KR20150023522A - 고-액 분리방법 - Google Patents

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Abstract

멤브레인 분리 탱크(2)의 액상에 함유된 고형물을 분리함에 있어서, 액상의 pH가 세라믹 평탄 멤브레인(3)의 표면 전하와 전기적으로 동극성인 고형물의 표면 전하를 형성하기 위하여 조정되어 액상으로부터 고형물을 분리시킨다. 대신에, 고형물의 표면 전하와 전기적으로 이극성이며 세라믹의 평탄 멤브레인(3)의 표면 전하와 전기적으로 동극성인 표면 전하를 가지는 전하 조정제를 액상에 첨가함으로써, 고형물의 표면은 무기 멤브레인(3)의 표면 전하와 전기적으로 동극성인 겉보기표면 전하를 가지도록 대전된다.

Description

고-액 분리방법{SOLID-LIQUID SEPARATION METHOD}
본 발명은 무기 멤브레인을 이용하여 액상 속의 분산 입자 형태의 고형물을 분리하기 위한 기술에 대한 것으로, 보다 구체적으로 무기 멤브레인에서의 파울링(멤브레인 폐색)을 방지하기 위한 기술에 대한 것이다.
멤브레인 처리는 현탁물, 콜로이드 입자, 및 특정 분자들에도 분리 멤브레인의 구멍(pore) 직경을 선택함으로써 분리하기 위하여 사용된다.
구멍 직경 또는 구멍 크기에 따라, 분리 멤브레인은 정밀여과 멤브레인(MF 멤브레인), 한외여과 멤브레인(UF 멤브레인), 나노여과 멤브레인(NF 멤브레인), 역삼투 멤브레인(RO 멤브레인), 등으로 구분된다.
이들 멤브레인 공정에서, 물질을 이동시키기 위한 구동력은 압력차이며, 여과는 가압 또는 감압을 통해 달성된다. 멤브레인 처리에서 분리될 대상은 예컨대, MF 멤브레인의 경우 수중의 현탁물 및 박테리아와 같은 약 0.05~10㎛의 미세한 입자들이며, UF 멤브레인의 경우 단백질, 효소, 에멀젼, 박테리아, 바이러스와 같은 약 1000~300000의 고분자량을 가지는 폴리머 물질이다.
두 유형의 멤브레인 여과는 크로스 플로우(cross flow) 여과이며 데드 엔드 (dead end) 여과(비특허 문헌 1과 2)이다.
크로스 플로우 여과는 멤브레인의 표면을 따르는 처리될 액체의 흐름을 이용하는 여과 방법이다. 이러한 여과 시스템은 여과 동안 멤브레인 표면의 탁한 성분의 퇴적을 제한하도록 배치되므로 크로스 플로우 여과는 데드 엔드 여과에 비해 폐색에 대한 저항에서 유리하다. 그러나, 크로스 플로우 여과는 처리 액체를 순환시킬 동력이 필요한 불리점이 있다.
데드 엔드 여과는 처리 액체의 전량을 여과하는 방법이다. 크로스 플로우 여과와 달리, 처리 액체를 순환시키기 위한 동력이 필요하지 않으므로, 데드 엔드 여과에 의하면, 에너지 절감 여과 작동이 가능하다. 그러나, 처리 액체의 흐름은 멤브레인에 수직으로, 따라서, 멤브레인 표면에 침착 또는 침전물이 불가피하게 생성된다. 더구나, 크로스 플로우 여과와 같이 멤브레인 표면의 현탁 성분의 집적을 제한하는 여과 작동을 수행할 수 없다. 따라서, 여과 작동을 정기적으로 정지시키고 물리적인 세정과 화학적인 세정을 통해 멤브레인 위의 퇴적물을 세정하는 것이 필요하다.
파울링(fouling)은 여과 과정에서 시간의 경과에 따른 여과 경로의 폐색 및 멤브레인 위의 부착물의 집적 또는 누적이다. 정기적인 세정(부착물의 제거 작동)이 필요하다.
데드 엔드 여과 또는 전체 흐름 여과 시스템에서 여과 멤브레인의 파울링을 제한하기 위한 방법으로서, 여과 멤브레인 표면 위에 무기물 입자들을 함유하는 코팅층을 형성하고 이후에 멤브레인 여과를 실행함으로써 멤브레인 파울링을 제한하기 위한 멤브레인 처리방법이 알려져 있다(특허 문헌 1).
상기 설명한 코팅층은 다른 특성을 가지는 적어도 두 층들을 포함한다. 여과 멤브레인에 접하는 하부 코팅층은 상기 설명한 무기물 입자들을 함유하는 코팅 용액을 여과함으로써 형성된 무기물 입자층이다. 다른 측면 위의 상부 코팅층은 코팅 용액에 응집제를 첨가함으로써 무기물 입자의 응집에 의하여 얻어진 플록(floc)을 함유하는 코팅 용액을 여과함으로써 형성된 응집층이다. 이러한 구조로서, 이러한 멤브레인 처리 시스템은 멤브레인 파울링을 제한하도록 구성되고, 화학 세정 횟수를 감소시키고, 설비 및 보수 비용을 감소시키도록 구성된다.
오일 샌드로부터 역청을 제조함에 있어서, 많은 양의 물이 채굴 시의 고온 수 및 증기의 필요성 때문에 사용되고, 따라서, 오일 및 점토를 함유하는, 채굴 과정(오일 샌드 생성수, 이하, `OSPW`라 함)을 통해 생성되고 영향을 받는 다량의 배출수가 생성된다. 오일 샌드는 점성 중유인, "역청(bitumen)"에 의해 포화된 모래층 속의 모래이다. 배출수의 일부는 재생된다. 배출수의 잔여 부분은 저장조에 보관되고, 청정 초자연수를 재사용하기 위하여, 동시적인 침전에 의하여 물로부터 모래, 중금속 및 오일을 분리하기 위하여 여러 달 동안 유지되었다.
세라믹 무기 멤브레인은 물리적이며 화학적인 지속성에서 강건하고 효과적이며, 친수적이다. 그러므로, 무기 멤브레인에 의해 OSPW를 처리하기 위한, 배출수 속의 분산 입자의 형태의 고형물을 분리하기 위한 기술에 대해 현재 연구가 진행 중이다.
데드 엔드 여과에서 멤브레인의 파울링을 제한하기 위한 방법에서, 무기물 입자들을 함유하는 코팅층은 처리 수의 멤브레인 여과 전에 여과 멤브레인 표면에 형성된다.
그러나, 총량을 여과하기 위하여 데드 엔드 및 여과 시스템에서 여과를 계속함으로써 분리될 물질의 농도가 여과 멤브레인 표면 근처에서 증가하고 멤브레인 표면에 물질이 집적함으로써 불가피하게 여과성이 감소하므로, 역 세정(back-washing)이 자주 수행되는 것이 필요하다. 그러므로, 멤브레인 여과를 정지시키는 작동과 코팅층을 형성하는 작동을 반복하는 것이 필요하므로 작동 관리가 복잡하게 된다.
