KR20100078831A - 여과막의 보수방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 안전성이 높은 투과수를 얻는 여과막의 보수방법에 관한 것으로서, 모듈화된 비대칭 한외여과막 및 정밀여과막을 에어로겔 분산액에 침지시킨 후, 흡인을 통하여 상기 여과막의 표면에 존재하는 매크로 보이드에 직경이 2~5 ㎛ 인 에어로겔을 부착시키는 단계를 포함하는 여과막의 보수방법에 관한 것이다. 본 발명에 따라 매크로 보이드를 제거한 분리막은 막결합형 활성슬러지법에 적용될 경우 매크로 보이드에 의한 제거율의 저하를 방지할 수 있으며, 에어로겔의 포어를 통해 막의 투수량의 감소도 막을 수 있다.

한외여과막, 정밀여과막, 에어로겔, 막 보수방법, 제거율, 매크로 보이드, 투수량

Description

여과막의 보수방법{MAINTENANCE METHOD FOR FILTRATION MEMBRANE}

본 발명은 여과막의 보수방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 모듈화된 비대칭 한외여과막 및 정밀여과막을 에어로겔 분산액에 침지시킨 후, 흡인을 통하여 상기 여과막의 표면에 존재하는 매크로 보이드에 직경이 2~5 ㎛ 인 에어로겔을 부착시키는 단계를 포함하는 여과막의 보수방법에 관한 것이다.

막 분리 공정은 얼마 전만 하더라도 기술적으로 중요하게 여겨지지 않았으나, 최근에는 많은 응용 분야에 걸쳐 이용되면서 그 중요성이 부각되고 있다.

일반적으로 막 분리 공정에 이용되고 있는 분리막의 종류로는 정밀여과막(microfiltration membrane), 한외여과막(ultrafiltration membrane), 역삼투막(reverse osmosis membrane), 기체투과막(gas separation membrane), 투과증발막(pervaporation membrane) 등이 있다. 이러한 막들은 각각의 기공크기와 재질 및 용도에 따라서 사용 용도에 제한을 지니는데, 특히 산업용 폐수처리나 하수처리에는 정밀여과막과 한외여과막, 역삼투막이 주로 사용되고 있다.

특히 최근에는 오수, 폐수 처리방법 중에 활성슬러지법이 많이 사용되고 있는데, 정밀여과막이나 한외여과막을 평막이나 중공사막 형태로 제조하여 직접 슬러지조에 침지하여 고속, 고효율로 처리를 행하는 막분리 활성슬러지법(멤브레인 생물 반응기(MEMBRANE BIOREACTOR, MBR)법)이 각광받고 있다.

이러한 비대칭 정밀여과막이나 한외여과막은, 일반적으로 유기 고분자를 이용하여 막을 제조하게 되는데 이렇게 제조한 막의 포어 사이즈에는 평균 포어 사이즈보다 훨씬 상회하는 포어가 존재할 가능성이 있으며, 막을 제조할 때 공정상의 문제로 인해 큰 포어가 생기는 경우가 있으며, 일반적으로 이러한 큰 포어를 매크로 보이드(macrovoid)라 부른다. 이러한 매크로 보이드는 막의 제거율을 저하시켜 제품의 품질 저하에 큰 영향을 미친다.

또한, 막을 이용하여 막 엘리먼트, 막 모듈, 막 여과 장치를 제작하는 과정에서 막에 흠집이 생겨 막의 제거율을 저하시키는 수가 있다. 특히 이러한 여과막을 막분리 활성슬러지법에서 사용시에는 모래와 같은 무기물이나 오니 등의 고형물이 막에 충돌하거나, 활성슬러지에 산소 공급을 위해 행하여지는 에어레이션(airation)에 의한 기포가 막에 충돌하여 막에 흠집을 낼 수 있다. 이렇게 생긴 흡집들 역시 막의 제거율을 저하시켜 문제를 일으킬 소지가 있다.

