양이온교환기가 도입된 다공성막에 암모니아 이온의 흡착특성

양 갑 석, 김 준 구, 김 민, 이 영 기*

동국대학교 안전공학과, 린나이코리아 R&D 센터*

Adsorption characteristic of NH3 ions by the porous membrane induced cation-exchange group

Kab-Suk Yang, Jun-Ku Kim, Min Kim, Young-Ki Lee

Department of Safety Engineering, Dongguk University

R&D center, Rinnia Korea*

서론

현재 배출되는 하□폐수 다양화에 의해 오염물질이 하천이나 호수 등 수원의 효율적 수질관리에 많은 문제점을 야기하고 있다. 특히 분뇨나 생활폐수, 공장폐수 등의 유입에 의해 주로 많이 생기는 암모니아(NH3)는 오염된 수계에서 부영양화를 촉진시켜 어류의 집단 폐사에 주요한 원인으로 작용하고 있다.

암모니아를 제거하는 방법에는 생물학적 처리법, 염소처리법, 역삼투압법, 이온교환법 등이 있다. 특히, 이들 중 이온교환법이 선택적 이온교환에 의한 제거효율이 뛰어나고, 계절에 따른 영향도 적으며, 재생 사용하기 쉽다. 하지만, 이온교환에 주로 사용되는 재료로서 비즈는 용매에 의한 팽윤과 수축률이 대단히 커서 그 수명이 짧을 뿐만 아니라 컬럼 조작이 어렵고 확산이동저항이 크다는 단점을 나타낸다. 이러한 점을 극복하기 위해, 물리적 화학적으로 안정된 폴리에틸렌 다공성 중공사막에 방사선 그라프트 중합법을 사용하여, 양이온 교환기를 도입하여, 보다 효율적인 암모니아 제거방법을 생각할 수 있다. 본 연구실에서는, 지금까지 방사선 그라프트 중합을 적용하여 수질 속에 존재하는 중금속 이온1)2)3) 및 질산성 질소의 제거4), 유용금속의 회수5)에 관한 연구를 수행하였다. 본 연구에서는 암모니아 수용액 중에 존재하는 암모니아를 제거하기 위해 양이온 교환기3)로서 술폰산기(SO3H)를 선택하였다.

본 연구의 목적은 다음과 같다.

1) 방사선 그라프트 중합법에 의해 작성된 양이온 교환막을 이용하여 암모니아       수용액의 투과특성을 검토한다.

2) 제조된 막의 암모니아의 흡착특성을 검토한다.

실험

1) 이온교환기의 도입반응

내경 2mm, 외경 3mm, pore size 0.34□, 공극율 70%인 폴리에틸렌 다공성 중공사막을 사용하여 방사선 그라프트 중합법으로 Glycidyl methacrylate (GMA)를 그라프트 중합한 후, GMA의 에폭시기로부터 술폰산기(SO3H)를 도입하고 친수화 처리하였다. 이렇게 제조된 막을 각각 GMA막과 SS-Diol막이라 하고 그 도

Fig.1 Preparation scheme for SS-group-containing porous membrane

입 경로를 Fig. 1에 나타내었다.

그라프트율(dg)과 술폰산기 밀도는 다음의 식으로 정의하였다.

dg = (W1-W0)/W0×100 [%]                                    (1)

술폰산기 밀도 = SO3H기의 몰수/W2 [mol/kg]                     (2)

여기서, W0, W1, W2은 각각 기재, GMA막, 술폰산기가 도입된 막의 중량을 나타낸다. 합성된 술폰산기 밀도는 적정법에 의해 측정하였다.