여과 공정에서 멤브레인의 파울링을 제한하기 위한 방안으로서, 여전히 멤브레인 위에 오염 물질이 부착하고 침착하는 것을 제한하기 위한 수단이 크로스 플로우 여과 및 데드 엔드 여과에 모두 적용가능하지만, 용액에 대한 효과적인 수단이 없다.
특허 공보 1: JP2004-130197A
비특허 문헌 1: 미요시 야수히코 著, "오수 및 배출수 처리의 지식과 기술(Knowledge and technique for treatment of sewage and drainage)", 옴사(Ohmsha), 제1판, 2002년 8월, pp. 114~118. 비특허 문헌 2: "세라믹 평막을 이용한 순환식 질화탈질형 막분리 활성오니법, 기술자료(Circulating Nitration Denitrification type Membrane separation Method, Technical Information)", 재단법인 일본 하수도 신기술 추진기구(Japan Institute of Waste water engineering and technology), 2012년 3월. 비특허 문헌 3: 다카다 준(TAKADA Junn)著 "ζ-전위 측정법의 정리와 응용예(Threom and Application Examples of ζ-potential Measurement)", 동아합성그룹 연간 연구 보고서, 트렌드 2011, 제14호, 2011년 1월, pp 27-30.
그러므로, 본 발명에 따르면, 액상에 함유된 고형물을 분리함에 있어서, 고형물의 표면 전하를 상기 고형물을 액상으로부터 분리하는 무기 멤브레인의 표면 전하와 전기적으로 동극성으로 대전하기 위하여 액상의 pH가 조정되었다.
또한, 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 액상에 함유된 고형물을 분리함에 있어, 고형물을 액상으로부터 분리하는 무기 멤브레인의 표면전하와 전기적으로 동극성이면서 고형물의 표면전하와 전기적으로 이극성인 표면전하를 가지는 전하 조정제를 액상에 첨가함으로써, 고형물의 표면이 무기 멤브레인의 표면전하와 전기적으로 동극성인 겉보기 표면전하를 가지도록 대전된다.
그에 따라, 액상에 함유된 고형물을 분리할 때는, 무기 멤브레인의 표면전하와 고형물의 겉보기 표면전하가 서로 전기적으로 동극성으로 대전되고, 그들 사이의 전기적인 인력은 약하게 된다. 그러므로, 액상 속의 고형물의 분리에서, 고형물에 의한 무기 멤브레인의 오염을 제한하거나 감소시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 멤브레인 분리장치의 구조를 도시하는 개략적인 도면이다.
도 2는 세라믹 평탄 멤브레인 또는 평탄 시트 세라믹 멤브레인의 구조를 개략적으로 도시하는 개략적인 수직 단면도이다.
도 3은 금속 산화물 표면의 대전 상태의 변화를 도시하는 도면이다.
도 4는 pH에 대해 α-알루미나의 ζ-전위의 관계를 도시하는 특성도이다.
도 5는 여러 무기 화합물들의 등전점들과 ζ- 전위를 도시하는 특성도이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 멤브레인 분리 장치의 구조를 도시하는 개략 도면이다.
이하는 첨부 도면들을 참조한 본 발명의 실시예(들)의 설명이다.
여과에 의하여 분리되는 물질이 부착되는 것을 방지할 수 있는 기능을 자체로서 가지는 분리 멤브레인을 얻기 위한, 이하의 (1)~(5)의 현상을 기초로 한 집중적인 연구와 실험의 결과로서, 본 발명이 완성되었다:
(1) 주성분으로서 금속 산화물을 포함하는 무기물로 제조된 무기 멤브레인이 수용액에 투입되므로, pH가 등전점보다 낮은 때는 금속 산화물의 표면 전하는 플러스이며, pH가 등전점보다 높을 때는 금속 산화물의 표면 전하는 마이너스로 대전된다.
(2) 주성분으로서 α-알루미나를 포함하는 무기 멤브레인의 경우, α-알루미나의 등전점은 통상 9 근처이다. 그러므로, 이러한 무기 멤브레인의 표면 전하는 중성 수용액에서 플러스이며, 이러한 무기 멤브레인의 표면 전하는 pH 10의 수용액에서 마이너스로 대전된다.
(3) 수용액 중의 고체들이 금속 산화물의 분산 입자일 때, pH가 금속 산화물의 등전점보다 낮을 때 고체 표면은 플러스로 대전되고, 등전점보다 pH가 높을 때 마이너스로 대전된다.
(4) 무기 멤브레인의 표면 전하가 반대 극성이거나 또는 수용액 중의 고형물의 표면 전하와 이극성인 pH 조건에서, 무기 멤브레인과 고형물 사이에 전기적 인력이나 친화력이 발생된다. 따라서, 고형물은 멤브레인 표면에 고착하기 용이하고, 멤브레인은 폐색되기 쉽다.
(5) 고형물과 무기 멤브레인의 표면 전하가 반대 극성이거나 서로 이극성인 경우, 반대 극성 또는 고형물의 표면 전하에 이극성인 표면 전하를 가지는 전하 조정 또는 제어제를 첨가한 경우에도, 고형물의 표면 전하의 전기 극성을 변하지 않도록 유지함으로써 멤브레인의 폐색을 방지할 수 있으며, pH를 조정함으로써 무기 멤브레인의 표면 전하를 고형물의 표면 전하와 동극성이거나 또는 극성이 같도록 할 수 있다.
이와 같이, 무기 물질을 가진 수용액에 분산된 입자 형태의 고형물을 분리하는 방법에서, 무기 물질에 고형물이 부착하는 것을 방지하기 위하여, 발명자는 무기 멤브레인 또는 고형물의 표면 전하의 조정이 효과적임을 발견하여 본 발명에 도달하였다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 액상에 함유된 고형물을 분리함에 있어서, 고형물의 표면전하가 액상으로부터 고형물을 분리하기 위한 무기 멤브레인의 표면 전하와 전기적으로 동극성인 표면 전하를 가지도록, 액상의 pH가 조정된다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 액상에 함유된 고형물을 분리함 있어서, 고형물의 표면이, 액상에 무기 멤브레인의 표면 전하와 전기적으로 동극성이며 고형물의 표면 전하와 전기적으로 이극성인 표면 전하를 가지는 전하 조정 또는 제어제를 액상에 첨가함으로써, 액상으로부터 고형물을 분리하는 무기 멤브레인의 표면 전하와 전기적으로 동극성인 겉보기 표면 전하를 가지도록 대전된다.
본 발명의 여전히 또 다른 실시예에 따르면, 액상에 함유된 고형물을 분리함에 있어서, 고형물의 표면 전하가 액상으로부터 고형물을 분리하는 무기 멤브레인의 표면 전하에 전기적으로 이극성인 경우, 액상의 pH가 고형물의 표면 전하에 전기적으로 이극성인 표면 전하를 가지는 전하 조정 또는 제어제의 표면을 대전하도록 조정되므로, 전하 조정제의 첨가에 의하여 형성된 고형물의 표면 전하는 전하 조정제의 첨가에 의해 형성된 또 다른 고형물의 표면 전하와 전기적으로 동극성으로 대전된다.
