低エネルギー消費で高い溶質濃度を達成するようにシミュレートされた浸透圧補助逆浸透

Scientific Reports volume 12、記事番号: 13741 (2022) この記事を引用

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微生物電気合成 (MES) は、持続可能な廃水処理のための新興技術です。 MES によって生成された希酢酸溶液は、保管と輸送に費用がかかるため、回収する必要があります。 アセテートは高価であり、蒸留などの熱を必要とする蒸発法で回収するには環境に悪影響を及ぼします。 エネルギー経済性の向上を追求するため、約 50 bar の水圧で濃度を 1 ～ 30 wt% まで高める膜分離システムがシミュレーションされています。 次に、濃縮物は加熱乾燥されるようにシミュレートされます。 逆浸透（RO）により、酢酸濃度を 8 wt% まで上昇させることができます。 次に、浸透圧補助逆浸透 (OARO) の新しい適応をシミュレートして、濃度を 8 重量% から 30 重量% に増加させます。 スタンドアロンの RO ユニットではなく OARO を組み込むことで、必要な熱と電力の合計が 4.3 分の 1 に削減されます。 これにより、膜面積要件が 6 倍に増加します。OARO シミュレーションは、内部濃度分極 (ICP) モデルによって実行されます。 モデルを使用する前に、文献から取得した OARO 実験データにモデルを適合させます。 このモデル フィッティングの演習から、膜構造数 701 μm および透過係数 2.51 L/m2/h/bar が確認されます。

微生物電気合成 (MES) は新興廃水処理技術であり、酢酸 (AA) が最も広く研究されている副生成物です 2,19,36。 Gadkari et al.20 は、他のプロセスから生成される廃棄二酸化炭素を消費することによるアセテートの再生可能生産のための MES を研究しました。 MES プロセスのこの適応に対する最大の障害は、特に連続運転モード下での生成物濃度の低さであることが判明しました 10,48。 このような低濃度下での酢酸塩の回収は実行不可能であることが判明した。 さらに、生成された AA は、燃料やその他の高価な製品を生成するための MES プロセスの基板として研究されています 21。 環境上の同意を満たすために、未使用の基材を除去する必要があります。

水からの AA の分離は複雑で、費用がかかり、環境に負担がかかります 42,62,64。 溶液中のAA 1モルに対して1モルの水酸化ナトリウムを添加すると、AAよりもはるかに透過性の低い酢酸ナトリウム塩が形成されます。 したがって、逆浸透 (RO) を介してより効率的に分離できます。 生成された塩は市場性があり、酢酸よりも高価であり、対応する揮発性脂肪酸とアルコールに戻すことができます。 ここで調査する分離システムへの供給原料の楽観的だが現実的な濃度として、1 wt% 酢酸ナトリウム溶液が想定されています。

蒸留と加熱乾燥は、プロセス産業で広く使用されている分離技術の 1 つです。 このような熱集約的な分離システムは、低コストで再生不可能な熱が利用できることもあり、実現可能であると考えられています。 経済的および環境的理由の両方から、再生可能エネルギーで電力を供給できる、よりエネルギー効率の高い分離技術が好まれています。 水溶液を濃縮する場合、適切な技術の例としては、再生可能電力を利用した膜分離システムが挙げられます。 このようなシステムは、水の蒸発潜熱が異常に高いため、多くの場合、蒸発式システムよりもエネルギー効率が何倍も優れています。

モル濃度の異なる 2 つの溶液の間に半透膜を置くと、水は膜の低濃度側から高濃度側に浸透します。 この現象は正浸透 (FO) と呼ばれます。 膜を横切る水の流れは、水の浸透流に対して適切な水圧を加えることで妨げられます。 水流束がゼロになる膜を横切る水圧差は、2 つの溶液間の浸透圧差です。 自然流束に対する水圧が浸透圧差を超えると、水は膜の高濃度側から低濃度側に浸透します。 逆浸透 (RO) として知られるこの現象は、水溶液から水を回収し、溶質を濃縮するために広く使用されています。