KR100734764B1

KR100734764B1 - 개선된 막 여과방법

Info

Publication number: KR100734764B1
Application number: KR1020027007269A
Authority: KR
Inventors: 랑글레크리스텔
Original assignee: 드그레몽
Priority date: 1999-12-09
Filing date: 2000-10-26
Publication date: 2007-07-06
Also published as: FR2802117B1; RU2002118212A; CN1257006C; WO2001041906A1; DE60006858T2; EP1239943A1; MA25511A1; CA2393441C; RU2222371C1; CA2393441A1; FR2802117A1; IL149668A0; MXPA02005219A; DE60006858D1; AU768271B2; BR0016248B1; TR200201493T2; DE1239943T1; NZ519287A; KR20020062957A

Abstract

본 발명은 현탁된 물질을 함유하는 유출물, 특히 물의 막 여과, 특히 정밀여과, 한외여과, 나노여과 또는 과여과에 대한 개선방법에 관한 것이다. 개선 목적은 막의 막힘을 감소시키고 여과능을 개선시키기 위함이다. 개선은 막에 통과시키기 전에 유출물에 특정량의 응고 반응제를 가함을 특징으로 하며, 이러한 응고 반응제는 현탁액 중의 콜로이드성 물질을 탈안정화시킨다. 첨가량은 제타 포텐셜(Zeta potential)을 보상하는 양의 30 내지 80배 미만이다.

막 여과, 정밀여과, 한외여과, 나노여과, 과여과, 유출물, 제타 포텐셜, 응고 반응제, 총 유기 탄소 함량, 생활 폐수, 표면 생수.

Description

개선된 막 여과방법{Improved method for membrane filtration}

본 발명은 막의 막힘을 감소시키거나 방지하고 막의 여과능을 개선시키기 위한 현탁된 물질을 함유하는 유출물, 특히 물의 개선된 막 여과에 관한 것이다.

여과[정밀여과(microfiltration), 한외여과(ultrafiltration), 나노여과(nanofiltration) 또는 과여과(hyperfiltration)] 막은 각종 형태의 물질: 용해된 물질, 예를 들면, 유기 물질, 콜로이드 상태의 물질, 예를 들면, 금속 수산화물 또는 일반적으로, 현탁액 중의 물질(현탁된 물질 또는 SM)에 의한 막힘에 민감하다고 공지되어 있다. 막힘은 막의 여과능의 실질적인 감소를 초래하며, 여과능의 감소는 항상 가역적이지 않고, 막 세정 효율은 각종 인자, 예를 들면, 막에서 막히는 생성물의 유효 체류 시간, 세정 생성물에서 이의 상대 용해도 및 막히는 생성물과 막 표면 사이의 화학적 또는 물리-화학적 상호 작용에 크게 좌우되며, 후자의 인자는 막을 구성하는 중합체의 화학적 조성에 따라 매우 가변적이다.

응고(coagulation)는 현탁된 물질 및 콜로이드성 물질의 제거를 보다 용이하게 하는 것으로도 공지되어 있다[참조: "Memento Technique de 1'Eau (Water Technical Memorandum)", Volume 1, Chapter 3.1 and Chapter 4.1, published by DEGREMONT, 1989]. 특히, 당해 분야의 숙련가에게는 금속 염에 의한 응고가 콜로이드를 탈안정화시키고, 예를 들면, 금속 수산화물에 흡착 후 특정 유기 물질을 침전시킬 수 있음이 공지되어 있다. 이러한 현상을 특징화하기 위한 몇가지 접근법이 있는데, 다양한 양의 금속 염으로 실험실 비이커에서 응고-응집 시험과 예를 들면, 침강율의 평가를 수행하거나, 제타 포텐셜(zeta potential, ZP), 특히, ZP를 0으로 만들어 최적의 응고를 수득하기 위해 요구되는 수준의 처리에 상응하는 양이 결정될 때까지 첨가되는 금속 염의 양의 함수로서의 ZP 변화 측정을 수행하는 방법이 있다.