예컨대, 무기 멤브레인은 예를 들어, 주성분으로서 α-알루미나와 같은 알루미늄 산화물인 금속 산화물을 함유하는 무기 멤브레인이다. 그러나, 무기 멤브레인의 재료는 금속 산화물에 한정되지 않는다. 무기 멤브레인은 주성분으로서 금속 산화물과 금속 수산화물의 적어도 하나를 함유하는 무기 멤브레인일 수 있다.
구체적으로, 금속 산화물과 금속 수산화물로서, 무기 멤브레인의 주성분은 산화 알루미늄, 수산화알루미늄, 산화티타늄, 수산화티타늄, 산화지르코니움, 수산화지르코니움, 산화아연, 수산화아연, 산화규소 및 수산화규소의 적어도 하나의 화합물을 포함할 수 있다.
상기 무기 멤브레인은 바람직하게 주성분으로서 양쪽성 특성(amphoteric property)을 가지는 금속 산화물 또는 금속 수산화물의 적어도 하나를 포함하는 무기 멤브레인이다. 그러나, 무기 멤브레인은 이들 물질의 멤브레인들에 제한되지 않으며, 무기 멤브레인은 액상에서 특정 또는 일정한 표면 전하를 가지는 무기 물질의 멤브레인일 수 있다.
상기 무기 멤브레인의 형태로서, 무기 멤브레인의 하나의 예는 도 2 도시와 같이, 외부 압력 형태의 고액 분리 유형의 세라믹 평탄 멤브레인 또는 평탄 시트 멤브레인(3)이다. 세라믹 평탄 멤브레인(3)은 양호한 물 투과성을 가지는 세라믹 판의 기판 또는 베이스 재료(31)와 더 미세한 조직을 가지며 기판(31)의 외면(들)을 덮고 전체 외면(들)에서 여과 멤브레인으로서 기능하는 세라믹 멤브레인(32)을 포함하는 이중층 구조를 가진다. 선택되는 멤브레인 또는 필름(32)들 또는 멤브레인의 구멍 크기는 일반 박테리아(1~2㎛)보다 더 작다. 기판(31)은 내부에 관형 공간(void) 또는 공동 형태의 물 수집 통로 또는 튜브(33)를 포함한다. 물 유도 모드에 관하여, 물 공급 또는 처리수는 화살표로 표시된 바와 같이, 각 멤브레인(32)의 외측으로부터 수집 통로(33)로 도입된다. 모든 수집 통로(33)는 여과수가 유출될 수 있도록 개구가 구비된 콜렉터 튜브에 연결된다. 개구는 여과수를 외부로 유출하기 위하여 그리고 여과를 위하여 여과수를 흡입하기 위하여 제2 측면 또는 투과 측면으로서 마이너스 압력을 가하도록 배치된다.
더구나, 무기 멤브레인의 형태로서, 도 2 도시와 같이 세라믹 평탄 멤브레인(3)으로서의 단일 멤브레인, 또는 멤브레인 모듈로서 결합되고 합체된 복수의 멤브레인 부재들을 사용할 수 있다.
고액 분리 시스템으로서, 상술한 외부 압력 형태 외에, 멤브레인(중공 파이버 또는 튜브 내측) 내측으로 물 또는 처리수를 공급하기 위하여 내부 압력 형태의 여과 시스템을 사용할 수 있으며, 처리수를 외부(중공 파이버 또는 튜브 내측)로 흐르도록 한다.
무기 멤브레인의 재료는 세라믹과 같은 단일 재료일 필요는 없다. 무기 멤브레인의 재료는 둘 이상의 재료의 혼합물일 수 있다.
더구나, 무기 멤브레인의 구조는 이중층 구조에 한정되지 않는다. 무기 멤브레인의 구조는 단일층 구조 또는 다층 구조일 수 있다. 단지 외면층을 위하여, 복수 층들을 포함하는 멤브레인 구조의 경우, 일정한 등전점을 가지는 재료의 멤브레인이 외면층에 배치될 수 있다.
무기 멤브레인의 주성분이 금속 산화물인 경우, 입자 표면은 수산기를 포함하며, 산-염기 반응이 pH에 따라 생성되고, 따라서 전하가 마이너스, 중립 및 플러스로 변한다(비특허 공보 3). 도 3은 반응을 개략적으로 도시한다. 수산기는 pH가 낮은 때 양자화되고 플러스로 대전되고, pH가 높으면 양자가 상실되고 마이너스로 대전된다. 그러므로, pH가 연속으로 변할 때, 플러스 및 마이너스 전하는 균등해지고 따라서 입자는 등전점으로 불리는 특정의 pH 값에서는 대전되지 않는다. 예컨대, 도 4 도시의 각각의 pH 값에서 ζ-전위와 α-알루미나의 등전점의 관계에 따르면, α-알루미나의 등전점은 대략 9와 같다(비특허 문헌 3). 그러므로, 주성분으로 금속 산화물을 포함하는 무기 멤브레인의 경우, 수용액 중의 표면 전하는 pH에 의해 영향을 받는다. ζ-전위는 고체와 액체 사이의 계면에 걸쳐 존재하는 전위를 나타내며, 용액에서의 고체 표면 또는 콜로이드 입자의 대전 상태를 표면 전위(표면 전하)로 나타낸다. ζ-전위가 제로에 근접하면, 미세 입자들 사이의 반발력은 더 작아져서, 응집(aggregation) 또는 침전(flocculation)을 발생한다.
주성분으로서 예컨대 금속 수산화물을 포함하는 무기 멤브레인의 경우, 하이 드록시 아파타이트[Ca10(PO4)5(OH)2]는 두 개의 부위를 가지는 데, 하나의 부위는 칼슘 이온의 양 전하 부위이고, 다른 하나는 인산염의 음 전하 부위이다. 그러므로, 산에서 염기에 걸친 등전점을 가지는 다양한 고체들을 분리할 수 있다. 일반적으로, 금속 수산화물은 알카리 또는 양쪽성이다. 그러므로, 수중의 표면 전하는 주성분으로 수산화물을 포함하는 무기 멤브레인의 경우 pH에 의존한다.
고형물이 금속 산화물인 경우, 고형물의 표면 전하는 무기 멤브레인과 같이 pH에 의존한다. 무기 멤브레인을 사용한 수용액 중의 분산 입자 형태의 고형물의 분리의 경우, 무기 멤브레인과 고형물 사이의 전기 친화성이 수용액의 pH를 조정함으로써 감소되어 무기 멤브레인의 표면 전하와 고형물의 표면 전하를 동극성이 되도록 형성하였다. 이로써, 멤브레인 표면으로의 고형물의 부착을 감소시킬 수 있으며, 안정된 고액 분리를 달성할 수 있다.
예컨대, 무기 멤브레인이 알루미늄 산화물로 제조되고 고형물이 산화티타늄 일 때, 산화알루미늄의 등전점은 pH 9 근처에서 형성되고, 산화티타늄의 등전점은 pH 6 근처에서 형성된다. 그러므로, 수용액의 pH가 9보다 크게 되면, 수용액 또는 수성 용액 중의 산화 알루미늄과 산화 티타늄은 모두 마이너스로 대전되므로, 멤브레인 표면에 대한 고형물의 부착성은 더 낮아지고 따라서 고액 분리는 안정되게 실행될 수 있다.
