미세기포 2상 유동을 사용한 분리막 기반 담수화 공정에 관한 실험 및 이론적 연구

Abstract

전 세계적으로 기후변화의 인구증가, 산업 활동으로 인해 담수(fresh water)에 대한 수요가 급격히 증가하고 있으며, 인류는 물 위기에 직면해 있습니다. 이러한 점에서 담수화(desalination) 기술은 무한에 가까운 수자원인 해수를 이용할 수 있다는 점에서 그 중요성과 필요성이 대두되고 있습니다. 2000년 이전까지 세계 담수화 시장은 증발법(evaporation method)이 지배적이었으나, 이후 분리막 제조 기술 및 성능의 향상으로 담수화 기술의 패러다임이 분리막을 이용한 고도 수처리 방식으로 바뀌었습니다. 분리막 기반(membrane-based)의 담수화 기술들 중, 역삼투압(reverse osmosis, RO)은 현재 가장 신뢰할 수 있는 담수화 기술이지만, 높은 압력 작동 조건 및 농도 분극(concentration polarization, CP) 현상 등 몇 가지 기술적인 해결과제가 존재합니다. 이와 관련하여 막증류(membrane distillation, MD)는 RO 또는 증발법 담수화 기술과 비교할 때, 다음과 같은 매력적인 이점이 있습니다. (i) 낮은 작동온도(낮은 등급의 폐열 사용 가능), (ii) 염도에 대한 낮은 민감도, (iii) 비휘발성 용질의 100% 거부율, (iv) 높은 삼투압 또는 농도 분극과 무관한 성능, (v) 낮은 설치 공간 및 잠재적으로 낮은 유지 관리 요구 사항. 이러한 장점들로 인해 MD는 특히 고순도 투과물의 생산, 유용한 광물의 회수 및 고농도 수처리와 같은 과학 및 산업 분야의 여러 틈새 분야에서 잠재적인 가능성을 보여줍니다. 한편, 온도 분극(temperature polarization, TP)과 CP는 각각 MD 및 RO 공정의 성능을 향상시키기 위해 해결해야 할 주요 과제입니다. 또한, 막 오염은 분리막 기반 담수화 기술에서 공통적으로 해결해야 하는 주요 관심사입니다. 공급수측 2상 유동(two-phase flow)의 형성은 두 가지 분극 효과(TP 및 CP)를 감소시킴과 동시에 MD 및 RO 공정에서 분리막의 오염을 지연시키는 효율적인 방안으로 활용할 수 있습니다. 따라서, 본 학위논문에서는 두 가지 분리막 기반 담수화 공정(MD 및 RO)의 성능을 개선하기 위해 각 공정의 공급수측에 미세기포(microbubble)가 포함된 2상유동을 형성했습니다. 자세한 내용은 다음과 같습니다. (1) 본 연구에서는 직접접촉식 막증류(direct contact membrane distillation, DCMD)의 하류 성능을 개선하기 위해 새로운 공기 보조(air-assisted) 선회유동형(swirling-flow type) 미세기포 발생기(microbubble generator, MBG)를 개발하였으며, 다양한 작동 조건 하에서 그 성능을 실험적으로 입증했습니다. DCMD 시스템 하류에서의 작동 조건을 모사하기 위해 공급수의 저온 및 고농도 조건을 선정했습니다. 공급수 흐름에서 2상 유동의 형성이 DCMD 공정의 성능에 긍정적인 영향을 미치는 것으로 관찰되었습니다. 특히, 직경이 100μm 이하인 미세 기포는 공급수 흐름의 열 및 물질 전달을 개선하는 데 중요한 역할을 했습니다. MBG를 설치한 DCMD 시스템의 성능은 더 낮은 공급수 온도와 더 높은 공급수 유량에서 더 두드러진 것으로 나타났으며, 이때 MBG에 의한 투과유속(permeate flux)의 향상은 약 37%이었습니다. 공기 유량이 50cc/min 인 경우 제안한 시스템은 최대 성능을 달성하였으며, 공기 유량이 더 증가하면 공급수 채널에서 슬러그(slug) 형태의 2상유동 형성으로 인해 미세기포의 수는 오히려 감소하였으며, 이에 따라 투과유속 향상률 역시 감소했습니다. 또한 고농축 염수를 공급수로 사용하여 제안한 시스템의 성능을 평가하였으며, 결과는 MBG를 실제 담수화 공정에 활용할 수 있음이 입증되었습니다. (2) 본 연구는 담수화를 위한 DCMD 공정에서 열 및 물질 전달을 개선하기 위해 공급 스트림에 미세 기포가 포함된 2상 유동의 적용에 대한 포괄적이고 체계적인 개요를 제공합니다. 기존 연구에서 개발한 MBG의 단점을 보완하여 MBG의 구조를 수정 및 제작하였으며, 이를 DCMD 모듈의 공급수측 입구에 설치하였습니다. MBG 보조 DCMD 시스템의 투과유속 향상률은 더 낮은 공급 온도(40℃) 및 최적의 공기 유량(50cc/min)에서 최대 약 18%이었으며, 이를 통해 최적의 MBG 형상을 결정했습니다(선회유동기 사용, 2mm의 노즐팁 직경 및 30°의 디퓨저 각도). 결과는 2상 유동에서 열 및 물질 전달을 개선하는 데 중요한 역할을 하는 미세 기포의 수 밀도(number density)와 관련이 있는 것으로 관찰되었습니다. 한편, 기존의 기포유동(bubbly flow) 열전달 상관관계(correlation)에 기초한 수치해석 결과는 실험결과를 과소평가하였으며, 경향 또한 일치하지 않았습니다. 따라서 본 연구는 또한 새로운 2상 유동 열전달 상관관계를 제안하고 검증하는 것을 목적으로 했습니다. 제안된 상관 관계는 MBG 보조 DCMD 프로세스의 성능을 정확하게 예측하기 위해 기포 크기 분포(bubble size distribution, BSD)를 고려하였습니다. 예측된 결과를 통해, 제안된 상관관계의 우월성과 타당성을 입증하였습니다. (3) 본 연구는 공급수측 미세 기포가 있는 2상 유동의 적용이 담수화를 위한 물질 간극 막증류(material gap membrane distillation, MGMD) 공정에서 막 오염(fouling and scaling)을 효과적으로 지연시킬 수 있음을 보여줍니다. 이전 연구에서 채택된 최적의 MBG(즉, 선회유동기 사용, 2mm의 노즐팁 직경, 30°의 디퓨저 각도)를 MGMD 모듈의 공급수측 입구에 설치하였으며, 다양한 조건 하에서 투과유속을 측정하였습니다. 공급수의 염도는 초기 약 60 mS/cm이었으며, 20시간 이상의 장기 실험 동안 약 150 mS/cm로 증가했습니다. MGMD 시스템의 투과유속은 실험 시작 후 약 21시간 후에 투과유속의 급격한 감소가 발생했습니다. 반면, MBG 보조 MGMD 시스템의 성능은 실험 시작 후 약 28시간 후에 급격한 감소가 관찰되었습니다(즉, 약 7시간 지연). 이러한 연구결과는 MBG의 적용이 분리막 기반 담수화 공정의 막오염 현상을 효과적으로 지연시킬 수 있음을 시사합니다. (4) 본 연구의 목적은 RO 공정의 공급수측 미세 기포 2상 유동을 형성하여 농도 분극층을 감소시키고 투과유속을 향상시키는 것입니다. 