Transmembrane Pressure of Flat-sheet Membrane in Emulsion Type Cutting Oil Solution for Symmetric/Asymmetric Sinusoidal Flux Continuous Operation Mode

Online ISSN: 2288-7253 DOI: http://dx.doi.org/10.14579/MEMBRANE_JOURNAL.2015.25.4.320

대칭/비대칭 사인파형 연속운전 방식에 따른 에멀젼형 절삭유 수용액 내 평막의 막간 차압

원 인 혜⋅이 현 우⋅곽 형 준⋅정 건 용^†

서울과학기술대학교 화공생명공학과

(2015년 7월 31일 접수, 2015년 8월 20일 수정, 2015년 8월 21일 채택)

Transmembrane Pressure of Flat-sheet Membrane in Emulsion Type Cutting Oil Solution for Symmetric/Asymmetric Sinusoidal Flux Continuous Operation Mode

In Hye Won, Hyeon Woo Lee, Hyeong Jun Gwak, and Kun Yong Chung

^†

Department of Chemical and Biomolecular Engineering, Seoul National University of Science and Technology, Seoul 01811, Korea

(Received July 31, 2015, Revised August 20, 2015, Accepted August 21, 2015)

요 약: 본 연구에서는 0.5 wt% 에멀젼형 절삭유 수용액에 평막형 분리막을 침지시키고 대칭 및 비대칭 사인파형 투과유 속 연속운전(SFCO) 방식으로 실험하였다. 사용한 정밀여과막은 유효 막면적이 0.02 m

²

이고 공칭 세공크기가 0.15 µm이었다.

탁도 기준으로 에멀젼형 절삭유의 99% 이상이 제거되었으며 산기량이 증가할수록 TMP가 낮게 상승하였다. 비대칭형 SFCO 운전방식은 투과유속이 낮은 10∼15 L/m

²

⋅ h 영역에서 대칭형 SFCO 운전방식보다 다소 유리하였다. 하지만, 투과유속이 높 은 25∼30 L/m

²

⋅ h에서는 대칭형 SFCO 운전이 매우 효과적임을 확인할 수 있었다.

Abstract: In this study, permeation experiments were carried out using the symmetric and asymmetric sinusoidal flux continuous operation (SFCO) modes for the submerged flat sheet membrane in the 0.5 wt% emulsion type cutting oil solution. The effective area and nominal pore size of the used microfiltration membrane were 0.02 m

²

and 0.15 µm, respectively. The emulsion cutting oil was rejected over 99% based on turbidity. Transmembrane pressure increased lower as the aeration rates increased. The symmetric SFCO mode was a little more effective than the symmetric SFCO mode in low permeate flux between 10 and 15 L/m

²

⋅h. However, the symmetric SFCO mode was shown very effectively in high per- meate flux between 25 and 30 L/m

²

⋅ h.

Keywords: cutting oil, flat membrane, submerged module, symmetric sinusoidal flux, asymmetric sinusoidal flux

1)1. 서 론

절삭유는 금속 가공 시 냉각과 윤활 작용으로 표면 마찰에 의한 열 발생을 줄여 작업 효율을 높이고 공구 의 수명을 늘리기 위해 사용되고 있다. 석유, 기계 및 섬유 산업 등에서 사용되는 절삭유는 크게 비수용성과 수용성으로 분류할 수 있다. 비수용성 절삭유는 절삭성 능이 우수하며 폐 절삭유의 기름성분이 60% 이상으로 처리가 용이하나 유독성 및 환경오염 등의 문제가 있

다. 수용성 절삭유는 비수용성 절삭유보다 작업환경이 깨끗하지만 성능이 떨어지며 박테리아 번식으로 인한 악취가 발생할 수 있다[1]. 안정한 상태로 존재하는 수 용성 오일은 화학 약품 등의 전처리가 불가피하며[2]

발생된 폐 절삭유는 기계적, 화학적 및 생물학적인 방 법으로 처리 가능하다. 그러나 화학 약품으로 인한 오 염이 발생할 수 있고 농축과정에 비용 문제가 발생할 수 있다. 따라서 환경적인 측면이나 자원적인 관점에서 볼 때 오일 성분을 추출 및 제거하는 기술은 매우 중요

†

Corresponding author(e-mail: [email protected], http://orcid.org/0000-0002-5182-0012)

Fig. 1. Schematic flow diagram of the submerged mem- brane system.

