KR100912676B1 - Measurement of colloidal nanoparticles using nf membrane and aerosolization method - Google Patents
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Abstract
본 발명은 나노 멤브레인과 에어로졸화법을 이용하여 급수(feed water) 중의 콜로이드성 나노입자 (현탁된 나노입자 및 용해된 나노입자)의 크기와 수 농도(number concentration)를 실시간으로 측정하는 장치로서, 급수를 한외여과(UF) 및 나노여과(NF)하는 한외여과(UF)/나노여과(NF) 막; 한외여과 및 나노여과된 급수를 공급하는 액체 유입구와 압축된 청정 공기를 공급하는 공기 유입구를 구비하는 분무기 시스템; 분무기 시스템을 통해 에어로졸화된 콜로이드성 입자들을 확산 건조시키는 확산 건조 장치; 확산 건조된 콜로이드성 입자들을 전기 이동도(electrical mobility)에 따라 크기별로 선별/분리하는 미분형 이동도 분석기(DMA); 및 크기별로 분리된 콜로이드성 입자들의 개수를 측정하는 응축 입자 계수기(CPC)를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치에 관한 것이다. The present invention provides a device for measuring in real time the size and number concentration of colloidal nanoparticles (suspended and dissolved nanoparticles) in feed water using a nanomembrane and aerosolization. Ultrafiltration (UF) / nanofiltration (NF) membranes for ultrafiltration (UF) and nanofiltration (NF); A nebulizer system having a liquid inlet for supplying ultrafiltration and nanofiltration water and an air inlet for supplying compressed clean air; A diffusion drying apparatus for diffusing and drying the aerosolized colloidal particles through a nebulizer system; Differential mobility analyzer (DMA) for sorting / separating diffusion-dried colloidal particles by size according to electrical mobility; And a condensation particle counter (CPC) for measuring the number of colloidal particles separated by size.
또한, 본 발명은 전술한 장치를 이용하여 급수(feed water) 중의 콜로이드성 나노입자 (현탁된 나노입자 및 용해된 나노입자)의 크기와 수 농도(number concentration)를 실시간으로 측정하는 방법으로서, (a) 한외여과(UF)/나노여과(NF) 막을 통해 여과된 급수와 압축된 청정 공기를 각각 분무기 시스템에 공급하는 단계; (b) 분무기 시스템을 통해 현탁된 나노입자와 용해된 나노입자를 포함하는 액적(droplet)을 일정한 속도로 분무하여 에어로졸화하는 단계; (c) 에어로졸화된 입자들을 확산 건조 장치를 통해 확산 건조시키는 단계; (d) 미분형 이동도 분석기(DMA)를 이용하여, 상기 확산 건조된 콜로이드성 입자들을 전기 이동 도(electrical mobility)에 따라 크기별로 선별/분리하는 단계; 및 (e) 응축 입자 계수기(CPC)를 이용하여, 크기별로 분리된 콜로이드성 입자들의 개수를 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법에 관한 것이다. In addition, the present invention provides a method for measuring in real time the size and number concentration of colloidal nanoparticles (suspended nanoparticles and dissolved nanoparticles) in feed water using the apparatus described above, a) supplying the nebulizer system with filtered feed water and compressed clean air, respectively, through an ultrafiltration (UF) / nanofiltration (NF) membrane; (b) aerosolizing by spraying at a constant rate a droplet comprising nanoparticles suspended and dissolved nanoparticles through a nebulizer system; (c) diffusion drying the aerosolized particles through a diffusion drying apparatus; (d) sorting / separating the diffusion dried colloidal particles by size according to electrical mobility using a differential mobility analyzer (DMA); And (e) measuring the number of colloidal particles separated by size using a condensation particle counter (CPC).
본 발명에 따르면, 가스 버블(gas bubble)의 영향도 받지 아니하고 동시성 오류도 없으며 계수상의 오류도 없고 입자의 화학적 성분의 영향도 받지 아니한 채, 급수 중에 함유된 콜로이드성 나노입자들의 수 농도와 크기를 실시간으로 정확하게 측정할 수 있다. 또한, 급수 중에 현탁된 나노입자들의 수 농도와 급수 중에 용해된 나노입자들의 수 농도를 분리하여 정확하게 정량함으로써, 예컨대 칼슘, 마그네슘, 탄소 등이 풍부한 콜로이드성 나노입자들에 의한 막[특히, 역삼투(RO) 막] 오염을 예측할 수 있다. According to the present invention, the number concentration and size of the colloidal nanoparticles contained in the water supply can be adjusted without being affected by gas bubbles, without concurrency errors, without coefficient errors, and without the chemical composition of the particles. Accurate measurement in real time In addition, by accurately quantifying the number concentration of nanoparticles suspended in the feedwater and the number concentration of nanoparticles dissolved in the feedwater, membranes made of colloidal nanoparticles rich in calcium, magnesium, carbon, etc., in particular, reverse osmosis (RO) membrane] contamination can be predicted.
콜로이드성 입자, 현탁 입자, 용해 입자, 수 농도(number concentration), 기하 평균 직경(GMD), 한외여과(UF), 나여과(NF), 에어로졸화(aerosolization), 역삼투(RO)막, 오염 지수. Colloidal particles, suspended particles, dissolved particles, number concentration, geometric mean diameter (GMD), ultrafiltration (UF), filtration (NF), aerosolization, reverse osmosis (RO) membrane, contamination Indices.
Description
본 발명은 나노 멤브레인과 에어로졸화법을 이용하여 급수(feed water) 중의 콜로이드성 나노입자 (현탁된 나노입자 및 용해된 나노입자)의 크기와 수 농도 (number concentration)를 실시간으로 측정하는 장치 및 방법에 관한 것이다. The present invention relates to an apparatus and method for measuring in real time the size and number concentration of colloidal nanoparticles (suspended and dissolved nanoparticles) in feed water using nanomembrane and aerosolization. It is about.
