Applied Chemistry for Engineering, Vol.22, No.6, 703-710, December, 2011
평판형 분리막 모듈 내 스페이서 형태에 따른 농도분극에 관한 수치해석
Numerical Analysis of Concentration Polarization for Spacer Configuration in Plate Type Membrane Module
E-mail:
초록
분리막 모듈 내 스페이서는 용액의 원활한 흐름을 위한 공간 확보와 더불어 유체의 난류를 형성시키므로 농도분극화 현상을 감소시키고 막 표면에 축적되는 오염물을 용액 내로 혼합하여 높은 투과유속과 분리막 모듈을 장기간 운전하는데 도움을 준다. 본 연구에서는 분리막 모듈 내 원형, 십자형, 다이아몬드형 및 육각형 단면의 스페이서와 스페이서의 배열 각도, 용질 배제율 및 투과유속에 대한 농도 변화를 “COMSOL Multiphysics” 프로그램으로 수치 해석하여 최적화하였다. 4가지 형태의 스페이서 중에서 십자형 단면 스페이서를 포함한 모듈의 경우가 분리막 표면 농도를 가장 낮게 유지하였으며 스페이서의 배열 각도는 30°가 효율적이었다. 스페이서가 없는 모듈 출구에서 분리막 표면의 농도는 입구보다 약 2.09배까지 증가하였으나 가장 효율적인 십자형 스페이서를 30°로 배열할 경우 약 1.29배로서 최대 37% 낮았다. 또한 투과유속이 증가할수록 십자형 스페이서의 농도분극 감소효과는 급격히 증가하였다.
As the spacer in the membrane module provide the channel space to flow the feed solution smoothly and induce the flow turbulence, it could help to reduce both the concentration polarization and to take the long-term operation of membrane modules with high permeate flux by mixing the accumulated contaminants on the membrane surface into the bulk solution. In this study, the concentration distribution in membrane module with respect to the spacers which have the cross-sectional shapes of circle, cross, diamond and hexagon, the angles of spacer configuration, solute rejection and permeate flux were interpreted and optimized numerically using the “COMSOL Multiphysics” software. The concentration on the membrane surface was kept the lowest level for the cross-shape among the above four types of spacers. Also the 30 degree spacer configuration was showed as the most efficient case. The concentrations on the membrane surface at the module outlet for without spacer and the cross shape with the 30 degree spacer configuration were 2.09 and 1.29 times higher than those at inlet, respectively. The reduction effect of concentration polarization increased rapidly as the permeate flux increased.
- Chung KY, Kim JP, Energy saving membrane technology, A-Jin Press Co., Korea (2010)
- Hajeeh M, Chaudhuri D, Desalination, 130(2), 185 (2000)
- Song LF, Chem. Eng. Commun., 180, 145 (2000)
- Koutsou CP, Yiantsios SG, Karabelas AJ, J. Membr. Sci., 326(1), 234 (2009)
- Nagy E, Sep. Purif. Technol., 73(2), 194 (2010)
- Ahmad AL, Lau KK, J. Membr. Sci., 286(1-2), 77 (2006)
- Lau KK, Abu Bakar MZ, Ahmad AL, Murugesan T, J. Membr. Sci., 343(1-2), 16 (2009)
- Chung KY, Kim EJ, Chem. Eng. Comm., 152, 319 (1996)
- Shin HC, Chung KY, Membrane Journal., 20, 342 (2010)
- Rhim JW, Membrane Journal., 4, 111 (1996)
- Wardeh S, Morvan HP, Ind. Eng. Chem. Res., 86, 1107 (2008)
- Oh M, Park JY, Noh SH, Hong SU, J. Korean Ind. Eng. Chem., 20(1), 104 (2009)
- Kittisupakorn P, Weerachaipichaskul W, Thitiyasook P, J. Ind. Eng. Chem., 13(6), 903 (2007)
- Choi JW, Cho KS, Oh BK, Youn IJ, Jeong J, Park S, Lee WH, J. Ind. Eng. Chem., 7(4), 230 (2001)
- McCabe WL, Smith JC, Harriott P, Unit operations of chemical engineering, seventh edition, McGraw-Hill, New York (2005)