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민채 민
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1 그린미래를향한역삼투공정의진화 홍승관 이상호 * 김준하 ** 김정훈 *** 주영길 고려대학교건축사회환경공학과, * 국민대학교건설시스템공학부, ** 광주과학기술원환경공학부, *** 한국화학연구원환경자원연구센터 Evolution of RO Process for Green Future Seungkwan Hong, Sangho Lee*, Joon Ha Kim**, Jeong Hoon Kim***, and Younggil Ju School of Civil, Environmental & Architectural Engineering, Korea University, Seoul , Korea *School of Civil and Environmental Engineering, Kookmin University, Seoul , Korea **Department of Environmental Science and Engineering, Gwangju Institute of Science and Technology, Gwangju , Korea ***Environment & Resources Research Center, Korea Research institute of Chemical Technology, Daejeon , Korea Abstract: 전세계는물부족문제를해결하기위한대체수자원개발에다양한노력을기울이고있으며, 그중에해수담수화기술이가장주목받고있다. 특히역삼투방식의해수담수화기술은기존증발식에비해에너지소비량이적기때문에매년 10% 이상의높은성장률을기록하고있다. 그러나역삼투방식의해수담수화는지표수를이용하는시스템에비해상당히많은에너지를필요로한다. 따라서에너지효율을높이기위한다양한공정개발이시도되고있으며, 그중에대표적인기술이삼투현상을이용한 FO (Forward Osmosis) 와 PRO (Pressure Retarded Osmosis) 공정이다. 본논문에서는역삼투막을이용한해수담수화기술의현황과한계를살펴보고, 현해수담수화공정을보완할기술로써 FO 와 PRO 공정개발에관한최근연구동향과이러한신기술의상용화에필수적으로요구되는막에대한개발현황을살펴보았다. Keywords: Seawater Desalination, Reverse Osmosis (RO), Forward Osmosis (FO), Pressure Retarded Osmosis (PRO) 1. 서론 1) 전세계적인인구증가와산업의발달로인한오염의확산으로 2025년이되면거의모든국가들이용수부족을겪게되며그중절반의국가들은물자원확보의심각한위기를맞을것으로예상된다. 또한최근의지구온난화와맞물린이상기후현상은수자원확보의불확실성을더욱가중시키고있다. 따라서기후변화에대비한지속적이고안정적인물공급을위해수자원관리의패러다임이급격히변하고있는데, 특히미국, 호주, 싱가포르, 유럽등의주요선진국들은심각한지역적, 시 주저자 ( skhong21@korea.ac.kr) 간적물공급의불균형문제를해결하고자다양한수자원의개발과통합을시도하고있으며, 구체적으로물의재이용및해수담수화를통해지속가능한수자원확보를위해노력하고있다. 그중전체수자원의 97% 를차지하고있는해수의담수화기술은인류가수자원을지속적으로확보할수있는가장확실한방법이라할수있다. 그러나해수담수화기술은기존의지표수를이용하던방식에비해많은에너지를소모하기때문에지속가능한수자원확보를위해소비되는에너지의효율을함께고려해야만한다. 최근에다양한수자원확보와함께에너지의효율적활용이중요한이슈로부각되면서역삼투막 (Reverse Osmosis Membrane) 을 KIC News, Volume 14, No. 6,

이용한수처리기술에대한관심이급격히증가하고있다. 본고에서는현재널리사용되고있는역삼투방식의해수담수화기술의현황과한계를살펴보고이러한한계를극복하기위한방법으로정삼투 (Forward Osmosis) 방식의수처리기술과해수의삼투압을이용하여대체에너지를생산하는 Pressure Retarded Osmosis (PRO) 기술을소개하고자한다.