막[특히, 역삼투(RO) 막]의 수명과 성능을 제한하는, 콜로이드성 입자들에 의한 오염에 대하여 많은 연구가 진행되어 왔다. 최근, 원수(급수) 중의 콜로이드성 입자들에 의한 막 오염을 예측하고, 막 오염을 완화시키는 물리적 파라미터를 찾으려는 노력이 많이 있었다. SDI(Silt Density Index) 및 MFI(Modified Fouling Index)와 같은 오염 지수들이 콜로이드성 입자들에 의한 막 오염을 평가하는데 널리 이용되어 왔다. 이들은 0.45 um 밀리포어(Millipore) 미세여과기를 통한 급수의 여과에 기초한다. 그러나, 이들은 약 0.45 um보다 작은 입자들을 다루기에는 충분하지 않다. 담수화 공정에 있어서, 역삼투에 대한 전처리로서의 미세여과 또는 한외여과의 이용에도 불구하고, 콜로이드성 입자들에 의한 막 오염은 역삼투(RO) 막 단계에서도 발생하였다. 전술한 표준 지수들이 만족할 수준이더라도, 콜로이드성 입자들에 의한 심각한 막 오염 문제들이 생긴다고 보고된 바 있다. 이와 같은 막 오염 문제들은 SDI 또는 MFI 시험이 오염원(foulant)들과 막 사이의 상호작용의 영향을 규명할 수 없고, 수(水) 중에 용해된, 공극 크기보다 작은 나노입자들이 막 오염에 중요한 영향을 미칠 수 있다는 것에 기인한다. 또한, 0.05 um 미만의 입자들이 역삼투(RO) 막에 있어서의 투과유속 감소(flux decline)의 원인이 된다는 보고가 있었다. 전처리 시스템(MF 또는 UF)을 통과한 나노입자들은 용해된 입자들과 현탁된 입자들의 형태로 존재할 수 있다. 용해된 입자들은 결정화 또는 스케일링에 의해 막 위에 침전될 수 있는 반면에, 현탁된 입자들은 농도 분극(concentration polarization), 고결(compaction), 표면 상호작용, 및 기타 막 표면 근처의 다른 인자로 인해 응집하고 막에 부착될 수 있다. 따라서, 용해된 나노입자들과 현탁된 나노입자들의 물리적 및 화학적 특성들의 측정 이외에 용해된 나노입자들과 현탁된 나노입자들의 정량은 나노입자들에 의한 막 오염을 이해하고 나노콜로이드 오염을 감소시키기 위한 제어 방법들을 확립하는데 필수적이다. Much research has been conducted on contamination by colloidal particles, which limits the lifetime and performance of membranes (especially reverse osmosis (RO) membranes). Recently, there have been many efforts to predict membrane contamination by colloidal particles in raw water and to find physical parameters that mitigate membrane contamination. Pollution indices such as the Silt Density Index (SDI) and Modified Fouling Index (MFI) have been widely used to evaluate membrane contamination by colloidal particles. They are based on filtration of feedwater through a 0.45 um Millipore microfilter. However, they are not sufficient to handle particles smaller than about 0.45 um. In the desalination process, despite the use of microfiltration or ultrafiltration as pretreatment for reverse osmosis, membrane contamination by colloidal particles also occurred in the reverse osmosis (RO) membrane stage. Even if the above mentioned standard indices are satisfactory, serious film contamination problems have been reported by colloidal particles. Membrane contamination problems such as SDI or MFI tests cannot identify the effect of interaction between foulants and membranes, and nanoparticles smaller than pore size dissolved in water have a significant impact on membrane contamination. It is due to the fact that it can have. It has also been reported that particles of less than 0.05 um are responsible for flux decline in reverse osmosis (RO) membranes. Nanoparticles that have passed through the pretreatment system (MF or UF) can be in the form of dissolved particles and suspended particles. Dissolved particles can be precipitated on the membrane by crystallization or scaling, while suspended particles agglomerate due to concentration polarization, compaction, surface interaction, and other factors near the membrane surface. May be attached to the membrane. Thus, in addition to the measurement of the physical and chemical properties of dissolved nanoparticles and suspended nanoparticles, quantification of dissolved nanoparticles and suspended nanoparticles is useful for understanding membrane contamination by nanoparticles and for reducing nanocolloid contamination. It is essential to establish control methods.
광산란(light scattering) 기법은 수(水) 중의 입자 수를 실시간으로 계수하는데 흔히 사용되어 왔다. 그러나, 이 방법은 작은 입자들과 버블 아티팩트(bubble artifact)의 낮은 산란 강도로 인하여 나노입자들의 경우에는 한계가 있고, 용해된 입자들을 계수하기 어렵다는 단점이 있다. 흐름장 흐름 분획법의 경우, 흐름장 횡류(field cross flow) 하의 층상 운반 흐름(laminar carrier flow)에서의 나노입자들의 분리는 입자 크기의 측정에 사용될 수 있는 확산 계수를 이용하여 수행될 수 있다. 이 방법은 입자들과 막들의 상호작용을 규명할 수 있다는 장점이 있으나, 절대 입자 크기를 측정하기 위한 광범위한 보정(calibration) 과정을 필요로 한다는 단점이 있다. 투과 전자 현미경법, 주사 전자 현미경법 및 원자간력 현미경법 등과 같은 오프라인(off-line) 방법들은 입자 크기 및 형태(morphology)를 측정하는데 사용될 수 있지만, 정량적인 크기 및 계수 데이터를 얻는데 한계가 있다. Light scattering techniques have been commonly used to count the number of particles in water in real time. However, this method has limitations in the case of nanoparticles due to the small scattering strength of small particles and bubble artifacts, and it is difficult to count dissolved particles. In the case of flow field flow fractionation, the separation of nanoparticles in a laminar carrier flow under field cross flow can be carried out using diffusion coefficients which can be used to measure particle size. This method has the advantage of being able to identify the interactions between the particles and the membranes, but has the disadvantage of requiring extensive calibration to measure the absolute particle size. Off-line methods, such as transmission electron microscopy, scanning electron microscopy, and atomic force microscopy, can be used to measure particle size and morphology, but are limited in obtaining quantitative size and count data. .
본 발명자들은 수(水) 중에 현탁된 나노입자들과 용해된 나노입자들의 크기와 수 농도를 실시간으로 측정하기 위한 신규 에어로졸화 방법을 창안해 내었다. 본 발명자들은 이와 같은 신규 에어로졸화 방법을 몇몇 유형의 급수(예컨대, 폐수, 강물 및 해수) 중의 나노입자들의 크기와 수 농도를 실시간으로 측정하는데 적용하였다. 또한, 본 발명자들은 증류수 중에 정해진 농도로 용해되어 있는 탄산칼슘 (CaCO3) 및 휴민산(humic acid) 용액들을 사용하였다. 수(水) 중의 정해진 크기 및 수의 표준 입자들을 사용하여 신규 에어로졸화 방법을 평가하였다. 이 신규 에어로졸화 방법으로, 본 발명자들은 20-600nm 입자들의 수와 크기를 실시간으로 측정할 수 있었고, 용해된 나노입자들과 현탁된 나노입자들을 분리하여 급수(feed water) 중의 상대적인 분포를 측정할 수 있었다. 또한, 본 발명자들은 투과 전자 현미경법 (TEM) 및 에너지 분산 분광법(EDS)에 의한 분석을 수행하여, 입자 형태 및 원소 조성(elemental composition)을 조사하였다. The inventors have devised a novel aerosolization method for measuring in real time the size and water concentration of nanoparticles suspended and dissolved nanoparticles in water. We have applied this novel aerosolization method to determine in real time the size and water concentration of nanoparticles in some types of feedwater (eg, wastewater, river water and seawater). In addition, the present inventors used calcium carbonate (CaCO 3 ) and humic acid solutions dissolved in a predetermined concentration in distilled water. The new aerosolization method was evaluated using standard size and number of standard particles in water. With this new aerosolization method, we were able to measure the number and size of 20-600 nm particles in real time and separated dissolved nanoparticles and suspended nanoparticles to measure the relative distribution in feed water. Could. In addition, the inventors performed analysis by transmission electron microscopy (TEM) and energy dispersive spectroscopy (EDS) to investigate particle morphology and elemental composition.
