멤브레인 접촉기 내부의 SO2 산성 오염물질 분리를 위한 일반적인 액체 흡수제의 전산유체역학 비교

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 1300(2023) 이 기사 인용

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최근 몇 년 동안 유해한 산성 오염물질이 대기로 배출되면서 과학자들의 우려가 높아졌습니다. 이산화황(SO2)은 유해한 온실가스로, 대기로 비정상적으로 방출되면 산성비, 호흡기 문제 등 광범위한 환경 및 건강에 영향을 미칠 수 있습니다. 따라서 이 온실가스 배출을 완화할 수 있는 유망한 기술을 찾는 것이 환경 보호에 있어 매우 시급한 일이 될 수 있습니다. 이 논문은 중공사막 접촉기(HFMC) 내부의 SO2/공기 기체 흐름에서 SO2 산성 오염물질을 분리하기 위한 세 가지 새로운 흡수제(해수(H2O), 디메틸 아닐린(DMA) 및 수산화나트륨(NaOH))의 잠재력을 평가하는 것을 목표로 합니다. 이 목표를 달성하기 위해 CFD 기반 시뮬레이션을 개발하여 결과를 예측하고 수학적 모델을 적용하여 접촉기의 여러 구획에서 이동 방정식을 이론적으로 평가했습니다. SO2. 해수 다음에는 NaOH와 DMA가 두 번째 및 세 번째 순위에 배치됩니다(해수 사용 시 99.36% 분리 > NaOH 사용 시 62% 분리 > DMA 사용 시 55% 분리). 또한 작동 매개변수(예: 가스 및 액체 흐름)의 영향 비율) 및 SO2 분리 비율에 대한 막/모듈 매개변수(즉, 막 모듈의 길이, 중공사의 수 및 다공성)가 이 논문의 또 다른 주요 특징으로 조사되었습니다.

최근 몇 년 동안 화석 연료의 연소는 인간에 의한 온실가스 대기 배출의 중대한 원인 중 하나로 알려져 있습니다1,2,3. 이산화황(SO2)은 중요한 온실가스로, 대기로 방출되면 호흡기 문제, 천식 발작, 도시 스모그, 산성비 등 인간 건강과 생태계에 다양한 악영향을 미칠 수 있습니다4,5. 이러한 산성가스가 대기로 배출되면서 삼산화황(SO3)과 황산(H2SO4)이 생성되는데, 이는 2차 오염물질로 알려져 있다. 이러한 2차 오염물질의 비정상적인 퇴적은 수원의 산성화를 유발하고 농작물에 피해를 줍니다6,7. 따라서 전 세계적으로 엄격한 환경 규제가 제정됨에 따라 이러한 해로운 오염물질을 분리하는 것이 가장 중요해졌습니다8,9.

미세다공성 중공사막 접촉기(HFMC)를 사용한 멤브레인 기반 가스 흡수는 극저온 증류, 충전층 타워, 스프레이 타워 및 흡착과 같은 널리 사용되는 온실가스 분리 공정에 대한 신뢰할 수 있는 대안으로 알려져 있습니다10,11,12,13,14. HFMC는 일정한 계면적, 작동 유연성, 확장의 단순성 및 가스/액체 흐름의 독립적인 조정과 같은 서로 다른 장점으로 인해 최근 물질 전달 장치로서 큰 관심을 받고 있습니다. 산성 오염물질 분리에 있어서 막 재료의 중요한 역할은 논쟁의 여지가 없습니다. 최근에는 폴리프로필렌(PP), 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF), 폴리에테르설폰(PSf) 및 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)이 소수성 멤브레인 제조에 가장 일반적으로 사용되는 재료 중 하나입니다. 화학 흡수제의 진정한 선택은 온실가스 분리 효율성을 향상시키는 연구자와 과학자의 중요한 책임입니다. 친환경성, 적절한 선택성, 우수한 효율성 및 합리적인 비용과 같은 몇 가지 장점이 존재하면 멤브레인 기반 가스 흡수 공정에 사용하기 위한 액체 흡수제의 인기가 높아질 수 있습니다.

CFD는 보존 법칙25,26,27을 기반으로 유체 흐름 현상을 예측할 수 있는 뛰어난 기능을 보유한 새로운 과학 분야입니다. 다양한 공정 산업에 대한 CFD 접근 방식의 확실한 이점으로 인해 최근 수십 년 동안 급속한 발전과 광범위한 활용이 이루어졌습니다28,29. CFD 도구의 지속적인 개발과 저렴한 비용으로 결과를 예측할 수 있는 능력이 향상됨에 따라 다양한 과학적 범위의 연구자들 사이에서 이 접근 방식의 인기가 크게 높아졌습니다30,31,32,33,34. 멤브레인 기반 가스 흡수 공정의 경우, HFMC의 서로 다른 측면을 통해 주요 수송 방정식을 분석하기 위한 CFD 기술의 적용은 실험 조사 비용을 줄이기 위한 유망한 대안이었습니다.