KR100340278B1

KR100340278B1 - 친수성 한외여과막을 이용한 수용성 합성 절삭유의 재이용 방법

Info

Publication number: KR100340278B1
Application number: KR1019990048727A
Authority: KR
Inventors: 김재진; 정건용; 전명석; 김종표
Original assignee: 박호군; 한국과학기술연구원
Priority date: 1999-11-05
Filing date: 1999-11-05
Publication date: 2002-06-12
Also published as: KR20010045435A

Abstract

본 발명은 수용성 합성 절삭유를 캐트리지형 전처리 여과기를 통과시켜 수용성 합성 절삭유 내에 존재하는 금속 또는 비금속 찌꺼기나 각종 부유물질 등을 제거한 후, 친수성 고분자 한외여과막 (ultrafiltration membrane) 또는 세라믹, 스테인레스강 등의 무기 정밀여과막 (microfiltration membrane)을 사용하여 절삭유내에 존재하는 이물질 및 미생물을 분리, 제거하여 투과된 절삭유를 재사용하는 방법에 관한 것이다.

본 발명의 방법에 의하면 친수성 한외여과 분리막 또는 세라믹, 스테인레스강 등의 정밀여과 분리막으로 금속 또는 비금속 절삭 가공 공정에서 발생하는 수용성 합성 절삭유를 처리하여 공정에 재사용할 수 있으므로 수용성 합성 절삭유의 사용량을 최소화할 수 있음은 물론 폐기되는 절삭유의 양을 급감시킬 수 있으며, 또한 주기적으로 분리막을 역세척하여 막표면에 형성되는 농도 분극 (concentration polarization) 및 막의 기공 막힘현상(fouling)을 줄일 수 있으므로 투과 성능을 향상시켜 경제적이면서 효율적인 수용성 합성 절삭유의 처리가 가능하다.

Description

친수성 한외여과막을 이용한 수용성 합성 절삭유의 재이용 방법 {Recycling Method of Water-Based Synthetic Metal Working Fluids Using Hydrophilic Ultrafiltration Membranes}

본 발명은 금속 또는 비금속 절삭 가공시 발생하는 열을 제거하고 가공면에 윤활성을 주기 위해 사용하는 수용성 합성 절삭유를 친수성 한외여과 고분자막 또는 정밀여과 무기막으로 처리하여 분리막을 투과한 절삭유를 절삭 공정에 재사용하거나 절삭유 내의 특정 성분을 회수하여 절삭 공정에 재사용하므로써 폐절삭유의 배수량을 최소화할 수 있는 방법에 관한 것이다.

보다 구체적으로, 본 발명은 수용성 합성 절삭유 내에 존재하는 금속 또는 비금속 찌꺼기나 각종 부유 물질 등을 제거하기 위하여 캐트리지형 전처리 여과기를 통과시킨 후, 친수성 한외여과막 또는 세라믹, 스테인레스강 등의 정밀여과 무기막을 사용하여 수용성 합성 절삭유를 모두 통과시키거나, 또는 절삭유내에 존재하는 계면활성제 및 절삭유 첨가제 등 일부 유효 성분은 선택적으로 통과시키고, 외부로부터 유입된 이물질 및 미생물 또는 입자가 큰 에멀젼은 제거하여 투과된 절삭유를 재사용하는 것을 포함하는, 수용성 합성 절삭유의 재이용 방법에 관한 것이다.