이들 2가지 접근법은 "최적의 응고량"이라 불리는 응고 반응제 양의 정의를 유도하며, 이는 당해 분야의 숙련가에 의해 얻어진 경험으로부터 처리되는 물을 최상으로 정화 처리하도록 하여 막의 최적의 작업 조건(즉, 최소 막힘 조건)을 보장하는 양이다.

최적의 응고량을 수반하는 이러한 처리의 단점은 이러한 양이 비교적 다량이고 정화 처리의 작동 비용 및 또한 상응하는 기기의 조사비용에 영향을 준다는 것이다.

더욱이, 대부분의 막 공급자 및 나노여과 및 역삼투 기기의 공급자는 막과 관련된 보장이 손실될 것을 우려하여 중금속, 예를 들면, 2가 또는 3가 이온, 특히 철 이온의 함량이 0이거나 최소한 매우 낮은 물을 막에 공급할 것을 강력히 역설하고 있음을 주지해야 한다.

따라서, 문헌에서, 막 처리의 하나 이상의 금속 염 상부 스트림의 사용 또는 주입이 여러 간행물에서 언급되어 있다. 이들 간행물들은 ZP를 0으로 만드는 양에 근접하는 양 또는 최소한 ZP를 0으로 만드는 최적의 양의 30% 이상에 근접하는 높은 양을 언급하고 있음이 강조되어야 한다.

본 발명은 막의 막힘을 최소화하거나 적어도 감소시킬 수 있고 이의 여과능을 개선시키면서 보다 경제적인 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 이러한 목적을 달성하기 위해, 해결해야할 기술적인 문제는, 특정 제조 플럭스(flux)(막의 ℓ·h^-1·m^-2)를 사실상 어떻게 증가시키고, 정화 처리로부터 생성되는 (예를 들면, 수산화물의) 최소 슬러리를 어떻게 생성시키고, 특히 동일 용적의 물을 처리하기 위해 장착하는 막 면적을 어떻게 감소시키는가 하는 것이다.

본 발명자는 당해 분야의 숙련가들에게는 매우 놀라운 방식으로 처리하는 물의 제타 포텐셜을 0으로 만드는 양보다 매우 적은 양의 응고 반응제가 막의 여과능을 상당히 개선시킨다는 것을 관찰하였다.

따라서, 본 발명의 주제는 현탁된 물질을 농축시킨 유출물, 특히 물을 막의 막힘을 감소시키고 이의 여과능을 개선시키도록 막 여과, 특히 정밀여과, 한외여과, 나노여과 또는 과여과하는 방법에 대한 개선으로서, 이러한 유출물을 막에 통과시키기 전에 유출물에 현탁액 중의 콜로이드성 물질을 탈안정화시키는 양의 응고 반응제를 제타 포텐셜을 0으로 만드는 양의 30 내지 80배 미만의 양으로 가함을 특징으로 한다.

본 발명에 따르는 공정을 수행하는 유리한 방법에 따라, 응고 반응제의 양은 제타 포텐셜을 0으로 만드는 양의 약 40 내지 60배 미만이다.

본 발명의 적용 분야는 특히 광범위하다. 이는 특히 각종 공급원, 예를 들면, SM을 20mg/ℓ미만으로 수득하도록 생물학적 처리 및 분리한 후의 생활 폐수, 총 유기 탄소(TOC) 함량이 2㎖/g 미만이고 유기 물질을 미리 제거할 필요가 없는 물 및 SM을 200mg/ℓ미만 함유하고, TOC가 낮고 콜로이드 농도가 높은 표면 생수(raw water)로부터의 물의 막 처리에 사용될 수 있기 때문이다.

본 발명에 따르는 공정은 내부 또는 외부 표면을 갖고, 각종 외형(케이징 내에, 케이징의 부재하에 및 베이신에 침지된 상태)을 갖는 상이한 형태의 막(모세관, 관, 평면 및 나선 막)에 적용되는 경우 우수한 결과를 제공한다. 본 발명은 또한 휴양지의 분무, 공장에서 폐수의 재활용 및 보다 일반적으로는 역삼투 담수화 플랜트의 상부 스트림 예비 처리를 수반하는 적용에 적합하다.

