4.4 오염 특성 분석
4.4.1 Resistances in series model
초기 증류수의 투과속도는 수직배열 CNT 막은 3,032 LMH/bar 로 한외여과
막은 393 LMH/bar, 측정되었고, 이후에 증류수를 BSA 100 mg/L 용액으로 교체
하여 막 오염을 시키자마자 투과속도는 급격히 감소하여 한외여과막의 경우
초기속도 대비 15% 수준으로 감소하였고 수직배열 CNT 막은 30% 까지 감소
하게 되었다. 이후 수직배열 CNT 막과 한외여과막 모두 투과속도는 더이상 감소하지 않고 유지되는 현상을 보였다.
투과속도가 더 이상 떨어지지 않는 임계투과속도 (critical flux) 에 도달한 후 에 유입수를 다시 증류수로 교체하고 시스템을 정지시켜 시스템내 압력을 없 애 막의 농도분극현상을 제거 시켰고, 그 결과 한외여과막은 16%, 수직배열
CNT막은 33% 정도로 투과속도의 변화가 거의 없었다. 이 후 측면흐름 속도
를 증가 시켜 물리적 세정을 실시하였지만 두 막 모두 투과속도는 변하지 않 았다.
본 실험에서 실시한 수직배열 CNT 막과 한외여과막의 저항 값 결과와 차지
하는 비율을 Table 6에 정리하였었다. 각 저항 값들은 resistances in series model
식 (식 12) 을 이용하여 계산하였고 저항 값을 모두 더하여 각 저항에 해당하
는 비율을 계산하였다. 막 저항은 (Rm) 초기 투과속도가 수직배열 CNT 막이
더 빠르기 때문에 더 낮은 값을 갖는 결과를 보였으며 막 저항 비율은 30.3%
정도로 한외여과막보다는 큰 비율을 차지 하였다. 분극현상에 의한 저항 (Rp) 과 겔 층에 의한 저항 (Rg) 은 두 막 모두 매우 낮은 비율을 보였다. 반면 막 기공흡착 저항 (Ra) 은 수직배열 CNT 막은 60.6%, 한외여과막은 72% 로 전체
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저항 중에 대부분 기공흡착 저항이 차지하였다.
저항의 분석결과에 따르면 수직배열 CNT 막과 한외여과막 모두 분극현상이 나 겔 층에 의한 오염보다는 기공에 BSA 가 흡착되어 막 오염이 된 것으로
보인다. BSA 의 크기는 평균 66 kDa 으로 작아 대부분 막의 기공에 부착되었
지만, alginate 와 같이 끈적한 겔 층을 형성하지 않아 겔 층과 분극현상에 의 한 저항이 매우 낮은 것으로 보인다 (Ang and Elimelech, 2007).
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Table 6 Summary of resistance in series of VA-CNTs and UF membrane.
VA-CNTs membrane UF membrane
Resistance (cm-1) Ratio (%) Resistance (cm-1) Ratio (%)
Rm 1.2 × 109 30.3 9.22 × 109 13.7
Rp 3.59 × 108 9.1 9.59 × 109 14.3
Rg 0 0 0 0
Ra 2.39 × 109 60.6 4.83 × 1010 72.0
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제 5 장 결 론
본 연구에서는 화학기상증착법 (CVD) 을 이용해 수직배열 CNT 막을 제조하였고 막의 구조 및 특성 분석, 투과 성능, 제거 성능, 막 오염 등 한외여과막과의 비교를 통해 수처리막으로써의 평가를 진행하였다.
제조된 수직배열 CNT 막은 평균 4.87 nm 의 내경과 6.8 × 1010 cm-2 의 밀도로 한외여과막과 비슷한 수준의 구조를 가지며 금나노입자 여과 테스트를 통해 막의 누출 (leakage) 이 없는 것으로 확인되었다.
수직배열 CNT 막의 물의 투과성능은 1,100 LMH/bar 로 한외여과막보다 2.3
배 이상 빠른 성능을 보였으며, 이론 값과 비교해 무려 89,000 배 이상 빠른
투과성능을 보였다. 이와 같은 CNT 막의 빠른 투과성능은 나노유체이론에
의해 CNT 벽면에서 활강흐름 (slip flow) 이 급격히 일어나는 것을 확인 할 수
있었다. 한편 막간차압의 증가함에 따라 투과속도가 증가하지만, 높은 압력에서는 한계 투과속도 (limiting flux) 에 빨리 도달하는 결과를 보였다. 이 현상은 낮은 압력에서도 빠른 투과성능을 갖기 때문에 한계 투과속도에 빨리 도달한 것으로 보이며 투과속도가 빠르기 때문에 수처리에 큰 영향을 미치지는 않을 것으로 판단된다. 또한 온도가 증가함에 따라 투과속도가 점도에 반비례 하게 증가하게 되는데, 이는 온도가 점도에 영향을 주어 투과속도가 변하게 되는 것으로 판단된다.
이온물질 (NaCl), 금속입자 (금나노입자, 은나노입자), 유기물 (BSA) 등
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다양한 물질을 이용한 제거 특성은 한외여과막과 같이 크기 배제 (size
exclusion) 효과에 의해 입자의 크기가 커짐에 따라 제거율이 증가하는 결과를
보였다. 반면 전하를 띠고 있는 이온의 경우 제거가 전혀 되지 않아 정전기적 반발 (electrostatic repulsion) 효과에 의한 제거는 없는 것으로 판단된다.
BSA 를 이용하여 resistances in series model 실험을 한 결과, 한외여과막과 같이 농도분극이나 겔 층에 의한 오염보다는 대부분 기공에 흡착되어 막 오염 되는 것을 확인하였다. 한편 막 오염의 메커니즘은 수직배열 CNT 막이 한외여과막과 비슷한 유형을 보였지만, 낮은 막 저항을 보여 막 오염에 조금 더 유리할 것으로 예상된다.
본 연구 결과는 수직배열 CNT 막의 수처리 성능에 대한 기초 연구로서
향후 CNT 내경의 축소와 대형화가 진행된다면 역삼투 CNT 막의 개발 혹은
실제 공정의 적용 등에 많은 도움을 줄 것으로 기대된다.
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Abstracts
Cholin Kim
School of Chemical and Biological Engineering, College of Engineering
The Graduate School
Seoul National University
CNTs (carbon nanotubes) are allotropes of carbon such as graphene with a cylindrical nanostructure. CNTs have been getting an attention in electronics, telecommunication, environmental technology, energy and other fields of materials science and technology due to its extraordinary mechanical strength, electrical conductivity and fast mass transport. In particular, owing to nanostructure and fast mass transport properties, VA- CNTs (vertically aligned carbon nanotubes) membranes have been in the spotlight recently for water treatment.
The objectives of this study are to evaluate the feasibility of VA-CNTs membranes for water treatment. Therefore, we investigated structure analysis, permeability, rejection performance, and membrane fouling of VA-CNTs membranes by comparing with commercial ultrafiltration (UF) membrane.
To evaluate VA-CNTs membrane for the water treatment, we used fabricated VA-CNTs membrane consisting of aligned multi-walled carbon nanotubes (MWNT)s, with graphitic inner cores (diameter about 4.87 nm) and a high area density (6.8 × 1010 cm-2), crossing a solid epoxy film.
As a result of structure analysis, it was appeared that fabricated VA-CNTs membrane