低エネルギー消費で高い溶質濃度を達成するようにシミュレートされた浸透圧補助逆浸透

Scientific Reports volume 12、記事番号: 13741 (2022) この記事を引用

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2 オルトメトリック

メトリクスの詳細

微生物電気合成 (MES) は、持続可能な廃水処理のための新興技術です。 MES によって生成された希酢酸溶液は、保管と輸送に費用がかかるため、回収する必要があります。アセテートは高価であり、蒸留などの熱を必要とする蒸発法で回収するには環境に悪影響を及ぼします。より優れたエネルギー経済性を追求するため、約 50 bar の水圧で濃度を 1 ～ 30 wt% まで高める膜分離システムがシミュレーションされています。次に、濃縮物は加熱乾燥されるようにシミュレートされます。逆浸透（RO）により、酢酸濃度を 8 wt% まで上昇させることができます。次に、浸透圧補助逆浸透 (OARO) の新しい適応をシミュレートして、濃度を 8 重量% から 30 重量% に増加させます。スタンドアロンの RO ユニットではなく OARO を組み込むことで、必要な熱と電力の合計が 4.3 分の 1 に削減されます。これにより、膜面積要件が 6 倍に増加します。OARO シミュレーションは、内部濃度分極 (ICP) モデルによって実行されます。モデルを使用する前に、文献から取得した OARO 実験データにモデルを適合させます。このモデルフィッティングの演習から、膜構造数 701 μm および透過係数 2.51 L/m2/h/bar が確認されます。

微生物電気合成 (MES) は新興廃水処理技術であり、酢酸 (AA) が最も広く研究されている副生成物です 2,19,36。 Gadkari et al.20 は、他のプロセスから生成される廃棄二酸化炭素を消費することによるアセテートの再生可能生産のための MES を研究しました。 MES プロセスのこの適応に対する最大の障害は、特に連続運転モード下での製品濃度の低さであることが判明しました 10,48。このような低濃度下での酢酸塩の回収は実行不可能であることが判明した。さらに、生成された AA は、燃料やその他の高価な製品を生成するための MES プロセスの基板として研究されています 21。環境上の同意を満たすために、未使用の基材を除去する必要があります。

水からの AA の分離は複雑で、費用がかかり、環境に負担がかかります 42,62,64。溶液中のAA 1モルに対して1モルの水酸化ナトリウムを添加すると、AAよりもはるかに透過性の低い酢酸ナトリウム塩が形成されます。したがって、逆浸透 (RO) を介してより効率的に分離できます。生成された塩は市場性があり、酢酸よりも高価であり、対応する揮発性脂肪酸とアルコールに戻すことができます。ここで調査する分離システムへの供給原料の楽観的だが現実的な濃度として、1 wt% 酢酸ナトリウム溶液が想定されています。

蒸留と加熱乾燥は、プロセス産業で広く使用されている分離技術の 1 つです。このような熱集約的な分離システムは、低コストで再生不可能な熱が利用できることもあり、実現可能であると考えられています。経済的および環境的理由の両方から、再生可能エネルギーで電力を供給できる、よりエネルギー効率の高い分離技術が好まれています。水溶液を濃縮する場合、適切な技術の例としては、再生可能電力を利用した膜分離システムが挙げられます。このようなシステムは、水の蒸発潜熱が異常に高いため、多くの場合、蒸発式システムよりもエネルギー効率が何倍も優れています。

モル濃度の異なる 2 つの溶液の間に半透膜を置くと、水は膜の低濃度側から高濃度側に透過します。この現象は正浸透 (FO) と呼ばれます。膜を横切る水の流れは、水の浸透流に対して適切な水圧を加えることで妨げられます。水流束がゼロになる膜を横切る水圧差は、2 つの溶液間の浸透圧差です。自然流束に対する水圧が浸透圧差を超えると、水は膜の高濃度側から低濃度側に浸透します。逆浸透 (RO) として知られるこの現象は、水溶液から水を回収し、溶質を濃縮するために広く使用されています。