더구나, 물 또는 수용액의 pH가 7인 경우에도, 폴리염화 알루미늄이 전하 조정 또는 제어제로서 수용액에 첨가되면, 폴리염화 알루미늄은 산화 티타늄의 표면에 부착된다. 그러므로, 고형물과 무기 멤브레인의 표면들은 모두 동극성 전하로 플러스로 대전되므로, 멤브레인 표면으로의 고형물의 부착은 더 낮아지고 따라서 고액 분리는 안정적으로 실행될 수 있다.
또한, OSPW는 점토를 형성하는 광물인 점토 선호물(clay flavorite)을 함유한다. 예컨대, 카올리나이트(Al2O3·2SiO2·2H2O) 및 몬모릴로나이트(montmorillonite)와 같은 규산염 광물이 함유되고, 표면이 대전되어 있다. 그러한 점토 광물도 상기 설명한 무기 멤브레인을 사용하여 액체로부터 분리될 수 있다.
그러므로, 상기 설명한 무기 멤브레인에 의하여 액상으로부터 분리될 수 있는 고형물은 금속 산화물로 한정되지 않는다. 상기 설명된 무기 멤브레인에 의하여 액상으로부터 분리되는 고형물은 금속 수산화물 및/또는 금속 산화물 외의 점토 광물을 함유하는 미세한 입자들일 수 있다. 수용액에서 일정한 표면 전하가 나타나는 한, 고형물의 성분과 물질에 대한 제한은 없다.
더구나, pH의 조정을 위하여, 용해와 증류에 의해 준비된 용액으로서, 황산, 염산, 질산과 같은 산, 또는 수산화나트륨, 탄산나트륨, 탄산수소나트륨과 같은 알카리를 첨가할 수 있다.
전하 조정제로서, 특정의 pH 값에서 액상에 분산된 입자들의 전하와 이극성인 전하를 가지는 약제를 사용할 수 있다. 전하 조정제의 예들은 알루미늄염, 철염, 등이다. 유기 전하 조정제들의 예들은 양 이온 폴리머와 음 이온 폴리머이다. 전하 조정제는 단일 화학 물질의 약제 또는 복수의 화학 물질을 포함하는 약제일 수 있다.
알루미늄 염으로서, 저분자량 형태 및 고분자량 형태, 또는 폴리머 형태가 있다. 저분자량 알루미늄염의 예들은 황화알루미늄[Al2(SO4)3], 염화알루미늄 (AlCl3), 함철알루미늄 설페이트[(Al2(SO4)3 + Fe2(SO4)3)], 암모늄 백반(alum)[ (NH4)2SO4·Al2(SO4)3] 및 칼륨 백반[K2SO4·Al2(SO4)3]을 포함한다. 고분자량 유형의 알루미늄염의 예들은 황산 알루미늄[[Al2(OH)n(SO4)3-n/2])m] 및 폴리염화 알루미늄 [[Al2(OH)nCl4-n] m]이다.
또한, 철염으로서, 저분자량 유형과 고분자량 유형이 있다. 저분자량 유형의 철염의 예들은 황화제1철[FeSO4·7H2O], 황화제2철[Fe2(SO4)3], 염화제2철(FeCl3), 및 염화 커퍼러스(cooperas)[FeCl3+Fe2(SO4)3]가 있다. 고분자량 유형의 철염의 예들은 폴리황산철[[Fe2(OH)n(SO4)3-n/2] m] 및 폴리염화제2철[[Fe2(OH)nCl4-n ]m(SO4)3]가 있다.
본 발명이 적용가능한 멤브레인 분리장치 또는 시스템의 유형으로서, 일 예는 도 1에 도시된 바와 같은 멤브레인 분리장치(1)인 데, 이는 고액 분리탱크(2)에서 멤브레인 표면이 수직이 되도록 배치된 도 2 도시와 같은 외압식 고액 분리 유형의 세라믹 평탄 멤브레인(3)에 의해 배치식으로 고형물 함유 액체를 처리한다. 세라믹 평탄 멤브레인 또는 평 시트 멤브레인(3)이 멤브레인 분리탱크(2)의 액상 중에 침지된다. 압력계(PI)에 의해 막간 차압 또는 변화량을 모니터링 하면서, 세라믹 평탄 멤브레인(3)의 제2 측면으로부터 흡입 펌프(P)로 음압을 걸어, 여과액 만을 흡입 및 여과하고, 그 후 이를 여과액 탱크(4)로 이송한다. 정상적으로, 여과액의 유속은 유량계(FI)를 모니터링하면서 미리 정하여진 투과 유속으로 제어된다. 투과 유속(m/일)는 멤브레인의 단위 표면적에 대한 흐름량 또는 흐름 속도이다. 투과 유속은, 흡입 여과액의 양으로부터 역 세정을 위한 수량을 빼는 것에 의해 얻어진 순(net) 처리량을 멤브레인 면적에 의해 나누어서 얻어진 값으로 표시된다.
본 발명이 적용가능한 멤브레인 분리장치의 또 다른 유형은 고형물을 함유하는 액체를 연속으로 처리할 수 있는 멤브레인 분리장치이다. 예컨대, 도 6 도시의 멤브레인 분리장치(5)는 처리수를 멤브레인 분리 탱크(2)로 공급하기 위한 원수 공급 펌프(P1), 장시간 연속 여과를 가능하도록 세라믹 평탄 멤브레인(3) 아래로부터 공기 확산을 통한 통기 세척에 의해 멤브레인 표면을 세척하기 위한 기기와, 여과수 등을 이용하여, 역압력 세정에 의해 정기적으로 멤브레인을 세정하기 위한 기기를 포함한다.
위에 설명된 바와 같이, 무기 멤브레인과 고형물의 표면 전하에 초점을 설정하고 무기 멤브레인과 고형물이 공존하는 액상의 pH를 조정하거나 또는 제어함으로써, 또는 액상에 무기 멤브레인과 동극성인 표면 전하를 가지는 화학제를 첨가함으로써 고형물의 부착과 부착층의 형성을 감소시킬 수 있다.
이로써, 무기 멤브레인의 파울링을 한정하고 안정한 여과를 달성할 수 있다. 고형물을 함유하는 액체 처리용 상황 및 목적에 따라, 본 발명은 배치식 공정 및 연속 공정에 적용할 수 있다.
본 발명의 실시예들이 이하에 설명된다.
(실시예 1)
금속 산화물로서 산화 알루미늄을 포함하는 세라믹 평탄 멤브레인(3)은 도 1 도시의 멤브레인 분리장치(1)의 멤브레인 분리탱크(2)(부피 0.05m3)에 제공되며, 현탁액이 탱크(2)로 도입되었다. 수열 합성에 의해 제조된 산화 티타늄 함유 현탁 액과, 탱크에 도입된 현탁액의 양은 2.5L(산화 티타늄의 농도는 100g/L)이었다.
세라믹 평탄 멤브레인(3)의 다른 사플러스 데이터에 대해, 공칭 구멍 크기는 0.1㎛ 이며, 외측 크기들의 세트는 W100×H250×T12 mm(유효 멤브레인 면적 0.05m2)이었다. 입자 포착 효율은 0.1m 입자들에 대하여 95%와 같거나 그보다 높았다.
