목차

Ⅰ. 서론 1
1.1 연구배경 1
1.2 연구목적 2
1.3 연구의 가정 3
1.3.1 pH에 따른 구리 및 니켈 제거율 확인 실험 5
1.3.2 구리 및 니켈 농도에 따른 여과 성능 실험 10
1.3.3 실제도금폐수 대상 여과 성능 실험 10
Ⅱ. 이론적 배경(문헌고찰) 11
2.1 나노 분리막이란 11
2.1.1 나노분리막의 제거기작 13
2.1.1.1 체거름 효과(Steric hindrance; Size Sieving) 14
2.1.2 나노분리막의 종류 17
2.1.3 Thin film composite(TFC) 18
2.1.4 폴리아마이드 분리막의 특성 21
2.2 흐름전위(streaming potential) 22
2.3 플럭스(Flux) 24
2.4 제거율(rejection) 24
2.5 중금속(구리, 니켈) Species formation, solubility 25
2.5.1 구리(Cu) 25
2.5.2 니켈(Ni) 26
2.6 기존의 나노분리막을 통한 중금속 제거 연구 27
Ⅲ. 실험장치 및 연구방법 29
3.1 실험 재료(Materials) 29
3.1.1 나노분리막 29
3.1.1.1. 나노분리막의 사양 29
3.1.1.2 나노분리막의 표면전위 31
3.1.2 시스템 32
3.1.2.1 나노분리막 시스템 32
3.1.2.2 모듈 34
3.1.3 인공도금폐수 제조 35
3.1.4 실제도금폐수 성상 35
3.2 실험 방법(Method) 37
3.2.1 pH에 따른 구리 및 니켈 제거율 확인 실험 37
3.2.2 구리 및 니켈 농도에 따른 여과 성능 실험 38
3.2.3 실제도금폐수 대상 여과 성능 실험 38
3.3 분석방법 40
3.3.1 플럭스(Flux) 측정 40
3.3.2 수질 성분 분석 41
3.3.2.1 Conductivity & pH 41
3.3.2.2 ICP-OES 41
3.3.2.3 수질분석 항목 측정 42
3.3.3 막 표면 분석 42
3.3.3.1 고체 표면 전위 42
3.3.3.2 Microwave 시료분해기를 이용한 막에 농축된 구리, 니켈 정량 43
3.3.3.3 FE-SEM, EDX 44
3.3.3.4 FT-IR 44
Ⅳ. 결과 및 고찰 45
4.1 pH에 따른 제거율 확인 실험 45
4.1.1. 실험 조건 45
4.1.2. 플럭스 측정 47
4.1.3. 수질성분분석 53
4.1.3.1 처리수 구리 및 니켈의 농도, 제거율 53
4.1.4. 막 농축 분석 58
4.1.5. 막 표면 분석 61
4.1.5.1. 막 표면 사진 61
4.1.5.2. FE-SEM 62
4.1.5.3. FTIR 64
4.1.6 구리, 니켈 석출 가능성 66
4.2 구리 및 니켈 농도에 따른 여과성능 실험 68
4.2.1. 실험 조건 68
4.2.2. 플럭스 측정 70
4.2.2.1 플럭스(Flux) 70
4.2.3. 수질성분분석 72
4.2.3.1 구리 및 니켈의 농도 및 제거율 72
4.2.4. 막 표면 분석 76
4.2.4.1. FE-SEM 76
4.2.4.2 FT-IR 79
4.3 실제도금폐수 대상 여과 성능 실험 81
4.3.1. 실험 조건 81
4.3.2. 플럭스 측정 83
4.3.3. 수질성분분석 84
4.3.3.1 수질분석 총괄 84
4.3.3.2 구리 및 니켈의 농도 및 제거율 86
4.3.3.3 pH, 전도도, 회수율 88
4.3.4. 막 표면 분석 90
4.3.4.1. FE-SEM 90
4.3.4.2. FTIR 91
Ⅴ. 결론 92
5.1 pH에 따른 구리 및 니켈의 제거율 확인 실험 92
5.2 구리 및 니켈 농도에 따른 여과 성능 실험 94
5.3 실제도금폐수 대상 여과 성능 실험 94
참고문헌 95
<표 목차>
표 1.1 연구의 가정 3
표 2.2 분리막의 일반적 특성 (Water Environment Federation, 2005) 12
표 2.2 나노 분리막의 수송모델 (Jye & Ismail, 2016) 13
표 2.3 상업용 나노분리막의 특성 비교 20
표 2.4 Equilibrium Reaction and Ksp 25
표 2.5 Equilibrium Reaction and Ksp 26
표 2.6 기존의 NF 분리막을 통한 중금속 제거 연구 28
표 3.1 Characteristics of NF 2521 30
표 3.2 인공도금폐수 제조에 사용한 시약 35
표 3.3 전처리한 실제도금폐수 성상 36
표 4.1 pH에 따른 제거율 확인 실험의 실험조건 46
표 4.2 막에 농축된 구리, 니켈의 면적당 중량 [mg/m2] 59
표 4.3 나노분리막의 EDX (원소 weight %) 결과 - S, Cl, Cu, Ni 원소대상 63
표 4.4 구리 및 니켈 농도에 따른 여과성능 실험의 실험조건 69
표 4.5 유입수, 농축수, 처리수의 구리 및 니켈의 농도 72
표 4.6 구리 및 니켈의 제거율 73
표 4.7 유입수, 농축수, 처리수의 pH 및 전도도 75
표 4.8 회수율 75
