역삼투막을 이용한 중금속 제거를 위한 연구

안지철, 양해영, 김화용, 조영상*

서울대학교 응용화학부,

한국과학기술연구원*

A Study for removal of heavy metals by RO membrane

Jichul An, Haeyoung Yang, Hwayong Kim and Youngsang Cho*

School of Chemical Engineering, Seoul National University,

Korean Institute of Science and Technology*

서론

산업이 발달함에 따라 부수적으로 파생하는 환경문제는 나날이 심각해지고 있다. 특히 식수원을 포함한 수질 오염의 해결은 환경 오염 문제 해결을 위한 필수적인 과정이라 할수 있다. 오염수에서 제거해야 할 것들은 크게 유기물과 무기물로 나눌수 있으며 유기물 제거법은 화학산화법, 분리막법, 흡착법 및 stripping등이 있고 무기물 제거법으로는 침전법, 흡착법, 이온교환법 및 분리막법등이 있다.

공정수나 폐수로부터 중금속등의 무기물질을 제거하기 위한 공정은 농도에 따라 두가지 공정으로 나눌수 있다. 농도가 높은 경우는 침전법등을 사용하여 제거하고 있으며 저농도의 경우는 이온교환법이나 분리막등을 이용하여 제거할수 있다. 그러나 무기물질을 함유하고 있는 폐수를 처리하고자 할때 단순히 한기지 방법만으로는 효율적인 처리를 기대하기 어렵고 여러 기술이 연결되어야 경제적이면서 동시에 확실한 처리가 기대된다.

침전법은 현재 가장 많이 사용되고 있는 중금속등의 무기질 처리기술로 고농도의 폐수 처리에 적합하다. 침전법은 공정이 비교적 간단하고 경제적이기는 하나 일정농도 이하의 오염 물질은 제거하기가 힘들다. 따라서 침전법으로 처리한 폐수는 흡착, 막분리, 이온교환등의 방법으로 재처리하여야 공정수로 재사용할 수 있게된다.

따라서 본 연구에서는 침전법으로 처리된 폐수를 분리막법으로 처리하여 공정수로 재사용하므로써 수질 환경의 개선및 수자원의 효율적 이용을 달성하기위한 기초연구를 수행하고자 하였다.

실험

재침전법으로 처리된 폐수를 정밀여과 공정을 거친뒤 공정수로 재활용하기 위해서는 역삼투막 공정을 거쳐야 한다. 이러한 역삼투막 공정을 설계하기 위해 상용의 RO막으로 기본실험을 수행하여 폐수 재활용 공정설계를 위한 설계 Data를 제공하기 위해 Fig 1과 같은 평판형 Test Cell를 꾸몄으며 구리 중금속에 대한 실험을 하였다. 이 실험에서는 상용막인 HR-95pp와 HR-98pp를 사용하였고 구리이온 농도 2000ppm을 원수로 하여 압력에 따른 변화를 측정하였다. 유속은 250ml/min으로 고정하였다. 또 Fig 2.와 같은 pilot 규모의 역삼투막 장치를 설치하였고 구리와 철의 농도 2000 ppm의 원수를 사용하여 압력에 따른 변화를 측정하였다. 이때의 유속의 양은 1l/min으로 고정하였다. Data를 처리하기 위해 Solution-Diffusion model를 사용하였고 다음과 같다.

[eqn: J_s = B(C_m - C_p )]

B 는 용질의 투과상수, Cm 은 membrane에서의 용질 농도, Cp는 permeate 에서의 용질 농도이다.

[eqn: J_W = A(DELTA P - DELTA pi)]

여기서 A는 물의 투과상수, [eqn: DELTA P]는 작동 압력, [eqn: DELTA pi]는 삼투압이다.

따라서 배제율은 다음과 같다.

[eqn: Salt~~ Rejection(R)= 1 over{ 1+B/A(1/( DELTA P - DELTA pi ))}]

그리고 시료 분석은 AA를 사용하였고 결과는 Fig3, Fig4, Fig5에 나타내었다.

결론

위의 그래프에서 나타난 바와 같이 Test cell과 Pilot에서 높은 배제율을 보여주고

있다. 이는 분리막법의 높은 효율성을 제시한 것이라 하겠다. 또한 Pilot scale의

결과에서 보면 실제 공정에 적용하였을 때, 처리된 폐수가 공정수로 사용될수 있

음을 알아낼수 있다. 이는 전 공정의 경제적인 측면과 함께 고려해준다면 수질

환경의 개선및 수자원의 효율적 이용을 달성하기위한 방법으로써 충분하다고 본

다.

참고문헌

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Fig 1. Test cell 장치도

Fig 2. Pilot 장치도

Fig 3. Test cell에서의 Cu 이온의 배제율

Fig 4. Pilot에서의 Cu 이온의 배제율

Fig 5. Pilot에서의 Fe 이온의 배제율