상기 설명한 현탁액은 초기 산화 티타늄 농도 5000g/L을 가지도록 준비되고, 현탁액의 pH는 수산화나트륨의 첨가에 의해 10.5의 값으로 조정되었다. 흡입 펌프(P)는 세라믹 평탄 멤브레인(3)의 흡입 포트에 연결되었고, 현탁액이 교반기 또는 혼합기(M)에 의해 교반되었다. 이와 같이, 흡입 여과는 0.3 ∼1.0m/d의 정량적으로 제어된 여과 플럭스에서 유량계(FI)를 모니터링 하면서 흡입 펌프(P)를 작동시켜 실행되었다. 여과 처리수는 여과수 탱크 또는 여과 탱크(4)에 수용되었다.
여과 중의 막간 차압은 세라믹 평탄 멤브레인(3)의 제2 측면 위의 배관에 배치된 압력계(PI)(오카노 제작소, 모델 DMP202N)에 의해 측정되었다. 여과 개시 시점에서의 막간 차압과 24시간 후의 막간 차압의 차이로부터 막간 차압의 증가 속도 또는 증가율이 산출되었다. 이와 같이 산출된 막간 차압의 증가 속도는 0.01kPa/day이었다.
ζ-전위 및 입자 크기 측정 시스템(오츠카 전자 주식회사, 모델 ELSZ-1000ZS)를 이용하여, 이 실시예에 사용된 산화 티타늄 현탁액의 작은 양을 취해서 등전점을 측정한 결과, 등전점은 6.3이었다. 이러한 실시예에 사용된 세라믹 평탄 멤브레인(3)은 분쇄되고 이와 같이 얻어진 산화 알루미늄이 물에 현탁되었다. 이와 같이 얻어진 현탁액의 등전점이 상기 설명한 ζ-전위 및 입자 크기 측정 시스템에 의하여 측정되었다. 측정 결과, 등전점은 9.2이었다. 이러한 실시예에서, 멤브레인 분리 탱크(2) 내의 현탁액의 pH는 pH 10.5로 조정되었다. 따라서, 현탁액의 산화 티타늄 표면은, 6.3 등전점 보다 높은 pH를 가지는 용액 내에 산화 티타늄이 있으므로 마이너스로 대전된다.
이러한 실시예에서 무기 멤브레인의 재료는 산화 알루미늄이며, 이는 현탁액에서 도 5 도시와 같이 9.0의 등전점보다 높은 pH(pH 10.5)를 가진다. 그러므로, 무기 멤브레인의 표면은 마이너스로 대전된다. 현탁액에서의 산화 티타늄 입자(등전점 6.3)는 마이너스로 대전되어 동극성 쪽으로 된다. 그러므로, 산화 티타늄 입자가 여과 동안 무기 멤브레인 표면에 부착되더라도, 그들 사이의 정전 반발력이 치밀화(compaction) 또는 압밀성 (consolidation)을 감소시키도록 작용한다. 따라서, 막간 차압의 증가 속도는 이후 설명되는 비교예 1 및 2에 비해서 현저하게 저하되고, 이 실시예로부터 명백한 바와 같이 여과는 안정된다.
(실시예 2)
실시예 2에서, 현탁액의 pH가 9.5로 조정된 것을 제외하고는 실시예 1과 같은 방식으로 여과 시험이 실행되었다. 막간 차압의 증가 속도 또는 비율의 측정 값은 0.02kPa/day이었다. 현탁액의 pH 9.5 조건은 도 5 도시와 같이, 산화 알루미늄의 등전점(9.0) 및 산화 티타늄의 등전점(6.3)보다 더 높다. 그러므로, 양자의 표면들은 마이너스로 대전되고, 그들 사이의 정전 반발력은 치밀화 또는 압밀성을 감소시킨다. 따라서, 막간 차압의 증가 속도는 이하 설명되는 비교 예 1 및 2에 비해서 현저하게 감소되고, 이러한 실시예로부터 명백한 바와 같이 안정된 여과 성능이 얻어진다.
(실시예 3)
실시예 3에서, 여과 시험이 현탁액의 pH가 5.5로 조정된 것을 제외하고는 실시예 1과 같은 방식으로 실행되었으며, 막간 차압의 증가 속도의 측정값은 0.02kPa/day이었다. 도 5 도시와 같이, 현탁액의 pH5.5의 조건은 산화 알루미늄(9.0)의 등전점과 산화 티타늄(6.3)의 등전점보다 더 낮다. 그러므로, 양자의 표면들은 플러스로 대전되고, 그들 사이의 정전 반발력은 치밀화 또는 압밀성을 감소시킨다. 따라서, 막간 차압의 증가 속도는 이하 설명되는 비교 예 1 및 2에 비해서 현저하게 감소되고, 이러한 실시예로부터 명백한 바와 같이 안정된 여과 성능이 얻어진다.
(실시예 4)
실시예 4에서, 현탁액의 pH가 7.5로 조정된 것과, 또한, pH 조정 후에 폴리염화 알루미늄(이하에서 PAC로 칭해짐)이 현탁액에 50mg/L의 분사 속도로 전하 조정 또는 제어제로서 첨가된 것을 제외하고는 실시예 1과 같은 방식으로 여과 시험이 실행되었다. 막간 차압의 증가 속도의 측정값은 0.01kPa/day이었다. PAC 첨가 후에 현탁액의 소량을 취하여 ζ-전위를 측정한 결과, 등전점은 8.9이었다. PAC를 첨가함으로써, 티타늄 산화물 표면은 PAC로 코팅되고, 등전점은 8.9로 된다. 그러므로, PAC로 코팅된 산화 티타늄은 도 5 도시와 같이 pH 7.5의 조건에서 플러스로 대전된다. pH 7.5의 조건에서, 알루미늄 산화물(등전점 9.0) 재료의 무기 멤브레인은 또한 플러스로 대전된다. 그러므로, 현탁액에서 PAC로 코팅된 산화 티타늄 입자들이 여과 동안 산화 알루미늄의 무기 멤브레인 표면에 부착되더라도, 그들 사이의 정전 반발력이 치밀화 또는 접착성을 감소시키도록 작용한다. 따라서, 막간 차압의 증가 속도는 이하 설명되는 비교예 1 및 2에 비해서 현저하게 감소되고, 이러한 실시예로부터 명백한 바와 같이 안정된 여과 성능이 얻어진다.
(실시예 5)
실시예 5에서, 실시예 1에서 사용된 산화 티타늄 대신에, 침전 반응에 의해 생성된 산화 지르코니움 입자들을 사용하여 실시예 1에서와 같이 여과 시험이 실행되었다. ζ-전위 및 입자 크기 측정 시스템에 의하여 산화 지르코니움 입자들의 현탁액의 등전점 측정 결과, 등전점은 5.2이었다. 현탁액의 pH는 10.5로 조정되었으며, 막간 차압의 증가 속도는 실시예1에서와 같은 방식으로 측정되었다. 측정 결과, 막간 차압의 증가 속도는 0.01kPa/day이었다. 도 5 도시와 같이, 산화 지르코니움(5.2)의 등전점과 산화 알루미늄(9.0)의 등전점보다 더 높은 pH 10.5의 조건에서, 양자의 표면은 마이너스로 대전되고, 그들 사이의 정전 반발력은 치밀화 또는 접착을 감소시키도록 작용한다. 따라서, 막간 차압의 증가 속도는 앞에서 설명한 바와 같이 이후 설명된 비교예 1 및 2에 비해서 현저하게 감소되고, 본 실시예로부터 명백한 바와 같이, 안정된 여과 성능이 얻어질 수 있다.
