기능성 분리막 제조 및 분리투과특성 연구

Abstract

산업의 발전과 함께 전 세계적으로 물 부족 현상이 갈수록 심해지는 상황이다. 이를 해결하기 위한 방법으로 폐수를 처리하여 재이용하거나 대체 수자원을 개발하는 것이다. 본 연구에서는 많은 물을 사용하고 또한 많은 폐수를 발생시키는 염료·염색산업의 폐수 처리 방법 및 재활용을 위해 기능성 분리막을 제조하고 분리투과특성을 연구하였다. 먼저 계면중합법을 이용한 폴리아마이드 나노 및 역삼투막을 제조하여 기본 수용액과 인공염색폐수 및 현장 실제 염색폐수에 대한 분리투과특성을 통해 제조된 분리막의 적용 가능성을 연구하였으며 또한 나노 및 역삼투막 공정 운영 시 가장 큰 문제점인 고압의 운전압력에 의한 유지관리 비용이 과다하게 된다. 이는 폐수속의 용존염 때문이다. 용존염을 제거할 수 있는 탄소분리막을 제조하여 기본 수용액과 인공염색폐수 및 현장 실제현장폐수에 대한 분리투과특성을 통해 적용 가능성을 연구하였다. Chapter I.에서는 염색폐수처리 및 재활용을 위하여 피페라진(PIP), 메타페닐렌디아민(MPD), 트리메소일 클로라이드(TMC)를 이용하여 계면중합법으로 폴리아마이드계 나노분리막과 역삼투막을 제조하였으며, 이들을 오스모닉스사의 역삼투막과 투과특성을 비교하였다. 제조된 분리막의 기본 분리투과특성 조사를 위하여 PEG 600, Na₂SO₄, NaCl 수용액을 이용하였으며, 제조된 분리막들은 전형적인 나노복합막과 저압용 역삼투막의 특성을 나타내었다. 또한 7종류의 염료를 이용하여 제조한 인공염색폐수와 실제 현장 염색폐수의 투과특성을 확인하였다. 제조된 나노분리막에서는 모든 염료성분들이 99%이상 제거율을 나타내었다. 또한 전처리 공정으로 Coagulant의 농도를 조절하여 분리막 오염물질의 제거 정도를 살펴보았다. 그리고 분리막 표면의 오염물 제거정도를 살펴보기 위해 2종류의 서로 다른 화학세정제를 사용하여 세척성능을 연구하였다. 인공폐수에 Coagulant(Alum 5,000, Color Removal 2,000, Anionic Polymer 2,000ppm)을 사용한 결과 색도 및 COD의 제거율이 상당히 높은 제거율 나타내었고 이렇게 전처리된 폐수는 분리막 투과도 또한 20%이상 높게 나타났다. 그리고 유기물 화학세정제인 Citric acid가 무기물 세정제인 STP보다 양호가 세정효과를 나타내었으며 오영물 또한 유기오염물이 더 많은 것으로 나타났다. Chapter II.에서는 분리막 공정 운전 시 가장 중요한 인자 중 하나인 운전압력은 Total Dissolved Solid (TDS)라는 용존염의 농도에 따라 결정되는데 이는 시스템의 경제성과 직접적인 연관성을 갖는다. 폐수에 들어 있는 TDS를 제거하기 위해 전도성 활성탄소와 폴리비닐리덴플로라이드(PVDF)를 이용하여 탄소막셀 및 탄소분리막 시스템을 제조하였다. 100 ppm의 NaCl, Na₂SO₄, MgCl₂, MgSO₄ 수용액을 이용하여 탄소분리막의 기본 특성을 연구하였다. 일가이온으로 구성된 NaCl 수용액이 가장 높은 TDS 제거율을 나타내었고 전압의 증가에 따라 TDS의 높은 제거율의 특성을 나타내었다. 또한 실제 현장 염료폐수의 TDS를 제거하는 실험을 위하여 가로x세로가 각각 20 cm이며, 탄소분리막이 240장으로 구성된 Pilot 규모의 탄소막 시스템을 구성하였다. 원폐수를 초순수로 적절히 희석하여 제조된 6가지의 TDS(941, 2050, 2810, 3830, 4960, 6030 ppm)를 지닌 실제폐수를 이용하여 탄소분리막 시스템의 TDS 제거성능을 알아보았으며, 또한 세척시간 및 장시간 운전 시 나타나는 영향에 따른 특성을 연구하였다. TDS가 2,000ppm 이하에서는 제거율이 80% 이상을 나타내었고, 특히 TDS 941ppm일때는 90%이상의 높은 제거율을 나타내었다. 그러나 TDS가 2,000ppm 이상에서는 20% 정도의 낮은 제거율을 나타내었다. 또한 탄소분리막의 운전을 장시간 운전함에 따라 흡탈착 효율이 점점 떨어지는 것으로 나타났다. 이러한 결과는 탄소분리막의 면적과 세척시간도 충분하게 하여 운전조건을 확립해야 할 것으로 판단된다.; Worldwide water shortage phenomenon is getting worse along with industry growth. To solve this problem, many are developing wastewater reuse method or alternative water resource. In this study, Functional membranes are prepared and test permeability to reuse dyeing industry wastewater and to develope new wastewater treatment method. Because they use a lot of water, therefore produce a lot of wastewater in dyeing industry. First, NF and RO membrane were prepared by interfacial polymerization and studied its applicable possibility through their permeability test of basic water solution and artificial dyeing wastewater, real dyeing affluents. The running cost of NF and RO membrane system becomes high for