2 이용한수처리기술에대한관심이급격히증가하고있다. 본고에서는현재널리사용되고있는역삼투방식의해수담수화기술의현황과한계를살펴보고이러한한계를극복하기위한방법으로정삼투 (Forward Osmosis) 방식의수처리기술과해수의삼투압을이용하여대체에너지를생산하는 Pressure Retarded Osmosis (PRO) 기술을소개하고자한다. 또한정삼투공정과 PRO 공정의현실화를위해가장중요한막의개발현황을살펴보고자한다. 2. 역삼투막을이용한해수담수화기술의현황및미래해수담수화기술은크게증발법과역삼투법으로분류할수있다. 증발법 (Distillation) 은해수를가열하여증발시킨후증발된수증기를응축시켜담수를얻는방법이다. 증발법은에너지가격이안정적이고값이싼중동지역에서주로이용되고있으나, 역삼투법에비해에너지소비량이비교적높은편이다. 역삼투법 (Reverse Osmosis) 은물은투과하지만물속에녹아있는염분등은투과하지않는반투막을이용하여해수를담수화하는방법이다. 삼투압은반투막을사이에두고농도가낮은수용액에서높은수용액으로물이이동할때생기는압력인데, 역삼투법은삼투압보다높은압력을가하여농도가높은쪽에서낮은쪽으로물을이동시키는방식이며, 이때사용하는막을역삼투막이라고한다. 즉, 이역삼투막을이용하여해수에삼투압보다높은압력을가함으로써담수를생산하는기술을역삼투방식의해수담수화 (Seawater Desalination Reverse Osmosis) 기술이라정의할수있다. 해수담수화플랜트 (Figure 1) 는크게취수 (Intake), 전처리 (Pre-treatment), 역삼투막시스템 (RO system), 그리고후처리 (Post-treatment) 로구분된다 [1]. 취수부는해양생물과각종부유물의유입을막기위해스크린장치와해수를취수하기위한펌프로이루어져있으며, 전처리시스템은역삼투막의막오염을최소화하기위하 Figure 1. 해수담수화플랜트공정도. 여응집공정, 여과공정등각종수처리방식을해수수질에따라적용하고있다. 역삼투시스템은고압펌프, 역삼투막, 에너지회수장치로구성되는데, 고압펌프는물이역삼투막을투과할수있도록압력을제공하는역할을수행한다. 고압펌프에의해공급되는해수의압력은해수의염농도에따라차이가있지만, 일반적으로 60~80 bar 정도이다. 역삼투공정에서막을통과하지않고배출되는농축수는고압펌프에의해제공된에너지를그대로가지고있기때문에에너지회수장치를이용하여농축수의에너지를 95% 이상회수하여원수를가압하는데재사용되고있다. 역삼투막을통과하여생산된담수는마지막으로후처리공정에도달하게되는데여기에서는역삼투막에의해제거된미네랄을공급하거나배관의부식을방지하기위한약품을투입하게된다. 역삼투막공정에서유입되는해수중막을통과하여담수로전환되는물의비율을회수율 (Recovery) 이라하는데, 일반적인역삼투해수담수화공정의회수율은 40~50% 정도이다. 이는 Figure 2에나타난것처럼회수율 35% 를기점으로그이상의회수율에서는에너지사용이증가하고회수율이 45% 이상이되면에너지사용량이급격하게증가하기때문에 50% 이하의회수율에서플랜트를운전하는것이에너지효율측면에서유리하다. 회수율이낮은경우에는전처리에필요한약품과설비, 그리고에너지소비량이증가하기때문에최대한높은회수율에서플랜트를가동하는것이유리하지만회수율이높을수록펌프가고압에서운전되기때문에 50% 이하에서운전하는것 10 공업화학전망, 제 14 권제 6 호, 2011

그린미래를향한역삼투공정의진화 Figure 2. 회수율에따른에너지소비량 ( 에너지회수장치사용 ). 이일반적이다 [2].

일반적으로 200,000 m 3 /day 규모의역삼투해수담수화플랜트의경우, 에너지사용량은 2.5 kwh/m 3 수준이며최근파일럿규모의실험 ( 회수율 50 %) 에서는새로개발된막을이용하여 1.8 kwh/m 3 수준의낮은에너지사용량으로담수를생산했다는보고가있었다 [3].

해수의염농도가 35 g/l이고회수율이 50% 인경우, 이론적으로해수담수화에필요한최소에너지는 1.06 kwh/m 3 이다. 그러나해수담수화플랜트에서는유출수의염농도인 70 g/l에해당하는삼투압으로펌프를운영해야하기때문에이를반영할경우 1.56 kwh/m 3 이실질적인최소에너지가된다.

3 그린미래를향한역삼투공정의진화 Figure 2. 회수율에따른에너지소비량 ( 에너지회수장치사용 ). 이일반적이다 [2]. 1970년대이후역삼투방식의해수담수화공정은역삼투막의비약적인발전과에너지회수장치의개발로인해에너지소비량이 1/10로감소하였고 (Figure 3), 국가와지역, 그리고염농도에따라차이가있기는하지만물 1 m 3 당생산단가도 $ 0.5 수준까지낮아지고있다. 일반적으로 200,000 m 3 /day 규모의역삼투해수담수화플랜트의경우, 에너지사용량은 2.5 kwh/m 3 수준이며최근파일럿규모의실험 ( 회수율 50 %) 에서는새로개발된막을이용하여 1.8 kwh/m 3 수준의낮은에너지사용량으로담수를생산했다는보고가있었다 [3]. 그러나이러한역삼투방식의해수담수화기술의발전에도불구하고지표수등을이용한정수시스템의에너지소모량 0.5 kwh/m 3 에비해에너지소모량이상당히높은수준이기때문에에너지소비를줄이는기술발전이지속적으로요구되고있다. Figure 4는역삼투식해수담수화에서회수율에따라이론적으로필요한최소에너지를나타내고있다 [4]. 해수의염농도가 35 g/l이고회수율이 50% 인경우, 이론적으로해수담수화에필요한최소에너지는 1.06 kwh/m 3 이다. 그러나해수담수화플랜트에서는유출수의염농도인 70 g/l에해당하는삼투압으로펌프를운영해야하기때문에이를반영할경우 1.56 kwh/m 3 이실질적인최소에너지가된다. 따라서현재역삼투방식의해수담수화플랜트에필요한에너지를고려할때앞으 Figure 3. 역삼투식해수담수화플랜트의에너지소비량변화. Figure 4. 역삼투식해수담수화의회수율에따른이론적인최소필요에너지. 로기술발전을통해증가시킬수있는에너지효율이크지않은실정이다. 앞에서살펴본것처럼역삼투방식의해수담수화기술은 50% 이상의회수율로운전할수없다는점과에너지효율측면에서기술개발을통해증가시킬수있는에너지효율이크지않다는점에서향후수년안에기술적한계에근접할것으로예측된다. 이러한역삼투식해수담수화기술의한계를극복하기위한향후과제로크게 2가지를들수있다. 첫째, 에너지고효율해수담수화시스템을위해 KIC News, Volume 14, No. 6,

