Experimental and numerical study of colloidal fouling on the patterned membrane surface

Abstract

패턴형 분리막에서의 막오염 매커니즘을 이해하기 위해 교차형 흐름 미세여과(microfiltration) 실험과 브라운 동역학 전산모사를 병행하였다. 상반전 기법(phase inversion technique)을 통해 분리막 표면에 가로 400μm, 세로 100μm의 미세한 프리즘 패턴을 전사하여 패턴형 분리막을 제조했다. 이 분리막에서의 부유물 오염 양상을 살펴보기 위해 PMMA 콜로이드 입자를 증류수에 잘 분산시킨 모델 유체를 이용하여 미세여과 실험을 수행했다. 일정 시간 동안 펌프를 통해 일정한 유속을 가하며 막 오염 실험을 진행했고, 실험을 마친 후에는 분리막을 실험장치에서 꺼냈다. 그리고 주사 전자 현미경(SEM)을 이용하여 분리막 표면에 쌓여 있는 입자들을 관찰하였다. 입자는 주로 표면 패턴의 상단부 보다는 하단부 쪽에 많이 적층되어 있었고, 상단부에는 실험 시작 이후 시간이 경과하였음에도 입자가 전혀 쌓여 있지 않은 영역이 확인되기도 하였다. 이렇게 패턴형 분리막의 상단부와 하단부에서의 입자 적층 양상의 차이는 표면 패턴 주변의 유동 특성 연관될 것이라 생각되었다. 수치해석을 통해 패턴형 분리막 주변의 교란된 유동장을 계산하였고, 이를 이용하여 콜로이드 입자의 움직임을 계산할 수 있었다. 유동 계산 결과에서 표면 패턴 주변에는 교차형 흐름기 내의 유동과 분리되는 매우 느린 유동이 발생하였고, 표면 패턴의 상단부에는 유동에 의해 전단 응력이 매우 크게 형성되어 있었다. 브라운 동역학 전산모사는 이러한 유동 특성이 반영되어 수행되었고, 입자는 패턴형 분리막의 상, 하단부에서 다르게 거동하였다. 분리막의 상단부에서는 입자가 분리막 표면에서 강한 전단 응력을 받아 쉽게 떨어져 나가는 모습이 관찰되었고, 이 영역에서 입자는 잘 쌓이지 못했다. 반면 분리막의 하단부에서는 입자가 느린 유동 영역에 진입하게 될 경우, 교차 흐름의 영향을 거의 받지 못하고 분리막 쪽으로의 투수 유속과 분리막 표면이 입자에게 가하는 인력의 영향을 받아 분리막 표면에 쉽게 쌓였다. 이로 인해 분리막 하단부에서는 상단부에서보다 막오염이 빠르게 일어났다. 이러한 거동은 실제 처리수에 포함되어 있는 미생물 등의 부유물에 대해서도 일어날 수 있을 것으로 예상할 수 있다. 본 연구 결과가 보다 개선된 패턴형 분리막을 설계하는 데에 기여할 수 있을 것으로 기대한다.

In this study, microfiltration experiments were conducted to observe membrane fouling in the patterned membrane and they were compared to dynamics of suspended particles calculated from Brownian dynamics simulation. Patterned membranes were fabricated with the modified immersion precipitation method, and they were located in the microfiltration test cell. A monodisperse PMMA colloidal suspension was sonicated and used as the feed solution. After cross-flow microfiltration experiments, fouled surfaces of the patterned membranes were observed with scanning electron microscope (SEM). We could observe that colloidal fouling occurred readily in the valley region between the surface patterns in comparison to the apex region. Brownian dynamics simulation was modified to be conducted with perturbed flow field near the patterned membrane which was calculated from the Navier-Stokes equations and continuity equations. Dynamics of colloidal particles were simulated in the case of PMMA colloidal suspensions, and they were affected by the flow characteristics near the patterned membrane surface. High shear stress distribution and flow separation were shown in this area, so fouling behavior could be explained with these flow characteristics. Colloidal fouling phenomena observed in the experiment could be related to the particle dynamics calculated in the Brownian dynamics simulation.