[논문]유수분리 기술의 최신 동향

박홍렬; 황운봉; 최덕현

doi:10.7234/composres.2023.36.2.069

유수분리 기술의 최신 동향
Recent advances on Oil-water Separation Technology 원문보기

Composites research = 복합재료, v.36 no.2, 2023년, pp.69 - 79

박홍렬 (Department of Mechanical Engineering, Pohang University of Science and Technology (POSTECH)) , 황운봉 (Department of Mechanical Engineering, Pohang University of Science and Technology (POSTECH)) , 최덕현 (Department of Mechanical Engineering, Sungkyunkwan University)

초록
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유수분리는 석유 생산, 폐수 처리 및 식품 가공을 포함한 다양한 산업 응용 분야와 해양 기름 유출과 같은 환경 분야에서 중요한 과정이다. 물-기름 혼합물의 분리 효율은 혼합물의 유형, 기름과 물의 상태, 적용하고자 하는 기술을 포함한 여러 요인에 의해 영향을 받을 수 있으며, 수년에 걸쳐 물리적, 화학적 및 생물학적 방법으로 물과 기름을 분리하기 위한 다양한 기술이 개발되어 오고 있다. 본 논문은 중력에 의한 분리, 원심 분리, 흡착재, 필터 등을 이용한 유수분리를 포함하여 물-기름 분리에 사용할 수 있는 다양한 방법과 기술에 대해 개략적으로 설명하고자 한다. 각 방법의 장점과 한계를 최근 연구 동향 및 향후 전망과 함께 논의한다. 또한 본 논문에서는 지속 가능하고 환경 친화적인 접근 방식에 특히 중점을 두고 유수분리 분야의 향후 연구와 산업 적용을 위한 방향성을 제시하고자 한다. 결론적으로 본 논문에서는 유수분리 분야의 연구자 및 산업 종사자에게 유용할 수 있는 최근 유수 분리 기술에 대한 포괄적인 개요를 제공하고자 한다.

Abstract ▼ AI-Helper

Oil-water separation is a critical process for several industrial applications, including oil production, wastewater treatment, food processing, and environmental area such as marine oil spills. The separation efficiency of oil-water mixtures can be influenced by various factors such as mixture composition, oil and water conditions, and the separation technology used. Over the years, various technologies have been developed to separate water and oil by physical, chemical and biological methods. This paper presents an overview of the various methods and technologies available for oil-water separation, including gravity separation, centrifugal separation, and separation using adsorbents, filters. The strengths and limitations of each method are discussed, along with recent research trends and future prospects. Furthermore, this paper aims to provide direction for future research and industrial application of sustainable and environmentally friendly oil-water separation technologies. In conclusion, we provide a comprehensive overview of recent oil-water separation technologies that will be beneficial to researchers and industrialists in the field of oil-water separation.

주제어

표/그림 (7)

그림 Fig. 2. A scheme of a) American petroleum institute separator. b) Corrugated plate interceptor separator. c) Centrifugal separator. Reproduced with permission from Ref. [45]. Copyright 2022, ELSEVIER BV
그림 Fig. 1. a) Mechanism of oil-water separation. b) Three typical types of oil-water separation methods. c) Various applications in oil-water separation field
표 Table 1. A summary of physical oil and water separation technologies. Reproduced with permission from Ref. [45]. Copyright 2022, ELSEVIER BV
그림 Fig. 3. Various oil absorbents for oil-water separation.
그림 Fig. 4. Plasma-treated filters for oil-water separation.
그림 Fig. 5. a) underwater superoleophobic nanofibrous cellulosic membrane.
표 Table 2. Comparison of absorbent materials and filtration materials for oil-water separation