수용성 합성 절삭유는 금속 또는 비금속 가공 공정에서 매우 중요한 역할을 한다. 수용성 합성 절삭유는 가장 진보된 절삭유종의 하나로 합성 절삭유 내에 광유가 존재하지 않아 계면활성제에 의한 에멀젼의 형성이 일어나지 않으므로 입자의 크기가 매우 작고 따라서 광유를 포함하는 절삭유에 비해 안정하다. 합성 절삭유 내에 존재하는 여러 첨가제는 금속 가공 표면에서 윤활제로 작용하고 물은 금속 가공시 발생하는 열을 제거하는 냉매로서 작용하며 계면활성제는 안정화제 및 부식방지제의 역할을 한다. 그러나 수용성 합성 절삭유를 사용하는 회수가 길어짐에 따라 외부로부터 각종 이물질이 유입되고 미생물이 번식하게 되며 또한 유입된 기름 입자에 의해 응집하여 절삭유의 효율이 저하되므로 절삭유를 교환하여야 하며 이때 사용된 절삭유에는 각종 화학 성분과 유분 및 계면활성제 등이 함유되어 있어 추가의 처리가 필수적이다.

통상적으로, 유분을 다량 함유한 절삭폐액의 처리는 물리적 방법으로 유분과 물의 비중 차이를 이용한 유수분리법, 화학약품인 응집침전제를 첨가하여 슬러지화하는 방법, 생물학적 활성오니 처리법 등이 있다. 그러나, 방류 기준을 만족시키기 위해서는 2차 처리가 필요하고 또한 유효 성분의 회수가 불가능하며 에멀젼을 깨뜨려야 하는 등 처리 공정상의 문제점이 있다.

따라서, 본 발명자들은 상기의 문제점을 해결하고 수용성 합성 절삭유의 재사용을 위하여 분리막 공정을 도입함으로써 절삭유의 사용주기를 연장시키고 또한 배출되는 절삭폐액을 최소화하여 경제적이고 환경 친화적인 방법을 제안하는데 있다.

본 발명의 목적은 상기 종래 기술의 문제점을 해결하고 수용성 합성 절삭유를 재사용할 수 있도록 한외여과 분리막 또는 정밀여과 분리막을 이용한 공정을 도입함으로써 수용성 합성 절삭유의 사용 주기를 연장시키고 또한 절삭유를 부패시키는 각종 미생물을 제거함으로써 방부제의 사용량을 제한하여 경제적이고 환경 친화적인 방법을 제안하는 것이다.

도 1은 본 발명에서 제작하여 사용한 분리막 시스템을 도식적으로 나타낸 도면.

도 2는 수용성 합성 절삭유인 호컷 (Hocut) 763New(한국 하우톤사) 3 중량%를 도 1의 분리막 시스템으로 분리할 경우, 일정 운전 압력에서 운전 시간에 따른 막 투과 유속을 질소 역세척을 실시할 경우와 질소 역세척을 실시하지 않을 경우를 비교하여 나타낸 도면.

도 3은 수용성 합성 절삭유인 호컷 763New 1 중량%를 도 1의 분리막 시스템으로 분리할 경우, 운전 압력에 따른 막 투과 유속 및 절삭유 투과 백분율을 나타낸 도면.

도 4는 수용성 합성 절삭유인 호컷 763New 3 중량%를 금속 절삭 공정에 사용 중인 것을 채취하여 도 1의 분리막 시스템으로 분리할 경우, 일정 운전 압력에서 운전 시간에 따른 수용성 합성 절삭유 농축비와 막 투과 유속을 나타낸 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

11: 원수 (금속 또는 비금속 절삭 공정에서 발생한 수용성 합성 절삭유)

12: 원수 공급조

13: 공급 펌프

14: 전처리 여과기

15: 분리막 모듈

16: 투과수

17: 농축수

18: 압력 질소

19: 분리막 우회관 (by-pass)

20: 배수

V1, V2: 운전 압력 및 유량 조정 밸브

V3: 투과수 배출 솔레노이드 우회 밸브

V4: 배수 밸브

SV1: 역세척 솔레노이드 밸브

SV2: 투과수 배출 솔레노이드 밸브

SV3: 분리막 우회 솔레노이드 밸브

F11: 분리막 유입수 유량계

F12: 투과수 유량계

PG1: 분리막 입구부 압력계

PG2: 분리막 출구부 압력계

PG3: 역세척 및 투과수부 압력계

이와 같은 본 발명의 목적은 한외여과 분리막 또는 정밀여과 분리막을 이용한 수용성 합성 절삭유의 재이용 방법에 의해 달성된다.

