1. Title & Journal
The effect of the ladder-type spacers configuration in NF spiral-wound modules on the concentration boundary layers disruption

Journal: DESALINATION (2002)

2. Background of authors
Vitor Geraldesa*, Viriato Semiaob, Maria Norberta de Pinhoa

aChemical Engineering Department, bMechanical Engineering Department, Instituto Superior Tecnico, Portugal

3. Summary
 이 논문은 Nanofiltration(NF) 와권형(spiral-wound)막 모듈의 좁은 사각유입채널에서의 층류흐름의 구조(laminar flow structure)와 농도분포에 관한 논문이다. 저자는 두 가지 타입의 spacer configuration에 따라 (a: permeable 막 표면에 spacer 필라멘트가 있는 경우, b: impermeable 막 표면에 spacer 필라멘트가 있는 경우) 상이한 농도경계층 패턴이 형성된다는 가설을 세우고 CFD (Computational Fluid Dynamics)를 이용하여 채널 안에서의 유속과 용질(sodium chloride)의 농도분포 시뮬레이션을 수행하였다. 또한 시뮬레이션을 통한 numerical한 예측을 검증하기 위해 염화나트륨 (2g/L), 25˚C조건에서 NF여과 실험이 수행되었다. 여기서 spacer configuration은 아래와 같다.
 
시뮬레이션 수행을 위해 저자는 유체의 흐름이 steady-state 상태의 층류(laminar flow)란 가정을 설정하고 Navier-Stokes식과 multi-componet mixture에서의 continuity식을 지배방정식으로 사용하였다. 그리고 흐름패턴과 농도분극 지수의 채널 거리 따른 변화의 numerical한 예측을 위해 세가지 경우의 레이놀즈수를 사용하여 시뮬레이션화 하였다. 그 결과는 다음과 같다.  
 
첫 번째 경우(a), 경도적 농도분극 차이는 채널에서의 각각의 spacer의 마지막 부분에서 변동을 보였다. 이 사실과 비교 목적으로 저자는 fig.2. 마지막 부분에 open channel에서의 농도분극 지수의 경도적 변동을 같이 보여주었다. 그리고 연속되는 두 필라멘트 사이에서의 평균 농도분극 지수는 유입 채널로부터의 거리와 독립적이란 사실을 보여주고 있다. 
또한 위의 그래프는 모든 경우의 spacer configuration에서 레이놀즈 수의 증가가 농도분극의 감소 경향을 보여줌을 보여주고 있다. 이 사실은 채널내의 유동의 흐름이 난류가 될수록 농도분극을 완화시킴을 의미한다.

두 번째 (b)의 경우에는 필라멘트의 존재에 의해 열린 채널에서 농도경계층이 주기적으로 응축과 확장 됨을 관측할 수 있었다. 이 경우에는 농도분극이 (a)와는 다르게 지속적으로 증가함을 보였다. 저자 또한 impermeable membrane에 부착된 spacer 필라멘트 주위에서는 재순환(recirculation)지역이 없었으며, 저자는 이는 곧 농도경계층의 붕괴 (disruption) 메커니즘이 없다는 것을 의미한다고 언급하고 있다.      

4. Originality & Contribution
 저자는 spacer의 configuration에 따른 numerical한 방법으로 시뮬레이션 분석을 통하여 와권형 모듈에서의 spacer 최적화를 효과적으로 수행하였다. 또한 concentration polarization index를 각기 다른 레이놀즈수(50, 100, and 200) 에서 분석하여, 유체의 유동흐름이 다른 조건에서 농도분극의 영향 정도를 예측하였다. 이는 곧 서로 다른 유체의 점성 조건에서의 농도경계층 분석을 했다는 것을 의미하고 있다.     

5. Application 
 이 논문은 사다리형 타입의 (cavity type)의 spacer configuration에서만 초점을 맞추고 있지만, 다른 형태의 spacer configuration을 적용(e.g., zigzag, submerged, and round shape spacer)하여 spacer타입에 따른 performance 비교를 통해 최적의 타입을 제시한다면 앞으로 좀 더 의미가 있는 연구가 되지 않을까 하는 의견을 내본다.

6. Reviewer: 정관호 jkh@gist.ac.kr