(실시예 6)
실시예 6에서, 실시예 5에서 사용된 산화 지르코니움 입자 현탁액의 pH는 9.5로 조정되었고, 실시예 5와 같은 방식으로 여과 시험이 실행되었으며, 막간 차압의 증가 속도가 측정되었다. 측정 결과, 막간 차압의 증가 속도는 0.02kPa/day이었다. 도 5 도시와 같이, 산화 알루미늄(9.0)과 산화 지르코니움(5.2)의 등전점보다 더 높은 pH 9.5의 조건에서, 양자의 표면은 마이너스로 대전되고, 그들 사이의 정전 반발력은 치밀화 또는 접착을 감소시키도록 작용한다. 따라서, 막간 차압의 증가 속도는 앞에서 설명된 바와 같이, 이하 설명되는 비교예 1 및 2에 비해서 감소되고 안정된 여과 성능이 이 실시예로부터 명백한 바와 같이 얻어질 수 있다.
(실시예 7)
실시예 7에서, 실시예 5와 같은 방식으로 여과 시험이 실행되었으며, 산화 지르코니움 입자의 현탁액의 pH는 4.5로 조정되었다. 막간 차압의 측정 결과, 증가 속도는 0.02kPa/day이었다. 도 5 도시와 같이, 산화 알루미늄(9.0)의 등전점과 산화 지르코니움(5.2)의 등전점보다 낮은 pH 4.5의 조건에서, 양측의 표면들은 플러스로 대전되고, 그들 사이의 정전 반발은 치밀화 또는 접착을 감소시키도록 작용한다. 따라서, 막간 차압의 증가 속도는 앞에서 설명된 바와 같이 감소되고, 안정된 여과 성능이 이러한 실시예로부터 명백한 바와 같이 얻어질 수 있다.
(실시예 8)
도 6에 도시된 실시예 8의 멤브레인 분리장치(5)는 원수 탱크(6)(30L), 원수 공급펌프(P1), 역세정 펌프(P2), 송풍기(B), 및 밸브(V1 및 V2)들을 포함한다.
멤브레인 분리 탱크(2)(크기 W100mm X H500mm X D50mm, 유효 용적 3L)에서, 교반기(M) 대신에 확산 파이프(7)가 구비된다. 확산 파이프(7)는 송풍기(B)로부터 도입된 공기에 의한 공기 세척에 의해 멤브레인 표면을 세척하기 위한 확산부이다.
원수 탱크(6)에는 탱크 내의 원수를 균일하게 교반하기 위하여 교반기 또는 스터러(도시 없음)를 구비한다. 원수 공급부 또는 공급 펌프(P1)는 원수 탱크(6)로부터 원수를 멤브레인 분리 탱크(2)로 공급한다. 역세정 펌프(P2)는 여과수 또는 여과 탱크(4)의 여과수에 의해 멤브레인을 세정하기 위하여 정기적으로 역복압 세정을 실행하기 위한 펌프이다.
밸브(V1)는 여과시 여과수를 여과 탱크(4)로 공급하기 위한 경로를 확보하고 세정시 여과수가 여과수 탱크(4)로 복귀하는 것을 방지하기 위하여 경로를 차단하기 위한 밸브이다. 밸브(V2)는 여과수를 상기 설명한 세정 시에 여과 방향에 반대 방향으로 세라믹 평탄 멤브레인(3)으로 여과 수를 공급하기 위하여 경로를 확보하기 위한 밸브이다.
일반적으로, 무기 멤브레인을 세정하기 위한 이하의 방법들이 있다: (1) 통기 세정(무기 멤브레인의 멤브레인 표면에 부착된 물질을 거친 거품과 무기 멤브레인의 하부측으로부터 공기를 송풍함으로써 생성된 상승 물 흐름에 의해 제거하는 방법), (2) 역압 세정(무기 멤브레인의 멤브레인 표면에 부착된 물질을 여과 방향과 반대 방향으로의 처리수 흐름에 의해 제거하기 위한 방법), 및 (3) 인라인 세정(여과 방향에 반대 방향으로 무기 멤브레인으로 차아염소산 나트륨(sodium hypochlorite) 용액과 같은 화학액을 분사함으로써 무기 멤브레인을 폐색과 협착으로부터 회복시키기 위하여 부착물을 용해시키고 박리하는 방법).
실시예 8은 일반적인 여과 작동에서 결합된 세정 방법(1)과 (2)를 채용하였다. 확산 파이프(7)로서, 이 예는 거친 거품을 공급함으로써 세라믹 평탄 멤브레인(3) 아래로부터 확산시키기 위하여, 약 2mm의 홀 직경의 여러 홀들에 의하여 형성된 상업적으로 구입가능한 폴리염화비닐 파이프(내경 또는 구경 13mm)를 사용하였다.
역압 세정에서, 배관 경로는 여과를 위한 경로와 역세정용 경로 사이의 밸브들인 V1 및 V2를 작동시킴으로써 주기적으로 변화되고, 역세정 펌프(P2)는 작동되는 반면에 흡입 펌프(P)는 정지된다.
세라믹 평탄 멤브레인(3)으로서, 실시예 8은 실시예 1∼7의 세라믹 평탄 멤브레인들과 동일한 사양의 세라믹 멤브레인을 사용하였다. 세라믹 평탄 멤브레인의 등전점은 9.0이었다.
본 실시예에 사용되는 원수를 준비하기 위하여, 북아메리카의 오일 샌드 채광소에서 실제 배수(OSPW)가 입수되었다. 상기 설명한 OPSW의 특성은 이하와 같다: pH 7.29, ζ-전위 -30.0mV, 입자 크기 분포(PSD) 0.7㎛, TSS(전체 현탁 고형물) 21.3 mg/L, TDS (총 용해 고형물) 1920mg/L, 혼탁도 26 NTU, 전도율 3600μS/m, TOC 41.3mg/L, 및 오일 함량 2.1mg/L.
본 실시예에서의 원수는 위에 설명된 OPSW에 10mg/L의 분사 속도로 전하 조정제로서 황산알루미늄(Al2(SO4)3)을 현탁 상태로 첨가함으로써 준비되고, 이와 같이 얻어진 현탁액의 pH는 수산화나트륨 용액에 의하여 pH 10의 목표값으로 조정되었다. 이러한 현탁액의 pH는 9.52이었고, ζ-전위는 -27.5mV이었다.
상업적으로 구입 가능한 점토광물, 즉, 카올리나이트 및 몬모릴나이트는 물속에 현탁되고 현탁액의 등전점은 상기 설명한 ζ-전위 및 입자 크기 측정 시스템에 의하여 측정되었다. 측정 결과, 카올리나이트의 등전점은 2∼4.6이고, 몬모릴나이트의 등전점은 2∼3이었다. 그러므로, pH 9.52의 현탁액의 조건에서, 용액의 pH가 현탁액의 대전 물질의 주성분으로 함유된 점토 광물의 등전점보다 더 높으므로, ζ-전위는 상기 설명한 값과 같아지며, 전하는 마이너스로 된다.
