세라믹	관형막을 이용한 염료폐수처리의 응용

윤 영 재, 박 문 수, 김 선 일

조선대학교 화학공학과

Application of Dyestuff Wastewater Treatment Using

Ceramics Tubular membrane

Young-Jae Yun, Mun-Su Park, Sun-Il Kim

Dept. of Chem. Eng., Chosun University, Kwangju 501-759, Korea

서 론

분리막 이용을 기초로한 접합공정은 증류, 용매추출 등과 같은 기존 공정과 역삼투, 한외여과, 정밀여과 공정 등과 같은 분리막 공정[1]을 병용하는 것이다. 특히 고농도의 COD, 부유물질이 함유된 경우 막 폐색은 유기물 및 미생물이 막 표면에 축적, 증식함으로서 물리적인 방법으로는 투과플럭스의 회복이 불가능한 상태를 유발하므로 막의 수명을 단축시키는 원인이 된다[2]. 본 연구에서는 세라믹 관형막모듈(tubular module)의 정밀여과(Microfiltration; MF)[3]와 분말활성탄공정의 접합공정(MF-PAC)을 이용한 염색폐수처리 시스템 실용화를 위한 막 폐색 억제를 목적으로 유량, 막의 세공크기 및 압력의 조작변수에 따른 투과플럭스에 미치는 영향을 조사하였다.

실 험

1. 재료 및 기기

세라믹 관형막 및 housing은 DOW DANMARK Co.의 제품을 사용하였으며,  막의 pore size는 0.2. 0.5 및 0.8□를 사용하였고 관형막의 길이는 229mm, 외부직경이 9.02mm, 내부직경이 6.49mm, 유효표면적은 4,669mm2이다. 염색폐수는 원폐수(W/O), 원폐수를 펜턴산화[4]시켜 전처리한 시료에 분말활성탄을 주입한 시료(w/PAC)와 주입하지 않은 시료(w/o PAC)를 사용하였다. 막분리 장치는 온도조절기가 부착된 7L의 저장용기로부터 막모듈로 주입해 주는 feed pump(1 HP, head pump; PROCON Co), 막모듈의 입구와 출구쪽에 각각 밸브와 압력계를 설치하고 출구쪽의 밸브를 이용하여 막모듈에 추진 압력을 제공하여 투과액을 받아 모을 수 있게 되어있으며, 농축액은 저장용기로 되돌아 가도록 되어있다. 막이 오염되었을 때 압력용기에 받아모아진 투과액을  backflush하여 막을 세척하기 위해 압력용기 주변에 솔로네이드 밸브 5개(SV1∼SV5)를 부착하였다.

2. 실험방법

2.1 유량에 따른 투과플럭스에 미치는 영향

원폐수(W/O) 및 펜턴반응으로 전처리한 염료폐수의 상등액에 분말활성탄을 주입한 경우(W/PAC)와 주입하지 않은 경우(w/o PAC)에 대하여 막분리를 수행하였다. 유량은 12L/min, 13L/min 및 14L/min으로 변화시켰고, 압력은 2.5bar, 시료의 온도는 25±1℃로 유지하고 막의 pore size는 0.5□를 사용하여 유량에 따른 투과플럭스에 미치는 영향을 조사하였다.

2.2 압력에 따른 투과플럭스에 미치는 영향

막분리시 압력은 1, 2 및 3bar로 변화시켰고 시료의 온도는 25±1℃로 유지시키고 막의 pore size는 0.5□를 사용하여 투과플럭스에 미치는 압력의 영향을 조사하였다.

2.3 Pore size에 따른 투과플럭스에 미치는 영향

세라믹 관형막의 pore size는 각각 0.2, 0.5 및 0.8□인 것을 사용하였으며, 막분리시 사용압력은 2.5bar, 시료의 온도는 25±1℃로 유지시켜 pore size에 따른 투과플럭스의 영향을 조사하였다.