상용 RO 분리막을 사용하여 다양한 작동 조건 하에서 그 성능을 조사했습니다. 이전 연구에서 채택된 최적의 MBG를 사용하였으며, 이전 연구와는 달리 MBG를 RO 모듈 순환 라인과 별개로 설치하여 MBG로 유입되는 운전 조건을 RO 모듈과 독립적으로 제어했습니다. MBG 보조 RO 성능은 공급수의 입구 압력이 40bar, 공기 유량이 100cc/min일 때 가장 높은 투과유속의 향상(약 11%)을 달성했습니다. 한편, 저농도의 수돗물(tap water)을 공급수로 사용한 실험에서는 MBG에 의한 유의미한 성능 향상은 관찰되지 않았습니다. 결과는 미세기포가 RO 공정에서 농도 분극층을 효과적으로 감소시킬 수 있음을 입증했습니다. |The global demand for fresh water is rapidly increasing due to the exacerbation of climate change, some very wet places, some very dry places, and recent industrial activity, and humanity is facing a water crisis. In this respect, the importance and necessity of desalination technology is emerging in that it can use seawater, an infinite water resource. The evaporation methods were dominant in the global desalination market until 2000, but the paradigm of desalination technology had changed to an advanced water treatment method using a separation membrane due to the improvement of membrane manufacturing technology and performance. Among the membrane-based desalination technologies, reverse osmosis (RO) is currently the most reliable state-of-the-art technique for desalination, but also faces some challenges that affect the sustainability of the technology. In this respect, membrane distillation (MD) has the following attractive advantages in comparison with RO, or evaporation desalination technologies: (i) low operating temperature (low-grade waste heat) and hydraulic pressure, (ii) low sensitivity to salinity, (iii) nearly 100% rejection of non-volatile solutes, (iv) performance independent of high osmotic pressure or concentration polarization, and (v) low footprint and potentially low maintenance requirements. Owing to the aforementioned advantages, MD demonstrates potential applications in several niche areas of scientific and industrial interest, especially, for the production of high purity permeate, recovery of valuable minerals, and separation of contaminants from liquid solutions. Meanwhile, temperature polarization (TP) and concentration polarization (CP) are major challenges to be solved in order to improve the performance of MD and RO processes, respectively. In addition, membrane fouling is a bottleneck in membrane-based desalination technologies. The two-phase flow of the feed solution could be a viable alternative to reduce the two polarization effects (i.e., TP and CP) and to delay membrane contamination in MD and RO processes. In this dissertation, a microbubble two-phase flow on the feed side was applied to improve the performance of two membrane-based desalination processes (i.e., MD and RO). The detail contents are as follows. (1) A novel air-assisted swirling flow-type microbubble generator (MBG) was proposed to improve the downstream transmembrane flux of a direct contact membrane distillation (DCMD), and experimentally demonstrated its performance under various operating conditions. It was observed that the formation of a two-phase flow in the feed stream demonstrated a positive influence on the performance of the DCMD process; particularly, microbubbles less than 100 μm performed an important role in improving the