학사학위논문청정 물 시대를 열어갈 해수 담수화를 위한 정삼투 공정Clean water for opening the forward osmosis sea water desalination process차 례표 차례Ⅲ그림 차례Ⅲ국문 요약Ⅴ제 1장. 서론11.1 연구배경 및 목적11.2 연구내용 2제 2장. 이론적 고찰 42.1 물부족 문제와 수자원확보 42.2 해수와 물 52.3 해수 담수화 62.3.1 해수 담수화란?62.3.2 해수 담수화의 대표적인 기술 원리7가) 증발법71) 증발법의기원82) 증발법의 기본원리83) 증발법의 공법 및 특징9나) 역삼투법13다) 정삼투법14라) 전기투석법16제 3장. FO(Forward Osmosis) 공정을 이용한 담수화 기술193.1 정삼투 기술의 기본원리193.2 유도용액213.3 정삼투 기술용 막 및 모듈223.3.1 정삼투용 막223.3.2 정삼투용 막모듈24가) Plate-And-Frame25나) Spiral-Wound26다) Tubular27라) Hyfration Bags283.4 정삼투막 기술 현황303.4.1 정삼투 기술303.4.2 정삼투 기술의 한계313.5 정삼투 기술의 응용분야와 미래323.5.1 하수처리 및 물 재생323.5.2 정삼투의 해수담수화35제 4장. 기타 해수담수화 기술 및 개발전망384.1 기존 해수담수화 기술384.1.1 역삼투막을 이용한 해수담수화 기술과 공정384.1.2 역삼투막 해수담수화 플랜트394.2 최근 해수담수화 시장444.2.1 탄소나노튜브 기반의 에너지 효율적인 담수화 기술45가) 탄소나노튜브의 동력학 및 열역학484.2.2 전기흡착식 담수화 기술514.2.3 FO-RO 하이브리드형 해수 담수화 플랜트524.3 향후 해수담수화 기술 개발전망54제 5장. 결론57참고 문헌59ABSTRACT표 차 례표 3.1 정삼투 운전 시 여러 가지 막의 플럭스 비교8표 3.2 담수화 방식에 따른 에너지 및 비용 비교12그 림 차 례그림 1.1 MSF, MED, SWRO, FO-NF 공정의 가까운 바닷물을 처리해서 담수로 만드는 지속가능하고 저렴한 방법만이 갈수록 심화될 물 부족 문제를 궁극적으로 결할 수 있는 법이라는 것이 일반적인 전문가들의 의견이며, 그러한 기술을 ‘해수 담수화’라고 부른다. 특히, 눈에 보이거나 상대적으로 분자량이 큰 오염물질이나 유기물질들은 기존에 개발되어 기술의 완성도가 비교적 높은 다양한 막을 이용해 분리해 낼 수 있는 반면, 이온과 같이 매우 작은 염(0.1-1nm)들을 분리하는 것은 매우 어렵다. 따라서 해수담수화에서의 핵심기술을 바로 이렇게 작은 이온들을 어떻게 선택적으로 분리해 낼 수 있는 가로 볼 수 있다.2.2 해수와 물물은 무색, 무미, 무취이며 상온에서 액체인 물체로 수소와 산소의 화합물이다. 지구상의 물은 13얼 8천 5백만 ㎦ 정도로 추정되고 있으며, 바닷물 97.5%와 담수 2.5% 형태로 존재하고 있다. 우리가 쓸 수 있는 물은 하천수, 호소수로 하천이나 호소에 존재하는 0.3%의 담수로 지구 총 물량의 0.0075%이다.[그림 2.2] 물과 바닷물의 이용현재는 60억 명의 세계 인구가 전체 수자원 양의 54% 사용하고 전 세계 인구 중 약 1/3이 상당한 또는 극심한 물 부족 상태이다. 2025년에는 전 세계의 물 수요량이 1995년 수준보다 약 40% 증가하며 향후 25년 이내에 세계 인구의 약 2/3가 물 부족 국가가 될 것이다. 물 부족의 원인으로는 인구 증가에 따른 물 사용량 급격한 증가, 환경오염에 의한 수자원 오염 , 엘리뇨와 라니냐 등의 지구 환경변화 등 을 들 수 있다.2.3 해수담수화2.3.1 해수담수화란?1593년 호킨스(R. Hawkins)가 신대륙을 항해하던 중, 바닷물을 끓여 증발시킨 수증기를 식수로 사용한 것이 해수 담수화의 최초 사례이다. 