2.4 Backflush의 시간에 따른 투과플럭스에 미치는 영향

막의 세척을 위해 backflush 장치를 설치하여 솔로네이드 벨브를 개폐하면서 실험을 수행하였으며, 이 실험에서는 압력을 2.5bar, 시료의 온도를 25±1℃로 일정하게 유지시키고, 막의 pore size는 0.5□를 사용하였다. 이때 막분리 조작 10, 20, 40min 마다 5, 10 및 20sec 동안 backflush 압력을 2 Kgf/cm2로 실험을 수행하여 운전시간과 backflush duration에 따른 세척효과를 조사하였다.

결과 및 고찰

1. 유량에 따른 투과플럭스의 영향

Table 1에 나타낸 것 처럼 세가지 시료의 경우 모두 유량이 증가할수록 투과플럭스가 증가하였다. 또한 일정한 압력과 유량에 대해서 시간이 경과할수록 투과플럭스는 현저히 감소함을 알 수 있었다.

Table 1. Effect of permeate flux with flow volume.

	Flow volume (L/min)	Permeate flux(×103 L/m2·h)
		1min	20min	40min	60min	80min	100min
W/O	12	1.51	0.21	0.18	0.18	0.17	0.14
	13	1.72	0.33	0.19	0.19	0.18	0.15
	14	1.83	0.42	0.20	0.20	0.19	0.17
w/o PAC	12	2.02	0.71	0.63	0.62	0.52	0.48
	13	2.21	0.82	0.65	0.64	0.55	0.50
	14	2.42	0.61	0.70	0.68	0.59	0.54
w/ PAC	12	1.73	0.52	0.32	0.32	0.30	0.27
	13	1.82	0.53	0.38	0.36	0.34	0.29
	14	1.91	0.61	0.40	0.45	0.39	0.35

2. 압력에 따른 투과플럭스의 영향

Table 2에서와 같이 원폐수(W/O)의 경우는 조작압력이 1, 2 및 3bar일 때 1분 경과후 투과플럭스는 각각 0.61, 1.32 및 1.91×103L/m2·h로 압력이 증가할수록 투과플럭스가 증가하였다. 또한 일정한 압력에 대해서 시간이 경과할수록 투과플럭스는 현저히 감소하였다. 압력이 1bar일 때 1, 40 및 100min 시간이 경과한 후의 투과플럭스는 각각 0.61, 0.07 및 0.06×103L/m2·h로 나타났다. 1min 경과한 후 보다 20min이 경과한 후에는 플럭스가 86.89% 감소하였으며, 20min이 경과한 후부터 100min이 경과할 때 까지는 투과플럭스가 약간씩 감소하였다. 그러므로 20min 이내에  막의 오염물질을 제거해주는 것이 타당하다고 볼 수 있다. 전처리한 염료폐수에 분말활성탄을 첨가하지 않은 경우(w/o PAC)와 첨가한 경우에 대한 투과플럭스값은 Table 2와 같다.

Table 2. Effect of permeate flux with operating pressures

	Pressures (bar)	Permeate flux(×103L/m2·h)
		1min	20min	40min	60min	80min	100min
W/O	1	0.61	0.08	0.07	0.07	0.06	0.06
	2	1.32	0.18	0.16	0.16	0.14	0.12
	3	1.91	0.36	0.25	0.23	0.22	0.18
w/o PAC	1	0.92	0.30	0.28	0.25	0.21	0.19
	2	1.81	0.62	0.59	0.56	0.43	0.40
	3	2.62	0.90	0.87	0.72	0.61	0.60
w/ PAC	1	0.73	0.21	0.15	0.15	0.14	0.12
	2	1.54	0.42	0.29	0.29	0.26	0.23
	3	2.20	0.60	0.48	0.47	0.45	0.39

