1. 서 론
지구온난화 및 기상이변에 따른 수자원 고갈과 지역별 편차 심화, 도시화에 따른 포장도로 증가로 물 순환 기능 저하 및 석유산업의 지 속적 성장에 따른 누출사고 증가 등으로 인해 물 재이용에 의한 수자 원 확보 및 이를 위한 보급형 신기술 개발이 요구되고 있다[1-7].
물 재이용을 위한 오일폐수 처리 기술은 일반적으로 물과 오일을 분리하고자 하는 유수분리장치를 이용하는데, 디스크나 필터를 이용 하여 점성이 있는 오일 성분을 흡착/제거하는 방식과, 물과 오일의 비 중 차이를 이용하여 물의 상부에 떠오른 오일을 선별적으로 제거하는 비중분리방식 등이 주로 사용되고 있다. 비중분리방식은 기계적 작동 부분이 적고 구조가 간단하여 유지비용이 상대적으로 저렴하며 대용 량 처리가 가능하다는 장점이 있으나 분리 배출된 오일에 비교적 많 은 물이 섞여 있게 되어 분리효율이 높지 않다는 문제점이 있다. 흡착/ 제거 방식도 필터의 작은 교체 및 폐기물 처리 등의 문제점들이 발생 하기 때문에, 최근 다양한 표면개질 방법을 이용하여 기능성이 향상 된 유수분리막을 기반으로 유수분리장치를 구현하고자 하는 연구개 발이 지속적으로 이어지고 있다[3-9].
핵심 소재의 성능 개선과 더불어 실질적인 현장 적용 및 상업화를 위해서는 소재 원재료 가격 및 대량생산 가능성을 비롯한 경제적인 측 면과 유수분리장치에 효과적으로 접목 가능하도록 할 수 있는 소재의 가공 유연성이 주요 고려되어야 한다. 분리 선택성, 내구성 및 가공 유 연성 향상을 위한 일련의 선행연구를 통해 섬유소재 및 분말소재를 비 롯한 다양한 지지체(substrates) 위에 polydimethysiloxane (PDMS) 고 분자를 화학기상증착법(chemical vapor deposition)을 응용한 코팅공정 을 활용하여 미세 코팅이 가능한 건식코팅법을 개발하였으며[10,11], 대용량 연속 처리공정이 가능한 유수분리장치에 효과적으로 적용하 기 위한 대면적 유수분리막 제조를 위해서는 Polyester (PET) 지지체 에 고선택성 초발수 실리카 분말을 코팅하기 위하여 습식 침지공정 (dip-coating)을 접목하였다[7-9].
본 연구에서는 상용 PET 섬유 지지체를 이용하여 연속 습식공정으 로 제작된 롤타입 유수분리막을 적용하기 위하여 Figure 1과 같이 회 전원통형 유수분리장치를 고안하였다. 유수분리장치 처리효율 및 최 적 구동조건은 유수분리막 소재의 물성 및 제조 조건과의 상호의존적 관계를 고려하여 최적화하였다.
2. 실 험
본 연구에 사용된 유수분리막은 상용 PET 섬유를 사용하였으며, 선 행연구에서[8] 시도한 바와 같이 밀도가 다른 대면적 PET 섬유(25, 40, 60, 80 g/m2)에 초발수 실리카 분말을 연속식 습식 코팅공정을 이 용하여 제조한 후 회전 원통형 유수분리장치에 적용하였다. 전자 주 사 현미경(High-resolution Scanning Electron Microscope, HRSEM, Nova Nano 200, USA)을 사용하여 초발수 코팅 후 PET 섬유의 표면 구조를 확인하였으며, 회전원통형 유수분리장치에 최적 조건의 유수 분리막을 선택하기 위하여 여러 밀도의 PET 섬유를 조합하여 방수압 (Waterproof)과 오일 폐수의 제거율을 확인하였다. 방수압은 ISO-811 표준 시험방법에 따라 직경 8 mm 투명 유리관을 사용하여 소재에 물 이 투과되는 높이를 측정하였다[8,11].
본 연구에서 개발된 회전원통형 유수분리장치는 50 m3/day 용량으 로 제작되었으며, 유입되는 오일 폐수는 본 연구에 사용되는 유수분 리막의 방수압을 고려하여 병렬 구조인 6개의 유수분리 셀(Cell)을 통 해 분산하여 처리한다. 유수분리 셀은 타공망 형태로 제작된 원통(직 경 114 mm, 길이 1,400 mm)과 이를 감싸고 있는 유수분리막으로 구 성되어 있으며, 유입된 오일 폐수는 유수분리막에 균일하게 접촉하면 서 유분을 분리한다. 유수분리 셀은 흡착된 오일 성분을 외부로 배출 시키고 유수분리막의 전체 면적을 활용할 수 있도록 일정 속도로 회 전한다. 회전원통형 유수분리장치의 타공망은 고정형 방해판(fixed baffles)과 부유형 방해판(floating baffles)을 설치하여 내부 유체 유동 을 제어할 수 있다.
