격자 볼츠만 기법을 이용한 멤브레인 필터에 관한 연구

Abstract

최근 멤브레인은 서로 다른 상을 가지는 물질을 분리시키기 위해 많은 분야에서 이용되고 있다. 멤브레인의 큰 영향을 미치는 필터 위의 저항층 형성은 멤브레인 투과 효율을 저해하는데 큰 요소가 되고 있다. 본 연구에서는 격자 볼츠만 기법(LBM:Lattice Boltzmann Method)을 기반으로 입자 적층에 의한 케이크 층의 구조 형성이 가능한 새로운 접근을 시도하였다. 이러한 모델로 멤브레인 층과 케이크 층의 통합된 메카니즘을 통한 시뮬레이션을 가능하게 하였다. 또한 입자의 직접적인 모델링으로 인해 각각의 입자들에 작용하는 인력, 척력, 충돌력 등을 통한 분극 현상을 표현 할 수 있기 때문에 모델 파라미터에 의한 실험적인 근사법에 의존하지 않고 국부적인 부분에서의 정확한 시뮬레이션이 가능하다. 본 연구에서는 최근 활발히 연구 중인 전량 여과방식(dead end mode)의 평판(flat-sheet) 멤브레인을 모델로 하였다. 멤브레인 층을 다공성 물질로 구성하여 그 위를 평판 유동이 흐르도록 모델링 하였다. 3차원 케이크 형성를 관찰하였으며 케이크 층 분포에 따른 여과 유동에 변화 양상과 케이크 층 두께의 변화 과정을 관찰하고 분석하였다. 또한 기존 모델링 기법과 비교하여 케이크 층의 불균일 특성에 따른 결과 분석을 진행 하였고, 입자직경에 따른 케이크 층의 분포 특성을 고찰하였다.