HP4750 교반 셀은 실험실에서 막 여과 성능을 평가하는 데 널리 사용되는 장비입니다. 이 장비는 최대 300ml의 샘플을 처리할 수 있으며, 69bar(1000psi)까지의 높은 압력을 견딜 수 있어 다양한 막 여과 실험에 적합합니다. 하지만 실험 중 질소 가스를 사용하여 압력을 가할 때, 예상치 못한 질소 기포가 발생하는 경우가 있습니다. 이러한 현상은 여과 성능을 저하시킬 수 있으며, 실험 데이터의 신뢰성을 떨어뜨릴 수 있습니다. 따라서 질소 기포가 발생하는 원인을 분석하고, 이를 해결하기 위한 방법을 적용하는 것이 중요합니다.

질소 기포 현상의 원인

1. 제한된 공급액 부피 

   실험에서 공급액의 부피가 너무 적을 경우, 교반 과정에서 막 표면이 질소 가스에 직접 노출될 가능성이 높아집니다. 이렇게 되면 질소 가스가 막의 기공을 통해 투과 측으로 빠져나가 기포를 형성할 수 있습니다. 이는 특히 낮은 공급액 부피에서 더 두드러지며, 결과적으로 여과 효율성을 저하시킬 수 있습니다.

2. 높은 교반 속도 

   HP4750 교반 셀은 교반 기능을 포함하고 있어 막 표면에 난류를 형성할 수 있습니다. 하지만 교반 속도가 너무 빠르면 용액 내 기체의 용해가 증가하고, 이 과정에서 질소 기포가 형성될 가능성이 커집니다. 또한 강한 난류는 질소 가스가 액체 내로 혼입되는 원인이 될 수도 있습니다.

3. 막의 기공 크기

   사용되는 막의 기공 크기에 따라 질소 가스의 투과 여부가 달라질 수 있습니다. 기공이 상대적으로 크다면 질소가 용액을 통해 더 쉽게 이동할 수 있어 기포 형성이 촉진될 수 있습니다. 따라서 실험 목적에 맞는 적절한 기공 크기의 막을 선택하는 것이 중요합니다.

4. 압력 설정 및 용해도 차이

   실험 중 압력이 급격히 변할 경우 용액 내 질소 용해도가 변화하면서 기포가 발생할 수 있습니다. 특히 높은 압력에서 용액 내 용해된 질소가, 압력이 낮아지는 순간 기포로 변하는 현상이 발생할 가능성이 큽니다.

해결 방안

1. 공급액 부피를 충분히 유지  

   실험 중 공급액의 부피를 충분히 유지하면 막 표면이 질소 가스에 직접 노출되는 것을 방지할 수 있습니다. 가능하면 용액을 70% 이상 채워 기포 발생 가능성을 줄이는 것이 좋습니다.

2. 적절한 교반 속도 설정 

   교반 속도를 지나치게 높이면 난류가 심해지고 기포 형성이 촉진될 수 있습니다. 따라서 실험 목적에 따라 적절한 속도로 설정하는 것이 중요합니다. 일반적으로 낮은 교반 속도가 기포 문제를 줄이는 데 도움이 됩니다.

3. 막 기공 크기 조정

   실험에 적합한 기공 크기의 막을 선택하면 질소 기포의 형성을 줄일 수 있습니다. 특히 기공 크기가 너무 크면 기포가 쉽게 통과할 수 있으므로, 필요 시 더 미세한 기공 크기의 막을 선택하는 것이 좋습니다.

4. 압력 안정화 및 점진적 증가

   실험 중 압력을 급격하게 변경하면 기포가 형성될 가능성이 큽니다. 따라서 압력을 점진적으로 증가시키고, 실험이 진행되는 동안 일정한 압력을 유지하는 것이 필요합니다. 특히 실험 시작 시 저압에서 서서히 증가시키는 방식이 효과적일 수 있습니다.

5. 추가적인 기포 제거 장치 활용

   일부 실험에서는 기포 제거 필터나 탈기(degassing) 시스템을 추가로 사용하여 질소 기포 발생을 줄일 수도 있습니다. 탈기 장치를 통해 용액 내 용해된 질소를 미리 제거하면 기포 형성 가능성을 낮출 수 있습니다.

결론

 HP4750 교반 셀을 사용할 때 질소 기포 형상은 실험 결과에 부정적인 영향을 미칠 수 있으므로, 이를 최소화하는 것이 중요합니다. 공급액 부피를 충분히 유지하고, 교반 속도를 적절히 조절하며, 적절한 막을 선택하는 것만으로도 기포 문제를 상당 부분 해결할 수 있습니다. 또한 압력을 점진적으로 증가시키는 등의 실험 프로토콜을 조정하면 보다 안정적인 실험 환경을 조성할 수 있습니다. 이를 통해 보다 신뢰성 높은 데이터를 얻고, 실험의 정확성을 향상시킬 수 있을 것입니다.

References

[1] “Study of breakdown inside a supercritical fluid plasma switch,” IEEE Conference Publication | IEEE Xplore, Jun. 01, 2013. https://ieeexplore.ieee.org/document/6627456