회전원통형 유수분리장치의 성능 평가를 위한 오일 폐수는 경유를 이용하여 제조한 모사 폐수를 사용하였다. 유입 오일 폐수는 4 L/min 의 유속으로 공급하였으며, 경유의 경우 정량펌프(peristaltic Pump, EMS Tech. EMP-2000W, Korea)를 이용하여 4 g/L 속도로 유입구에 일정하게 공급하여 1,000 mg/L 농도를 유지하였다. 유수분리장치의 타공망 회전속도는 15 rpm으로 설정하여 운전하였다. 유입수와 처리 수의 오일 함량을 확인하기 위해 운전 시작 후 20 min마다 100 mL의 처리수를 샘플링하였으며, 수분 내 오일측정기(Oil-in-water Analyzer, Turner Designs Hydrocarbon Instruments, TD500D, USA)를 이용하여 형광분석법으로 측정하였다.
3. 결과 및 고찰
유수분리막의 물성, 특히 두께 및 밀도는 방수 능력, 오일 분리 효 율 및 선택성과 밀접한 연관성이 있다. 선행 연구에서도 유수분리막 의 방수 능력은 PET 원소재의 기공 구조와 두께에 큰 영향을 받는다 는 것을 확인하였다[8,11]. PET 두께는 방수 능력을 확보하는 측면에 서 두꺼울수록 유리하지만, 유수분리장치에 장착되어 연속적으로 오 일 성분을 흡착/배출해야 하는 속도론적 관점에서 고려하면 최적화된 두께 조절이 필요하다. Figure 1에서와 같이 유수분리막은 타공망 형 태로 제작된 원통을 감싸고 있으며, 전체 면적을 활용할 수 있도록 일 정 속도로 회전도 하기 때문에 방수 능력이 매우 중요하다. 본 연구에 서 제작된 유수분리장치는 50 m3/day 급으로 6개의 타공 원통을 병렬 로 연결하여 제작하였다. 이때 개별 원통에서 상시 채워져 있는 폐수 의 양은 대략 4.5 L인데, 섬유 소재인 유수분리막이 견딜 수 있을 수 압을 적절히 계산해야만 방수 압력이 유지될 수 있다. Figure 2에는 유수분리막의 방수 능력을 PET 소재의 구성 및 오일 성분 흡착 유무 에 따라 ISO-811 규정에 의거 평가한 결과를 제시하였다. 결과에서 볼 수 있듯이 경우에 상관없이 단일 층(a)과 이중 층(b) 모두에서 밀도 (혹은 두께)가 커질수록 방수 능력은 증가하게 된다. 다만, 오일 폐수 처리 환경에 적용이 되는 경우를 모사하여 오일 성분을 흡착시킨 후 동일한 실험을 실시하였을 경우 그렇지 않은 경우 보다 방수 능력이 저하되는 것을 볼 수 있다. 특히, 단일 층(a)의 경우는 모든 경우에서 200 mmH2O 이하의 수치를 보였으며, 이중 층(b) 경우에는 60 g/m2 이상의 경우에서 200 mmH2O 이상의 안정적인 수치를 보인다. Figure 2(a) SEM 사진에서 볼 수 있듯이 밀도에 따라 섬유 소재의 기공 구조 에 차이가 있는데 오일 성분 흡착/배출이 진행되면서 섬유 조직의 유 연해짐 차이에 따라 방수 능력이 달라질 수 있다는 것으로 유추할 수 있다. 이것은 발수 코팅의 균일성 및 코팅량과 밀접한 연관성이 있으 며 향후 추가적인 실험이 진행되어야 한다. 결과적으로 유수분리장치 에 유수분리막을 적용하기 위해서는 단일 층으로는 부족하며, 이중 층 이상의 복수의 유수분리막으로 구성하여야 한다.
