역삼투 판틀형 모듈에서의 NaCl 분리특성

이광현, 이성헌

동의대학교 공과대학 화학공학과

NaCl Separation Characteristics with the Variation of Operating Variables using Reverse Osmosis Plate and Frame Type Module

Kwang-Hyun Lee, Sung-Heon Lee

Department of Chemical Engineering, Dongeui University

서 론

1748년에 Abb□ Nollet가 생체막의 확산에 관한 실험 중 물투과 현상 즉 삼투현상을 발견한 이래 막을 이용한 분리공정의 산업화 및 본격적인 연구는 200년이 지난 1960년대에 빛을 보게 되었다. 1959년 Reid와 Breton은 acetyl기를 함유한 cellulose acetate로 만든 고밀도 막(dense membrane)을 사용하여 탈염에 효과적인 막재질 물질을 알 수 있었지만 막의 투과플럭스가 비실용적으로 낮았다1).

역삼투(reverse osmosis,  RO)법이 실용화 된 것은 최초의 인공 신장기를 발명했던 Loeb와 Sourirajan이 1963년 기존 막의 투과플럭스보다 10배나 되는 비대칭형 cellulose acetate 막을 최초로 개발하여 막분리 공정의 혁신을 일으킨 결과이다2).

막분리 공정은 역삼투(RO), 한외여과(UF), 정밀여과(MF), 전기투석(ED), 투과증발(PV)등의 형태로 응용되고 있으며, 이 중 RO는 탈염공정에 큰 비중을 차지하고 있다. 그리고, RO를 이용한 탈염공정은 수자원 확보를 위해 전세계적으로 증가되고 있으며 1980년대 말 이후 건설된 새로운 탈염 공정의 약 85%이상을 차지하고 있다3).

국내에서도 에너지 절약 차원에서 ED 장치를 증발기 선단에 도입한 복합(hybrid)공정을 사용하고 있으나 전기적인 소모와 막의 재생, 교체 처리비가 문제점으로 대두되므로, RO장치를 제염 농축공정에 도입한 RO, ED 및 Evaporation 복합공정(hybrid process)을 제시할 수 있다.

RO공정에서 NaCl이 배제된 막하부측의 투과물질을 유용한 물질로 선택하므로서 탈염공정이 되고, 이와 반대로 RO막 표면을 접촉하면서 NaCl이 농축된 막상부측의 배제물질을 유용한 물질로 얻고자 할 때, 탈염공정이 제염공정으로 전환된다. 따라서 투과물질을 유용한 물질로 분리해내는 희석(탈염)공정과 배제물질을 유용한 물질로 분리해 내는 농축(제염)공정 양측이 RO공정에서 수행될 수 있다.

본 실험에서는 역삼투 판틀형 공정에서의 다단 test cell 및 porous plate을 이용한 NaCl 투과실험을 행하여 막분리 공정에서의 기본적인 물질전달 현상의 이해 및 분리효과를 관찰하며, NaCl 분리에 관계되는 공급액 농도, 투과유량, 압력구배, 삼투압차 및 농축단수 등에 따른 NaCl 분리 특성 및 농축효과를 관찰하고자 한다.

막투과 기구의 이론

막의 투과기구를 서술하는 이론적 해석을 통하여 많은 연구자들에 의해 여러 가지 막투과 모델들이 개발되었다. 이 모델들은 두 가지 범주로 구분할 수 있다.

첫 번째 범주는 비가역과정의 열역학론4)에 근거를 둔 모델로서 Kedem- Katchalsky 모델(1958), Spiegler-Kedem 모델(1966)등이 있다. 두 번째 범주는 분자확산, 대류확산, 세공흐름등과 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)5)등이 있다. 두 범주를 모두 포함하는 모델로 Pusch의 선형모델이 있다.

용액의 배제도(Rejection coefficient) 및 농축도(Degree of Concentration)

막투과 메카니즘에서 거론되는 용질 배제도 R은 R=1-[eqn: C_p]/[eqn: C_sw]로 정의되며 전체 투과플럭스와 용질 투과도의 영향을 받는다. 농축도란 용액의 농축 공정에서 농축하고자 하는 용액의 농축된 정도를 나타내는 용어로써 DC=[eqn: C_r]/[eqn: C_f] -1로 표시된다.

실험

본 연구에 사용된 역삼투 판틀형 장치의 가장 큰 특징은 porous plate를 중심으로 2장의 막을 놓을 수 있게 되어 한 단으로서 2단의 효과를 얻을 수 있도록 설계된 점이다. 용질인 NaCl을 함유한 수용액은 역삼투 장치내에서 막의 상부측으로 유입하였으며, 막의 하부측으로 투과액을 유출하였다.

