폐수 내 중금속과 부유물질 제거를 위한 기능성 세라믹 분리막 시스템 적용

Abstract

중금속 이온은 채광, 금속표면처리, 도금, 유리, 섬유, 세라믹, 반도체와 전지 등 다양한 산업에서 배출된다. 중금속 이온에 의한 수질오염은 유기체에 대한 유해성과 생물농축에 의해 인간과 수생 생물에 악영향을 미치기 때문에 문제가 발생할 수 있다. 따라서 인간과 수생태계를 보호하기 위해 다량의 중금속 이온으로 오염된 산업 폐수를 정화해야한다(Godwin et al., 2019). 산업 폐수 내 중금속 이온을 제거하기 위해 사용되는 물리화학적 처리 방법은 부상, 침전, 산화, 용매 추출, 증발, 흡착, 전기화학, 생분해, 이온교환 및 막 여과가 있다(Crini and Lichtfouse, 2019). 그 중 막 여과에 사용되는 고분자 분리막과 세라믹 분리막 중 세라믹 분리막은 고분자 분리막에 비해 우수한 열적, 화학적 안정성으로 인해 주목받고 있다(Lee et al., 2020). 세라믹 분리막의 표면은 친수성이기 때문에 내구성이 높고 막 오염이 적어 유지관리가 용이하다(Chang et al., 2020). 또한, 폐수처리 시설의 소형화가 가능하고 고압 운전으로 콜로이드 입자와 부유물질을 효과적으로 제거하기 때문에 산업 폐수처리에 있어 적합하다(Ahmad et al., 2018). 그러나 고압 운전이 가능한 분리막은 막의 기공 크기가 중금속 이온과 같은 이온성 오염물질보다 크기 때문에 이온성 오염물질 제거에 효과적이지 않은 단점을 가지고 있다(Yin et al. 2016). 세라믹 분리막 공정을 적용하여 폐수 내 이온성 오염물질의 제거율을 높이기 위해서 오존이나 이온교환 공정과 결합하거나(Jiang et al., 2013; Park et al., 2011; Stylianou et al. 2015), 세라믹 분리막의 표면에 산화철과 이산화지르코늄 같은 나노 크기의 무기물을 부착시키는 방법(Dzyazko et al., 2014; Sabbatini et al., 2010; Sklari et al., 2015)과 세라믹 분리막 지지체의 표면에 키토산, 셀룰로오스 아세테이트와 같은 고분자를 코팅하는 방법(Jana et al., 2011; Nandi et al., 2009) 등 기능성을 부여하는 방법이 연구되고 있다. 하지만, 부착된 나노 무기물은 지지체와 분리되어 2차 오염 발생 가능성이 존재하고(Kim et al. 2010), 고분자는 내화학성, 내열성이 낮기 때문에 다양한 폐수에 적용하기 어렵다(Barroso et al., 2019). 또한, 폐수 내 이온성 오염물질 처리가 용이하며, 세라믹 분리막 공정에 결합 가능한 섬유형태의 이온교환 공정은 이온교환수지보다 관능기까지의 이온의 확산 거리가 짧고 섬유를 따라 존재하는 다량의 관능기로 인해 높은 흡/탈착 속도와 우수한 흡착능을 보인다(Aung et al., 2017; Lee et al., 2017; Lee et al., 2017; Lee et al., 2018). 또한, 모듈의 소형화가 가능하기 때문에 제작이 간편하고 비교적 손실수두가 적다. 대부분의 이온교환섬유 모듈은 고정상 컬럼 형태 혹은 카트리지 형태로 사용한다(Fard et al., 2018; He et al., 2019; Pendergast et al., 2011). 본 연구에서는 폐수 내 중금속 이온과 부유물질을 동시에 제거하기 위해 세라믹 분리막과 부직포 형태의 이온교환섬유를 각각의 공정으로 분리하지 않고 세라믹 분리막과 이온교환섬유를 결합한 기능성 세라믹 시스템을 구축하였다. 다양한 pH 조건에서 세라믹 분리막과 이온교환섬유의 중금속 이온 제거 특성을 파악하였고, 중금속 이온의 제거 기작은 지화학 모델링 소프트웨어를 이용해 추정하였다. 기능성 세라믹 분리막 시스템에 의한 중금속 이온 As(V), Zn(II) 및 부유물질의 제거효율은 역세척 및 재생 공정을 포함하여 구축한 분리막 시스템에서 평가하였다.|Ceramic membrane is one of various physical methods that remove heavy metals from wastewater and has been widely used to purification, desalination, fuel cell and etc. This study aims at evaluating the performance of a ceramic membrane system combined of an ion exchange fabric and the removal efficiency of both heavy metals and suspended solids in wastewater. The removal rate of As(V) and Zn(II) by the functional ceramic membrane system has been compared with a ceramic membrane. The removal rate of As(V) and Zn(II) by the ceramic membrane increased with solution pH, while turbidity was completely removed regardless of the solution pH. The main removal mechanisms of As(V) were adsorption at solution pH 6 and precipitation at solution pH 8. The dominant mechanism of the Zn(II) removal was the phase change at both solution pH values. The removal efficiency of the ion exchange fabric was influenced by the solution pH, and the maximum removal rate of As(V) occurs at solution pH 4. The As(V) adsorption capacity of the ion exchange fabric reached equilibrium within 120 minutes. The ion exchange ability of the ion exchange fabric was compared with commercial ion exchange fibers. The regeneration efficiency of the ion exchange fabric using 0.1M NaCl solution was slightly decreased as the regeneration cycle increased, and it above 89% of the initial value after three regeneration cycles. The functional ceramic membrane system has removal rate of As(V) and Zn(II) more than 80% at solution pH 6 steadily The reduced flow rate and removal capacity of functional ceramic membrane system during continuous processing were recovered through a backwash process.