4 서는다양한수자원을결합시키는 물통합형플랜트 와공장의폐열과같은저비용에너지를이용하거나대체에너지를결합시키는 에너지통합형플랜트 를개발해야한다. 최근일본에서는하수처리장의역삼투농축수와해수를결합시켜낮은압력에서운전이가능한물통합형시스템을개발하는등물생산에소모되는에너지를낮추기위한노력을하고있다. 이와같이다양한수자원과에너지원을결합시켜해수담수화에소모되는에너지를낮출수있는기술을개발해야한다. 둘째, 해수담수화플랜트에서배출되는농축수의삼투압를이용하여에너지를생산하고자원회수시스템을결합시켜간접적으로물생산단가를낮출수있는기술이필요하다. 해수담수화플랜트에서배출되는농축수에는해수에포함된다양한희유금속이있기때문에자원추출기술을통해해수담수화플랜트의부가가치를높일뿐만아니라해양환경에미치는영향을최소화해야한다. 3. Forward Osmosis (FO) 막을이용한수자원확보 3.1. FO막기술소개해수담수화에서해결하여야하는시급한과제는무엇보다도에너지사용량을현재수준보다더낮추는것이다. 최근들어높은투과성을가지는역삼투막이개발되고손실되는에너지를효과적으로회수할수있는기술이개발되어해수담수화에적용됨에따라역삼투식해수담수화의에너지효율은점차증가할것으로전망되고있다. 그러나앞에서설명한바와같이역삼투방식으로에너지사용량을획기적으로절감하기위한해수담수화공정을구성하는것은어려운것으로인식되고있으므로역삼투공정을보완하거나대체하는방식으로보다낮은에너지를사용하는새로운해수담수화공정개발의필요성이부각되고있다. 따라서이러한차세대담수화기술로최근많은주목을받고있는정삼투법 (Forward Osmosis: FO) 에대하여설명하고자한다. Feed Hydraulic Pressure Feed Reverse Osmosis M E M B R A N E water Forward Osmosis M E M B R A N E water water water Permeate Permeate Figure 5. 역삼투와정삼투의원리비교. Draw Solution Permeate 정삼투공정은유도용질을해수농도이상으로분리막반대쪽에주입하여삼투현상에의해해수내의물이고농도용액쪽으로투과되는현상을이용하는담수화방식이다. 정삼투공정은고압펌프를이용하여압력을발생시키는역삼투공정과달리삼투현상을이용하기때문에담수화에필요한에너지소모를최소화할수있다. Figure 5는역삼투와정삼투의원리를비교하여나타내고있다 정삼투막기술현황정삼투공정을이용한담수화의가능성은이미 1970년대부터제시되었으나, 역삼투공정이급부상하면서그동안많은연구가진행되지않았다. 그러나최근물부족현상과저에너지기술에대한관심이높아지면서, 역삼투공정보다적은에너지를필요로하는정삼투공정이주목을받고있을뿐만아니라실제로정삼투기술에대한연구가 5년전부터다시활발하게진행되고있다 [6]. 12 공업화학전망, 제 14 권제 6 호, 2011

그린미래를향한역삼투공정의진화 Table 1. 담수화방식에따른에너지및비용비교 방식 MSF MED RO FO (a) 에너지소비 (kwh/m 2 ) 10 16 6 12 4 6 0.

또한외부에서의압력을최소화함으로써, 오염물질이막표면에낮은밀집도로쌓이기때문에물리적세척이가능한것으로기대되어화학세정에따른환경적문제도동시에해결할수있을것으로판단된다. 정삼투기술은현재미국과싱가포르, 호주, 사우디아라비아, 그리고우리나라에서활발하게연구되어있다.

