초록

응집-초미세여과 단기 흐름 공정은 침전물 인프라 비용을 효과적으로 줄이지만, 용해된 유기물과 함께 남아 있는 음이온 폴리아크릴아미드(APAM)는 UF 멤브레인 오염 제어 및 공정 안정성에 도전 과제를 제기합니다. 본 연구에서는 응집-초미세여과 과정에서 응집제 APAM 잔여물이 UF 멤브레인의 오염 행동에 미치는 메커니즘을 오염 동역학, 형태 분석 및 초기 분자 동역학 시뮬레이션을 통해 조사했습니다. 소 혈청 알부민(BSA, Mw: 133.3 kDa)의 경우, 5 mg/L 미만의 APAM 농도는 APAM의 음이온 그룹과 BSA의 양이온 잔여물 간의 전하 중화를 통해 오염을 완화했습니다. 5 mg/L APAM을 초과하면 오염 완화가 역전되었으며, 이 임계값에서 최소한의 오염이 관찰되었습니다. 초기 분자 동역학은 APAM이 BSA의 구조 재배치를 유도하여 친수성 그룹을 외부로 노출시켜 오염 동역학을 늦추면서도 비가역적인 기공 막힘을 증가시킬 수 있음을 보여주었습니다. 휴믹산(HA, Mw: 4 kDa)의 경우, 형태학적 전환이 10 mg/L APAM에서 오염 변곡점을 초래하여 53.41%의 비가역성을 가진 최소한의 오염을 달성했습니다. HA 응집체는 APAM이 증가함에 따라 입자, 응집체 및 코어-쉘 구조로 발전했습니다. 시뮬레이션 데이터는 APAM 농도가 분자 간 힘을 변화시켜 HA 플록 크기 변화와 구조적 변형을 유발했음을 보여주었습니다. 결과는 단기 흐름 공정에서 잔여 APAM 농도를 제어하는 것이 멤브레인 오염 관리를 개선하는 데 필수적이며, 응집-초미세여과 공정의 안정적인 운영을 최적화하기 위한 기술적 통찰력을 제공함을 시사합니다.

소개

전 세계적으로 물 부족이 심화되고 식수원 오염이 빈번해짐에 따라 깨끗한 물에 대한 수요가 계속 증가하고 있습니다 [1]. 결과적으로 안전하고 신뢰할 수 있는 식수 공급을 확보하기 위한 고급 표면수 처리 기술 개발이 점점 더 긴급해지고 있습니다 [2,3]. 응집-침전-초필tration (C–S–UF) 공정은 국내외 표면수 처리 프로젝트에서 널리 사용됩니다. 이 공정은 부유 고형물과 박테리아를 효율적으로 제거하여 수돗물의 안전성을 보장합니다 [4]. 그러나 이 공정에 침전 탱크를 포함하면 건설 비용이 증가할 뿐만 아니라 처리 시간이 연장됩니다.

이러한 한계를 해결하기 위해 연구자들은 침전조와 관련된 높은 건설 비용을 완화하기 위한 단기 공정 대안으로 응집-초필터링(C–UF)에 점점 더 집중하고 있습니다 [5]. 응집은 부유 고형물을 효과적으로 제거하지만, 물에서 용해된 유기물(DOM)을 제거하는 능력은 제한적입니다. 초필터링 기술은 안정적인 배출수 품질, 높은 탁도 제거 효율성 및 효과적인 병원체 제거를 포함한 장점으로 인해 상당한 주목을 받고 있습니다. 초필터링은 DOM의 큰 분자를 부분적으로 제거할 수 있지만, 주요 막 오염 원인으로서 DOM은 초필터링의 안정성을 저해합니다 [6]. 단기 흐름 구성에 통합될 때, C–UF 공정은 침전의 필요성을 없애고, 응집과 막 여과를 결합하여 탁도 및 부유 고형물 농도를 상당히 줄이는 간소화된 운영을 가능하게 합니다 [7]. 기존의 C–S–UF 시스템과 달리, 단기 흐름 설정은 투여 후 짧은 시간 내에 잔여 응집제와 침전되지 않는 DOM에 막을 노출시켜 독특한 막 오염 위험을 초래합니다. "단기 흐름"이라는 용어는 비공식적이지만, 이러한 구성은 특히 싱가포르와 일본과 같은 공간이 제한된 지역에서 컴팩트하거나 분산된 시스템에서 점점 더 채택되고 있습니다. 예를 들어, 싱가포르의 투아스 수처리장은 2018년부터 하루 300,000 m3의 물을 처리하기 위해 단기 흐름 C–UF를 성공적으로 사용하고 있습니다 [8]. 이러한 증가하는 채택은 이러한 독특한 조건에서 응집제-DOM-막 상호작용을 더 잘 이해할 필요성을 강조합니다. 응집제는 DOM 제거에 제한적인 영향을 미치며, 잔여 응집제는 DOM의 특성 변화를 유도하여 막 오염 경향을 변화시키고, 따라서 단기 흐름에서 공정의 안정적인 운영에 영향을 미칩니다.

