새로운 종류의 이방성 이방성 막에 의한 주변 온도 및 압력에서의 담수화

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 13564(2022) 이 기사 인용

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최근의 과학적 발전은 기후 변화와 자연 환경의 지속 가능성과 관련된 문제를 해결하는 데 진전을 이루었습니다. 이 연구는 환경 친화적이고 자연적으로 지속 가능하며 에너지 효율적인 담수화에 대한 새로운 접근 방식을 사용합니다. 이는 비용 효율성도 높다는 것을 의미합니다. 증발은 자연 환경의 주요 현상이며 담수화를 포함한 많은 산업 응용 분야에 사용됩니다. 액체 방울의 경우, 방울 표면의 곡선형 액체-증기 경계로 인해 증기압이 변합니다. 따라서 모세관 효과로 인해 기공의 볼록한 표면의 증기압은 평평한 표면의 증기압보다 높으며, 이 효과는 기공 반경이 감소할수록 강화됩니다. 이 개념은 우리가 작은 막횡단 온도 구배만 적용하여 주변 온도와 압력에서 물을 담수화할 수 있는 막 증류(MD)를 위한 새로운 이중 다공성 이방성 막을 설계하도록 영감을 주었습니다. 새로운 막은 초소수성 나노다공성/미세다공성 복합막으로 기술된다. 이론적 모델에 의해 결정된 사양을 갖춘 실험실에서 제작한 멤브레인을 모델 검증을 위해 준비하고 MD와 직접 접촉하여 다양한 공급 입구 온도에서 담수화를 테스트했습니다. 낮은 공급 온도(25°C, 투과 온도 = 20°C)에서 새로운 멤브레인에 의해 39.94 ± 8.3 L m−2 h−1의 높은 수증기 플럭스가 달성되었으며, 널리 사용되는 상업용 PTFE 멤브레인은 MD 연구에서는 동일한 작동 조건에서 플럭스가 0이었습니다. 또한 다양한 유입 공급 온도에서 제조된 멤브레인의 플럭스는 상업용 멤브레인보다 훨씬 높았습니다.

오늘날 논쟁의 주요 쟁점 중 하나는 에너지 소비와 그것이 자연 환경에 미치는 영향, 특히 다량의 이산화탄소 방출과 이것이 지구 온난화에 미치는 해로운 영향에 관한 것입니다. 자연 환경의 지속 가능성에 대한 근본적인 믿음과 켈빈 방정식에 따른 수증기 이동 거동에 대한 지식을 바탕으로 이 연구는 담수화 기술의 획기적인 연구로 제안되고 있습니다. 여기서 발전되고 있는 기술은 높은 에너지 비용과 에너지 소비가 겉보기에 멈출 수 없을 것 같은 기후 변화 과정에 미치는 재앙적인 영향과 관련하여 저소득 국가가 현재 직면하고 있는 많은 문제를 해결할 것을 약속합니다.

담수화는 염수에서 담수를 생산하는 방법에 사용되는 일반적인 용어입니다. 현재의 담수화 기술은 상당한 열 또는 압력 구동력을 적용해야 하기 때문에 에너지 집약적입니다. 다행스럽게도 막 증류(MD) 및 투과증발과 같은 막 공정에서 증발의 열 수요는 기존 증류 공정보다 낮습니다. 따라서 MD는 잠재적으로 낮은 등급의 열을 사용하여 염도가 높은 하천을 담수화할 수 있는 열 구동 분리 기술입니다. MD에서는 소수성 미세 다공성 막을 가로지르는 부분 압력 구배에 의해 구동되어 수증기 분자가 뜨거운 식염수 공급물에서 차가운 투과물로 이동하여 염분과 비휘발성 물질이 남습니다1,2. 멤브레인을 소수성으로 유지하는 것은 염분 공급수가 멤브레인 공극을 통해 투과측(물 생성물)으로 흐르는 것을 방지하여 높은 염 제거율을 가능하게 하기 때문에 MD에서 매우 중요합니다. MD는 낮은 작동 온도, 낮은 작동 압력, 고염도 염수 처리 능력, 높은 제거 효율, 고유한 저등급 에너지 사용 능력 등 우수한 특성으로 인해 최근 새로운 담수화 기술로 많은 주목을 받고 있습니다. 출처3,5.

앞서 언급했듯이 MD 공정은 주로 열에너지를 소비하는 증발에 의존합니다. 그러나 열은 막을 통한 전도를 통해서도 손실되므로 특히 DCMD 구성에서 MD 공정의 전체 효율성이 감소합니다6. 따라서 잘못 설계된 멤브레인의 제조는 종종 MD 성능 저하뿐만 아니라 높은 에너지 소비의 원인이 됩니다. 고성능을 위해 이상적으로 설계된 MD 멤브레인은 증기 전달에 대한 낮은 저항, 작은 두께, 낮은 열 전도성, 높은 소수성, 우수한 기계적 안정성 및 내구성8,9과 같은 요구 사항을 충족해야 합니다. 고성능 MD 멤브레인을 설계하려면 여러 매개변수의 결합, 때로는 상충되는 영향을 인식하는 것이 중요합니다. 따라서 효과적인 MD 멤브레인을 개발하려면 위의 모든 기준을 동시에 고려해야 합니다. 예를 들어, 더 얇은 MD 멤브레인은 물질 전달 저항을 감소시킬 것으로 예상되지만, 얇은 두께는 종종 낮은 기계적 특성을 나타내고 전도성 열 손실을 증가시킵니다. 특히 DCMD10의 경우 더욱 그렇습니다. 따라서 매개변수의 효과를 이해하는 것뿐만 아니라 가능한 최고의 MD 성능을 달성하기 위해 매개변수를 최적화하기 위한 많은 이론적 연구가 수행되었습니다.