its high operating pressure which is the main obstacle to commerciali zation of membrane system in wastewater treatment. This is because of dissolved solid in wastewater. To remove dissolved solid from wastewater, a carbon membrane system was prepared and also studied its applicable possibility through their permeability test of basic water solution and artificial dyeing wastewater, real dyeing affluents. In Chapter Ⅰ, For the treatment of the dyeing wastewater and recycling of it, polyamide nano-composite membrane and reverse osmosis (RO) membranes were prepared by using interfacial polymerization technique using piperazine, meta-phenylene diamine, and trimesoyl chloride. and they were compared with the RO membrane of Osmonics Co. Their permselective properties were studied, using aqueous solutions of PEG 600, Na₂SO₄, and NaCl, and they were found to be typical nanocomposite membrane and low pressure RO membranes. The permeation performances of the prepared membranes was studied with real dye wastewater and seven different kinds of artificial dyeing wastewater. The rejection of all dyes is above 99% by the prepared membranes. and also The coagulation process was used as a pretreatment process to see the separation of the pollutants on the surface of the membrane along the amount of coagulant. Two different chemical cleaners were employed for the CIP process and their cleaning performance were studied. The rejection of color and COD was very high by using Coagulant (Alum 5,000, Color Removal 2,000, Anionic Polymer 2,000 ppm). With the result, the performance of membrane permeation was over 20%. In Chapter II, the operation pressure which is one of the most important factor in running membrane system is dependent on the Total Dissolved Solid (TDS), which is directly related to the economic efficiency. To remove total dissolved solid (TDS) from wastewater, a carbon membrane system was prepared, using carbon membranes made from conductive activated carbon and polyvinylidene fluoride (PVDF). Using 100 ppm aqueous solutions of NaCl, Na₂SO₄, MgCl₂, MgSO₄, the basic properties of the carbon membranes used were studied. It was found that the removal efficiency of TDS was the best in the monovalent NaCl solution and was increased with electric voltage. For the real dye wastewater test, a pilot scale carbon membrane system was also prepared, which was consisted of 240 plies of carbon membranes of 20 cm x 20 cm (length x width). Using the real wastewater with different TDS such as 941, 2050, 2810, 3830, 4960, 6030 ppm, prepared by the dilution of the original wastewater with pure water, the performance of the pilot scale carbon membrane system was studied. The effect of the operational conditions was studied.