하다[3].

최근에 응용되는 분리막을 이용한 폐오일 처리 기술 은 화학약품과 같은 별도의 첨가제가 필요하지 않고 폐 수의 성상변화에 거의 영향을 받지 않으며 오일 제거율 이 높아 안정적으로 처리 가능하다. 또한 고도처리 시 공장 부지를 저감할 수 있으며[4] 분리막 모듈을 분리 하여 직접 세척할 수 있고 경우에 따라서는 손상된 막 만 교체할 수도 있기 때문에 관리가 용이하며 유지비가 적게 들어 효과적이다[5]. 분리막을 이용한 절삭유 수용 액의 처리는 일반적으로 정밀여과와 한외여과 공정이 사용된다. 세공크기가 작은 한외여과막을 사용하면 오 일 제거율은 상승하지만, 투과유속이 감소하며 세공크 기가 큰 정밀여과막을 사용하면 투과유속은 증가되지 만 오일 제거율이 낮아지므로 용액 성상에 따른 적절한 분리막의 선택은 중요하다. 또한 오일 입자 중 세공의 크기보다 작은 입자는 세공을 통과하는 경우가 발생할 수 있지만 점차적으로 오일 입자가 막 표면에 축적되어 겔층을 형성하여 보다 작은 입자의 경우도 분리할 수 있다[6,7]. 그러나 장기 운전 시 막오염 현상으로 인해 투과량이 감소하거나 막간 압력차(transmembrane pres- sure, TMP)가 증가하는 문제가 발생할 수 있으며[8] 이 러한 막오염 문제를 해결하기 위해 현재까지도 많은 연 구가 진행되고 있다[9-11]. 예를 들면, 분리막 표면에 충분한 양의 공기를 공급하여 운전 및 휴지 시에 막 표 면의 오일을 효과적으로 제거하거나 임계 투과유속보 다 낮은 투과유속으로 운전[12] 또는 전기장을 이용하 여 투과유속을 향상시키기도 한다[13]. 이외에도 절삭 유 수용액을 전처리하여 원료용액의 점도, 밀도 등 물 성을 조절하거나 분리막의 물리적 세척이나 막 표면의 개질 등으로 막오염을 조절할 수 있다[14,15].

특히 에멀젼 절삭유 수용액에 분리막을 침지시키고 투과유속을 연속적으로 변화시키면서 막오염을 조절하 는 이른바 사인파형 투과유속 연속운전(sinusoidal flux continuous operation, SFCO) 방법을 개발한 바 있다.

이 경우 SFCO 운전방식에 따른 TMP는 기존의 침지식 분리막에 적용되는 운전/휴지(run/stop, R/S) 방식에 비 하여 60% 이하로 유지되었으며 투과유속의 증가에 따 른 TMP의 감소가 상대적으로 크게 나타남을 확인하였 다[16]. 계속해서 본 연구에서는 SFCO 투과유속의 파형 을 최적화하기 위하여 침지식 정밀여과용 평막을 수용 성 절삭유 수용액 내 침지시키고 대칭형 및 비대칭형 SFCO 방식의 투과실험을 수행하였다. 또한 운전방식에

따른 투과유속 및 대칭형의 산기량 변화에 따른 TMP의 변화를 비교 분석하여 그 특성을 확인하고자 하였다.

2. 실험 장치 및 실험 방법

2.1. 실험 장치

본 연구에서 사용한 분리막은 공칭공경 0.15 µm인 P 사 CPVC (Chlorinated Polyvinyl Chloride)평막으로 양 면의 유효 막면적이 0.02 m² (0.1 × 0.1 m)이며 평막이 0.006 m 두께의 지지체에 고정되어 있는 모듈로서 처리 수는 막모듈 상단 처리수 관으로 모아져서 배출되는 방 식이며 실험장치에 대한 개략적인 흐름도를 Fig. 1에 나 타내었다. 20 L 크기의 에멀젼형 절삭유 수용액 저장조 (1)에는 평막형 분리막 모듈 (2)가 침지되어 있고 교반 기 (3)를 설치하여 절삭유 수용액을 균일하게 혼합하도 록 하였다. 분리막 모듈과 연결된 펌프((4), Masterflex 7518-00)를 사용하여 일정한 유량으로 투과액을 얻은 후, 투과액은 절삭유 수용액 농도를 일정하게 유지하도 록 저장조로 반송하였다. 흡입압력은 압력계((5), Sensys PTDC-100 RCIA)로 측정하였고 UTP케이블로 연결된 컴퓨터 (6)에 실시간으로 측정 압력을 저장하였다. 에어 펌프 (7)을 사용하여 공급되는 공기는 유량계((8), Dwyer)로 측정한 후 저장조 하부에 설치된 산기관 (9) 을 통하여 저장조에 공급되었다. 이와 같이 공급된 공 기는 저장조 내에서 상승하면서 분리막 표면에 축적되 는 오일 입자를 세척하여 막 오염을 줄이는 작용을 할 수 있다[16].

