간행물
멤브레인 KCI 등재 Membrane Journal
- 발행기관 한국막학회
- 자료유형 학술지
- 간기 격월간
- ISSN 1226-0088 (Print)2288-7253 (Online)
- 수록기간 1991 ~ 2024
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- 십진분류KDC 570DDC 660
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Volume 22 No.6 (2012년 12월) 12건
총설
1.
2012.12
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최근 들어 혼합된 수용액으로부터 이온성을 가지는 부류의 물질들을 분리하기 위한 갖가지 화학적 물리적 방법들이 이용되어 왔다. 그중 분리막 접촉기를 이용한 막 투과추출공정은 오폐수와 같은 오염물 안의 중금속, 탄화수소계열 물질들을 투과추출 공정에 의해 회수할 수 있기 때문에 의약, 석유화학, 화공분야에서 분리시스템 그리고 회수를 위한 대안으로서 각광받아 왔다. 또한 투과추출공정은 쉬운 구동, 낮은 에너지 소모, 낮은 운영비, 높은 선택도와 같은 장점을 가지고 있다. 따라서 본고에서는 투과추출공정용으로의 응용을 위하여 그동안 개발된 분리막의 몇 가지 예와 그들의 성능에 대하여 조사하였다.
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2.
2012.12
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분리막에 대한 지속적인 성장과 더불어 나노섬유 분리막은 현재 기체, 수처리, 에너지 등 다양한 분야에서 활발히 연구가 진행되고 있다. 나노섬유를 제조하는 방법에는 연신(drawing), 템플레이트 합성(template synthesis), 상분리(phase separation), 자가조립(self-assembly), 전기방사(electrospinning)법이 있으며, 특히, 전기방사법은 다른 제법들에 비해 높은 생산성과 생산비용이 낮은 장점이 있다. 또한, 재료의 선택성이 용이하며, 높은 비표면적과 기능기 추가가 용이하다. 분리막에 있어서 나노섬유의 적용은, 이차전지분야에서 기존의 PP, PE 혹은 PE/PP 격리막 위에 나노섬유를 도포함으로써 고온에서 안정성과 고출력을 가진 분리막을 개발할 수 있으며, 수처리 분야에서는 나노섬유 사이에 항균성 물질 등 다양한 첨가제를 추가하여 고기능성 분리막을 개발할 수 있다. 따라서 나노섬유 분리막은 에너지 분야에서 수처리 분야에 이르기까지 다양한 용도에 활용가능하며, 다양한 기능성의 발현으로 고부가 가치가 기대된다.
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3.
2012.12
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본 연구에서는 혼합기체 중의 SO2 제거를 위하여 폴리이서이미드 복합 중공사막을 이용하였으며, 지지체로 사용한 중공사막은 건-습식 상전이 법으로 제조하였다. PEBAX1657(R)과 PEG를 혼합하여 제조한 용액을 지지체 표면에 코팅하여 복합막을 제조하였다. 중공사 복합막의 기체투과 특성을 확인하기 위하여 모듈을 제작하였고, 온도와 압력변화에 따른 SO2, CO2, N2 단일 기체투과를 실시하였다. 그 결과, 운전조건에 따라서 SO2 투과도는 220~1220 GPU를 나타내었으며, SO2/N2 선택도는 100~506을 나타내었다. 그리고 혼합기체 분리거동을 관찰하기 위하여 SO2, CO2, N2로 구성된 혼합가스를 이용하여 온도, 압력, 잔류부 유량을 변화시키면서 투과기체의 유량과 각 성분의 농도변화를 측정하였다. 그 결과, 압력과 온도가 증가할수록 SO2 제거효율이 높아지는 경향을 나타내었다.
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4.
2012.12
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탄소섬유 한외여과막 및 광촉매 혼성 수처리를 위해 관형 여과막 외부와 원통형 막 모듈 내부 사이 공간에 광촉매를 충전하였다. 광촉매는 PP (polypropylene) 구에 이산화티타늄 분말을 플라즈마 화학증착 공정으로 코팅한 것이다. 휴믹산과 카올린 모사용액을 대상으로 막오염을 최소화하기 위해 10분 주기로 10초 동안 물 역세척을 시행하였다. 기존 결과와 동일하게 휴믹산을 10 mg/L부터 2 mg/L로 변화시킴에 따라, 막오염에 의한 저항 (Rf)이 감소하여 2 mg/L에서 최대 총여과부피 (VT)를 얻었다. 탁도와 휴믹산의 처리효율은 각각 97.1%와 74.2% 이상으로 휴믹산 농도의 영향을 받지 않았다. 그러나 기존 결과에서는 휴믹산의 농도가 증가할수록 휴믹산의 처리효율이 다소 증가하는 경향을 나타냈다.