또한, 본 발명자들은 실험실 규모의 횡류 막(laboratory-scale crossflow membrane)을 사용하여 오염 시험을 수행하였고, 콜로이드성 입자들의 수 농도 측정을 위한 실험실 규모의 시스템에 적용하였다. 또한, 본 발명자들은 상이한 농도의 탄산칼슘(CaCO3)의 존재하에서의 나노여과 막의 무기 오염(inorganic fouling)에 대한 영향을 조사하였다. In addition, we performed contamination testing using a laboratory-scale crossflow membrane and applied it to a laboratory scale system for measuring the concentration of colloidal particles. In addition, the inventors investigated the effects on the inorganic fouling of the nanofiltration membranes in the presence of different concentrations of calcium carbonate (CaCO 3 ).
본 발명은 가스 버블(gas bubble)의 영향도 받지 아니하고 동시성 오류도 없으며 계수상의 오류도 없고 입자의 화학적 성분의 영향도 받지 아니한 채, 급수 (feed water) 중에 함유된 콜로이드성 나노입자들의 수 농도와 크기를 실시간으로 정확하게 측정할 수 있는 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한, 본 발명은 급수 중에 현탁된 나노입자들의 수 농도와 급수 중에 용해된 나노입자들의 수 농도를 분리하여 정확하게 정량함으로써, 예컨대 칼슘, 마그네슘, 탄소 등이 풍부한 콜로이드성 나노입자들에 의한 막[특히, 역삼투(RO) 막] 오염을 예측할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다. The invention relates to the number concentration of colloidal nanoparticles contained in feed water without being influenced by gas bubbles, without concurrency errors, without coefficient errors, and without the chemical composition of the particles. It is an object of the present invention to provide an apparatus and method capable of accurately measuring size in real time. In addition, the present invention separates and accurately quantifies the number concentration of nanoparticles suspended in the feedwater and the concentration of nanoparticles dissolved in the feedwater, for example, membranes made of colloidal nanoparticles rich in calcium, magnesium, carbon and the like [particularly, , Reverse osmosis (RO) membrane] is intended to be able to predict contamination.
본 발명은 에어로졸화법에 의해 급수(feed water) 중의 콜로이드성 나노입자 (현탁된 나노입자 및 용해된 나노입자)의 크기와 수 농도(number concentration)를 실시간으로 측정하는 장치로서, 급수를 한외여과(UF) 및 나노여과(NF)하는 한외여과(UF)/나노여과(NF) 막; 한외여과 및 나노여과된 급수를 공급하는 액체 유입구와 압축된 청정 공기를 공급하는 공기 유입구를 구비하는 분무기 시스템; 분무기 시스템을 통해 에어로졸화된 콜로이드성 입자들을 확산 건조시키는 확산 건조 장치; 확산 건조된 콜로이드성 입자들을 전기 이동도(electrical mobility)에 따라 크기별로 선별/분리하는 미분형 이동도 분석기(DMA); 및 크기별로 분리된 콜로이드성 입자들의 개수를 측정하는 응축 입자 계수기 (CPC)를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치를 제공한다. The present invention is an apparatus for measuring the size and number concentration of colloidal nanoparticles (suspended nanoparticles and dissolved nanoparticles) in feed water by aerosolization in real time. UF) and nanofiltration (NF) ultrafiltration (UF) / nanofiltration (NF) membranes; A nebulizer system having a liquid inlet for supplying ultrafiltration and nanofiltration water and an air inlet for supplying compressed clean air; A diffusion drying apparatus for diffusing and drying the aerosolized colloidal particles through a nebulizer system; Differential mobility analyzer (DMA) for sorting / separating diffusion-dried colloidal particles by size according to electrical mobility; And a condensation particle counter (CPC) for measuring the number of colloidal particles separated by size.
한외여과(UF)/나노여과(NF) 막은 막 표면으로부터 불순물을 제거하는 역할을 하는데, 한외여과(UF) 막은 5 kDa와 100 kDa의 2종류이며, 공극 크기가 각각 3.8 nm와 18nm인 것이 바람직하고, 나노여과(NF) 막은 공극 크기가 0.9nm인 것이 바람직하다. The ultrafiltration (UF) / nanofiltration (NF) membrane serves to remove impurities from the surface of the membrane. The ultrafiltration (UF) membrane has two types of 5 kDa and 100 kDa, and the pore size is preferably 3.8 nm and 18 nm, respectively. The nanofiltration (NF) film preferably has a pore size of 0.9 nm.
분무기 시스템은 한외여과 및 나노여과된 급수를 공급하는 액체 유입구와 압축된 청정 공기를 공급하는 공기 유입구 이외에, 시린지 펌프(syringe pump)와 분무 제트(atomizing jet)를 추가로 구비한다. 상기 시린지 펌프는 일정한 유속(예컨대, 2 ml/분의 일정한 유속)으로 신선한 용액을 분무 제트(atomizing jet)로 공급한다. 분무기 시스템은 현탁된 나노입자들(예컨대, 20-600nm 크기 범위의 나노입자들)과 용해된 나노입자들을 포함하는 급수 용액을 에어로졸화하여 마이크로미터 규모의 액적(droplet)들을 생성시키는 역할을 한다. The nebulizer system further includes a syringe pump and atomizing jet, in addition to a liquid inlet for supplying ultrafiltration and nanofiltration water and an air inlet for supplying compressed clean air. The syringe pump supplies a fresh solution to an atomizing jet at a constant flow rate (eg, a constant flow rate of 2 ml / min). The nebulizer system serves to aerosolize a feed solution comprising suspended nanoparticles (eg, nanoparticles in the 20-600 nm size range) and dissolved nanoparticles to produce micrometer-scale droplets.
에어로졸화된 콜로이드성 입자들을 확산 건조시키는 확산 건조 장치는 현탁된 나노입자들을 확산 건조시키기 위한 것과 용해된 나노입자들을 확산 건조시키기 위한 것의 2가지 유형을 모두 갖추는 것이 바람직하다. The diffusion drying apparatus for diffusion drying the aerosolized colloidal particles is preferably equipped with both types for diffusion drying the suspended nanoparticles and for diffusion drying the dissolved nanoparticles.
미분형 이동도 분석기(DMA)는 전기 이동도(electrical mobility)에 따라 크기별로 나노입자들을 선별/분리한다. Differential mobility analyzer (DMA) sorts / separates nanoparticles by size according to electrical mobility.
