막

막은 선택적 장벽이다; 어떤 것들은 통과시키지만 다른 것들은 막는다.그러한 것들은 분자, 이온, 또는 다른 작은 입자일 수 있다.막은 일반적으로 합성막과 생물학적 ^[1]막으로 분류할 수 있다.생물학적 막은 세포막,^[2] 세포핵을 덮는 핵막, 점막과 혈청 같은 조직막을 포함한다.합성막은 실험실 및 산업(예: 화학 공장)에서 사용하기 위해 사람에 의해 만들어집니다.

이 막의 개념은 18세기부터 알려져 왔지만 제2차 세계대전이 끝날 때까지 실험실 밖에서는 거의 사용되지 않았다.유럽의 식수 공급은 전쟁으로 인해 손상되었고 물 안전성을 테스트하기 위해 막 필터가 사용되었습니다.그러나 신뢰성 부족, 느린 작동, 선택성 감소 및 비용 상승으로 인해 막이 널리 이용되지는 않았습니다.처음으로 막을 대규모로 사용한 것은 미세 여과 및 초여과 기술이었다.1980년대 이후 이러한 분리 과정은 전기 투석과 함께 대형 플랜트에 적용되어 오늘날에는 경험이 풍부한 여러 회사가 ^[3]시장에 서비스를 제공하고 있습니다.

막의 선택성의 정도는 막의 모공 크기에 따라 달라집니다.모공 크기에 따라 미세여과막(MF), 초여과막(UF), 나노여과막(NF), 역삼투막(RO)으로 분류할 수 있다.또한 막은 균질 또는 이종 구조의 다양한 두께를 가질 수 있습니다.막은 중성 또는 충전될 수 있으며 입자 수송은 능동 또는 수동적일 수 있습니다.후자는 막 프로세스의 압력, 농도, 화학적 또는 전기적 구배에 의해 촉진될 수 있습니다.

막공정분류

미세 여과(MF)

미세 여과는 0.08~2 µm 이상의 입자를 제거하며 7~100 ^[4]kPa 범위에서 작동한다.미세 여과는 잔류 부유물(SS) 제거, 효과적인 소독을 위한 물의 컨디셔닝 및 역삼투의 전처리 단계로 세균 제거에 사용됩니다.

비교적 최근에 개발된 것은 미세 여과와 생물학적 처리를 위한 생물 반응기를 결합한 막 생물 반응기(MBR)입니다.

울트라필터레이션(UF)

0.005~2μm 이상의 입자를 제거하고 70~700kPa 범위에서 ^[4]작동한다.초여과법은 미세여과와 동일한 용도로 많이 사용됩니다.일부 외여과막은 단백질과 탄수화물과 같은 고분자량의 용해된 화합물을 제거하기 위해 사용되었습니다.또한, 그들은 바이러스와 일부 엔도톡신을 제거할 수 있습니다.

나노 여과(NF)

나노 여과는 "느슨한" RO로도 알려져 있으며 0,002 µm 미만의 입자를 제거할 수 있습니다.나노 여과는 폐수에서 선택된 용해 성분을 제거하는 데 사용됩니다.NF는 주로 화학적 연화의 대안을 제공하는 막 연화 공정으로 개발됩니다.

마찬가지로 나노 여과는 직접 역삼투하기 전에 전처리로 사용할 수 있습니다.NF 전처리의 주요 목적은 (1) 탁도와 세균을 제거하여 RO막의 미립자와 미생물 오염을 최소화하고 (2) 경도 이온을 제거하여 스케일링을 방지하며 (3) 급수 총용존고형물(TDS) 농도를 낮추어 RO공정의 작동압을 낮추는 것이다.^[5]

역삼투(RO)

역삼투는 담수화 시 일반적으로 사용된다.또한 RO는 미세 여과 처리 후 남은 폐수에서 용해성분을 제거하기 위해 일반적으로 사용된다.RO는 이온을 제외하지만 탈이온수(850–7000kPa)를 생성하기 위해서는 고압이 필요합니다.RO는 열공정에 기반한 기술을 사용하는 증류에 비해 사용이 간편하고 에너지 비용이 상대적으로 낮기 때문에 가장 널리 사용되는 담수화 기술입니다.RO막은 이온 레벨에서 수분 성분을 제거합니다.이를 위해 현재 대부분의 RO 시스템은 박막복합체(TFC)를 사용하며, 주로 폴리아미드층, 폴리술폰층 및 폴리에스테르층의 ^[6]3가지 층으로 구성됩니다.

