Stirred Cell 안에서 전하를 띤 Microsphere가 투과 flux에 미치는 영향

박정민, 최성욱, 방시원, 함승주, 김우식

연세대학교 공과대학 화학공학과

Effect of Electrostatic Interactions on Permeate Flux using Stirred Cell

Jung-Min Park, Sung-Wook Choi, Si-Won Pang, Seungjoo Haam

and Woo-Sik Kim

Department of Chemical Engineering, College of Engineering, Yonsei University, Seoul 120-749, Korea

1.	서론

정밀여과 공정에서 입자와 입자사이 또는 입자와 막 표면사이에서의 전기 화학적 상호작용력은 중요한 역할을 한다. 정밀여과 투과 flux에서 pH와 염 농도의 영향에 관해서는 많은 연구자들에 의해 보고되었다.

Hoogland와 그의 동료들은[1] alumina 정밀여과 막에 의해 분리되는 silica 입자의 투과 flux는 pH가 높을수록 증가한다는 것을  발견했다. 높은 pH에서(입자의 높은 zeta potential에서), 보고자들은 입자들 간의 반발력이 cake 형성을 방해하고, 막의 오염을 줄인다고 생각했다.  Nazzal 와 Wiesner[2]는 ceramic을 가지고 한 정밀여과 막 실험에서의 pH와 염 농도의 영향을 연구하였다. 입자없는 전해질 현탁액에서 실행된 실험에서 용액의 pH와 염농도는 투과 flux에 상당한 영향을 준다.

Tadros와 MayesIt는[3] 다양한 전해질 농도에서 polystyrene 입자현탁액으로 실험을 시행하였다 .전해질 농도가 증가할수록 특정 cake의 저항이 커짐을 알아냈다. 이것은 double layer를 압축시키고 입자의 effective 크기와 cake의 다공성을 감소시킨다.

수 micron크기의 입자의 여과에 대해 보고된 대부분의 연구에서 염 농도 그리고 특히 막 성능에 있어서 표면전하밀도가 다른 입자의 영향에 대해서는 거의 관심이 없었다. 그러므로, 본 연구에서는 그것에 관해서 dead-end microfiltration을 실행해보았다.

2.	실험

2-1. Microspheres의 제조와 특성분석

Microsphere는 styrene(S)을 주단량체로, methacrylic acid(MAA)를 공단량체로하여 회분식 무유화제 유화 공중합을 행하여 제조하였다. 개시제로는 KPS(potassium persulfate)을 사용하였으며 중합온도는 70℃에서 행하였다.

제조된 microsphere는 양이온 교환수지와 음이온 교환수지가 1 : 1당량비로 혼합된 Dowex MR-3(Sigma Chemical Co., I-9005)를 이용하여 counter ion을 제거한 후 serum replacement method를 이용하여 homopolymer와 다른 불순물을 제거하였다. 1차 세척된 latex를 400 mL stirred cell(Amicon, model 8400, USA)에 투입한 후 증류수로 배출액의 전도도가 탈이온 증류수의 전도도와 같아질 때까지 세척하였다.

Microsphere의 특성분석을 하기위하여 여러가지 분석실험을 수행하였다. Microsphere의 size를 알아보기 위하여 SEM을 찍어보았다. 각각의 latex의 Nc를 알아보기위하여는 0.02N NaOH를 이용하여 전도도적정을 하였다. Zeta potentional analysier를 이용하여 전기영동도 값을 측정해보았다.

2-2. 실험방법

Acetic buffer와  latex를 0.2m 정밀여과 막(Orange Co., Belgium)을 장착한 stirred cell에 넣어 전체 부피는 30mL, 비 표면적은 0.19m2/mL로 만든다. Stirred cell을 교반기 위에 놓고, 약 1m위의 높이에서 같은 완충용액을 흘려주어 투과 flux가 정상상태에 이를 때까지 계속한다.

시간에 따라서 투과 flux의 변화를 살펴보기 위해 stirred cell을 통하여 나오는 용액을 3분마다 컴퓨터에 RS 232 C로 연결되어 있는 저울(precision plus, Ohaus Co., USA)로 무게를 특정하여 투과 flux를 결정한다. 위와 같은 실험을 stirred speed(300, 400, 600rpm), 이온강도(0.1, 0.01, 0.001)와 Nc가 다른 latex(CM-3, CM-4, CM-5)를 변화시켜 반복한다.