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서 우리는 먼저 산업에서 사용하고 있는 대표적인 유수분리 장치들과 작동 원리에 대해 알아보고 각 장비들의 분리속도나 효율 등의 장, 단점들을 전달하고자 한다. 이어서 다양한 물질을 기반으로 하는 기름 제거용 흡착재나 금속과 폴리머 기반의 필터 유수분리를 통한 물과 기름의 선택적 분리에 대한 최근 연구 동향에 대해 알아보았고, 연구된 유수분리 기술들에 쓰인 소재, 분리속도, 분리효율 등의 장∙단점을 비교 분석하였다.
본 논문에서 현재 산업 현장에서 사용되고 있는 다양한 유수분리 장치와 최신 유수분리 연구 동향에 대해서 알아보았다. API, CPI 등의 기존 유수분리 장치들은 적은 에너지로 대용량의 유수분리를 가능하게 하지만 설비를 위한 공간적인 제약과 중력 분리를 위한 시간적인 제약 등의 단점들을 가지고 있다.
이어서 다양한 물질을 기반으로 하는 기름 제거용 흡착재나 금속과 폴리머 기반의 필터 유수분리를 통한 물과 기름의 선택적 분리에 대한 최근 연구 동향에 대해 알아보았고, 연구된 유수분리 기술들에 쓰인 소재, 분리속도, 분리효율 등의 장∙단점을 비교 분석하였다. 이를 통해 향후 유수분리 연구 전망과 실제 산업에 적용하기 위한 방향성에 대해 논의하였고, 환경오염 문제 해결과 에너지 재활용을 통한 국내 기업 경쟁력 강화를 위해 유수분리 기술 개발의 필요성을 알아보았다.

제안 방법

polypropylene 심층 필터를 polyimide (PI)를 이용하여 물리적 코팅을 수행한 후 N'-dicyclohexylcarbodiimide (DCC)와 1-methyl-2-pyrrolidone (NMP)을 이용하여 화학기를 개질하여 최종적으로 극친수성의 polyacrylamide (PAM) 하이드로겔 층을 가진 심층 필터를 제작하였다
3d). 개발된 직물의 젖음성 특성을 위해서 물과의 접촉각을 측정했다. 코팅 전의 직물은 친수성 특성으로 인해 물과의 접촉각이 0°로 보였다.
제작된 심층 필터는 물과 0°의 접촉각을 보였고, 디젤, 가솔린 등의 다양한 유기용매와 수중 접촉각이 150° 이상으로 높은 수중 극소유성을 보였다. 극친수성 심층 필터를 이용하여 펌프, 압력 조절 장치 등을 구비한 연속 유수분리 시스템을 제작하였으며, 최대 300 ml/min의 유수혼합물 유입 속도에서 15 ppm 이하의 순도 높은 물을 분리할 수 있었다. 또한 극소수성 멤브레인을 시스템에 적용하여 최대 50 L의 유수혼합물을 연속적으로 분리하여 물 기름 모두 약 99.
본 논문에서 우리는 먼저 산업에서 사용하고 있는 대표적인 유수분리 장치들과 작동 원리에 대해 알아보고 각 장비들의 분리속도나 효율 등의 장, 단점들을 전달하고자 한다. 이어서 다양한 물질을 기반으로 하는 기름 제거용 흡착재나 금속과 폴리머 기반의 필터 유수분리를 통한 물과 기름의 선택적 분리에 대한 최근 연구 동향에 대해 알아보았고, 연구된 유수분리 기술들에 쓰인 소재, 분리속도, 분리효율 등의 장∙단점을 비교 분석하였다. 이를 통해 향후 유수분리 연구 전망과 실제 산업에 적용하기 위한 방향성에 대해 논의하였고, 환경오염 문제 해결과 에너지 재활용을 통한 국내 기업 경쟁력 강화를 위해 유수분리 기술 개발의 필요성을 알아보았다.

성능/효과

PP의 소수성 특성과 계층형의 마이크로 나노 구조로 인해 개발된 흡착재의 물과의 접촉각은 최대 142°까지의 높은 소수성을 보였다
또한, 물과 에탄올과의 접촉각이 각각 약 140°와 0°로 측정되어 극소수성-극친유성 성질을 가졌다. 개발된 PDMS 스펀지는 25회 이상의 재사용에도 99.5% 이상의 높은 유수분리 효율을 보였고, 흡착 용량 또한 약 700% 이상으로 높은 흡착 성능을 가짐을 알 수 있다.
물의 표면 장력은 일반적으로 기름보다 높기 때문에 고체 표면의 표면 장력 값이 물과 기름의 표면 장력 사이에 있을 때 극소수성인 동시에 극친유성의 표면을 얻을 수 있다. 극소수성 코팅이 된 직물은 효과적인 유수분리용 흡착재로 사용되었으며, 실험 결과 개발된 직물의 분리 효율이 97% 이상으로 흡착재용 멤브레인 소재로서 매우 효과적인 유수분리 성능을 보였다.
극친수성 심층 필터를 이용하여 펌프, 압력 조절 장치 등을 구비한 연속 유수분리 시스템을 제작하였으며, 최대 300 ml/min의 유수혼합물 유입 속도에서 15 ppm 이하의 순도 높은 물을 분리할 수 있었다. 또한 극소수성 멤브레인을 시스템에 적용하여 최대 50 L의 유수혼합물을 연속적으로 분리하여 물 기름 모두 약 99.9%의 분리 효율을 가지는 유수분리 실험에 성공하였다(Fig. 5c).
PP의 소수성 특성과 계층형의 마이크로 나노 구조로 인해 개발된 흡착재의 물과의 접촉각은 최대 142°까지의 높은 소수성을 보였다. 제작되는 폴리머 배합을 조절하여 최적의 흡착율을 갖는 흡착재를 개발하였으며, 제작된 흡착재를 이용하여 98% 이상의 높은 분리 효율을 갖는 유수분리 성능을 달성하였다.
제작된 심층 필터는 물과 0°의 접촉각을 보였고, 디젤, 가솔린 등의 다양한 유기용매와 수중 접촉각이 150° 이상으로 높은 수중 극소유성을 보였다