응축 입자 계수기(CPC), 특히 미세 응축 입자 계수기(UCPC)는 크기별로 분리된 나노입자들의 개수(즉, 수 농도)를 측정하는데 사용된다. Condensation particle counters (CPCs), in particular fine condensation particle counters (UCPCs), are used to measure the number of nanoparticles separated by size (ie, water concentration).
또한, 본 발명은 전술한 장치를 이용하여 급수(feed water) 중의 콜로이드성 나노입자(현탁된 나노입자 및 용해된 나노입자)의 크기와 수 농도(number concentration)를 실시간으로 측정하는 방법으로서, (a) 한외여과(UF)/나노여 과(NF) 막을 통해 여과된 급수와 압축된 청정 공기를 각각 분무기 시스템에 공급하는 단계; (b) 분무기 시스템을 통해 현탁된 나노입자와 용해된 나노입자를 포함하는 액적(droplet)을 일정한 속도로 분무하여 에어로졸화하는 단계; (c) 에어로졸화된 입자들을 확산 건조 장치를 통해 확산 건조시키는 단계; (d) 미분형 이동도 분석기(DMA)를 이용하여, 상기 확산 건조된 콜로이드성 입자들을 전기 이동도(electrical mobility)에 따라 크기별로 선별/분리하는 단계; 및 (e) 응축 입자 계수기(CPC)를 이용하여, 크기별로 분리된 콜로이드성 입자들의 개수를 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법을 제공한다. In addition, the present invention provides a method for measuring in real time the size and number concentration of colloidal nanoparticles (suspended nanoparticles and dissolved nanoparticles) in feed water using the above-described apparatus, a) supplying the nebulizer system with filtered feed water and compressed clean air, respectively, through an ultrafiltration (UF) / nanofiltration (NF) membrane; (b) aerosolizing by spraying at a constant rate a droplet comprising nanoparticles suspended and dissolved nanoparticles through a nebulizer system; (c) diffusion drying the aerosolized particles through a diffusion drying apparatus; (d) sorting / separating the diffusion dried colloidal particles by size according to electrical mobility using a differential mobility analyzer (DMA); And (e) measuring the number of colloidal particles separated by size using a condensation particle counter (CPC).
한외여과(UF) 막을 통과한 급수의 유속은 5.8∼6.3 ml/분인 것이 바람직하고 , 나노여과(NF) 막을 통과한 급수의 유속은 2.9∼3.5 ml/분인 것이 바람직하다. 한외여과(UF)/나노여과(NF) 막을 통과한 급수는 분무기 시스템에 공급된 후, 분무기 시스템 내에서 현탁된 나노입자들과 용해된 나노입자들을 포함하는 형태로 존재한다. The flow rate of the feed water passing through the ultrafiltration (UF) membrane is preferably 5.8 to 6.3 ml / min, and the flow rate of the feed water passing through the nanofiltration (NF) membrane is preferably 2.9 to 3.5 ml / min. The feedwater passed through the ultrafiltration (UF) / nanofiltration (NF) membrane is present in the form comprising nanoparticles and dissolved nanoparticles suspended in the nebulizer system after being fed to the nebulizer system.
분무기 시스템을 통해 현탁된 나노입자와 용해된 나노입자를 포함하는 액적(droplet)을 일정한 속도로 분무하여 에어로졸화한 다음, 확산 건조 장치를 통해 확산 건조시킨 후에, 미분형 이동도 분석기(DMA)를 이용하여, 상기 확산 건조된 콜로이드성 입자들을 전기 이동도(electrical mobility)에 따라 크기별로 선별/분리하고, 응축 입자 계수기(CPC)를 이용하여, 크기별로 분리된 콜로이드성 입자들의 개수(즉, 수 농도)를 측정한다. A droplets containing suspended and dissolved nanoparticles are sprayed at a constant rate by aerosol system, followed by aerosolization, followed by diffusion drying through a diffusion drying apparatus, followed by a differential mobility analyzer (DMA). The sorted / separated colloidal particles by size according to electrical mobility, and the number of colloidal particles separated by size using a condensation particle counter (CPC). Concentration).
나노여과(NF) 막이 용해된 나노입자들을 제거할 수 없다고 가정할 때, 나노 여과(NF) 전후의 입자들의 수 농도의 차이는 현탁된 나노입자들의 수 농도에 해당하고, 나노여과 (NF) 후의 잔류 입자들의 수 농도는 용해된 나노입자들의 수 농도에 해당한다. 나노여과(NF) 막이 약간의 용해된 나노입자들을 제거한 경우에는 용해된 나노입자들의 수 농도는 하한값이 된다. 나노여과(NF) 후에도 상당량의 나노입자들이 존재한다는 것은 여과 과정에서 잔존한 나노입자들이 막[특히, 역삼투 (RO) 막]의 오염의 원인이 될 수 있다는 것을 시사하기 때문에, 막 오염을 용이하고 정확하게 예측할 수 있다. Assuming that the nanofiltration (NF) membrane cannot remove dissolved nanoparticles, the difference in the number concentration of particles before and after nanofiltration (NF) corresponds to the number concentration of suspended nanoparticles, and after nanofiltration (NF) The number concentration of residual particles corresponds to the number concentration of dissolved nanoparticles. If the nanofiltration (NF) membrane removed some dissolved nanoparticles, the number concentration of dissolved nanoparticles would be a lower limit. The presence of significant amounts of nanoparticles after nanofiltration (NF) suggests that nanoparticles remaining during the filtration process may cause contamination of membranes (especially reverse osmosis (RO) membranes), thus facilitating membrane contamination. Can be predicted accurately.
본 발명에 따르면, 가스 버블(gas bubble)의 영향도 받지 아니하고 동시성 오류도 없으며 계수상의 오류도 없고 입자의 화학적 성분의 영향도 받지 아니한 채, 급수 중에 함유된 콜로이드성 나노입자들의 수 농도와 크기를 실시간으로 정확하게 측정할 수 있다. 또한, 급수 중에 현탁된 나노입자들의 수 농도와 급수 중에 용해된 나노입자들의 수 농도를 분리하여 정확하게 정량함으로써, 예컨대 칼슘, 마그네슘, 탄소 등이 풍부한 콜로이드성 나노입자들에 의한 막[특히, 역삼투(RO) 막] 오염을 예측할 수 있다. According to the present invention, the number concentration and size of the colloidal nanoparticles contained in the water supply can be adjusted without being affected by gas bubbles, without concurrency errors, without coefficient errors, and without the chemical composition of the particles. Accurate measurement in real time In addition, by accurately quantifying the number concentration of nanoparticles suspended in the feedwater and the number concentration of nanoparticles dissolved in the feedwater, membranes made of colloidal nanoparticles rich in calcium, magnesium, carbon, etc., in particular, reverse osmosis (RO) membrane] contamination can be predicted.