3. 실험결과 및 고찰

3-1. Latex만 넣은 상태의 stirred cell의 rpm에 대한 flux 고찰

Fig. 1는 stirred cell에 latex만 넣고, 이온강도 0.01, pH 4.5인 buffer를 흘리는 단계의 시간에 따른 투과 flux를 보여주고 있다. 투과 flux는 시간에 따라서 감소하다가 정상상태에 이른다. 각각 stirrer speed 300, 400, 600rpm에서 행하였다. Stirrer speed가 커질수록 정상상태 투과 flux는 증가하였다.

초기에는 bulk상에 있는 microsphere 입자가 막 표면 위로 집중되어 농도분극 층의 두께가 증가하기 때문에 시간이 지나면서 투과 flux는 낮아지게 된다. 약 40분이 지나면 정상상태에 도달하게 되며 stirrer speed가 증가할수록 정상상태 투과 flux는 증가한다. 이는 기계적 교반으로 인해 shear stress가 증가하여 농도 분극된 층의 두께가 얇아지기 때문이다.

3-2. pH4.5, 400rpm에서의 이온강도에 대한 flux 고찰

Fig. 2.는 pH4.5, 400rpm에서의 stirrer cell에 latex만 넣고, buffer를 흘리는 단계의 시간에 따른 투과 flux를 보여주고 있다. 투과 flux는 시간에 따라서 감소하다가 정상상태에 이르렀다. 각각 이온강도 0.1, 0.01, 0.001에서 실험을 행하였다.

이온강도가 클수록 투과 flux는 감소한다. 이것은 정전기적 반발력 때문에 double layer 두께가 얇아져 투과 flux가 감소한다.

3-3. charge density에 대한 투과 flux 고찰

Fig. 3.은 400rpm, 이온강도 0.01로 하여 Nc가 다른 각각의 latex(CM-3, CM-4, CM-5)에 대하여 투과 flux를 시간에 따라 살펴본 것이다. Nc가 제일 작은 CM-3의 투과 flux가 제일 작으며, Nc가 제일 큰 CM-5의 투과 flux가 제일 큰 값을 갖는다.

Nc가 클수록 투과 flux는 증가한다. 이와 같이 Nc가 커질수록 정전기적 반발력이 커지고 그로 인해 double layer의 두께가 두꺼워지기 때문에 투과 flux가 증가한다.

3-4. BSA-adsorbed microsphere의 charge density에 대한 투과 flux 고찰

Fig. 4.는 400rpm, 이온강도 0.01로 하여 charge density가 다른 latex에 단백질을 붙인 BSA-adsorbed microsphere를 가지고 투과 flux를 시간에 따라 살펴본 것이다. BSA-adsorbed microsphere에서도 charge density가 클수록 투과 flux는 증가하는 경향을 보였다. charge density가 커질수록 정전기적 반발력이 커지고 그로 인해 double layer의 두께가 두꺼워지기 때문에 투과 flux가 증가한다.

4. 결	론

Microsphere로 채워진 stirred cell에 여러 조건하에서 투과 용액인 buffer solution을 흘려주며 투과 용액의 flux를 측정하여 다음의 결과를 얻을 수 있었다. 단백질을 부착하지 않은 microsphere를 이용한 실험에서는 stirrer speed의 영향은 일반적인 막 분리와 같이 stirrer speed가 증가하면 flux도 증가하였다.

단백질을 부착하지 않은 microsphere를 이용한 실험에서는 이온강도가 작을수록, charge density가 클수록 정전기적 반발력에 의한 double layer의 두께가 두꺼워 지기 때문에 투과 flux가 커지는 경향이 나타난다.  단백질을 부착한 microsphere를 이용한 실험에서도 charge density가 클수록 정전기적 반발력에 의해 double layer의 두께가 두꺼워 지기 때문에 투과 flux가 커지는 경향이 나타난다.

참고문헌

[1] M.R. Hoogland, A.G. Fane, C.J.D. Fell, The effect of pH on the cross-flow filtration of mineral slurries using ceramic membranes, in: A.J. Burggraff (Ed.), 1st Int. Conf. on Ceramic Membranes, Montpellier, Trans Tech Publications, Montpellier 1990, pp. 153-162.

[2] F.F. Nazzal, M.R. Wiesner, pH and salt concentration effects on the performance of ceramic membranes in water filtration, J. Membrane Sci. 93 (1994) 91-103.

[3] M.E. Tadros, I. Mayes, Effects of particle properties on filtration of aqueous suspensions, in: R. Sanasundaram(Ed.), Fine Particles Processing, vol. 2, American Institute of Mining, Metallurgical and Petroleum Engineers, New York, 1980, pp. 1583-1593.