熱蒸発に対する RO の潜在的な利点には、(1) 消費電力の大幅な削減、(2) 空気汚染の回避、および (3) 熱誘発化学反応の回避が含まれます 23,29,59。 RO 膜の低濃度側の液体は「透過液」と呼ばれ、濃縮された溶液は「保持液」と呼ばれます。

この論文の目標は、浸透圧的に高濃度を達成することです。たとえば、RO 経由で 30 wt% の酢酸ナトリウムを達成するには、少なくとも 182 bar の圧力が必要になります (「RO の水フラックスモデル」セクションを参照)。これは RO 膜の設計圧力を何倍も超えてしまいます。ただし、RO 膜の透過側に溶質を注入することで RO の浸透圧を補助することで、必要な水圧を減らすことができます。この現象は浸透圧補助逆浸透 (OARO) と呼ばれます。従来のROの駆動力は水圧ですが、OAROの駆動力は水圧と浸透圧の組み合わせです。表 1 は、これらの膜システムを要約し、その違いを強調しています。

OARO は最近の研究分野であり、過去 2 年間で大きな注目を集めています。このテーマに関しては、新しいアプリケーション、設計、モデルに向けて研究する機会が十分にあります。ただし、このテーマに関しては、すでに多くの非常に革新的な出版物が出版されています。 Peters と Hankins 47 は、二酸化炭素とアンモニアガスを透過水に溶解することによって浸透圧を補助することを提案しました。これらのガスはボイラーと凝縮器システムを介して回収され、再利用されます。

きれいな水の回収のために OARO を調査した人もいます 4,6,7,46。 Baena-Moreno ら 5 は、酸性鉱山排水から鉱物を回収するために、エネルギー効率の高い FO と OARO の統合を開発しました。エネルギー消費量を削減しながら、高い水純度を達成しました。

Togo ら 57 および中川 et al.40 は、膜の透過側と保持側における並流を研究しました。逆流により、より効率的な分離が可能になります。そこで、Chen と Yip16 は、カスケード浸透圧媒介逆浸透 (COMRO) と呼ばれる向流 OARO システムを革新しました。ここでは、浸透圧の補助は製品ではなく飼料によって提供されるため、達成できる濃度が制限されます。

Bouma と Lienhard 12 および Mo ら 38 は、浸透圧を補助するために、供給液の一部を保持液側に供給し、残りを透過液側に供給する分割供給逆流 OARO を研究しました。分割保持液ではなく分割供給流を介して浸透圧を補助することにより、達成可能な生成物濃度が制限されます。 Bouma と Lienhard12 は、溶液をさらに濃縮するために上記のプロセスを繰り返すことを推奨しました。

Blohm et al.11 は、OARO の異なる適応方法で特許を取得しました。この方法では、供給液の代わりに保持液を分割することによって浸透圧補助が提供されます。この分割保持液モードでは、OARO 膜領域に追加することで浸透圧補助を高めることができます。対照的に、分割供給モードでは、浸透圧補助は供給濃度によって決定されるように固定されます。

この論文では、Bouma と Lienhard 12 および Blohm ら 11 によって採用された 2 つの設計の品質を組み合わせた、OARO の新しい適応がシミュレートされています。ここでは、Blohm et al.11 が採用した分割保持液向流システムによって高濃度が達成されます。しかし、Bouma と Lienhard が達成したように、リサイクルされた抽出溶液を適合する濃度の流れと混合することにより、浸透圧の潜在的な無駄が回避されます12。

「方法論」セクションでは、RO および OARO シミュレーションの数学的モデルについて説明します。「新しい RO 分離スキーム」セクションでは、新しい設計が詳細に説明されています。「結果と考察」セクションでは、モデルが実験データに適合され、新しい設計をシミュレーションするために使用されます。

ここでは、膜モジュール内の任意の点で膜を通る水の流れを記述するモデルがレイアウトされています。次に、磁束モデルを使用してモジュールの流路全体の磁束プロファイルを予測し、そこからモジュールの性能をシミュレートできます。