역삼투 판틀형 장치내의 NaCl 수용액의 흐름은 평판막의 접선 방향으로 흐르게 되며, 유로 내에 feed spacer를 설치함으로써 NaCl 수용액이 완전 혼합이 되도록 하였다.

역삼투 장치의 막 지지부로서 연마석을 사용하였고, 막 지지부를 중심으로 2장의 막을 놓았으며, 각 단의 유효 막면적은 555.43cm2로 하고 총 단수는 4단으로 하였다. 막은 역삼투 복합막(support layer: polysulfone, active layer: polyamide)을 사용하였다.

본 연구에서 용질인 NaCl의 분리 실험에 사용된 reverse osmosis test cell의 용액 저장조는 아크릴계 항온조로 냉각수 및 온수는 순환식 항온조와 연결하여 용액 저장조의 온도를 일정하게 유지시켰다. 또한, cell을 통과한 용액 및 막 투과액은 다시 용액 저장조내로 순환시켜 용액 저장조의 공급액 농도가 항상 일정하도록 하였다.

결과 및 고찰

1. 투과플럭스

25℃(±1)의 일정 온도하에서 단일단 모듈의 조작압력에 따른 순수 투과량을 측정하였으며,  순수 투과계수가 Lp=2.324×10-5cm3 /sec·kgf임을 알 수 있었다.   이는 NaCl 용액을 대상으로 했을 때의 투과계수보다 높으며 결과적으로 순수의 투과 플럭스값이 가장 크다. 압력과 투과량과의 관계를 Fig. 1에 나타내었는데 순수투과시 압력증가에 따라 직선관계를 나타냄을 실험을 통해 확인할 수 있었다. 저농도인 1000ppm의 투과플럭스가 고농도인 4000ppm의 투과플럭스보다 높은 투과플럭스를 보였다. 이는 같은 조작압력 조건에서 적용되는 유효압력차가 저농도측에서 더 크게 작용하기 때문이다. 단일단 및 다단 test cell을 이용한 농도별 투과플럭스를 Fig. 2-3에 나타내었다.

2. 농도 및 압력 실험

일정온도의 공급액에 대하여 각 농도에서의 조작 압력 변화에 따른 용질 배제도 R의 변화는 조작압력이 증가할수록 R도 증가하는 경향을 보이고 있으며, 단일단의 경우 96-98%, 다단의 경우 95-96%의 범위내의 값을 보임을 알 수 있었다. Fig. 4에는 막 양쪽 간의 유효압력차 [eqn: Delta P ~-~Delta pi]에 대한 [eqn: J_v]의 변화를 나타내었다. Fig. 4로부터 투과량은 유효압력차가 증가함에 따라서 직선 관계를 나타내며 증가하였고 각 선분의 외삽이 0에 일치함을 나타내고 있었다. 이는 유효압력차가 0일 때 [eqn: J_v]도 0임을 나타내는 것으로 solution -diffusion모델과 일치하는 결과이며, Kedem-Katchalsky 모델에서 반사계수 □가 1이 될 때 나타나는 현상이다.

3. 단일단 및 다단 test cell을 이용한 NaCl 분리 실험

공급용액 4가지 농도변화에 대하여 조작압력 변화에 따른 단일단 및 다단공정에서의 농축도 변화를 실험하여 이들로부터 실험범위내의 농도하에서 공급용액의 농도가 감소하고 조작압력이 커질수록 농축도는 증가하는 경향을 나타내었다.   공급액의 농도가 1000ppm일 때 조작압력이 커짐에 따라 농축도는 단일단의 경우 DC 0.38-0.53, 다단의 경우 DC 0.63-0.97로써 가장 큰 것으로 나타났다.

단일단 및 다단 공정의 농축도는 Fig. 5-6에서 볼 수 있듯이 전 실험범위에서 다단공정의 농축도 값이 항상 단일단 공정보다 큰 값을 보이므로 NaCl 농축에 있어서 다단공정이 단일단 공정에 비해 효과적임을 알 수 있었다.

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

Fig. . Permeate flux versus pressure difference for         each feed concentration of single test cell.

Fig. . Permeate flux versus pressure difference for         each feed concentration of multi test cell.

Fig. . Permeate flux versus □P-□□ for NaCl             solutions.

Fig. . The DC of RO versus pressure difference for         NaCl feed solution of single test cell.

Fig. . The DC of RO versus pressure difference for         NaCl feed solution of multi test cell.

참고문헌

1. Reid, C. E., and E. J. Breton : J. Appl. Polymer. Sci., 1,133(1959).

2. Loeb, S. and Sourirajan, S. : "Seawater demineralizaton by means of    an osmotic membrane", Adv. Chem. Ser., 38, 117(1963).

3. Zahid Amjad : "Reverse Osmosis Membrane Technology, Water        Chemisty, and Industrial Applications", Chapman & Hill, NY,           32(1993).

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

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