다른 한편, 이러한 실시예의 무기 멤브레인의 표면은, 무기 멤브레인의 9.0의 등전점보다 높은 pH를 가지는 현탁액에 있으므로 무기 멤브레인은 마이너스로 대전된다.
원수 탱크(6)에서 교반기에 의해 액상을 교반하여 준비된 현탁액은 원수 공급펌프(P1)에 의해 멤브레인 분리탱크(2)에 공급되었다.
멤브레인 분리탱크(2)의 현탁액은 35. mL/분의 사전 설정값과 1.08m/일의 여과 유속에서 흡입 펌프(P)를 작동시킴으로써 세라믹 평탄 멤브레인(3)에 의해 여과되었다. 원수 공급 펌프(P1)의 사전 설정 값은 장시간 작동을 통해 멤브레인 분리탱크(2)의 물 양의 감소에 기인하여 여과 작동의 어려움을 피하기 위하여 멤브레인 분리탱크(2)의 물 레벨 위치에 굽혀진 오버플로우 파이프로부터 약간의 오버플로우가 확인되는 레벨로 설정되었다.
통기 세척은 언제나 송풍기(B)로부터 확산 파이프(7)로 1.13mL/분(여과 흐름속도의 0.03배)에서 공기를 공급함으로써 실행되었다.
역압 세정은 밸브(V1)가 닫히고 밸브(V2)가 개방된 상태에서 0.5분간 여과 흐름속도의 2배와 같은 큰 흐름속도에서 역 세정 펌프(P2)를 작동시킴으로써, 실행되었고, 이로써 여과수 탱크(4)로부터의 여과수를 10분 간격의 규칙적인 시간 간격으로 세라믹 평탄 멤브레인(3)에 공급하였다. 역압 세정 이후에, 세라믹 평탄 멤브레인(3)의 여과수 공급 대상은 밸브(V1 및 V2)를 작동시켜 여과수 탱크(4)로 변경되었다.
막간 차압이 여과 동안 세라믹 평탄 멤브레인(3)의 제2 측면 배관에 배치된 압력계(PI)(오카노 제작소 주식회사, 모델 DMP202N)에 의하여 측정되었다.
여과 개시 시간으로부터 막간 차압의 시간에 따른 변화가 기록되었으며, 막간 차압의 증가 속도 또는 비율이 산출되었다. 막간 차압의 산출된 증가 속도 또는 비율은 0.13kPa/hour이었다.
현탁액의 ζ-전위 값으로부터 명백한 바와 같이, 현탁액에 전하조정제를 첨가함으로써 형성된 고형물의 표면 전하는 세라믹 평탄 멤브레인(3)의 표면 전하와 전기적으로 동극성이다. 그러므로, 그들 사이의 정전 반발력은 고형물이 세라믹 평탄 멤브레인(3)의 표면에 부착하더라도 치밀화 또는 접착을 감소시키도록 작용한다. 따라서, 막간 차압의 증가 속도 또는 비율은 이후 설명되는 비교예 3의 막간 차압의 증가 속도에 비해서 현저하게 감소되고, 본 실시예로부터 명백한 바와 같이, 안정된 여과 성능이 얻어질 수 있다.
더구나, 이러한 실시예에서, 산화 티타늄 산화물(등전점 pH 6.3), 산화 지르코니움(등전점 pH 5.2), 또는 실리커(등전점 pH 4 근처)가 코팅으로서 함유되거나 적용되도록 세라믹 평탄 멤브레인(3)의 표면을 처리함으로써, 표면의 등전점을 감소시킬 수 있으며 현탁액의 pH가 더 낮은 값으로 조정되더라도 막간 차압의 증가 속도를 제한하기 위하여 고액 분리를 실행할 수 있다.
(비교예 1)
비교예 1에서, 현탁액의 pH가 7.5로 조정된 것을 제외하고 실시예1와 동일한 방식으로 여과 시험이 실행되었고, 막간 차압의 증가 속도가 측정되었다. 막간 차압 증가 속도의 측정 값은 3.5kPa/day이었으며, 멤브레인 폐색의 진행이 매우 신속하였다. 도 5 도시와 같이, pH 7.5의 조건에서, 산화 알루미늄(등전점 9.0)의 표면은 등전점보다 pH가 낮으므로 양으로 대전되며, 다른 한편, 산화 티타늄(등전점 6.3)의 표면은, 등전점보다 높으므로 음으로 대전된다. 그러므로, 그들 사이의 정전 인력은 멤브레인 표면 위에서의 산화 티타늄 입자의 치밀화 정도를 증가시킨다. 따라서, 막간 차압의 증가 속도는 증가되고, 멤브레인 폐색은 이러한 비교예로부터 명백한 바와 같이 신속하게 진행한다.
(비교예 2)
비교예 2에서, 현탁액의 pH가 5.5로 조정된 것을 제외하고 실시예1와 동일한 방식으로 여과 시험이 실행되었고, 막간 차압의 증가 속도가 측정되었다. 막간 차압의 증가 속도의 측정 값은 3.2kPa/day이었으며, 멤브레인 폐색의 진행이 매우 신속하였다. 도 5 도시와 같이, pH 5.5의 조건에서, 산화 알루미늄(등전점 9.0)의 표면은 등전점보다 pH가 낮으므로 플러스로 대전되며, 다른 한편, 산화 지르코니움(등전점 5.2)의 표면은, pH가 등전점보다 높으므로 마이너스로 대전된다. 그러므로, 그들 사이의 정전 인력은 멤브레인 표면 위에서의 산화 티타늄 입자의 치밀화 정도를 증가시킨다. 따라서, 막간 차압의 증가 속도는 증가되고, 멤브레인 폐색은 이러한 비교예로부터 명백한 바와 같이 신속하게 진행한다.
(비교예 3)
비교예 3에서, 이하의 현탁액(A)과 현탁액(B)이 사용되었다. 현탁액(A)에서와 같이, 상술한 OPSW가 직접 사용되었다. 현탁액(B)은 실시예 8에서와 같이 상술한 OPSW에 직접 전하 조정제를 첨가함으로써 준비되었으며, 그러나 pH 조정은 실행되지 않았다.
현탁액(A)의 특성들은 이하와 같다: pH 7.29, -전위는 -30.0mV, 입자크기 분포(PSD) 0.7㎛, TSS (총 현탁 고형물) 21.3mg/L, TDS (총 용해 고형물) 1920mg/L, 혼탁도 26NTU, 전도율 3600μS/m, TOC 41.3mg/L, 및 오일 함량 2.1mg/L. 현탁액(B)의 특성은 이하와 같다: pH7.15, ζ-전위 -27.5mV, 및 입자크기 분포(PSD) 1.1㎛.
현탁액(A 및 B)을 사용하여 실시예 8과 같은 동일한 방식으로 여과 시험이 실행된 결과, 막간 차압의 증가 속도의 측정값은 현탁액(A)의 경우 0.72kPa/hour이었고, 현탁액(B)의 경우 0.39kPa/hour이었다.