종래 이러한 문제점을 극복하기 위한 기술들이 여러 가지 방법으로 시도되어 왔다. 대표적인 방법으로는 일본 특허공개공보 제2000-000438호에 중공사막의 역세시 미립자를 첨가하는 방법이 개시되어 있으며, 일본 공개특허공보 제2007-007490호에는 미립자 분산액의 여과를 통해 막의 표면에 부착시키는 방법이 개시되어 있 다.

그러나, 상기 방법들 중 중공사막의 역세시 미립자를 첨가하는 방법은 중공사막이 절단되는 경우를 상정하고 행해지는 방법으로 표면의 매크로 보이드를 막기에는 적합하지 않다. 또한 상기 미립자 분산액의 여과를 통해 막의 표면에 부착시키는 방법은 실행되었을 때 미립자에 의하여 막힌 포어들은 데드 스페이스가 되어 막의 투수량이 저하되는 문제가 있다.

이와 같이 종래기술에서는 비효율적인 방법에 의해 매크로 보이드를 제거하였으며, 따라서 간편하고 경제적으로 매크로 보이드를 제거하고 반영구적으로 사용이 가능한 여과막의 보수방법이 요구되는 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 에어로겔을 이용하여 효과적으로 여과막에 형성된 매크로 보이드의 제거함으로써 투수성의 저하없이 여과막의 제거율을 향상시키고, 간편하고 안전성이 높은 여과막의 보수방법을 제공하는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 하나의 양상은,

모듈화된 여과막을 에어로겔 분산액에 침지시키는 단계 및 흡인을 통하여 상기 여과막의 표면에 존재하는 매크로 보이드에 에어로겔을 부착시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 여과막의 보수방법에 관한 것이다.

본 발명에 따른 상기 여과막의 보수방법에서, 여과막은 비대칭 한외여과막 또는 정밀여과막인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 상기 여과막의 보수방법에서, 에어로겔은 직경이 2~5 ㎛ 인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따라 비대칭 한외여과막 또는 정밀여과막의 매크로 보이드를 제거한 모듈을 제조할 경우, 에어로겔이 매크로 보이드의 표면에 흡착하게 되어 안전 성이 높은 투과수를 얻게 되며, 이와 같은 에어로겔이 흡착된 막은 특히, 막결합형 활성슬러지법에 적용될 경우 제거율의 저하를 방지할 수 있고, 에어로겔의 포어를 이용하여 막의 투수량의 감소도 방지할 수 있는 효과가 있다.

이하에서는 실시예 등을 참조하여 본 발명에 대하여 더욱 상세하게 설명한다.

본 발명의 하나의 양상은, 모듈화 된 여과막을 에어로겔 분산액에 침지시킨 후 흡인을 통하여 상기 여과막의 표면에 존재하는 매크로 보이드에 직경이 2~5 ㎛ 인 에어로겔을 부착시키는 것을 특징으로 하는 여과막의 보수방법에 관한 것이다.

특히, 본 발명의 여과막 보수방법은, 상기 여과막이 비대칭 한외여과막 또는 정밀여과막인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 구현예에 따른 상기 여과막의 보수방법을 더욱 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

일반적으로, 여과막에는 여과막의 제조 공정 중 제조 공정상의 문제점으로 인하여 평균 포어 사이즈보다 훨씬 큰 매크로 보이드가 발생하기 쉽다. 또한 여과막의 취급 과정이나 운전 중에도 여과막에 흠집이 생기는 경우가 자주 발생하게 된다.

본 발명은 이러한 여과막에 형성된 매크로 보이드를 제거하는 방법에 관한 것으로서, 여과막에 평균 포어 사이즈를 훨씬 상회하는 매크로 보이드가 생겼을 때 에어로겔을 매크로 보이드에 채움으로써 막의 제거율 저하를 방지하고, 에어로겔의 포어들이 투수량 저하를 방지함으로써 특히 막분리 활성슬러지(MBR)법에 적용할 때 막의 성능 저하를 효과적으로 방지할 수 있는 여과막의 보수방법에 관한 것이다.

