[論文レビュー] A concise tutorial review of reverse osmosis and electrodialysis

P. M. Biesheuvel, S. Porada+4 more|arXiv (Cornell University)|Oct 12, 2021

Membrane-based Ion Separation Techniques参考文献 46被引用数 9

ひとこと要約

本チュートリアルレビューでは、逆浸透（RO）と電気浸透（ED）を統一した理論的枠組みで提示し、両者のイオンおよび水の輸送メカニズムが同じ二流体モデル（TFM）に従うことを示している。ROにおける溶質および水のフラックスを正確に記述する溶液摩擦（SF）モデルが有効であることが示され、TFMはROおよびEDにおける結合したイオン・水の輸送、逆フラックスを伴う浸透実験を含め、同じ原理で説明可能である。さらに、コスト・エネルギーのトレードオフを用いて最適な運用条件を導出している。

ABSTRACT

Reverse osmosis (RO) and electrodialysis (ED) are the two most important membrane technologies for water desalination and treatment. Their modes of operation and transport mechanisms are very different, but on a closer look also have many similarities. In this concise version of our tutorial review, we describe state-of-the-art theory for both processes, focusing on simple examples that are helpful for the non-specialist and useful for classroom teaching. Both processes are described by solution-friction (SF) theory which combines ion and water transport across membranes with chemical and mechanical equilibrium at membrane/solution interfaces. We present a derivation of SF theory based on force balances on water and ions and show how the various terms, convection, diffusion, and electromigration, are derived, and how solute partitioning is implemented. Finally, we demonstrate how SF theory accurately describes the osmosis experiment where water and ions are transported in opposite directions across a membrane.

研究の動機と目的

• 圧力勾配と電場という異なる物理的メカニズムを有するが、逆浸透（RO）と電気浸透（ED）の理論的理解を統一し、共通する輸送原理を示すこと。
• 中性溶質を有するROにおける古典的溶液拡散モデルの代替として、より正確かつ包括的な溶液摩擦（SF）モデルを確立すること。
• charged メンブレンおよび対称塩溶液への理論の拡張を図り、イオン分配、拡散、濃度極化効果を統合すること。
• 二流体モデル（TFM）を用いて、ROおよびEDにおける結合したイオン・水の輸送を記述し、逆フラックス浸透実験を含む応用を示すこと。
• エネルギーと材料コストのトレードオフ分析を用いたモジュールスケールの性能最適化、およびEDにおける3次元クロスフロー解析による濃度極化効果の評価。

提案手法

• 中性膜を通る水および溶質フラックスを予測するため、対流、拡散、溶質分配を統合した溶液摩擦（SF）モデルをRO用に導出する。
• 中性溶質を有するROにSFモデルを適用し、拡散境界層（濃度極化）の影響を含め、溶質の保持率に関する解析的式を導出する。
• ドナニ平衡およびメンブレンの電荷効果を組み込んだ、対称塩溶液におけるSFモデルのcharged メンブレンへの拡張。
• 電気的力、圧力勾配、化学ポテンシャル勾配を考慮し、ROおよびEDにおけるイオンおよび水の輸送を統一的に記述する二流体モデル（TFM）を導入する。
• ROおよびEDの2次元モジュールスケールのシミュレーションを実施し、エネルギーおよび材料コストの最小化に基づく最適な運用条件を定義する特徴曲線を導出する。
• EDモジュールにおけるクロスフロー流の3次元モデリングを実施し、濃度極化が性能および効率に与える影響を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 圧力勾配と電場という異なる駆動力を持つにもかかわらず、逆浸透（RO）と電気浸透（ED）の輸送メカニズムはどのように比較できるか？
• RQ2 溶液摩擦（SF）モデルは、古典的溶液拡散モデルに比べて、ROにおける溶質の遮断率および水フラックスの予測においてどの程度改善されるか？
• RQ3 対称塩条件下における膜の電荷およびイオン分配が、ROおよびEDにおけるイオンおよび水の輸送にどのように影響を与えるか？
• RQ4 二流体モデル（TFM）は、ROおよびEDの両方において、逆フラックス浸透実験を含む結合したイオン・水の輸送を一貫して記述できるか？
• RQ5 エネルギーと材料コストのバランスを考慮した場合、ROおよびEDモジュールの最適な運用条件は何か？また、これらの条件は膜の特性にどのように依存するか？

主な発見

• 溶液摩擦（SF）モデルは、濃度極化を含めた場合を除き、古典的溶液拡散モデルよりも水および溶質フラックスの記述がより正確かつ物理的に整合的である。
• SFモデルは、溶質分配、摩擦、拡散に依存する解析的式を導出し、異なる原料条件下での性能の定量的予測を可能にする。
• 二流体モデル（TFM）は、ROおよびEDにおける結合したイオン・水の輸送を成功裏に記述でき、水とイオンが逆方向に移動する場合も含め、その普遍性を裏付けた。
• TFMは膜の電荷、ドナニポテンシャル、圧力勾配などの主要効果を考慮し、膜系における実験的浸透フラックスを正確に予測できる。
• 最適化研究では、『安価な膜』が低い抵抗性により高いエネルギー効率を達成できることを示したが、これはモデルにおけるコスト・エネルギーのバランスによって説明できる、直感に反する結果であった。
• クロスフローEDモジュールの3次元モデリングにより、濃度極化が特に高回収率の運用において性能に顕著な影響を与えることが確認され、システム設計においてこれを考慮する必要がある。