후속연구

하지만 고압, 고속에서의 유수분리를 위하여 보다 강건한 필터 연구가 필요할 것으로 판단되며 필터의 종류, 크기, 구조 등에 따른 고효율 필터 제작에 대한 연구가 지속되어야 할 것으로 판단된다. 또한 고효율의 지속적인 유수분리를 위하여 유수혼합물의 유출 입을 필터 허용 압력에 맞게 조절하는 기술이 필요할 것으로 판단되며, 펌프, 압력 센서, 유량 조절기 등의 유량 조절 장치를 제어하는 제어 기술 개발이 필수적으로 이루어져야 할 것이다. 유종과 유량에 맞는 필터 개발과 유수혼합물의 유량을 제어하는 제어 시스템 개발을 통해 시간적, 공간적 제약이 있는 산업 현장 속에서 대량의 유수혼합물을 고순도로 분리할 수 있는 시스템을 개발한다면 향후 유수분리 시장에서 경제적, 환경적으로 가치 있는 연구가 될 것으로 기대된다.
하지만, 흡착재의 오일 흡착량이 제한적일 뿐 아니라, 흡착재 폐기 문제로 2차 환경 오염을 유발할 수 있다. 또한, 대량의 기름 흡수를 위해서 다량의 흡착재가 필요하기에 많은 경제적 비용이 필요하며 다량의 기름을 제거하기에 상대적으로 느린 공정 속도를 가지기에 이를 보완할 효율적이고 경제적인 유수분리 기술 개발이 필요할 것으로 판단된다.
또한 고효율의 지속적인 유수분리를 위하여 유수혼합물의 유출 입을 필터 허용 압력에 맞게 조절하는 기술이 필요할 것으로 판단되며, 펌프, 압력 센서, 유량 조절기 등의 유량 조절 장치를 제어하는 제어 기술 개발이 필수적으로 이루어져야 할 것이다. 유종과 유량에 맞는 필터 개발과 유수혼합물의 유량을 제어하는 제어 시스템 개발을 통해 시간적, 공간적 제약이 있는 산업 현장 속에서 대량의 유수혼합물을 고순도로 분리할 수 있는 시스템을 개발한다면 향후 유수분리 시장에서 경제적, 환경적으로 가치 있는 연구가 될 것으로 기대된다.
필터를 이용한 유수분리의 경우 플라즈마 처리나 친수 혹은 소수 코팅을 통해 해양 기름 유출용 뜰채 혹은 펜스에 활용할 수 있고, 최근 개발된 연속 유수분리 시스템과 강건한 극친수성 심층 필터를 통하여 연구실 스케일의 대용량 반복 유수분리가 가능해졌다. 하지만 고압, 고속에서의 유수분리를 위하여 보다 강건한 필터 연구가 필요할 것으로 판단되며 필터의 종류, 크기, 구조 등에 따른 고효율 필터 제작에 대한 연구가 지속되어야 할 것으로 판단된다. 또한 고효율의 지속적인 유수분리를 위하여 유수혼합물의 유출 입을 필터 허용 압력에 맞게 조절하는 기술이 필요할 것으로 판단되며, 펌프, 압력 센서, 유량 조절기 등의 유량 조절 장치를 제어하는 제어 기술 개발이 필수적으로 이루어져야 할 것이다.

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Kim, S., Cho, H., and Hwang, W., "Robust Superhydrophilic Depth Filter and Oil/water Separation Device with Pressure Control System for Continuous Oily Water Treatment on a Large Scale", Separation and Purification Technology, Vol. 256, 2021, pp. 117779.

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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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