膜の各側の浸透圧 \(\pi\) は、理想気体定数として \(R\)、絶対温度として \(T\) を使用して、ヴァントホフの式 52 から推定されます。 C\) はモル濃度、\(i\) は溶解固体当量の各モルに関連するイオンの数です。 (1)。たとえば、\(i\) はグルコースの場合は 1、酢酸ナトリウムの場合は 2、硫酸ナトリウムの場合は 3 に等しくなります。

式 1 に示すように、皮膚膜全体の浸透圧差 \(\Delta \pi\) を推定できます。 (2)。ここで、下付き文字 \(m\) は膜の両側の皮膚表面を表し、下付き文字 \(h\) と \(l\) は膜の高濃度側と低濃度側を表します。

水流束 \(J_{w}\) は、式 1 に示すように推定できます。 (3) 膜を横切る水圧差として \(\Delta P\) を使用し、膜の透水係数として \(A_{M}\) を使用します15,39,60。

保持液側の膜から離れる溶質の拡散流束 (\(J_{h}\)) は、式 1 に示すように、液膜物質移動モデルによって記述されます。 (4) ここで、\(C\) はモル濃度 (mol/m3)、\(k\) は物質移動係数 (m/s26) です。また、下付き文字 \(m\)、\(b\)、\(h\) は、それぞれ膜界面、液体バルク、膜の保持液側を指します。

\(J_{w}\) は膜の保持液側から透過液側へ押し出される水の体積流束 (m/s 単位) であり、\(J_{h}\) は膜のモル拡散流束です。 \(J_{w}\) と反対方向の溶質 (mol/m2/s 単位)。

定常状態では、液膜内に蓄積はありません。保持液側では、イオンの通過が妨げられる速度は、式 1 に示すように、イオンが液膜から拡散する速度と等しくなります。 (5)35．

方程式 2、3、4、および 5 を使用して、方程式 1 を導き出すことができます。 (6) 逆浸透における水流束を予測します。この式には、\(\Delta \pi\)、\(C_{m,h}\)、\(J_{h}\) が含まれません。代わりに、これは 2 つの変数 \(C_{b,h}\) と \(\Delta P\) のみの関数であり、これらは明確で測定が簡単です。

ここで、流束は膜表面に垂直な単一の長さの次元で発生すると近似されます。これは、薄層を通る物質移動をモデル化するために広く採用されている仮定であり、化学工学の文献では膜理論と呼ばれています9。

浸透圧補助逆浸透（OARO）の保持液側から透過液側までの溶質濃度プロファイルを図 1 に示します。ここでは、RO とは異なり、支持媒体にはかなりの濃度勾配があります。

OARO 膜の概略濃度プロファイル 44。

この濃度勾配は正確に説明できないため、式(1)によって次のように計算できます。 Park ら 44 は、式 (4) に示すように、内部濃度分極 (ICP) モデルを推奨しました。（7）。ここで、\(C_{b,l}\) はバルク透過水濃度、\(B\) は塩分透過率です。 \(K\) は、式 (1) で記述される定数です。 (8)、ここで、\(\delta_{s}\) は厚さ、\(\tau\) は屈曲度、\(\upvarepsilon\) は多孔質支持層の多孔度、および \(D\)は水中での溶質の拡散係数です。残りのパラメータは式のとおりです。 (7) は前に定義したとおりです。

RO と OARO の両方の場合における水流束のシミュレーションには、保持液側の物質移動係数 \(k_{h}\) が必要です。この定数は、式 (1) のモデルフィッティングによって決定できます。 (6) RO ユニット内の測定された流束値の範囲と、それに対応する水圧およびバルク溶液濃度。

\(k_{h}\) は、次に説明するように、Strathmann55 によって実証された経験的なフィルムとモデルの相関関係を使用して計算することもできます。まず、膜チャネル内の液体の流れについてレイノルズ数 \(N_{Re}\) が式 1 に従って計算されます。 (9) \(\rho\) を液体の密度、\(\mu\) と液体の動粘度、\(v\) を空塔速度、\(d_{H}\) をサイズとして使用します。流路。

シュミット数 \(N_{Sc}\) は式 1 で説明されます。 (10)、\(D\) を水性イオンの拡散係数として使用します。酢酸塩の拡散係数 (1.089 × 10–9 m2/s) がすべての計算に使用されます (Buffle et al.14)。これはナトリウム陽イオンの値よりわずかに小さく、律速拡散係数となります。