heat and mass transfer. The DCMD performance using MBG was demonstrated to be more pronounced at lower feed temperatures and higher feed flow rates, where the enhancement in permeation flux was as high as 37%. The optimal air flow rate to achieve maximum DCMD performance was determined to be 50 cc/min at a given feed flow rate, while a further increase in air flow rate incurred a slug flow in the feed channel, which resulted in a decrease in the number of microbubbles and hence a decrease in the DCMD performance. In addition, the process performance was evaluated using highly concentrated brine as the feed solution, and the results demonstrated the feasibility of applying MBG to practical desalination processes. (2) A modified MBG was developed and installed at the feed-side inlet of the DCMD module to investigate its transmembrane flux. The maximum improvement in the MBG-assisted DCMD permeation flux was found to be approximately 18% at a lower feed temperature (40 ℃) and optimal air flow rate (50 cc/min), and an optimal MBG geometry comprising a swirler, a nozzle tip of diameter 2 mm, and a diffuser at an angle of 30°. The results were observed to be related to the number density of microbubbles less than 100 µm in size, which plays an important role in improving heat and mass transfer in two-phase flow. In addition, the simulation results based on conventional heat transfer correlations of bubbly flow underestimated the experimental results and showed different tendencies. Therefore, this study also aims to propose and verify a new two-phase flow heat transfer correlation. The proposed correlation considers the effects of bubble size distribution to accurately predict the performance of MBG-assisted DCMD processes. Finally, the simulation results demonstrated the superiority and validity of the proposed correlation. (3) The application of two-phase flow with microbubbles in the feed stream has demonstrated effective in delaying membrane contamination (i.e., fouling and scaling) in material gap membrane distillation (MGMD). A modified MBG was installed at the feed side inlet of the MGMD module to investigate its permeation flux. The feed salinity increased from 60 to 150 mS/cm during the long-term experiments of more than 20 hours. In the experiment, it was observed that the sudden decrease in the transmembrane flux was delayed by using MBG (i.e., approximately 7 hours delay). The results suggest that the application of MBG can effectively delay the membrane fouling of the membrane-based desalination processes. (4) The application of microbubbles on the feed stream of RO process was performed to investigate the effect on the CP layer of RO membrane. A commercial RO membrane was used and investigated its performance under various operating conditions. The maximum improvement in the MBG-assisted RO performance was found to be approximately 11% at an inlet feed pressure of 40 bar, a higher air flow rate (100 cc/min). Meanwhile, for tap water, no significant performance enhancement could be observed as a low feed salinity at all operating conditions. The results demonstrated that microbubbles can effectively reduce the CP effect in the RO process.