Optimal draw solute for forward osmosis desalination is found, and the desalination process is designed using the draw solute. At first, a systematic approach is proposed to find proper compounds for draw solute. The proposed approach has following three steps.
1)Property database is established. The database contains osmotic pressure, boiling point, solubility and toxicity information for a total of 4,058 compounds. Osmotic pressures are gathered from OLI stream analyzerTM and boiling point and solubility are calculated by elecNRTL and NRTL models. Toxicity information is gathered from literature.
2)Screening method is applied. Screening criteria include osmotic pressure, solubility, boiling point, and toxicity. Finally seven candidates are selected by the method.
3)Water production cost for each candidate is compared. Operation and capital cost model for the FO membrane process and draw solute recovery process are established, and the cost minimization problem is solved for various conditions.
After the systematic approach is applied, separation processes for ammonium bicarbonate, ammonium hydroxide, and ethanol are designed using Aspen Custom Modeler®. Design factors for the distillation column, heat exchanger, and absorber are determined, and flow configuration is optimized. CO2:NH3 ratio is added as a design factor since enrichment of ammonium helps to dissolve carbon dioxide. An optimal separation process is designed which achieves complete redissolving of decomposed gas and minimum water production cost.
유도용질 탐색기법을 기반으로 한 정삼투식 해수담수화공정의 최적설계
인구 증가와 산업화로 인해 물 부족현상은 인류가 풀어야 할 큰 숙제가 되었다. 거기에 지구온난화로 인한 사막화와 에너지 문제로 인해, 담수를 더 적은 에너지로 생산하는 기술에 대한 필요성이 날로 대두되고 있는 가운데, 정삼투식 해수담수화는 이런 상황을 타개할 수 있는 잠재성을 가진 기술로 주목받고 있다. 기존에는 물을 증발시켜서 담수를 얻는 다단플래시법이나 다중효용법이나, 반투과형 멤브레인을 이용하여 기계적 압력으로 담수를 얻는 역삼투식 공정이 주로 사용되고 있었으나, 증발법은 많은 양의 에너지를 소비할 수 밖에 없고, 역삼투법은 고급 에너지인 전기를 사용해야 하는 점에서 비교적 적은 에너지 소비량에도 불구하고 궁극적인 담수화 기술이 되기에는 다소 부족한 점이 있었다. 정삼투식 해수담수화법의 경우 해수보다 삼투압이 높은 유도용액을 이용하여 해수로부터 물을 얻기 때문에, 물을 해수로부터 분리해내는 시점까지의 에너지 소비가 거의 없으므로, 여기서 해결해야 할 과제는 유도용액으로부터 물을 얼마나 적은 에너지로 쉽게 분리해내는 가 하는 것이다. 따라서 어떤 유도용액을 사용하는 가는 정삼투식 해수담수화법의 공정 전반에 걸쳐서 매우 큰 영향을 주는 요소라고 할 수 있다. 이 연구에서는 기존의 직관에 의존하는 유도용액 탐색에서 벗어나, 유도용액이 될 수 있는 후보군들의 물성 데이터베이스를 구축하여 이를 근거로 후보군을 선정하고, 선정된 후보군들에 비용최소화문제를 적용함으로써 유도용액을 선정하는 시스템적 접근방법이 연구되었다.
2장에서는 물성 데이터베이스를 구축하는 데 사용된 툴과 물성 모델에 대한 설명을 한 뒤, 이를 토대로 유도용액의 후보군을 선정하는 과정에 대하여 설명하였다. 이 연구에서는 열분해 방법으로 유도용액으로부터 물을 분리해내는 공정에 대한 고찰을 하였으므로, 후보군을 선정하는 데에도 이러한 기준을 적용하였다. 적용된 기준을 나열해보자면, 다음과 같다.
