농도분극 (Concentration Polarization)
한 줄 정의: 막분리 공정에서 막을 통과하지 못한 용질이 막 표면 근처에 쌓여 국소 농도가 벌크 농도보다 높아지는 현상입니다.
쉽게 풀면
막에 물을 통과시키면 물은 빠져나가지만 걸러지는 용질은 막 바로 앞에 점점 쌓이게 됩니다. 이는 마치 체로 거를 때 통과하지 못한 건더기가 체 표면에 계속 쌓여 층을 이루는 것과 비슷합니다. 이렇게 막 표면 근처의 농도가 원래 용액보다 훨씬 높아지면, 물을 밀어내는 압력 중 일부가 이 농축된 층을 극복하는 데 쓰이면서 실제 물 투과량이 줄어들게 됩니다.
왜 중요한가
농도분극은 역삼투나 한외여과 같은 압력 구동 막공정에서 투과 유량을 감소시키고, 심한 경우 막오염을 촉진하는 요인이 되기 때문에 막 공정 설계와 운전 최적화를 다루는 논문에서 반드시 고려되는 현상입니다.
논문에서는 이렇게 쓰입니다
"막 표면 유속을 증가시킴으로써 concentration polarization의 영향을 완화하고 투과 유량을 향상시킬 수 있었다."
유속 조절을 통해 농도분극의 부정적 영향을 줄인 실험 결과를 설명하는 예문입니다.
"본 모델은 concentration polarization 계수를 도입하여 실제 막 표면 농도와 예측 투과 유량 사이의 오차를 줄였다."
농도분극을 정량적으로 모델에 반영해 예측 정확도를 높인 연구를 소개하는 예문입니다.
조금 더 깊게 보면
농도분극은 막 표면에서 형성되는 경계층 내에서 대류에 의한 용질 유입과 확산에 의한 용질 유출이 평형을 이루는 지점에서 국소 농도가 결정된다고 설명됩니다. 이 현상이 심해지면 막 표면의 실제 삼투압이 커져 순수 투과에 필요한 압력이 증가하거나, 국소적으로 용해도 한계를 넘어서면서 스케일링이나 막오염으로 이어지기도 합니다. 유체 흐름 방식이나 막 모듈 형상을 조정해 경계층 두께를 줄이는 것이 대표적인 완화 전략으로 다뤄집니다.
주의할 점
농도분극은 막오염과 함께 언급되는 경우가 많지만, 농도분극은 가역적인 농도 구배 현상이고 막오염은 대체로 비가역적인 물질 축적 현상이라는 점에서 구분해서 이해할 필요가 있습니다.