1. Title & Journal
Journal: Journal of Membrane Science, 284 (2006), IF: 3.203
Title: Reverse Draw Solute Permeation in Forward Osmosis: Modeling and Experiments
Author: William A. Phillip, Jui Shan Yong, and Menachem Elimelech*
2. Background of authors
Corresponding author: Menachem Elimelech
Affiliation: Department of Chemical & Environmental Engineering
Background information:
- 이스라엘의 Herbew 대학에서 석사, Johns Hopkins 대학에서 박사학위를 받음
- ES&T, Langmuir, DWT, Colloids and Surfaces A, Separation Science & Technology, Desalination 등의 저널의 자문위원을 하고 있음
- 멤브레인 기술 분야의 석학으로 세계적으로 영향력있는 교수임
3. Summary
FO 공정에서의 비대칭 멤브레인의 사용의 한계점인 내부 농도 분극 (internal concentration polarization) 현상과 함께 외부 농도 분극 (external concentration polarization)을 모델링하고 실험데이터와 비교한 논문이다.
외부 농도 분극의 경우에는 Sherwood number에 의한 mass transfer coefficient를 도출하고 이를 도입하여 농도분극에 의한 삼투압의 변화를 모델에 반영하였다. 이에 대한 식들은 아래와 같다.
(laminar flow)
(turbulent flow)
위에서 구한 mass transfer coefficient를 외부 농도 분극의 modulus (ECP modulus)를 구하기 위해 사용하면 아래의 식을 얻을 수 있다.
위의 식은 concentrative ECP를 나타내는데 dilutive ECP도 이와 유사하다.
일반적인 FO의 flux equation은 아래와 같다.
최종적으로 dilutive와 concentrative ECP 모두를 고려한 flux equation을 아래와 같이 도출할 수 있다.
ICP의 경우에도 ECP와 유사하게 mass transfer coefficient와 같은 방법을 사용하여 도출할 수 있는데 mass transfer coefficient와 유사한 solute resistivity (K)를 사용하여 계산할 수 있다.
: concentrarive ICP
: dilutive ICP
결과를 해석하기 이전 결과를 보는 방법을 위의 그래프로 나타내었다. 검은색 실선은 유입용액의 농도를 0M로 유지한 체 유도용액의 농도를 0M에서 1.5M에서 변화시킬 때의 플럭스 변화를 나타내는 것이고 검은색 점선의 경우에는 유도용액의 농도를 1.5M로 고정시킨 상태에서 유입용액의 농도를 0M에서 1M까지 증가시킨 경우의 그래프이다.
위의 그래프는 유입수와 유도용액의 유속을 45.8cm/s로 실험한 경우이다. Bulk의 삼투압 차이가 같더라도 유입수의 농도에 따라 투과유량이 현저하게 차이나는 것을 알 수 있는데 이는 농도분극에 의한 현상에 의한 FO 공정의 복잡성을 나타내고 있다.
모델의 모사 결과가 실험 결과와 일치성을 나타내는 것을 위의 그림에서 살펴볼 수 있다.
4. Originality & Creativity
- 농도 분극을 고려한 FO 공정의 모델을 개발하여 투과유량을 모사하였다.
5. Further applications
- 현재 투과유량은 implicit 형태의 해로 iterative procedure가 필요하기 때문에 수학적 모델을 도입하여 자명한 해로 도출할 수 있는 모델 개발이 진행될 수 있다.
- 확산계수가 동일하면 K의 값도 동일한데 이 모델에서는 농도에 따라 다른 K값을 적용하였기 때문에 이를 극복할 수 있는 모델 개발이 필요하다.
6. Contact (to reviewer)
minkyupark@gist.ac.kr
Minkyu Park (Master course)
Environmental Systems Engineering Lab.
Department of Environmental Science & Engineering
Gwangju Institute Science and Technology
1 Oryong-dong Buk-gu Gwangju, 500-712, Korea
Tel : +82-62-970-2461
Fax : +82-62-970-2434
Phone : +82-11-9533-6980
E-mail : minkyupark@gist.ac.kr