농도분극

농도분극의 정의

농도분극은 막이 성분을 선택적으로 통과시킬 때 막 상류 표면이 농축되는 현상이다.

막은 물은 통과시키고 오염물질은 막는다. 막에 걸린 물질은 막 앞에 쌓여 진한 층을 만든다.

막 표면 농도 Cm이 벌크 농도 Cb보다 커지며, 그 비가 농도분극비 β다.

β가 1보다 클수록 농도분극이 심하다.

경계층과 배제 물질

농도분극은 배제된 물질이 막면에 쌓여 경계층을 만드는 과정에서 생긴다.

경계층이 생기면 막 표면 농도가 높아지고, 투과 플럭스가 줄어든다.

플럭스가 줄어든 상태가 길어지면 스케일과 막오염으로 이어진다.

교차흐름이나 역세척으로 경계층을 줄이면 농도분극이 억제된다.

저항 모델로 본 플럭스

농도분극은 막 양단의 유효 구동력을 줄인다.

식에서 전체 저항이 커지면 플럭스는 작아진다. 농도분극은 Rcp를 키운다.

막 표면 삼투압 πm이 벌크보다 커져 유효 막간압차가 줄어든다.

그래서 같은 압력에서 얻는 투과 유량이 줄어든다.

계산 예제

앞의 저항 모델로 간단한 계산을 해 보자.

농도분극 저항 Rc가 막저항 Rm과 같아지면 전체 저항은 두 배가 된다.

조건은 ΔP 100 kPa, 점도 1.0e-3 Pa·s다. 농도분극 전 J0은 1.0e-4 m/s다.

농도분극으로 Rc가 더해지면 J1은 5.0e-5 m/s로 떨어진다.

저항이 두 배가 되면 플럭스는 절반이 된다. 이것이 농도분극이 투과 유량을 떨어뜨리는 원리다.

헷갈리는 점

헷갈리기 쉬운 점은 농도분극과 막오염을 같은 현상으로 보는 것이다.

농도분극은 막 표면 근처의 농도 구배에 의한 일시적 현상이다.

막오염은 물질이 표면이나 기공에 붙어 남는 현상이다.

농도분극은 역압을 제거하면 대부분 회복되는 가역 현상이다.

채점에서는 발생원인, 영향, 억제방법을 각각 독립 항목으로 쓴다.

억제 방법과 정리

농도분극을 억제하는 방법은 농축층 생성 억제와 농축층 제거로 나뉜다.

교차흐름 운전은 막면 전단으로 농축층을 흩트리고, 저투과 플럭스 운전은 농축층 생성 속도를 낮춘다.

역세척과 플러싱, 공기 세정은 표면 퇴적물을 제거한다. 세정은 물리세정과 화학세정으로 구분한다.

화학세정은 스케일을 제거하고, 전처리는 pH 조절과 스케일 방지제 주입으로 침전 한계를 높인다.

농도분극은 가역적이므로 발생원인, 영향, 억제방법을 빠짐없이 쓴다.