따라서, 본 발명의 목적은 수용성 합성 절삭유를 캐트리지형 전처리 여과기를 통과시켜 조립질을 제거한 후, 친수성 한외여과 분리막 또는 세라믹, 스테인레스강 등의 무기 정밀여과막을 사용하여 각종 오염 물질들을 분리, 제거하여 투과된 절삭유를 재사용하는 것을 포함하는, 수용성 합성 절삭유의 재이용 방법에 관한 것이다.

본 발명의 방법에서 처리될 수 있는 수용성 합성 절삭유는 금속 또는 비금속 절삭 가공으로부터 유입되는 각종 이물질 및 합성 절삭유를 부패시키는 미생물 등이 함유된 절삭 가공시 사용중인 용액 또는 사용 후 폐기된 용액 등이다.

특히, 본 발명의 방법에서 처리되는 수용성 합성 절삭유는 물에 1 내지 5 중량% 함유되어 있는 것들이다.

본 발명에서 한외여과막으로서 사용될 수 있는 폴리아크릴로니트릴 공중합체는 분획분자량(molecular weight cut-off)이 10,000 내지 100,000 돌턴인 것이 바람직하다. 또한, 한외여과막의 직경은 1.1 mm의 중공사형 분리막으로, 막 모듈의 직경은 2.5 cm, 길이는 26 cm의 것이 바람직하게 사용될 수 있다.

본 발명에 사용될 수 있는 세라믹 및 스테인레스강 정밀여과막은 기공 크기가 0.1 내지 0.5 ㎛인 것이 바람직하며, 내경이 9.1 mm, 외경이 12.2 mm인 관형막으로 길이가 40 cm 정도의 것이 바람직하게 사용될 수 있다.

또한, 본 발명은 투과 시간에 따른 투과 유속 감소를 억제하기 위하여 질소 또는 공기 등의 기체로 역세척을 실시하는 것을 더 포함하는 것인 수용성 합성 절삭유의 재이용 방법에 관한 것이다.

본 발명의 수용성 합성 절삭유의 재이용 방법에는 도 1에 도시된 바와 같은 연속식 분리막 시스템이 사용된다.

본 발명의 연속식 분리막 시스템에서 절삭 공정으로부터 유입되는 수용성 합성 절삭유(11)는 공급조(12)에 저장되며 공급 펌프(13)에 의해 분리막 전처리 여과기(14)로 이동되며 여기에서 금속 또는 비금속 찌꺼기나 각종 부유 물질 등 크기가 큰 이물질이 제거된다. 그 후 오염물질을 함유한 수용성 합성 절삭유는 한외여과 또는 정밀여과 분리막 모듈(15)로 유입되어 이물질이나 미생물 및 입자가 큰 에멀젼이 제거되고 분리막을 통과한 투과수(16)는 절삭 공정으로 순환되어 재사용되거나 절삭유 제조 공정으로 순환된다. 분리막에서 농축된 성분(17)은 공급조(12)로 재순환되어 농축시킨 후 배출수(20)로 공급조에서 제거된다. 분리막 모듈에 유입되는 유량을 측정할 수 있도록 유량계(FI1)를 설치하였으며 분리막 입구 및 출구부에 각각 압력계(PG1, PG2)를 설치하여 분리막 내에서의 압력차를 측정하며 분리막 투과수 부분에도 압력계(PG3)를 설치하여 막투과 압력 및 역세척 압력을 측정한다. 또한 절삭유로부터 제거된 입자들이 분리막 표면에 축적되는 이른바 농도 분극화 현상을 감소시키기 위하여 압력 질소 또는 공기에 의한 역세척 장치를 설치한다. 이 역세척 장치에는 투과액 배출구와 질소 투입구에 각각 솔레노이드 밸브(SV1, SV2)를 설치하며 막 투과 압력에 관계없이 역세척 동안 막내부 압력을 일정하게 유지시키도록 분리막 우회관에도 솔레노이드 밸브(SV3)를 장착한다. 이상 세 개의 솔레노이드 밸브는 모두 하나의 시간 제어계 (time controller)에 연결되어 밸브의 열림과 닫힘이 동시에 작동되도록 한다.

