하고자 한다. 용질로 염화나트륨, 아세트산 나트륨, 구연산 나트륨를 선택하였다. 식품산업에서 역삼투 공정을 이용하여 사과 쥬스 농축을 연구한 보고가 있다[7].

데이터처리

농축흐름은 재순환 되었고 투과흐름은 시간별로 무게를 측정하였다. 실험은 3회 반복 실험을 하였고 실험 값의 평균값과 표준 오차를 구하였다. 실험이 끝날 때마다 증류수로 관속에 남아있는 수용액을 세척해준 후에 관 내부를 비우고 막 모듈을 열고 모듈 내부의 증류수도 비워주어 다음 실험에 미치는 영향을 최소화하였다.

이론/모형

물질전달계수 k_i는 Deissler의 관계식을 이용하여 추정할 수 있다. 식 (12)은 일반적으로 관에서 난류흐름에 대해 얻어진 것이다.

성능/효과

(1) 막 투과 플럭스에 대한 압력과 농도의 영향을 살펴보면, 공정압력이 증가할수록 그리고 저장소 용액의 초기 농도가 작을수록 투과 플럭스가 증가하는 것으로 나타났다.
(2) 농도분극이 일어나면 막 표면의 농도가 증가하여 이론적 투과 플럭스 보다 실제 투과 플럭스가 감소한다. 농도분극은 투과 플럭스가 클수록, 높은 압력과 높은 농도 조건에서 심하게 일어난다.
(3) 농도분극은 농축이 진행됨에 따라 투과 플럭스의 감소와 농도분극 층에서 역확산을 통하여 점차 감소하고 막의 분극 상태가 회복되며 완화된다.
(4) 구연산나트륨과 같이 이온의 크기, 분자량, 전하량이 증가함에 따라 막표면에서 정전기적 반발력이 커지며 농도분극의 이론적 예측값이 실험값과 잘 맞지 않았다.
7은염화나트륨 경우 비교 그래프이다. 0.4 MPa의 압력에서는 실험에 의한 투과 플럭스가 선형 투과 플럭스와 잘 맞는 반면, 압력을 올려 0.6 MPa의 압력에서는 경계층 모델에서 계산된 투과 플럭스가 선형 투과 플럭스와 접근하는 것을 보이고 있다. 낮은 압력에서는 농도 분극이 덜 일어난다는 것을 확인할 수 있고, 높은 압력에서 실험값이 이론 값에서 멀어짐을 알 수 있다.
9의 구연산나트륨의 경우 다른 용질의 그래프와 달리 모든 압력에서 실험에 의한 투과 플럭스가 경계층 모델서 계산된 투과 플럭스 보다 선형 투과 플럭스와 가까운데, 이것은 구연산이온의 높은 분자량과 전하량으로 인하여 막 표면에서 더 잘 배제되며 농도 분극 현상이 모두 강하였고 삼투압의 영향이 커서 경계층 모델계산이 실험값을 잘 예측하지 못하였다. 0.5 MPa의 압력에서 실험값이 선형 투과 플럭스와 가장 일치하는데 구연산이온이 농도 분극 되었다가 분극이 사라짐으로 설명된다. 다가 이온들의 역삼투막 표면에서 거동은 경계층 모델로 설명하는데 미흡하다고 사료된다.
Fig. 2에서 압력을 0.4 MPa에서 0.5 MPa로 증가시켰더니 초기 농도일 때 투과플럭스가 최대 15×10-7 m/s 정도 증가하였고, 압력을 0.4 MPa에서 0.6 MPa로 증가시켰더니 투과플럭스가 초기 농도일 때 최대 26×10-7 m/s 정도 증가하는 것을 관찰할 수 있었다.
Fig. 3의 압력을 0.4 MPa에서 0.5 MPa로 증가시켰더니 초기 농도일 때 투과플럭스가 최대 14×10-7 m/s 정도 증가하였고, 0.4 MPa에서 0.6 MPa로 증가시켰더니 투과플럭스가 초기 농도일 때 최대 26×10-7 m/s 정도 증가하는 것을 관찰할 수 있었다.