5 그린미래를향한역삼투공정의진화 Table 1. 담수화방식에따른에너지및비용비교 방식 MSF MED RO FO (a) 에너지소비 (kwh/m 2 ) 이하 설치비 ($/m 2 /day) 1,200 1, , 생산비 (Cents/m 2 ) 정삼투공정은에너지소비율면에서역삼투공정에비해 1/10수준으로해수담수화가가능하여물부족현상과에너지절감부분을모두만족시킬수있는기술로평가되고있다 (Table 1). 또한외부에서의압력을최소화함으로써, 오염물질이막표면에낮은밀집도로쌓이기때문에물리적세척이가능한것으로기대되어화학세정에따른환경적문제도동시에해결할수있을것으로판단된다. 정삼투기술은현재미국과싱가포르, 호주, 사우디아라비아, 그리고우리나라에서활발하게연구되어있다. 상업화된정삼투막은현재 HTI에서생산되고있으며, 주로소규모비상용수확보등을위해사용되고있고침출수의처리등에도적용된바있다. 그러나아직까지해수담수화를위한정삼투기술의적용은파일럿규모에국한되어일부진행되고있다 정삼투기술의한계정삼투기술은차세대수자원확보기술로서많은관심을얻고있으나, 본격적인상업화를위해서는극복해야할과제들이있다. 가장큰한계점은물의투과가진행됨에따라막의표면에용질이농축되어발생하는농도분극현상이며, 특히정삼투막의경우막내부에서발생하는내부농도분극에의하여효율이크게저하되는현상이나타난다. 그동안정삼투기술이널리사용되지못한주요한원인도이러한내부농도분극현상을효과적으로제어할수있는새로운구조의막이부재했기때문이었다. 그러나최근정삼투막의개발이활발하게진행됨에따라앞으로이러한문제가해결될것으로기대되고있다. (b) Figure 6. (a) HTI의 Lifepack, (b) 정삼투기술을이용한침출수처리장치 (Coffin Butte Landfill, Oregon, 150 m 3 /day). 정삼투기술의또한가지문제점은유도용질분리의어려움이다. 역삼투기술은고농도의유도용질을이용하기때문에이를분리하여회수하는공정이추가적으로필요하다. 현재까지증발법이나역삼투법등다양한유도물질분리방법이연구되고있으나아직까지는많은문제점이있는것으로알려져있다. 최근에효율적인정삼투막의개발과더불어유도용질을효과적으로분리하기위한방법들이다양하게연구되고있기때문에이러한기술적과제가해결된다면정삼투기술은향후역삼투법을대체할수있는기술로서높은가능성을갖게될것이다. KIC News, Volume 14, No. 6,

3.4. 정삼투기술의미래해수담수화는미래물부족문제를해결하기위한대안으로서현재주목받고있으며, 보다적은에너지를사용하면서효율적으로물을생산할수있는차세대기술이향후세계해수담수화시장을주도할핵심기술이될것으로기대되고있다. 이러한측면에서정삼투기술은세계각국에서활발하게연구되고있는추세이다.

6 3.4. 정삼투기술의미래해수담수화는미래물부족문제를해결하기위한대안으로서현재주목받고있으며, 보다적은에너지를사용하면서효율적으로물을생산할수있는차세대기술이향후세계해수담수화시장을주도할핵심기술이될것으로기대되고있다. 이러한측면에서정삼투기술은세계각국에서활발하게연구되고있는추세이다. 앞서언급한바와같이, 정삼투기술이현장에널리적용되기위해서는현재보다효율적인정삼투전용막의개발, 유도물질의분리기술개발, 기타엔지니어링최적화등의연구가선행되어야할것이다. 또한정삼투기술과역삼투기술을조합한하이브리드방식의해수담수화기술이나, 유도용액을사용하지않는정삼투기술의응용분야의모색등이정삼투기술의대규모상용화를가속화시키는방법으로기대되고있다. 이를위해서는막제조분야와공정설계분야등다각적인연구기관의공동연구가활발하게추진되어야할것이다. 4. Pressure retarded osmosis (PRO) 막을이용한에너지생산 4.1. PRO 기술소개전세계적으로급증하는에너지수요와화석연료의단점을극복하기위해, 지속가능하고환경친화적인대체에너지자원의개발이시급한실정이다. 태양열, 풍력, 지열, 소수력, 파력, 바이오매스등의신에너지자원이관심을받거나이미개발단계에있으며, 신재생에너지는전체에너지소비량의약 8% 를차지하고있다. 염도차발전은물을이용한대체에너지기술중의하나로, 화석연료를대체할강점들을갖고있다. 우선, 계절이나날씨의영향을많이받는태양열, 풍력등의발전방식과달리날씨에의존하지않고일정한에너지생산이가능하다. 또한, 무한한해수자원을이용하므로고갈될염려없이연속생산이가능하며, 이산화탄소배출이없는무공해공정이라는장점이있다. 염도차발전에는크게 RED ( 역전기투 Figure 7. PRO 파일럿플랜트의공정도. 석 ) 과 PRO ( 압력지연삼투 ) 방식이있으며, 본문에서는 PRO 공정에대해소개하고자한다. PRO 공정은염분농도도다른두용액의삼투압차이를이용한발전으로서, 그원리는 Figure 7 과같다 [7]. 보통저농도용액으로는담수 (Fresh water) 가, 고농도용액으로는해수 (Sea water) 가이용된다. 전처리과정을거친저농도용액이삼투압차에의해반투막을통하여고농도용액으로투과되며, 이때증가한유량이터빈을회전시켜에너지를생산한다. 즉, 두용액간의농도차에의해발생한삼투압이수압의형태로바뀌어이수압이터빈을회전시켜에너지를얻는것이다. 막모듈을통과한나머지기수 (Brackish water) 는에너지회수장치 (Pressure exchanger) 에유입되어손실된압력을회복시켜주는데에이용된다 PRO 기술현황본기술에대한이론적접근은 1950~60년대에처음시도되었으며, 1970년대에 Sidney Loeb에의해 PRO라는이름으로정식으로소개되었다. 미국, 유럽등에서 4개의연구그룹이지속적으로연구중이나, 그동안은에너지생산량보다소모량이많아서실제로사용되지는못하였다. 하지만, 역삼투, 정삼투등의해수담수화분리막기술의발전및공정의개발과더불어 PRO를통한에너지생산에대한가능성이높아졌으며, 그결과, Statkraft 사에의해 2009년 11월노르웨이에최초의프로토타입 PRO 발전플랜트가건설되었다 (Figure 8). PRO 공정에서막의성능은전력밀도로나타내 14 공업화학전망, 제 14 권제 6 호, 2011

