Water Treatment Characteristics of Ceramic Membrane for Aqueous Organic Matter

학위논문 (석사)-- 서울대학교 대학원 : 생태조경·지역시스템공학부 지역시스템공학전공, 2016. 2. 김성배.최근 양질의 수자원의 안정적인 공급에 대한 요구가 확대되면서 공정이 간단하고 양질의 수자원을 확보할 수 있는 막 공정이 주목을 받고 있다. 그 중에서도 세라믹 막은 물리화학적 강도와 투과성이 우수하여 다양한 분야에의 적용이 기대되고 있다. 한편, 막 공정에서 필연적으로 발생하는 막 오염은 막 공정의 효율을 떨어뜨리고 막의 수명을 단축시키게 되므로 제어할 필요가 있으며, 수처리 공정에 있어서 막 오염을 유발하는 주요한 물질은 수중에 존재하는 유기물이다. 또한, 막 오염은 막 공정의 운전인자인 막간압력차에 큰 영향을 받는 것으로 알려져 있다. 본 연구에서는 세라믹 막을 이용하여 수중에 존재하는 유기물을 제거하는 경우의 여과 특성과 막 오염 기작 및 특성을 살펴보았다. 실험은 십자류 여과방식을 이용하여 일정한 십자류유량과 온도 조건에서 막간압력차를 변화시켜 여과수가 2 L가 될 때까지 진행하였다. 유입수는 증류수 (D.W.), 모사수인 Humic acid 용액 (HA10, HA20)과 현장수 (HR, SN)를 대상으로 하였다. 유입수, 여과수, 농축수에 대하여 정성분석인 F-EEM, 정량분석인 DOC, UVA254, SUVA를 통하여 수질분석을 수행하였다. 여과실험에 앞서 세라믹 막의 성능을 평가하기 위하여 증류수를 이용하여 투과실험을 진행하였다. 실험에 사용한 세라믹 막의 투과성능 (Permeability)은 10, 25, 40 ℃로 온도가 증가함에 따라 각각 233.76 ± 2.92, 320.06 ± 5.07, 396.68 ± 4.50 LMH로 증가하였으며, 이는 온도가 올라감에 따라 물의 점성이 낮아져 flux가 증가하였기 때문이다. 유입수를 대상으로 여과실험을 수행한 결과, 막간압력차가 증가할수록 flux의 감소가 크게 일어나고 여과시간은 단축되는 경향을 보였으며, 모사수보다 현장수의 flux 감소가 크게 나타났다. 유입수, 여과수, 농축수의 수질 특성을 분석한 결과, 모사수인 HA10과 HA20은 소수성 고분자 물질로, 현장수인 HR과 SN은 친수성 저분자 물질로 주로 이루어진 것으로 나타났다. 이러한 유입수의 특성으로 인하여 여과과정에서 소수성을 가지는 모사수는 농축이 일어나면서 막 오염이 적게 발생하였으나, 친수성을 가지는 현장수는 농축이 되기보다는 막 표면에 막 오염을 유발하는 것으로 나타났다. 여과실험의 결과를 바탕으로 Hermia 모델을 이용하여 막 오염의 기작을 해석한 결과, 전체적으로 Cake formation 모델이 실험값을 가장 잘 모사하는 것으로 나타났다. 여과실험 후 단계적인 세척으로 회복된 flux와 직렬저항모델을 이용하여 막 오염 특성을 평가하였다. 막간압력차가 증가할수록 총 막 오염은 증가하였으며, 물리적 세척으로 회복이 불가능한 비가역적 막 오염의 비율 또한 증가하는 것으로 확인하였다. 또한, 모사수인 HA10과 HA20보다 현장수인 HR과 SN의 막 오염이 크게 발생하였다.제 1 장 서론 1 1.1 연구의 배경 1 1.1.1 막 공정 1 1.1.2 분리막 – 세라믹 막 2 1.1.3 막 오염 5 1.1.4 수중유기물 7 1.2 연구의 목적 8 1.3 연구의 방법 8 제 2 장 선행 문헌 연구 9 2.1 운전조건과 유입수의 특성에 따른 막 오염의 영향 9 2.2 수중 유기물 처리에 대한 세라믹 막의 적용 15 제 3 장 재료 및 방법 21 3.1 유입수 21 3.2 세라믹 막 및 세라믹 막 장치 23 3.3 실험방법 및 실험조건 27 3.3.1 실험방법 27 3.3.2 실험조건 28 3.4 수질 분석 30 3.4.1 정성 분석 30 3.4.2 정량 분석 33 3.5 모델 분석 34 3.5.1 Hermia 모델 34 3.5.2 직렬저항 모델 36 제 4 장 결과 및 고찰 38 4.1 세라믹 막의 투과 특성 38 4.1.1 Flux에 영향을 미치는 요인 38 4.1.2 Permeability 및 막 자체의 저항 41 4.2 세라믹 막의 수처리 특성 43 4.2.1 여과 특성 43 4.2.2 수질 특성 46 4.2.2.1 정성 분석 46 4.2.2.2 정량 분석 50 4.2.3 모델 분석 55 4.2.3.1 Hermia 모델 : 기작 분석 55 4.2.3.2 직렬저항 모델 : 막 오염 분석 59 제 5 장 결론 62 참고문헌 64 Abstract 73Maste