Liquid entry pressure and pilot plant energy analysis for membrane distillation

Abstract

최근 수십 년 동안 세계의 많은 지역에서 세계에서 가장 중요한 문제 중 하나 인 물 부족 문제를 겪고 있으며, 이는 물 부족 지역의 담수 공급, 지역간 물 갈등 그리고 수인성 질병을 초래했다. 해수 담수화는 깨끗한 물을 생산하는 방법으로 대체 수자원을 확보할 수 있는 기술 중 하나이다. Reverse Osmosis, Multi Stage Flash, Multi Effect Distillation와 같은 현재 담수화 기술은 고에너지 소비율, 낮은 회수율과 같은 해결되지 않은 몇 가지 문제를 가지고 있다. 기존 담수화 기술을 대체할 수 있는 몇 가지 기술 중에서 막증류법 (MD)은 유망한 기술 중 하나다. 현재, 미세 여과 (MF) 막은 0.1 um의 공극으로 물이 지나가면 이온을 제거할 수 없지만 증기만 통과한다면 MF막의 MD 적용에 적합하다. 증기만을 통과시켜야 하는 MD의 안정적인 시스템 운영을 위해 Liquid Entry Pressure의 고려가 중요하다. 이러한 MD 기술의 발전을 위해서는 공정의 운영 및 에너지 관리 기술은 매우 중요하다. 따라서 논문의 목적은 현장에서의 막젖음 현상에 의한 공정 운영 실패를 방지하고 장기 MD 운전 데이터를 확보하며 MD 안정성 검증 및 에너지 효율 분석 데이터를 얻는 것이다. 또한, 데이터의 신뢰성을 높이기 위해 통계적 기법을 사용하여 최적의 운영 조건을 유도하고 MD 시장 진입 및 시장 확보의 기반을 마련하고자 한다. 해수 원수가 소수성 (Hydrophobicity) 막을 여과없이 통과하면 담수가 오염되므로 막의 LEP은 물의 품질을 보장하기 위한 MD 공정의 주요 인자이다. 온도, 내부압력, 농도 등을 반영한 dynamic LEP는 이론적인 LEP 및 static LEP와 상이하여 안정적 운영을 위해 정확한 LEP 값 도출을 위한 연구가 이루어졌다. 공급수의 온도와 냉각수의 온도 차에 따라 LEP는 감소하였다. SEM 분석 이미지는 각 막에 실험 후 막 표면의 공극 변화를 확인하였지만 여러 유속을 적용한 실험결과는 유의미한 차이를 보이지 않았다. 본 연구는 나선형 Air Gap MD의 파일럿 플랜트를 운영하고 효율성을 평가하였다. 일일10 m 3 의 담수를 생산하기 위해 설계된 파일럿 규모의 AGMD 시스템을 운전하였다. 유속 변화 실험은 유속이 증가함에 따라 Flux의 증가 경향을 보여주었다. 온도는 MD에서 물 투과 증기 유동을 극대화시키는 데 중요한 인자 중 하나이다. MD 채널에서 65°C에서 75°C로 온도가 상승하면 유속이 0.59에서 1.15 L/m 2 /h로 증가했다. 다양한 조건에서 비열에너지 소비량 (STEC)와 PR (Performance ratio)을 사용하여 에너지 효율을 분석했다. 파일럿 플랜트는 현장에서 사용할 수 있는 열원의 제한(냉각, 가열)되어 있음에도 불구하고 높은 PR 값을 보였다. 달성된 가장 높은 PR은 STEC가 182.78 kWh/m 3 이었을 때 3.54이었다. 본 연구는 온도, 농도, 유량 및 에너지 공급과 관련된 운영 데이터를 제공한다. MD는 에너지 소비량을 경제적으로 저감해야 하는 열 공정이다. 몇 가지 적은 실험 결과로 시스템을 최적화하고 성능을 극대화하는 것은 매우 어렵다. 따라서 이 연구에서는 반응 표면 방법론 (RSM)에 의해 상이한 온도 및 유속을 통한 해수의 담수 생산 공정이 최적화되었다. 또한, MD 공정에서 저에너지로 더 많은 물을 생산하기 위한 최적의 성능과 에너지 효율적인 조건을 연구하는 데 중점을 두었다. RSM은 온도 및 유속의 함수로서 flux 및 PR 분석을 위한 통계 모델을 구축하는 데 적용되었다. 일련의 MD 실험은 실험 방법의 CCD을 기반으로 수행되었다. 이 실험 결과를 이용하여 Flux와 PR을 예측하기 위한 2 개의 응답 표면 (RS) 모델이 개발되었다. ANOVA의 결과는 온도와 유속 사이의 관계가 약간 상호 의존적이거나 상당히 상호 작용한다는 것을 검증한다. RS 모델은 원하는 에너지 효율을 위한 작동 조건을 최적화하기 위해 추가로 사용되었다. 또한, RSM으로부터 도출된 최적의 Flux 및 PR 조건이 실험적으로 입증되었다.; In recent decades, many regions of the world suffer from water scarcity, which is one of the most critical issues in the world, the main challenge is to supply fresh water to water shortage regions, in attrition, waterborne illness has been caused through the consumption of the contaminated drinking water in these regions. Seawater desalination is one of the alternative ways to produce fresh water. However, current desalination technologies like reverse osmosis (RO),multi-stage flash (MSF), and multi-effect distillation (MED) have several issues such as high energy consumption, a low recovery rate total water, and large footprint. Among the several techniques to replaces conventional desalination techniques, membrane distillation (MD) is one of the promising technologies. Currently, microfiltration (MF) membranes are implemented for MD application due to their suitable pore size distribution. However, some properties of MD are still needed to be enhanced and determined, especially the liquid entry pressure (LEP) to stable operation. With the development of MD technology, operation and energy management techniques of process are very important. Therefore, the purpose of this paper is to obtain accurate LEP value in order to avoid process failure in the