Earticle

침지형 중공사막 MBR 공정에서는 중공사막 Dead-end 방식의 중공사막 모듈이 주로 사용되고 있으나 MLSS 농도가 높은 경우에 중공사막 모듈 내부에 슬러지가 축적되어 막 오염이 급속히 증가한다는 문제점이 있다. 침지형 중공사막 MBR 공정에서 막 모듈 형태에 따른 막 오염 특성을 파악하기 위해서 모듈의 형태를 End-free와 Dead-end 형태의 막 모듈로 제작하여 막 모듈 구조변화가 막 오염에 미치는 영향을 조사하였다. 또한 End-free 막 모듈에서 막 밀도를 변화시키면서 막 밀도가 막 오염속도에 미치는 영향을 조사하였고 마지막으로 MLSS의 점도 변화의 원인으로 지적되는 F/M비가 막 오염에 미치는 영향을 분석하였다. End-free 형태의 막 모듈이 임계 막간차압에 도달하는 시간을 dead-end 형태의 막 모듈에 비해서 1.7배 증가되어 막 오염 개선 효과를 보여주었다. 동일한 투과유속이라도 중공사 배열에 의한 막 밀도의 차이는 막 표면의 겔층 형성속도에 영향을 주어 중공사 밀도가 낮을수록 막 오염속도가 감소하였다. 또한 MLSS 점도 및 SMP 변화의 원인으로 지적되는 F/M 비가 0.001 ~ 0.002인 저 F/M비 조건에서는 막간차압의 상승이 크게 감소하여 40 시간의 총 운전 시간동안 TMP가 5 kPa를 초과하지 않았다.

Dead-end type module have mainly been used in hollow fiber MBR process. However, the clogging in the hollow fiber membrane module increased greatly because of the accumulation of biomass inside the hollow fiber network under high MLSS condition. To investigate fouling behaviour according to membrane module types, both end-free and dead-end types membrane modules were manufactured and were tested for the fouling kinetics. The change of trans-membrane pressure (TMP) were observed according to the hollow fiber packing densities with end-free module type. The F/M ratios, noted for the cause of change of MLSS viscosity, were also tested for the change of TMP. End-free type membrane module decreased membrane fouling velocity and increased the critical TMP arrival time up to 1.7 times than the dead-end type one. This means that the hollow fiber density was effected at the formation of gelation stage on the membrane surface even those are operated under same permeate flux. As for F/M ratio, low F/M ratio of 0.001 ~ 0.002 gave a great decrease of membrane fouling, thus, the TMP did not increase over 5 kPa while the whole operation time.

Protein affinity membrane was prepared via the coating of chitosan gel on the porous flat polysulfone membrane surface, followed by the immobilization f the reactive dye (Cibacron Blue 3GA) to the chitonsan gel. The maximum protein binding capacity of affinity membrane was about 70ug/cm2 determined by the batch adsorption experiments of human serum albumin (HSA). Using module of this membrane, the characteristics of protein chromatography were investigated through the experiments of elution and frontal chromatography of HSA. This membrane module promises as a chromatography column, since it represented a lower pressure drop and a greater reproducibility. The protein separation ratio was significantly influenced by the flow rate of mobile phase and the injection quantity of HSA. The dynamic protein binding capacity of module decreased from the equilibrium binding capacity with increasing flow rate and approached the value of 15 - 20 ug/cm2 for flow rates above 6 mL/min.

50개의 폴리프로필렌 실관과 3개의 테르폰 실관으로 구성된 실관반응기에서 Saccharomyces cerevisiae효모를 이용하여 알콜의 연속 생산을 연구하였다. 생산된Co2는 테프론 실관으로 내어 보냈고 과잉효모 세포는 shell-side를 통하여 제거하였다. Shell-side 부피를 기준으로 세포농도는 266g/L였고 알콜 생산성은 205g/L를 얻었다. 질소 결핍배지를 사용했을 경우 생산성이 너무 낮아 실제 응용할 가치는 없었다.