7 그린미래를향한역삼투공정의진화 Figure 8. Statkraft 사의 PRO 파일럿플랜트전경. 며, 전력밀도는단위면적당전력 (W/m 2 ) 의단위를갖는다. PRO 공정이경제성을갖기위해서는전력밀도가 4 6 W/m 2 의범위내에있어야한다. Statkraft 사의프로토타입 PRO 플랜트의경우, 설치된막의면적은 2,000 m 2, 전력밀도는 1 W/m 2 정도로실제전력생산량은 2~4 kw였다 (2009년플랜트건설당시 ). 수리및보완을마친 2011년현재는, 동일막면적에서 3 W/m 2 의전력밀도를얻을수있으며, 전력생산량은약 6 kw이다. Statkraft사는 2011~13년 2 MW 파일럿플랜트, 2018년 25 MW 실증플랜트를건설하여, 2020년까지 25 MW 규모의상업화플랜트완공을목표로하고있다. Figure 9는실험실규모의 PRO 실험에서얻어진전력밀도를나타낸것이다 [8]. 진한파란색은해수농도의용액을고농도용액으로사용했을때, 오렌지색은해수보다높은농도의용액을고농도용액으로사용했을때의전력밀도결과를나타낸다. 그림에서보듯이, 최근의막기술의발전에힘입어, 5 W/m 2 이상의전력밀도를얻은것을알수있다. 또한, 합성막을이용한 PRO 실험의경우, 10 W/m 2 이상의전력밀도도얻을수있는것으로보고되었다 PRO 기술의한계 PRO 공정은차세대에너지생산공정으로서많은관심을얻고있으나, 상업적으로이용가능할정도의경제성을얻기위해서는극복해야할과제 Figure 9. PRO 실험의전력밀도비교. 들이있다. 가장큰단점은물의투과가진행됨에따라막의표면에용질이농축되어발생하는농도분극현상이다. Figure 10은 PRO 막에서발생하는농도분극현상을나타내고있으며, 발생하는위치에따라서외부농도분극 (ECP) 과내부농도분극 (ICP) 으로구분된다 [9]. 외부농도분극은고농도용액과접하고있는활성층 (dense layer) 에서발생한다. 막을통과한저농도용액의용매에의해고농도의용액이희석되면서삼투압차이가감소하며, 이에따라구동력이낮아져투과플럭스가감소한다. 내부농도분극은지지층 (porous support) 내부에서용질이축적되어막사이의삼투압을감소시킴에따라발생한다. 농도분극에의한플럭스감소는곧생산전력의감소로이어지므로, 이에대한연구가더욱진행되어야한다. 한편, PRO 공정의전처리과정도하나의단점으로지적되고있다. 역삼투, 정삼투등의해수담수화공정과비교하여 PRO는파울링현상에덜민감함에도불구하고, 유입수의전처리과정은여전히필요하다. Statkraft 사에따르면, 특히저농도용액 ( 담수 ) 을전처리하는과정에서소모되는에너지량이예상보다높은편이라고한다. 이러한문제를해결하기위해서단위공정및전체공정에대한최적화가필수적이며, 이를통해 PRO를통해생산되는에너지의경제성을확보할수있을것이다. KIC News, Volume 14, No. 6,

