Ceramic Membrane을 이용한 광촉매 분리장치 개발

이진규, 김태민, 서정원, 김성준*, 이태희

연세대학교 공과대학 화학공학과, BATU Eng. Inc.*

Development of Photocatalyst Separation System

using Ceramic Memebrane

Jin-Kyu Lee, Tae-Min Kim, Jung-Won Seo, Sung-Joon Kim*, Tae-Hee Lee

Dept. of Chem. Eng., Yonsei Univ., BATU Eng. Inc.*

서론

기존의 광촉매 산화법에서는 촉매의 분리문제로 인해 촉매를 고정화하여 폐수와 반응시키는 고정화법이 주로 사용되었다. 하지만 이 방법은 촉매의 반응 비표면적 감소로 인해 반응효율이 떨어지는 단점이 있었다. 따라서 광촉매를 폐수에 현탁하여 반응시킴으로써 촉매의 반응 비표면적을 증가시켜 반응효율을 높이는 방법이 개발되었다. 이 경우에는 촉매를 분리하는 장치가 필요한데, 본 연구에서는 광촉매 산화시스템(UV/TiO2/H2O2)에서 세라믹막을 사용하여 전체 공정에 큰 영향없이 빠른 시간내에 촉매를 분리하는 장치를 개발하기 위한 기초실험을 하였다.

광촉매 산화시스템은 UV와 광촉매를 이용하여 강력한 산화제인 OH radical을 만들어 폐수중에 함유된 유기화합물을 산화시켜 최종적으로 CO2와 H2O로 분해시키는 방법이다.

이론

지금까지 고-액 분리에는 주로 고분자 막을 사용하여 왔다. 하지만 고분자 막은 상승하는 압력과 온도를 잘 견디지 못한다. 더욱이 막에 fouling이 생기는 경우, 이를 제거하기 위하여 back flushing을 필요로 하는데, 고분자 막을 사용하는 경우 back flushing에 상당한 시간(대략 45-90 초)이 소요된다. 또한 여러 가지 유기물에 막이 용해될 수도 있어, 유기 화합물 처리 공정에 영향을 미칠 수 있으며, 전체적인 반응효율 감소를 가져올 수 있다. 고분자 막을 사용하여 처리수로 back flushing을 할 경우, 일반적으로 처리수의 10-20 %를 사용하는데, 이러한 경우 공정의 연속흐름을 방해하게 된다. 또 이러한 시간 문제로 인해 back flushing을 가끔씩 하게 되면 촉매가 고분자 막에 많이 축적되게 되어 투과율이 떨어지고, 일정한 촉매 charge를 얻을 수 없게 된다. 그러나 온도와 압력에 대한 저항성이 좋은 세라믹막을 사용할 경우에는 고압의 유체로 back flushing을 할 수 있어 back flushing 시간을 1초 이내로 감소시킬 수 있다.

세라믹막은 고분자 막에 비해 다음과 같은 장점이 있다. 첫째, 유기용매에 의해 화학적 영향을 받지 않는다. 둘째, 높은 transmembrane pressure를 견딜 수 있어 수명이 길다. 세째, 막세척을 위해 처리된 방출수나 가스를 사용할 수 있다. 네째, pH, 온도, 압력에 잘 견딘다. 다섯째, 촉매입자가 막에 깊히 박히지 않는다. 여섯째, 굽거나 늘어나지 않는다. 일곱째, 화학적 공정 없이도 안정화 될 수 있다.

본 연구에서는 세라믹 지지체 안쪽에 세라믹 막을 코팅하고 cross flow filtration법을 사용하여 촉매를 분리하였다. 기본적인 시스템의 모식도를 Fig. 1과 Fig. 2에 나타내었다. 그림에서와 같이 반응이 끝난 유체와 촉매가 channel 103 을 통하여 회수장치로 들어오면, 유체는 transmembrane pressure에 의해 막을 통하여 외부 저장 탱크로 방출되게 되고, 광촉매 슬러리 농축액은 channel 104을 통하여 순환되게 된다. 지지체의 기공크기는 막 기공크기의 60-70배 정도되기 때문에 투과율이 매우 높아 방출수의 흐름에 기인하는 head 손실을 무시할 수 있다.

막표면에 고정상의 케이크가 형성되는 모델에서는 Kozeny - Karman eq. 으로부터 volumetric filtrate flux를 계산할 수 있다.

