화학공학실험 | 역삼투막을 이용한 막분리

 

 

 

TIP

 

 

에너지 소비가 적은 역삼투막을 이용해 무기물(NaCl, CaCl₂)을 분리하는 실험을 통해 농도, 온도, 압력에 따른 분리 공정을 이해하고 장치의 조작 방법을 습득한다.

 

 

 

분리막이란 특정성분을 선택적으로 통과시킴으로써 혼합물을 분리시킨 수 있는 액체 혹은 고체막으로 막의 물리 화학적 성질에 의해 물질과 에너지의 교환속도가 결정된다. 분리막의 체계적이 연구의 시작은 1748년 Nollet이 동울세포막의 삼투압현상에 관한 보고였다. 1886년 Vant Hoff는 다공성 도자기 표면에 카페케로시아나이드(copper ferrocyanide)를 침전시켜 제조한 삼투막을 이용하여 삼투압이론을 발표하였다. 1908년 Calendar는 용약에 녹아있는 용질이 휘발성이 없으면 삼투압에 의한 물질전달은 일종의 증류현상 이라는 이론을 전개하였다.

 

따라서 용액과 수증기의 표면 또는 수증기상을 일종의 삼투막이라 정의 하였다. 다공성물질은 기공에 있는 용액을 표면 장력에 의해 밖으로 보내며 다만 수증기만 통과 시키므로 삼투압처럼 작용한다. Gibbss이 열역학이론이 발전하면서 삼투압 현상의 이론적 근거를 제공하였고 또 삼투압과 다른 열역학의 변수들의 상관관계가 1920년까지 대부분 알려졌다. 1953년 Reid는 미국정부가 집행하는 해수담수화 프로젝트에 삼투압응용에 관하 sdurn를 시작하여 1959년에 셀룰로오스 아세테이트(celluose acetate)로 해수담수화에 필요한 5㎛ 두께의 역삼투막을 최초로 만들었으나, 투과율이 1.19 L/㎡․hr 로 적어서 실용화 될 수 없었다.

 

1962년에 Loeb과 Sourirajan이 용매에 대해서 거의 저항이 없다는 다공구조의 두터운 역삼투막층 위에 열처리를 통하여 막표면을 수축시켜 형성되는 얇은 표피층을 갖는 비대칭 구조의 막이 개발되어 탈염화 공정에 대한 적용을 시작으로 염배제율과 투과율이 높은 비대칭막을 개발하면서 분리막의 해수담수화가 실용화 될 수 있었다. Mahon은 셀룰로오스 트리아세트(cellous triacete)로 외경 70～100㎛, 두께 5～10㎛ 의 실관막을 제조하여 0.0252 lmh 투과율을 얻었으며 실관형제조의 시초가 되었다. 1964년 North star의 Francis가 복합막 제조를 시도하였고 같은 연구소의 Rozelle과 Cadotte가 폴리슐폰으로 만든 지지막을 사용한 복합막이 개발되면서 분리막의 성능과 경제성이 월등히 좋아졌다.

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실험 방법

1. 실험 과정

1) Feed Tank에 수돗물을 약 50리터 정도로 채운다.(사실 순수를 채워야 한다.)

 

2) 모든 밸브를 최대로 열어 놓는다.

 

3) Low-pressure pump의 S/W를 올려준다.

 

4) High-pressure Pump의 S/W를 올려준다.

 

5) Miro-Fillter Housing와 유량계의 공기가 완전히 배출되도록 다음과 같이 한다.

① Feed Bypass밸브를 닫아준다.

② Low-pressure pump 밸브를 닫아준다.

③ High-pressure pump 밸브를 닫아준다.

 

6) 공기를 완전히 뺐으면 모든 S/W를 다 닫고, 모든 밸브는 다시 다 최대로 열어 놓는다.

 

7) 이제 순수의 유량에 따른 permete와 cincentrate를 잰다. 밸브를 아래와 같은 순서로 닫으면서 유량을 2, 4, 6, 8, 10, 12에서 잰다.

① Feed Bypass밸브를 닫아준다.

② Low-pressure pump 밸브를 닫아준다.

③ High-pressure pump 밸브를 닫아준다.

 

8) 순수의 유량에 따른 permeate와 concentrate를 쟀으면, 이제 소금물의 유량에 따른 permeate와 concentrate를 측정하도록 한다.

 

9) 먼저 4000ppm의 소금물을 준비한다.

 

10) 우리는 60리터로 하기 위해 Feed Tank를 58리터 그리고 4000ppm의 소금물 2리터를 섞었다.

 

11) 그 다음 유량별로 밸브를 조절하여 그 유량에서의 permeate와 concentrate를 측정하고 시료를 받아 놓는다.

 

12) 하는 동안 60리터가 다 소비될 수 있으므로 신속히 실험을 하고 실험을 하기 전에 미리 삼각플라스크를 12개 준비하여 라벨을 붙여주면 더 빨리 해서 소금물을 다시 한번 만들어 하는 누를 범하지 않을 수 있다. 시료는 약 50㎖정도 받는다.

 

13) 받은 시료의 전도도를 측정한다.

① 사용한 전도도계는 티슈로 겉에 묻은 물기를 닦아낸 후 다음 시료를 측정한다.

② 전도도계를 시료에 넣은 후에는 약 1분 정도 기다린 수 안정된 값을 기록한다.

③ 농도가 너무 진하거나 연하면 단위를 바꿔가며 맞는 단위에서 측정한다.

 

14) 모든 작업이 다 끝났으면 막을 세정한다.(약 30분간 세정하여 준다.)

 

15) 표준곡선을 작성하기 위해 NaCl농도 10, 50, 150, 500, 1300, 3000, 5000, 7000, 10000ppm 단위로 전도도를 측정해 놓는다.

 

 

 

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