한외여과막에의한 Humic Acid 분리의 영향인자 해석

송근호, 이상인, 이광래, 이찬기

강원대학교 화학공학과

Analysis of Influencing Factors on Separation

of Humic Acid by Ultrafiltration Membrane

Gun-Ho Song, Sang-In Lee, Kwang-Rae Lee, Chan-Ki Lee

Dept. of Chemical Engineering, Kangwon National University 200-701

서론

부식산(Humic Acid)을 함유하고 있는 물은 색깔을 띄며, 산화과정에서 염소등과 반응하여 인체에 해로운 부산물을 생성한다. 특히, 발암물질로 알려진 THMs

(Trihalomethanes)을 형성하는 것으로 알려져 있으며, 산화제를 투입하기전에 HA의 농도를 한계농도이하로 낮추어야 한다. HA는 금속·농약등과 착물을 형성하고, 살균제의 소모량을 증가시키며, 물속에 존재하는 입자들의 안정성을 증가시키므로 응집침전효과를 감소시키는 역할을 한다. 따라서, 각 정수장에서의 가장 큰 어려움중의 하나가 HA의 처리이다. 본 연구에서는 저비용, 저에너지, 공정상의 조작이 용이한 분리막공정중 한외여과막을 도입하였다. 그러나 한외여과 역시 막오염(fouling)이라는 단점이 있어 이에 대한 연구가 필요하고 공정 변수들의 영향및 막의 오염을 최소화 시킬 수 있는 조건, 즉 최적화 조건을 제시하는 것과 HA의 분리막 공정에대한 기초자료를 제시하고자한다.

이론

1. 다중회귀분석

한외여과막에의한 HA의 분리성능에 영향을 미치는 인자들의 크기와 상호관계를 알아보기 위해 회귀분석을 실시하였다. 막의 투과플럭스는 종속변수(Y)이고 HA의 농도, 유량, 압력을 독립변수(X)로하여 다중회귀분석을하면 다음과 같은 회귀모형식으로 나타날 수 있다.

Y = □o + □1X1 +□2X2 + … +□kXk                 (1)

Y : 투과플럭스, 막저항, 투과농도

X : HA의 농도, 유량, 압력

□ : 회귀계수

회귀모형에 대한 실험계획은 다음의 Table 1에 나타내었다. 회귀모형의 각각의 독립변수의 변화량 구간은 막의 예비실험에 의하여 구간을 정하였다. 따라서 회귀계수의 절대값의 비교에 의하여 각각의 변수들의 영향과 그 크기를 규명할 수 있다.

Table 1. Experimental design for multi-regression model

	Conc. of HA(X1)	Feed flow rate(X2)	Pressure(X3)
Variable range	70	20	1
	40	30	2
	10	40	3

2. 저항연결 모델

저항연결 모델의 투과량(J)은 다음과 같이 표현된다.

[eqn: rm J(z) = {TRIANGLE P(z)} over {R_m + R_f +R_p}]                         (2)

Rm    :  막의 고유저항

Rp    : 농도분극이나 겔층에의한 저항

Rf    : 용질흡착과같은 오염현상

□P(z) : 막투과 압력으로 다음과 같이 정의되어진다.

□P(z) = P(z) - Pp

□P(z)는 hollow fiber의 길이방향에서의 압력의 분포이고, Pp는 shell side에서의 압력이다. Rp는 오염층의 수력학적 저항과 양에 비례하므로 오염층의 압축성 Rp는 압력의 함수라고 가정하면 다음과 같다.

Rp = □□P(z)                                 (3)

따라서, 식(3)은 다음과 같이 된다.

[eqn: rm J(z) = {TRIANGLE P(z)} over {R_m + R_f + PHI TRIANGLE P(z)}]                      (4)

Rm, Rf, 비례상수(□)는 실험 데이터에 의해 결정될 수 있다.

실험

1. HA용액의 조제

Aldrich Humic Acid(HA) 1g을 사용하여 초순수 물 1L에 녹인 후 24시간 교반시켰다. 교반시킨 용액을 원심 분리기(Brushless D.C Motor Centrifuge Vs-5000)에 2000rpm의 속도로 10분간 원심 분리후 상층액만을 이용하여 100ppm∼20ppm의 농도로 희석하여 sample을 제조하였다. 원심 분리하기전 HA의 pH는 7.5였으나 원심분리후 pH는 6.4로 낮아졌다. 이번 실험에 사용된 모든 시료는 같은 pH와 온도(22±2℃)에서 제조되었다.