field, to secure long - term MD operation data and to secure MD stability and to obtain energy efficiency analysis data through long - term operation data. In order to increase the reliability of the data, statistical techniques are used to derive the optimal operating conditions and to establish a basis for entering and securing the MD market. LEP of membrane is crucial in the process of MD to ensure the quality of distillate since the whole operation will be contaminated as soon as the feed liquid starts to penetrate the hydrophobic membrane. LEP, assuming standard condition (i.e. ambient temperature, hydrostatic pressure, and etc.), show some inconsistencies with theoretical LEP, thus rigorous analysis attempt was made to better the understanding of the wetting phenomena in MD. The experiments with LEP device were varied with different temperature of the feed water. SEM image was taken to visualize the pore size transition after experiment on each membrane. Effects of different flow rate has also been studied, yet the results showed no significant difference. The SEM analysis has shown no significant changes on the membrane surface and its property; however, LEP has decreased when the temperature of feed solution increased. This study investigated a pilot scale of a spiral-wound air gap MD (AGMD) module and evaluated its efficiency. A pilot-scale AGMD module with design production capacity of 10 m 3 /d was operated. Experiments with varying flow velocity showed increasing trend of water vapor flux as flow velocity increases. The temperature is one of the significant points in maximizing water permeate vapor flux in MD. Increasing temperature from 65°C to 75°C in evaporator channel has increased flux from 0.59 to 1.15 L/m 2 /h. Under various conditions, specific thermal energy consumption (STEC) and performance ratio (PR) was used to analyze energy efficiency. The pilot plant showed high PR value in spite of a limited heating and cooling source available at the site. The highest PR achieved was 3.54 with STEC of 182.78 kWh/m 3 .This study provides an overview of operation experience and its data analysis related to temperature, concentration, flow rate and energy supply. Membrane distillation is the thermal process which energy consumption needs to be mitigating economically. As a result of a few experience, to optimize process and maximize performance is very difficult. In this work, fresh water production from seawater via different temperature and flow velocity was optimized by response surface methodology (RSM). It focuses on the exploration of the optimum performance and energy efficient conditions to produce more water with low energy consumption in MD process. RSM was applied to build statistical models for the analysis of flux and PR as a function of temperature and flow rate. A series of MD experiments are performed based on the central composite design of the experimental method. Two response surface (RS) models have been developed to predict flux and PR using these experimental results. The results of ANOVA verify that the relationship between temperature and flow velocity was slightly interdependent or significantly interactive. The RS models were further used to optimize the operational conditions for desired energy efficiency. Moreover, the optimum flux and PR condition derived from RSM was experimentally verified.