KR20190140270A

KR20190140270A - 이소프로필알코올 함유 폐수로부터 이소프로필알코올의 농축 및 폐수처리를 위한 증기투과막 분리공정

Info

Publication number: KR20190140270A
Application number: KR1020180066847A
Authority: KR
Inventors: 이성수; 임채성; 김형태; 심재훈; 하성용; 이충섭
Original assignee: 주식회사 에너엔비텍; (주)에어레인
Priority date: 2018-06-11
Filing date: 2018-06-11
Publication date: 2019-12-19

Abstract

본 발명은 이소프로필알코올이 함유된 폐수로부터 탈수하여 이소프로필알코올을 농축하는 동시에, 폐수를 처리할 수 있는 증기투과막 분리공정에 관한 것이다.
본 발명의 증기투과막 분리공정에 따르면, IPA 함유 폐수로부터 탈수 및 IPA를 선택적으로 분리함으로써 90.0~99.9 중량%까지 IPA를 고농도로 농축하여 재활용 할 수 있고, 동시에 0.5 중량% 이하의 낮은 농도의 IPA 함유 폐수는 별도의 희석 없이 기존의 폐수처리장에서 그대로 처리할 수 있다.

Description

이소프로필알코올 함유 폐수로부터 이소프로필알코올의 농축 및 폐수처리를 위한 증기투과막 분리공정{Vapor permeation membrane separation process for concentration of isopropyl alcohlol and treatment of wastewater from isopropyl alcohol-containing wastewater}

본 발명은 이소프로필알코올 함유 폐수로부터 이소프로필알코올의 농축 및 폐수처리를 위한 증기투과막 분리공정에 관한 것으로, 보다 상세하게는 이소프로필알코올이 함유된 폐수로부터 탈수하여 이소프로필알코올을 농축하는 동시에, 폐수를 처리할 수 있는 증기투과막 분리공정에 관한 것이다.

이소프로필알코올(IPA)은 산업현장 특히, 반도체 제조공정, LCD 제조공정 등에서 세정용액으로 많이 사용하며, 그 사용된 세정폐수에는 일반적으로 5~15 중량%의 IPA가 함유되어 있다. 이렇게 발생된 폐수는 유기화합물, 그 중에서도 알코올의 회수라는 측면에서 보면, IPA의 농도가 매우 낮아 통상의 증류공정을 이용하여 분리농축시 경제성이 없으므로 현재는 전량 폐수처리 하는 문제점이 있다.

한편으로, 이러한 IPA 함유 폐수는 폐수처리라는 측면에서 보면, IPA의 농도가 너무 높아 물로 희석하여 IPA의 농도를 1% 이하로 낮추어 폐수처리를 하는 또 다른 문제점이 상존한다.

또한, 분리막 공정에 의하여 알코올/물의 혼합용액으로부터 알코올을 농축하는 선행연구들이 있었으나, 이들은 투과증발막(pervaporation membrane) 분리공정을 이용하는 것이거나, 투과증발막 분리공정과 역삼투막(reverse osmosis membrane) 분리공정을 병합한 것 등으로서, 아직까지 증기투과막(vapor permeation membrane) 분리공정을 이용하여 IPA 함유 폐수로부터 IPA를 90.0~99.9 중량% 범위까지 고농도로 농축하는 방법에 대해서는 공지된바 없다.

따라서 본 발명자는, 농축하여 재활용하거나 또는 폐수처리하기에 적합하지 않은 농도의 IPA 함유 폐수로부터 증기투과막 분리공정을 이용하여 탈수, 및 IPA를 고농도로 농축하고, 투과된 잔류폐수는 폐수처리에 적정한 농도로 분리되기 때문에, 전량 폐수처리 하였던 IPA 함유 폐수로부터 IPA를 선택적으로 분리 및 농축하여 재활용할 수 있고, 아울러 낮은 농도의 IPA 함유 폐수는 별도의 희석 없이 기존의 폐수처리장에서 그대로 처리할 수 있음에 착안하여 본 발명에 이르렀다.

