나권형 RO Module에 의한 메타 크레졸의 분리에 관한 연구

류 정, 이 용철

성균관 대학교 화학공학과

A Study on the Separation of m-Cresol by Spiral RO Module

Jeung Ryu, Yong-Chul Lee

Dept. of Chem. Eng., Sung Kyun Kwan Univ.

서론

역삼투 공정은 압력 구배를 추진력으로 하여 각종 염이나 유기 물질들을 분리하는 막분리 공정으로 분자 수준의 분리가 이루어진다. 순수는 역삼투막을 투과하고 기타 용해 물질들은 막을 투과하지 못하고 남아 있게 된다. 이러한 막분리 기술은 원리나 공정이 간단하고 대부분의 기체 및 액체 혼합물의 분리에 이용 가능하며 상변화를 동반하지 않아 에너지 소비가 적고 공정 효율이 높다는 특징을 가지고 있다. 이와 같은 특성을 이용해 역삼투 공정이 가장 먼저 해수 및 염수의 담수화에 이용되었고, 반도체 및 전자 산업에서 필수적인 초순수의 제조, 생화학 또는 생의학 물질의 정제 및 회수 등 여러 방면에서 실용화가 되고 있다.

최근에 역삼투 공정이 새롭게 응용되고 있는 분야가 폐수 처리 공정이다. 각종 폐수에는 여러 종류의 유기물질과 무기물질이 용해되어 있으므로 이것을 처리하지 않고 방류할 경우 환경오염의 원인이 되고, 재활용이 가능한 자원을 낭비하게 되는 직접 또는 간접적인 손실을 가져오게 된다. 1차 처리 및 2차 처리를 통해 물리적, 화학적 및 생물학적 처리를 거친 물에 미량 존재하는 유해 화학 물질을 최종적으로 고도 처리하거나 폐수중에 함유된 고가의 화학물질들을 회수할 필요가 있는 경우에 주로 이용되고 있다.

따라서 본 연구에서는 염배제율이나 수투과량에서 우수한 효과를 나타내는 Film Tech사의 박막복합막인 BW-30을 이용하여 pH, 농도 및 압력을 공정 변수로 m-Cresol의 역삼투 분리실험을 수행하고 역삼투 공정에 대한 최적 조건을 결정하고자 한다. 또 이러한 실험 결과들을 비교 검토하여 역삼투 공정의 응용에 필요한 기초 자료들을 제시하고자 한다.

이론

역삼투 공정은 두 용액간의 화학적 포텐셜차에 의해 순수쪽에서 용액쪽으로 물이 투과하는 삼투현상을 기초로 하고 있다. 이러한 삼투현상에 의해 나타나는 두 용액간의 높이의 차, 즉 수두를 압력으로 환산한것을 삼투압이라고 하는데 이 삼투압이상의 압력을 용액측에 가하면 물이 고농도의 용액에서 반투막을 통해 순수용매쪽으로 이동하게 된다. 용액측에 가해지는 압력에 따라 용매가 분리되는 정도는 차등적으로 나타난다. 실제 사용되는 압력은 삼투압의 2배 이상이며, 유효압력은 가해진 압력과 용액의 삼투압의 차로서 정의된다.

실험

본 실험에서 사용한 역삼투막과 모듈은 Film Tech사에서 제조한 FT-30막의 나권형 모듈인 BW-30을 사용하였다. 막은 방향족폴리아미드계통으로 활성층은 세공 직경이 약 0.001□ 정도인 방향족폴리아미드로이고, 지지체는 표면세공의 직경이 0.015□이고, 표피층의 두께는 0.2□인 폴리설폰으로 형성되어 있는 박막복합막이다. 즉 분리능이 탁월한 활성층을 수투과가 우수한 지지체의 상부에 피복한 구조로 전체적인 분리능을 향상시키고 고압에 견딜 수 있다. 나권형 모듈은 박막형태의 역삼투막 사이에 지지체를 장착하고 중앙에 구멍이 있는 관을 내장하여 나선형으로 말은 것을 원통형의 관에 내장한 형태의 모듈로 다른 모듈에 비해 고압에 견딜 수 있고 spacer로 인해 난류가 촉진되므로 농도분극 현상을 감소시킬 수 있다.

분리대상 물질로 사용한 메타크레졸은 일본의 Junsei Chemical Company, Inc.의 특급 시약을 사용하였다. pH 조절제로는 일본 Shinyo Pure Chemical사의 황산과 수산화나트륨을 사용하였다.

본 실험에 사용한 역삼투 실험 장치의 개략적인 공정도는 Figure 1에 나타내었다. 도입압력이 35kg/cm2를 넘을 경우 안전밸브(relief safety valve)를 통해 압력이 하향 조절되도록 하여 막의 파손을 방지할 수 있도록 하였다. 또한 400 mesh(35 □) 정도의 SUS mesh를 사용한 여과기(strainer)를 설치하여 막의 오염 및 손상을 줄일 수 있도록 하였다. 용질을 함유한 수용액은 고압 피스톤펌프(CAT., model 341, U.S.A.)를 거쳐 역삼투 장치내 막의 하부측으로 유입된다. 역삼투 장치로 유입되는 공급액의 유속을 조절하기 위해서 전화기(inverter)를 설치하였다. 압력은 고압 니들밸브(high pressure meedle valve)로 조절하는데, 게이지를 설치하여 압력을 확인할 수 있도록 하였다. 막 모듈을 통과한 막 투과액과 농축액은 모두 원액 저장조로 회수되며, 유량계를 설치하여 막 투과액 및 농축액의 유량을 확인할 수 있도록 하였다. 또한 온도 게이지를 설치하여 공급수용액의 조업온도를 확인할 수 있도록 하였으며, 고압펌프로 인한 용액의 온도 상승을 막기 위하여 열교환기를 설치하여 냉각수를 통과시킴으로써 온도를 일정하게 유지하였다.