2. HA농도의 결정

HA의 농도를 결정하기 위해 UV-VIS Spectrophotometer (HP8252, USA)와 TOC를 사용하였다. 다양한 농도와 파장에서 UV-흡광도를 측정한 결과 어느 파장의 빛을 이용하더라도 Beer-Lambert 법칙이 성립함을 알 수 있었다. 따라서 기존의 논문에서 제시된 254 nm의 빛을 이용하여 HA의 농도를 측정하였다. 또한 TOC분석 결과와 UV흡광도의 검량선을 작성하여 254 nm에서의 농도 측정이 타당함을 알 수 있었다.

실험 결과 및 고찰

1. 순수투과 실험

본 실험에서 사용된 polysulfone막의 고유막저항 Rm을 구하기 위해 압력차 변화에 따른 순수 투과플럭스 변화를 측정하여 그 결과를 Fig. 1에 나타내었다. 이때 순수 투과 flux는 한외여과 장치에 설치된 막을 3 atm에서 12시간이상 압밀화시킨후 측정하였으며, 순수 투과 flux는 압력차 증가에 따라 직선적으로 증가하였다. 막 저항 Rm은 순수투과 flux로부터 삼투압차를 무시하여 식 (4)에 의해 구하였으며, 본 실험에 사용된 폴리설폰 막의 순수투과계수는 3.11×10-2 (ml·atm /min·cm2)이고, 고유 막저항(Rm)은 2.187×1011 cm-1이였다.

2. 다중회귀분석에의한 투과플럭스에 영향을 미치는 변수 해석

70, 40, 10ppm의 HA용액을 가지고 각각유량과 압력을 변화시키면서 막투과 flux의 변화량(Fig. 2)을 측정하였다. 각 실험이 끝난 후 초순수의 물을 사용하여 30분간 세척후 앞에서 고유막저항을 구한 방법과 동일하게 압력을 변화시켜가며 투과 flux를 측정하였다. 측정한 결과로부터 식(1)에의해 계산된 회귀계수들은 Table 2와 같고 회귀모형은 다음과 같은 식으로 나타내어진다.

Permeate Flux = 4.562 - 0.095X1 +0.466X2 + 1.396X3

Conc. of HA. in permeate side =3.003 +0.238X1 - 0.021X2 +1.396X3

Total Resistance = 3.79 +0.109X1 - 0.546X2 +0.154X3

회귀모형에의하여 계산된 회귀계수로부터 투과 플럭스에 영향을 미치는 크기는 압력, 유량, 농도의 순으로 나타났고, 이것은 일반적인 투과공정현상과 일치한다.

또한 회귀 계수항의 양의 의미는 그 값이 증가하면 투과플럭스를 증가시키는 방향이고 음의 값은 그 반대의 의미이다. 한편 막의 오염정도인 막저항은 유량의 영향이 제일 큰 것으로 나타났다. 이러한 현상은 SEM사진 Fig. 3와 Fig. 4의 분석결과와 일치하였다.

Table 2. Results of multi-regression anaylsis of coefficient

	Permeate flux	Conc. of HA	Resistance
□o	4.562	3.003	3.79
□1	-0.095	0.238	0.109
□2	0.466	-0.021	-0.546
□3	1.396	1.396	0.154

감사   본 연구는 □1998년도 한국학술진흥재단 대학부설연구소과제 연구비□에        의하여 □분리막에 의한 부식산의 분리제거에 관한 연구□로 수행되었습니다.

참고문헌

1. Development of Environmental Toxicological Methods for the Assessment      of Chemical Compound(Ⅵ), 91 국책연구개발사업, 과학기술처

2. A. Heintz, W. Stephan, J. of Membrane Sci., 89, 153-159, (1994).

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5. G. R. Alken, D. M. Mcknight, R. L. Wershaw, "Humic Substances in Soil,     Sediment, and Water", A Wiley-Interscience Pub., (1985).

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8. 박성현, □현대실험계획법□, 민영사, 서울, 600, (1990)