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5.
2012.12
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본 연구에서는 CVD법으로 세라믹 막을 제조하였다. 튜브의 α-Al2O3 지지체 위에 Ga 염이 첨가된 γ-Al2O3를 코팅하였고, 실란화합물인 tetramethylorthosilane (TMOS) 를 650℃에서 화학적 기상 증착법으로 막에 증착하였다. 제조된 세라믹 막을 사용하여 수소, 질소, 이산화탄소, 메탄의 단일조성 기체투과 실험을 600℃에서 시행하였다. Ga 염 비첨가 시, 600℃ 수분 처리 실험의 H2/N2 선택도가 926에서 829로 감소한 반면, Ga 염 첨가 시에는 910에서 904로 안정하였다. 이 결과를 통해, 막에 금속염을 첨가하여 제조한 막이 수분 안정성을 향상시킴을 확인하였다.
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6.
2012.12
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본 연구에서는 용매열합성법(solvothermal method)을 이용해 나노기공 HKUST-1 분리막을 제조하였다. In-situ 용매열합성법을 이용하는 경우, 매크로 기공의 알루미나 지지체 위에 균일하고 균열이 없는 HKUST-1 층을 형성하기 어렵다. 본 연구에서는 용매열합성 전에 알루미나 지지체의 표면을 가열한 상태에서 용매열합성의 전구체 용액을 분무하므로 연속적이고 균열이 없는 HKUST-1 분리막을 제조할 수 있었다. 합성된 HKUST-1 분리막은 XRD, FE-SEM 및 단일 기체투과 실험 등을 통해 분석하였다.
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7.
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정수처리용 알루미나 정밀여과 및 광촉매의 혼성공정에서 주기적 질소 역세척 시 휴믹산 농도의 영향을 알아보고, 막오염에 의한 저항 (Rf) 및 투과선속 (J), 총여과부피 (VT) 측면에서 정밀여과의 물 역세척 또는 한외여과의 질소 역세척한 기존 결과와 비교 고찰하였다. 그 결과, 휴믹산 농도의 영향으로 막오염이 진행되는 경향은 질소 또는 물 역세척에 따라, 동일한 재질이라도 한외여과 또는 정밀여과에 따라 차이를 보였다. 또한 동일한 재질의 분리막의 경우 한외여과 보다 정밀여과에서 질소 역세척이 막오염 억제에 효과적이고, 동일한 정밀여과인 경우 물 역세척보다 질소 역세척이 효과적이었다. 탁도 처리효율은 휴믹산 농도와 무관하게 거의 일정하였으나, 휴믹산 처리효율은 휴믹산 10 mg/L에서 최대였다. 이러한 결과로부터 정밀여과막의 질소 역세척시 휴믹산의 농도가 증가할수록 처리수의 휴믹산 농도도 높아지지만, 휴믹산 농도 10 mg/L에서 광촉매 구의 흡착과 광산화로 휴믹산이 최대 효율로 제거된다는 것을 알 수 있었다.
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8.
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스펀지 형태의 담체가 첨가된 침지형 막결합 연속회분식 생물반응기에서 담체가 제거효율과 여과성능에 미치는 영향을 조사하였다. 담체는 반응기 부피 기준으로 각각 5%, 10% 및 20% 첨가하였고, 담체를 첨가하지 않은 반응기를 대조군으로 하였다. COD, T-N 및 T-P에 대한 제거효율은 담체 첨가 유무에 관계없이 큰 차이가 없었다. 그러나 담체를 첨가한 경우, 첨가하지 않은 경우에 비해 조업시간에 따른 막간차압(TMP)은 매우 서서히 증가하였다. 이러한 결과는 폭기에 의해 상승하는 담체가 막 표면과 충돌하게 되고, 이때 막 표면에 형성된 케이크 층을 제거시키기 때문이다. 결론적으로 담체가 첨가된 막결합형 연속회분식 생물반응기는 담체가 없는 반응기에 비해 여과성능이 크게 개선되어, 폐수처리에 효과적으로 활용될 수 있을 것이다.
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9.