レイノルズ数とシュミット数を計算すると、式 1 に従って、2100 より小さいすべてのレイノルズ数についてシャーウッド数を計算できます。 (11)、\(L\) を流路の長さ (この場合はモジュールの長さ) として使用します。

液膜物質移動係数は式(1)から計算できます。 (12)。

保持液側では、物質移動に対する抵抗は完全に液膜に起因します (\(k_{h} = k\))。

流路に出入りする水の流量により、濃度は膜モジュールの長さに沿って変化します。濃度の変化により流束が変化します。また、流路ではわずかな圧力降下が発生します。 Park et al.44 は、流路に沿った濃度、流量、圧力のプロファイルを提供する次の方程式を列挙しました。

圧力損失は式に従ってモデル化できます。 (13) ここで、 \(k_{fric}\) は摩擦係数です。

残留物側では、式(1)に従って流量が変化します。 (14) ここで、 \(z\) は流体の流路内の距離であり、 \(w\) は膜モジュールの有効面積をその長さで割ることによって計算されます。

保持液側では、濃度は式に従って変化します。ここで、\(J_{s}\) は、式 (15) で説明されるように、活性層の高濃度側から低濃度側への塩の拡散流束です。 (16)。

式 17 および 18 は、膜の透過側における流量と濃度の変化率を示しています。

逆流ではなく並流システムをシミュレートする場合、\(F_{l}\) は両方の式で負の符号を採用する必要があります。 (17) と (18)。これは、流速とは異なり、流量はスケーラーであり、負の値を採用できないためです。

ここでは、その斬新なデザインについて説明する。図 2 に示すように、RO-1、RO-2、OARO の 3 つのステージが含まれています。RO-1 は従来の RO システムです。ポンプ-1 によって供給される圧力は、RO-1 が供給できる最大濃度を決定します。 3 つのステージはすべて、約 50 bar の保持液圧力下で動作するようにシミュレートされています。 OARO ユニットと RO ユニットは、式 1 を使用して、それぞれ 0.3 バールと 0.2 バール損失するようにシミュレートできます。 (13)。 RO-1 は、膜の総面積を考慮して設計されており、その面積を追加しても分離を有意に増加させることはできません。

この出版物で調査された新しいプロセスフロー図。

RO-1 からの出口は、さらなる水分除去のために OARO ユニットに供給されます。透過側に溶液を注入して浸透圧を補助しない限り、OARO ユニットではそれ以上の分離は起こりません。したがって、流れの一部である S-6 が分割されて透過側に供給され、浸透圧の差が減少し、水流束に抵抗します。

OARO ユニットでは、残留物と透過物は反対方向に流れます。これは逆流として知られています。このフローモードでは、保持液の濃度が最高となる、最高レベルの浸透圧補助が保持液に確実に提供されます。この現象は、次のセクションで、単一の RO ユニットで可能な濃度よりもはるかに高い生成物濃度を提供することを示します。

RO-2 は従来の RO システムであり、S-2 と S-3 が確実に同じ濃度になるように S-5 を濃縮します。 RO-2 がなければ、合流する 2 つの蒸気の濃度が異なるため、浸透圧とエネルギーが無駄になります 32,56。

設計の OARO 部分は、Blohm et al.11 が特許を取得したフロー図で提案されています。図 2 の新しい改良点は、RO-2 システムを介して追加された省エネ機構です。

Lee と Kim35 は、酢酸ナトリウム水溶液の逆浸透に関する実験データを発表しました。これらは、流束値とそれに対応する水圧および濃度のグラフです。グラフから抽出したデータを表 2 に示します。

表 2 の実験的なフラックス値と比較するためにフラックスモデルを使用する前に、物質移動係数は、「実験的な物質移動係数の計算」セクションで説明されているように、膜と流体の特性を使用した実験的な膜とモデルの相関関係によって推定されます。、表 3 にリストされています。

