하전된 마이크로 기공에서의 흐름에 따른 다분산 콜로이드 서스펜션의 임계 투과플럭스 거동에 관한 연구

전명석; 김효; Myung-Suk Chun; Hyo Kim

HWAHAK KONGHAK, Vol.41, No.1, 45-50, February, 2003

On the Behavior of Critical Permeate Flux of Polydisperse Colloidal Suspension According to Flows in a Charged Micro-Pore

전명석 ^†, 김효 ¹

한국과학기술연구원 복잡유체 및 뱀브레인연구팀, 136-791 서울시 성북구 하월곡동 39-1
¹서울시립대학교 화학공학과, 130-743 서울시 동대문구 전농동 90

Myung-Suk Chun^†, and Hyo Kim¹

Complex Fluids and Membrane Team, Korea Institute of Science and Technology, 39-1 Hawolgok-dong, Sungbuk-gu, Seoul 136-791, Korea
¹Chemical Engineering Department, University of Seoul, 90 Cheonnong-dong, Dongdaemun-ku, Seoul 130-743, Korea

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초록

다공성 매질에 의한 콜로이드 입자의 교차흐름(crossflow) 여과에서 유체는 매질을 투과하고 분산 입자는 매질 표면으로 이동한다. 여기서, 입자를 부상시켜 매질 표면에서 멀어지게 하는 역전달(back transport)에 관계하는 브라운 확산, lateral migration, shear-induced diffusion, 그리고 interaction-enhanced migration으로부터 임계 투과플럭스(critical permeate flux)가 결정된다. 본 연구에서는, 평균 기공크기가 0.4 μm이고 다분산 카올린 입자가 0.1-2.6 μm 크기인 부분배제(partial rejection) 조건에서, 하전된 기공과 분산 입자들간의 상호작용이 임계 투과플럭스에 미치는 영향에 대한 실험결과를 얻었다. pH 3.3 이상에서는 기공과 카올린 입자는 모두 음전하를 띄었고, pH가 증가하면 제타전위 크기도 증가하였다. 완전배제(complete rejection)인 기존 연구결과에서는, 입자와 입자간의 정전 반발력으로 제타전위가 증가할수록 임계 투과플럭스도 증가하였다. 반면에, 본 연구에서와 같이 입자들이 기공을 일부 투과하는 부분배제에서는, 높은 pH에서 임계 투과플러스값이 낮게 나타났다. 이는 입자와 기공벽면간의 상호작용에 의한 현상으로, 낮은 pH에서는 기공 크기보다 작은 입자들이 비교적 수월하게 기공으로 진입하지만, 높은 pH에서는 입자와 기공간의 강한 정전 반발력으로 입자들이 기공으로 진입하는 대신에 기공 입구에 케이크층을 형성함으로 예상되었다. pH에 따른 입자 배제율의 결과가 이 현상을 확인시켜 주었고, 결국 부분배제에서는 입자와 기공간의 상호작용이 임계 투과플럭스에 중요함을 알았다.

For the crossflow filtration of colloidal suspension with porous media, the fluid permeates through the media, while the particles move toward the media surface. The critical permeate flux is influenced by the back transport associated with Brownian diffusion, lateral migration, shear-induced diffusion, and interaction-enhanced migration. We performed a series of experiments on the effect of interaction between the particles and the micro-pore wall by adopting the partial rejection with conditions of polydisperse Kaolin particles of 0.1-2.6 μm and average pore size of 0.4 μm. Above pH 3.3, both the particles and the pore wall are negatively charged, and the magnitude of zeta potential increases with increasing pH value. Many previous studies show that the critical permeate flux of the complete rejection notably increases with increasing zeta potential. An opposite behavior has been obtained in this study of the partial rejection, where the particles can favorably permeate the micropores. This is because that the stronger electrostatic repulsion hardly makes the particles permeate as pH increases, resulting in a development of the cake layer close to the pore entrance. The rejection data allow us to confirm this phenomenon, meaning that the long-range interaction between the particles and the pore wall essentially affects the critical permeate flux for the partial rejection.

Keywords:Micro-Pore;Critical Permeate Flux;Zeta Potential;Colloidal Suspension;Long-Range Interaction;Particle Rejection

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[Related Articles]

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