특허문헌 1 공개특허공보 제10-2011-0083077호 특허문헌 2 공개특허공보 제10-2015-0040455호

본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 IPA 함유 폐수로부터 IPA를 선택적으로 분리, 90.0~99.9 중량%까지 IPA를 고농도로 농축하여 재활용할 수 있고, 동시에 0.5 중량% 이하의 낮은 농도의 IPA 함유 폐수는 별도의 희석 없이 기존의 폐수처리장에서 그대로 처리할 수 있는 증기투과막 분리공정을 제공하고자 하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 이소프로필알코올(IPA) 함유 폐수로부터 증기투과막에 의하여 수분을 탈수, 및 IPA를 90.0~99.9 중량%의 고농도로 농축하는 것을 특징으로 하는 증기투과막 분리공정을 제공한다.

상기 증기투과막 분리공정은 (I) 히터를 통해 가열된 N₂가스를 증기투과막에 공급하여 퍼지하는 단계; (II) 승온된 IPA 함유 폐수를 히터를 통해 기화하는 단계; (III) 기화된 IPA 함유 폐수를 증기투과막모듈에 공급하는 단계; (IV) 스윕 가스에 의해 탈수되어 농축분리된 분리막 내측의 IPA 증기를 액체상으로 응축하는 단계; 및 (V) 응축된 IPA를 농축용액 탱크로 이송하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 승온 및 기화된 IPA 함유 폐수는 히터에 의하여 100~120℃로 유지된 것을 특징으로 한다.

상기 증기투과막모듈을 통해 농축용액으로 회수되는 IPA의 농도는 공급하는 IPA 함유 폐수 농도의 3배 이상인 것을 특징으로 한다.

상기 (IV) 단계에서 탈수된 수분이 투과되어 저장된 투과용액의 IPA 농도는 0.5% 중량 이하인 것을 특징으로 한다.

상기 증기투과막의 소재는 폴리술폰, 폴리에테르술폰, 폴리이미드 및 폴리에테르이미드로 이루어진 군으로부터 선택된 것을 특징으로 한다.

본 발명의 증기투과막 분리공정에 따르면, IPA 함유 폐수로부터 탈수 및 IPA를 선택적으로 분리함으로써 90.0~99.9 중량%까지 IPA를 고농도로 농축하여 재활용 할 수 있고, 동시에 0.5 중량% 이하의 낮은 농도의 IPA 함유 폐수는 별도의 희석 없이 기존의 폐수처리장에서 그대로 처리할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따라 IPA 함유 폐수로부터 IPA를 선택적으로 분리 및 농축하는 증기투과막 분리공정도를 나타낸 블록 다이어그램.

이하에서는 본 발명에 따라 IPA 함유 폐수로부터 IPA를 90.0~99.9 중량%까지 농축하고, 동시에 IPA 농도를 폐수처리에 적정한 농도로 분리하는 증기투과막 분리공정에 관하여 첨부된 도면과 함께 상세히 설명하기로 한다.

본 발명은 IPA 함유 폐수로부터 증기투과막에 의하여 수분을 탈수, 및 IPA를 90.0~99.9 중량%의 고농도로 농축하는 것을 특징으로 하는 증기투과막 분리공정을 제공하는데, 상기 증기투과막 분리공정은 (I) 히터를 통해 가열된 N₂가스를 증기투과막에 공급하여 퍼지하는 단계; (II) 승온된 IPA 함유 폐수를 히터를 통해 기화하는 단계; (III) 기화된 IPA 함유 폐수를 증기투과막모듈에 공급하는 단계; (IV) 스윕 가스에 의해 탈수되어 농축분리된 분리막 내측의 IPA 증기를 액체상으로 응축하는 단계; 및 (V) 응축된 IPA를 농축용액 탱크로 이송하는 단계;를 포함한다.

도 1에는 본 발명에 따라 IPA 함유 폐수로부터 IPA를 선택적으로 분리 및 농축하는 증기투과막 분리공정도를 블록 다이어그램으로 나타내었는바, 도 1에 나타낸 공정도를 바탕으로 본 발명의 일 구현예를 설명하기로 한다.

