막기술

이 문서에는 일반적인 참조 목록이 포함되어 있지만 대응하는 충분한 인라인 인용이 없습니다. 좀 더 정밀한 인용문을 도입하여 이 글의 개선에 도움을 주시기 바랍니다.(2011년 9월) (이 템플릿메시지 삭제 방법 및 삭제 타이밍을 확인)

멤브레인 기술은 투과성 멤브레인(temptive membranction)의 도움을 받아 두 분율 사이의 물질 운반을 위한 모든 공학적 접근 방식을 포함합니다.일반적으로 기체 또는 액체 흐름을 분리하는 기계적 분리 공정은 멤브레인 기술을 이용한다.

적용들

막분리 공정은 가열 없이 작동하기 때문에 증류, 승화 또는 결정화와 같은 기존 열분리 공정보다 에너지를 덜 사용합니다.분리 과정은 순수하게 물리적이며 분수(투과 및 리텐트)를 모두 사용할 수 있다.멤브레인 기술을 이용한 냉간분리법은 식품기술, 생명공학, 제약산업에서 널리 사용되고 있습니다.또한 막을 사용하면 열분리 방법으로는 불가능한 분리를 수행할 수 있습니다.예를 들어 증류 또는 재결정화에 의해 동형결정을 형성하는 공생액체 또는 용질성분을 분리하는 것은 불가능하지만 막기술을 이용하여 분리할 수 있다.막의 종류에 따라 특정 개별 물질 또는 혼합 물질을 선택적으로 분리할 수 있다.중요한 기술적 응용 분야에는 역삼투에 의한 식수 생산이 포함된다.최대 규모의 RO 담수화 공장은 이스라엘 소렉에 있으며,^[1] 하루에 624,000입방미터(137,000,000imp gal)의 출력을 내고 있습니다.식품업계의 여과물, 석유화학 증기 회수, 염소 생산을 위한 전기분해 등의 유기 증기의 회수 등이 그 외의 용도이다.

폐수 처리에서 막 기술은 점점 더 중요해지고 있다.초미세 여과는 폐수에서 콜로이드와 고분자를 제거하는 데 매우 효과적입니다.이는 특히 접촉 수상 스포츠 및 레크리에이션을 위해 지정된 폐수가 민감한 수역으로 방출되는 경우에 필요합니다.

시장의 약 절반은 혈액 투석을 통해 독성 물질을 제거하는 인공 신장과 혈액 내 산소의 거품 없는 공급을 위한 인공 폐와 같은 의료 응용 분야에 있다.

환경보호(NanoMemPro IPPC Database) 분야에서 멤브레인 기술의 중요성이 커지고 있다.현대의 에너지 회수 기술에서도, 예를 들면 연료 전지나 삼투압 발전소에서 막이 점점 더 많이 사용되고 있습니다.

질량 전달

막을 통한 질량 전달에는 두 가지 기본 모델을 구별할 수 있습니다.

• 솔루션 통합 모델 및
• 유체역학적 모델

실제 막에서 이 두 가지 운반 메커니즘은 특히 초여과 중에 나란히 발생합니다.

솔루션 확산 모델

용액-확산 모형은 확산에 의해서만 수송이 이루어진다.운반해야 할 성분은 먼저 막에 용해되어야 합니다.용액-확산 모델의 일반적인 접근법은 공급 및 투과 유체의 화학적 잠재력이 인접한 막 표면과 평형 상태에 있다고 가정하는 것이다. 따라서 용액-막 계면에서 유체 및 막 상에서의 화학적 잠재력에 대한 적절한 표현은 동일할 수 있다.이 원리는 역삼투나 연료전지에 사용되는 것과 같이 자연 모공이 없는 고밀도 막에 더 중요하다.여과 과정 중에 막 위에 경계층이 형성된다.이 농도 구배는 막을 통과할 수 없는 분자에 의해 만들어집니다.이 효과는 농도 분극이라고 하며, 여과 중에 발생하므로 막 통과 흐름(플루스)이 감소합니다.농도 분극은 막을 청소함으로써 원칙적으로 가역성이 있으며, 그 결과 초기 플럭스가 거의 완전히 복원된다.막에 대한 접선 흐름(크로스 흐름 여과)을 사용하는 것도 농도 분극을 최소화할 수 있습니다.