2012.12
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본 연구는 Y 정수장의 세라믹 정밀여과막 공정을 위한 최적의 약품세척 조건을 도출하고자 수행되었다. 세라믹 막 공정의 전처리로 오존과 응집공정이 있는 A계열의 경우 응집공정만 있는 B계열에 비해 9배 정도 잦은 약품세척(CIP)를 실시하였다. 이는 전처리 공정의 차이로 인하여 A와 B계열의 막오염현상이 다르게 나타난 근본적인 원인 이외에 막제조업체가 제시한 CIP 방법이 부적절한 것으로 조사되었다. 즉, CIP 회복률이 보정여과유속이 아니라 보정차압을 기준으로 계산되어 과대평가되었을 뿐만 아니라 구연산이 철산화물에 의한 파울링을 효과적으로 제거하지 못했기 때문이었다. 따라서 1단계 산세척 약품종류를 달리하여 CIP 효율을 평가한 결과 황산(0.1 N)과 구연산(1%)를 혼합하여 사용한 경우 회복률이 가장 높았고, 황산(0.1 N)만을 사용한 경우 회복률이 가장 낮은 것으로 나타났다. 그러나 황산의 농도를 0.3 N로 높인 결과 산세척 효율은 증가하였으나 알칼리세척 회복률이 낮아져 총회복률은 0.1 N 황산을 사용한 것과 유사하였다. 산과 알칼리세척 순서를 바꿔서 CIP를 수행한 결과 산세척을 먼저 수행시 CIP 효율이 더 높은 것으로 나타났다.
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10.
2012.12
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본 연구에서는 지름이 일정한 하나의 직선 관형 막을 가정하여 그 단위구간의 투과속도에 대한 물질수지를 세웠으며 이것을 기초로 하여 파이프의 정상상태 식과 함께 비선형 연립 2차 미분방정식을 이루었다. 이러한 관형 막의 압력손실을 표현한 연립방정식은 비선형이므로 Gauss-Seidel method와 같은 반복법에 의해서 해결될 수 있다. 이러한 수치해를 나타내기 위해 모사 알고리즘을 제시하였다. 또한 투과수는 운전 조건의 변화에 따라 변하므로 각 조건에서의 연립 방정식의 해를 수치적으로 적분하여 해결하였다. 모사의 결과를 검증, 해석하기 위해서 실제 중공사막과 유사한 관형 막을 사용하여 실험을 진행하였다. 본 연구에서는 중공사막을 유체가 흐를 때 발생하는 압력손실, 유량, 그리고 투과수의 관계를 분석적 방법을 이용해 제시하였고 이러한 이론적 기초를 바탕으로 실제 기공을 가진 막에 적용하여 그 정확성을 실험을 통하여 비교하였다.
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11.
2012.12
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폴리아마이드 역삼투막 표면에 음이온 수용성 고분자인 poly(vinyl amine)(PVAm)을 코팅한 후 오염물질인 bovine serum albumin (BSA), humic acid (HA), sodium alginate (SA)에 대하여 파울링 개선효과가 있는지를 알아보고자 하였다. PVAm의 코팅과 파울링 여부는 scanning electron microscopy (SEM)을 통해 관찰하였다. BSA, HA, SA 100 ppm 공급원액을 이용하여 2, 4, 8 bar로 압력을 변화시켜 투과성능실험을 수행한 결과 PVAm으로 코팅되지 않은 막과 코팅된 막 모두 압력증가에 따라 파울링 현상이 심화되었으나 PVAm으로 코팅된 막이 BSA, HA, SA의 경우 모두에서 약 30%이상 투과도가 향상되어 파울링 개선효과가 나타나는 것을 확인할 수 있었다. HA > SA > BSA의 순으로 파울링 개선효과가 나타났으며 HA의 경우 가장 두드러지게 나타났다.
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12.
2012.12
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두 개의 간헐반응조, 막분리조, 탈기조로 구성된 생물학적 MBR고도처리 공정에 동일한 유입수량과 수질의 하수가 유입되는 경우 운전 온도 및 SRT (Sludge Retention Time)변화에 따른 질소제거 특성을 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 파악하였다. SRT가 25일이고 운전온도가 25℃인 경우 간헐반응조를 간헐폭기 시키는 경우에 운전온도 13℃의 59%에서 31%로 질소제거효율이 급격히 떨어지는데, 이는 운전온도 13℃에 비해서 간헐반응조의 RBO (Readily Biodegradable Organic) 농도가 낮아져서 발생한 현상으로 파악되었다. 운전온도 25℃에서 SRT를 12.6일로 운전하는 경우 간헐반응조 RBO농도는 증가하고 질소제거 효율은 회복되었다. 간헐반응조를 갖는 MBR시스템에서 SRT와 운전온도가 간헐반응조 RBO농도에 미치는 영향은 좀더 깊게 연구되어야 한다.
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