3.2.1 유체 투과실험 시스템 구성
Figure 11 은 막의 유체 투과 속도를 측정하기 위한 교반식 전량 여과장치
시스템 구성도이다. 막은 여과장치의 바닥 면 (0.44cm2) 과 밀착시키기 위해 고무재질의 링을 사이에 두고 장착하였고 용매를 장치 내부에 채워 밀폐시켰다. 밀폐된 장치에 질소가스를 밸브를 이용하여 가압하였다. 투과되어 나오는 첫 방울부터 초기 5 분간 투과되는 양을 저울로 실시간으로 측정하였고, 투과속도는 단위 면적과 압력 당 나오는 유량의 속도 단위로 LMH/bar (L/m2 h bar) 로 측정하였다.
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Figure 11 Schematic diagrams of stirred cell membrane filtration system for solvent transport experiment.
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3.2.2 물 투과속도 측정
수직배열 CNT 막과 한외여과막의 물 투과속도는 전량 여과장치를 이용하여 단위 시간당 투과되는 양을 측정하였다. 실험에 사용된 물은 증류수를 사용하 였고 20±1oC 의 항온조건에서 2 bar 의 압력을 가하여 물을 투과시켰고 각각
3 개의 막으로 실험하여 평균 값을 구하였다.
측정된 투과속도는 이론 값인 pore model 과 비교하기 위해 실제 투과속도를 이론 값으로 나눠 enhancement factor (ε) (식 8) 를 구하였다. 이론 값은 막 조건 의 Hagen-poiseuille 식 (식 9) 을 이용하였고, 계산에 필요한 값들은 막 구조분 석에서 구한 기공의 직경 (d), 공극률 ( pore), 막의 유효두께 (L) 등을 구하여 계산하였다. 두께는 수직배열 CNT 막은 막 전체 두께를 이용하였고, 반면 한 외여과막은 활성층 (active layer) 과 지지층 (supporting layer), 두 층으로 나누어 져 있지만 지지층은 활성층에 비해 상당히 성긴 구조를 가지고 있어 유체 투 과속도에 영향을 거의 주지 않기 때문에 활성층에 두께만을 계산에 고려하였 다.
P H obseved
J ε = J
(식 8)
L 8
P 2 J d
2 pore
P
H
( )
(식 9)
pore: Membrane porosity d: Pore diameter
P: Applied pressure
: Kinematic viscosity
41 L: Membrane thickness
3.2.3 용매의 점도에 따른 투과속도 측정
용매의 점도에 따른 막의 투과성능을 측정하기 위해 다른 점도를 가지는 여 러 종류의 용매를 선정하여 물의 투과속도 실험과 동일하게 실시하였다. 실험 에 사용 된 용매는 물과 hexane (296090, Sigma Aldrich, USA), octane (296988, Sigma Aldrich, USA), decane (457116, Sigma Aldrich, USA), dodecane (297879, Sigma Aldrich, USA) 이며 Table 3에 각 용매의 밀도, 점도 등 물리화학적 특성 값들 을 나타내었다 (Perry’s Handbook 8th (Perry and Green, 2008) 을 참조). 또한 유체 의 친/소수성을 비교하기 위해 용매간 친화도를 알 수 있는 solubility parameter 값을 구하였고, 이 값은 Hildebrand’s solubility parameter (δ)(식 10) (Barton, 1991) 이론을 이용하여 구하였다. Hildebrand’s solubility parameter 이론에 의하면 유체 간 solubility parameter 값의 차이가 작을수록 용매간 친화도가 큰 것을 의미한
다. 따라서 물의 solubility parameter 값과 멀어질수록 친화도가 작아지기 때문
에, solubility parameter 값이 작아질수록 용매는 소수성을 띠는 것을 의미한다.
m v
V RT δ ΔH
=
(식 10)
Hv
: Heat of vaporization R: Ideal gas constant T : Absolute temperature Vm: Molar volume
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Table 3 Solvents with varying density, kinematic viscosity and solubility parameter to study mass transport through VA-CNTs membrane (Perry’s Handbook 8th).
Density (g/cm3)
Kinematic viscosity (cP)
Solubility parameter (MP0.5)
Water 1.0 1.0 45.9
Hexane 0.66 0.3 14.9
Octane 0.7 0.5 13.8
Decane 0.74 0.9 13.4
Dodecane 0.75 1.5 13.2
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3.2.4 막간 차압에 따른 투과속도 측정
막의 투과성능에 대한 막간 차압 (TMP, transmembrane pressure) 의 영향을 분석하기 위해서 다양한 압력조건에 따라 물이 투과되는 속도를 측정하였다. 실험은 20 ± 1oC 의 항온조건에서 다양하게 압력을 가하여 초기 5분동안 투과되는 양을 측정하였고 가해준 압력은 2, 4, 6, 8, 10 bar 로 이를 한 세트로 하여 각각 3개의 막으로 실험하여 평균값을 구하였다.
3.2.5 온도에 따른 투과속도 측정
막의 투과성능에 대한 온도의 영향을 분석하기 위해 물의 온도에 따라 투과되는 속도를 측정하였다. 실험은 다양한 온도조건에서 2 bar 의 압력을 가하여 초기 5 분 동안 투과되는 양을 측정하였다. 온도조건은 10, 15, 20, 25,
30oC 이며 이를 한 세트로 하여 각각 3 개의 막으로 실험하여 평균값을
구하였다.
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