2) 술폰산기가 도입된 막에 암모니아의 투과특성

SS-Diol막을 이용하여 수계에 존재하는 암모니아의 흡착실험은 fig. 2에 나타난 투과법을 사용하였다. 투과해 나온 용액의 농도 및 투과유속을 측정하여 암모니아의 흡착량 및 투과유속을 계산하였다.

q = [eqn: INT _{ 0}^{V_e }](C0 - C)dV/W                               (3)

Flux(m/h) = (투과한 용액의 양)/[(막의 내면적)(투과 시간)]

=360×Q/□/D/L/T                                  (4)

Fig.2 Experimetal apparatus

여기서, C0와 C는 각각 유입 유출되는 이온의 농도를 나타내며, V는 유출량, Ve는 C가 C0에 도달하였을 때의 유출량을 나타낸다. 암모니아 농도는 인도페놀법

Fig.3 BTC and flux of ammonia at the SS-Diol membrane		Fig.4 BTC of ammonia at the SS-Diol membranes for the different pressure

에 의해 정량하였으며, 실험은 실온에서 수행하였다.

결과 및 고찰

1) SS-Diol막의 암모니아 투과특성

그라프트율 50∼210%막을 사용하여 GMA막에 술폰산기가 도입될 때 반응시간  30분에 각각 0.23∼0.56mol/kg-BP의 SS-Diol막을 얻을 수 있었다.

SS-Diol막에 있어서, 암모니아 흡착에 따른 파과곡선과 투과유속과의 관계를 fig. 3에 나타내었다. 그 결과 BTC 변화에 관계없이 투과유속이 일정함을 알 수 있었다. 이것은 SS-Diol막이 금속이온과 흡착할수록 투과유속이 증가1)하는 것과는 다른 경향을 나타내는 것을 알 수 있었다.

2) SS-Diol막의 암모니아 흡착특성

SS-Diol막에 있어서, 양이온 교환기 밀도를 변화시켰을 때, 암모니아 흡착에 관계를 fig. 4에 나타냈다. 본 실험에서는 GAM 그라프트율을 변화시켜, 양이온 교환 밀도를 변화시켰다. 그 결과 술폰산기 밀도에 대하 암모니아 이온이 1 : 1로 흡착하였다. 따라서 SS-Diol막에 금속이온 흡착할 경우 2 : 1 이온 교환이 이루어지는 것과는 다른 경향을 나타내었으며, 이것은 또한 투과 유속에도 영향을 나타내는 것을 알 수 있었다.

3) 압력변화에 따른 흡착특성

압력변화에 따른 흡착량의 변화를 fig. 5에 나타내었다. 암모니아 이온의 투과 유속을 변화시켰을 때, 파과곡선이 투과압력에 의존하지 않는 특성을 나타내었다. 이것은 비즈에 의한 확산이동저항이 큰 것에 비해 물질이동저항이 무시되어 고속, 고용량 회수할 수 있음을 나타낸다.

Fig.5 Adsorption capacity as a function of the density of SO3H group		Fig.6 Adsorption capacities at the SS-Diol membranes as a function of pH ammonia solution

4) pH 영향에 따른 흡착특성

pH 영향에 따른 암모니아의 흡착량을 나타내었다. pH가 9근방에서 가장 높은 암모니아 흡착량을 나타내었다. pH가 낮아질수록 암모니아의 흡착량은 줄어들었으며, pH 9 이상에서는 급격한 감소현상이 나타났다.

결론

전자선 그라프트 중합법을 적용하여, 다공성 중공사막에 전자선을 조사시킨 후,  양이온 교환기로서 술폰산기를 도입시켜 양이온교환 막을 작성하였다. 그 후, 암모니아 수용액 중의 암모니아 이온의 흡착 특성에 대해서 조사한 결과 다음과 같은 결론을 나타내었다.

1) 암모니아 이온이 흡착함에 관계없이, 투과유속이 일정함을 나타내었다.

2) 술폰산기 밀도에 대하여 암모니아 이온은 1 : 1로 흡착하였다.

3) pH가 9 근방에서 가장 높은 암모니아 흡착량을 나타내었다

참고문헌

[1] M. kim and K. saito Radiat. Phys. Chem., 57, 167-172(2000)

[2] S. Konishi, K. Saito, S.Furusaki and T. Sugo, J. Membr. Sci., 111,            1-6(1996)

[3] S. Konishi, K. Saito, S. Furusaki and T. Sugo, Ind. Eng. Chem. Res., 31,     2722-2727(1992)

[4] 김준구, 김민 □2001. 춘계막학회

[5] M. kim and K. saito. React. Polym., 40, 275-279(1999)