[논문 리뷰] Thermodynamic Design and Fouling of Membrane Distillation Systems

David Elan Martin Warsinger|ArXiv.org|2017. 11. 20.

Membrane Separation Technologies참고 문헌 178인용 수 7

한 줄 요약

이 박사학위 논문은 저온열원을 이용한 소규모 담수화를 위한 막 증류(MD) 시스템에서 열역학적 최적화 및 묻음 방지 기법을 연구한다. 초수중성 표면과 기울기 조절을 활용한 새로운 설계를 제안하여 효율성을 향상시키며, 엔트로피 생성을 핵심 성능 지표로 규명하고, 무기 염기 초과포화를 방지하기 위한 묵음 제어도구를 개발한다. 이로 인해 MD 시스템의 안정성과 에너지 효율성이 크게 향상된다.

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.

연구 동기 및 목표

• 열역학적 최적화를 통해 막 증류(MD) 시스템의 에너지 효율성을 향상시키는 것.
• 특히 무기 염기의 핵형성에 기인한 막 묵음 문제를 해결하기 위해 핵심 묵음 메커니즘과 방지 전략을 규명하는 것.
• 열저항을 감소시키고 수증기 확산을 향상시키기 위해 초수중성 표면을 통합한 새로운 MD 시스템 설계를 개발하는 것.
• MD 시스템의 엔트로피 생성을 다른 열역학적 담수화 기술과 비교하여 효율성을 평가하는 것.
• 이종 핵형성 발생을 방지하고 장기적인 시스템 성능을 유지하기 위한 조건을 규명하는 묵음 제어도를 수립하는 것.

제안 방법

• 기울기의 영향을 분석하기 위해 수치 시뮬레이션과 실험적 검증을 병행하여 유동 역학과 열전달 최적화를 수행하였다.
• 표면 간섭 저항 감소와 수증기 유량 향상을 위해 초수중성 표면을 특징으로 하는 새로운 MD 시스템 설계를 제안하였다.
• 열역학적 비가역성의 정도를 정량화하기 위해 엔트로피 생성 분석을 적용하여 기존 열역학적 담수화 기술과 비교하였다.
• 지식 격차를 규명하고 타겟된 실험을 이끌기 위해 MD 묵음에 관한 종합적인 문헌 조사를 수행하였다.
• 여과 효과와 전체 핵형성 거동을 통해 묵음 메커니즘을 연구하였으며, 특히 무기 염의 침전 현상에 중점을 두었다.
• 수증기 확산을 방해하는 표면 접촉을 차단하기 위해 보호용 수성 수소화성 장벽을 형성하는 방식으로 유도 공기층 전략을 탐색하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 막 증류 모듈의 기울기가 열 및 질량 전달 효율성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 초수중성 표면 코팅이 MD 시스템에서 열저항을 얼마나 감소시키고 수증기 유량을 향상시킬 수 있는가?
• RQ3 MD에서 지배적인 묵음 메커니즘은 무엇이며, 특히 이종 핵형성의 무기 염기 형성은 어떤가?
• RQ4 MD에서 엔트로피 생성을 최소화하고 다른 열역학적 담수화 기술과 비교할 수 있는가?
• RQ5 유도 공기층이 직접적인 피드 용액과 막 표면 간의 접촉을 차단함으로써 막 묵음을 효과적으로 방지할 수 있는가?

주요 결과

• 최적의 기울기 조건을 규명하여 대류 유동을 향상시키고 경계층 두께를 감소시켜 열전달 효율을 향상시키고, 시험된 구성에서 배제 유량을 최대 15% 향상시켰다.
• 제안된 초수중성 표면 설계는 기존 친수성 막 대비 약 20%의 열저항 감소를 이끌어내어 에너지 효율성을 높였다.
• 엔트로피 생성 분석 결과, 최적화된 MD 시스템은 특정 운영 조건에서 기존의 성숙한 열역학적 담수화 기술과 유사한 효율성을 달성하며, 비가역성도 낮게 유지됨을 확인하였다.
• 이종 핵형성의 발생을 방지하기 위해 초과포화도와 온도 기울기의 임계 조건을 규명한 묵음 제어도를 개발하여, 제어 조건 하에서 묵음이 최대 40% 감소함을 입증하였다.
• 유도 공기층은 비착착 표면을 형성하여 묵음 억제에 효과적이었으며, 장기간 운영 동안 막 성능을 유지하는 데 기여하였다.
• 여과 전처리가 탁도가 높은 시스템에서 특히 입자 묵음 감소에 기여하여 장기적인 안정성을 향상시켰다.