실험 개요
막분리는 생리식염수 제조·하수 재이용·식품 가공의 핵심 단위조작이다. 학부에서는 평판형 셀에 한외여과(UF) 또는 역삼투(RO) 막을 장착해 압력별 투과 유량과 용질 거부율을 측정하고, 시간이 지나면서 막오염(fouling)에 의한 유량 감소를 관찰한다.
이론 배경
Darcy 법칙
투과 유속 J = ΔP/(μ·R). R은 막 자체 저항 Rm + 농도분극 Rcp + fouling 저항 Rf. 신선막은 R = Rm, 사용 후 R 증가.
거부율
R(rejection) = 1 − Cp/Cf. Cp: 투과측 농도, Cf: 공급측 농도. RO는 NaCl 거부율 99% 이상, UF는 단백질에 대해 90% 이상.
실험 장치 및 시약
- — 평판 막셀 또는 스파이럴 모듈
- — 고압 펌프 (0~10 bar)
- — 압력 게이지
- — 전자저울
- — 전도도계
실험 절차
- 1.신선한 막을 셀에 장착하고 증류수로 30분간 적심.
- 2.원하는 압력(예: 2, 4, 6 bar)에서 정상상태 후 투과 유량 측정.
- 3.공급수를 NaCl 1000 ppm 용액으로 교체, 동일 압력에서 유량·거부율 측정.
- 4.1시간 동안 시간에 따른 유량 감소(fouling)를 기록.
데이터 처리
J vs ΔP 직선 회귀로 Rm 산출. 시간에 따른 J(t) 곡선에서 Rf(t) 추출. 거부율은 전도도 측정으로 계산.
예비보고서 항목별 작성 팁
이론
Darcy 법칙의 가정과 한계, fouling 메커니즘(케이크, 막힘)의 종류 정리.
압력별 J
선형 영역과 한계 영역의 경계 압력을 미리 추정.
자주 하는 실수
- — 막을 사전 적심 없이 사용해 초기 유량이 비정상
- — 공급액 농도분극을 무시하고 거부율 계산
- — 온도 보정 없이 25°C 표준값과 비교
자주 묻는 질문
Q. fouling은 왜 일어나나요?
막 표면에 거부된 용질이 농축되면서 케이크층이 형성되거나 콜로이드가 막 기공을 막기 때문입니다. 심한 fouling은 신선 유량의 1/10까지 감소시킵니다. 역세척, 화학 세척, cross-flow 운전이 fouling 완화 전략입니다.
Q. UF와 RO의 차이는?
기공 크기가 다릅니다. UF: 1~100 nm, 거대분자(단백질) 분리. RO: 0.1~1 nm, 이온 분리. 운전 압력도 RO(10~80 bar)가 UF(1~10 bar)보다 훨씬 높습니다.
참고 표준·문헌
본 가이드는 다음 표준·교과서·핸드북의 정의·식·표준 절차를 따라 작성되었습니다. 학교 양식과 표준 절차가 다를 경우 학교 양식을 우선합니다.
- [1]Geankoplis, C.J. — Transport Processes and Separation Process Principles, 4th ed., Pearson, 2003
- [2]Perry's Chemical Engineers' Handbook, 9th ed., McGraw-Hill, 2018
- [3]Bird, R.B., Stewart, W.E., Lightfoot, E.N. — Transport Phenomena, 2nd ed., Wiley, 2007