(a)

(b)

Fig. 2. (a) Permeate flux and (b) permeate weight for the symmetric and asymmetric SFCO modes at J

R/S

= 20 L/m

²

⋅ hr and C = 1.6.

2.2. 실험 방법

2.2.1. SFCO의 대칭형 및 비대칭형 운전방법

본 실험에서는 동일한 조건하에서 분리막을 침지시 켜 비대칭형과 대칭형 운전방식을 적용하여 투과시간 에 따른 TMP를 비교하였다. TMP 변화 경향을 확인하 기 위하여 12분 주기로 8번을 반복 운전한 후 투과 실 험을 중지하였다. 운전 중에는 분리막 오염을 저감시키 기 위하여 모듈 하단부의 산기관에서 1 L/min의 공기 를 연속적으로 공급하였다.

R/S 및 SFCO의 운전주기는 동일하게 12분이고 R/S 운전의 경우는 10분간 여과운전 후 2분간 휴지(R/S 10 분-운전/2분-휴지)하였으며 SFCO는 흡입펌프의 특성을

고려하여 1분 단위의 step function으로 투과유량을 조절 하였다. SFCO 운전방법에 대한 펌프의 제어는 Labview 프로그램을 사용하였다. 대칭형 운전방식 투과유속(JS)에 대한 일반식은 아래와 같다.



_



_sin^ 



  ≤  ≤  (1)

대칭형 운전방식은 R/S 투과유속인 JR/S를 기준으로 변형된 사인함수 식 (1)을 적용하여 휴지시간 없이 12 분주기중 6분을 기준으로 반복되는 대칭형 구조이다.

는 0∼π 범위의 주기적인 사인파형을 형성하도록 w

= π/12로 설정하였다. SFCO의 최대 투과유속을 기존 R/S운전의 투과유속이하로 운전하면서 12분 주기당 투 과수 생산량을 동일하게하기 위하여 상수인 C 값을 조 정하였다. 또한 비대칭형 운전방식 투과유속(JAS)를 제 어하기 위한 일반식은 다음과 같다. 여기에서 JASmax은 JAS의 최대값을 의미한다.



_



_^{}⋅sin   



_{}  ≤  ≤  (2)

비대칭형 운전방식은 식 (2)를 적용하여 12분 주기 중 9분에 최대 설계투과유속으로 운전되는 비대칭형 구 조이다.

이상의 대칭형/비대칭형 함수를 기준으로 JR/S = 20 L/m²⋅h 이고 C = 1.6일 경우 대칭형 및 비대칭형 투 과유속을 나타내면 Fig. 2(a)와 같다. 대칭형 SFCO는 운전주기 중간인 6분일 때 투과유속이 최대 20 L/m²⋅ h에 도달하였고 이를 중심으로 운전시간에 대하여 대칭 적이며, 비대칭형 SFCO의 경우는 투과유속이 대칭형보 다 서서히 증가하여 9분일 때 최대값인 22 L/m²⋅h에 도달하고 그 후에 급격하게 감소함을 알 수 있었다. 하 지만 12분 주기 동안 분리막을 투과한 생산수의 양은 Fig. 2(b)에서와 같이 동일함을 확인하였다.

2.2.2. 정밀여과막의 전처리 및 세정

절삭유의 입자 크기보다 분리막 기공이 상대적으로 커서 절삭유의 제거율이 감소할 수 있으므로 분리막 표 면에 인위적으로 얇은 오일층을 형성시켰다. 먼저, 분리 막을 절삭유 수용액에 침지시키고 공기를 공급하지 않 은 상태에서 높은 투과 유속으로 TMP가 20 kPa에 도 달할 때까지 흡입하여 분리막의 표면에 오일층을 형성

Fig. 3. Turbidity of the cutting oil solution. Fig. 4. Particle size distribution of the cutting oil solution.