表 3 にリストされているパラメーターを使用して、\(k = k_{h}\) の値として 6.82 × 10–6 m/s が計算されます。 Lee と Kim35 が発表したように、\(A_{M}\) には 1.45 × 10–11 m/s/Pa の値が使用されています。次に、式 6 を使用して表 2 の磁束値を予測します。図 3A に示すように、シミュレートされた磁束値が測定された磁束値に対してパリティ線グラフでプロットされています。

表 3 の、測定された磁束値に対してプロットされたシミュレートされた磁束のパリティライン。(A) モデル定数はシャーウッド数から決定されます。 (B) モデル定数は、実験データへの RMS フィッティングから決定されます。

データにわずかなばらつきがあるにもかかわらず、図 3A は良好な適合性を誇っており、モデルはデータの傾向を非常によく追従しているように見えます。二乗平均平方根（RMS）フィッティングも表 2 の磁束値に対して実行され、結果が図 3B に示されています。 RMS フィッティングの結果は、経験的手法と比較してわずかな改善を示しています。表 4 に示すように、対応する RMS 誤差もわずかに小さくなります。次のセクションでは、RMS フィッティング結果を使用して予測を行います。

Askari et al.3 は、OARO 用にプロトタイプの中空糸膜を特注で作成しました。彼らは、透過液チャンバーと残留液チャンバーの両方で同一の濃度を維持し、30 bar の液圧下で流束を測定することによって膜をテストしました。彼らは、塩化ナトリウムのモル濃度が 0.035、0.6、および 1.2 である場合に同様のことを行い、圧力固有の水流束値がそれぞれ 2.2、0.4、および 0.15 L/m2/h/bar であると報告しました。式1で説明される磁束モデル。 (7) は、これら 3 つのデータ点に当てはめられます。モデルが塩化ナトリウムに対して実験的に検証されると、モデル定数を酢酸ナトリウムに対して調整できます。

1.1 × 10–7 m/s の塩分透過率が使用されます31。ファイバーチューブの内径は 324 µm3 です。「物質移動係数の実験的計算」セクションで説明したように、塩化ナトリウムの \(k_{h}\) 値は 2.5 × 10–5 m/s と推定されます。 Askariらによる3つのデータポイントへのモデルのRMSフィッティングにより、\(K\)は423,000 s/m、\(A_{M}\)は2.51 L/m2/h/barと推定されます。 3. 図 4 に示すように、モデルの予測が対応する磁束測定値に対してプロットされており、モデルがデータによく適合していることが示されています。

測定された流束に対してプロットされたシミュレートされた流束のパリティ線グラフ - Askari らによる OARO 実験 3、30 bar の水圧下、透過液と保持液のバルク濃度が 0.035、0.6、および 1.2 モルで等しい。

\(K\) と拡散係数の積は、膜の構造番号として文献でよく報告されています 44。これは膜の特性であり、溶質には依存しません。 Askari et al.3 によってテストされた OARO 膜の場合、構造番号は 701 μm と推定されます。

次に、膜の構造数を酢酸ナトリウムの拡散係数で割ることにより、酢酸ナトリウムの \(K\) は 644,000 s/m と計算されます。「物質移動係数の実験的計算」セクションで説明したように、酢酸ナトリウムの \(k_{h}\) 値は 1.9 × 10–5 m/s と推定されます。酢酸ナトリウムに関するこれらのモデル定数は、設計の OARO 部分をシミュレートするために使用されます。

「逆浸透のモデルフィッティング」および「浸透圧補助逆浸透のモデルフィッティング」セクションでは、モデル定数が決定され、実験室データに対して検証されます。このセクションでは、図 2 に示す設計をシミュレーションするためにこれらを使用します。設計ベースを表 5 に示します。ベースラインスループットは 1 kg/s の酢酸ナトリウムに対応します。

図 2 の段階 RO-1 では、8000 m2 の膜面積が 8 wt% を提供するようにシミュレートされています。総膜面積のこの値に対応する水の流束と保持液の濃度プロファイルを図 5 に示します。流束は流路の端に向かって減少し、より高い膜面積を採用することによって、もう少し多くの濃度が得られた可能性があることを示しています。

