세라믹 막여과를 이용한 완속여과 공정의 대체

국문 초록 (Abstract)

막시장에서, 고분자 유기막(Polymeric membrane)은 무기막(Inorganic membrane)에 비해 많은 수요를 차지한다. 이는 유기막의 보편화로 가격 경쟁에 있어서 무기막에 비해 월등히 유리하며, 제조가 더 쉬운 탓이다. 반면, 무기막 시장에서는 세라믹 막의 수요가 높은데, 특히나 알루미나 막이 널리 쓰인다. 세라믹 막은 특히 고온, 극한 화학약품을 사용하는 환경에서의 공정에 적합하다(Laitinen Niina, 2002). 이 때문에, 세라믹 막은 석유화학, 전기 산업, 가스 분리 뿐만 아니라 식품, 음료, 생명공학과
제약계 등등 다양한 분야에서 많이 적용시키고 있다. 1986년에 이미 전세계 막 산업은 약 1조 달러의 시장이 형성되었다. 1989년에는 무기막 시장이 약 3천만 달러, 세라믹 막 계열은 1천만 달러 가까이 형성되었다. 요즈음, 전 세계 막 부문 산업은 연간 약 10조 달러의 시장을 형성하고 있다 (Anonymous, 2002).
최근 들어 수처리 분야에서는 유기막보다 높은 가격을 가짐에도 불구하고, 높은 막 투과율과 기계적, 화학적, 열적 충격에 대한 높은 저항력 등 많은 장점을 가진 무기막, 특히 세라믹 막에 대한 관심이 높아지면서 수처리 부문에서 세라믹 막을 적용하는 연구들이 많이 이루어지고 있다. Hagen (1996)은 선 응집(Preflocculate), 선 여과(Prefilter)된 댐 물의 입자 제거에 대한 고분자 막과 실리콘 탄화물(Silicon carbide) 막을 비교 실험 하였다. Matsui et al. (2003), Yonekawa (2004), Matsushita et al. (2005) 은 응집 과정 후 0.1-1 μm 사이의 공극 크기를 가진 알루미나 MF 막의 바이러스 제거에 대한 연구를 하였다. Lerch et al. (2005), Wessels (2006) 와 Heijman (2007)은 강물의 수처리를 위해 응집 후 0.1 μm 알루미나 막 여과를 실시하였다.
국내에서도 무기막에 대한 연구들이 활발히 진행 중이지만, 아직까지 수처리 분야에서의 세라믹 막에 대한 연구는 미미한 실정이다. 따라서 단점보다는 장점이 더 많은 무기막(세라믹 막)을 수처리 공정에 적용하는 연구가 많이 필요할 것으로 보인다.
현재 우리나라 정수장 약 600여개 중 크고 작은 완속여과를 운영하고 있는 정수장은 약 200여개가 있는데, 그 중 부산의 B 정수장은 약 8000m3/day 규모의 완속여과 정수장이다(WAMIS, 2007). 완속여과는 운전의 편리함이 큰 장점으로 작용하지만(Joslin, 1997), 일시적인 고탁도 유입시 운전 장애 및 각종 수질 변화에 큰 취약점이 있다(Great Lakes Upper Mississippi River Board,1992). 따라서 이를 대체하기 위하여, 정수처리 공정 내 세라믹 막 적용 가능성을 검토하고자 본 연구가 수행 되었다. 세라믹 막은 일반 유기막 보다 막 가격이 비싼 단점이 있지만, 높은 성능 특성과 긴 막의 수명(유기막의 교체주기가 1년이라고 보면, 세라믹 막은 10년 혹은 더 길게 사용가능) 때문에 막의 가격 대비 원금회수가 유기막에 비해 쉬울 것으로 보인다(E. P. Garmash et al., 1995). 본 연구에서는 B 정수장에서의 세라믹 막 적용을 검토하기 위하여 Batch-scale 과 Pilot-plant 에서의 세라믹 막 공정의 최적 전처리 조건, 최적 운전 조건 및 수질 특성에 따른 운전조건 등을 살펴보고자 한다.

목차 (Table of Contents)

• 목 차
• 제 1 장 서 론 1
• 제 2장 문헌연구 3
• 2.1 응집공정 3
• 2.1.1 응집 메카니즘 3
• 2.1.2 NOM의 응집 메카니즘 7
• 2.2 자연발생 유기물질(natural organic matter) 11
• 2.3 막분리 공정 13
• 2.3.1 막의 종류 13
• 2.3.2 막의 재질 16
• 2.3.3 MF 막공정의 운전 18
• 2.3.4 막여과 공정의 제어방식 20
• 2.3.5 MF 막여과 메커니즘 22
• 2.3.6 MF 막 fouling 메커니즘 25
• 2.3.6.1 응집제 주입량과 응집 상태에 따른 막 성능 효과 25
• 2.3.6.2 응집능력에 따른 막 fouling 현상 25
• 2.3.6.3 DOM 종류에 따른 막 fouling 27
• 2.3.6.4 NF fouling과 MF/UF fouling 간의 관계 27
• 2.3.7 MF 막 fouling 모델 28
• 2.3.7.1 Resistance-in-series model 28
• 2.3.7.2 Fouling model analysis 29
• 2.3.7.3 Flux decline model analysis 29
• 2.3.7.4 Cake filtration and pore blocking model analysis in MF 30
• 2.3.7.5 Models for membrane fouling 32
• 2.3.8 투과 플럭스에 대한 온도와 압력의 상관성 34
• 2.3.9 막을 통한 미생물 제거 36
• 2.4 세라믹 막(ceramic membrane) 38
• 2.4.1 무기막 및 수처리용 무기막 38
• 2.4.2 졸겔(Sol-Gel)법에 의한 세라믹 막의 제조 38
• 2.4.3 세라믹 막의 장단점 38
• 2.4.4 세라믹 막의 종류별 특성 40
• 2.4.5 세라믹 막의 구조적 특성 43
• 제 3 장 재료 및 방법 46
• 3.1 상수원수의 수질특성 분석 46
• 3.2 응집실험 장치 47
• 3.3 유기물의 성상별 분류 48
• 3.4 막분리 실험 장치 50
• 3.4.1 회분식 막 장치(batch experiment) 50
• 3.4.2 파일럿 플랜트 장치(pilot-plant experiment) 52
• 3.5 수질분석방법 53
• 제 4 장 결과 및 고찰 55
• 4.1 상수원수의 유기물 성상별 분류특성 55
• 4.2 전처리공정을 위한 최적 응집제 및 주입량 59
• 4.2.1 응집제 종류별 탁도 및 UV254 비교 59
• 4.2.2 알칼리도 변화에 따른 응집제 종류별 pH 비교 62
• 4.3 Batch-type 세라믹 막 공정 64
• 4.3.1 응집제 주입량에 따른 투과 flux 변화 64
• 4.3.2 저항층 모델(resistance-in-series model)을 통한 막오염 및 flux 비교 68
• 4.3.3 pH 변화에 따른 최적 응집 조건에서의 flux 변화 71
• 4.4 세라믹 MF Pilot-plant 공정 74
• 4.4.1 응집제 주입량에 따른 막간차압 변화 74
• 4.4.2 응집제 주입 조건에 따른 가역적 막 fouling rate 비교 78
• 4.4.3 화학역세(CEB) 유무에 따른 막간차압 변화 80
• 4.4.4 막교체 시기 선정 및 처리유량 조정에 따른 막간 차압 변화 82
• 4.4.5 막여과 처리수 수질 평가 85
• 제 5 장 결 론 87
• 참 고 문 헌 89