역삼투 판틀형 다단모듈을 이용한 CuSO4의 분리특성

전 종 철, 박 성 훈, 이 광 현

동의대학교 공과대학 화학공학과

CuSO4 Separation Characteristics with the Variation of Operating Variables using Reverse Osmosis Plate and Frame Type Module Multi Stage

Jong-Cheul Jeun, Sung-Hun Park, Kwang-Hyun Lee

Department of Chemical Engineering, Dongeui University

서 론

산업현장에서 방류되는 폐수 중에는 환경 및 생체에 유해한 금속이온들을 포함하고 있는 경우가 많다. 중금속 이온은 다른 화학 종과는 달리 생체 내에 지속적으로 축적되며, 단백질 분자와 강하게 결합하는 성질을 가지고 있어서 생물체내 질병을 유발시킨다.1)

국내의 중금속등 유해물질 부하는 연간 1,456ton/년(12종 물질 발생총량)으로 구리, 납, 시안, 6가크롬, 페놀류가 12종 물질 중 가장 많은 것으로 나타났다.2) 이러한 유독성 금속이온들을 함유한 기존의 폐수처리법으로는 이온교환법, 응집 및 침전법, 화학적 처리 및 활성탄 흡착법 등이 있다. 역삼투법(RO법)에 의한 처리는 역삼투막의 특징으로 인해 고농도 무기염류를 분해·제거할 수 있을 뿐만 아니라 중금속, 다이옥신류, 난분해성 물질도 동시에 제거할 수 있는 기술로서 주목받고 있다.3)

본 실험에서는 역삼투 판틀형 모듈과 porous plate을 사용하여 조작변수에 따른  CuSO4 투과실험을 다단 test cell에서 행하여 막분리 공정에서의 기본적인 물질전달 현상을 이해하고, CuSO4 분리효과를 관찰하며, 공급액농도, 투과유량, 압력구배, 삼투압차 및 농축단수 등의 인자들을 이용하여 역삼투 공정에서의 CuSO4 분리 특성을 파악함으로서 막분리 공정의 중금속 제거에 필요한 자료로 제공하고자 한다.

이 론

막분리 공정이란 특정 용질에 대해 선택적 투과성을 갖는 막을 사용하여 액체상, 기체상에서 유기 및 무기물질을 압력차, 농도차, 전위차를 구동력으로 분리, 정제, 및 농축하는 단위공정의 하나이다. 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 있다4-9).

이러한 막분리 공정은 막 투과기구를 서술하는 이론적 해석을 통해 많은 연구자들에 의해 여러 가지 막투과 모델들이 개발되어 왔다. 즉, 비가역열역학론10)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)11)등이 있다. 그리고 두 범주를 포함하는 Pusch의 선형모델이 있다.

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 CuSO4을 함유한 수용액은 역삼투 장치내에서 막의 상부측으로 유입하여 막의     하부측으로 투과액을 유출하였다(Fig. 2). 장치내의 CuSO4 수용액의 흐름은 평판막의     접선방향으로 흐르게 되며, 유로 내에 feed spacer를 설치함으로써 CuSO4 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 multi 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 CuSO4 solutions.
Item	Reverse osmosis
Pressure [kgf/cm2]	10, 14, 18, 22
Temperature [℃]	25
Feed Flowrate [ml/min]	148
Concentration [ppm]	60, 70, 80, 90

결과 및 고찰

1) 막투과 플럭스

25℃(±1)의 일정 온도하에서 적용압력에 따른 투과플럭스에서 순수투과계수(Lp)가 Lp=2.39×10-5 cm3 /sec·kgf임을 알 수 있었고, 압력과 투과플럭스가 선형비례 함을 확인할 수 있었다.(Fig. 3)

Fig. 3. Permeate flux versus pressure differences         for Pure water.

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

2) 농도 및 압력 실험

각 농도별 투과플럭스와 유효 압력차 □P-□□의 관계 역시 선형관계로서, 압력의 증가에 따라 투과플럭스는 증가함을 보였다(Fig. 4). 또한 선분의 외삽이 0에 일치함을 나타내고 있으며, 이는 유효압력차가 0일 때 Jv도 0임을 나타내는 것으로 solution-diffusion 모델과 일치하는 결과이다.

특정 막의 용질 선택도를 나타내는 반사계수 □는 본 실험에서 산출된 투과 플럭스로부터 Kedem-Katchalsky식을 이용하여 □=0.87∼0.91을 구할 수 있었다.

Fig. 5. Rejection coefficient versus pressure       differences for each feed concentration.

Fig. 6. DC versus pressure differences for          each feed concentration.

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

각 농도별 적용압력변화에 따른 용질배제율 R값은 93-96%범위내의 값을 보이므로 역삼투 복합막을 이용한 CuSO4의 분리시 높은 효율성을 확인할 수 있었다(Fig. 5).

3) 농축도(Degree of concentration, DC)

다단 cell에서의 조작압력 변화에 따른 농축도를 Fig. 6에 나타내었다. 농축도의 값은 21∼58%의 범위를 보이며, 적용압력이 증가할수록 농축효과가 큼을 알 수 있었다.

참고문헌

1. 안순철, 이광래 : □계면활성제/금속이온 혼합용액의 한외여과막에 의한 카드뮴, 구리       및 아연이온의 제거□, J. of KSEE, 21, 7, 1381-1391(1999).

2. 류재근, 정동일 : □Using of Water Resources in Korea", 국립환경연구원,                 65-93(1996)

3. Ushikoshi Kenichi, : "역삼투법에 의한 침출수처리", Journal of Environmental       Hi-Technology, 4, 25(2000).

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

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

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

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

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

9. 한국과학기술원 : 고분자 분리막 기술(1989).

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

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

12. 강신경, 전희동, 박영규 : □역삼투시스템을 이용한 산업폐수 재이용 기술의       실용화 연구□, 대한환경공학회지, 21, 9, 1689(1999).

13. 윤성훈, 김형수 : □침적형 막분리 공정에서 플럭스에 따른 막오염 속도□, 대       한환경공학회지, 21, 9, 1707(1999).

14. 현재혁, 김민철, 김수정 : □도금폐수중의 유해물질제거를 위한 제철폐기물의      재활용기술□, 환경관리인회보, 170, 64(2000).

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