본 발명에 따라 재생되는 수용성 합성 절삭유의 허용 기준은 현재 국내에 금속 가공유 및 수용성 세척제 용액을 공급하는 한국 하우톤사의 3 중량% 수용성 합성 절삭유 관리 기준을 적용하는데, 표 1에 그 기준값을 나타낸다.

항목	3 중량% 수용성 합성 절삭유의 관리기준
브릭스 (Brix) 농도 (%)	7.0 이상
pH	9.7 - 10.4
전알칼리도 (% KOH)	2 이상
표면장력 (dyne/cm)	38 이하
마찰계수	0.330 이하
방청성 (hr)	24 이상

이하, 실시예를 들어 본 발명을 좀 더 상세하게 설명하지만, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.

<실시예 1>

도 1의 분리막 시스템에 폴리아크릴로니트릴 한외여과 분리막 모듈을 장착하고 수용성 합성 절삭유인 호컷 763New(한국 하우톤사) 3.0 중량%를 이용하여 절삭유 투과 유속 및 투과율을 측정하였으며, 특히 운전압력 2.0 기압에서의 운전 결과를 도 2에 나타내었다. 여기에서 절삭유 투과율은 탁도계(HACH 2100N)를 이용하여측정하였다. 투과 유속은 운전시간이 경과함에 따라 감소하는 형태를 보였으나 질소에 의한 역세척을 병행할 경우 투과 유속의 회복이 있었으며 이 경우 절삭유 투과율은 85% 이상이었으며 표 1의 관리 기준을 충족하였다.

<실시예 2>

도 1의 분리막 시스템에 기공 크기 0.1 ㎛인 세라믹막을 장착하고 수용성 합성 절삭유인 호컷 763New 1.0 중량%를 이용하여 운전 압력에 대한 투과 유속 및 수용성 합성 절삭유의 투과율을 측정하여 도 3에 나타내었다. 운전 압력이 증가함에 따라 투과 유속은 선형적으로 증가하였으며 합성 절삭유의 투과율은 80%까지 증가 후 일정하였으며 낮은 압력에서 절삭유 투과율이 적지만 표 1의 관리 기준을 벗어나지는 않았다.

<실시예 3>

도 1의 분리막 시스템에 평균 기공 크기 0.2 ㎛인 스테인레스강 정밀여과막을 장착하고 수용성 절삭유인 호컷 763New 3.0 중량%를 이용하여 실시예 2의 방법으로 절삭유를 분리하였으며 운전결과를 표 2에 나타내었다.

운전압력(kgf/㎠)	투과 유속(l/㎡-hr)	합성 절삭유 투과율(%)
1.0	2100	65
1.7	3150	72
1.9	3700	80
2.5	4900	85

<실시예 4>

도 1의 분리막 시스템에 분획분자량 50,000 돌턴의 폴리아크릴로니트릴 공중합체 한외여과막을 장착하고 절삭 공정에 사용중인 수용성 절삭유인 호컷 763New 3.0 중량%를 이용하여 운전 압력 0.4 기압에서 수용성 합성 절삭유를 분리하여 운전 시간에 대한 농축비 및 투과 유속을 측정하여 도 4에 나타내었다. 막을 투과한 합성 절삭유의 절삭 성능 관련항목을 분석하여 표 3에 나타내었다.

