Abstract
We studied the effects of induction of natural convection instability flow (NCIF) according to the gravitational orientation (inclined angle) of the membrane cell on the reduction of membrane fouling in ultrafiltration (UF) of colloidal silica solutions. Five colloidal silica solutions with different silica size (average size = 7, 12, 22, 50 and 78 nm) were used as UF test solutions. The silica particles in colloidal solutions form cakes on the membrane surface thereby causing severe reduction in the flux. The UF performance according to the gravitational orientation of the membrane cell (from 0 to $180^{\circ}$ inclined angle), was examined in an unstirred dead-end cell. We evaluate the effects of NCIF on membrane performance as the flux enhancement ($E_i$). In the dead-end UF of smaller size (7, 12 and 22 nm) silica colloidal solutions, changing the gravitational orientation (inclined angle) of the membrane cell induces NCIF in the membrane module and higher inclined angle and smaller size silica colloidal solution offer more stronger NCIF. This induced NCIF enhances back transport of the deposited silica solutes away from the membrane surface, therefore gives for the improvement of permeate flux. But in UF of more larger size (50 and 78 nm) silica colloidal solutions, NCIF effects are not appearing. These results suggest that the size of colloidal particle affects the extent of NCIF occurrence.
실리카 콜로이드 용액의 한외여과에서 중력 방향에 대한 막모듈의 위치(경사각) 변화에 따라 발생되는 자연대류 불안정 흐름이 막오염 형성 감소에 미치는 효과를 규명하였다. 막표면에 케이크 층을 형성함으로써 막투과 플럭스의 감소를 발생시키는 실리카 입자(평균 크기 = 7, 12, 22, 50 및 78 nm)가 함유된 5가지 종류의 콜로이드 용액을 사용하여 중력 방향에 대한 막모듈의 위치(경사각 = $0{\sim}180^{\circ}$)에 따른 막투과 플럭스 변화를 교반이 없는 회분식(dead-end) 한외여과 실험을 통해 측정하였다. 자연대류 불안정 흐름 발생이 막성능에 미치는 효과는 플럭스 향상도($E_i$)로서 평가하였다. 상대적으로 크기가 작은 실리카 입자(7, 12 및 22 nm)가 함유된 콜로이드 용액의 한외여과에서는 막모듈의 경사각이 커짐에 따라 자연 대류 불안정 흐름 발생의 강도가 증가하였으며, 동일한 경사각에서 실리카 입자의 크기가 작을수록 자연대류 불안정 흐름의 발생 정도가 더 크게 나타났다. 자연대류 불안정 흐름의 발생은 막표면에 형성된 실리카 케이크층의 벌크 용액으로의 역이동(back transport)을 유발시킴으로써 플럭스 향상의 막성능 개선 효과를 나타내었다. 그러나 상대적으로 크기가 큰 실리카 입자(50 및 78 nm)가 함유된 콜로이드 용액의 한외여과에서는 자연대류 불안정 흐름 발생이 나타나지 않았다. 이 결과로부터 실리카 입자의 크기가 자연대류 불안정 흐름의 발생 강도에 영향을 미치고 있음을 알 수 있었다.