본 실험은 상온(25±1℃)에서 공급유속을 8.4 l/min으로 일정하게 유지하면서 공급액의 농도를 100, 300, 500, 700, 900 mg/l로 제조하여 도입압력을 3, 6, 9, 12, 15, 18 kg/cm2로 증가시키면서 각각의 압력에서 공급액의 농도 변화가 막의 배제율과 막 투과 유량에 미치는 영향과 도입압력의 변화가 각각의 농도에서 용질의 배제율과 막 투과유량에 미치는 영향을 알아보았다. 또한 공급액의 pH에 따른 영향을 알아보기 위해 공급액의 농도를 100 mg/l로 일정하게 하고 pH를 3, 4, 8, 10, 11로 조정하고 각 시간대별로 시료를 채취하여 농도를 측정하여 pH에 따른 막의 배제율을 비교하였다. 그리고 pH 변화에 따른 막 투과유량의 변화를 알아보았다. 막의 배제율은 다음과 같이 정의하여 사용하였다.

[eqn: R`(%)~ =~ {C_f ~ - ~ C_p } over C_f ~ TIMES 100 ``~ (`C_f ~:` 공급용액의 농도,~ C_p ~:` 막 투과액의 농도~)`]

결과 및 고찰

Fig. 1을 살펴보면 동일 공급농도에서 압력이 증가함에 따라 막 투과유량은 직선적으로 증가하는 것으로 나타났다. 동일한 압력하에서 농도의 증가에 따른 막 투과액의 유량의 변화를 살펴보면, 대체적으로 농도가 증가함에 따라 용액의 삼투압이 증가하므로 막 투과액의 유량은 감소하는 경향을 나타내었다.

전반적으로 모든 농도에서 압력이 증가함에 따라 막 투과액의 농도가 감소하는 것으로 나타났는데 이를 바탕으로 구한 배제율과 압력과의 관계를 Fig. 2에 나타내었다. 일반적으로 도입 압력이 증가함에 따라 각 농도에서의 막의 배제율은 증가하고 있다. 압력이 낮은 쪽에서 배제율이 상대적으로 크게 증가하는 반면 압력이 12 kg/cm2이후에서는 배제율의 증가는 완만히 이루어지고 있다. 이러한 경향으로 보아 압력이 18 kg/cm2 이후에는 압력의 증가에 의해 배제율이 더 이상 증가하지 않는 임계압력에 도달할 것으로 추정된다. 또한 각 압력에서 농도가 증가함에 따라 막의 배제율은 감소하는데 저압의 경우 그 영향이 크게 나타났고 압력이 높아질수록 농도 증가의 영향은 적은 것으로 나타났다.

대체적으로 pH의 변화에 따른 각 압력에서의 막 투과유량은 거의 변화가 없고 막의 구성물질에 영향을 줄 수 있는 pH 11에서 약간의 증가가 나타났다(Fig. 3). pH 3과 pH 8사이에서는 압력 영향을 크게 받는 것으로 나타났는데 압력의 변화에 따른 용질 배제율이 pH 3에서 67.5%부터 89.8%까지, pH 4에서 66.1%부터 89.0%까지, pH 8에서 68.6%부터 89.9%까지 변하여 용질의 배제율이 압력의 증가에 따라 비교적 크게 향상되는 것을 알 수 있다. 강염기성인 pH 10과 pH 11에서는 저압에서도 상당히 높은 배제율(88.1%, 96.22%)을 나타내고 있어 도입압력이 증가함에 따른 배제율의 변화에 미치는 압력의 영향이 그다지 크지 않음을 알 수 있다(Fig. 4).

이상의 결과로부터 압력이 임계압력에 이를때까지 배제율도 높아지는 것으로 나타났고 임계압력에 가까워질수록 농도의 변화에 따른 영향은 줄어들고 있다. 그리고 공급액의 pH를 조절하므로 낮은 운전압력에서도 높은 배제율을 얻을 수 있는 것으로 나타났다.

참고문헌

1. Baker, R. W., Cussler, E. L., Eykamp, W., Koros, W. J., Riley, R. L. and

trathmann, H., "Membrane Separation Systems", Noyes Data Corporation,      New Jersey, N.Y. (1991).

2. Winston Ho, W. S. and Sirkar, K. K., "Membrane Handbook", Van Nostrand     Reinhold, New York, N.Y. (1992).

3. Amjad, Z., "Reverse Osmosis : Technology, Water Chemistry, and Industrial     Applications", Van Nostrand Reinhold, New York, N.Y. (1993).

4. 고석문, 박청길, 김오식, □막분리 기술□, 동화기술, p. 1-22, p. 36-41, (1991).

5. Matsuura, T. and Sourirajan, S., J. Appl. Poly. Sci., 16, 2531 (1972).

6. Matsuura, T. and Sourirajan, S., J. Appl. Poly. Sci., 18, 3671 (1974).

7. Matsuura, T., "Synthetic Membranes and Membrane Separation processes",     CRC Press. Inc., pp. 305-309 (1993).

Figure 1. Effect of operating pressure              Figure 2. Effect of feed concentration

on the permeate flux.                           on the solute rejection.

Figure 3. Effect of pH on the permeate flux        Figure 4. Effect of pH on the solute rejection

at the various operating pressures.                 at the various operating pressures.