본 발명의 일 구현예에 따른 상기 보수방법은, 먼저 모듈화된 한외여과막 또는 정밀여과막을 에어로겔 분산액에 침지시킨 후, 흡인을 통하여 상기 여과막의 표면에 존재하는 매크로 보이드에 에어로겔을 부착시킨다.

상기 흡인은 진공펌프를 이용하여 진공도 660mmHg에서 수행되며, 이에 의하여 2~5 ㎛ 인 에어로겔들이 한외여과막 또는 정밀여과막의 표면에 존재하는 포어들에 흡착하게 되며, 상기 흡인 과정이 끝난 뒤에는 에어로겔보다 작은 포어들에 흡착된 에어로겔들은 떨어져 나가게 되고 에어로겔 크기보다 큰 매크로 보이드 표면에 흡착된 에어로겔만이 남아있게 된다.

본 발명에서 사용되는 비대칭 정밀여과막이나 한외여과막의 재질은 피처리수의 수질이나 용도에 따른 제거율과 투수량을 만족하는 범위내이면 특별히 한정되지는 않지만, 고분자로 이루어지는 여과막이 제거율과 투수량 등 여러 성능 측면에서 우수한 효과를 나타낸다. 이때 사용되는 고분자로는 반드시 이에 한정되는 것은 아니나, 폴리술폰(poly sulfone), 폴리에테르술폰(poly ether sulfone), 폴리비닐리덴디플루오라이드(polyvinylidene difluoride), 폴리아크릴로니트릴(poly acrylo nitrile), 폴리이미드(poly imide), 폴리에테르이미드(poly ether imide), 폴리테트라플루오르에틸렌(poly tetrafluoro ethylene), 폴리에테르에테르케톤(poly ether ether keton), 폴리에테르케톤(poly ether keton), 폴리메틸메드아크릴레이 트(poly methyl meth acrylate), 폴리에틸렌(poly ethylene), 폴리프로필렌(poly propylene), 폴리염화비닐(poly vinyl chloride)로 이루어진 군에서 선택된 고분자를 사용할 수 있다.

본 발명에서 사용된 에어로겔은 기공율이 90 % 이상이고, 비표면적이 수백 내지 1500 ㎡/g 정도인 투명한 고저밀도의 첨단소재이다. 이러한 다공성 에어로겔은 극저유전체, 촉매, 전극소재, 방음재 등의 분야에 응용이 가능하며, 특히 실리카 에어로겔은 높은 투광성과 낮은 열전도도 특성을 갖기 때문에 투명 단열재로의 높은 잠재력을 갖고 일을 뿐만 아니라, 냉장고, 자동차, 항공기 등에 사용될 수 있는 매우 효율적인 초단열재이다.

현재 상용화되는 에어로겔 제품은 에어로겔 전구체인 금속알콕사이드나 물유리를 원료로 졸-겔법에 의해 얻어지며, 초임계공정이나 상압공정의 건조과정을 거쳐 밀도가 0.003~020 g/㎤ 이며, 직경이 20nm이하의 기공을 가지는 물질이 된다. 현재 시중에서 파우더(powder), 비드(bead), 시트(sheet), 모노리스(monolith) 형태로 판매가 되고 있으며 이것을 가공한 응용제품이 생산되고 있다.

본 발명에서 사용가능한 에어로겔로는 파우더 형태의 제품을 사용하는 것이 바람직하다. 구체적으로 테트라에톡시실란, 테트라메톡시실란, 테트라-n-프로폭시실란, 알루미늄 이소프로폭사이드, 알루미늄-sec-부톡사이드, 세륨 이소프로폭사이드, 하르늄 tert-부톡사이드, 마그네슘 알루미늄 이소프로폭사이드, 이트륨 이소프로폭사이드, 티타늄 이소프로폭사이드 및 지르코늄 이소프로폭사이드로 구성되는 그룹으로부터 선택된 최소 일종이 단독으로 혹은 혼합하여 사용될 수 있다. 이중에 서, 테트라알콕시실란계의 물질들이 일반적으로 널리 사용되며, 특히, 바람직하게는 테트라에톡시실란(TEOS) 및/또는 테트라메톡시실란(TMOS)이 사용된다.