하기 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하고자 한다. 그러나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐이므로, 본 발명의 범주가 하기 실시예에 국한되는 것으로 해석되어서는 아니된다. 따라서, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 첨부된 특허청구범위에 기재된 사항으로부터 도출되 는 기술적 사상의 범위 내에서 하기 실시예의 다양한 변형, 수정 및 응용이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. Through the following examples will be described in more detail the present invention. However, the following examples are only for illustrating the present invention, and the scope of the present invention should not be construed as being limited to the following examples. Accordingly, one of ordinary skill in the art to which the present invention pertains will understand that various modifications, modifications and applications of the following embodiments are possible within the scope of the technical idea derived from the matters described in the appended claims. .
실시예Example
시린지 펌프(syringe pump)가 장착된 분무기 시스템에 의해 급수 용액을 에어로졸화하여 마이크로미터 규모의 액적(droplet)들을 생성시켰다. 상기 시린지 펌프는 2 ml/분의 일정한 유속으로 신선한 용액을 분무 제트(atomizing jet)로 공급한다. 현탁된 입자들과 용해된 입자들을 함유하는 액적들을 2개의 상이한 확산 건조 장치에 의해 건조시킨 후, 잔류 입자들을 입자 계수 시스템에 도입하였다. 미분형 이동도 분석기(DMA)(TSI 3081 DMA)와 응축 입자 계수기(CPC)(TSI 3022A CPC)의 조합을 이용하여, 공기 중의 입자들을 입자 크기별로 계수하였다. 즉, DMA를 이용하여 입자 크기와 관련된 전기 이동도에 따라 입자들을 분리시킨 후, CPC를 이용하여 주어진 크기의 입자들의 수를 계수하였다. 이로써, 20-600nm 범위의 입자들의 수-입도 분포를 얻었다. 급수 중의 입자들의 크기와 수에 대한 한외여과(UF) 및 나노여과(NF)의 영향을 조사하기 위하여, UF(5 kDa, PBCC Millipore/10kDa, PBHK, Millipore) 또는 NF(NF70, Saehan) 막들에 의해 예비처리된 용액을 준비하였다. 횡류 벤치-규모 실험(cross-flow bench-scale experiment)을 위해, 56.8㎠의 활성 막 면적을 제공하는, 길이 7.7 cm, 나비 2.6cm, 높이 0.3cm인 차원을 갖는 직사각형 평판 형상의 멤브레인 셀(membrane cell) 내에 편평한 시트 형태의 나노여과(NF) 막을 배치시켰다. 디지털 유량계(Optiflow 1000, Humonics)에 의해 투과유속을 모니터링하였다. 막 실험을 시작하기 이전에, 10-16시간 동안 탈이온수를 막을 통해 여과시켜 막 표면에서 불순물을 제거하였다. 한외여과(UF) 막의 경우, 횡류 유속은 300 ml/분이었고, 막의 압력은 약 0 psi로 유지시켰다. 투과 유속은 5.8∼6.3 ml/분이었다. 나노여과(NF) 막의 경우, 횡류 유속은 300 ml/분이었고, 막의 압력은 60 psi로 유지시켰다. 투과 유속은 2.9∼3.5 ml/분이었다. 재순환 냉각기(HB-207S, Hanbaek Scientific Co.)에 의해 급수 온도를 20℃±5℃로 유지시켰다. The feed solution was aerosolized by a nebulizer system equipped with a syringe pump to produce micrometer scale droplets. The syringe pump supplies fresh solution to an atomizing jet at a constant flow rate of 2 ml / min. Droplets containing suspended particles and dissolved particles were dried by two different diffusion drying apparatuses, and then residual particles were introduced into a particle counting system. Particles in the air were counted by particle size using a combination of differential mobility analyzer (DMA) (TSI 3081 DMA) and condensation particle counter (CPC) (TSI 3022A CPC). That is, DMA was used to separate particles according to the electrical mobility associated with particle size, and then the number of particles of a given size was counted using CPC. This gave a number-particle size distribution of particles in the 20-600 nm range. To investigate the effects of ultrafiltration (UF) and nanofiltration (NF) on the size and number of particles in the feedwater, UF (5 kDa, PBCC Millipore / 10kDa, PBHK, Millipore) or NF (NF70, Saehan) membranes The solution pretreated by this was prepared. Rectangular plate-shaped membrane cells with dimensions of 7.7 cm long, 2.6 cm wide and 0.3 cm high, providing an active membrane area of 56.8
본 발명의 실시예에서 사용된 급수는 담양댐에서 유출된 폐수, 영산강 물, 및 담양과 목포에서 채취한 해수이었다. 한편, 수(水) 중의 크기와 농도가 이미 알려진 표준 에어로졸 입자들을 생성시켰다. 탈이온수 중의 폴리스티렌 라텍스 입자들(Duke Scientific Co.)(10% 용액)을 준비하고, 전술한 방법을 이용하여 에어로졸화하였다. 공기 중의 입자들의 수 및 크기를 수(水) 중의 입자들의 수 및 크기와 비교함으로써, 본 발명의 방법의 정확성을 평가할 수 있었다. 탈이온수 중에 탄산칼슘(CaCO3) 입자들과 휴민산 입자들을 각각 용해시킴으로써 CaCO3 용액 및 휴민산 용액을 제조한 후, 자석 교반기를 사용하여 CaCO3 용액을 3일 동안 혼합하고, 자석 교반기 내에서 휴민산 용액을 3일 동안 안정화시켰다. 0.45㎛ 막 여과기(ADVANTEC)을 사용하여 CaCO3 용액을 예비여과하여 잔류 고체들을 제거하였다. 0.45㎛ 유리섬유 여과기(Whatman)을 사용하여 휴민산 용액을 예비여과한 후, 총 질소 측정 유닛 (TNM-1, Shimadzu)과 자동 시료기(ASI-V, Shimadzu)가 장착된 총 유기 탄소 분석기 (TOC-Vcpu, Shimadzu)를 사용하여 총 유기 탄소(TOC)를 측정하였다. The water supply used in the embodiment of the present invention was wastewater discharged from Damyang Dam, Yeongsan River water, and seawater collected from Damyang and Mokpo. On the other hand, standard aerosol particles with known size and concentration in water were produced. Polystyrene latex particles (Duke Scientific Co.) (10% solution) in deionized water were prepared and aerosolized using the method described above. By comparing the number and size of the particles in the air with the number and size of the particles in the water, the accuracy of the method of the present invention could be evaluated. CaCO 3 solution and humic acid solution were prepared by dissolving calcium carbonate (CaCO 3 ) particles and humic acid particles in deionized water, respectively, and then mixing the CaCO 3 solution using a magnetic stirrer for 3 days, and in a magnetic stirrer. Humic acid solution was stabilized for 3 days. Residual solids were removed by prefiltration of CaCO 3 solution using a 0.45 μm membrane filter (ADVANTEC). Total organic carbon analyzer equipped with a total nitrogen measuring unit (TNM-1, Shimadzu) and an automatic sampler (ASI-V, Shimadzu) after prefiltration of the humic acid solution using a 0.45 μm glass fiber filter (Whatman) Total organic carbon (TOC) was measured using TOC-V cpu , Shimadzu).
