수계 환경에 따른 제조나노 물질의 막 기반 수처리 공정 내 거동 평가

Abstract

제조나노물질을 이용한 제품들이 늘어남에 따라 제조나노물질의 수계 방류량이 늘어나고 있고 이는 인간의 건강에 잠재적인 위험이 되고 있다. 본 연구에서는 한외여과 (UF) 기반 수처리 공정에서 pH와 이온강도, 천연 유기물 (natural organic matter)이 이산화티타늄 (Ti$O_2$)과 산화아연 (ZnO) 나노입자의 여과에 미치는 영향을 조사하였다. 동적광산란법에 의한 나노입자의 입자 크기 측정 결과 DLVO 이론에 의해 이온강도가 증가하면 입자 크기가 증가하였다. pH와 천연 유기물 농도의 증가에 의해 표면 작용기의 변화 및 유기물 흡착에 따른 작용기 개수의 증가로 음전하의 크기가 증가하였다. 나노입자의 입자크기 분포와 막공정에서 유입수와 유출수의 농도 측정 결과 산화아연의 제거율은 산화아연의 이온화로 인해 pH에 크게 영향을 받았다 (pH 5에서 8-13 %, pH 9에서 97-99 %). 반면에 이산화티타늄은 pH 5-9 범위에서 입자로 존재하여 97%이상의 제거율을 나타내었다. 이온강도는 5 mM에서 50 mM으로 증가하여도 대부분 막의 공극크기보다 큰 입자로 존재하기 때문에 고분자 막과 세라믹 막에서 산화아연과 이산화티타늄의 제거율에 영향을 주지 않았다. 유기물 존재 하에 입자 평균 크기가 200 nm 아래로 내려가면 막의 공극크기보다 작은 입자들이 많아져 고분자 막에서 나노입자의 제거율이 감소하였다. 반면 세라믹 막의 제거율에는 영향을 주지 않았으며 이는 고분자 막과 세라믹 막의 제거 메커니즘이 다른 것에서 기인하였다 (고분자 막은 표면 여과, 세라믹 막은 심층 여과). 이러한 결과는 수계 환경에 따른 나노입자의 특성 변화가 수처리 공정에 영향을 준다는 것을 보여준다.