역삼투막과 나노막을 이용한 염색폐수 처리

윤 영 재, 김 선 일

조선대학교 공과대학 화학공학과

Treatment of Dyestuff Wastewater by Reverse Osmosis and Nanofiltration Membrane

Young-Jae Yun, Sun-Il Kim

Department of Chemical Engineering, Chosun University, Kwangju 501-759

1. 서   론

최근에 개발된 염색, 염료폐수의 처리방법은 활성탄[1], 제올라이트 등의 흡착제나 염소, 과산화수소(펜턴 시약)[2, 3] 등의 산화제에 의한 처리방법과 오존[4] 및 고분자막에 의한 처리기술 등이 있다. 현재 역삼투막으로서는 cellulose acetate외에 방향족 polyamide 등 비초산 셀룰로스막 계열도 개발되어 있으며, 평판형, 관형, 나권형 및 중공사형 등의 모둘이 다방면의 분리공정에 이용되고 있다[5, 6]. 본 연구에서는 일반적으로 가장많이 사용되고 있는 반응성염료들을 가상폐수로 조제하여 역삼투막을 이용하여 온도, 농도, 압력 등에 따른 투과수플럭스와 CODMn, TOC, TDS 및 전도도 배제율의 영향을 비교검토하였다.

2. 실험장치 및 방법

2.1. 역삼투 및 나노막

역삼투막 및 나노막의 실험장치는 DDS사의 Lab-20 모델을 사용하였는데, Fig. 1과 같이 8L와 2L의 용액을 저장할 수 있는 저장탱크(feed tank), 8L/min의 유속으로 용액을 공급하는 피스톤 펌프, 막모듈 입구에 부착되어 있는 열교환기(counter current heat exchanger), 평판형 모듈(plate and flame module), 모듈의 입구와 출구에 있는 압력계 그리고 모듈 출구쪽에서 역삼투막에 높은 압력을 제공하는 압력밸브(back pressure valve)로 구성되어 있다. 막에서의 농도분극 현상을 최소화하기 위한 디스크형의 spacer와 막을 지지해주고 투과수의 통로가 되는 지지판 그리고 분리막으로 되어있다.

Fig.  1. Schematic diagram of reverse osmosis unit.

2.2 기기 및 시약

이 실험에 사용한 증류수는 conductivity가 1□S/cm이하인 것을 사용하였고, NaCl은 Oriental Chemical Ind.의 것을, Reactive orange 16[F.W. 617.54], Reactive black 5(Remazol black 5)[F.W. 991.8]와 Reactive blue 19[F.W. 626.5]는 순수 염료함량이 각각 50%, 55% 및 50%인 Sigma Chemical Co.의 것을 정제하지 않고 사용하였다. 나노막(NF45)과 역삼투막(HR98PP)은 유효면적이 0.018m2인 Dow Danmark Co.의 polyamide/polysulfone 계통의 복합소재막을 사용하였으며 이들의 특성을 Table 1에 나타내었고, 매 실험때마다 6장씩을 사용하였다. 이 실험에서 사용한 기기로서 전도도미터는 TOA CM60, TOC와 Ion Chromatograpy는 Shimadzu, TOC-5000A 및 CDD-6A를 사용하였다.

2.3 실험방법

본 실험은 반응성염료 3종을 각각 100, 500, 1000, 2000, 3000, 5000 및 10,000ppm을 주입하여 그때의 CODMn, Conductivity 및 TOC(total organic carbon)를 분석한 후 온도에 따른 영향을 조사하기 위해 20∼35℃로 변화시켰으며, 압력변화는 나노막과 역삼투막에 대해 10∼60bar로 운전하여 처리수의 수질 변화를 조사하였다.  또한 전도도미터와 Ion Chromatograpy를 이용하여 염료에 함유되어 있는 염(NaCl) 배제율에 관해서도 연구를 수행하였으며, 염(NaCl)) 및 염료의 배제율(rejection rate) Ro는 다음식으로 구하였다.

Ro  =  1  -  CP/CF

CP : 투과생성액의 농도  CF : 공급액의 농도

Table 1. Characteristics of membranes

Type	Permeability ( % NaCl )	Water flux L/m2·h	Recommened
			pH	℃	◁	bar	psi
NF 45	40∼60	>35	1∼12	0∼60	32∼140	0∼60	0∼870
HR98PP	<2.5	105∼145	2∼11	0∼60	32∼140	0∼60	0∼870

3. 결과 및 고찰

3.1 염(NaCl)의 제거

염료를 함유하였을때나 함유하지 않았을때 염(NaCl)의 배제율을 비교하기 위해 증류수에 NaCl 농도를 250∼5000ppm으로 하여 역삼투막과 나노막을 40bar, 25℃ 동일한 조건에서 운전하였을 때 Fig. 2에 나타내었다. 염(NaCl) 배제율은 나노막에서는 50∼63%, 역삼투막에서는 93∼95%로 매우 높게 나타났다. 또한 나노막에서는 염(NaCl)의 농도가 높을수록 배제율이 약간 낮게 나타났으나, 역삼투막에서는 거의 일정하게 나타났다. Fig. 3에서 알 수 있는 바와 같이 나노막에서는 염(NaCl) 농도가 높을수록 투과수플럭스가 낮게 나타났는데 이는 막오염에 기인한 것이 아니고 삼투압이 증가하기 때문이라 생각되며, 이것은 여과하기 전후의 증류수 플럭스를 조사함으로써 이 사실을 입증하였다.