Fig. 4에서 압력을 0.4 MPa에서 0.5 MPa로 증가시켰더니 초기 농도일 때 투과 플럭스가 최대 14×10-7 m/s 정도 증가하였고, Fig. 4에서 0.4 MPa에서 0.6 MPa로 압력을 증가시켰더니 투과플럭스가 초기 농도일 때 26×10-7 m/s 정도 증가하는 것을 관찰할 수 있었다.
저장조 농도가 증가할수록 다시 원래의 그래프 개형으로 회복되었는데, 이것은 투과 플럭스의 감소와 막 표면에서 분극 층에서의 역확산으로 농도분극 현상이 약화되었기 때문으로 보인다. 그 후로 농축으로 인한 삼투압증가에 따라 압력과 삼투압의 차가 줄어들어 투과 플럭스가 감소하는 현상을 확인할 수 있었다.
첫째, 무기 용질은 유기용질보다 역삼투 멤브레인에 의해 잘 배제되고, 100보다 큰 분자량을 가진 유기용질 또한 막에 의해 잘 배제된다. 둘째, 이온화된 용질은 비이온화된 용질보다 잘 배제되며, 높은 전하를 가진 이온화된 용질은 낮은 전하를 가진 용질보다 더 잘 배제된다[11].
8은 아세트산나트륨 경우 비교 그래프이다. 아세트산나트륨 또한 0.4 MPa의 압력에서는 실험에 의한 투과 플럭스가 선형 투과 플럭스와 잘 맞는 반면, 압력을 올려 0.6 MPa의 압력에서는 경계층 모델에서 계산된 투과 플럭스가 선형 투과 플럭스와 더 근사한 값을 가지는 것을 확인할 수 있다. 따라서 아세트산나트륨도 낮은 압력에서는 농도분극이 덜 일어난다는 것을 다시 한 번 확인하였다.
6 MPa의 압력에서 농축됨에 따라 저장조 용액농도가 증가함에 따라 투과 플럭스가 감소하는 것을 나타낸 것이다. 역삼투가 일어나며 저장조 용액이 농축되어 농도가 증가할수록 삼투압이 증가하게 되고, 압력과 삼투압 사이의 차이가 감소하여 3가지 용질 모두 투과 플럭스감소가 관찰되었다.
역삼투 막을 통한 분리에는 일반적인 공통점들이 있다. 첫째, 무기 용질은 유기용질보다 역삼투 멤브레인에 의해 잘 배제되고, 100보다 큰 분자량을 가진 유기용질 또한 막에 의해 잘 배제된다. 둘째, 이온화된 용질은 비이온화된 용질보다 잘 배제되며, 높은 전하를 가진 이온화된 용질은 낮은 전하를 가진 용질보다 더 잘 배제된다[11].
이러한 역삼투법을 식품분야에 적용시킬 경우 증발법 보다 이점이 많다. 첫째, 상변화가 없이 조작이 가능하므로 에너지 비용을 절감할 수 있다. 둘째, 가열하지 않으므로 가열 후 냄새가 생기지 않으며 색소의 분해, 갈변 등이 일어나지 않고 영양가의 손실을 최대로 줄일 수 있다[2,3].
6 MPa로 증가시킴에 따라 초기에 투과플럭스 감소가 심했다. 특히 높은 압력 0.6 MPa에서 가장 심하여 0.5 MPa의 그래프에 접근하는 것을 관찰할 수 있었다. 원인으로 막 표면의 용질 농도가 농도분극현상으로 인해 빠르게 증가하여 투과 플럭스가 빠르게 감소하였고 인하여 0.

후속연구

두 가지 막 분리는 기계적인 압력을 가하여 물질의 분리가 일어나기 때문에 특정 성분 분리와 정제, 그리고 농축공정에서 새로운 대안으로 많이 응용되고 있으며 범위가 점차 넓어지고 있다. 막의 재질 및 형태, 여과방식에 따라 부유물질, 콜로이드, 효소, 단백질, 유기용매, 염 등을 분리 할 수 있으며 혼합 기체에서 특정성분을 분리하여 농축 할 수도 있어 새로운 공정 개발이 계속 진행 중이다. 응용 분야로 식품산업의 원료분리 및 농축, 보일러 및 반도체 세척 공정에 응용되는 초순수의 제조, 폐수 내 유효 물질회수 및 재활용기술 등의 다양한 응용 연구가 진행 중이다[4].