나노구조막

새로운 종류의 막은 분자 규모로 물질을 분리하기 위해 나노 구조 채널에 의존합니다.여기에는 탄소 나노튜브막, 그래핀막, 고유 미세공성(PIMS)의 폴리머로 만들어진 막, 금속-유기 프레임워크(MOF)가 포함된 막이 포함됩니다.이러한 막은 나노 여과 및 역삼투와 같은 크기 선택 분리에 사용될 수 있지만, 전통적으로 비싸고 에너지 집약적인 증류가 필요했던 파라핀의 올레핀, 물의 알코올과 같은 흡착 선택 분리에 사용될 수도 있습니다.

막구성

멤브레인 필드에서 모듈이라는 용어는 멤브레인, 압력지지구조, 피드인렛, 출구투과류 및 리텐트류 및 전체 지지구조로 이루어진 전체 유닛을 기술하기 위해 사용된다.멤브레인 모듈의 주요 유형은 다음과 같습니다.

• 관상형, 여기서 막이 지지 다공질 튜브 내부에 배치되고 이들 튜브가 원통형 셸에 함께 배치되어 유닛 모듈을 형성한다.관형 장치는 고형물과 고점도 특성을 가진 공정 흐름을 처리할 수 있을 뿐만 아니라 상대적으로 세척이 용이하기 때문에 주로 미세 여과 및 초여과 용도로 사용됩니다.

• 중공사막은 수백에서 수천개의 중공사 다발로 구성되어 있습니다.전체 어셈블리가 압력 용기에 삽입됩니다.피드는 파이버 내부(내부 흐름) 또는 파이버 외부(외부 흐름)에 적용할 수 있습니다.

• 나선형 상처 - 두 개의 평막 시트 사이에 유연한 투과성 스페이서가 배치됩니다.플렉시블 피드 스페이서가 부가되어 플랫 시트를 원형으로 감는다.

• 플레이트와 프레임은 일련의 평막 시트와 지지 플레이트로 구성됩니다.처리할 물은 인접한 두 막 어셈블리의 막 사이를 통과합니다.플레이트는 막을 지지하고 투과물이 장치 모듈에서 흘러나올 수 있는 채널을 제공합니다.

• 세라믹 및 고분자 플랫 시트막 및 모듈.평판막은 일반적으로 여러 개의 시트로 이루어진 모듈 스택으로 구성된 수중 진공 구동 여과 시스템에 내장되어 있습니다.여과 모드는 물이 막을 통과하여 투과 채널로 수집되는 외부 모드입니다.청소는 통기, 역세척 및 CIP로 수행할 수 있습니다.

막가공 작업

멤브레인 공정의 주요 요소는 전체 투과 플럭스에 대한 다음 매개변수의 영향과 관련이 있습니다.

• 막투과율(k)
• 단위막 면적당 작동 구동력(트랜스막 압력, TMP)
• 막 표면의 오염 및 후속 청소.

플럭스, 압력, 투과성

멤브레인 시스템으로부터의 총 투과 흐름은 다음 방정식으로 구할 수 있습니다.

${\displaystyle Q_{p}=F_{w}\cdot A}$

여기서 Qp는 투과유량 [kg·s⁻¹], F는_w 유속률 [kg·m⁻²·s⁻¹], A는 막면적 [m²]이다.

막의 투과성(k) [m·s⁻²·bar⁻¹]는 다음 방정식으로 구할 수 있다.

$\displaystyle k={F_{w} \over P_{TMP}}}$

Trans-membrane pressure(TMP;막간압력)는 다음 식에서 구할 수 있습니다.

${\displaystyle P_{TMP}={(P_{f}+P_{c})\over 2)-P_{p}}$

여기서_TMP P는 막 통과 압력 [kPa], P는_f 피드 스트림의 흡입 압력 [kPa], P는_c 농축물 스트림의 압력 [kPa], P는_p 투과 스트림의 압력 [kPa]이다.