Fig. 2. Rejection rate of NF and RO membrane of NaCl              solutions at pressure 40bar, T=25℃.

Fig. 3. Permeate flux of NF membrane of NaCl

solutions at pressures between 10 and 60bar, T=25℃.

3.2 온도에 의한 영향

나노막과 역삼투막은 온도가 상승함에 따라 막을 형성하는 고분자에 segment movement가 발생하여 플럭스가 증가하고 염료의 배제율은 점차 감소하는 경향을 나타내었다. 실험에 사용된 반응성염료가 모두 유사한 투과수플럭스를 나타내어 그중 reactive black 5, 1000ppm 및 10,000ppm을 주입하였을 때의 동일한 압력 40bar에서 역삼투막과 나노막에 적용한 결과를 Fig. 4에 나타내었다. 사용온도를 20∼35℃로 변화시켰을 때 나노막의 투과수플럭스가 155∼175 l/m2h로 증가폭이 상당히 크게 나타난 반면 역삼투막에서는 192-202로 l/m2h로 증가폭이 나노막에 비해서는 약간 낮게 나타났다. 염료의 배제율은 TOC(total organic carbon)를 측정하여 살펴본 결과 온도가 증가함에 따라 감소함을 보이고 있는데 이결과를 Fig. 5에 나타내었으며, 20∼35℃의 온도범위 내에서 99% 이상의 높은 TOC 배제율을 보였다.

Fig. 4. Permeate flux of NF and RO membrane at

pressures 40bar.

Fig. 5. Rejection rate of NF and RO membrane at

pressure 40bar.

3.3 농도에 의한 영향

염료의 농도를 100∼10,000ppm까지 다양하게 주입하고 압력 40bar, 온도 25℃에서 나노막과 역삼투막은 염료의 농도가 높아짐에 따라 Fig. 6에서와 같이 투과수플럭스가 감소한 것으로 나타났는데 이는 염료분자가 막을 오염시키기 때문이며, 염료 주입농도가 높아질수록 TOC 배제율이 Fig. 7에 나타낸것 처럼 높게나타났고, 특히 역삼투막에서는 10,000ppm까지는 TOC 배제율은 거의 변화가 없이 99%이상으로 상당히 높았다.

Fig. 6. Permeate flux of NF and RO membrane  of dyestuff         wastewater at pressures 40bar, T=25℃.

Fig. 7. Rejection rate of NF and RO membrane of dyestuff           wastewater at pressure 40bar, T=25℃.

3.4 압력에 의한 영향

나노막과 역삼투막을 온도를 25℃로 일정하게 유지시키고 10bar에서 60bar까지 압력을 변화하면서 운전하였을 때 압력에 비례하여 투과수플럭스가 증가하게 나타났으며, 압력에 관계없이 99%이상의 높은 CODMn 배제율을 보였다.

4. 결  론

염료에 함유되어 있는 염(NaCl)은 농도가 높을 수록 삽투압이 증가하여 플럭스가 감소하였으며, 염(NaCl) 배제율은 역삼투막과 나노막에서 각각 93∼95% 및 50∼63%로 나타났다. 나노막과 역삼투막은 압력은 40bar로 일정하게 유지하고 온도를 20∼35℃로 변화시켰을 때 나노막의 투과수플럭스가 155∼175 l/m2h로 증가폭이 상당히 크게 나타난 반면, 역삼투막에서는 192-202 l/m2h로 증가폭이 나노막에 비해서는 약간 낮게 나타났다. 염료의 배제율은 TOC(total organic carbon)를 측정하여 살펴본 결과 투과수플럭스가 증가함에 따라 감소하였다. 나노막과 역삼투막은 온도에 의해 염료의 배제율이 영향을 받고 있지만 35℃에서도 95%이상의 배제율을 보였다. 나노막과 역삼투막의 사용온도와 압력을 25℃, 40bar로 일정하게 유지시키고 염료의 주입농도는 100∼10,000ppm까지 변화시켰을 때 처리수의 CODMn가 4∼12ppm으로 배제율이 99.2∼99.8%로 나타났다. 또한 TDS는 3∼38ppm으로 배제율이 95.5-96.7%의 범위를 보였다.

참고문헌

1. 齊藤俊英, □活性炭吸着法□□□染色廢水處理,□ 水處理技術, 27, 757(1986).

2. Kuo, W.G.:□Decolorizing dye wastewater with Fenton's reagent,  Water  Rearch□,     26,

881(1992).

3. Winiati, W., et al.:Biological and Chemical Oxidation Treatments of

Wastewater from a Japanese Dyeing and Finishing Factory□, 大阪工業技術試驗所季報, 38,

8(1987).

4.  Sinder, E.H. and Porter, J.J.:□Ozone Treatment of Dye Waste□, J. WPCF, 46,

884(1974).

5. Poter, M.C.:□Handbook of Industrial Membrane Technology□, Noyes

Publications(1990).

6. Cadotte, J., Forester, R., Kim,  M., Petersen, R. and Stocker, T.:□Nanofiltration

Membranes Broaden the Use of Membrane Separation Technology□, Desalination, 70,

77(1988).