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멤브레인 여과 공정의 심과 스페이서: 필요한 이유와 사용 방법

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작성일 25-05-07 14:26

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심과 스페이서: 왜 필요한가, 그리고 어떻게 사용하는가



스페이서는 상업적 규모의 멤브레인 여과 공정에서 필수적인 구성 요소입니다.나선형 멤브레인 요소의 멤브레인 잎 사이에 분리 층을 제공하고 지지 층을 제공하는 데 사용됩니다.스페이서는 일반적으로 폴리프로필렌으로 만들어지고 다양한 형상, 두께 및 크기로 생산되어 멤브레인 공정 성능을 최적으로 향상시킬 수 있습니다.스페이서는 농도 분극을 줄여 물질 전달을 증가시키기 위해 공급 채널 ​​내의 혼합을 향상시킵니다[1].또한 일부 응용 분야에서 멤브레인 파울링 효과를 줄일 수 있습니다[2].  


스페이서는 또한 실험실 규모의 멤브레인 여과 공정에서 실제 멤브레인 작업을 모방하는 데 사용되며, 이는 물질 전달을 향상시키고 파울링 감소와 같은 앞서 언급한 이점 외에도 사용됩니다. 심은 316L 스테인리스 스틸로 만든 얇은 평평한 시트로, 그림 1과 같이 실험실 규모의 셀의 공급 쪽에 배치됩니다. 다양한 두께와 크기로 생산되어 멤브레인 셀의 흐름 채널 깊이를 제어하여 조정할 수 있습니다. 심은 주로 흐름 채널의 깊이를 줄여 교차 흐름 속도(CFV)를 높이는 데 사용됩니다.  


심과 스페이서는 멤브레인 공정의 다양한 과제를 해결하는 데 효과적이지만 채널 전체의 압력 강하도 증가시킵니다[3]. 압력 강하가 증가하면 멤브레인 공정의 전반적인 효율성에 부정적인 영향을 미칠 수 있습니다. 따라서 적절한 심과 스페이서를 선택하는 것은 멤브레인 성능 향상과 압력 강하 효과의 균형을 맞추는 데 중요합니다. 


멤브레인 테스트 셀에 사용되는 심의 용도는 무엇이며, 어떻게 올바른 심(shim)을 선택해야 합니까? 

심은 공급 용액 채널을 통과할 때 공급 용액의 선형 유량을 나타내는 교차 흐름 속도를 높이는 데 사용됩니다. 교차 흐름 속도는 공급 용액의 체적 유량을 흐름 채널의 단면적으로 나누어 계산합니다. 흐름 채널 내부에 심을 배치하면 흐름 채널 깊이가 줄어들어 교차 흐름 속도가 증가합니다. 교차 흐름 속도가 높을수록 파울링 속도가 감소하고 농도 분극 효과가 최소화됩니다[4]. 심은 멤브레인 공정을 작동하는 데 필수는 아니지만 멤브레인 여과 공정의 성능을 향상시키는 데 사용할 수 있습니다. Sterlitech는 다양한 셀에 적합한 다양한 크기의 광범위한 심을 제공합니다 . 심 두께 선택은 선택한 스페이서에 따라 결정됩니다. 교차 흐름 셀이 효율적으로 작동하려면 멤브레인을 설치한 후 캐비티에 소량의 헤드스페이스를 남겨두는 것이 필수입니다. 



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▲ 그림 1: 평판형 교차흐름 셀 내부의 shim 및 스페이서 배열 


 





멤브레인 공정에 스페이서가 중요한 이유는 무엇이며, 이상적인 선택은 무엇일까요?


스페이서는 멤브레인 공정에서 다양한 이점을 제공합니다. 심과 유사하게 공급 스페이서를 삽입하면 채널의 단면적이 줄어듭니다. 공급 스페이서는 두께와 개방 면적 비율이 다양하기 때문에 단면적은 궁극적으로 선택된 스페이서의 두께와 개방 면적 비율에 따라 결정됩니다. 공급 스페이서는 농도 분극을 최소화하고 물질 전달 계수를 향상시킬 것으로 예상되지만 [5] 압력 강하를 증가시켜 멤브레인 공정에 부정적인 영향을 미칠 수 있습니다 [6]. 스페이서는 농도 분극을 줄이기 위해 설계되었지만 파울링 효과를 줄이기 위해 널리 사용됩니다 [7]. 스페이서를 사용하면 스페이서 개구부를 따라 초기에 파울런트가 침전되어 멤브레인에서 생물 파울링 효과를 줄일 수 있는 것으로 밝혀졌습니다 [3]. 그림 2에서 보듯이 유체 역학적 혼합이 낮은 영역이 미생물 부착에 가장 적합합니다.





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▲ 그림 2: 사각지대를 생성하여 멤브레인 바이오파울링을 줄이기 위해 스페이서를 사용하는 영향 








멤브레인 스페이서를 선택하는 방법? 

