알루미나 콜로이드 용액의 막여과에서 막모듈의 중력에 대한 경사각 변화로 유발된 자연대류 불안정 흐름(natural convection instability flow, NCIF)의 콜로이드 물질의 막오염 제어 효과를 정압(constant-pressure) 막여과 시 플럭스 증가와 정투과량(constant-flux) 막여과 시 막차압 감소 정도로 측정하고, 플럭스 결과를 막힘여과 모델로 해석하였다. 막모듈의 경사각이 0°에서 180°로 커지면 NCIF 유발이 증가하여 막오염 제어 효과가 커져 2시간의 막여과에서 플럭스는 최대 2.8배까지 증가하고, 막차압은 최대 85%까지 감소하였다. 막힘여과 모델을 적용하여 NCIF의 유발에 따른 플럭스 결과를 해석하여 운전 시간 15분 이내에서는 중간막힘모델 그 이후에는 케이크여과모델로 평가하는 것이 타당하였다. 막모듈 경사각 180°에서 유발 된 NCIF는 15분 이내의 운전 초기에는 중간막힘 오염을 52% 감소시키고, 그 이후의 운전 시간에서는 케이크층 오염을 93% 감소시켰다. 따라서 막모듈에 유발된 NCIF의 주된 막오염 제어기작은 막표면에의 입자상 콜로이드 물질의 케이크층 형성을 억제시키는 것으로 평가하였다.

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°에서 180°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°)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.

BSA 용액의 전량 한외여과에서 막모듈의 중력에 대한 경사각(0~180°) 변화에 따라 유발된 자연대류 불안정 흐름 (natural convection instability flow; NCIF)의 막오염 제어 효과를 플럭스 증가 정도로 측정하고 막힘여과 모델로 해석하였다. 막모듈의 경사각이 0°에서 180°로 커질수록 NCIF 유발이 증가하여 막오염 제어 효과가 커져 플럭스가 증가하였다. NCIF의 유발이 가장 큰 경사각 180°에서의 플럭스 값을 NCIF의 유발이 없는 0°에서의 값과 비교한 결과, 2시간의 단기간 운전에서는 플럭스 향상성이 5배, 20시간의 장기간 운전에서는 17배까지 증가하였다. 막힘여과 모델을 적용하여 NCIF의 유발에 따른 플럭스 증가 효과를 해석한 결과, 운전시간 15분 이내에서는 중간막힘 모델 그 이후에는 케이크여과 모델로 해석하는 것이 타당하였다. 막모듈 경사각 180°에서 유발된 NCIF는 15분 이내의 운전 초기에는 중간막힘 오염을 67%까지 감소시키고, 그 이후의 운전 시간에서는 케이크층 오염을 99.9%까지 감소시켰다. 따라서 막모듈에 유발된 NCIF의 주된 막오염 제어 기작은 케이크층 형성을 억제시키는 것이었다.

실리카 콜로이드 용액의 정유량 한외여과에서 중력 방향에 대한 막모듈의 위치(경사각) 변화에 따라 발생되는 자연대류 불안정 흐름의 막오염 저감효과를 차압의 변화 정도를 측정하여 규명하였다. 막표면에 케이크 층을 형성함으로서 막오염을 발생시키는 나노 사이즈의 실리카 입자(평균 크기 = 7, 12, 22, 50 nm 및 78 nm)가 함유된 5가지 종류의 콜로이드 용액을 사용하여 중력 방향에 대한 막모듈의 위치(경사각 = 0˚~180˚)에 따른 차압의 변화를 교반이 없는 dead-end 정유량 한외여과 실험을 통해 측정하였다. 상대적으로 크기가 작은 실리카 입자(7, 12 nm 및 22 nm)가 함유된 콜로이드 용액의 정유량 한외여과에서 막모듈 경사각을 30˚ 이상으로 유지하면 막모듈에 자연대류 불안정 흐름이 발생되어 막오염 형성을 크게 억제시켜 차압의 증가가 거의 나타나지 않았다. 이 자연대류 불안정 흐름의 발생은 막표면에 형성된 실리카 케이크층의 벌크용액으로의 역이동(back transport)을 유발시킴으로서 차압의 증가를 억제시키는 막성능 개선 효과를 나타내었다. 그러나 상대적으로 크기가 큰 실리카 입자(50 및 78 nm)가 함유된 콜로이드 용액의 정유량 한외여과에서는 자연대류 불안정 흐름 발생의 효과가 거의 없었다. 임계 플럭스 측정 결과 실리카 입자의 크기가 작을수록 그리고 막모듈 경사각이 클수록 막모듈에의 자연대류 불안정 흐름의 발생 강도가 커져 막오염 형성이 억제되었으며, 이로 인해 임계 플럭스가 증가하였다.

실리카 콜로이드 용액의 한외여과에서 중력 방향에 대한 막모듈의 위치(경사각) 변화에 따라 발생되는 자연대류 불안정 흐름이 막오염 형성 감소에 미치는 효과를 규명하였다. 막표면에 케이크 층을 형성함으로써 막투과 플럭스의 감소를 발생시키는 실리카 입자(평균 크기 = 7, 12, 22, 50 및 78 nm)가 함유된 5가지 종류의 콜로이드 용액을 사용하여 중력 방향에 대한 막모듈의 위치(경사각 = 0~180℃)에 따른 막투과 플럭스 변화를 교반이 없는 회분식(dead-end) 한외여과 실험을 통해 측정하였다. 자연대류 불안정 흐름 발생이 막성능에 미치는 효과는 플럭스 향상도(Ei)로서 평가하였다. 상대적으로 크기가 작은 실리카 입자(7, 12 및 22 nm)가 함유된 콜로이드 용액의 한외여과에서는 막모듈의 경사각이 커짐에 따라 자연 대류 불안정 흐름 발생의 강도가 증가하였으며, 동일한 경사각에서 실리카 입자의 크기가 작을수록 자연대류 불안정 흐름의 발생 정도가 더 크게 나타났다. 자연대류 불안정 흐름의 발생은 막표면에 형성된 실리카 케이크층의 벌크 용액으로의 역이동(back transport)을 유발시킴으로써 플럭스 향상의 막성능 개선 효과를 나타내었다. 그러나 상대적으로 크기가 큰 실리카 입자(50 및 78 nm)가 함유된 콜로이드 용액의 한외여과에서는 자연대류 불안정 흐름 발생이 나타나지 않았다. 이 결과로부터 실리카 입자의 크기가 자연대류 불안정 흐름의 발생 강도에 영향을 미치고 있음을 알 수 있었다.