제거(r)는 급수에서 제거된 입자의 수로 정의할 수 있습니다.

$\displaystyle r={(C_{f}-C_{p})\over C_{f}\cdot 100}$

해당하는 질량 균형 방정식은 다음과 같습니다.

${\displaystyle Q_{f}=Q_{p}+Q_{c}}$

${\displaystyle Q_{f}\cdot C_{f}=Q_{p}\cdot C_{c}+Q_{c}\cdot C_{c}$

막 공정의 작동을 제어하기 위해 플럭스와 TMP의 두 가지 모드를 사용할 수 있습니다.이러한 모드는 (1) 고정 TMP 및 (2) 고정 플럭스입니다.

리텐트 내의 거부된 물질과 입자가 막에 축적되는 경향이 있을 때 작동 모드에 영향을 미칩니다.주어진 TMP에서는 막을 통과하는 물의 흐름이 감소하고 주어진 플럭스에서는 TMP가 증가하여 투과성이 감소한다(k).이러한 현상을 파울링이라고 하며, 이는 막 공정 작업의 주요 제한 사항입니다.

데드 엔드 및 크로스 플로우 동작 모드

막에는 두 가지 작동 모드를 사용할 수 있습니다.모드는 다음과 같습니다.

• 막에 도포된 모든 사료가 통과하여 투과성을 얻는 막다른 여과법입니다.농축물 흐름이 없기 때문에 모든 입자가 막 안에 남아 있습니다.막 ^[7]표면에서 축적된 재료를 씻어내기 위해 원료 공급수를 사용하는 경우가 있습니다.
• 막에 접하는 교차류로 급수를 펌핑하여 농축 및 투과하는 직류 여과법을 얻을 수 있다.이 모델은 막을 가로지르는 급수 흐름의 경우 일부만 투과 생성물로 변환된다는 것을 의미합니다.이 매개 변수를 "변환" 또는 "복구"(S)라고 합니다.일반적으로 멤브레인 클리닝을 위해 프로세스 운영을 유지하기 위해 투과액을 추가로 사용할 경우 회수량이 감소합니다.

$\displaystyle S={Q_{permeate}\over Q_{feed}=1-{Q_{centrate}\over Q_{feed}}$

여과는 흐름에 대한 저항의 증가로 이어집니다.막다른 여과 공정의 경우 막에 형성된 케이크 두께에 따라 저항이 증가한다.그 결과, 고형물 농도 [1]에 비례해 투과율(k)과 플럭스가 급속히 저하되어 주기적인 세정이 필요하다.

직교류 공정의 경우, 재료의 퇴적은 막에 대한 결합 케이크의 힘이 유체의 힘에 의해 균형을 이룰 때까지 계속됩니다.이 시점에서 직교류여과가 정상상태 [2]에 도달하여 시간이 경과해도 플럭스는 일정하게 유지됩니다.따라서 이 구성에서는 정기적인 청소가 적게 필요합니다.

파울링

오염은 막상의 피드 스트림에 성분의 잠재적인 퇴적 및 축적으로 정의될 수 있다.RO 성능의 손실은 활성막 층의 비가역적 유기 및/또는 무기 오염 및 화학적 열화로 인해 발생할 수 있습니다.미생물학적 오염은 일반적으로 세포막에 대한 세균세포의 불가역적 부착과 성장의 결과로 정의되며 오래된 막을 폐기하는 일반적인 이유이기도 하다.담수화 플랜트에는 다양한 산화용액, 세정제 및 오염방지제가 널리 사용되며, 이러한 반복적이고 부수적인 노출은 일반적으로 제거 효율의 ^[8]감소를 통해 막에 악영향을 미칠 수 있다.

오염은 막 표면에 고형 물질이 증착되는 것과 관련된 몇 가지 물리화학적 및 생물학적 메커니즘을 통해 발생할 수 있습니다.파울링이 발생할 수 있는 주요 메커니즘은 다음과 같습니다.

• 막에 공급수 성분이 축적되어 저항이 발생합니다.이 빌드업은 다음과 같은 여러 가지 유형으로 나눌 수 있습니다.