8 Figure 10. PRO 막에서의농도분극현상 PRO 기술의미래국제적으로심화되고있는지구온난화와부존자원고갈문제에대비하기위해현재의화석연료의존에대한해결책이필요하며, 여러신재생에너지원에대한연구가활발히진행되고있다. 염도차에의해발생하는에너지를추출하는 PRO는아직연구초기단계이기는하지만, 무공해청정에너지를생산한다는점에서관심이높아지고있는추세이다. 앞에서언급한바와같이, 이공정이경제성을얻기위해서는막에서의 PRO 전용막의부재, 농도분극현상, 전처리과정의에너지소모등의한계점을해결하는연구가선행되어야만할것이다. 하지만, 역삼투및정삼투기술의비약적인발전에힘입어가까운미래에이러한어려움을극복하고, 차세대에너지원으로서큰몫을차지할수있을것이라기대된다. 또한, PRO 공정최적화기술개발및기존해수담수화플랜트와 PRO 플랜트기술의연계를통하여시기를더욱앞당길수있을것이다. 5. FO와 PRO막및모듈의개발동향정삼투공정와 PRO 공정의경우둘다해수내양이온이나음이온들이통과하지않고물만을선 택적으로통과시키는반투막을사용하는점에서는유사하다. PRO막의경우는발전에있어상업성을가지려면기존의상업화된역삼투막보다수십배높은투과량을가지고있어야하므로투과도의증가가아주중요하다. 정삼투는물이동의구동력이유도용액과해수와농도차이므로통상유도용액의삼투압을견디는방향으로막이제조되어져야한다. 정삼투의경우고압이적용되는역삼투막이나 PRO막에비하여필요한압력은막모듈내유체의마찰에의한압력손실밖에없기때문에고압의펌프가불필요하여전체장치가간단하고막지지시설도비교적간단하며막오염발생이적다. 그러나정삼투막은공정의효율을높이기위해여전히낮은내부농도분극 (concentration polarization) 을가져야한다. 정삼투용분리막의연구는 1990년이전에는활발하지않았으며현재상업화되어있는셀룰로오스계통중공사막과비셀룰로오스계인폴리아미이드계의복합막을주로사용하여공정에적용하는연구수준에머물렀다. 그러나 1990년대에정삼투막의운전조건을대상으로하는정삼투법을위한새로운분리막의개발이본격화되었다. 현재정삼투막을개발하는제조법은크게두가지로나눌수있다. 첫째는 1960년대에 Loeb에의해처음개발된셀룰로오스아세테이트 (CA) 및셀룰로오스트리아세테이트 (CTA) 소재에포름아마이드와같은휘발성용매와메탄올과같은휘발성비용매첨가제를함께녹여평막이나중공사막의형태로제조하면서표면을탈염기능을가지도록일정시간휘발한후에물속에침지시키는상분리법에의한비대칭막을제조하는방법이다. 두번째는 1980 년대 J. Cadotte가개발한고분자의계면중합법에의한폴리아아미드 (PA) 계통의복합막제조기술로방향족다이아민을물에녹인후다공성폴리설폰지지지에함침시킨후물과섞이지않는다가방향족아실클로라이드가용해된비극성유기용매와접촉시키는방법으로만들어진다. 국외의정삼투막의연구동향을보면, 분리막회사로서는크게세회사가활발히연구하고있다. 16 공업화학전망, 제 14 권제 6 호, 2011

그린미래를향한역삼투공정의진화 Figure 11. 외국의대표적인제조회사별정삼투막의구조및특징. Figure 12. 예일대학교의정삼투용폴리아미이드계복합막의구조및 PRO 성능. 1990년대초반부 Hydration Technologies Inc. (HTI : 구 Osmotek Inc.) 에의해상업적용도로활발히전개되었다 [10].

최근에해수담수화용분리막을최초로상업화한 Dow Filmtec에서는해수담수화용정삼투용복합막을개발하였는데기존의역삼투복합막과비슷하게폴리에스터지지위에다공성폴리설폰이 100 µm 정도코팅되고그위해폴리아마이드층이덮여있는막을개발하였다.

9 그린미래를향한역삼투공정의진화 Figure 11. 외국의대표적인제조회사별정삼투막의구조및특징. Figure 12. 예일대학교의정삼투용폴리아미이드계복합막의구조및 PRO 성능. 1990년대초반부 Hydration Technologies Inc. (HTI : 구 Osmotek Inc.) 에의해상업적용도로활발히전개되었다 [10]. 막소재는 CTA (cellulose triacetate) 로막두께는 50 µm로지지층이없고, 강도를높이기위해폴리에스터섬유가막내에지지층을이루고있다. 최근에해수담수화용분리막을최초로상업화한 Dow Filmtec에서는해수담수화용정삼투용복합막을개발하였는데기존의역삼투복합막과비슷하게폴리에스터지지위에다공성폴리설폰이 100 µm 정도코팅되고그위해폴리아마이드층이덮여있는막을개발하였다. 또한 GE Osmonics는자사의역삼투막제조기술을배경으로폴리에스터지지체위에비대칭구조의셀룰로오스계담수화막을복합시킨복합막을개발하였다 (Figure 11). 외국의대학교중정삼투및 PRO분야의권위자인 Elimelech 교수가있는예일대학교가가장활발하게연구를진행중에있고소재부터공정까지 다양한연구를수행하고있다 [11]. 막소재로는복합막멤브레인과관련된연구를진행하고있는데기존폴리아마이드계역삼투막제조기술을바탕으로지지층구조만을변화시켜농도분극을최소화하는연구를수행한결과지상구조와스폰지형태의구조를적절히조합할때최적의 PRO 성능이얻어지는것을발표하였다 (Figure 12). 그밖에연구로는새로운정삼투막의소재로서폴리벤즈이미다졸의낮은투과성의단점을보완하는연구, 고분자전해질을이용해평막연구등다양한제조법을도입한정삼투용평막과중공사막이보고되었으며막의단면구조에관한연구로는중공사막의이중구조에관한연구가주목을받았는데중공사막이정삼투에적용되는경우유도용액과처리수의흐름이양쪽에서발생하므로양방향에모두치밀층 (Skin layer) 을두면내오염성이개선되는결과를보였다. 국내의정삼투관련소재연구는고려대, 화학연 KIC News, Volume 14, No. 6,

Figure 13. 정삼투용나권형모듈의모습과유체흐름. 구원, 과학기술원에서활발히연구되고있다. 화학연구원과제일모직의경우지식경제부 WPM (World Premium Materials) 사업으로제막분야, 즉셀룰로오스계중공사막과폴리아마이드계양쪽에중점을둔프로젝트가수행되고있다.

