압력 지연 삼투(PRO)를 재생 에너지의 잠재적 원천으로 인식시키기 위해, 반투과성 막을 통한 발전과 삼투를 보여주는 대화형 장치가 Cal Poly Humboldt's Section of Society of Women Engineers의 학생 그룹에서 개발되었습니다. 실험실 규모의 장치는 디지털 모델에서 3차원 고체 물체를 구성하는 3D 프린터를 사용하여 제작되었습니다. 이 제작 방법은 장치를 복제할 수 있게 해주며, 디지털 설계도, 3D 프린터, 프린터에서 사용하는 열가소성 플라스틱만 있으면 됩니다.
프로젝트 목표
그래픽 크레딧: Brian Wallace이 프로젝트의 목적은 PRO 장치를 활용하고 피드백을 제공하고 연구 결과를 공유함으로써 커뮤니티에 기여하는 엔지니어, 과학자, 교육자 커뮤니티를 구축하는 것입니다. SWE는 장치를 제공하고 앞서 언급한 관심 그룹에 시스템을 홍보함으로써 이 커뮤니티를 구축하는 데 도움을 줄 것입니다.
배경
압력 지연 삼투(PRO)는 막 투과를 통해 염수와 담수 간의 상호 작용을 통해 전력을 생성하는 새로운 기술입니다. PRO 동안 저염도(공급) 용액은 막을 통해 가압된 고염도(인출) 용액으로 끌어들여집니다(그림 1). 그런 다음 터빈을 통해 압력을 방출하여 전력을 생성할 수 있습니다.
물 유량(Jw)은 막의 물 투과 계수(A), 삼투압 차이(π), 유압 압력 차이(P)에 따라 달라집니다. 단위 막 면적(W)당 생성되는 전력, 즉 전력 밀도는 유량과 막을 가로지르는 유압 압력 차이에 따라 달라집니다.
π, 삼투압 차이는 막을 통한 물의 순 이동을 방지하는 유압 압력 차이(P)의 크기와 같습니다. OLI Stream Analyzer 2.0 소프트웨어(OLI Systems, Inc., Morris Plains, NJ)는 염화나트륨에 대한 삼투압(kPa)과 몰 농도 간의 다음 관계를 제공합니다.
농도 분극(CP)은 막 계면 근처에서 용질이 축적되거나 고갈되는 현상을 설명하는 현상입니다[1]. PRO 구성에서는 희석 외부 CP와 농축 내부 CP의 두 가지 유형의 CP가 발생합니다. 이 연구에서는 예측된 플럭스 및 전력 밀도 값을 실험 값과 비교합니다. CP로 인해 삼투압 차이의 증가로 인해 플럭스 및 전력 밀도가 비례적으로 증가하지 않을 것으로 예상됩니다.
장치 설명
PRO 장치에는 나란히 놓여 있고 반투과성 멤브레인으로 분리된 7"x7"x2" 챔버 두 개가 있습니다. 두 챔버 모두 천장에 ¼" 암나사 NPT 육각형 나사산이 두 개 있습니다. 챔버는 12개의 나사/육각 너트/와셔 조립품으로 고정되어 있으며, 그 사이에 1/16" 두께의 니트릴 개스킷 두 개와 멤브레인 지지 스크린 두 개가 있습니다(그림 3). 한 챔버는 가압되지 않고 공급 용액을 보관합니다. 다른 챔버는 가압되고 인출 용액을 보관합니다. 가압된 챔버에는 천장에 나사산으로 연결된 12" 길이의 투명 PVC 파이프가 있으며, 그 위에 80mL 저수조가 있습니다. 공급 용액의 물이 인출 용액으로 흘러들어 파이프에서 물이 올라가 저수조에 저장됩니다. 저수조에는 바닥의 한쪽 끝에 나사산으로 연결된 ¼" NPT 플라스틱 밸브가 있으며, 이 밸브는 아래의 수레바퀴로 유체를 방출합니다. 수레바퀴에서 나온 유체는 깔때기에 포집되어 인출 용액으로 다시 배출됩니다.
그래픽 크레딧: Lianna Winkler-Prins 및 Brian Wallace건설
SolidWorks 2012를 사용하여 주요 챔버, 저수지, 수차, 깔때기 및 메시 스크린의 3D 계획을 그렸습니다. 물체는 Cal Poly Humboldt에서 구할 수 있는 uPrint SE Plus 3D 프린터(Stratasys, Minneapolis, MN)로 ABS 열가소성 플라스틱(그림 4)을 사용하여 인쇄했습니다.
모든 3D 인쇄 객체에 유리 섬유 수지를 두 겹 칠하여 장치 누출을 줄였습니다. ¼" NPT 수나사 및 암나사 장치를 사용하여 챔버와 저장조 및 깔때기에 인쇄된 나사산을 더 잘 정의했습니다. 각 개스킷의 경우, 주 챔버와 메시 스크린의 바깥쪽 둘레를 1/16" 두께 니트릴에 그려서 엑자토 나이프로 절단했습니다. 망치와 강철 펀치를 사용하여 클램핑 어셈블리에 12개의 구멍을 만들었습니다.
