세라믹 정밀여과막의 계면활성제 처리 효과

김종표, 남현희*, 유종훈*, 김재진, 김정호*

한국과학기술연구원 생체재료연구센터, 수원대학교 화학공학부*

Effect of Surfactant Treatment on the Ceramic Microfiltration Membrane

Jong-Pyo Kim, Hyun-Hee Nam*, Jong-Hoon Ryu*, Jae-Jin Kim, Jeong-Ho Kim*

Biomaterials Research Center, KIST

Division of Chemical Engineering, The University of Suwon*

서론

분리막을 이용한 분리, 정제, 농축 및 분획 등의 공정이 광범위하게 이루어짐으로서 이러한 공정을 이용한 분야가 급속히 확대되고 있다. 분리막 공정은 그 적용 범위가 광범위하고 조작이 간단하며 추가적인 에너지나 제 3의 물질을 거의 요구하지 않는 등의 장점을 가지고 있다. 그러나 이러한 분리막 공정은 운전시 농축물이나 배제되는 물질이 막 표면에 집중화되는 이른바 농도 분극 현상과 용질이 기공에 흡착하거나 기공을 폐색시키는 막오염 현상에 의해 급격한 투과유속의 저하가 발생하며 이로 인하여 경제성을 상실한다. 농도분극이나 막오염과 같은 투과저항인자들은 분리막 공정의 운전 인자[1]와 함께 분리막의 표면성질, 공급 용액의 특성, 분리막의 기공특성, 용질-용질 상호작용 특성 및 용질-분리막 상호작용 특성 등에 지배받는다[2]. 따라서 농도 분극이나 막오염을 적절히 제어하기 위해서는 최적의 운전 인자 못지 않게 공급 용액의 특성에 따른 분리막 재질의 선택이 중요하며 또한 분리막의 전처리 혹은 공급용액의 전처리가 중요하게 작용한다. 특히 분리막의 전처리 방법으로서 계면활성제를 분리막에 흡착시키는 방법이 연구되어지고 있는데 이는 계면활성제의 소수성과 친수성 그룹의 존재에 기인한다. 일반적으로 분리막의 재질은 소수성을 가지고 있으므로 물을 기반으로 하는 용액의 분리에 적합하지 않다. 따라서 계면활성제를 분리막의 기공벽에 흡착시킴으로서 분리막의 기공 표면을 친수화시킬 수 있다. Maartens 등[3]은 물 속에 존재하는 천연 유기물을 polysulfone 한외여과막으로 제거하는 공정에서 막오염을 방지하기 위해 비이온성 계면활성제로 분리막 전처리를 수행하였다. Jonsson 등[4]은 polysulfone 및 polyvinylidenefluoride 재질의 소수성 한외여과막과 cellulose acetate 재질의 친수성 한외여과막에서의 비이온성 및 이온성 계면활성제가 미치는 영향에 대해 연구한 바 있다.

본 연구에서는 비이온성 계면활성제인 Tween 40( Sigma-Aldrich, USA)을 이용하여 계면활성제의 농도 및 계면활성제 용액에 대한 분리막의 함침시간이 세라믹 정밀여과막 투과유속에 미치는 영향을 고찰하였으며, 또한 비이온성, 음이온성 및 양이온성 계면활성제 용액을 이용하여 분리막을 전처리하고 투과유속을 비교하여 이러한 계면활성제 전처리가 투과유속에 미치는 영향을 연구하였다.

실험

본 연구에 사용된 세라믹 정밀여과막은 알루미나 재질로서 0.1 □의 기공크기를 가지며, 내경이 7.3 mm, 길이가 480 mm, 막면적이 110.1 □ 인 (주)동서산업에서 제조한 분리막이다. 공급용액으로서 평균 분자량이 2,000,000 인 dextran(Sigma-Aldrich, USA) 500 ppm을 사용하였다. 분리막을 계면활성제 용액에 일정 시간 동안 함침시킨 후 순수로 막의 표면에 묻어 있는 계면활성제 용액을 닦아내고 운전압력 0.6 kgf/□, 공급유량 3.8 □/□-hr 의 조건에서 dextran 용액을 2시간 동안 처음 1시간은 1분 단위로 다음 1시간은 20 분 단위로 투과액의 무게를 측정하였으며 측정한 무게로부터 투과유속을 계산하였다. 매 실험이 완료된 후 NaOH 3 wt% 용액에 분리막을 하루이상 담궈 분리막을 세척하였다. 실험 중 농축액과 투과액은 분석이 완료된 후 공급탱크로 순환시켜 분리막 투과에 의한 농도 변화를 억제하였다. 공급액 및 투과액은 differential reftractometer(R 403, Waters, USA)을 이용하여 농도 분석을 하였으며 이들 값으로부터 배제율을 분석하였다.

