DAILY PAPER REVIEW

1014_Experimental approaches to feed solution permeability in pressure-driven membrane separation processes

 

 

1. Title & Journal
Journal: Journal of Membrane Science, in press, IF: 3.203
Title: Experimental approaches to feed solution permeability in pressure-driven membrane separation processes
Author: M. Toffoletto*, A.A. Merdaw, A.O. Sharif, A. Bertucco

2. Background of authors
Corresponding author: M. Toffoletto
Affiliation: University of Padova (DIPIC), Italy
Background information:
- 저자 정보를 검색할 수 없음

3. Summary
압력을 이용한 막공정의 용매의 이동현상을 설명하기 위해 solution-diffusion pore-flow fluid-resistance (SDPFFR) 모델의 적용에 대해서 서술하고 있는 논문이다. SDPFFR 모델은 저자가 새로 개발한 모델로써 solution diffusion (SD) 모델과 pore flow (PF) 모델을 결합한 모델인 solution-diffusion pore-flow 모델에서 멤브레인 외부에서 발생하는 fluid resistance (FR) 모델을 더한 모델이다. 이에 대한 schematic은 다음과 같다.

SDPFFR모델은 membrane 내의 플럭스는 permeate flux와 같다는 가정하에서 시작한다. 시스템의 총 저항 (RT)은 feed fluid의 저항과 membrane이 가지는 저항의 합과 같다.

위 식을 membrane permeability 형식으로 나타내면 아래와 같다.

Af의 경우에는 Δp에 의존적이며 이에 대한 empirical equation은 아래와 같다.

Af0는 nominal fluid permeability이고 P0는 압력차를 나타낸다. Microstructural specification을 모르는 경우에는 Awm를 아래와 같은 empirical 형태로 나타낸다.

여기서 δ는 온도 의존 파라미터이다.


TEM을 이용한 이미지 분석 결과 membrane은 3개의 층으로 나뉘어져 있다. 즉, 멤브레인 전반에 걸친 저항은 heterogeneous하다는 것을 알 수 있다.
다음은 삼투압이 같으나 농도가 다른 두 용액을 사용하여 membrane permeability를 측정하였다. 다음 그림에서 보는 것과 같이 membrane permeability는 삼투압이 같더라도 용액에 따라 차이가 발생하며 이를 모델이 잘 모사하는 것을 알 수 있다.

저자는 압력 증가에 따라 permeability가 증가하는 이유를 수화구(hydration sphere)의 파괴로 인해 ionic hydration structure로부터 물분자들이 떨어져나오는 능력이 늘어나서라고 설명하고 있다.

위 그림을 통해 저자가 주장한 근거를 강화시키는데 비록 NH4CO3의 분자량과농도가 크지만 NaCl의 permeability가 낮은 이유가 바로 바로 이온들의 수화 성향 때문이라고 한다.

위 그림은 온도가 membrane permeability에 미치는 영향을 나타내고 있다. 온도가 증가할수록 membrane permeability가 증가하는 것을 알 수 있고 이와 유사하게 fluid permeability가 증가하는 것을 아래 그림을 통해 알 수가 있다.

또한 이 논문에서는 두 가지의 다른 멤브레인의 permeability를 비교하였는데 두 membrane의 투과율 차이로 인해 permeability의 차이는 존재하지만 압력 변화에 따라 비슷한 경향을 나타내는 것을 알 수 있다.



4. Originality & Creativity
- RO에서 사용하는 가장 단순한 형태인 solution diffusion 모델을 대체할 수 있는 모델의 초석을 마련함
- 하지만 fitting parameter가 많고 경험식에 의존하므로 널리 사용되려면 좀 더 발전이 필요한 모델임

5. Further applications
- empirical coefficient가 있을 경우에는 현재 우리 랩에서 진행하는 process model이 가지는 한계점 (permeability에 correction factor를 사용하는 것)을 극복할 수 있는 계기가 될 수 있을 것이다.

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

첨부 (1)
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