다양한 응집제 중에서 폴리아크릴아미드(PAM)는 DOM 제거에서 우수한 성능을 보여줍니다 [9]. 가장 널리 사용되는 합성 유기 폴리머 응집제로서 PAM은 배출수 수질 향상에 중요한 역할을 합니다. 연구에 따르면 PAM은 미세 입자의 응집을 향상시킬 뿐만 아니라 DOM의 농도를 효과적으로 감소시킵니다. 그러나 물 속의 잔여 PAM은 이후의 단기 흐름 초여과 과정에서 막 오염에 기여할 수 있어 초여과 시스템의 효율성에 영향을 미칩니다 [10]. 비이온성 폴리아크릴아미드(NPAM)와 고분자 알루미늄 염화물(PAC)을 단기 응집-초여과 과정에서 음용수 처리에 함께 사용하면 초여과 및 미세여과 막 오염을 상당히 줄일 수 있는 것으로 나타났습니다 [[11], [12], [13]]. 반면, 다른 연구에서는 양이온성 폴리아크릴아미드(CPAM)가 양전하를 띤 폴리머와 음전하를 띤 막 표면 간의 강한 정전기적 인력으로 인해 막 오염을 악화시킬 수 있음을 보여주었으며, 이로 인해 막 위에 잔여 PAM의 케이크 층이 형성됩니다 [14]. 반대로 응집제가 직접 침착되어 형성된 케이크 층이 막 오염을 완화하는 데 도움이 될 수 있음이 보여졌습니다 [15,16]. 다양한 유형의 PAM은 막 오염에 서로 다른 영향을 미치며, CPAM은 오염을 악화시킵니다. CPAM의 다재다능성과 독성으로 인해 음이온성 폴리아크릴아미드(APAM)는 수처리에서 플록 응집에 일반적으로 사용됩니다 [17]. 그러나 잔여 APAM이 다양한 유형의 DOM으로 인한 막 오염에 미치는 영향을 연구한 체계적인 연구는 부족합니다.

또한, 막 오염의 가역적 및 비가역적 변환은 막 성능에 상당한 영향을 미칩니다. 연구에 따르면, DOM의 유형이 막 오염의 성질에 영향을 미치며, 특정 DOM 유형은 비가역적 오염을 더 쉽게 유도하여 막의 열화를 가속화합니다 [18,19]. 한편, PAM과 같은 응집제와 특정 DOM 간의 상호작용이 막 오염 행동을 변화시켜 오염을 되돌리기 더 어렵게 만들고 비가역적 오염의 가능성을 상당히 증가시킬 수 있다고 제안되었습니다 [20]. 그러나 전형적인 DOM으로 유도된 APAM 농도의 막 오염의 가역적/비가역적 변환을 조사한 연구는 거의 없습니다.

이 연구는 잔여 APAM이 단기 유동 응집-초미세여과 과정에서 이후의 막 여과 거동에 미치는 영향을 조사하여 이 격차를 해소하는 것을 목표로 합니다. BSA (Mw: 133.3 kDa) 및 HA (Mw: 4 kDa)와 같은 전형적인 DOM을 사용하여 APAM 농도 변화가 전위 및 입자 크기에 미치는 영향을 조사하였으며, 이는 막 오염 변화 및 미세한 형태의 변화를 유도했습니다. 첫째, 잔여 APAM 농도의 변화가 막 여과 성능 및 막 오염층의 특성에 미치는 영향을 조사했습니다. 또한, 원자력 현미경(AFM)을 사용하여 오염층의 미세한 형태와 특성을 분석했습니다. 막 오염의 가역적/비가역적 변환을 추가로 조사하기 위해, 기초 MD 시뮬레이션을 수행하여 근본적인 메커니즘을 탐구했습니다. 이 연구는 APAM 농도가 막 오염의 가역적/비가역적 변환에 미치는 영향을 설명하며, 잔여 응집제에 의해 유도된 막 오염 메커니즘을 이해하기 위한 이론적 기초를 제공합니다. 이러한 발견은 응집-초미세여과 단기 유동 과정의 안정적인 운영을 최적화하는 데 도움이 될 수 있습니다.

APMA 농도가 DOM 입자 크기 및 전위에 미치는 영향

APAM 농도가 증가함에 따라 BSA와 HA의 제타 전위 및 입자 크기의 변화가 그림 2에 나타나 있습니다. 전형적인 고분자인 BSA의 경우, 용액의 제타 전위는 -11.0에서 -27.2 mV로 급격히 감소하였고, 입자 크기는 APAM 농도가 0에서 5 mg/L로 증가함에 따라 248.7에서 292.8 nm로 유의미하게 증가하였습니다. 제타 전위의 절대값은 APAM 농도가 증가함에 따라 증가하였으며, 이는 더 높은 음전하에 기인할 수 있습니다.

결론

이 연구는 두 가지 모델 오염물인 BSA와 HA를 사용하여 짧은 C–UF 공정에서 APAM의 잔여 농도가 막 오염 행동을 어떻게 조절하는지를 체계적으로 조사했습니다. 주요 결론은 다음과 같습니다:

여과, QCM-D 흡착-탈착 및 AFM 형태학 결과는 잔여 응집제가 DOM 유도 막 오염 행동에 변화를 유도할 수 있음을 보여주었습니다. 막 오염은 농도 의존적인 가역성과 구조적 변화를 나타냈습니다.