Assessment and Modeling of Air Gap Membrane Distillation Unit

तकनीकी सारांश: एयर गैप मेम्ब्रेन डिस्टिलेशन यूनिट का मूल्यांकन और मॉडलिंग

समस्या विवरण
जनसंख्या वृद्धि और जलवायु परिवर्तन के कारण वैश्विक ताजे पानी की कमी तीव्र होती जा रही है, जहाँ रिवर्स ऑस्मोसिस (RO) और थर्मल डिस्टिलेशन (MSF/MED) जैसी पारंपरिक विलवणीकरण तकनीकें उच्च ऊर्जा खपत, जीवाश्म ईंधन पर निर्भरता और ऑफ-ग्रिड अनुप्रयोगों के लिए अनुपयुक्तता जैसी सीमाओं का सामना कर रही हैं। जबकि एयर गैप मेम्ब्रेन डिस्टिलेशन (AGMD) कम-श्रेणी की ऊष्मा (low-grade heat) का उपयोग करके और मध्यम तापमान पर संचालित होकर एक आशाजनक विकल्प प्रदान करता है, वर्तमान अनुसंधान महत्वपूर्ण अंतराल का सामना कर रहा है। इनमें नवीकरणीय ऊर्जा स्रोतों (विशेष रूप से सौर ऊर्जा) के साथ एकीकरण का अभाव, परिवर्तनशील स्थितियों के अनुकूल होने के लिए गतिशील, सेंसर-संचालित नियंत्रण प्रणालियों की अनुपस्थिति, और थर्मल दक्षता को STEC (विशिष्ट तापीय ऊर्जा खपत) एवं CPL (प्रति लीटर लागत) जैसे मेट्रिक्स के साथ संयोजित करने वाले अपर्याूर्ण समग्र टेक्नो-इकोनॉमिक मूल्यांकन शामिल हैं। इसके अलावा, मौजूदा मॉडलों में विविध परिचालन स्थितियों में कठोर प्रयोगात्मक सत्यापन का अभाव है।

कार्यप्रणाली
यह शोध एक AGMD सिस्टम का मूल्यांकन करने के लिए सैद्धांतिक मॉडलिंग और अनुभवजन्य प्रयोग को संयोजित करते हुए एक दोहरी पद्धति का उपयोग करता है।

• सैद्धांतिक मॉडलिंग: MATLAB का उपयोग करके एक व्यापक ऊष्मप्रवैगिकी (thermodynamic) और परिवहन मॉडल विकसित किया गया। यह मॉडल ऊष्मा और द्रव्य स्थानांतरण प्रक्रियाओं को समाहित करता है, विशेष रूप से वाष्प प्रवाह (vapor flux) की गणना के लिए क्नुसेन-आणविक प्रसार (Knudsen–molecular diffusion) दृष्टिकोण का उपयोग करता है। यह मेम्ब्रेन प्रतिरोध ($R_m$) और एयर गैप प्रतिरोध ($R_a$) को ध्यान में रखता है, जिसमें मेम्ब्रेन सरंध्रता (porosity), टोर्टुोसिटी (tortuosity) और छिद्र आयाम जैसे पैरामीटर शामिल हैं। गणना किए गए प्रमुख प्रदर्शन संकेतक क्रमशः पारगम्य प्रवाह ($J_p$), तापीय दक्षता (TE), गेन्ड आउटपुट रेश्यो (GOR), और STEC हैं।
• प्रयोगात्मक सेटअप: मॉडल को मान्य करने के लिए एक कस्टम-निर्मित, सौर-एकीकृत AGMD टेस्ट रिग का निर्माण किया गया। इस सिस्टम में हीटिंग के लिए एक फ्लैट-प्लेट सोलर कलेक्टर और प्रवाह एवं तापमान के अनुकूलन नियंत्रण के लिए एक अरुडिनो (Arduino)-आधारित रीयल-टाइम मॉनिटरिंग सिस्टम है। सेटअप में एक हाइड्रोफोबिक पॉलीटेट्राफ्लुओरोएथिलीन (PTFE) मेम्ब्रेन का उपयोग किया गया है जिसमें 5 मिमी का एयर गैप, 0.45 μm छिद्र आकार और 150 μm मोटाई है।
• परिचालन पैरामीटर: प्रयोगात्मक सिमुलेशन में फीड तापमान को 40°C से 70°C और कूलेंट तापमान को 10°C से 25°C तक बदला गया, जिसमें 2 L/min की स्थिर प्रवाह दर बनाए रखी गई।
• आर्थिक विश्लेषण: कैपिटल रिकवरी फैक्टर (CRF), वार्षिक रखरखाव लागत (AMC), और अंतिम प्रति लीटर लागत (CPL) निर्धारित करने के लिए एक लागत विश्लेषण किया गया, जिसमें 5 साल का सिस्टम जीवनकाल और 12% ब्याज दर मानी गई।