모공의 내부 표면에 부착되어 있는 단단한 재질로 이루어진 모공 협착.

모공 차단은 공급수의 입자가 막의 모공에 달라붙어 발생합니다.

겔/케이크 층 형성은 사료의 고형물이 막의 모공 크기보다 클 때 발생합니다.

• 스케일링이라고 하는 화학 침전물의 형성
• 막 ^[9]표면에서 미생물이 자랄 때 막의 콜로니제이션이나 바이오풀링이 일어난다.

오염 제어 및 완화

오염은 전처리 요구, 세척 요건, 작동 조건, 비용 및 성능에 영향을 미치기 때문에 멤브레인 시스템의 설계 및 작동에서 중요한 고려사항이기 때문에 이를 방지하고 필요에 따라 제거해야 한다.오염을 방지하기 위해서는 운전 조건을 최적화하는 것이 중요합니다.그러나 오염이 이미 발생한 경우에는 물리적 또는 화학적 세척을 사용하여 제거해야 합니다.

막의 물리적 세척 기술에는 막 이완 및 막 역세척이 포함됩니다.

• 역세척 또는 역세척은 역방향으로 막을 통해 투과물을 펌핑하는 것으로 구성됩니다.역세척은 모공 차단으로 인한 가역적 오염의 대부분을 성공적으로 제거해 줍니다.역세척은 또한 ^[10]막을 통해 공기를 흘려보냄으로써 강화될 수 있다.역세척은 투과성 흐름 역전에 적합한 압력을 달성하기 위해 에너지가 필요하기 때문에 운영 비용을 증가시킵니다.

• 멤브레인 이완은 일정 기간 동안 필터를 일시 정지하는 것으로 이루어지므로 투과성 흐름 역전이 필요하지 않다.이완을 통해 막의 화학적 세척 전에 더 오랜 시간 동안 여과 상태를 유지할 수 있습니다.

• 역펄스 고주파 역펄스를 통해 오염층을 효율적으로 제거할 수 있습니다.이 방법은 세라믹 막[3]에 가장 일반적으로 사용됩니다.

최근의 연구는 최적의 결과를 ^[11][12]얻기 위해 릴렉스(ression)와 역세척(backwashing)을 결합하는 것으로 평가되고 있다.

화학 청소.막 표면에 돌이킬 수 없는 오염이 축적됨에 따라 작업 시간과 함께 완화 및 역세척 효과가 감소합니다.따라서 물리적 세척 외에도 화학적 세척이 권장될 수 있습니다.이하가 포함됩니다.

• 화학적으로 강화된 역세척, 즉 저농도의 화학 세정제를 역세척 기간에 첨가한다.
• 화학 세척. 주요 세척제는 차아염소산나트륨(유기 오염용)과 구연산(무기 오염용)입니다.모든 멤브레인 공급업체는 화학 세척 방법을 제안합니다. 화학 세척 방법은 주로 농도와 ^[13]방법에 따라 다릅니다.

동작 조건의 최적화.막의 작동 조건을 최적화하여 오염을 방지하기 위해 다음과 같은 몇 가지 메커니즘을 수행할 수 있습니다.

• 플럭스를 저감.플럭스는 항상 오염을 줄이지만 더 많은 멤브레인 영역을 요구하기 때문에 자본 비용에 영향을 미칩니다.TMP가 허용 가능한 속도로 점차 증가하는 플럭스로 정의할 수 있는 지속 가능한 플럭스로 구성되므로 화학적 세척이 필요하지 않습니다.
• 막다른 골목 대신 크로스 플로우 여과 사용.직류여과에서는 모든 입자가 막에 유지되는 것은 아니기 때문에 얇은 층만 막에 퇴적되지만 농축액에 의해 제거된다.
• 급수의 전처리는 급수의 부유물 및 세균 함량을 줄이기 위해 사용된다.응집제 및 응집제(예: 염화철 및 황산알루미늄)도 사용되며, 물에 녹으면 부유물, 콜로이드 및 가용성 ^[14]유기물과 같은 물질을 흡착합니다.운송 현상을 최적화하기 위해 형이상학적 수치 모델이 도입되었다.