Table 3. Effect of permeate flux with pore sizes

	Pore sizes (□)	Permeate flux(×103L/m2·h)
		1min	20min	40min	60min	80min	100min
W/O	0.2	1.20	0.15	0.13	0.13	0.12	0.11
	0.5	1.50	0.20	0.18	0.18	0.17	0.14
	0.8	1.80	0.34	0.30	0.28	0.28	0.26
w/o PAC	0.2	1.70	1.20	0.90	0.80	0.70	0.70
	0.5	2.00	0.70	0.63	0.62	0.52	0.48
	0.8	2.80	1.12	1.10	1.07	0.90	0.80
w/ PAC	0.2	1.40	0.40	0.20	0.20	0.18	0.14
	0.5	1.70	0.50	0.32	0.32	0.30	0.27
	0.8	2.50	1.07	1.02	0.90	0.80	0.65

3. Pore size에 따른 투과플럭스에 미치는 영향

Table 3에 나타낸 것 처럼 원폐수(W/O)의 경우는 pore size가 0.2, 0.5 및 0.8□일 때 1분 경과 후 투과플럭스는 각각 1.20, 1.50 및 1.80×103L/m2·h로 pore size가 증가할수록 투과플럭스가 증가하였다. 분말활성탄을 첨가한 경우는 첨가하지 않은 경우보다 투과플럭스가 낮게 나타났는데 이는 분말활성탄이 막오염을 일으키는 원인이 되기 때문으로 생각된다.

4. Backflush의 시간에 따른 투과플럭스에 미치는 영향

Table 4에서 볼 수 있듯이 10분 동안 막분리를 진행한 후 backflush를 각각 5, 10 및 20초간 실시하였을 때 원폐수(W/O)의 경우 투과플럭스는 1.32, 1.34 및 1.38×103L/m2·h로 backflush 시간이 길수록 막의 세척효과가 우수하게 나타났다. 전처리한 폐수(w/o PAC)와 전처리한 폐수에 분말활성탄을 주입하였을 경우도 backflush 시간이 길수록 세척효과가 우수하게 나타났다. Backflush 시간이 5초로 동일할 때 운전시간이 10, 20 및 40분일 경우에 투과플럭스는 각각 1.32, 1.28 및 1.09×103L/m2·h로 운전시간이 길수록 막의 오염이 심하여 세척효과는 떨어졌다.

Table 4. Effect of permeate flux with backflush time

Backflush pressure		2 Kgf/cm2
Operating times(min)		10			20			40
Backflush duration(sec)		5	10	20	5	10	20	5	10	20
Permeate flux (×103L/m2·h)	W/O	1.32	1.34	1.38	1.28	1.31	1.36	1.09	1.18	1.22
	w/o PAC	1.42	1.45	1.48	1.28	1.35	1.43	1.17	1.22	1.28
	w/PAC	1.68	1.72	1.89	1.58	1.62	1.84	1.52	1.59	1.64

결  론

세가지 시료 모두 유량이 증가할수록 투과플럭스가 증가하였으며, 원폐수의 경우는 고농도의 COD 및 부유물을 함유하고 있어 초기의 투과플럭스값이 다른 경우 보다 매우 낮았다. 분말활성탄을 첨가한 경우는 첨가하지 않은 경우보다 투과플럭스가 낮게 나타났는데 이는 분말활성탄이 막오염을 일으키는 원인이 되기 때문으로 생각된다. 압력에 따른 투과플럭스에 미치는 영향은 세가지 시료의 경우 모두 압력이 증가할수록 투과플럭스가 증가하였으며, 일정한 압력에 대해서 시간이 경과할수록 투과플럭스는 현저히 감소하였다. 운전시간이 길수록 backflush한 후 투과플럭스 회복은 낮았고 backflush duration이 길수록 세척효과가 우수하였다.

References

1. Wadley, S., Brouckaert, C.J., Baddock, L.A.D. and Buckley, C.A., J.              Membrane Sci. 102, 63(1995).

2. Nystrom, M., Kaipia, L., Luque, S. and Nuortila-Jokinen, J., Fouling              and Retention of Model Substances in nanofiltration, Abstracts                 Oral Presentations, ICOM'93, Heidelberg, August 30-Septmber                 3(1993).

3.  Bailey, A.D., et al., Water Research, 28(2), 297(1994).

4.  Kuo, W.G., Water Rearch, 26, 881(1992).