에어로졸화 방법에 의해 용해된 입자들과 현탁된 입자들의 크기와 수를 측정 하는 것이므로, 급수 용액을 나노여과(NF) 막에 통과시키기 전후의 입자 크기 및 수를 비교함으로써, 급수 중의 용해된 나노입자들과 현탁된 나노입자들의 상대적인 분포를 평가할 수 있다. 나노여과(NF) 막은 그 공극 크기가 대략 0.7nm이기 때문에 대부분의 현탁된 나노입자들을 제거할 수 있고, 약간의 용해된 나노입자들도 제거할 수 있다. 따라서, 에어로졸화 방법은 총 계수가 정확할지라도 용해된 나노입자들의 양을 과소평가할 수 있다. Since the size and number of dissolved and suspended particles are measured by the aerosolization method, the dissolved nanoparticles in the feedwater are compared by comparing the particle size and the number before and after passing the feedwater through the nanofiltration (NF) membrane. And relative distribution of suspended nanoparticles can be assessed. Nanofiltration (NF) membranes can remove most suspended nanoparticles and even some dissolved nanoparticles because their pore size is approximately 0.7 nm. Thus, the aerosolization method can underestimate the amount of dissolved nanoparticles even if the total count is accurate.
투과 전자 현미경(TEM)(JEOL JEM-2100) 및 에너지 분산 분광기(EDS)(OXFORD INCAx-sight)를 사용하여 입자 형태 및 원소 조성을 분석하였다. 투과 전자 현미경 (TEM)의 그리드(grid) 상에 한외여과(UF) 및 나노여과(NF) 막의 투과물들을 수집하고, 24시간 동안 건조시켰다. 200 kV의 가속 전압과 낮은 빔 전류로 투과 전자 현미경(TEM)을 작동시켜 빔 손상을 최소화시켰다. 한편, 200 kV의 가속 전압으로 에너지 분산 분광기(EDS)를 작동시켰다. Particle morphology and elemental composition were analyzed using transmission electron microscopy (TEM) (JEOL JEM-2100) and energy dispersive spectroscopy (EDS) (OXFORD INCAx-sight). Permeates of ultrafiltration (UF) and nanofiltration (NF) membranes were collected on a grid of transmission electron microscopy (TEM) and dried for 24 hours. The transmission electron microscope (TEM) was operated with an acceleration voltage of 200 kV and a low beam current to minimize beam damage. Meanwhile, an energy dispersive spectrometer (EDS) was operated with an acceleration voltage of 200 kV.
도 2에 나타나 있는 바와 같이, 상이한 용질 농도를 갖는, 증류수 중에 용해된 휴민산 입자들의 수-입도 분포를 측정하였다. 용질 농도가 30 ppm에서 100 ppm으로 증가함에 따라, 20-600nm 범위의 입자들의 총 수는 2.1*104#/㎤에서 5.4*104#/㎤로 증가하였다. 또한, 용질 농도가 증가함에 따라, 기하 평균 직경(GMD)은 86.30nm에서 99.04nm로 증가하였다. 한편, 입자들을 함유하지 않는 증류수에 대하여도 시험함으로써, 수(水) 중에 존재하지 않는 입자들을 계수한 아티팩트 (artifact)가 존재하는지 여부와 액적이 완전히 건조되지 않았는지 여부를 확인하 였다. 증류수에 대한 시험 데이터는 아티팩트(artifact)가 존재하지 않는다는 것을 보여주었다. 미국 국립표준기술원(NIST)에서 인정한 폴리스티렌 라텍스(PSL)를 시험하여 크기 선별(sizing)의 정확성을 평가하였다. 측정된 최빈 직경(mode diameter)은 제조사에서 제공한 크기와 약 3% 범위내에서 일치하였다. 다양한 용질 농도를 갖는, 증류수 중의 휴민산 및 CaCO3 입자들에 대하여도 유사한 측정을 하였다. 도 3에 나타나 있는 바와 같이, 휴민산 및 CaCO3의 경우에 용질 농도와 에어로졸화 방법으로 측정된 입자 수 농도의 관계가 직선 관계임이 확인되었다.As shown in FIG. 2, the water-particle size distribution of the humic acid particles dissolved in distilled water having different solute concentrations was measured. As the solute concentration increased from 30 ppm to 100 ppm, the total number of particles in the 20-600 nm range increased from 2.1 * 10 4 # /
도 4에 나타나 있는 바와 같이, 에어로졸화 방법으로 측정된 20-600nm 크기 범위의 입자들의 수-입도 분포를 비교하였다. 해수, 영산강 물, 및 담양댐에서 유출된 폐수를 사용하여, 이들 물 속에 존재하는 콜로이드성 나노입자들의 크기 및 수를 측정하였다. 도 3에 나타나 있는 바와 같이, 각각의 물에 대한 측정을 5회 반복하였고, 측정값의 표준 편차를 오차 막대(error bar)로서 포함시켰는데, 측정은 매우 안정적이었다(6∼8%의 표준 오차). 각각의 유형의 물에 있어서의 입자들의 수-입도 분포를 비교한 결과, 해수는 가장 높은 입자 수 농도(1.0*107#/㎤)와 가장 큰 최빈 직경(121.9nm)을 나타낸 반면에, 영산강 물은 가장 낮은 수 농도(1.8*105#/㎤, 5.3*103#/㎤)와 가장 작은 최빈 직경(79.1nm)을 나타내었다. As shown in FIG. 4, the number-particle size distribution of particles in the 20-600 nm size range measured by the aerosolization method was compared. The size and number of colloidal nanoparticles present in these waters were measured using wastewater discharged from seawater, Youngsan River water, and Damyang Dam. As shown in FIG. 3, the measurement for each water was repeated five times and the standard deviation of the measurements was included as an error bar, which was very stable (standard error of 6-8%). ). Comparing the particle size distribution of the particles in each type of water, the seawater showed the highest particle number concentration (1.0 * 10 7 # / cm 3) and the largest mode diameter (121.9 nm), while the Youngsan River Water had the lowest water concentration (1.8 * 10 5 # /
담양댐에서 유출된 폐수와 영산강 물에 대한 pH, 전기전도도, TOC(mg/L), 및 254nm에서의 UV 흡광도(1/cm)는 하기 표 1에 제시되어 있다. The pH, electrical conductivity, TOC (mg / L), and UV absorbance (1 / cm) at 254 nm for the wastewater and Youngsan river water discharged from Damyang Dam are shown in Table 1 below.
