[논문 리뷰] A concise tutorial review of reverse osmosis and electrodialysis

P. M. Biesheuvel, S. Porada외 4명|arXiv (Cornell University)|2021. 10. 12.

Membrane-based Ion Separation Techniques참고 문헌 46인용 수 9

한 줄 요약

이 튜토리얼 리뷰는 역삼투압(RO)과 전기역분리(ED)를 위한 통합 이론적 프레임워크를 제시하며, 이들이 동일한 이중유체모델(TFM)에 의해 지배되는 이온 및 물의 이동 메커니즘을 보여준다. 이는 RO에서 용질 및 물의 유량을 정확하게 기술하는 솔루션-마찰(SF) 모델이 성립하며, TFM는 RO와 ED 모두에서 이온과 물의 결합 이동을 설명하며, 반대 방향의 유량이 발생하는 삼투 실험까지 포함한다. 또한 비용-에너지 트레이드오프를 통해 최적의 운영 조건을 도출한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 다른 물리적 메커니즘을 가진 RO와 ED의 이론적 이해를 통합하여, 공통된 이동 원리를 입증한다.
• 중성 용질을 포함한 RO에서 고전적인 용액-확산 모델의 대안으로 더 정확하고 종합적인 솔루션-마찰(SF) 모델을 설정한다.
• charged 막과 대칭 염 용액으로의 이론 확장을 통해 이온 분할, 확산 및 농도 극화 효과를 포함한다.
• RO와 ED 모두에서 이온과 물의 결합 이동을 기술하기 위해 이중유체모델(TFM)을 적용하며, 반대 방향의 유량이 발생하는 삼투 실험까지 포함한다.
• 에너지 및 자재 비용 최소화 기반의 비용-에너지 트레이드오프 분 析을 통해 모듈 수준의 성능을 최적화하고, ED에서의 농도 극화 효과를 3차원 교류 흐름 모델링을 통해 평가한다.

제안 방법

• 중성 막을 통한 RO에 대한 솔루션-마찰(SF) 모델을 유도하며, 이는 물과 용질의 유량을 예측하기 위해 유동, 확산 및 용질 분할을 통합한다.
• 중성 용질이 포함된 RO에 SF 모델을 적용하며, 농도 극화를 초래하는 확산 경계층의 영향을 포함하고, 용질 제거율에 대한 해석적 표현을 유도한다.
• 양이온 분할 및 막 전하 효과를 포함하여, 전하를 띤 막을 사용한 대칭 염 용액으로 SF 모델을 확장한다.
• RO와 ED 모두에서 이온과 물의 이동을 통합적으로 기술하기 위한 이중유체모델(TFM)을 도입하며, 전기적 힘, 압력 및 화학적 농도 기울기의 영향을 고려한다.
• RO와 ED의 2차원 모듈 수준 시뮬레이션을 수행하여 에너지 및 자재 비용 최소화 기반의 최적 운영 조건을 정의하는 특성 곡선을 유도한다.
• ED 모듈에서의 교류 흐름의 3차원 모델링을 수행하여 농도 극화가 성능 및 효율성에 미치는 영향을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 압력과 전기장이라는 다른 구동력에 기반한 역삼투압(RO)과 전기역분리(ED)의 이동 메커니즘은 어떻게 비교될 수 있는가?
• RQ2 솔루션-마찰(SF) 모델은 고전적인 용액-확산 모델에 비해 RO에서 용질 제거율과 물의 유량을 예측하는 데 얼마나 향상되는가?
• RQ3 대칭 염 조건 하에서 막 전하와 이온 분할은 RO와 ED에서 이온과 물의 이동에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 이중유체모델(TFM)은 반대 방향의 유량이 발생하는 RO와 ED 모두에서 이온과 물의 결합 이동을 일관되게 기술할 수 있는가?
• RQ5 에너지 및 자재 비용을 균형 잡는 조건에서 RO와 ED 모듈의 최적 운영 조건는 무엇이며, 이러한 조건은 막의 특성에 따라 어떻게 달라지는가?

주요 결과

• 고전적인 용액-확산 모델에 비해 솔루션-마찰(SF) 모델은 농도 극화를 포함한 경우에 특히 더 정확하고 물리적으로 일관된 RO에서의 물과 용질의 유량 기술을 제공한다.
• SF 모델은 용질 분할, 마찰 및 확산에 따라 달라지는 해석적 표현을 도출하여 다양한 원수 조건에서의 성능을 정량적으로 예측할 수 있다.
• 이중유체모델(TFM)은 RO와 ED 모두에서 이온과 물의 결합 이동을 성공적으로 기술하며, 물과 이온이 반대 방향으로 이동하는 경우에도 적용 가능하여 그 보편성을 입증한다.
• TFM는 막 전하, 도난 전위 및 압력 기울기 등의 주요 효과를 고려하며, 막 시스템에서의 실험적 삼투 유량을 정확히 예측한다.
• 최적화 연구 결과, 저비용 막은 저항이 낮아 더 높은 에너지 효율을 달성할 수 있으며, 이는 모델의 비용-에너지 균형에 의해 설명되는 반직관적인 결과이다.
• 교류 흐름의 3차원 모델링은 농도 극화가 고수율 운영에서 특히 성능에 큰 영향을 미치며, 이는 시스템 설계 시 반드시 고려되어야 한다는 것을 확인한다.