유체역학 모형

가장 간단한 경우 모공을 통한 수송은 대류적으로 이루어집니다.이를 위해서는 모공의 크기가 두 개의 개별 구성요소의 직경보다 작아야 합니다.이 원리에 따라 기능하는 막은 주로 마이크로필터링과 울트라필터링에 사용된다.고분자를 용액, 콜로이드에서 분리하거나 박테리아를 제거하는 데 사용됩니다.이 과정에서 유지된 입자 또는 분자는 막에 과육질량(필터케이크)을 형성하고, 막의 이 막힘은 필터링을 방해한다.이 막힘은 크로스 플로우 방법(크로스 플로우 여과)을 사용하여 줄일 수 있습니다.여기서 피여과액은 막의 전방을 따라 흐르며 막의 전후의 압력차에 의해 전면의 리텐트(유동농축액)로 분리되며, 후면의 투과(여과액)로 분리된다.전면의 접선 흐름은 필터 케이크가 갈라지는 전단 응력을 발생시켜 오염을 줄입니다.

막조작

작동의 추진력에 따라 다음을 구분할 수 있습니다.

• 압력 구동식 작동
  • 미세 여과
  • 초여과
  • 나노 여과
  • 역삼투
  • 기체 분리
• 집중형 운영
  • 투석
  • 퍼포메이션
  • 전방 삼투
  • 인공 폐
• 전위 구배에서의 동작
  • 전기 투석
  • 막전기분해(예를 들어 클로랄칼리법)
  • 전극화
  • 전기 여과
  • 연료 전지
• 온도 구배에서의 작업
  • 막증류

막 모양 및 흐름 형상

멤브레인 프로세스에는 크로스 플로우(또는 접선 플로우)와 데드 엔드 여과라는 두 가지 주요 흐름 구성이 있습니다.직류 여과에서는 공급 흐름이 막의 표면에 접선하고, 같은 쪽에서 더 하류 쪽으로부터 리텐트산염이 제거되며, 투과 흐름은 다른 쪽에서 추적된다.막바지 여과에서 유체 흐름 방향은 막 표면에 대해 정상입니다.두 흐름 지오메트리 모두 몇 가지 장점과 단점을 제공합니다.일반적으로 막다른 골목 여과는 실험실 규모의 타당성 연구에 사용됩니다.막다른 막은 비교적 제작이 용이하여 분리 공정의 비용을 절감할 수 있습니다.막다른 막 분리 프로세스는 구현이 쉽고 일반적으로 교차 흐름 막 여과보다 저렴합니다.막다른 골목 여과 프로세스는 일반적으로 배치형 프로세스로, 여과 용액이 막 장치에 로드(또는 천천히 공급)되어 구동력의 영향을 받는 일부 입자가 통과할 수 있습니다.막다른 골목 여과의 주요 단점은 광범위한 막 오염과 농도 분극입니다.파울링은 일반적으로 구동력이 높을 때 더 빨리 유도됩니다.공급액에 막이 오염되어 입자가 유지됨으로써 농도 구배와 입자 역류(농도 분극)가 형성된다.접선 흐름 장치는 비용과 노동 집약도가 높지만 통과 흐름의 스위프 효과와 높은 전단 속도로 인해 오염되기 쉽습니다.가장 일반적으로 사용되는 합성막 장치(모듈)는 평판/플레이트, 나선형 상처 및 중공사입니다.

평판은 보통 막다른 골목의 형상 모듈에서 사용되는 원형 얇은 평막 표면으로 구성됩니다.나선형 상처는 유사한 평막으로 구성되지만 매우 다공성 지지판에 ^[2]의해 분리된 두 개의 막 시트가 포함된 "포켓" 형태입니다.그런 다음 여러 개의 포켓을 튜브에 감아 접선 흐름 형상을 만들고 막의 오염을 줄입니다.중공 섬유 모듈은 고밀도 피부 분리층을 가진 자립성 섬유 집합체와 압력 구배를 견디고 ^[2]구조적 무결성을 유지하는 데 도움이 되는 보다 개방적인 매트릭스로 구성됩니다.중공사 모듈에는 직경 200~2500μm의 최대 10,000개의 섬유를 포함할 수 있습니다.중공사 모듈의 주요 장점은 밀폐된 볼륨 내에서 표면적이 매우 넓어 분리 프로세스의 효율이 높아진다는 것입니다.

• 

  중공사막모듈

• 

  막을 통한 산소와 질소로 공기 분리

디스크 튜브 모듈은 크로스 플로우 형상을 사용하며, 중앙 텐션 로드로 고정되는 압력 튜브 및 유압 디스크와 두 ^[3]디스크 사이에 있는 멤브레인 쿠션으로 구성됩니다.

