1. Title & Journal

?  Title
Numerical analysis of spacer impacts on forward osmosis membrane process using concentration polarization index

?  Corresponding authors: Joon Ha Kim

 

2. Summary

정삼투 공정에서의 농도분극을 정량적으로 평가하기 위한 지표로써 CPI (Concentration Polarization Index)을 제안하고, FEM 기법을 적용하여 FO mode 및 PRO mode 에서의 스페이서 영향을 파악하였다.

CIP는 CP의 발생 정도에 비례하고 플럭스에 반비례하는 경향을 가지며, 농도뿐만 아니라 플럭스에 대한 정보도 담고 있다. CPI를 간편하게 표현하면 FO mode에서는 CIP= , PRO mode에서는 CIP=  와 같다. 멤브레인 배향 및 농도 등 각기 다른 운전 조건에서 CPI 값을 통해 농도분극 발생 정도를 간편하게 비교할 수 있다.

스페이서에 대해서는 총 6가지의 경우에 대해서 비교가 진행되었다(cavity, submerged, zigzag type에 대해서 각각 symmetric & asymmetric). Submerged type에서 플럭스가 가장 높았으며 cavity type에서 플럭스가 가장 낮은 것으로 확인되었다. 특이 사항으로는 cavity type에서 feed의 농도가 0인 경우에도 reverse diffusion에 의해 feed 쪽으로 이동된 solute로 인해 농도분극이 더 심해지는 현상이 발견되었으며, 스페이서가 없을 때보다도 낮은 플럭스를 보였다. Feed 쪽으로 이동된 solute가 멤브레인 표면에 부착된 스페이서 근처에 쌓이기 때문에 driving force을 감소시키게 된다.

스페이서의 영향 분석을 통해 알 수 있는 것은 정삼투 공정에서 feed 및 draw 양 쪽에 스페이서가 존재하는 경우, boundary layer compression 현상이 boundary layer disruption 현상보다 CP 저감에 더 효과적이라는 사실이다. Cavity type의 스페이서로 인한 boundary layer disruption 현상은 필연적으로 dead zone을 형성하게 되어 CP가 심화되는 결과를 낳게 된다. 이러한 CP 심화 현상은 정삼투 공정의 특수성으로 인한 부정적 효과로써 boundary layer disruption과 같은 스페이서의 긍정적 효과보다 부정적 효과가 더 큰 경우에 나타나는 현상으로 파악된다. 정삼투 공정과 달리 역삼투 공정에서는 boundary layer disruption 현상 자체가 CP 저감 및 플럭스 향상에 도움이 되며, 일반적으로 zigzag type일 때 플럭스가 가장 높다. 하지만 일반적으로 SWMs에서 사용되는 스페이서는 구조상 멤브레인 표면에 부착된 형태를 가질 수 밖에 없기 때문에 스페이서가 CP 심화에 미치는 영향을 최소화하는 방향으로 연구가 진행되어야 할 것이다.

 

3. Originality & Application

농도분극을 평가/비교하기 개발된 CPI 지표는 정삼투 공정 성능 평가에 효과적으로 사용될 수 있을 것이다. 좀 더 정확한 영향을 파악하기 위해서 추후에 3D 시뮬레이션을 해보는 것이 필요하다.

 

4. Reviewer contact: 이지정(leejj@gist.ac.kr)