실험결과 및 고찰

계면활성제 농도 및 함침시간 효과 : 비이온성 계면활성제인 Tween 40의 농도를 각각 0.05, 0.5, 1.0 및 3.0 wt%로 제조하여 30분 동안 분리막을 함침시킨 후 투과유속을 측정하였으며 함침시키지 않은 분리막의 투과유속과 비교하여 Fig. 1에 나타내었다. 투과유속의 증가율은 계면활성제의 농도가 증가할수록 증가하였으며, 계면활성제의 농도가 3.0 wt% 일 때 투과유속의 증가율은 약 60 % 였다. 계면활성제 농도 0.05 wt%의 조건에서 함침시간을 각각 30분, 1, 2, 24 및 48 시간으로 분리막을 처리하여 투과유속을 측정한 후 그 결과를 함침시키지 않은 경우와 비교하여 Fig. 2. 에 나타내었다. 계면활성제의 농도가 0.05 wt% 일 때 함침시간이 클수록 투과유속은 대체적으로 증가하였으나 그 증가율은 농도 효과에 미치지는 못하였다.

계면활성제 특성효과 : 계면활성제의 특성이 세라믹 정밀여과막의 처리에 미치는 영향을 고찰하기 위하여 비이온성 계면활성제인 Tween 40, Triton X-100, 양이온 계면활성제인 hexadecyltrimethylammonium bromide(CTAB), 음이온 계면활성제인 sodium dodecylbenzenesulfonate(SDBS), sodium dodecylsulfonate(SDS)를 각각 3 wt% 용액으로 제조하여 1시간 동안 분리막을 함침시킨 후 투과유속을 비교하였다. Fig. 3에 나타낸 바와 같이 비이온성 계면활성제인 Triton X-100으로 분리막을 처리할 경우 정상상태에서 약 400 % 의 투과유속 증가율을 보였다. 반면에 음이온성 계면활성제인 SDS의 경우 초기에는 Triton X-100의 경우보다 높은 투과유속을 나타내었으나 운전 시간이 경과함에 따라 투과유속의 증가율이 하락하여 약 60분이 경과한 후에는 Triton X-100 보다 낮은 값을 나타내었다. 비이온성 계면활성제인 Triton X-100과 Tween 40 사이에는 매우 큰 투과유속의 차이를 나타내었다. 본 연구 결과 분리막의 투과 성능을 향상시키기 위하여 계면활성제를 이용한 분리막 전처리를 수행할 때 함침시간보다 계면활성제의 농도가 보다 중요한 투과성능 향상 인자로 판명되었으며 또한 계면활성제의 선택도 대단히 중요한 인자로 판명되었다. 그러나 대다수의 경우 계면활성제가 쉽게 탈착되어 투과액에 혼합되어 있으므로 계면활성제의 처리에 대한 새로운 문제가 발생하였다.

참고문헌

[1] Van Den Berg, G. B. and Smolders, C. A.: Desalination, 77, 101(1990)

[2] Musale, D. A. and Kulkarni, S. S.: Rev. Macromol. Chem. Phys., c38(4),             615(1998).

[3] Maartens, A., Swart, P. and Jacobs, E. P.: J. Colloid Interface Sci., 221,            137(2000).

[4] Jonsson, A.-S. and Jonsson, B.: J. Membr. Sci., 56, 49(1991).

Fig. 1. Variation of permeate flux improvement as a function of filtration time at different surfactant concentrations.

Fig. 2. Variation of permeate flux improvement as a function of filtration time at different submerged time.

Fig. 3. Variation of permeate flux improvement as a function of filtration time at different surfactants.