10 Figure 13. 정삼투용나권형모듈의모습과유체흐름. 구원, 과학기술원에서활발히연구되고있다. 화학연구원과제일모직의경우지식경제부 WPM (World Premium Materials) 사업으로제막분야, 즉셀룰로오스계중공사막과폴리아마이드계양쪽에중점을둔프로젝트가수행되고있다. 또한고려대학교의경우교육과학기술부의 WCU (World Class University) 과제로진행되고있으며무기나노물질을이용한차세대정삼투막을통해해수담수화및물재이용기술을개발하고있다. 현재정삼투공정에서해결해야할문제는고투과성, 고선택성을가짐과동시에삼투압을저하시키는농도분극 (concentration polarization) 에대처할수있어야한다. 이에따라막표면에친수성처리를하거나다양한고분자소재의화학구조의변화를통해유도용액의역확산 (back diffusion) 을줄여주는기술, 다공성지지체의구조및두께변화를통한투과성을개선하고농도분극을줄이는연구및새로운정삼투용분리막제조기술개발이이루어져야한다. 정삼투및 PRO 공정의모듈의설계는공정특징의차이로조금다르지만공정의특성을최대한살릴수있으며두공정에서공통적으로큰문제가되는농도분극을최소화하는방향으로설계가이루어지고있다. 기존의역삼투방식의수처리공정에서개발된다양한형태의모듈이이용되고있다. 정삼투공정은유도용액은반복적으로재농축 (Reconcentrated)/ 재생 (Refreshed) 하여재이용되므로 Feed측용액은막의공급측에서반복적으로순환하게되고재농축 / 재생된유도용액은투과측에서재순환되므로정삼투공정은역삼투공정이나 PRO 공정에비하여더복잡한모듈형태를지닌 다. 그리고정삼투용막모듈에는역삼투막이나 PRO 막에비해막모듈시스템에서저압으로운전되며회수율이 80% 이상이기때문에농축수배출량이적은반면막모듈시스템에서막오염을줄이는방향으로설계되어져야한다. 평막의경우는평판형모듈 (plate & frame) 과나권형모듈 (spiralwound) 을주로사용하며중공사형태의막의경우는기존의중공사모듈을사용한다. 기타제조되는막의형태에따라관형막 (tubular) 과포대 (bag) 형태의모듈도소규모에사용된다. 정삼투용나권형모듈의경우막모듈내의막에처리대상수가접선방향으로흐르며투과수는막사이의채널에느리게흐르고유속은막의특성과운전조건에따라결정된다. 따라서현재설계형태로는유도용액을막사이의공간으로밀어넣을수없기때문에정삼투형태로운전할수없다. 최근에개발된정삼투용나권형막모듈은 Outside- In과 Inside-Out 운전을할수있는정삼투용 Spiral- Wound 막모듈을나타낸다 [5]. 유도용액은스페이서와말려진막사이로흐르는데, 이것은역삼투막에서공급용액이흐르는것과비슷하다. 그러나, 역삼투용막모듈과는달리중심의집수관이반쯤닫혀있어서공급용액이다른쪽으로흐를수없으며막의 envelope 중앙에있는추가적인접착라인이유입수가 envelope 안으로흐르게해준다. 가운데위치하는관의전반부는구멍이뚫려있어이구멍으로원수가유입되고 envelope 사이로흘러관의나머지반인후반부로흘러나온다 (Figure 13). 정삼투용판틀형모듈의경우제조방법이쉬운반면충진밀도가낮아모듈크기가크고초기투자비용이높고막을교체하기위한운전비용이높으 18 공업화학전망, 제 14 권제 6 호, 2011