한외여과(UF) 및 나노여과(NF) 막에 의한 예비여과 전후의 영산강 물 속의 입자들의 수-입도 분포를 측정하였다. 한외여과(UF) 막과 나노여과(NF) 막의 공극 크기는 각각 5 nm와 0.7 nm이었다. 한외여과(UF) 및 나노여과(NF) 전후의 20-600nm 범위의 입자들의 총 수 농도와 기하 평균 직경(GMD)는 하기 표 2에 제시되어 있다. The water-particle size distribution of the particles in Youngsan River water before and after prefiltration by ultrafiltration (UF) and nanofiltration (NF) membranes was measured. The pore sizes of the ultrafiltration (UF) and nanofiltration (NF) membranes were 5 nm and 0.7 nm, respectively. The total number concentration and geometric mean diameter (GMD) of the particles in the 20-600 nm range before and after ultrafiltration (UF) and nanofiltration (NF) are shown in Table 2 below.
도 5에 나타나 있는 바와 같이, 한외여과(UF) 및 나노여과(NF) 막에 의한 예비여과 전후의 영산강 물 속의 입자들의 수-입도 분포를 비교하였다. 도 5에 나타나 있는 바와 같이, 한외여과(UF) 및 나노여과(NF) 막에 의한 여과에 의해 입자들의 총 수 농도(total number concentration)가 유의적으로 감소하였다. 공극 크기가 감소됨에 따라, 현탁된 나노입자들의 제거 효율이 증가된다. 0.7nm의 공극 크기를 갖는 나노여과(NF) 막은 대부분의 현탁된 입자들(20-600nm)을 제거한다. 나노여과(NF) 막이 용해된 나노입자들을 제거할 수 없다고 가정할 때, 나노여과(NF) 전후의 입자들의 수 농도의 차이는 현탁된 나노입자들의 수 농도에 해당하고, 나노여과 (NF) 후의 잔류 입자들의 수 농도는 용해된 나노입자들의 수 농도에 해당한다. 나노여과(NF) 막이 약간의 용해된 나노입자들을 제거한 경우에는 용해된 나노입자들의 수 농도는 하한값이 된다. 나노여과(NF) 후에도 상당량의 나노입자들이 존재한다는 것은 예비여과 과정에서 잔존한 나노입자들이 역삼투(RO) 막의 오염의 원인이 될 수 있다는 것을 시사한다. 일반적으로, 나노여과(NF) 막은 급수로부터 20-600nm 크기 범위의 입자들을 약 50%만 제거하였다. As shown in FIG. 5, the water-particle size distribution of the particles in the Youngsan River water before and after prefiltration by ultrafiltration (UF) and nanofiltration (NF) membranes was compared. As shown in FIG. 5, the total number concentration of the particles was significantly reduced by filtration by ultrafiltration (UF) and nanofiltration (NF) membranes. As the pore size is reduced, the removal efficiency of suspended nanoparticles is increased. Nanofiltration (NF) membranes with a pore size of 0.7 nm remove most of the suspended particles (20-600 nm). Assuming that the nanofiltration (NF) membrane cannot remove dissolved nanoparticles, the difference in the number concentration of particles before and after nanofiltration (NF) corresponds to the number concentration of suspended nanoparticles, and after nanofiltration (NF). The number concentration of residual particles corresponds to the number concentration of dissolved nanoparticles. If the nanofiltration (NF) membrane removed some dissolved nanoparticles, the number concentration of dissolved nanoparticles would be a lower limit. The presence of significant amounts of nanoparticles after nanofiltration (NF) suggests that the remaining nanoparticles in the pre-filtration process may cause contamination of the reverse osmosis (RO) membrane. In general, nanofiltration (NF) membranes removed only about 50% of particles in the 20-600 nm size range from the feedwater.
도 6에 나타나 있는 바와 같이, 한외여과(UF) 및 나노여과(NF) 막에 의한 예비여과 전후의 해수 중의 입자들의 수-입도 분포를 비교하였다. 도 6에 나타나 있는 바와 같이, 한외여과(UF) 및 나노여과(NF) 막에 의한 여과에 의해 입자들의 총 수 농도(total number concentration)가 각각 11%와 30% 감소하였다. 0.9nm의 공극 크기를 갖는 나노여과(NF) 막은 대부분의 현탁된 입자들(20-600nm)을 제거한다. 나노여과(NF) 막에 의한 여과 후에도 상당량의 입자들이 존재하는 것은 나노여과(NF) 막 통과 후에도 용해된 나노입자가 존재할 수 있음을 시사한다. 나노여과(NF) 막에 의한 여과 전과 후의 수 농도 차이는 현탁된 입자와 나노여과(NF)에 의해 통과하지 못한 소량의 용해된 입자를 말한다. 그러므로, 이 방법에 의하여 측정된 용해된 나노입자의 수 농도는 용해된 나노입자의 최소 한도 값을 의미한다. 나노여과(NF) 후에도 상당량의 나노입자들이 존재한다는 것은 예비여과 과정에서 잔존한 나노입자들이 역삼투(RO) 막의 오염의 원인이 될 수 있다는 것을 시사한다. 측정된 해수 중의 용해된 나노입자의 분율(fraction)은 66%인 반면, 측정된 영산강 물의 용해된 나노입자의 분율(fraction)은 44%이었다. As shown in FIG. 6, the water-particle size distribution of the particles in seawater before and after prefiltration by ultrafiltration (UF) and nanofiltration (NF) membranes was compared. As shown in FIG. 6, the total number concentration of the particles was reduced by 11% and 30% by filtration by ultrafiltration (UF) and nanofiltration (NF) membranes, respectively. Nanofiltration (NF) membranes with a pore size of 0.9 nm remove most of the suspended particles (20-600 nm). The presence of significant amounts of particles even after filtration by nanofiltration (NF) membranes suggests that dissolved nanoparticles may be present even after passage through the nanofiltration (NF) membranes. The difference in water concentration before and after filtration by nanofiltration (NF) membranes refers to suspended particles and small amounts of dissolved particles that are not passed by nanofiltration (NF). Therefore, the number concentration of dissolved nanoparticles measured by this method means the minimum limit value of the dissolved nanoparticles. The presence of significant amounts of nanoparticles after nanofiltration (NF) suggests that the remaining nanoparticles in the pre-filtration process may cause contamination of the reverse osmosis (RO) membrane. The fraction of dissolved nanoparticles in the seawater measured was 66%, while the fraction of dissolved nanoparticles in the Youngsan River water was 44%.
