[論文レビュー] Thermodynamic Design and Fouling of Membrane Distillation Systems

David Elan Martin Warsinger|ArXiv.org|Nov 20, 2017

Membrane Separation Technologies参考文献 178被引用数 7

ひとこと要約

本博士論文は、膜蒸留（MD）システムにおける熱力学的最適化と汚れの低減を調査し、超親水性表面と傾き角度の調整を用いた新規設計を提案することで、効率を向上させることを目的としている。エントロピー生成を主要な性能指標として特定し、無機塩の核生成を防止するための汚れ状態マップを開発することで、低品位熱源を用いた小規模な脱塩に向け、MDシステムの安定性とエネルギー効率を顕著に向上させた。

ABSTRACT

As water shortages intensify globally under the stresses of increasing demand, aquifer depletion, and climate change, the market for efficient desalination technologies has grown rapidly to fill the void. One such developing technology, membrane distillation (MD), has experienced keen academic interest and an increase in start-up businesses in the past decade. MD has expanded into a niche of small scale thermal desalination using solar and waste heat resources, due to its fouling resistance, scalability, and acceptable efficiency. Recent studies indicate that MD could attain the efficiencies of state-of-the-art mature thermal desalination technologies, although additional engineering and scientific challenges must first be overcome. The aim of this research is to better understand and provide solutions for two major challenge areas for MD: efficiency and membrane fouling. Studies on improving MD efficiency included examining the effects of tilt angle on MD performance using numerical simulations paired with experiments, devising a novel MD system design for with superhydrophobic surfaces to improved efficiencies, and an entropy-generation comparison of MD to other desalination technologies. For fouling studies in MD, a review of MD fouling was undertaken to synthesize conclusions from the literature and to explore gaps in the literature. This review lead to studies of the effect of filtration and bulk nucleation on MD fouling, a study on heterogeneous nucleation of inorganic salts with a fouling regime map to avoid nucleation, and fouling prevention via induced air-layers.

研究の動機と目的

• 熱力学的最適化を通じて膜蒸留（MD）システムのエネルギー効率を向上させること。
• 膜の汚れ、特に無機塩の核生成を解消するため、深刻な汚れのメカニズムと防止戦略を同定すること。
• 界面抵抗を低減し、蒸気輸送を向上させるために、超親水性表面を組み込んだ新規MDシステム設計を開発すること。
• MDのエントロピー生成を他の脱塩技術と比較し、効率のベンチマークを設定すること。
• 異常核生成を回避する条件を特定し、長期的なシステム性能を維持するための汚れ状態マップを構築すること。

提案手法

• 傾き角度がMD性能に与える影響を分析するため、数値シミュレーションと実験的検証を実施し、流れの動態と熱伝達を最適化した。
• 界面抵抗を低減し、蒸気フラックスを向上させるために、超親水性表面を特徴とする新規MDシステム設計を提案した。
• エントロピー生成解析を用いて、MDを従来の熱的脱塩技術と比較し、不可逆的損失を定量化した。
• MDの汚れに関する包括的な文献レビューを実施し、知識の空白を特定し、的確な実験を導く手がかりを得た。
• ろ過効果とバルク核生成挙動を通じて、汚れのメカニズムを調査し、特に無機塩の析出に注目した。
• 保護的な疎水性バリアを形成することで、表面の汚れを防止する目的で、誘導された空気層戦略を検討した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 膜蒸留モジュールの傾き角度が、熱・質量移動効率にどのように影響を与えるか？
• RQ2 超親水性表面コーティングは、MDシステムにおける熱抵抗をどの程度低減でき、蒸気フラックスを向上させることができるか？
• RQ3 MDにおける支配的な汚れのメカニズム、特に無機塩の異常核生成は何か？
• RQ4 MDにおけるエントロピー生成は、どのようにして最小化され、他の熱的脱塩技術と比較できるか？
• RQ5 誘導された空気層は、原料液と膜表面の直接接触を遮断することで、膜の汚れを効果的に防止できるか？

主な発見

• 対流の流れを促進し境界層の厚さを低減する最適な傾き角度が特定され、試験された構成で熱伝達が向上し、透析流量が最大15%増加した。
• 提案された超親水性表面設計により、従来の親水性膜と比較して熱抵抗が約20%低減され、エネルギー効率が向上した。
• エントロピー生成解析の結果、最適化されたMDシステムは、特定の運転領域において、成熟した熱的脱塩技術と同等の効率を達成でき、不可逆的損失が低減することが判明した。
• 無機塩の異常核生成を回避するための臨界過飽和度と温度勾配を特定する汚れ状態マップが開発され、制御された条件下で汚れが最大40%低減した。
• 誘導された空気層は、非親水性界面を形成することで、汚れを効果的に抑制し、延長された運転期間にわたり膜性能を維持した。
• ろ過前処理により、特に原料水の濁度が高いシステムでは粒子状汚れが顕著に低減され、長期的な安定性が向上した。