본 발명에서 일 구현예에 따른 여과막의 보수방법에 있어서, 상기 에어로겔 파우더는 입자 크기가 5~15 ㎛ 인 상용화된 제품을 구매한 후 제트 밀링(jet-milling) 등의 입자를 줄이는 공정을 이용하여 입자 크기를 2~5 ㎛ 정도로 줄여 사용하는 것이 바람직하다.

보다 구체적으로는, 2~5 ㎛ 정도인 에어로겔을 일정 크기의 조에 전체 분산액에 대하여 2 ~ 10 중량 % 까지 넣어 분산제와 함께 분산시킨 후 비대칭 한외여과막 또는 정밀여과막 모듈을 조에 침지시키고, 흡인을 통해 에어로겔을 매크로 보이드에 흡착시킨다. 이렇게 흡착된 에어로겔은 매크로 보이드를 막아 막의 제거율 저하를 방지하며 에어로겔이 가지고 있는 기공들은 또 다른 막의 역할을 하게 되어 투수량을 증가시킨다. 이때, 에어로겔의 양이 2 중량 % 미만이면 에어로겔을 통한 매크로 보이드 제거 효과가 미비하며, 10 중량 % 이상이면 응집, 침지하여 매크로 보이드 제거 효과가 떨어진다.

특히, 비대칭 한외여과막 또는 정밀여과막을 막분리 활성슬러지법에서 사용시에는 모래와 같은 무기물이나 오니 등의 고형물이 막에 충돌하거나, 활성슬러지에 산소 공급을 위해 행해지는 에어레이션(airation)에 의한 기포가 막에 충돌하여 막에 흠집을 낼 수 있다. 이렇게 생긴 흠집들은 막의 제거율을 저하시켜 문제를 일으킬 소지가 있다.

따라서, 본 발명의 일 구현예에 따른 여과막 보수방법을 이와 같은 막분리 활성슬러지법의 비대칭 한외여과막 및 정밀여과막에 적용할 경우 막의 제거율 저하를 막을 수 있으며, 투수량이 증가되어 우수한 성능 나타낼 수 있다.

이하 실시예 및 비교예를 들어 본 발명의 구현예들을 더욱 구체적으로 설명하나, 이는 설명의 목적을 위한 것으로서 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.

< 실시예 >

[실시예 1]

폴리비닐리덴플루오라이드를 이용하여 평막형 비대칭 정밀여과막을 제조하였다. 제조된 정밀여과막을 이용하여 평막모듈을 제작하고 에어로겔 2 중량%가 분산되어 있는 조에 모듈을 침지시키고, 진공펌프를 이용하여 진공도 660mmHg에서 흡인하여 비대칭 정밀여과막 모듈을 제조하였다. 상기 모듈을 이용한 물성 평가 및 여과성능 평가 결과를 하기 표1 내지 표3에 도시하였다.

[실시예 2]

5 중량%의 에어로겔을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 비대칭 정밀여과막 모듈을 제조하여, 물성 평가 및 여과성능 평가를 실시하였다.

[실시예 3]

10 중량%의 에어로겔을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 비대칭 정밀여과막 모듈을 제조하여, 물성 평가 및 여과성능 평가를 실시하였다.

< 비교예 >

[비교예 1]

에어로겔을 이용하여 보수하기 전의 실시예 1에서 제조된 평막형 비대칭 정밀여과막을 이용하여 물성 평가 및 여과성능 평가를 실시하였다.

[물성평가]

(1) 평균 포어 사이즈 측정

상기 실시예 1 내지 3 및 비교예 1에서 에어로겔을 흡인하기 전과 후의 여과막에 대하여 버블 포인트(bubble point) 측정법을 ASTM F316-03에 준하여 여과막의 평균 포어 사이즈를 측정하였다.