도 7(a)는 한외여과(UF) 막에 의해 처리된 후의 해수 중에 함유된 Ca 및 Mg이 풍부한 나노입자들(소량의 S를 포함함)의 투과 전자 현미경(TEM) 사진 및 에너지 분산 분광분석(EDS) 데이터를 나타낸 것이다. 해수 중의 대부분의 입자들은 C, Ca, Mg, S, K, Na, Cl 및 O 원소들을 함유한다. Ca 및 Mg가 풍부한 입자들(소량의 S를 포함함)은 CaCO3, CaSO4, MgCO3 및 MgSO4 혼합물들인 반면에, 탄소가 풍부한 입자들은 천연 유기 입자들이다. 다만, EDS의 유기물 탐지 능력의 한계로 인하여, 탄소가 풍부한 입자들이 유기 탄소인지 아니면 원소 형태의 탄소인지 확인할 수 없었다. 도 7(b)는 한외여과(UF) 막에 의해 처리된 후의 해수 중에 함유된 자형(自形, euhedral) 입자들의 투과 전자 현미경(TEM) 사진 및 에너지 분산 분광분석(EDS) 데이터를 나타낸 것이다. 자형(自形, euhedral) 입자들의 형태는 종래에 보고된 바 있는 NaCl 입자들의 형태와 유사하다. 따라서, 이 결과는 해염(sea salt) 입자들이 나노여과(NF) 막에 의한 처리 후의 해수 중에 포함되어 있다는 것을 시사한다. FIG. 7A shows transmission electron microscopy (TEM) and energy dispersive spectroscopy of Ca and Mg-rich nanoparticles (containing small amounts of S) contained in seawater after treatment by ultrafiltration (UF) membrane. (EDS) data. Most particles in seawater contain C, Ca, Mg, S, K, Na, Cl and O elements. Ca and Mg rich particles (including small amounts of S) are CaCO 3 , CaSO 4 , MgCO 3 and MgSO 4 mixtures, while carbon rich particles are natural organic particles. However, due to the limitation of EDS's ability to detect organic matter, it was not possible to determine whether carbon-rich particles were organic carbon or elemental carbon. FIG. 7 (b) shows transmission electron microscopy (TEM) images and energy dispersive spectroscopy (EDS) data of euhedral particles contained in seawater after treatment with an ultrafiltration (UF) membrane. The shape of the euhedral particles is similar to that of the NaCl particles previously reported. Thus, this result suggests that sea salt particles are included in the seawater after treatment with the nanofiltration (NF) membrane.
나노여과(NF) 막(NF70, Saehan)을 사용하여 시험한 결과, 공극 크기가 대략 0.7nm인 나노여과(NF) 막에 의한 1가 이온의 제거 효율이 70%이었다. 횡류 벤치-규모 실험(cross-flow bench-scale experiment)을 위해, 56.8㎠의 활성 막 면적을 제공하는, 길이 7.7 cm, 나비 2.6cm, 높이 0.3cm인 차원을 갖는 직사각형 평판 형상의 멤브레인 셀(membrane cell) 내에 편평한 시트 형태의 나노여과(NF) 막을 배치시켰다. 오염 실험을 시작하기 전에, 탈이온수를 10-16 시간 동안 막을 통해 여과시켜 막 표면으로부터 불순물을 제거하였다. 막 시스템은 투과물이 공급 탱크(feed tank)로 재순환될 수 있는 완전한 재순환 시스템으로 작동시켰다. 1000 ppm의 CaCO3 용액의 경우, 횡류 유속은 300 ml/분이었고, 막의 압력은 45 psi로 유지시켰다. 투과 유속은 2∼3 ml/분이었다. 2000 ppm의 CaCO3 용액의 경우, 횡류 유속은 300 ml/분이었고, 막의 압력은 60 psi로 유지시켰다. 투과 유속은 2.4∼3.5 ml/분이었다. 급수 온도는 재순환 냉각기에 의해 20℃±5℃로 유지시켰다. As a result of testing using a nanofiltration (NF) membrane (NF70, Saehan), the removal efficiency of monovalent ions by the nanofiltration (NF) membrane having a pore size of approximately 0.7 nm was 70%. Rectangular plate-shaped membrane cells with dimensions of 7.7 cm long, 2.6 cm wide and 0.3 cm high, providing an active membrane area of 56.8
도 1은 에어로졸화법에 의해 급수(feed water) 중의 콜로이드성 나노입자 (현탁된 나노입자 및 용해된 나노입자)의 크기와 수 농도(number concentration)를 측정하는 장치를 도시한 것이다. 1 shows a device for measuring the size and number concentration of colloidal nanoparticles (suspended and dissolved nanoparticles) in feed water by aerosolization.
도 2는 상이한 용질 농도를 갖는 증류수 중에 용해된 휴민산(humic acid) 입자들의 입자 크기에 따른 수 농도 분포를 나타낸 그래프이다. 2 is a graph showing the distribution of water concentration according to the particle size of humic acid particles dissolved in distilled water having different solute concentrations.
도 3은 급수 중의 CaCO3 및 휴민산 입자들의 용질 농도에 따른 수 농도 분포를 나타낸 그래프이다. 3 is a graph showing the water concentration distribution according to the solute concentration of CaCO 3 and humic acid particles in the feed water.
도 4는 해수, 담양댐에서 유출된 폐수, 및 영산강 물 중의 콜로이드성 입자들의 입자 크기에 따른 수 농도 분포를 나타낸 그래프이다. Figure 4 is a graph showing the water concentration distribution according to the particle size of the colloidal particles in seawater, wastewater flowing out from Damyang Dam, and Youngsan river water.
도 5는 영산강 물, 한회여과(UF)(100kDa) 여과 후의 영산강 물, 한외여과 (UF)(5kDa) 여과 후의 영산강 물, 및 나노여과(NF) 후의 영산강 물 중의 콜로이드성 입자들의 입자 크기에 따른 수 농도 분포를 나타낸 그래프이다. 5 shows particle size of colloidal particles in Youngsan River water, Youngsan River water after filtration (UF) (100kDa), Youngsan River water after filtration (UF) (5kDa), and Youngsan River water after nanofiltration (NF). A graph showing the water concentration distribution.
도 6은 한외여과(UF) 및 나노여과(NF) 막에 의한 예비여과 전후의 해수 중의 입자들의 수-입도 분포를 비교한 그래프이다. 6 is a graph comparing the water-particle size distribution of particles in seawater before and after prefiltration by ultrafiltration (UF) and nanofiltration (NF) membranes.
도 7(a)는 한외여과(UF) 막에 의해 처리된 후의 해수 중에 함유된 Ca 및 Mg이 풍부한 나노입자들(소량의 S를 포함함)의 투과 전자 현미경(TEM) 사진 및 에너지 분산 분광분석(EDS) 데이터를 나타낸 것이다. FIG. 7A shows transmission electron microscopy (TEM) and energy dispersive spectroscopy of Ca and Mg-rich nanoparticles (containing small amounts of S) contained in seawater after treatment by ultrafiltration (UF) membrane. (EDS) data.
도 7(b)는 한외여과(UF) 막에 의해 처리된 후의 해수 중에 함유된 자형( 自形, euhedral) 입자들의 투과 전자 현미경(TEM) 사진 및 에너지 분산 분광분석 (EDS) 데이터를 나타낸 것이다. FIG. 7 (b) shows transmission electron microscopy (TEM) images and energy dispersive spectroscopy (EDS) data of euhedral particles contained in seawater after treatment by ultrafiltration (UF) membrane.
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