We studied a continuous production of ethanol by Saccharomyces cerevisiae in a hollow fiber membrane bioreactor which consisted of 50 polypropylene fibers and 3 teflon fibers. The produced Co2 was removed through the teflon fibers and excess biomass was removed through the shell side. We obtained the cell and ethanol concentrations of 266g/L and 205g/L based on the shell-side volume. A nitrogen deficient medium resulted in too low an ethanol productivity to be applied to a practical process

본 연구는 공정모사를 통해서 막모듈 배열 및 연결과 막모듈 내에서 공급 잔류액의 온도 변화가 투과증발 공정에 끼치는 영향을 관찰하였으며 이를 위해서 기본 막모듈이 직렬 혹은 병렬로 연결되어 있는 모듈들의 조합을 통한 투과탈수공정을 예측할 수 있는 모델식들을 확립하였다. 에탄올/물 혼합물을 모델 혼합물로 사용하였고 모델식들에 포함되어 있는 투과 파라메타들을 직접 실험에 의해 구하여 사용함으로써 모사의 현실성을 높였다. 모사를 통해서 모듈의 배열방식, 모듈 단의 갯수와 단사이의 공급액의 재가열등의 중요성을 검토하였다.

This study was focused on the investigation of the effects of membrane module configuration and the temperature of feed retentate flowing along with module length on membrane performance through model simulation. A simulation model of pervaporative dehydration through membrane module assemble in which a number of unit modules are connected in parallel or in series has been established. In this study, ethanol/water mixture was used as model mixture. Some of permeation parameters in the model were quantified directly from the real dehydration pervaporation of ethanol through a lab-made membrane. By adopting the coefficients determined empirically the simulation model could be of more practical value. The simulation of pervaporation with two basic module configurations, that is, parallel connection and series connection, could present the importance of process parameters such as feed rate, module connection mode, number of stages, and inter-stage heating.

Air Gap Membrane Distillation (AGMD) is one of several technologies that can be used to solve problems fresh water availability. AGMD exhibits several advantages, including low conductive heat loss and higher thermal efficiency, due to the presence of an air gap between the membrane and condensation wall. A previous study by Bhardwaj found that the condensation surface properties (materials and contact angle) affected the total collected fresh water in the solar distillation process. However, the process condition differences between solar distillation and AGMD might result in different condensation phenomena. In contrast, N. Miljkovic showed that a hydrophobic surface has higher condensation heat transfer. Moreover, to the best of our knowledge, there is no study that investigates the effect of condensation surface properties in AGMD to overall process performance (i.e. flux and thermal efficiency). Thus, in this study, we treated the AGMD condensation surface to make it hydrophobic or hydrophilic. The condensation surface could be made hydrophilic by immersing and boiling plate in deionized (DI) water, which caused the formation of hydrophilic aluminum hydroxide (AlOOH) nanostructures. Afterwards, the treated plate was coated using hexamethyldisiloxane (HMDSO) through plasma-enhanced chemical vapor deposition (PECVD). The result indicated that condensation surface properties do not affect the permeate flux or thermal efficiency significantly. In general, the permeate flux and thermal efficiency for the treated plates were lower than those of the non-treated plate (pristine). However, at a 1 mm and 3 mm air gap, the treated plate outperformed the non-treated plate (pristine) in terms of permeate flux. Therefore, although surface wettability effect was not significant, it still provided a little influence.

본 연구에서는 평판형 모듈 설계의 최적화를 목적으로 원액 흐름 조건에 따른 모듈내 원액 온도 및 유속 분포를 예측할 수 있는 모델식을 확립하고 전산모사(simulation)를 통해 흐름 조건들이 온도 분포에 끼치는 영향들을 조사하였으며 이들의 결과를 모듈설계에 반영하고자 하였다. 확립된 모델식의 타당성을 확인하기 위하여 최소한의 실험을 행하여 실험치와 모델치를 비교하였다. 또한 개발된 새로운 구조를 지니는 평판형 막모듈에 상용화된 막과 국내에서 개발된 막을 장착하여 모듈 내에서의 온도감소 현상을 실험적으로 비교하였다.

