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Scientific Reports 13권, 기사 번호: 10798(2023) 이 기사 인용

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최적의 스페이서 설계는 여과 채널 내부의 국부 유체 역학을 제어하여 나선형으로 감긴 모듈의 여과 성능을 향상시킵니다. 본 연구에서는 3D 프린팅 기술을 사용하여 제작된 새로운 에어포일 피드 스페이서 디자인을 제안합니다. 디자인은 들어오는 공급 흐름을 향하는 기본 익형 모양의 필라멘트가 있는 사다리 모양의 구성입니다. 에어포일 필라멘트는 멤브레인 표면을 지지하는 원통형 기둥으로 강화됩니다. 측면에서 모든 익형 필라멘트는 얇은 원통형 필라멘트로 연결됩니다. 새로운 에어포일 스페이서의 성능은 10°(A-10 스페이서) 및 30°(A-30 스페이서)의 받음각(AOA)에서 평가되었으며 상용(COM) 스페이서와 비교되었습니다. 고정된 작동 조건에서 시뮬레이션은 A-10 스페이서의 채널 내부에서 정상 상태 유체 역학을 나타내는 반면, A-30 스페이서의 경우 비정상 상태가 발견됩니다. 에어포일 스페이서의 수치적 벽 전단 응력은 균일하게 분포되어 있으며 COM 스페이서보다 더 큰 크기를 갖습니다. A-30 스페이서 디자인은 광학 간섭 단층촬영(Optical Coherence Tomography)의 특징으로 향상된 투과 플럭스(228%), 비에너지 소비 감소(23%) 및 생물 부착 현상(74%)을 통해 한외여과 공정에서 가장 효율적입니다. 결과는 피드 스페이서 설계에 대한 익형 모양 필라멘트의 영향력 있는 역할을 체계적으로 보여줍니다. AOA를 수정하면 여과 유형 및 작동 조건에 따라 국부적인 유체 역학을 효과적으로 제어할 수 있습니다.

지난 10년 동안 담수 부족 현상이 지속적으로 증가해 기존 담수 자원에 엄청난 압박을 가하고 있습니다1. 또한, 최근 코로나바이러스 대유행의 확산으로 며칠에서 몇 주까지 물이 감염될 수 있어2 안전한 식수 생산에 엄청난 스트레스가 가해지고 있습니다. RO(역삼투압), NF(나노여과), UF(한외여과)와 같은 막 여과 기술은 합리적인 운영 비용으로 안전한 식수를 대량으로 생산할 수 있는 잠재력으로 인해 주목을 받고 있습니다3. 그러나 막 표면에 (생)파울링이 축적되면 여과 성능이 저하되고 수질이 악화됩니다4. 따라서 (생)파울링 성장을 제어하는 ​​것은 에너지 소비를 최소화하면서 물 생산성을 높이는 데 필수적입니다. 여과 모듈 구성 요소를 스마트하게 설계하여 박테리아 성장을 방지하는 것은 간단하고 친환경적인 접근 방식입니다. 나선형 권선 모듈(SWM)에서 최적의 피드 스페이서를 설계하는 데 중점을 두는 것은 최근 물 생산성을 향상하고 (생물)파울링 성장을 줄이며 에너지 소비를 낮추기 위해 상당한 추진력을 얻었습니다5,6.

SWM의 피드 스페이서는 멤브레인 잎을 기계적으로 지원하고 국부 전단 속도와 관련된 유체 불안정성을 촉진하여 질량 전달을 개선하고 궁극적으로 박테리아 성장을 방지합니다7,8,9. 그러나 전단 속도에는 제한적인 값이 있으며, 이 값을 초과하면 멤브레인에 박테리아가 부착되는 것이 선호되어 여과 효율이 저하되고 공급 채널5의 압력 강하가 증가합니다. 따라서 공급 스페이서 통합으로 인한 유체 역학의 변경은 설계가 잘 최적화되지 않은 경우 여과 공정에 부정적인 영향을 미칠 수 있습니다5. 따라서 최적의 스페이서 미세 구조를 식별하는 것은 지금까지 여과 공정을 개선하는 데 어려운 과제로 남아 있습니다.

최근 몇 년 동안 3D 프린팅 기술의 개발은 높은 다양성과 보다 복잡한 기하학적 구조를 갖춘 혁신적인 피드 스페이서에 기여했습니다8. 3D 프린팅 기술 또는 적층 제조는 레이어별 재료를 추가하여 CAD(Computer-Aided Design) 모델에서 물리적 개체를 만드는 데 의존하는 고급 프로세스입니다12. 3D 프린팅 스페이서는 상업용 스페이서의 기하학적 특성을 수정하거나 새로운 미세 구조 디자인을 생성하여 개발되었습니다8,17,18,19,20,21,22,23. 최근 개발된 스페이서 디자인 중에서 TPMS(Triple Periodic Minimal Surface) 디자인8,18, 균일한 정현파 구성22, 벌집 모양23, 천공20, 기둥17 및 나선형19 스페이서는 실험실에서 막 오염을 완화하고 물 생산성을 향상시킬 수 있는 가능성을 보여주었습니다. 스케일 여과 장치. 그러나 설계 복잡성 및 기계적 강도 약점을 포함한 일부 제한 사항으로 인해 산업 플랜트에서의 구현이 방해됩니다.