1. Title & Author 

Optimum design of reverse osmosis seawater desalination system considering membrane cleaning and replacing

Yan-yue Lua, Yang-dong Hua,*, Dong-mei Xub, Lian-ying Wua

Institute:
a College of Chemistry and Chemical Engineering, Ocean University of China
b College of Chemistry and Chemical Engineering, Shandong University of Science and Technology, China 

2. Summary of paper:

이 논문은 membrane cleaning과 replacing을 고려한 역삼투압(RO) 방식 해수담수화 시스템의 최적화 디자인을 다루고 있다.
저자는 기존의 RO system의 optimum design을 연구하는 researcher들이 제시한 최적화 RO unit model, RO module fouling model, system model을 사용하였다.
여기서 최소화 된 operating cost 산출은 case study을 통해 이루어졌다. 총 5년이라는 유지보수 기간 동안, 저자는 discrete time interval 접근 방법에 기초하여 systematic한 scheduling 분석을 하였고, 총 연간 비용(cost)을 최소화 하기 위해 비선형 혼합정수 계획법(mixed-integrated nonlinear programming model, MINLP)으로 최적화 디자인 문제를 체계화 하였다.

아래의 식은 TAC (total annualized cost, 총 연간 비용) 에 대한 목적함수를 나타낸 것이다.
TAC는 operating cost와 capital cost가 합으로 산정된다. 
특히, 이 논문은 practical investment을 고려한 coefficient(식35의 1.44)와 capital charge rate(0.08)을 통해 보다 정확한 비용산정을 유도하였고, vessel안에 있는 각각의 membrane module의 cleaning(식 38)과 replacing(식39) 비용을 TAC 산정에 반영했기 때문에, cost예측 면에서 정확도가 높다.

다음은 RO시스템의 최적화된 유지보수schedule 표이다. 
최소 생산 수량은 80m3 h-1, 
최대 허용 생산 수 TDS 농도는 500ppm,
최대 train 개수를 3개로 설정 하였다. 
RO module은 DuPont B-10 hollow-fiber를 사용하였다. 
다음 그림에서 검은 선 한 줄은 module이 cleaned되었음을, 검은 선 두 줄은 replaced됨을 의미한다. 

다음의 Table 3은 train의 개수를 1개, 2개, 3개로 맞췄을 때의 총 연간 비용, 생산 수량, 회수율, 단위 부피의 물 당 필요한 단가를 modeling 결과다.
여기서 알 수 있듯이 train의 수를 3개로 하였을 때 
the optimal recovery ratio가 48%, 
energy consumption은 4.1 kwh/m3, 
minimum product water cost는 $0.60/m3
라는 최적의 결과 값이 산출 됨을 알 수 있다.


3. Originality & Creativity

보다 정확한 RO프로세스의 성능 및 비용 예측을 위해 mathematical한 모델들을 사용 하였고, membrane 성능 및 cleaning과 replacing 기준을 도입한 새로운 fouling 모델을 사용하고 있다.


4. Further applications:

이 논문에서 저자는 담수화 처리 자체 내에서 필요한 시스템적 측면(module, intake, booster, high pressure pump, pressure exchanger)의 capital cost와 operating cost만을 고려하였지만, 전체적인 측면에서 capital과 operating에 관여되는 다른 항목(ex) pre, post treatment) 도 적용한다면, 보다 정확한 비용 산정을 할 수 있을 것이라 사료된다. 

5. Reviewer: Kwanho Jeong
Email: khj@gist.ac.kr