농축비항목	1.08	1.17	1.29	1.44	1.85	2.55	4.17	7.27
브릭스(Brix) 농도	7.7	7.7	7.6	7.7	7.7	7.6	7.7	7.7
pH	9.9	9.9	9.9	10.0	10.0	10.0	10.0	10.0
전알칼리도 (% KOH)	2.14	2.17	2.16	2.21	2.13	2.16	2.15	2.19
표면장력 (dyne/㎝)	31.7	32.3	32.0	33.0	32.6	32.9	32.7	32.7
마찰 계수	0.291	0.286	0.279	0.281	0.292	0.290	0.284	0.280
방청성 (hr)	48	48	48	48	48	48	48	48

<실시예 5>

수용성 절삭유인 호컷 763New 3.0 중량%로 절삭 공정을 거친 후 폐기된 용액을 실시예 4의 방법에 따라 수용성 합성 절삭유를 분리하였으며 그 결과를 표 4에 나타내었다. 2상 적정법(Two-phase titration)에 의해 절삭유 투과율을 측정한 결과 약 60%의 투과율을 보였다.

운전시간(초)	투과 유속(l/㎡-hr)
60	93
600	55
1200	50
1800	47
2100	45
3000	41

<비교 실시예 1>

분획분자량이 100,000 돌턴의 소수성 폴리설폰 공중합체 한외여과막을 도 1의 분리막 시스템에 장착하고 수용성 합성 절삭유인 호컷 763New 3.0 중량%를 이용하여 실시예 1의 방법으로 절삭유를 분리하였으나 분리막 오염이 심각하게 발생하였으며 그 결과 막투과 유속이 상기 실시예들에서와 같은 결과를 얻을 수 없었다.

본 발명의 방법에 따라, 수용성 합성 절삭유를 재사용할 수 있으므로 수용성 합성 절삭유의 사용량을 최소화할 수 있음은 물론 합성 절삭유를 부패시키는 각종 미생물을 제거할 수 있으므로 합성 절삭유의 사용 수명을 연장시킬 수 있고 폐기되는 수용성 합성 절삭유의 양을 급감시켜 이의 처리비용을 줄일 수 있다.

또한 주기적으로 분리막을 역세척하여 막의 기공 막힘현상을 줄일 수 있으므로 투과성능을 향상시켜 경제적이면서 효율적인 수용성 합성 절삭유의 처리가 가능하다.

Claims

수용성 합성 절삭유를 캐트리지형 전처리 여과기를 통과시켜 조립질을 제거한 후, 폴리아크릴로니트릴(PAN) 공중합체 등의 친수성 한외여과 분리막을 사용하여 각종 오염 물질들을 분리, 제거하여 투과된 절삭유를 재사용하는 것을 포함하는, 수용성 합성 절삭유의 재이용 방법.
제1항에 있어서, 운전압력이 0.4 내지 5 기압인 방법.
제1항에 있어서, 수용성 합성 절삭유는 금속 또는 비금속 절삭 공정에 사용 중인 용액 또는 사용 후 폐기된 용액으로서, 물에 1 내지 5 중량% 함유되어 있는 것인 방법.
제1항에 있어서, 수용성 합성 절삭유 내에는 금속 또는 비금속 절삭 가공 공정시 유입된 각종 이물질 및 금속 또는 비금속 찌꺼기가 존재하는 것인 방법.
제1항에 있어서, 수용성 합성 절삭유 내에는 합성 절삭유를 부패시킬 수 있는 각종 미생물이 존재하는 것인 방법.
제1항에 있어서, 폴리아크릴로니트릴(PAN) 공중합체의 분획분자량이 10,000 내지 100,000 돌턴인 방법.
삭제
제1항에 있어서, 투과 시간에 따른 투과 유속 감소를 억제하기 위하여 질소 또는 공기 등의 기체로 역세척을 실시하는 것을 더 포함하는 것인 방법.