낮은 에너지 소비로 높은 용질 농도를 달성하도록 시뮬레이션된 삼투압 보조 역삼투

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 13741(2022) 이 기사 인용

1477 액세스

2 알트메트릭

측정항목 세부정보

미생물 전기합성(MES)은 지속 가능한 폐수 처리를 위한 새로운 기술입니다. MES를 통해 생산된 묽은 아세테이트 용액은 회수되어야 합니다. 묽은 용액은 저장 및 운송 비용이 많이 들 수 있기 때문입니다. 아세테이트는 증류와 같은 열 집약적인 증발 방법으로 회수하는 데 비용이 많이 들고 환경에 해를 끼칩니다. 더 나은 에너지 경제를 추구하기 위해 막 분리 시스템은 약 50bar의 유압에서 농도를 1에서 30wt%로 높이도록 시뮬레이션됩니다. 그런 다음 농축물을 가열 건조하도록 시뮬레이션합니다. 역삼투(RO)는 아세테이트 농도를 8wt%까지 높일 수 있습니다. 그런 다음 삼투압 보조 역삼투(OARO)의 새로운 적응을 시뮬레이션하여 농도를 8에서 30wt%로 증가시킵니다. 독립형 RO 장치가 아닌 OARO를 포함하면 총 열 및 전력 요구 사항이 4.3배 감소합니다. 이는 막 면적 요구 사항을 6배만큼 추가합니다. OARO 시뮬레이션은 내부 농도 분극(ICP) 모델에 의해 수행됩니다. 모델을 사용하기 전에 문헌에서 얻은 OARO 실험 데이터에 적합합니다. 701 µm의 막 구조 수와 2.51 L/m2/h/bar의 투과성 계수가 이 모델 피팅 연습에서 확인되었습니다.

미생물 전기합성(MES)은 새로운 폐수 처리 기술로, 아세트산(AA)이 가장 널리 연구된 부산물입니다2,19,36. Gadkari et al.20은 다른 공정에서 생산된 폐이산화탄소를 소비하여 아세테이트의 재생 가능한 생산을 위한 MES를 조사했습니다. MES 프로세스의 이러한 적응에 대한 가장 큰 장애물은 특히 연속 작동 모드에서 제품 농도가 낮다는 것으로 밝혀졌습니다. 이러한 낮은 농도에서 아세테이트 회수는 실행 불가능한 것으로 나타났습니다. 또한, 생산된 AA는 연료 및 기타 고가의 제품을 생산하기 위해 MES 공정의 기질로 연구되고 있습니다. 환경 동의를 충족하기 위해 사용하지 않은 인쇄물을 제거해야 합니다.

물에서 AA를 분리하는 것은 복잡하고 비용이 많이 들며 환경적으로 부담이 됩니다42,62,64. 용액에 AA 1몰당 수산화나트륨 1몰을 첨가하면 아세트산나트륨 염이 형성되는데, 이는 AA보다 훨씬 덜 투과성입니다. 따라서 역삼투압(RO)을 통해 훨씬 더 효율적으로 분리할 수 있습니다. 생산된 소금은 시장성이 있고 아세트산보다 가격이 비싸며 상응하는 휘발성 지방산과 알코올로 다시 전환될 수 있습니다. 1wt% 아세트산 나트륨 용액은 여기에서 조사된 분리 시스템에 대한 공급물에 대한 낙관적이면서도 현실적인 농도로 가정됩니다.

증류 및 열 건조는 공정 산업에서 널리 사용되는 분리 기술 중 하나입니다. 이러한 열 집약적 분리 시스템은 부분적으로 저비용, 재생 불가능한 열의 가용성으로 인해 실행 가능한 것으로 간주되었습니다. 경제적, 환경적 측면 모두에서 재생 가능하게 전력을 공급할 수 있는 보다 에너지 효율적인 분리 기술이 선호됩니다. 수용액을 농축하는 데 적합한 기술의 예로는 재생 가능 막 분리 시스템이 있습니다. 이러한 시스템은 물의 증발 잠열이 비정상적으로 높기 때문에 증발식 대체 시스템보다 에너지 효율성이 몇 배 더 높습니다.

농도가 다른 두 용액 사이에 반투과막을 놓으면 물은 농도가 낮은 쪽에서 농도가 높은 쪽으로 투과하게 됩니다. 이러한 현상을 정삼투(FO)라고 합니다. 물의 삼투 흐름에 대해 적절한 수압을 가하면 막을 통과하는 물의 흐름이 차단될 수 있습니다. 물 흐름이 0이 되는 멤브레인 전체의 수압 차이는 두 솔루션 간의 삼투압 차이입니다. 자연 유량에 대한 수압이 삼투압 차를 초과하면 물은 막의 농도가 높은 쪽에서 낮은 쪽으로 침투합니다. 역삼투(RO)라고 알려진 이 현상은 수용액에서 물을 회수하고 용질을 농축하는 데 널리 사용됩니다.