막성능 및 지배방정식

표적 분리 프로세스를 위한 합성막 선택은 일반적으로 몇 가지 요건에 기초한다.막은 많은 양의 피드 스트림을 처리할 수 있는 충분한 질량 전달 영역을 제공해야 합니다.선택된 막은 특정 입자에 대해 높은 선택성(거절) 특성을 가져야 하며, 오염에 강하고 높은 기계적 안정성을 가져야 합니다.또한 재현성이 뛰어나고 제조 비용이 저렴해야 합니다.일정한 압력 강하 시 막다른 골목 여과의 주요 모델링 방정식은 Darcy의 ^[2]법칙으로 나타납니다.

$({displaystyle {dV_{p}}{dt}}=Q=440frac {Delta p}{\mu }}}\A\left({\frac {1}{m}+R}}}\오른쪽)})$

여기서_p V와 Q는 투과체의 부피 및 부피 유량(공급 흐름의 동일한 특성에 비례함), μ는 투과 유체의 동적 점도, A는 막 면적, R_m 및 R은 막의 저항 및 파울물질의 성장 퇴적물이다.R은_m 용제(물) 투과성에 대한 막 저항으로 해석할 수 있다.이 저항은 막 고유의 특성으로 상당히 일정하고 구동력과 무관할 것으로 예상되며, δp. R은 막 파울런트의 종류, 여과액 중의 농도 및 파울런트와 막 상호작용의 성질과 관련이 있다.Darcy의 법칙은 주어진 조건에서 표적 분리를 위한 막 면적의 계산을 허용합니다.용질 체 계수는 ^[2]다음 방정식으로 정의됩니다.

${\displaystyle S=syslogfrac {C_{p}}{C_{f}}}}$

여기서_f C와_p C는 각각 사료의 용질 농도 및 투과 농도이다.유압 투과성은 저항의 역수로 정의되며 ^[2]다음 방정식으로 나타납니다.

${\displaystyle L_{p}=black {J}{\Delta p}}$

여기서 J는 투과 플럭스이며, 이는 멤브레인 면적 단위당 부피 유량이다.용질 체질 계수와 유압 투과성을 통해 합성막 성능을 신속하게 평가할 수 있습니다.

막분리과정

막분리 과정은 분리 산업에서 매우 중요한 역할을 한다.그럼에도 불구하고, 그것들은 1970년대 중반까지 기술적으로 중요하게 여겨지지 않았다.막분리 과정은 분리 메커니즘과 분리된 입자의 크기에 따라 다르다.널리 사용되는 멤브레인 공정은 미세 여과, 초여과, 나노 여과, 역삼투, 전기 분해, 투석, 전기 투석, 가스 분리, 증기 투과, 퍼베이레이션, 멤브레인 증류 ^[4]및 멤브레인 접촉기를 포함합니다.퍼베이션을 제외한 모든 프로세스에는 단계 변화가 없습니다.전기 투석을 제외한 모든 프로세스는 압력 구동식입니다.미세 여과 및 여과는 식음료 가공(맥주 미세 여과, 사과 주스 초고 여과), 생명공학 분야 및 제약 산업(항균제 생산, 단백질 정제), 정수 및 폐수 처리, 마이크로 일렉트로닉스 산업 등에 널리 사용되고 있습니다.나노 여과막과 역삼투막은 주로 정수 목적으로 사용된다.고밀도 막은 가스 분리(천연가스에서 CO 제거₂, 공기에서 N 분리₂, 공기 또는 질소 흐름에서 유기 증기 제거) 및 때로는 막 증류에 사용됩니다.이후 공정은 공생성 조성물의 분리에 도움이 되며 증류 공정의 비용을 절감합니다.

모공 크기 및 선택성

기술 막의 모공 크기는 제조업체에 따라 다르게 지정됩니다.한 가지 공통적인 차이점은 공칭 모공 크기이다.최대 모공 크기 분포를 설명하고^[5] 막의 유지 용량에 대한 모호한 정보만 제공합니다.막의 제외 한계 또는 "차단"은 일반적으로 NMWC(공칭 분자량 컷오프, 즉 MWCO, Dalton 단위로 분자량 컷오프)의 형태로 지정된다.그것은 막에 의해 90%까지 유지되는 구상 분자의 최소 분자량으로 정의된다.컷오프는 방법에 따라 이른바₉₀ D로 변환되어 메트릭 단위로 표현됩니다.실제로 막의 MWCO는 분리되는 분자의 분자량보다 최소 20% 더 낮아야 한다.

트랙 식각 운모막을^[6] 사용하여 Beck와 Schultz는^[7] 모공 내 분자의 확산을 방해하는 것이 렌킨^[8] 방정식으로 설명될 수 있음을 입증했습니다.

필터막은 모공 크기에 따라 4가지 등급으로 나뉩니다.