ケーススタディのベースに対応する RO-1 のモジュールの長さに沿った濃度と流束プロファイルを表 5 に示します。

ケーススタディで検討される膜モジュールの例は、Shandong Jozzon Membrane Technology Co., Ltd. 製のモデル JSW-8040-HF です。これらのモジュールは、最大 69 bar の油圧と 3 ～ 3 の範囲の pH 値に耐えることができます。 10. モジュールあたり 35.2 m2 の膜面積を提供します30。これらのモジュールを 227 個並列に設置すると、設計の RO-1 セクションをシミュレートする面積がほぼ得られます。

OARO システムは、8 wt% 溶液をさらに 30 wt% に濃縮するようにシミュレートされます。これは結晶化や膜モジュールの汚れや閉塞を引き起こすほど濃縮されていません25。濃度とフラックスのプロファイルを図 6 に示します。

OARO のモジュールの長さに沿った濃度と流束プロファイルは、表 5 に示したケーススタディの基礎に対応しています — 8 wt% のフィード。

図の横軸は、 5 と 6 は、物質収支方程式の \(z\) を表します。モジュールの全長に等しい \(z\) では、RO と OARO の両方で濃度が最高になります。ただし、この時点での流束は RO についてのみ最低になります (図 5 を参照)。 OARO の場合、\(z\) がモジュールの全長に等しい場合、保持液と透過液のバルク濃度は同一となり、流束が増加します。この増加した流束は、モジュールの全長から少し離れると浸透圧補助を減少させます。したがって、逆流 OARO の場合、最も低い磁束はモジュールの全長付近で発生します。

図 2 に示すように、2 つのリサイクルストリーム S-7 と S-3 を使用した OARO ユニットの定常状態シミュレーションを実現できます。これには次のような反復法が必要です。最初に、S-3 が S-2 とマージされていない (つまり、S-2 と S-4 が同じストリームである) と仮定して、OARO システムがシミュレートされます。 OARO ユニットは、総活性膜面積と S-5 の流量および濃度の任意の値に基づいてシミュレートされます。これら 3 つの任意の値は、S-6 と S-7 の両方の濃度が 30 wt% になり、S-3 の流量が S-4 の半分に等しくなるように繰り返し調整されます。

この初期シミュレーションでは、膜面積 22,500 m2 が提供されます。 S-3 と S-2 は同じ濃度と流量になるようにシミュレーションされているため、OARO の実際のスループットは、最初のシミュレーションで使用されたスループットの 2 倍になります。 S-3 のリサイクルは、OARO と RO-2 のシミュレーション領域を 2 倍にすることで考慮できます。同じ理由で、S-3、S-5、S-6、S-7、および S-8 のシミュレーション流量は 2 倍になります。 S-3 は S-2 と同じ濃度であるため、これをリサイクルしても OARO ユニットへの流入濃度は変わりません。したがって、OARO ユニット内の流束と濃度のプロファイルは変化しないため、上記の外挿が可能になります。最終的なシミュレーション結果を表 6 にまとめます。

酢酸ナトリウムは通常、濃縮溶液ではなく純粋な固体の形で販売されています。このセクションでは、3 つのシナリオで、溶液の加熱乾燥により酢酸ナトリウム粉末が生成されると考えられます。シナリオ 1 では、膜分離を行わずに 1 wt% ストリームの乾燥に熱が使用されます。シナリオ 2 では、従来の RO システムで濃度を 1 wt% から 8 wt% にし、その後加熱乾燥します。シナリオ 3 では、図 2 に示す新しいスキームにより、濃度が 1 ～ 30 wt% になり、その後加熱乾燥されます。各シナリオでは、予測は生成される酢酸ナトリウム 1 kg に基づいています。乾燥機の熱は、2.26 MJ/kg の蒸発潜熱に基づいて推定されます17。ポンプの仕事量は、約 50 bar の差圧と 80% のポンプ効率に基づいて推定されます。表 7 に示すように、各シナリオで必要な総エネルギーは、ポンプの電気エネルギーと乾燥機の熱の合計として計算されます。