유수분리막 구성에 대한 유수분리 효율 평가는 Figure 3에 나타내 었다. 선행연구[8]를 통해 확인된 유수분리막으로써의 기능을 대용량 연속 공정이 가능한 유수분리장치에서 확인할 수 있도록 Figure 1에 제시한 장치의 6개 중에 하나의 회전 원통형 단위셀을 사용하였다. 유 입수 농도 1,000 ppm 오일 폐수를 15 rpm 회전속도 및 4 L/min 유속 으로 처리할 경우 유수분리막 이중 층 두께의 합이 커질수록 배출수 농도가 낮아지는 것을 볼 수 있다. 상대적으로 두꺼운 두 종류의 섬유 소재를 사용할 경우 안정적인 배출수 농도를 확인하여, 시간에 따른 농도 변화를 Figure 3(b)에 제시하였다. 초기 1 h 정도까지의 농도 변 화는 Figure 3(a)에서와 유사하게 진행되었으며 오히려 80/80 조합이 60/60 조합의 유수분리장치 보다 낮은 배출수 농도를 보여주고 있다. 하지만, 2 h 이후에는 역전되어 80/80 조합의 유수분리장치 배출수 농 도가 급격하게 증가하는 것을 볼 수 있다. 선행 연구를 통해서 이미 보고한 바와 같이 밀도(두께)가 높아지면 유수분리막 포화 시간이 오 래 걸리기 때문에 더 많은 체류 시간이 필요하게 된다[8]. 회전 원통형 유수분리장치에서 80/80 조합의 경우 오일 성분의 흡착 속도가 느리 기 때문에 일정 시간 후 유수분리막이 포화되는 시점 이후에는 더 많 은 체류 시간이 필요하게 되어 배출수 농도가 급격히 증가하게 됨을 알 수 있다.
Figure 3(b) 60/60 분리막 조합의 유수분리장치 배출수 농도는 5 h 후 200 ppm으로 광유류 배출허용기준 5 ppm과는 상당한 차이가 있 다. 더구나 시간에 따라 계속해서 증가하는 추세를 보이기 때문에 이 에 대한 개선이 반드시 필요하다. 본 연구에서는 타공 원통 내부 구조 를 효과적으로 개조함으로써 배출수 농도를 낮추는 동시에 시간에 따 른 처리 효율 내구성을 확보하였다. Figure 4(a)에서와 같이 고정형 방 해판(fixed baffles)과 부유형 방해판(floating baffles)을 장착하여 처리 효율을 평가하였다. 방해판은 오일 폐수 내의 오일 성분이 원통 바깥 유수분리막쪽으로 강제적으로 원활히 이동할 수 있도록 고안되었다. 특히, 부유형 방해판 장착 유수분리장치는 Figure 4(b)와 같이 내부에 부유할 수 있는 구조물 형태로 경로 유도체를 설치하였다. Figure 4(c) 에서 알 수 있듯이 배출수 농도는 확연한 차이를 보인다. 고정형 방해 판을 설치한 경우에도 배출수 농도 감소 효과가 있으나, 이 경우 오일 성분 경로 유도의 효과보다는 방해판을 타고 올라간 폐수가 수면 위 로 떨어지면서 결집된 유막을 파괴하는 현상을 유발하여 긍정적인 효 과가 반감하게 된다. 반면에 부유형 방해판을 설치한 경우에는 이러 한 문제가 최소화되고 유수분리막이 장착된 바깥 부분으로 효과적인 경로 유도를 함으로써 오일 성분을 흡착/제거함으로써 배출수 농도를 낮고 안정적으로 유지하게 된다. 다만, 배출허용기준을 만족시키기 위 해서는 유량 및 속도(회전 속도 포함) 등 공정 변수를 조율하는 최적 화 단계가 추가적으로 필요하다.
4. 결 론
본 연구에서는 PET 상용 소재를 기반으로 제작된 유수분리막을 오 일 폐수 처리에 효과적으로 적용하기 위하여 유수분리장치 성능 향상 을 위한 구조 설계 측면과 방수 능력 유지를 위한 소재 선정 및 적절 한 조합 측면에서 검토하였다. PET는 섬유 소재의 특성상 방수 능력 이 탁월할 수 없기 때문에 장치의 용량 및 구조에 따라 적합한 조건을 탐색하여야 한다. PET 밀도(두께), 다층 구조 및 조합에 따라 방수 능 력과 흡착/제거 속도를 제어할 수 있는데, 밀도 60 g/m2 이상의 PET 소재를 2겹 이상으로 사용하여야 본 연구에서 설계한 단위 셀에 적합 한 수준의 방수 능력을 보여주었으며 연속 운전에서도 안정적인 제거 효율을 발휘하기 위해서는 80 g/m2 이상의 고밀도 소재는 부적합하다 는 것을 알 수 있었다. 유수분리장치는 회전하는 타공 원통 구조로 설 계되고, 외부에 유수분리막이 감싸는 구조로 장착되어 연속적인 흡착 제거가 가능하였으며, 추가적으로 내부에 부유형 방해판을 설치하여 오일 성분을 강제적으로 유수분리막 방향으로 강제 유도함으로써 제 거 효율을 향상시킴과 동시에 안정적으로 배출 농도를 유지하였다.