본 발명의 추가의 양태 및 이점은 아래에 제시된 예시적인 실시예 및 첨부된 도면을 참조하여 이후 제공되는 설명으로부터 명백할 것이다. 도면에서,

도 1은 케이징 내의 막의 상부 스트림에서 유동으로의 막의 응고 반응제, 예를 들면, 금속 염, 특히 철 염의 상부 스트림의 주입을 나타내는 골격도이다.

도 2는 또한 케이징 부재 하의 침지 막의 상부 스트림에서의 응고 반응제의 주입을 나타내는 도식도이다.

도면에서, 동일하거나 유사한 부재는 동일한 참조 번호로 나타낸다.

도 1에 나타낸 수행 방법에서, 응고 반응제를 (2)에서 처리할 물(1)로 주입하고, 처리할 물/응고 반응제 혼합물을 케이징(4) 내의 막에서 여과시킨다. 시스템은 재순환 루프(5)를 포함한다. 참조 번호(3)는 처리된 물의 유출을 나타낸다.

도 2에 나타낸 수행 예에서, 응고 반응제(2)를 처리할 물(1)에 주입하고, 혼합물을 케이징 부재 하에 처리할 물을 함유하는 베이신에 침지된 막(6)에 여과시킨 다. 처리된 물(3)을 펌프를 사용하여 배출한다.

본 발명에 의해 제공되는 기술적 측면 및 이점이 명백히 나타나도록 2개의 수행 실시예를 아래에 제공한다.

실시예 1: 생활 폐수 처리

생물학적 처리 시험을 프랑스 특허원 제2 775 911호에 기술된 바와 같은 직물-막 생반응기로부터의 생활 폐수로 수행한다.

반응기에 의한 물 배출 특성은 다음과 같다:

전체 COD : 40mg/ℓ

전체 BOD₅ : <10mg/ℓ

SM : 5mg/ℓ

TOC : 6mg/ℓ

제타 포텐셜(ZP)을 0으로 만드는 양은 실험실 시험으로 FeCl₃(순수한 FeCl₃로서 나타냄) 140mg/ℓ인 것으로 밝혀졌다. 유기 물질을 감소시키기 위한, 비이커 내 응집으로 측정한 응고 반응제의 최적량(254nm에서 UV 흡수로 측정)은 110mg/ℓ였다.

직물-막 반응기로부터 처리한 물의 배출량은 1m³/h였다. 모세관 한외여과 막을 통한 일정 플럭스는 32ℓ·h^-1·m^-2였다. 소량의 응고 반응제가 사용되는 경우, 라인으로 FeCl₃ 3mg/ℓ(순수한 FeCl₃로서 나타냄)을 주입하여 일정 플럭스는 100ℓ·h^-1·m^-2였다.

역세척은 30분마다 30초 동안 염소 5mg/ℓ으로 수행하고, 때때로 1달에 1회 암모니아성 시트르산으로 수행한다. 역세척 수는 직물-막 생반응기의 상부로 반송시켰다.

이러한 실시예에서, 응고 반응제 부재 하에 1m³/h를 처리하면, 35ℓ·h^-1·m^-2을 수득였고, 28.5m²의 막 면적이 요구되었다. 반대로, FeCl₃ 3mg/ℓ를 주입하면, 100ℓ·h^-1·m^-2을 수득하였고, 요구되는 막 면적은 10m²였다. 이는 285%의 플럭스 개선 및 적어도 막의 18.5m², 즉 65%의 절감을 나타낸다.

슬러지 생성은 응고 반응제를 첨가하지 않고 FeCl₃ 5mg/ℓ 대신 3mg/ℓ를 사용하여 약 8mg/ℓ인 것으로 측정되는데, 이는 FeCl₃ 125mg/ℓ로 생성될 수 있는 형성된 슬러리의 양, 즉 90mg/ℓ이상인 양보다 매우 적다.