시킨 후 순수에 침지하여 유속을 확인하고 투과실험을 진행하였다. 이때 너무 낮은 투과유속으로 흡입할 경우 는 오일이 분리막을 투과하여 양질의 처리수를 확보할 수 없었다.

투과 실험을 마친 후에는 분리막 표면을 부드러운 재 질의 스펀지로 물리적 세척하여 막 표면의 오일층을 제 거한 후 순수에 침지시켜 TMP를 확인하였다. 그리고 99% 에탄올 용액에 침지시키고 약 8분간 에탄올 용액 을 투과시켜 분리막 표면 및 세공 내에 절삭유를 용해 시킨 후 마지막으로 순수 투과유속을 측정하고 초기 TMP와 비교하여 분리막의 세척을 확인하였다[16].

2.2.4. 절삭유 분석

본 실험에서 사용한 에멀젼형 절삭유(MegaLube Co.) 수용액의 농도 및 제거율을 확인하기 위하여 농도에 따 른 탁도를 탁도계(HACH, US2100N)로 측정하였으며 Fig. 3에 나타내었다. 이와 같은 검량선을 이용하여 투 과수의 농도를 추정하였으며 이를 이용하여 분리막의 제거율을 계산하였다. 본 연구의 투과실험에 대한 분리 막 제거율은 99% 이상임을 확인하였다.

또한 에멀젼형 절삭유 수용액 내에 오일 입자분포를 입도분석기(Beckman Coulter LS 13 320)로 측정하여 Fig. 4에 나타내었으며 절삭유 오일입자는 0.04 내지 0.25 µm 범위에 폭넓게 분포함을 확인할 수 있었다. 절 삭유를 제타전위측정기(Photal Otsuka ELSZ)로 측정한 결과 에멀젼형 절삭유 수용액의 제타전위는 -40.51 mV 로 나타났다.

3. 실험 결과 및 고찰

3.1. 대칭형 및 비대칭형 운전방식에 따른 TMP

0.5 wt% 에멀젼형 절삭유 수용액에 대칭형 및 비대칭 형을 적용한 SFCO 운전 방식으로 JR/S를 10, 15, 20, 25 L/m²⋅h 및 30 L/m²⋅h로 증가시키면서 각각의 TMP를 측정하여 Fig. 5에 나타내었다. JR/S = 10 L/m²⋅h일 경 우는 Fig. 5(a)에서와 같이 투과실험 시작 25분 후부터 TMP가 급격히 상승하였으며 이후 완만히 증가하는 경 향을 보였다. 제8주기(84∼96분)에서 대칭형 SFCO의 최 대 TMP가 18 kPa일 때 비대칭형 SFCO의 최대 TMP는 14 kPa로 비대칭형 SFCO가 4 kPa 정도 TMP 저감 효과 가 있었다. 그러나 이후 주기가 증가할수록 비대칭형 SFCO의 TMP가 서서히 증가하여 대칭형 SFCO의 TMP 에 근접하는 것을 확인하였다. JR/S = 15 L/m²⋅h일 경우 는 Fig. 5(b)에서와 같이 제8주기(84∼96분)까지 대칭형 과 비대칭형 SFCO의 TMP가 유사한 형태로 상승하였으 며 이후 제9주기부터 대칭형 SFCO의 TMP는 25 내지 27 kPa로 일정하게 유지되었다. 그러나, 비대칭형 SFCO 의 TMP는 서서히 증가하여 153분에는 30 kPa까지 상승 하였다. JR/S = 20 L/m²⋅h일 때는 Fig. 5(c)에서와 같이 첫 번째 주기부터 비대칭형 SFCO의 TMP가 대칭형 SFCO보다 높게 유지되는 경향을 보였으며 제6주기(60

∼72분)에서는 비대칭형 SFCO의 TMP는 33 kPa, 대칭 형 SFCO는 30 kPa로 3 kPa 정도 낮게 나타났었다. JR/S

= 25 L/m²⋅h까지 증가시키면 Fig. 5(d)에서와 같이 대 칭형 SFCO의 TMP는 비대칭형 SFCO TMP보다 매 주 기에서 낮게 나타남을 확인할 수 있었으며 최대 6 kPa

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

Fig. 5. Transmembrane pressure for the symmetric and asymmetric SFCO modes : (a) J

R/S

= 10, (b) 15, (c) 20, (d) 25 and (e) 30 L/m

²

⋅hr.

