Introduction

DCMD 공정에서는 소수성이 강한 PTFE, PVDF, PP등의 재질의 공극크기 0.1∼1.0μm의 분리막을 사용한다. 본 연구에서 분리막은 소수성이고 다공성인 정밀여과용 분리막인 Poly-vinylidene fluorid (PVDF, Millipore) 재질의 막을 사용하였다. 선택한 막의 공극 크기는 0.22μm이고 두께 125μm, 공극률 75%의 분리막을 사용하였다.

분리막을 전체적으로 wetting 시키기 위해 그림 1과 같이 물보다 표면장력이 낮은 에탄올에 5분간 침지시켜 분리막의 공극 내부를 에탄올로 치환시키고, 그 후 흐르는 물에 막표면을 충분히 씻어내고 증류수에 2시간 이상 침지시켜 공극을 다시 물로 치환시킨다. 이 과정을 통해 분리막은 wetting되게 된다.

Wetting 된 막은 통상적으로 상온에서 24시간 동안 건조시키면 막 성능을 회복할 수 있지만, 본 연구에선 보다 효과적인 de-wetting 방법에 대해 연구하였다.

본 연구에서의 Dewetting 방법은 열풍기와 진공펌프를 이용하여 고온의 공기를 단시간동안 공극 내부에 주입하는 방법으로 표 1에 나타냈다. 표 1에서 보이는 바와 같이 공기의 온도는 50,60,70℃로 하였고, 공기유량은 240 mL/min으로 주입하였다. 또한 주입시간을 5,10,20분으로 다르게 실험하여 최적의 dewetting 방법을 강구하였다.

다음과 같은 방법으로 분리막을 Dewetting 시킨 후 LEP를 측정하였고 DCMD 공정으로 투수율과 염제거율을 확인하였다.

Fig. 1 
wetting method

Liquid entry pressure (LEP)는 물이 분리막을 투과할 수 있는 최소의 압력으로써 다음과 같은 식으로 계산된다.

여기서 B는 분리막의 형상계수, γ는 액체의 표면장력이고 θ 는 분리막과 액체사이의 접촉각이다. 또한 r는 분리막의 공극 크기로 r_max는 최대 공극의 크기이다. 식에서와 같이 분리막의 소수성도가 높을수록 LEP가 커지고 최대 공극크기가 클수록 LEP는 작아지는 것을 알 수 있다.(8-10)

실제로 DCMD 공정에서 LEP이상의 압력이 막에 직접적으로 가해지진 않지만, 유입수의 성상과 막의 표면변화에 의해 LEP값이 낮아지면서 wetting현상이 발생하게 된다. 또한 LEP값은 운전 시에 wetting현상이 발생 할 수 있는 위험도를 측정하는 방법이기도 하다.

본 논문에서는 LEP를 측정하는 장치를 그림 2와 같이 제작하여 3.5 wt% NaCl 수용액과 dewetting 전 후의 분리막의 LEP를 측정하여 dewetting 조건에 따른 LEP의 변화를 살펴보았다.

LEP의 측정장치는 질소가스를 이용하여 용액에 압력을 가하는 방법으로 분리막 표면에 액체가 투과되는 순간의 압력을 측정하였고, 각각 분리막 당 세 번씩 측정하여 이의 평균값을 LEP값으로 하였다.

Fig. 2 
LEP measurement schematic diagram

Dewetting 전,후 분리막의 투수도와 염제거율 성능을 DCMD 공정을 이용하여 분석하였다. DCMD 실험조건은 다음 표2과 같고, 그림3은 DCMD 실험 장치의 모식도 이다.

유입수는 해수와 같은 농도인 3.5 wt% NaCl 수용액을 사용하였고 유랑 및 온도 조건은 일반적으로 운전되는 DCMD 운전조건을 선택하였다.

고온의 공기를 주입한 dewetting 한 결과 wetting전의 분리막과 비교해 높은 투수율을 보였다. 이는 dewetting 과정에서 분리막 표면이 변화하여 나타난 결과이고 Scanning electron microscope (SEM)을 이용하여 관찰하였다.

Fig. 3 
DCMD process schematic diagram