모공 크기	분자량	과정	여과	삭제
10 이상		"클래식" 필터
0.1μm 이상	> 5000 kDa	미세 여과	2바 미만	더 큰 박테리아, 효모, 입자
100 ~ 2 nm	5 ~ 5000 kDa	초여과	1~10바	박테리아, 고분자, 단백질, 대형 바이러스
2-1 nm	0.1~5kDa	나노 여과	3-20바	바이러스, 2-렌트[9] 이온
1 nm 미만	100 Da 미만	역삼투	10 ~ 80 바	소금, 작은 유기 분자

막 모공의 형태와 모양은 제조 공정에 따라 크게 달라지며 종종 특정하기 어렵습니다.따라서 특성분석을 위해 시험여과를 실시하며, 모공지름은 막을 통과할 수 없는 가장 작은 입자의 직경을 말한다.

제거는 다양한 방법으로 결정될 수 있으며 모공 크기를 간접적으로 측정할 수 있습니다.한 가지 가능성은 고분자(종종 덱스트란, 폴리에틸렌 글리콜 또는 알부민)의 여과이며, 또 다른 가능성은 겔 투과 크로마토그래피에 의한 차단 측정이다.이 방법들은 주로 초여과 적용을 위한 막 측정에 사용됩니다.또 다른 테스트 방법은 정의된 크기의 입자를 여과하고 입자 사이저 또는 레이저 유도 파괴 분광법(LIBS)을 사용하여 측정하는 것입니다.덱스트란 블루 또는 다른 착색 분자의 거부반응을 측정하는 것이 선명한 특징입니다.박테리오파지와 세균의 보유, 이른바 "박테리아 챌린지 테스트"도 모공 크기에 대한 정보를 제공할 수 있습니다.

공칭 모공 크기	마이크로프로세서	ATCC 루트 번호
0.1μm	아콜레플라즈마레이드로위	23206
0.3μm	서브틸리스균 포자	82
0.5μm	히가시모나스데무타	19146
0.45μm	세라티아마세센스	14756
0.65μm	유산균 브레비스

기공 직경을 결정하기 위해 기공 측정(수은, 액상 기공 측정, 버블 포인트 테스트)과 같은 물리적 방법도 사용되지만, 특정 형태의 기공(원통형 또는 연결된 구형 구멍 등)을 가정한다.이러한 방법은 모공 형상이 이상과 일치하지 않는 막에 사용되며, 우리는 막의 특징인 "공칭" 모공 직경을 얻지만 실제 여과 거동과 선택성을 반드시 반영하지는 않습니다.

선택성은 모공 크기 외에 분리 과정, 막의 구성 및 전기화학적 특성에 따라 크게 좌우됩니다.높은 선택성으로 핵공학에서 동위원소를 농축(우라늄 농축)하거나 질소와 같은 산업 가스를 회수(가스 분리)할 수 있다.이상적으로는 레이스마이크도 적절한 막으로 농축할 수 있습니다.

막 선택 시, 높은 투과성보다 낮은 흐름은 모듈러 구조로 필터 표면을 높임으로써 쉽게 상쇄할 수 있기 때문에 선택성이 우선됩니다.기상여과에서는 다른 퇴적기구가 작동하므로 막의 세공경보다 작은 입자를 유지할 수도 있다.

「 」를 참조해 주세요.

• 입자 퇴적
• 합성막

메모들

레퍼런스

• Osada, Y, Nakagawa, T., 멤브레인 사이언스 앤 테크놀로지, 뉴욕: Marcel Dekker, Inc., 1992.
• Zeman, Leos J., Zydney, Andrew L., Microfiltation and Ultrafitation, Principle and Applications, New York: Marcel Dekker, Inc., 1996.
• 멀더 M., 클루어 학술출판사, 멤브레인 테크놀로지의 기본원리, 네덜란드, 1996.
• Jornitz, Maik W., 멸균 여과, 독일, 스프링거, 2006
• 반 레이스 R, 지드니 A바이오프로세스 멤브레인 테크놀로지.J Mem Sci. 297 (2007) : 16-50.
• 템플린 T., 존스턴 D., 싱 V., 텀블슨 검시관, 벨리야 R.L. 라우쉬 K.D.옥수수 가공 흐름에서 고형물의 막 분리.Biores Tech. 97 (2006) : 1536-1545.
• Ripperger S., Schulz G. 생명공학 분야에서의 미세공극막.Bioprocess Eng. 1(1986) : 43-49.
• Thomas Melin, Robert Rautenbach, Membanverfahren, 독일, 스프링거, 2007, ISBN 3-540-00071-2.
• Munir Cheryan, Handbuch Ultrafiltation, Behr, 1990, ISBN 3-925673-87-3.
• Eberhard Staude, Philemanen und Memilananprozese, VCH, 1992, ISBN 3-527-28041-3.