정도 낮았다. 마지막으로 JR/S = 30 L/m²⋅h까지 더욱 증 가시킬 경우 대칭형 SFCO TMP가 비대칭형 SFCO TMP보다 뚜렷하게 낮게 유지되었으며 최대 11 kPa까지 차이가 있었다.

요약하면 투과유속이 낮은 10 내지 15 L/m²⋅h 영역 에서는 비록 그 효과가 미미하지만 비대칭형 SFCO 운 전방식이 유리한 것으로 나타났다. 그러나 중간 투과유 속인 15 내지 20 L/m²⋅h일 경우는 대칭형 SFCO의 TMP가 3 kPa 정도 낮게 나타났으며 투과유속이 높은 25 내지 30 L/m²⋅h에서는 대칭형 SFCO 운전이 더욱 효과적임을 확인할 수 있었다. 비대칭형 SFCO 운전방 식의 경우 Fig. 2(a)에서와 같이 투과유속이 낮으면 소 위 임계 투과유속 이하로 운전되어 막오염이 가역적이 므로 비록 대칭형에 비하여 높은 투과유속 영역이 존재 하더라도 막오염 문제가 발생되지 않을 수 있다. 그러 나, 투과유속이 증가하면 비대칭형 SFCO 운전에서 대 칭형보다 높은 투과유속 구간은 임계 투과유속 영역을 초과하여 비가역적 막오염을 초래할 수 있다. 이러한 영역에서 비대칭형 SFCO 운전의 경우, 비록 짧은 최대 투과유속 운전 이후에 대칭형 투과유속보다 낮은 영역

에서 운전되더라도 이미 형성된 막오염이 지속적으로 존재하므로 대칭형 SFCO 운전보다 불리하게 작용할 수 있다.

3.2. 대칭형 SFCO의 산기량에 따른 변화

대칭형 함수를 적용한 SFCO 운전방식으로 에멀젼형 절삭유 수용액 0.5 wt%에 대해 JR/S = 15 L/m²⋅h인 조 건에서 산기량을 0, 0.25 그리고 1 L/min으로 증가시키 면서 각각의 TMP 결과를 측정하여 Fig. 6에 나타내었 다. 산기량에 따른 TMP 변화는 제4주기(36∼48분) 이 내 에서 유사하였으나, 그 이후에 산기량이 증가함에 따라서 감소함을 알 수 있었다. 예를 들어 제8주기인 91분에서 산기량 0, 0.25 및 1 L/min일 때의 TMP는 각 각 30, 28, 25 kPa로 공기를 주입하지 않은 경우와 비 교하여 2 내지 5 kPa의 TMP 저감 효과가 있었다. 이와 같이 분리막의 휴지기간이 없이 연속적으로 투과를 실 시하는 SFCO 운전 방식에서도 분리막 표면의 절삭유 오일층을 기포로 일부 제거 가능하여 막오염을 일부 억 제할 수 있었다.

Fig. 6. Transmembrane pressure for various aeration rates at J

R/S

= 15 L/m

²

⋅hr.

4. 결 론

본 연구에서 개발한 대칭형 및 비대칭형 SFCO 운전 방식에 대하여 에멀젼형 절삭유 수용액의 분리 특성을 요약하면 다음과 같다. 먼저 정밀여과용 분리막을 적용 하면 99% 이상의 절삭유를 제거할 수 있었다. 비대칭 형 SFCO 운전방식은 투과유속이 낮은 10∼15 L/m²⋅h 영역에서 비록 효과가 미미할지라도 대칭형 SFCO 운 전방식보다 유리하였다. 그러나, 중간 투과유속인 15∼

20 L/m²⋅h에서는 대칭형 SFCO의 TMP가 3 kPa 정도 낮아 막오염 저감에 효과적이었으며 투과유속이 높은 25, 30 L/m²⋅h에서는 대칭형 SFCO 운전이 매우 효과 적임을 확인할 수 있었다. 또한 절삭유 수용액에 침지 된 분리막에 산기량을 증가시키면 막표면의 오일층이 기포에 의해 제거되어 막오염을 저감시킬 수 있었다.

감 사

이 연구는 서울과학기술대학교 교내학술연구비 지원 으로 수행되었습니다.

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