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 the constant-flow ultrafiltration (UF) of colloidal silica solutions. Five colloidal silica solutions with different silica size (average size = 7, 12, 22, 50 nm and 78 nm) were used as UF test solutions. The silica particles in colloidal solutions form cakes on the membrane surface thereby causing severe membrane fouling. The constant-flow UF performance according to the gravitational orientation of the membrane cell (from $0^{\circ}$ to $180^{\circ}$ inclined angle), was examined in an unstirred dead-end cell. We evaluate the effects of NCIF on the suppression of fouling formation by measuring the variation of transmembrane pressure (TMP) and the increase of critical flux by using the flux-stepping method. In the constant-flow dead-end UF for the smaller size (7, 12 nm and 22 nm) silica colloidal solutions, changing the gravitational orientation (inclined angle) of the membrane cell above the $30^{\circ}$ angle induces NCIF in the membrane module. This induced NCIF enhances back transport of the deposited silica solutes away from the membrane surface, therefore gives for the reduction of TMP. But in the constant-flow UF for the more larger size (50 nm and 78 nm) silica colloidal solutions, NCIF effects are not appearing. The critical flux is increased as increasing the module angle and decreasing the silica size. Those results show that the intesity of NCIF occurrence in membrane module is more higher as increasing the module angle and decreasing the silica size.

실리카 콜로이드 용액의 정유량 한외여과에서 중력 방향에 대한 막모듈의 위치(경사각) 변화에 따라 발생되는 자연대류 불안정 흐름의 막오염 저감효과를 차압의 변화 정도를 측정하여 규명하였다. 막표면에 케이크 층을 형성함으로서 막오염을 발생시키는 나노 사이즈의 실리카 입자(평균 크기 = 7, 12, 22, 50 nm 및 78 nm)가 함유된 5가지 종류의 콜로이드 용액을 사용하여 중력 방향에 대한 막모듈의 위치(경사각 = $0^{\circ}{\sim}180^{\circ}$)에 따른 차압의 변화를 교반이 없는 dead-end 정유량 한외여과 실험을 통해 측정하였다. 상대적으로 크기가 작은 실리카 입자(7, 12 nm 및 22 nm)가 함유된 콜로이드 용액의 정유량 한외여과에서 막모듈 경사각을 $30^{\circ}$ 이상으로 유지하면 막모듈에 자연대류 불안정 흐름이 발생되어 막오염 형성을 크게 억제시켜 차압의 증가가 거의 나타나지 않았다. 이 자연대류 불안정 흐름의 발생은 막표면에 형성된 실리카 케이크층의 벌크용액으로의 역이동(back transport)을 유발시킴으로서 차압의 증가를 억제시키는 막성능 개선 효과를 나타내었다. 그러나 상대적으로 크기가 큰 실리카 입자(50 및 78 nm)가 함유된 콜로이드 용액의 정유량 한외여과에서는 자연대류 불안정 흐름 발생의 효과가 거의 없었다. 임계 플럭스 측정 결과 실리카 입자의 크기가 작을수록 그리고 막모듈 경사각이 클수록 막모듈에의 자연대류 불안정 흐름의 발생 강도가 커져 막오염 형성이 억제되었으며, 이로 인해 임계 플럭스가 증가하였다.

Keywords

• ultrafiltration;
• natural convection instability;
• membrane fouling;
• reduction of fouling;
• constant-flow filtration;
• transmembrane pressure;
• colloidal silica solution