- PRO 장비 사진
3D uPrint Plus를 통해 인쇄되는 챔버 사진 제공: Leabeth Peterson
챔버스가 함께 모였습니다. 사진 제공: 리베스 피터슨
수레바퀴를 제외한 장치의 구성 사진 제공: Leabeth Peterson
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실험적 설계
멤브레인: 실험을 위해 OR Albany에 있는 Hydration Technology Innovations의 평판형 셀룰로스 트리아세테이트(CTA) 정방향 삼투 멤브레인을 사용했습니다. 이 특정 멤브레인은 FO 응용 분야에서 사용 가능한 최상의 멤브레인으로 결정되었습니다[2].
용액 화학: EM Science Industries와 JT Baker Industries의 인증 NaCl을 사용하여 다양한 공급 및 추출 용액을 준비했습니다. 추출 용액 농도는 플럭스 및 전력 밀도에 대한 값 범위를 제공하기 위해 다양했습니다. 사용된 추출 용액 농도는 35, 70, 150 및 300g/L이었고 모든 공급 용액에는 DI 수를 사용했습니다. OLI Stream Analyzer 2.0(Eqn. 4)을 사용하여 각 설정에 대한 삼투압 차이를 계산했습니다(표 4).
기준 및 제약 조건
표 1. PRO 장치 설계를 위해 결정된 기준 및 제약 사항.
| 기준 | 제약 조건 |
|---|---|
| 사용하기 쉬운 | 청소년도 조립할 수 있습니다. |
| 가지고 다닐 수 있는 | 쉽게 운반할 수 있습니다. |
| 튼튼한 | 적절한 유지관리를 하면 설계 수명은 2년입니다. |
| 완벽한 | 시간당 20mL 이상 누출되어서는 안 됩니다. |
| 독립형 | 장치 내에서 물이 순환합니다. |
| 바퀴를 회전시키기에 충분한 흐름 | 적절한 멤브레인 면적과 플럭스. |
| 크기 | 인쇄물의 크기는 8"x8"x6"를 초과할 수 없습니다. |
| 비용 | 비용을 최소화하기 위해 3D 부품을 설계하세요. |
PRO 실험
실험을 위해 공급 챔버는 DI 물로, 인출 챔버는 NaCl 용액으로 채웠습니다. 상승하는 수주가 저수조에 도달하는 데 걸리는 시간을 측정했습니다. 또한, 그 후 10분 동안 저수조에 모인 물의 양을 측정했습니다.
- PRO 장비 사진
기구 사용
장비의 볼트 조이기
미래의 작업
SWE의 HSU 섹션이 추구하고자 하는 아웃리치 가능성에는 다음 사항에 대한 시연이 포함됩니다.
- K-12 교실
- 관련 학생 프로그램
- 걸 스카우트의 날을 맞은 지역 걸 스카우트들
- HSU 공학 사회 행사
교육 및 연구 목적으로 디지털 계획을 얻는 데 관심이 있는 사람은 당사 웹사이트 proeducationhsu.org 에서 의도를 제안할 수 있습니다.
참고문헌
[1] Achilli, A., Cath, TY 및 Childress, AE(2009). "압력 지연 삼투를 이용한 발전: 실험 및 이론적 조사." Journal of Membrane Science, 343, 42-52.
[2] Achilli, A. 및 Childress, AE(2010). "압력 지연 삼투: Sidney Loeb의 비전에서 최초의 프로토타입 설치까지." 담수화, 261, 205-211.
[3] Anastasio, D. 및 McCutcheon, JR(2013). "순방향 삼투를 사용하여 화학 공학 학부생에게 물질 전달 기본 사항 교육." 담수화, 312, 10-18.
[4] Cath, TY, Childress, AE 및 Elimelech, M. (2006). "정방향 삼투: 원리, 응용 및 최근 개발." 막과학 저널, 281, 70-87.
[5] McCutcheon, ME 및 Elimelech, M. (2006). "농축 및 희석 내부 농도 분극이 정삼투의 플럭스 거동에 미치는 영향." Journal of Membrane Science, 284, 237-247.
연락처 정보
캘폴리 훔볼트 대학 여성 엔지니어 협회 섹션
- 회장 연락처:
- 리베스 피터슨
- lmp56@humboldt.edu
- 이메일: swe@humboldt.edu
- 리베스 피터슨
- 부사장 연락처 정보:
- 챈들러 이치카와
- chi4@humboldt.edu
- 챈들러 이치카와
- PRO 프로젝트에 기여하는 멤버:
- 리아나 윙클러-프린스
- lw76@험볼트.edu
- 브라이언 월러스
- bmw56@humboldt.edu
- 케빈 코프
- 한국어: kbk7@humboldt.edu
- 사라 모튼
- sdm82@훔볼트.edu
- 리아나 윙클러-프린스