Sterlitech는 귀하의 어플리케이션에 맞는 다양한 멤브레인 스페이서를 제공합니다 . 피드 스페이서를 선택할 때 알아야 할 두 가지 주요 요소가 있습니다. 첫째, 스페이서의 두께는 스페이서의 막힘에 영향을 미칩니다. 두꺼운 스페이서는 막히지 않고 더 많은 입자와 더 큰 입자를 처리할 수 있습니다. 둘째, 피드 스페이서 두께도 교차 흐름 속도에 영향을 미친다는 점을 고려해야 합니다.


더 얇은 피드 스페이서는 교차 흐름 속도를 낮출 수 있지만 막힐 가능성이 더 큽니다. 반면 더 두꺼운 피드 스페이서는 더 큰 입자를 더 많이 처리할 수 있고, 막힘이 적지만 교차 흐름 속도도 더 높습니다. 


얇은 피드 스페이서는 낮은 교차 흐름 속도와 관련이 있지만 막힘이 발생하기 쉽습니다. 반면 두꺼운 피드 스페이서는 더 큰 입자를 처리할 수 있고 막힘이 적지만 교차 흐름 속도가 더 높습니다. 그러나 이는 모두 흐름 유형(난류 또는 층류)에 따라 달라지며, 이는 피드 스페이서의 기하학과 피드 용액의 교차 흐름 속도의 영향을 받습니다. 흐름이 ​​난류일 때 입자가 멤브레인에 축적되는 대신 쓸려 나갈 가능성이 더 큽니다. 이는 스케일링을 일으킬 수 있는 농도 구배가 형성되는 것을 방지합니다. 경험에 따르면 입자 부하가 중간에서 높으면 두꺼운 피드 스페이서가 더 높은 농축 흐름으로 이어집니다. 반면에 입자 부하가 낮으면 얇은 스페이서가 더 적합할 수 있습니다.




요약 


심과 스페이서를 효과적으로 사용하면 교차 흐름 속도를 최적화하고 파울링을 줄여 멤브레인 공정 성능을 향상시킬 수 있습니다. 스페이서 두께, 지오메트리, 압력 강하 간의 관계를 이해하는 것은 올바른 심과 스페이서를 선택하는 데 필수적입니다. Sterlitech는 다양한 멤브레인 시스템의 특정 요구 사항을 충족하도록 설계된 포괄적인 심과 스페이서를 제공합니다.







 

참고문헌  

[1] J. Schwinge, DE Wiley 및 AG Fane, "새로운 스페이서 설계로 관찰된 플럭스 개선", Journal of Membrane Science, vol. 229, no. 1-2, pp. 53-61, 2004년 2월, doi: 10.1016/j.memsci.2003.09.015. 

[2] HS Abid, DJ Johnson, R. Hashaikeh 및 N. Hilal, "공급 스페이서 특성 제어를 통한 멤브레인 파울링 감소 노력 검토", Desalination, vol. 420, pp. 384-402, 2017년 10월, doi: 10.1016/j.desal.2017.07.019. 

[3] X. Qian, A. Anvari, EMV Hoek 및 JR McCutcheon, "멤브레인 모듈에서 기존 및 3D 인쇄 공급 스페이서의 발전", 담수화, vol. 556, p. 116518, 2023년 6월, doi: 10.1016/j.desal.2023.116518. 

[4] F. Ricceri, B. Blankert, N. Ghaffour, JS Vrouwenvelder, A. Tiraferri 및 L. Fortunato, "반응 표면 방법론을 사용하여 멤브레인 증류에서 유기 파울링에 대한 공급 온도 및 교차 흐름 속도의 역할 풀기", 담수화, vol. 540, p. 115971, 2022년 10월, doi: 10.1016/j.desal.2022.115971. 

[5] SKA Al-Amshawee 및 MYBM Yunus, "전기 투석 담수화의 이온 교환 막에서 농도 분극, 흐름 프로파일 및 파울링에 대한 막 스페이서의 영향: 대각선 네트 스페이서 대 사다리형 구성", 공정 안전 및 환경 보호, vol. 191, pp. 197–213, 2023년 3월, doi: 10.1016/j.cherd.2023.01.012. 

[6] L. Gurreri, A. Tamburini, A. Cipollina, G. Micale 및 M. Ciofalo, "막 공정을 위한 짠 스페이서로 채워진 채널에서 낮은 레이놀즈 수에서의 압력 강하: CFD 예측 및 실험적 검증", DESALINATION AND WATER TREATMENT, vol. 61, pp. 170–182, 2017년 1월, doi: 10.5004/dwt.2016.11279. 

[7] H.-G. Park, S.-G. Cho, K.-J. Kim, 및 Y.-N. Kwon, “역삼투 공정에서 파울링 거동에 대한 피드 스페이서 두께의 효과 - 파일럿 규모 연구,” 담수화, vol. 379, pp. 155–163, 2016년 2월, doi: 10.1016/j.desal.2015.11.011. 




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