BSA 단백질 용액의 전량 막여과에서 상용(commercial) 막모듈의 경사각 변화에 따라 발생된 자연대류 불안정 흐름(NCIF)의 투과 플럭스 증가 효과를 측정한 결과, 막모듈의 경사각이 $0^{\circ}$에서 $180^{\circ}$로 증가하면 NCIF 발생이 커져 플럭스가 증가하였다. 그러나 상용 막모듈은 모듈 내에 존재하는 공기층을 완전히 제거해야 NCIF를 발생시킬 수 있다. 본 연구에서 설계 제작된 custom design 막모듈은 crossward 방향($90^{\circ}$)으로 막투과가 이루어져 모듈 상부에 공기층이 존재하더라도 항상 NCIF가 발생된다. Custom design 막모듈에서 BSA와 dextran 용액의 막여과 실험을 수행한 결과, NCIF의 발생으로 2시간 조작 시 BSA 용액의 경우 약 3.8배, dextran 용액의 경우 약 1.8배까지 투과 플럭스가 증가하였다. 또한 BSA 용액을 대상으로 한 20시간의 조작에서도 NCIF의 발생이 지속되어 플럭스가 약 7.5배까지 증가하였다. 본 연구에서 설계된 막모듈은 항상 NCIF가 발생되므로 막오염 형성 억제에 따른 투과 플럭스 증가를 기대할 수 있어 전량여과 막모듈로서의 활용성이 있음을 확인하였다.

The permeate flux increments of a natural convection instability flow (NCIF) caused by the change of inclined angles ($0{\sim}180^{\circ}$) to gravity of the commercial membrane module were tested in the dead-end membrane filtration of BSA protein solution. The NCIF are more generated as the inclined angle increased from $0^{\circ}$ to $180^{\circ}$, and the occurred NCIF enhances permeate flux. However, the commercial module can only generate NCIF by completely removing the air gap in module. Since the custom design module designed in this study is permeated in a crossward direction ($90^{\circ}$), NCIF is always generated even if there is the air gap in module. The results of membrane filtration of BSA and dextran solutions using a custom design module showed that the flux in the crossward direction is increased to about 3.8 times for BSA solution and 1.8 times for dextran solution after two hours of operation due to the occurrence of NCIF. Also, NCIF generation is continued during 20 hours filtration of BSA solution, increasing the permeate flux to about 7.5 times. Since the custom design module with a permeation in the crossward direction and NCIF is always generated within the module, so it is possible to expect an increase in permeate flux due to the suppression of fouling formation, and thus to be utilized as a superb dead-end membrane module.

분리막 오염을 감소시키고 투과유속 향상을 위하여 관형분리막 모듈 내에 공기 분사노즐관을 삽입시켰다. 분리막의 평균 기공크기는 $0.1\;{\mu}m$이며 이스트를 오염물질로 사용하였다. 모든 투과실험은 노즐관을 모듈에 장착하고 공기를 주입하지 않는 실험을 먼저 실시하고 연속해서 공기를 주입하는 투과실험을 하였다. 그 다음 노즐관을 제거한 후 공기를 주입시키지 않으면서 투과유속을 측정하였다. 측정된 투과유속은 공기주입 효과를 분석하기 위하여 비교하였다. 공기주입에 대한 투과유속은 거의 일정하거나 증가하였다. 노즐관이 장착되고 공기 주입을 하지 않을 경우의 투과유속이 빈 관형 모듈의 경우보다 높았다. 운전압력을 0.4 bar까지 감소시키면 노즐관이 장착되지 않는 경우와 비교하여 공기를 주입할 경우 투과유속이 21%까지 향상되었다. 기체량이 증가하여 기/액체 2상 흐름이 stratified-smooth에서 intermittent 상태로 변화됨에 따라서 공기 주입에 의한 투과유속은 30% 이상으로 증가하였다.

The air injection nozzle tube was inserted inside of the tubular membrane module to reduce membrane fouling and improve the permeate flux. The average pore size of membrane was $0.1\;{\mu}m$ and the yeast was used as a foulant. All of permeate experiments were started without air injection for the module equipped with the nozzle tube, then carried out continuously with air injection. Finally, the nozzle tube was removed from the module and the permeate was measured without air injection. The measured permeate fluxes were compared to examine the effect of air injection. The fluxes for air injection were consistently maintained or increased. The fluxes of no-air injection with the nozzle tube were greater than those of the empty tubular module. As operating pressure decreased to 0.4 bar, the flux enhancement of air injection based on no-nozzle case increased to 21%. Flux enhancements of air injection were above 30% as the gas/liquid two-phase flow was changed from the stratified-smooth to the intermittent pattern due to increase of gas flowrate.