먼저, N₂가스발생기 또는 N₂가스탱크와 같은 N₂ 가스 공급장치(210)로부터 유량제어기(220)에 의해 일정량의 N₂가스가 공급되며, 히터(140)및 슈퍼히터(150)와 같은 통상의 가열수단에 의해서 고온의 N₂가스가 증기투과막모듈(160)에 공급되어 증기투과막 내부를 퍼지하고 동시에 증기투과막의 온도를 높인다. 퍼지 단계 이후, IPA 용액 탱크(100)에 이송 및 저장된 IPA 함유 폐수는 IPA 용액 공급펌프(110), 용액필터(120) 및 IPA 용액 유량계(130)를 순차적으로 거치면서 히터(140) 및 슈퍼히터(150)와 같은 통상의 가열수단에 의해서 공급된 IPA 용액은 승온 및 기화과정을 거친다.

이때, IPA 용액의 온도가 100℃미만이면 IPA 용액의 기화가 어려워 증기투과막모듈의 투과량이 너무 작아지고, IPA 용액의 온도가 120℃를 초과하면 에너지 소모가 너무 커지므로, IPA 용액(승온 및 기화된 IPA 함유 폐수)은 히터(140)와 슈퍼히터(150)에 의하여 승온 및 기화시켜 100~120℃로 유지하는 것이 바람직하다.

이어서 100~120℃로 승온 및 기화된 IPA 용액은 증기투과막모듈(160)에 공급되고, 이렇게 공급된 IPA 함유 폐수 증기 내 수분은 증기투과막을 통하여 확산되어 증기상으로 투과하는 메커니즘을 갖는다. 이러한 메커니즘은 증기투과막모듈(160)의 일단이 IPA 공급 폐수 및 기화된 IPA 공급 증기와 접하고 있고, 다른 일단이 낮은 투과물의 증기압과 접하고 있는데, 낮은 증기압 조건은 진공을 걸어 주거나 불활성 담체가스를 흐르게 하여 만들 수 있는바, 일반적으로 증기투과막 내부에 증기투과막분리공정의 추진력(driving force)인 화학적 포텐셜의 구배가 발생하여 막을 통한 물질의 투과가 이루어지는 것이므로, 본 발명에서는 증기투과막 분리공정의 추진력을 유지하기 위하여 진공펌프(200)를 사용함으로써 투과부에 진공이 유지되도록 한다.

기화된 IPA 함유 폐수가 증기투과막모듈에(160)공급될 즈음, 동시에 N₂ 가스 공급장치(210)로부터 공급된 N₂가스는 유량제어기(220)와 히터(230)를 거쳐 증기투과막모듈(160)에 공급되며 증기투과막 외부의 투과 증기를 스윕한다. 이때, 수분과 분리되어 농축된 IPA 증기는 응축기(240)에서 열교환 되어 기체 상태에서 액체 상태로 응축되어 농축용액 유량계(250)를 거쳐 농축용액 탱크(260)로 이송되어 저장된다. 상기 증기투과막 분리공정을 통하여 얻어지는 IPA 용액은 90.0~99.9 중량%까지 고농도로 농축되므로 재생 IPA 제품으로 재활용할 수 있는바, 상기 증기투과막모듈(160)을 통해 농축용액으로 회수되는 IPA의 농도는 공급하는 IPA 함유 폐수 농도의 3배 이상일 수 있다.

한편, 증기투과막모듈(160)에 의해 IPA와 분리되어 탈수된 수분은 응축기(170)를 통해 열교환 되어 액체 상태에서 투과용액 유량계(180)를 거쳐 투과용액 탱크(190)에 이송되어 저장된다. 이때, 투과되어 저장된 투과용액의 IPA 농도는 0.5% 중량 이하이므로 기존 폐수처리장에서 그대로 처리가 가능하다.

또한, 상기 증기투과막의 소재는 폴리술폰, 폴리에테르술폰, 폴리이미드 및 폴리에테르이미드로 이루어진 군으로부터 선택된 것일 수 있다.

이하 구체적인 실시예를 상세히 설명한다.

(실시예 1)

IPA 함유 폐수의 IPA 농도를 30 중량%, 공급유량을 1 LPH(liter per hour)로 고정하고, 공급용액의 온도를 각각 100℃, 105℃, 110℃, 115℃ 및 120℃로 변화시켜 도 1에 나타낸 바와 같이 증기투과막 분리공정을 수행하였고, 표 1에 증기투과막 분리공정에 의한 공급용액의 온도에 따른 농축용액의 IPA 농도와 투과유량을 나타내었다.

