NaCl 분리 및 농축을 위한 역삼투 판틀형 다단모듈의 응용

이 광 현

동의대학교 공과대학 화학공학과

The Application of Reverse Osmosis Plate and Frame Type Module Multi Stage for NaCl Separation and Concentration

Kwanghyun Lee

Department of Chemical Engineering, Dongeui University

서 론

막분리 공정이란 특정 용질에 대해 선택적 투과성을 갖는 막을 사용하여 액체상, 기체상에서 유기 및 무기물질을 압력차, 농도차, 전위차를 구동력으로 분리, 정제, 농축하는 단위공정의 하나로써. 연속 공정이 용이하고, 물리적 조작이므로 장치 및 공정이 간단하고 또한 상변화가 동반되지 않아 에너지 소비가 적으므로 증류, 여과, 흡착, 재결정, 액화등과 같이 대량의 에너지를 소비하는 기존의 분리 공정들이 막을 이용한 분리공정으로 대체되고 있다1-6).

이러한 막분리 공정은 막 투과기구를 서술하는 이론적 해석을 통해 많은 연구자들에 의해 여러 가지 막투과 모델들이 개발되어 왔다. 즉, 비가역열역학론7)에 근거를 둔 Kedem-Katchalsky 모델(1958)과 Spiegler-Kedem 모델(1966)등의 첫 번째 범주와 두 번째 범주인 분자확산, 대류확산, 세공흐름 등과 같은 투과현상에 근거를 두고 있는 solution-diffusion 모델(Lonsdale et al., 1965), solution-diffusion-imperfection 모델(Sherwood et al., 1967), finely porous 모델(Schmid, 1950)8)등이 있다. 그리고 두 범주를 포함하는 Pusch의 선형모델이 있다.

이러한 막 투과모델들 중에서 비가역 열역학의 선형현상학적관계의 Kedem-Katchalsky 모델에 Onsager의 상반관계 LPD=LDP와 Starverman이 정의한 반사계수 □=-LPD/LP를 도입하면 Jv = Lp(□P - □□□)식을 얻을 수 있고 이 식의 선형관계를 이용하면 부피 플럭스 Jv, chemical flux JD, 압력차 □P, 삼투압차 □□의 측정으로 투과 현상을 특정짓는 이동계수( □, LP, LD)를 구할 수 있다.

이를 바탕으로 본 실험에서는 역삼투 판틀형 모듈과 porous plate을 사용하여 feed농도를 저농도에서 고농도로 변화시키면서 NaCl 투과실험을 단일단과 다단 test cell에서 각각 행하여 막분리 공정에서의 기본적인 물질전달 현상을 이해하고, NaCl 분리효과를 관찰하며, 공급액농도, 투과유량, 압력구배, 삼투압차 및 농축단수 등의 인자들을 이용하여 역삼투 공정에서의 NaCl 분리 특성을 파악함으로서 막분리 공정의 응용에 필요한 자료로 제공하고자 한다.

실험

실험에서 사용된 역삼투 판틀형 모듈은 직접 설계, 제작된 것으로서 가장 큰 특징은 porous plate를 중심으로 2장의 막을 놓을 수 있게 되어 한 단으로서 2단의 효과를 얻을 수 있도록 설계된 점이다.

1) 실험계는 Fig.1 에 나타내었다.

2) 저온 순환식 항온조를 사용하여 용액 저장조의 온도를 일정하게 유지하였다.

3) 용질인 NaCl을 함유한 수용액은 역삼투 장치내에서 막의 상부측으로 유입하여 막의      하부측으로 투과액을 유출하였다(Fig. 2). 장치내의 NaCl 수용액의 흐름은 평판막의       접선방향으로 흐르게 되며, 유로 내에 feed spacer를 설치함으로써 NaCl 수용액이 완     전 혼합이 되도록 하였고, 농축액 및 투과액은 다시 용액저장조로 순환시켜 용액의 농     도가 항상 일정하게 유지되도록 하였다.

4) 막 지지부로서 연마석을 사용하고, 이를 중심으로 2장의 막을 놓았으며, 각 단의      유효 막면적은 555.43□이고, 막은 역삼투 복합막(support layer: polysulfone,         active layer: polyamide)을 사용하였다.

5) 조작변수들은 Table 1.에 나타내었다.

Fig, 2. Change of flow direction in reverse             osmosis single system.