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	삼투압은 어떻게 발생하는가?	i는 이온종의 개수, C는 용질농도[g/L], R은 기체상수 [atmL/molK], 그리고 T는 절대온도[K]이다. 삼투압은 반투과막을 중심으로 두 용매의 농도차에 의해 발생한다. 용매와 용질의 흐름방향에 따라 정삼투(Forward osmosis, FO), 역삼투(Reverse osmosis, RO)로 나눈다.
	역삼투법이 식품분야에서 증발법보다 나은 점은 무엇인가?	이러한 역삼투법을 식품분야에 적용시킬 경우 증발법 보다 이점이 많다. 첫째, 상변화가 없이 조작이 가능하므로 에너지 비용을 절감할 수 있다. 둘째, 가열하지 않으므로 가열 후 냄새가 생기지 않으며 색소의 분해, 갈변 등이 일어나지 않고 영양가의 손실을 최대로 줄일 수 있다[2,3].
	복합박막의 구성은 무엇인가?	평판형 막을 중심에 위치한 튜브를 중심축으로 하여 감아놓은 형태이다. 역삼투법을 이용한 농축에 가장 많이 사용되는 막은 복합박막(Thin-Film Composite, TFC)으로 폴리아미드(Polyamide) 재질의활성층(Active layer)과 폴리설폰(Polysulfone) 재질의 다공성 지지층(Support layer)으로 구성되어 있다. 이러한 나권형 모듈의 큰 장점은 높은 압력에서 견뎌낼 수 있다는 것이다[9].

참고문헌 (14)

Bungay, P. M., Consdale, H. K. and Pinho, M. N., Synthetic Membranes : Science, Engineering and Applications, D. Reidel Publishing, Dordrecht, Netherlands, 307(1983).
Meares, P., Membrane Separation Processes, Elsevier Scientific Publishing Co., Amsterdam, Netherlands, 114(1976).
MacBean, R. D. and Smith, B. R., "Reverse Osmosis in Food Processing," Food Technol., Australia, January, 247(1977).
Sourirajan, S., Reverse Osmosis/Ultrafiltration Process Principles, National Research Coucil of Canada, Canada, 472(1985).
Kim, W. S., Yeom, K.-H., Lee H.-W. and Lee C.-S., "Concentration Polarization and Permeate Flux in Ultrafiltration of Dextran Solution," Kor. Chem. Eng. Res., 25(6), 593-600(1987).
Yeom, K.-H. and Kim, W. S., "Analysis of Mass Transfer Characteristics in Concentration Polarization Layer of Ultrafiltration," Kor. Chem. Eng. Res., 31(6), 813-823(1993).
Hur, S. S., Choi, Y. H., "Studies on the Efficient Concentration Process of Apple Juice with Reverse Osmosis Process," Korean J Food Sci. Technol., 25(4), 321-326(1993).
Hwang, S. T., "Fundamentals of Membrane Transport", Korean J . Chem. Eng., 28, 1-15(2011).

상세보기
Hong, S. S., "Numerical Studies on the Spiral Wound Membrane Module of the Rressure-retarded Osmosis (PRO) Power System," M.S. Thesis, Hongik University, Seoul, Korea (2014).
Seader, J. D., Henley, E. J., Roper, D. K., Separation Process Principles, 3rd ed., Wiley, New York, USA (2010).
Alvarez, V., Alvarez, S., Riera, F. A., Albarez, R., "Permeate Flux Prediction in Apple Juice Concentration by Reverse Osmosis," Journal of Membrane Science, 127, 25-34(1997).

상세보기
Hur, S. S., Joo, G. J., Chang, K. S. and Choi, Y. H., "Characteristics of the Gel Layer Formation in the Concentration Process of Apple Juice with Reverse Osmosis Process," Food Engineering Progress., 2(2), 114-150(1998).
http://www.wolframalpha.com/input/?iion%20class%20of%20citrate%20ion&lk2.
Buffle, J., Zhang, Z. and Startchev, K., "Metal Flux and Dynamic Speciation at (bio)interfaces. Part I: Critical Evaluation and Compilation of Physicochemical Parameters for Complexes with Simple Ligands and Fulvic/humic Substances," Environ Sci Technol., 41(22), 7609-7920(2007).

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저자의 다른 논문 :

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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