공급 IPA 함유 폐수 온도(℃)	농축용액의 IPA 농도(중량%)	투과유량(농축 IPA) (kg/m²hr)
100	90.0	1.1
105	93.8	1.7
110	98.7	1.7
115	98.9	1.2
120	99.9	1.3

(실시예 2)

공급용액의 온도를 115℃, 공급유량을 3 LPH로 고정하고, IPA 함유 폐수의 IPA 농도를 60 중량%, 70 중량%, 80 중량%로 변화시켜 도 1에 나타낸 바와 같이 증기투과막 분리공정을 수행하였고, 표 2에 증기투과막 분리공정에 의한 공급용액의 IPA 농도에 따른 농축용액의 IPA 농도와 투과유량을 나타내었다.

공급용액 IPA 농도 (중량%)	농축용액 IPA 농도 (중량%)	투과용액(투과수) IPA 농도 (중량%)	투과유량(농축 IPA) (kg/m²hr)
60	98.83	0.2	0.94
70	99.20	0.2	0.64
80	99.59	0.2	0.41

표 1 및 2에서 보는 바와 같이, 본 발명의 실시예 1, 2에 따른 증기투과막 분리공정에 의하면, 공급용액의 온도가 100~120℃일 때, IPA 함유 폐수로부터 농축된 IPA의 농도는 90.0~99.9 중량%까지 고농도를 나타내어 IPA를 재활용 할 수 있음을 확인하였으며, 또한 공급용액의 IPA 농도가 높을수록 농축용액의 IPA 농도가 증가하고 투과유량이 감소함을 알 수 있다. 한편, 공급용액의 IPA 농도에 상관없이 어느 경우에서나 투과용액의 IPA 농도가 0.2 중량%에 불과하므로 투과용액(투과수)을 그대로 폐수처리장으로 이송하여 폐수처리 할 수 있음도 확인하였다.

따라서 본 발명의 증기투과막 분리공정에 따르면, IPA 함유 폐수로부터 탈수 및 IPA를 선택적으로 분리함으로써 90.0~99.9 중량%까지 IPA를 고농도로 농축하여 재활용 할 수 있고, 동시에 0.5 중량% 이하의 낮은 농도의 IPA 함유 폐수는 별도의 희석 없이 기존의 폐수처리장에서 그대로 처리할 수 있다.

Claims

이소프로필알코올(IPA) 함유 폐수로부터 증기투과막에 의하여 수분을 탈수, 및 IPA를 90.0~99.9 중량%의 고농도로 농축하는 것을 특징으로 하는 증기투과막 분리공정.
제1항에 있어서, 상기 증기투과막 분리공정은 (I) 히터를 통해 가열된 N₂가스를 증기투과막에 공급하여 퍼지하는 단계; (II) 승온된 IPA 함유 폐수를 히터를 통해 기화하는 단계; (III) 기화된 IPA 함유 폐수를 증기투과막모듈에 공급하는 단계; (IV) 스윕 가스에 의해 탈수되어 농축분리된 분리막 내측의 IPA 증기를 액체상으로 응축하는 단계; 및 (V) 응축된 IPA를 농축용액 탱크로 이송하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 증기투과막 분리공정.
제2항에 있어서, 상기 승온 및 기화된 IPA 함유 폐수는 히터에 의하여 100~120℃로 유지된 것을 특징으로 하는 증기투과막 분리공정.
제2항에 있어서, 상기 증기투과막모듈을 통해 농축용액으로 회수되는 IPA의 농도는 공급하는 IPA 함유 폐수 농도의 3배 이상인 것을 특징으로 하는 증기투과막 분리공정.
제2항에 있어서, 상기 (IV) 단계에서 탈수된 수분이 투과되어 저장된 투과용액의 IPA 농도는 0.5% 중량 이하인 것을 특징으로 하는 증기투과막 분리공정.
제2항에 있어서, 상기 증기투과막의 소재는 폴리술폰, 폴리에테르술폰, 폴리이미드 및 폴리에테르이미드로 이루어진 군으로부터 선택된 것을 특징으로 하는 증기투과막 분리공정.