막의 변화.최근의 노력은 막 재료의 표면 화학을 변경하여 막 표면에 오염 물질이 부착될 가능성을 줄임으로써 막 오염을 제거하는 데 초점을 맞추고 있습니다.사용되는 정확한 화학 전략은 필터링되는 용액의 화학 작용에 따라 달라집니다.예를 들어, 담수화에서 사용되는 막은 미네랄 축적을 통한 오염에 저항하기 위해 소수성으로 만들어질 수 있으며, 생물공학에 사용되는 막은 단백질/유기 축적을 줄이기 위해 친수성으로 만들어질 수 있다.따라서 박막증착에 의한 표면화학 개조를 통해 오염을 크게 줄일 수 있다.수식 기술을 사용하는 것의 한 가지 단점은 경우에 따라서는 막 과정의 플럭스 속도와 선택성에 부정적인 ^[16]영향을 미칠 수 있다는 것이다.

RO막 재활용

폐기물 방지

막이 현저한 성능 저하에 도달하면 폐기됩니다.폐기된 RO 멤브레인 모듈은 현재 세계적으로 불활성 고형 폐기물로 분류되고 있으며, 에너지적으로 회수할 수도 있지만 매립지에 폐기되는 경우가 많습니다.그러나 이를 피하기 위해 폐기물 방지, 직접 재적용, 재활용 방법 등 지난 수십 년간 다양한 노력을 기울여 왔습니다.RO막은 순환경제 원칙을 준수하기 위해 해결해야 할 몇 가지 환경 문제를 안고 있습니다.주로 5~10년의 짧은 사용 수명을 가지고 있습니다.지난 20년간 RO 담수화 플랜트의 수는 70% 증가했습니다.이들 RO 플랜트의 규모도 크게 증가하여 생산능력이 하루에 600,000m3를 넘는 곳도 있습니다.이는 매년 14,000톤의 멤브레인 폐기물이 육지로 채워지는 것을 의미합니다.막의 수명을 늘리기 위해 RO 공정과 전처리 공정을 결합하여 효율성을 향상시키고, 오염 방지 기술을 개발하고, 막 청소를 위한 적절한 절차를 개발하는 등 다양한 예방 방법을 개발합니다.전처리 공정은 소금물 공급에 포함된 화학 첨가물의 양이 적고 RO ^[17]시스템에 필요한 운영 유지보수가 적기 때문에 운영 비용을 절감합니다.

RO막에는 (i)무기(염분침전), (ii)유기, (ii)콜로이드(현탁액 내 입자 퇴적) (iv)미생물(박테리아 및 곰팡이)의 4종류의 오염이 있다.따라서 전처리 절차와 화학적 투여의 적절한 조합 및 이러한 유형의 오염에 대처하는 효율적인 세척 계획을 통해 효과적인 오염 방지 기술을 개발할 수 있어야 합니다.

대부분의 식물은 매주 막을 청소합니다(CEB – Chemical Enhanced Backwash).이 유지 보수 청소와 더불어 연간 2~4회 정도 집중 청소(CIP)를 권장합니다.

재사용하다

RO막 재사용에는 엄격한 사양이 아닌 다른 분리 프로세스에서 모듈을 직접 재적용하는 것이 포함됩니다.RO TFC 막에서 다공질 막으로의 전환은 폴리아미드의 밀도층을 분해함으로써 가능합니다.다른 산화 용액으로 화학적 처리를 통해 RO 막을 변환하는 것은 MF 또는 UF와 같은 애플리케이션에서 재사용하기 위한 폴리아미드 막의 활성층을 제거하는 것을 목적으로 합니다.이로 인해 수명이 약 2년 ^[18]연장됩니다.

재활용

자재 재활용은 자재 또는 그 구성 요소를 물리적으로 변형하여 다른 유용한 제품으로 재생성하는 것을 포함하는 일반적인 용어입니다.멤브레인 모듈은 여러 가지 다른 고분자 구성 요소로 구성된 복잡한 구조이며, 잠재적으로 개별 구성 요소는 다른 목적으로 회수될 수 있습니다.플라스틱 고형 폐기물 처리 및 재활용은 기계적 재활용, 화학적 재활용, 에너지 회수 등으로 나눌 수 있습니다.