비교예 3에 사용된 세라믹 평탄 멤브레인(3)은 주성분으로 산화 알루미늄을 포함하고, 이러한 세라믹 평탄 멤브레인(3)의 등전점은 9.0이다. 따라서, 세라믹 평탄 멤브레인(3)의 표면은 현탁액(A 및 B: 현탁액: pH 7.29, 현탁액: pH 7.15)의 pH 조건에서 양으로 대전된다. 그러므로, 각 현탁액에서 음으로 대전된 표면을 가지는 고형물은 점토 광물을 주성분으로 포함하는 고형물의 멤브레인 표면에서의 치밀화를 증가시키도록 작용하는 정전 인력을 받는다. 이러한 이유로서, 막간 차압의 증가 속도는 더 높아진다. 그러므로, 응집 효과를 가지는 전하 조정제의 첨가에 의해 입자 크기를 증가시키도록 입자크기 분포를 이동시킴으로써 막간 차압의 증가 속도를 다소 제한할 수 있다. 그러나, 전하 조정제의 효과는 세라믹 평탄 멤브레인(3)의 표면 전하와 고형물의 표면 전하 사이의 단극성(monopolarity)의 결과보다 더 작다.
이와 같이, 무기 멤브레인의 표면 전하와 고형물의 표면 전하가 서로 이극성인 pH 조건 아래 고형물의 표면 전하를 변하지 않도록 유지하면서, 막간 차압의 증가 속도는 단지 전하 조정제를 첨가하는 것에 의해 그리고 고형물의 입자 크기를 증가시킴으로써 효과적으로 제한될 수 없는 것이 밝혀졌다.
상기 설명한 바와 같은 실시예들과 비교 예들의 여과 시험들로부터, 무기 멤브레인을 형성하는 금속 산화물의 등전점과 현탁액의 입자들의 등전점 각각보다 더 크거나 작은 값으로 현탁액의 pH를 조정함으로써 멤브레인 폐색 없이 현탁액을 여과할 수 있다. 따라서, 재사용을 위한 품질이 안정적이고 깨끗한 여과수를 얻을 수 있으며, 높은 농도로 현탁액의 현탁 물질을 농축할 수 있다. 농축 액체는 배출수로 된다. 그러나, 배수양을 감소시킬 수 있으며, 여과 시스템의 비용 감소를 달성할 수 있다.
현탁액의 pH가 무기 멤브레인을 형성하는 금속 산화물의 등전점과 현탁액의 입자들의 등전점 사이에 위치하는 경우에도, 현탁물의 표면을 덮고 무기 멤브레인과 동극성으로 표면을 형성하는 전하 조정 또는 제어제를 첨가함으로써 멤브레인의 폐색을 제한하는 방식으로 현탁액의 여과를 실행할 수 있는 것이 발견되었다. 따라서, 재사용을 위하여 품질이 안정적이고 청결한 여과 수를 얻을 수 있으며, 그리고 현탁액에 현가된 물질을 높은 농도로 농축할 수 있다. 농축 액체는 배출수가 된다. 그러나, 배수 양을 감소시킬 수 있으며 여과 시스템의 비용 절감을 달성할 수 있다.
더구나, 액상에 함유된 고형물을 분리함에 있어서, 고형물의 표면 전하가 액상으로부터 고형물을 분리하는 무기 멤브레인의 표면과 전기적으로 이극성인 때조차도, 고형물의 표면 전하에 전기적으로 이극성인 표면 전하를 가지는 전하 조정제를 일정 상태의 액상에 첨가하여, 전하 조정제의 첨가에 의하여 형성된 또 다른 고형물의 표면 전하에 전기적으로 이극성인 전하 조정제를 첨가한 후 pH를 조정하여, 무기 멤브레인의 표면전하와 전하조정제가 첨가되어 형성된 고형물의 표면전하를 전기적으로 동극성으로 대전시키고, 멤브레인 폐색의 진행을 억제시키는 현탁액의 여과를 행할 수 있음을 발견하였다. 이로써 현탁액의 여과 동안 멤브레인 폐색의 진행을 제한할 수 있다. 따라서, 재사용을 위하여 깨끗하고 품질이 좋은 여과수를 얻을 수 있고, 그리고 고 농도로 현탁액의 액체를 농축할 수 있다. 응축 액체는 배출수로 된다. 그러나, 배출수의 양을 감소시키고 여과 시스템의 비용 절감을 달성할 수 있다.
전하 조정제로서, 폴리염화 알루미늄이 실시예들의 일부에서 사용되었다. 그러나, 실시예와 유사한 효과가 폴리염화 알루미늄 외에 다른 상술한 알루미늄 염, 상술한 철 염 및 상술한 양이온 또는 음이온 폴리머를 사용하여 명백히 얻어질 수 있다.

Claims (8)

  1. 액상에 함유된 고형물을 분리함에 있어서, 상기 고형물의 표면전하가 상기 고형물을 액상으로부터 분리하는 무기 멤브레인의 표면전하와 동극성으로 대전되도록 액상의 pH를 조정하는 것을 포함하는 하는 고-액분리 방법.
  2. 제1항에 있어서, 액상의 pH는 고형물의 등전점과 무기 멤브레인의 등전점의 각각의 값보다 더 낮은 pH 값과, 고형물의 등전점과 무기 멤브레인의 등전점의 각각의 값보다 더 높은 pH 값 중의 어느 하나로 조정되는 것을 특징으로 하는 고-액 분리방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 고형물은 전하 조정제를 첨가함으로써 형성되고, 상기 전하 조정제는 전하 조정제가 첨가되기 전에 액상에 함유된 고형물의 표면전하와 전기적으로 이극성인 표면 전하를 가지는 것을 특징으로 하는 고-액 분리방법.
  4. 제3항에 있어서, 전하 조정제의 첨가에 의해 형성된 고형물은 전하 조정제의 첨가에 의해 형성된 또 다른 고형물의 표면 전하와 전기적으로 동극성인 표면 전하를 가지는 것을 특징으로 하는 고-액 분리방법.
  5. 액상에 함유된 고형물을 분리함에 있어서, 상기 고형물을 액상으로부터 분리하는 무기 멤브레인의 표면전하와 전기적으로 동극성이고, 또한 상기 고형물의 표면전하와 전기적으로 이극성인 표면전하를 가지는 전하 조정제를 액상에 첨가하여, 상기 고형물의 겉보기전하를 상기 무기 멤브레인의 표면전하와 전기적으로 동극성으로 대전시키는 것을 포함하는 고액-분리방법.
  6. 제1항 내지 제5항의 어느 한 항에 있어서, 상기 고형물은 금속 산화물, 금속 수산화물 및 점토 광물 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 고-액 분리방법.
  7. 제3항 내지 제6항의 어느 한 항에 있어서, 상기 전하 조정제는 알루미늄 염, 철 염, 및 양이온 또는 음이온 폴리머 중 하나인 것을 특징으로 하는 고-액 분리방법.
  8. 제1항 내지 제7항의 어느 한 항에 있어서, 무기 멤브레인은, 금속 산화물과 금속 수산화물의
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