[eqn: J sub v = □P sub T over R sub c]

여기서

[eqn: R sub C = [{ 5□(1-□)^2 □ sub C } over □^3 ] ( S sub P over V sub P ) ^2]

[eqn: J sub V]	: volume flux [ m3/S ]             [eqn: □P sub T]	: transmembrane pressure [ Pa ]

[eqn: R sub C]	: cake resistance [ Pa-S / m3 ]      [eqn: □]	: fluid viscosity [ Pa-S ]

[eqn: □]	: porosity of membrane layer        [eqn: □ sub C]	: particle cake thickness [ m ]

[eqn: S sub P]	: particle surface area [ m2 ]        [eqn: V sub P]	: particle volume [ m3 ]

막에 축적되는 촉매를 제거하기 위한 back flushing의 유체는 고압의 공기를 사용한다. 고압의 공기를 이용하면 결과적으로 처리효율을 증가시킬 수 있어 방출수를 직접 이용하는 것보다 좋다. 1초 이내로 효과적인 back flushing을 하기 위해서는 일시적으로 높은 transmembrane pressure를 사용하여야 한다. 이러한 압력은 막에 shock wave를 형성하여 축적되어 있던 촉매를 제거하게 된다.

따라서 최적의 광촉매 회수 메커니즘을 개발하기 위하여 filtrate flux에 주된 영향을 끼치는 transmembrane pressure와, back flushing 압력 등을 변화시키면서 최적의 조작 조건을 찾고자 하였다.

실험장치 및 방법

본 실험을 위한 장치를 Fig. 2에 나타내었다. 광촉매를 함유한 처리수는 정압 펌프 204에 의해 channel 205로 도입되어 0.2□m의 평균 기공 크기를 갖는 세라믹 막과 12□m의 기공크기를 갖는 세라믹 지지체를 거쳐 외부장치에 모이게 된다. 막을 투과하지 않은 광촉매와 처리수의 슬러리는 channel 206을 거쳐 다시 순환되게 된다. Back flushing에 사용하는 공기는 air pump 201을 사용하여 check valve 202를 거쳐 방출수의 흐름 반대 방향으로 막에 도입되게 된다. Back flushing은 공정에 따라 약간씩 다르지만, 일반적으로 5분에 한번씩 시행하였고, 이에 따른 촉매의 회수율을 방출수 내의 촉매량을 측정함으로써 측정하였다. 광촉매는 Degussa P-25를 사용하였고, 막과 지지체는 높은 부식 저항성을 갖는 □ - 알루미나를 재료로 사용하였다.

토의

일반적으로 microfiltration에서는 슬러리의 막투과 플럭스는 순수 용매의 플럭스보다 매우 작고, 여과 공정이 진행될수록 점점 더 작아지게 된다. 따라서 본 실험에서는 막투과 플럭스가 80-85 % 이하로 떨어질 때 다양한 압력으로 back flushing을 하여 최적의 back flushing 압력을 알아보았으며, 회수장치에 도입하는 유체의 압력을 다르게 하여 transmembrane pressure를 변화시켜 최대의 플럭스와 최소의 fouling이 생기게 하는 조건도 알아보았다. 또 이러한 실험결과와 이론에서 주어진 식과의 비교를 통해 이론과 실험의 일치성도 알아보았다.

참고문헌

1. Ramesh R. Bhave : "Inorganic Membranes Synthesis, Characteristics, and  Applications".

2. H.S. Muralidhara : "Membrane Fouling : Techno-Economic implications", The 2nd International Conference on Inorganic Membranes, Proceedings, Montpellier, France (1991).

3. O. Richaud, V. Milisic : "Modeling of Membrane Fouling in Water Cross -    Flow Microfiltration", The 2nd International Conference on Inorganic Membranes, Proceedings, Montpellier, France (1991).

4. Larry Ricci : "Separation Techniques 2 : Gas/Liquid/Solid System", McGraw Hill (1980).

5. Philip A. Schweitzer : "Handbook of Separation Techniques for Chemical  Engineers", McGraw Hill (1988).

6. 김태민, 이진규, 김성준, 이태희 : □UV/TiO2/H2O2 시스템을 이용한 페놀의 분해□, 화학공학의 이론과 응용, 제 2권, 제 1호, pp.637-640, (1996).