ほとんどの水の除去は RO-1 で行われます。シナリオ 3 の総エネルギー消費量はシナリオ 2 の 4 分の 1 です。蒸発による水の除去は浸透圧脱塩よりも何倍も多くのエネルギーを消費することが広く確立されているため、このような大きな違いは予想されていました。シナリオ 3 は、シナリオ 2 に比べて熱消費量が 5 分の 1 です。これには、電力消費量が 22% 増加し、膜面積が 7 倍増加します。

水に比べて浸透性が低い水溶液の浸透圧分離のための、新しいプロセスフロー図が提案されています。新しいコンポーネントは、再循環された誘導溶液が異なる濃度で合流するのを防ぐ追加の RO ユニットと組み合わせた、保持液の分割による向流浸透圧補助です。

内部濃度分極 (ICP) モデルは、文献から得られた OARO 実験データによく適合します。この新しい設計は、ICP モデルを使用してシミュレーションされ、一般的な逆浸透システムで可能な値よりもはるかに高い 30 wt% 酢酸ナトリウムまで溶液を濃縮します。標準的な RO の代わりにこの新しい設計を使用すると、酢酸ナトリウム乾燥システムの総エネルギー消費量が 4 分の 1 に削減されることがシミュレーションされています。

新しい設計では、膜の総面積は 57,200 m2 でシミュレーションされます。これはスタンドアロン RO システムの 7 倍ですが、年間 180 GWh のエネルギーを節約します。さらに、設計の OARO 部分でシミュレートされた水フラックスは、RO 部分の水フラックスより平均して 23 分の 1 です。これにより、OARO 膜部分の寿命が長くなり、斬新な設計が正当化される可能性があります。

すべてのモデル定数は、原稿内の適切な箇所に引用とともに記載されています。 Lee と Kim35 による実験データを表 2 に示します。

膜面積、m2

膜透過係数、m/Pa/s

保持液側のバルク濃度、mol/m3

透過側バルク濃度、mol/m3

保持液側膜濃度、mol/m3

透過側膜濃度、mol/m3

塩分透過性、m/s

水イオン拡散係数、m2/s

油圧直径、m

保持液流量、m3/s

透過水流量、m3/s

溶解した塩 1 モルに相当するイオンのモル数、無次元

残留物側イオンフラックス、mol/m2/s

塩フラックス、mol/m2/s

膜を通過する体積水流束、m/s

摩擦係数、無次元

保持液側の物質移動係数、m/s

ICP モデル定数 \(K=\tau {\delta }_{s}/\left(D\varepsilon \right)\), s/m

膜を横切る水圧差、Pa

レイノルズ数、無次元

シャーウッド数、無次元

シュミット数、無次元

膜モジュール内の流路の高さ、m

理想気体法則定数、J/K/mol

膜構造番号、m

絶対温度、K

膜チャネル内の液体の空塔速度、m/s

\(w=A/L\)、m

膜モジュール内の供給入口からの距離、m

膜の長さ = 膜モジュールの長さ、m

メンブレンサポートの厚さ、m

膜皮膚全体の浸透圧差、Pa

膜空隙率、無次元

動粘度、Pa・s

液体密度、kg/m3

膜のねじれ、無次元化

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著者らは、サリー大学環境と持続可能性センターを通じて提供された「CO2削減による液体燃料とバイオエネルギーの供給」（助成金番号EP/N009746/1）に対するEPSRCの資金提供に感謝の意を表します。

サリー大学、環境と持続可能性センター、化学およびプロセス工学部、ギルフォード、GU2 7XH、英国

ベフザド HM ベイギ、シッダースガドカリ、ジュマサドゥカン

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BHMB: 設計コンセプトを提案し、それをシミュレートするための数学的モデルを開発しました。JS: 原稿の草稿を支援しました。SG: 数学とモデルのフィッティングをクロス検証しました。

ベフザドHMベイギへの通信。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

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HM Beigi, B.、Gadkari, S. & Sadhukhan, J. 低エネルギー消費で高溶質濃度を達成するためにシミュレートされた浸透圧補助逆浸透。 Sci Rep 12、13741 (2022)。 https://doi.org/10.1038/s41598-022-16974-x

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