Leagend :

1. Refrigerated bath circulator  2. Feed tank       3. Prefilter 4. High pressure Pump 5. Dampner     6. Pressure gauge  7. test cell  8. Needle valve    9. Back pressure regulator  10. Flow meter        11. 3-way valve  12, 14. Sampling device         13. Pressure relief valve

Fig. 1. Schematic flow diagram of reverse           osmosis experimental system.

Table 1. Experimental condition in reverse osmosis of NaCl solutions.
Item	Reverse osmosis
Pressure [kgf/cm2]	14, 16, 18, 20, 22
Temperature [℃]	25
Feed Flowrate [ml/min]	148
Concentration [ppm]	1000, 2000, 3000, 4000
	12000, 14000, 16000, 18000

결과 및 고찰

1) 막투과 플럭스

25℃(±1)의 일정 온도하에서 적용압력에 따른 순수의 투과플럭스에서  순수투과계수(Lp)가 단일단에서는 Lp=3.028×10-5, 다단에서는 Lp=2.858×10-5 cm3 /sec·kgf으로 단일단의 투과계수가 더 큰 값을 가짐을 알 수 있고, 압력과 투과플럭스와의 관계가 직선비례관계를 나타냄을 확인할 수 있었다.(Fig. 3)

Fig. 3. Permeate flux versus pressure              difference for single and multi cell.

Fig. 4. Permeate flux versus □P-□□ for             each feed concentration.

2) 농도 및 압력 실험

각 농도별 투과플럭스와 유효 압력차 □P-□□의 관계 역시 선형관계이며(Fig. 4), 여기서 투과플럭스는 고농도보다 저농도에서 높은 값을 보였다. 또한 선분의 외삽이 0에 일치함을 나타내고 있으며, 이는 유효압력차가 0일 때 Jv도 0임을 나타내는 것으로 solution-diffusion 모델과 일치하는 결과이며, Kedem-Katchalsky모델에서 반사계수 □가 1이 될 때 나타나는 현상이다. 다른 농도들에서도 같은 경향을 보였다.

특정 막의 용질 선택도를 나타내는 반사계수 □는 본 실험에서 산출된 투과 플럭스로부터 Kedem-Katchalsky식을 이용하여 구할수 있고, 이 결과를 Fig. 5에 나타내었다.

여기서, 투과플럭스와 용질 배제도가 저농도측에서 유리함을 나타낸다.

Fig. 6은 Pusch의 선형모델식 1/R = A + B(1/Jv)에 따라 도식화한 것으로서 1/R축의 절편값인 A값이 대부분 1에 접근하므로 실험에 사용한 막은 용액 확산 모델에도 일치함을 알 수 있었다.

Fig. 6. Relations between 1/R versus 1/Jv            for NaCl solution.

Fig. 5. Coupling coefficient versus               permeability on reverse osmosis process.

각 농도별 적용압력변화에 따른 용질배제율 R값은 단일단에서 93-98%범위를, 다단에서는 87-96%범위내의 값을 보이므로 역삼투 복합막을 이용한 NaCl의 분리시 높은 효율성을 확인할 수 있었다(Fig. 7).

3) 농축도(Degree of concentration, DC)

단일단 및 다단 cell에서의 조작압력 변화에 따른 농축도를 Fig. 8에 나타내었다.  다단 cell이 단일단 cell보다 높은 농축도를 나타냄을 알 수 있고, 적용압력이 증가할수록 농축효과가 큼을 알 수 있었다.

Fig. 8. DC versus pressure difference for              single and multi cell.

Fig. 7. Rejection coefficient versus pressure          differences for each feed concentration.

참고문헌

1. Sourirajan, S. : "Reverse Osmosis", Academic Press(1970).

2. Lacey and Loeb : "Industrial Processing with Membrane", Wiley Interscience          (1972).

3. Lacey, R. E. : Separation Techniques Ⅰ: liquid-liquid system, Southern Research       Institute, McGrow-Hill, 308(1980).

4. Kesting, R. E. : "Synthetic Polymeric Membrane, 2nd ed.", John Wiley and             Sons(1985).

5. Meares, P. : "Membrane separation Processes", Elsevier Scientific Publishing            Company(1976).

6. 한국과학기술원 : 고분자 분리막 기술(1989).

7. Katchalsky, A. and Curran, P. : "Nonequilibrium Thermodynamic in Biophysics",        Harvard Univ. Press(1965).

8. Schmid, G. : "Zur Elektrochemie feinporigen Kapillar systeme", Zeitschrift f□r           Elektrochemie, 54, 424(1950).

9. 장호남 : □막분리 공정□, 화학공학, 19, 6, 439(1981).