11 그린미래를향한역삼투공정의진화 며막지지층이충분하지않은낮은수압인경우나막양쪽의압력이비슷한경우에만사용이가능하며압력조절을위한공정제어가중요한특징을가진다. 튜브형또는중공사형모듈은자체로지지할수있어높은수압에견딜수있고큰베셀안에많은다발을넣을수있는장점이있다. 특히튜브형은제작이쉽고패킹밀도도어느정도높다. 튜브형태는유체가막양쪽면에자유롭게흐를수있다. 특히중공사막의경우두꺼운지지층이필요없어내부농도분극을줄일수있고정삼투나 PRO 성능을향상시킬수있다. 따라서정삼투나 PRO 운전에적합한형태의막모듈이다. 중공사막내부에서는층류 (laminar flow) 만일어나기때문에막표면의혼합이제한적인반면외부농도분극, 파울링, 스케일이형성되어막을통과하는물질전달을줄이는단점을보인다. 튜브형막의경우난류 (turbulence) 가일어나농도분극, 파울링, 스케일형성이줄어든다. 현재많은연구기관과업체들은튜브형과중공사막및모듈을정삼투나 PRO용으로사용하는데는막오염의문제가심각하여평막형나권형모듈을주로활발히개발하고있다. 6. 결론 역삼투막제조기술의발전과에너지회수장치등의공정개발로역삼투식해수담수화의에너지소비량은 1970년대에비해 10% 수준으로낮아졌고, 물생산단가도 1990년대정수처리대비 5배이상이었으나, 현재는약 10 20% 정도높은수준으로개선되었다. 향후역삼투해수담수화기술의지속적인발전을통해에너지소비량및물생산단가는계속낮아질것으로기대되나, 역삼투식해수담수화는해수의삼투압보다높은압력으로운전해야하기때문에에너지소비량을이론적한계치인 1.56 kwh/m 3 이하로저감하는데한계가있다. 따라서해수담수화와하수재이용을 FO 공정과결합하여해수의삼투압을낮추고전체공정의에너지소비량을낮출수있는새로운통합기 술개발이필요하다. 이경우유도용액의삼투압을이용하여해수로부터담수를생산하기때문에고압의압력을가할필요가없다. 이러한 FO 공정의큰장점에도불구하고이를상용화하기위해서는고성능의 FO 막의개발이필요하다. 유도용액으로부터유도물질을회수하는방법등의문제로인해 FO 공정이단독공정으로사용되기까지는장기적이고지속적인연구가필요할것으로보이지만단기적으로는 RO/NF, 하수재이용등다른공정과융합하여시너지를창출하는방식으로상용화될수있을것으로기대된다. 한편, PRO 공정은삼투압을이용한차세대대체에너지생산공정으로서많은관심을얻고있으며 2009년 11월노르웨이에최초의 PRO 발전플랜트가건설되었다. 그러나 PRO 공정이상업적으로이용되기위해서는막의개발, 농도분극현상의해결등의한계점을극복하는연구가선행되어야할것으로보인다. 그러나기존해수담수화플랜트와 PRO 플랜트기술의연계를통하여이시기를앞당길수있을것으로기대된다. 향후지속가능한저에너지형대체수자원공정개발과해수의삼투압을에너지로전환하는 PRO 공정개발은그린미래로가는디딤돌이될것으로기대된다. 참고문헌 1. 김인수, 오병수, 대한환경공학회지, 1197 (2008). 2. M. Wilf, Membrane Desalination Technology, Desalination Publications, Italy (2007). 3. J. MacHarg, T. F. Seacord, and B. Sessions, in Desalination and Water Reuse, 18, 30 (2008). 4. M. Elimelech and W. A. Phillip, Science, 333, 712 (2011). 5. T. Y. Cath, A. E. Childress, and M. Elimelech, J. Membr. Sci., 281, 70 (2006). 6. M. Elimelech, Recent Developments in Forward Osmosis, August 6, 2010, GIST, Korea. 7. S. E. Skilhagen, J. E. Dugstad, and R. J Aaberg, KIC News, Volume 14, No. 6,

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Environ. Sci. Technol., 45, 4360 (2011). 홍승관 1991 Univ. of California, Irvine 공학학사 1993 Univ. of California, Irvine 공학석사 1996 Univ.

Northwestern University Senior Researcher 2003 2011 한국건설기술연구원선임 / 책임 / 연구위원 2011 현재국민대학교조교수 김정훈 1984 한양대학교공업화학학사 1986 한양대학교공업화학석사

12 Desalination, 220, 476 (2008). 8. A. Achilli and A. E. Childress, Desalination, 261, 205 (2001). 9. A. Achilli, T. Y. Cath, and A. E. Childress, J. Membr. Sci., 343, 42 (2009) osmosis/index.html 11. M. Elimelech. Environ. Sci. Technol., 45, 4360 (2011). 홍승관 1991 Univ. of California, Irvine 공학학사 1993 Univ. of California, Irvine 공학석사 1996 Univ. of California, Los Angeles 공학박사 Univ. of Central Florida 조 / 부교수 2003 현재고려대학교교수 김준하 1998 고려대학교화학공학과학사 2001 Univ. of California, Irvine 공학석사 2003 Univ. of California, Irvine 공학박사 광주과학기술원조교수 2009 현재광주과학기술원부교수 이상호 1993 서울대학교공업화학학사 1995 서울대학교공업화학석사 1999 서울대학교공업화학박사 Northwestern University Senior Researcher 한국건설기술연구원선임 / 책임 / 연구위원 2011 현재국민대학교조교수 김정훈 1984 한양대학교공업화학학사 1986 한양대학교공업화학석사 1999 한국과학기술원화학박사 Univ. of Waterloo 박사후과정 1987 현재한국화학연구원환경자원연구센터책임연구원 2005 현재한국공업화학회산학협력이사, 한국막학회조직이사 주영길 1993 서울대학교화학과학사 1995 서울대학교화학과석사 ( 주 ) 대림산업 ( 주 ) 케미코아 2010 현재고려대학교박사과정 20 공업화학전망, 제 14 권제 6 호, 2011

Journal of Korean Society on Water Environment, Vol. 28, No. 2, pp (2012) ISSN ᆞ ᆞ ᆞ Evaluation of Forward Osmosis (FO) Membrane Per

Journal of Korean Society on Water Environment, Vol. 28, No. 2, pp.292-299 (2012) ISSN 1229-4144 ᆞᆞᆞ Evaluation of Forward Osmosis (FO) Membrane Performances in a Non-Pressurized Membrane System Bongchul