상기 보고된 실험 및 제공된 결과는 당해 분야의 숙련가의 경험 및 선행 기술로부터 유도될 수 있는 교시에 반대되는 것이 명백하다. 이는 불완전한 정화에 의한 막을 통한 플럭스 증가(최적 정화량 보다 현저하게 적은 응고 반응제 양으로) 및 소량이나, 대부분의 막 제조업자 및 공급자에 의해 통상 금지된 함량을 초과하는 양의 응고 반응제(특히, 철 함유 염)의 사용이 막의 통상 허용되는 일상적인 사용과는 완전히 모순되기 때문이다.

실시예 2: 표면 생수의 처리

다음의 특징을 갖는 센 강의 생수에 대하여 시험을 수행하였다:

탁도 : 15NTU

유기 물질 : O₂ 5mg/ℓ(KMnO₄ 산화성)

TOC : 3mg/ℓ

UV : 8mg/ℓ

실험실 시험에서, ZP를 0으로 만드는 양은 FeCl₃ 55mg/ℓ였다.

처리수의 배출량은 150ℓ/h였다. 모세관 한외여과 막을 통한 일정 플럭스는 80ℓ·h^-1·m^-2였다. 소량의 응고 반응제가 사용되는 경우, FeCl₃ 2mg/ℓ(순수한 FeCl₃로서 나타냄)의 인-라인 주입에 의해 최대 일정 플럭스는 30% 개선되었다.

역세척은 30분마다 30초 동안 염소 5mg/ℓ로 수행하였다.

표면 생수를 역삼투에 의해 하부 스트림에서 처리할 목적으로 예비 처리한이러한 실시예에서, 막 면적의 주요한 절감이 또한 발견되었다. TOC는 모두 제거되지 않았지만, 플럭스는 개선되었다.

상기 주어진 설명을 읽어나감에 따라, 본 발명이 막의 여과능을 상당히 개선시킴으로써 막의 막힘을 실제로 제한함을 이해할 수 있다. 이는 매우 상당한 경제적인 이점을 초래하며, 특히 동일 용적의 물을 처리하기 위해 설치되는 막의 면적 감소를 초래한다.

물론, 본 발명은 본원에 언급되고/되거나 기술된 수행 실시예 및/또는 적용으로만 제한되는 것이 아니라 이의 모든 변형을 포함한다.

Claims

현탁 물질을 함유하는 유출물을, 막의 막힘을 감소시키고 막의 여과능을 개선시키도록 막 여과, 정밀여과(microfiltration), 한외여과(ultrafiltration), 나노여과(nanofiltration) 또는 과여과(hyperfiltration)하는 방법에 있어서,

유출물이 막을 통과하기 전에, 현탁액 중의 콜로이드성 물질을 탈안정화시키는 응고 반응제를, 제타 포텐셜(zeta potential)을 0으로 만드는 양보다 30 내지 80배 적은 양으로 유출물에 첨가함을 특징으로 하는 방법.
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현탁 물질을 함유하는 물을, 막의 막힘을 감소시키고 막의 여과능을 개선시키도록 막 정밀여과 또는 한외여과하는 방법에 있어서,

물이 막을 통과하기 전에, 현탁액 중의 콜로이드성 물질을 탈안정화시키는 응고 반응제를, 제타 포텐셜을 0으로 만드는 양보다 30 내지 80배 적은 양으로 물에 첨가함을 특징으로 하는 방법.
제3항에 있어서,

현탁된 물질(SM)을 20mg/ℓ 미만으로 수득하도록 생물학적으로 처리 및 분리한 후의 생활 폐수,

유기 물질을 미리 제거할 필요가 없고 총 유기 탄소(TOC) 함량이 2㎖/g 미만인 물 또는

TOC가 낮고 콜로이드 농도가 높으며 SM을 200mg/ℓ 미만 함유하는 표면 생수(raw water)를 막 정밀여과 또는 한외여과하는 방법.
제1항, 제3항 및 제4항 중의 어느 한 항에 있어서, 응고 반응제의 양이 제타 포텐셜을 0으로 만드는 양보다 40 내지 60배 적음을 특징으로 하는 방법.