[표 1 ] (에어로겔 처리 전]

[표 2 ] (에어로겔 처리 후]

상기의 표 1에서 확인할 수 있는 바와 같이, 실시예 및 비교예에서 사용된 여과막의 평균 포어 사이즈와 최대 포어 사이즈는 큰 차이를 나타내지 않는다. 그러나 상기 표 2에서 보듯이 에어로겔을 처리한 후에는 최대 포어 사이즈가 에어로겔의 양이 증가할수록 감소하는 것을 확인할 수 있다.

(2) 여과성능

상기 실시예 1 내지 3 및 비교예 1에서 제조된 여과모듈의 막의 일부를 샘플링하여 초순수로 48시간 동안 순수투과속도와 용질배제율을 측정하기 위하여 초순수 및 초순수에 평균입경 0.5 ㎛의 폴리스타이렌비드(Sigma)를 1000ppm 분산시킨 용액을 원수로 하여 여과성능을 측정하였다. 상기 제조된 여과막을 원수와의 접촉면적 75 ㎠를 갖는 가압형 셀에 장착하여 20℃, 1기압 하에서 통수하였다. 투과성능은 초순수를 원수로 하였으며, 여과된 물의 부피를 측정하여 하기의 수학식 1에 의하여 순수투과속도를 계산하여 하기의 표 3에 나타내었다.

수학식 1.

또한, 여과성능 측정은 원수로 폴리스타이렌비드 분산액을 사용하였으며, UV 측정계(Optizen 2120 UV)를 사용하여 여과된 물의 폴리스타이렌비드 농도를 측정하 여 하기의 수학식 2에 의하여 용질배제율을 계산하여 하기의 표 3에 나타내었다.

수학식 2.

[표 3]

상기의 표 3에서 확인할 수 있는 바와 같이, 실시예 1 내지 3에서 보수된 여과막은 비교예 1과 비교하여 순수투과속도는 비슷하나 용질배제율은 증가한 것을 확인할 수 있다. 비교예에서 순수투과속도가 큰 것은 매크로 보이드의 영향으로 추측되며 실시예 3은 비교예에 비해 용질배제율이 크게 증가했음에도 순수투과속도에서는 큰 차이를 나타내지 않음을 알 수 있다.

이상에서 바람직한 실시예를 참고로 본 발명의 구현예들에 대해서 상세하게 설명하였으나, 이들은 단지 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

Claims (5)

1. 여과막을 보수하는 방법에 있어서, 상기 방법이

   (a) 모듈화된 여과막을 에어로겔 분산액에 침지시키는 단계; 및

   (b) 흡인을 통하여 상기 여과막의 표면에 존재하는 매크로보이드에 에어로겔을 부착시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 여과막의 보수방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 여과막은 비대칭 한외여과막 또는 정밀여과막인 것을 특징으로 하는 여과막의 보수방법.
3. 제 1항에 있어서, 상기 에어로겔은 직경이 2~5 ㎛ 인 것을 특징으로 하는 여과막의 보수방법.
4. 제 1항에 있어서, 상기 에어로겔의 함량은 전체 분산액에 대하여 2 내지 10 중량 %인 것을 특징으로 하는 여과막의 보수방법.
5. 제 1항에 있어서, 상기 에어로겔은 테트라에톡시실란, 테트라메톡시실란, 테트라-n-프로폭시실란, 알루미늄 이소프로록사이드, 알루미늄-sec-부톡사이드, 세륨 이소프로록사이드, 하르늄 tert-부톡사이드, 마그네슘 알루미늄 이소프로록사이드, 이트륨 이소프로록사이드, 티타늄 이소프로록사이드 및 지르코늄 이소프로록사이드로 구성되는 그룹으로부터 선택된 최소 일종 이상이 단독 혹은 혼합되어 사용되는 것을 특징으로 하는 여과막의 보수방법.