막의 재질에 따른 투과 플럭스 변화와 자연유기물 흡착 특성

Abstract

막분리 기술은 미세공을 가진 분리막을 이용하여 액체 또는 기체 속에 존재하는 용질들로부터 선택적인 분리가 가능한 분리 공정으로 정의할 수가 있다. 분리막 공정은 미세공의 크기에 따라 또는 분리할 수 있는 용질의 종류에 따라 역삼투 (RO, Reverse Osmosis)막나노여과 (NF, Nanofiltration), 한외여과 (UF, Ultrafiltration), 정밀여과(MF, Microfiltration) 그리고 전위차를 이용한 ED (Electrodialysis)로 분류된다 (Buros, 1989; Marsh and Eriksson, 1988). 분리막을 수처리 분야에 응용하는 기술은 크게 용수 및 수돗물을 생산하는 용수처리 분야와 하수, 오수 및 폐수를 처리하는 폐수처리 분야로 구분하여 사용되어진다. 용수처리 분야에서는 해수의 담수화, 반도체와 제약산업 등에서 필요한 초순수 및 탈염수 의 제조, 가정용 정수기, 고도정수처리시설등에 응용되어 왔다. 담수화 설비 및 초순수/탈염수 제조 목적으로는 주로 RO가 주로 사용되고 있으며 가정용 정수기에는 RO와 UF 막분리 공정이 주로 사용되어진다. 정수처리 공정에서는 바이러스를 포함한 미생물제거 목적이 가장 크기 때문에 막분리 공정의 적용은 높은 효과를 얻을 수가 있다. 최근 국내·외적으로 수인성 전염병 유발의 원인이 되는 박테리아, 바이러스 및 Giardia와 Cryptosporidium과 같은 원생동물의 제거에 커다란 관심을 가지며 많은 연구가 진행되고 있는데 MF와 UF막으로도 거의 완벽하게 이러한 병원성 미생물을 제거할 수가 있다 (Jacangelo et al., 1995). 이러한 막분리 공정을 용수 처리 분야에 적용할 경우 막오염은 압력 구동형 막오염 공정에서 빈번히 발생하는 현상이다. 막오염 현상은 막의 표면이나 막의 공극에서 용질의 흡착에 의하여 발생되어지며 투과 flux 감소의 원인이 된다. 막오염은 가역적인 오염과 비가역적인 오염으로 구분되며 막분리 공정에서 수리학적으로 완전히 회복이 되지 않는 비가역적인 오염이 가장 문제가 되는 부분으로 나타난다. 이러한 막오염은 수중에 존재하는 다양한 유기물질에 의하여 발생되어지며 유기물에 의한 막오염은 주로 유기물의 특성에 의하여 결정되어진다. 이에따라 유기물의 물리·화학적특성에 관한 연구를 통하여 막오염을 유발시키는 유기물 제거를 통하여 막오염 현상을 방지할 수 있다. 유기물에 의한 막오염 현상에 대한 연구를 살펴보면 30kDa 이상의 분자량을 가진 유기물이 NF 공정에서 막오염을 일으킨다고 보고하였으며 소수성과 친수성 유기물질의 상호반응을 통하여 막오염 메카니즘의 변화를 설명하였다 (DiGiano et al., 1994). 또한 많은 연구자들은 막오염을 유발하는 물질로 단백질, 아미노슈가, 폴리사카라이드, polyhydroxyaromatics 등의 4종류 유기물질을 제시하였으며 UF 공정에서 단지 고분자 화합물만이 존재하는 시수에 비하여 고분자와 저분자물질이 비균질적으로 함유된 시수의 경우 막오염이 더 많이 유발된다고 보고하였다(Maartens, 1994; Amy and Cho, 1999). 그중 UF 공정에서 폴리사카라이드 물질이 주된 막오염 유발물질로 작용한다고 보고하였으나, 지표수에는 폴리사카라이드 물질은 상대적으로 낮은 농도로 분포되어 있다(Wiesner et al., 1992). Mackey (1999)의 연구결과에 의하면 폴리사카라이드와 단백질과 같은 고분자 화합물의 경우 막오염을 더 많이 유발시키며 이들 물질이 혼합되어 존재할 경우 막오염은 증가한다고 보고하였다. Nilson과 Digiano (1996)는 NF공정에서 친수성 물질로 인한 막오염은 거의 없다고 보고하였으나, 유기물 분류없이 적용할 경우 소수성 물질을 단독으로 사용할 경우에 비하여 더 큰 flux감소를 보였다 이러한 차이의 발생은 친수성과 소수성 유기물질의 상호반응, 유기물 분류시 각 물질들의 변이 등에 의하여 일어난다고 볼 수 있다. 이에 따라 막에서 발생하는 막오염 현상은 초기 흡착현상, 침전과 겔형성, 용질과 용질간의 상호반응과 막의 특성, 운전상태등 복잡한 현상에 의하여 많은 영향을 받고있다. 따라서 UF 공정을 정수처리공정에 적용할 경우 막분리 공정의 운전방법에 따라 효율과 경제성에 커다란 차이가 나타날 수 있으므로 원수특성에 적합한 막의 종류 및 재질의 선택과 운전은 막분리 공정에서의 중요한 요소라 할 수 있다. 따라서 실험실 규모의 실험을 통한 다양한 변수에 의하여 발생하는 막오염 메카니즘의 규명은 반드시 필요하다. 본 연구에서는 낮은 압력에서 경제적으로 운전이 가능한 한외여과 (UF)막을 이용하여 상수원수에 함유된 유기물의 물리·화학적 특성분류를 세부적으로 실시하여 막의 재질에 따른 막오염 메카니즘을 규명하고자 한다. 막오염 메카니즘의 규명을 통하여 원수성상에 적합하며 막오염을 최소화 할 수 있는 막의 재질과 종류를 선정하여 최적의 운전조건을 제시하고자 한다.

The objectives of this research were to (1) identify the membrane fouling potential due to different fractions of NOM (2) correlate the physicochemical properties of NOM and membranes with the adsorption of humic substances on membrane The static adsorption test and adsorption test showed that hydrophobic organics adsorbed much more quickly than hydrophilic organics. In case of the effect of membrane properties on the adsorption of organic fractions, the adsorption rate ratio(α) of hydrophobic membrane was greater than that of hydrophilic membrane regardless of the kind of organic fractions. This suggests that the UF membrane fouling were occurred mainly by internal pore size decreasing due to adsorption of organic into pore surface for hydrophobic membrane, and by sieving of organics and forming a gel layer on the membrane surface for hydrophilic membrane. In conclusion, the decrease in the pore volume, which was caused by the organic adsorption into the internal pore, was greater with the hydrophobic membrane than with the hydrophilic membrane. In case of the effect of membrane properties on permeate flux, the rate of flux decline for the hydrophobic membrane was significantly greater than that for the hydrophilic membrane.