기계적 재활용 특성:

• 관심 구성요소의 첫 번째 분리가 필요합니다.
• 공정 중 특성 악화를 방지하기 위해 이전 세척.
• 고분자 재료의 적절한 크기 연삭(소재의 5% 손실)
• 뒷세탁이 가능해요
• 용융 및 압출 공정(자재의 10% 손실).
• 재활용 가능한 멤브레인 성분(열플라스틱) : PP, 폴리에스테르 등
• 멤브레인 시트: 다양한 폴리머와 첨가물로 구성되므로 정확하고 효율적으로 분리하기 어렵습니다.
• 주요 장점: 초기 플라스틱 생산을 대체할 수 있습니다.• 주요 단점: 모든 컴포넌트를 분리해야 하며,^[19] 많은 컴포넌트를 사용할 수 있어야 합니다.

화학적 재활용 특성:

• 탈중합 및 분해 기술을 사용하여 고분자를 더 작은 분자로 분해합니다.
• 오염된 물질과 함께 사용할 수 없습니다.
• 화학 재활용 프로세스는 특정 재료에 맞게 조정됩니다.
• 장점: 전처리를 제한적으로 사용하는 이종 폴리머를 처리할 수 있습니다.
• 단점: 기계적 재활용보다 비싸고 복잡합니다.
• 폴리에스테르 재료(투과 스페이서 및 막 시트의 성분 등)는 화학적 재활용 프로세스에 적합하며, 가수분해는 물을 첨가하여 폴리머 제조에 사용되는 중축합 반응을 반전시키기 위해 사용된다.

에너지 회복 특성:

• 부피가 90~99% 감소하여 매립에 대한 부담이 감소합니다.
• 폐기물 소각로는 일반적으로 760°C에서 1100°C까지 작동할 수 있으므로 섬유 유리 케이스에 ^[19]남아 있는 무기 필러를 제외한 모든 가연성 물질을 제거할 수 있습니다.
• 열에너지는 회수하여 발전 또는 기타 열 관련 프로세스에 사용할 수 있으며, 기존 에너지에서 배출되는 온실가스를 상쇄할 수도 있습니다.
• 적절하게 관리하지 않으면 온실가스와 다른 유해물을 배출할 수 있습니다.

적용들

막의 뚜렷한 특징은 막이 유체 프로세스에서 분리 프로세스를 위한 추가 장치 작동으로 사용되는 것에 대한 관심을 유발합니다.다음과 같은 이점이 있습니다.^[3]

• 대폭적인 상변화가 필요 없기 때문에 에너지 소비량이 적음
• 비용이 많이 들거나 취급이 어려울 수 있으므로 흡착제나 용제를 요구하지 마십시오.
• 기기의 심플함과 모듈러성으로 보다 효율적인 막의 통합이 용이함

막은 용질 여과 및 역삼투 시 구동 공정으로 압력과 함께 사용된다.투석 및 침투 시 농도 구배를 따른 화학적 잠재력이 원동력입니다.또한 막 보조 추출 과정으로서의 퍼스트레이션은 화학적 전위의 구배에 의존합니다.

하지만 생물학적 시스템에서의 그들의 압도적인 성공은 그들의 ^[20]적용에 필적하지 않는다.그 주된 이유는 다음과 같습니다.

• 오염 – 사용 시 기능 저하
• 막 면적당 막대한 비용
• 내용제성 재료 부족
• 스케일업 리스크

「 」를 참조해 주세요.

• 콜로디온 백

레퍼런스

참고 문헌

• 메트카프와 에디.폐수 엔지니어링, 처리 및 재사용.뉴욕 맥그로 힐 북 컴퍼니입니다제4판, 2004년
• 폴라 반 덴 브링크, 프랭크 버젤트, 헨크 반 아스, 아리 즈바이넨버그, 하디 템밍크, 마크 C.M. 반 로즈드레흐트"막 생물반응기에서 막의 기계적 청소 가능성"막과학 저널.429번, 2013년 259-267번
• 사이먼 저드.막생물반응기 책: 물과 폐수처리를 위한 막생물반응기의 원리와 응용Elsevier, 2010년