一般的な水処理システムの非効率性を打破する新しいモデル(New Model Could Help Break Through Inefficiencies of Common Water Treatment Systems)

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2023-01-17 米国国立再生可能エネルギー研究所(NREL)


Hari Sitaraman and Ilenia Battiato have, for the first time, analyzed an entire reverse osmosis system, like the one seen here, with the greatest precision yet. With their simulations, the duo identified a new structural design that could improve the energy efficiency of these systems by a whopping 40%. Photo from Hari Sitaraman, NREL

 今後数十年の間に、アメリカ全土で水不足と水への不安が深刻化することが予想される。カリフォルニア州では、シエラネバダ山脈の積雪量が今後1世紀で65%も失われると予想されている、と国立再生可能エネルギー研究所のハリスワラン(ハリ)・シタラマンは言う。この消失に加え、政治的、経済的、その他の課題により、カリフォルニア州のように干ばつに見舞われやすい州では、汽水域(または塩水域)や農業排水などの代替水源の利用が不可欠になっている。
しかし、非伝統的な水源を処理し再利用する最も一般的な方法は逆浸透膜と呼ばれるプロセスで、これは高価でエネルギー集約的なものである。
このたび、National Alliance for Water Innovation(NAWI)研究コンソーシアムのメンバーであるSitaramanとIllenia Battiatoは、スーパーコンピュータを用いて逆浸透膜システム全体を研究しました。この新しい技術により、二人は逆浸透膜のエネルギー効率を約40%向上させ、同じ量と品質の飲料水を生産しながら、費用対効果を高めることができる新しいシステム設計も発見しました。この結果は、『Separation and Purification Technology』誌の新しい論文に掲載されています。
この数値ツールは、塩分を含んだ水などの流体が逆浸透膜システムに流れ込み、いくつかの膜フィルターを通過して、反対側にきれいに出てくる様子を解析するものです。シタラマンとバッティアトは、このソルバーを使って逆浸透膜システムを高精度に研究し、不具合や非効率な点を発見した。例えば、汽水域の水をろ過する場合、逆浸透膜システムは高圧で水を複数の膜に押し流し、塩分やその他のミネラル分を遮断する。その結果、水はきれいになりますが、膜の上に薄い塩分の層が形成されます。この付着物が水の流れに影響を与え、システムの効率を低下させる可能性があるのです。
「塩水からどれだけの純水が得られるかを知るには、この薄い層を正しく測定する必要があります」と、シタラマンは言います。「この薄層を正しくとらえなければ、逆浸透膜プラントの運転にどれだけのコストがかかるかを理解することはできません」。
シタラマンは、システムの物質移動を予測し、汽水からどれだけ純水をろ過できるかを推定する、よりシンプルなモデル方程式を作成するという複雑な作業を行った。このモデルによって、システムの効率(とコスト)を向上させる方法を見出すことができる。
「経済性が向上すれば、逆浸透膜システムはより広く使われるようになるでしょう。そして、エネルギー効率が上がれば、温室効果ガスの排出や気候変動への貢献も少なくなります」。
シタラマンとバッティアトが開発したツールは、逆浸透膜プラントのオーナー以外にも役立つものだ。他の研究者は、この研究成果をもとに、従来とは異なる水源の処理に使われる逆浸透膜ろ過技術以外のあらゆる種類の効率やコストについて研究することができるのである。食品業界では、高濃度のフルーツジュースや風味豊かなチーズなどを作るために逆浸透膜フィルターを使用しています。水族館では、水中の有害な化学物質を除去するために使用されています。さらに、逆浸透膜システムは、安価な肥料や燃料に利用できる貴重なミネラルなどを抽出することもできます。
シミュレーションを使えば、チームは、はるかに多くの設計の候補を素早く検討し、最適なものを選び出すことができる。こうして、バッティアトとシタラマンは、より効果的なスペーサー(逆浸透膜システム内の部品で、水の流れを助けるために乱流を作り、流路を開いたままにする)の配置を特定した。
二人のシミュレーションは現実のシステムを正確に再現しているが、それはまだ理論的なものである。シタラマンは、別の研究チームが彼らの設計したシステムを構築し、実際のシステムがどれだけモデルと一致しているかを評価することを期待している。一方、より高解像度の(あるいはより精密で包括的な)シミュレーションは、研究者が逆浸透システムの仕組みについて不正確な推測をするのを防ぎ、そうすることで技術の改良方法を学ぶのに役立つだろう。
現在、ほとんどの技術者は、逆浸透膜システムの改良方法を見つけるために試行錯誤を行っている。しかし、それでは水不足が深刻化する一方だ。バティアートとシタラマンのシミュレーションにより、エンジニアはより効率的で費用対効果の高い技術の開発を加速させることができる。そうすれば、干ばつに苦しむ西部の町など、地域が切実に必要としているときに、従来とは異なる水源を利用できるようになる。

<関連情報>

逆浸透膜システムにおける物質移動と濃度分極に及ぼす大規模効果の影響 Impact of large-scale effects on mass transfer and concentration polarization in Reverse Osmosis membrane systems

Hariswaran Sitaraman Ilenia Battiato
Separation and Purification Technology  Available online: 29 September 2022
DOI:https://doi.org/10.1016/j.seppur.2022.122121

Highlights

•Simulations of large-scale reverse osmosis membrane channels are presented.
•Spacer-induced mixing and thin concentration boundary layers are resolved.
•Concentration profiles are not fully developed for a significant distance along the channel.
•A modified mass-transfer correlation is derived that includes streamwise distance.
•Non uniform arrangement of spacers leads to savings on pressure drop.

Abstract

We present well-resolved computational fluid dynamics simulations of a large-scale reverse osmosis membrane-spacer configuration (∼ 1 m). Our computational model solves the flow and transport equations with variable solute-dependent properties. We utilize a high resolution computational mesh to resolve all relevant length scales associated with spacer-induced mixing and thin concentration boundary layers. An important contribution of this work is the development of a modified mass-transfer correlation that accounts for the development of the concentration boundary layer along the channel. A set of 2D axisymmetric simulations were performed for a spiral wound module layer with varying cross-flow conditions and spacer diameters which indicate a significant entrance length effect for concentration profile development at lower flow rates while mixing effects dominate at higher flow rates. The mass-transfer correlations at higher flow rates compare well with published correlations while a surrogate model for Sherwood number was obtained that depends on an additional similarity variable that accounted for entrance length effects at lower flow rates. Finally, a large-scale membrane-spacer design relevant to high-pressure reverse osmosis is studied with a non-uniform arrangement of spacers, which indicate a substantial saving in pressure drop (∼ 40%) compared to traditional uniformly spaced pattern with minor variations (∼ 2%) in concentration polarization, product water quality (∼ 1%) and water recovery (∼ 7%) compared to a uniform spacer pattern.

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