प्रमुख परिणाम
अध्ययन ने इष्टतम स्थितियों (70°C फीड तापमान, 10°C कूलेंट तापमान) के तहत निम्नलिखित मात्रात्मक निष्कर्ष दिए:

• पारगम्य प्रवाह (Permeate Flux): सिस्टम ने 12.77 kg/m²·h की शिखर पारगम्य प्रवाह दर प्राप्त की। प्रवाह ने बढ़ते फीड तापमान के साथ गैर-रैखिक वृद्धि प्रदर्शित की, जो बढ़े हुए वाष्प दबाव अंतर और कम फीड श्यानता (viscosity) द्वारा संचालित था।
• तापीय दक्षता (TE): तापीय दक्षता तापमान के साथ काफी सुधरी, जो 70°C पर 50.62% के शिखर तक पहुँच गई। अध्ययन यह भी नोट करता है कि 70°C के फीड तापमान पर, 44.49% की तापीय दक्षता प्राप्त की गई, जो पारंपरिक गैर-नवीकरणीय हीटिंग स्रोतों पर निर्भर मानक ऑन-ग्रिड AGMD प्रतिष्ठानों की तुलना में 23.89% का सुधार है।
• ऊर्जा खपत: उच्चतम फीड तापमान पर विशिष्ट तापीय ऊर्जा खपत (STEC) न्यूनतम 29.04 kWh/m³ तक कम हो गई, जो कुशल ऊर्जा उपयोग को इंगित करती है।
• GOR: जैसे-जैसे फीड तापमान 40°C से बढ़कर 70°C हुआ, गेन्ड आउटपुट रेश्यो (GOR) लगभग 60% बढ़ा और अधिकतम 0.191 तक पहुँचा। लेखक नोट करते हैं कि हालांकि यह सुधार दिखाता है, लेकिन यह अधिकतम GOR वैकल्पिक विलवणीकरण तकनीकों की तुलना में बहुत कम है।
• आर्थिक व्यवहार्यता: सिस्टम ने **$2.52 प्रति घन मीटर** ($0.00248/L) की प्रतिस्पर्धी ताजे पानी की उत्पादन लागत प्रदर्शित की, जो तुलनीय साहित्य मूल्यों (जैसे, $2.77/m³) से कम है।
• मॉडल सत्यापन: MATLAB मॉडल ने प्रयोगात्मक डेटा और पिछले अध्ययनों (कौरा एट अल., 2025; एल मोख्तार एट अल., 2019) के साथ मजबूत संरेखण दिखाया। मॉडल ने विभिन्न तापमानों के तहत फ्लक्स, दक्षता, GOR और STEC में रुझानों की सटीक भविष्यवाणी की, जिससे उपयोग किए गए क्नुसेन-आणविक प्रसार और ऊष्मा स्थानांतरण फॉर्मूलेशन की विश्वसनीयता की पुष्टि हुई।

महत्व और दावे
लेखकों का दावा है कि यह शोध नवीकरणीय ऊर्जा के एकीकरण और अनुकूलन नियंत्रण को संबोधित करते हुए, AGMD डिजाइन को अनुकूलित करने के लिए एक मान्य ढांचा स्थापित करता है। यह अध्ययन प्रस्तावित सौर-संचालित AGMD सिस्टम को जल-अभाव वाले क्षेत्रों में विकेंद्रीकृत और ऑफ-ग्रिड विलवणीकरण के लिए एक व्यावहारिक, लागत प्रभावी समाधान के रूप में प्रस्तुत करता है। उच्च तापीय दक्षता और निम्न STEC प्राप्त करते हुए, साथ ही प्रतिस्पर्धी उत्पादन लागत बनाए रखते हुए, इस सिस्टम को छोटे पैमाने के RO और पारंपरिक थर्मल विलवणीकरण के एक व्यवहार्य विकल्प के रूप में प्रस्तुत किया गया है। यह कार्य दावा करता है कि एक मान्य MATLAB मॉडलिंग टूल, एक सौर-संचालित प्रोटोटाइप (रियल-टाइम सेंसर नियंत्रण के साथ), और एक व्यापक टेक्नो-इकोनॉमिक मूल्यांकन का इसका संयोजन वर्तमान AGMD अनुसंधान के महत्वपूर्ण अंतरालों को भरता है, जो टिकाऊ ताजे पानी के उत्पादन के लिए इस तकनीक की स्केलेबिलिटी और मजबूती का समर्थन करता है।