표 4.9 실제도금폐수 성상 82
표 4.10 실제도금폐수 1 대상으로 실험 후, 유입수, 처리수, 농축수의 성상 비교 84
표 4.11 실제도금폐수 2 대상으로 실험 후, 유입수, 처리수, 농축수의 성상 비교 85
표 4.12 유입수, 농축수, 처리수의 구리 및 니켈 농도 86
표 4.13 제거율 87
표 4.14 유입수, 농축수, 처리수의 pH 및 전도도 88
표 4.15 회수율 89
<그림 목차>
그림 1.1 pH에 따른 나노분리막의 표면전하 5
그림 1.2 pH에 따른 플럭스 변화 6
그림 1.3 폐수의 다양한 pH에서 구리의 거동 예측 9
그림 2.1 분리막 종류별 용질제거능력의 차이 11
그림 2.2 TFC 복합막의 구조 (Jye & Ismail, 2016) 18
그림 2.3 활성층 종류(fully aromatic polyamide/ semi aromatic polyamide) 19
그림 2.4 등전위점 이하, 이상의 pH에서 막의 작용기 변화 21
그림 2.5 흐름전위 측정 22
그림 2.6 The pC-pH diagram of Cu(OH)2 at 20℃ in pure water 25
그림 2.7 The pC-pH diagram of Ni(OH)2 at 20℃ in pure water 26
그림 3.1 본 실험에 사용한 나노분리막 (Toray Chemical Korea Inc) 29
그림 3.2 본 실험에 사용한 나노분리막 29
그림 3.3 pH에 따른 나노분리막의 표면전위 31
그림 3.4 나노분리막 시스템의 개요도 1 32
그림 3.5 나노분리막 시스템 개요도 2 33
그림 3.6 나노분리막 시스템 33
그림 3.7 모듈 측면도 34
그림 3.8 나노분리막 시스템의 모듈 34
그림 3.9 실험 모식도 39
그림 3.10 (a) Conductivity 측정기기(Multi-3420, WTW), 41
그림 3.11 ICP-OES(Optima 5300DV, PerkinElmer) 41
그림 3.12 수질분석기기 42
그림 3.13 고체 표면전위 측정기(모델명 : Surpass3, Anton Paar) 42
그림 3.14 Microwave Digestion System 43
그림 3.15 FE-SEM 44
그림 3.16 FT-IR 44
그림 4.1 pH에 따른 제거율 확인 실험의 시스템 개요도 45
그림 4.2 실험1 (증류수)의 플럭스와 비플럭스 47
그림 4.3 실험 2(수돗물)의 플럭스와 비플럭스 48
그림 4.4 실험 3(pH 3 수돗물)의 플럭스와 비플럭스 48
그림 4.5 실험 4(pH 3 구리 및 니켈 20 ppm)의 플럭스와 비플럭스 50
그림 4.6 실험 5(pH 5 구리 및 니켈 20 ppm)의 플럭스와 비플럭스 50
그림 4.7 실험 6(pH 6 구리 및 니켈 20 ppm)의 플럭스와 비플럭스 51
그림 4.8 실험 4, 5, 6의 비플럭스 비교 (a) Stage 1 (b) Stage 2 52
그림 4.9 pH에 따른 Stage 1,2 모듈 처리수의 구리 농도 [mg/L] 54
그림 4.10 pH에 따른 Stage 1, 2 모듈 처리수의 니켈 농도 [mg/L] 55
그림 4.11 pH에 따른 Stage 1, 2 모듈의 구리 제거율 [%] 56
그림 4.12 pH에 따른 Stage 1, 2 모듈의 니켈 제거율 [%] 57
그림 4.13 pH에 따른 막에 농축된 구리, 니켈의 면적당 중량 [mg/m2] 59
그림 4.14 실험 가동 후, 나노분리막의 사진 61
그림 4.15 실험 가동 후, 나노분리막의 FE-SEM 사진 62
그림 4.16 각 pH 별 실험 후, Stage 1의 나노분리막 FTIR 64
그림 4.17 각 pH 별 실험 후, Stage 2의 나노분리막 FTIR 65
그림 4.18 구리 및 니켈 농도에 따른 여과 성능 실험의 시스템 개요도 68
그림 4.19 1, 10, 20, 100, 200 ppm의 구리 및 니켈 유입수로 실험의 Flux [LMH]- (a) Stage 1, (b) Stage 2 70
그림 4.20 1, 10, 20, 100, 200 ppm의 구리 및 니켈 유입수로 실험의 Specific Flux - (a) Stage 1, (b) Stage 2 71
그림 4.21 제거율 - (a) 구리, (b) 니켈 74
그림 4.22 실험 조건별 Stage 1의 FE-SEM 사진 (40K) 77
그림 4.23 실험 조건별 Stage 2의 FE-SEM 사진 (40K) 78
그림 4.24 20, 100, 200 ppm 실험조건에서 79
그림 4.25 20, 100, 200 ppm 실험조건에서 80
그림 4.26 실제도금폐수 실험의 시스템 개요도 81
그림 4.27 실제도금폐수 대상으로 실험한 결과 - 83
그림 4.28 실제도금폐수 대상으로 실험한 결과 : 89
그림 4.29 실제도금폐수 실험 후, 나노막의 FE-SEM 사진 (40K): 90
그림 4.30 실제도금폐수 대상 여과성능실험의 FTIR 그래프 91