이처럼 해수 담수화란 사전적 의미로는 ‘바닷물에서 염분을 제거해 먹는 물로 만드는 것’을 말한다. 다른 말로는 ‘해수탈염’ 이라고도 불린다.오늘날 다양한 공정 기술을 이용해 해수 또는 기수에서 염분과 화학물질을 제거해 순도 높은 음교정삼투법의 특징으로는 막모듈 시스템에서 고압에너지 불필요하여 에너지 소비율이 0.5kWh/m3 이하로 기존의 역삼투식에 비해 현저히 적으며 회수율이 80%이상이기 때문에 농축수 배출량이 적다. 또한, 막모듈 시스템에서 고압에너지가 불필요하며 저압에서 운전하여 Fouling이 적다.정삼투 공정은 유도 용질의 선정에 따라 폐수처리, 농축공정 등 다양한 시스템에서 적용이 가능한데 유도용질 물질을 선정할 때에는 높은 삼투압을 낼 수 있는 물질 (일반적으로 물에 대한 용해도가 높을수록 좋음), 저 에너지로 물과 분리 가능한 물질 (고온에서 용해도가 낮아지는 기체의 특성고려 가능)을 선정해야 한다.[그림 2.13] 삼투압 차이에 따른 분류(라) 전기투석 법??수중에 용해되어 있는 무기물은 거의 대부분이 이온화되어 있다. 여기에 전극을 삽입하여 직류전류를 흐르게 하면 양이온은 음극으로 음이온은 양극으로 이동하게 되는데, 이때 양이온 또는 음이온을 선택적으로 통화시키는 양이온이나 음이온 교환 막을 이용하면 이온성분과 물을 분리 할 수 있다. 이런 단위조작을 '전기투석'이라고 한다. 즉 이온의 선택투과성 막에 의해 막의 한쪽은 염성분이 희박해지고 다른 쪽은 염성분의 농도가 증가하게 되는데 이러한 선택투과성의 막은 주로 이온교환수지를 이용한다. 원수의 염분 농도가 높으면 에너지 소비량이 많아서 비경제적이긴 하지만 전기 투석 법에서는 전기적인 전하를 가진 물질만 제거되기 때문에 비교적 전처리가 엄격하게 되지 않아도 된다는 장점이 있다.??[그림 2.14] 전기투석법의 원리전극으로는 다공성 탄소전극이 많이 쓰이는데, 물에 포함된 염의 농도에 따라 에너지 사용량이 증가하므로 전기투석 법은 기수담수화에 주로 사용되었고 높은 이온농도를 처리해야 하는 해수담수화 실적은 적은 편이다.?[그림 2.15 전기 투석 법을 이용한 해수담수화 기술[그림 2.16] R/O공법과 ED의 비교전기투석과 역삼투법을 비교하면 분리 막을 사용한다는 점에서는 동일하나 역삼투법의 경우 구동력이 압력인 반면 전기게 흐르고 유속은 막의 특성과 운전조건에 따라 결정된다. 따라서 현재 설계형태로는 유도용액을 막 사이의 공간으로 밀어 넣을 수 없기 때문에 Spiral-Wound 막 엘리먼트를 정삼투 형태로 운전할 수 없다. 그러나 최근에 특별한 Spiral-Wound 막엘리먼트를 제작하여 정삼투에 성공한 예가 있다.[그림 3.6] 와권형 막엘리먼트 구조도 예는 Outside-In 과 Inside-Out 운전을 할 수 있는 정삼투용 Spiral-Wound 막모듈을 나타낸다. 이 모듈에서는 유도용액은 Spacer 와 말려진 막 사이로 흐르는데, 이것은 역삼투 막에서 Feed Stream 이 흐르는 것과 같은 형태이다. 그러나 역삼투 막엘리먼트와 달리 중심의 집수관이 반쯤 닫혀있어서 Feed Solution 이 다른 쪽으로 흐를 수 없다. 반면, 막 Envelope 의 중앙에 있는 추가적인 Glue Line 이 유입수가 Envelope 안으로 흐르게 해준다. 가운데 위치하는 관의 전반부는 구멍이 뚫려있어 이 구멍으로 원수가 유입되고 Envelope 사이로 흘러 관의 나머지 반인 후반부로 흘러나온다.[그림 3.7] 정삼투용 Spiral-Wound 막모듈(자료 : Cath 2006)(다) Tubular튜브형 또는 중공사형 막은 정삼투 운전에 적합한 형태의 막 모듈이다. 첫째, 막 자체로 지지할 수 있어 높은 수압에 견딜 수 있고 큰 베셀 안에 많은 다발을 넣을 수 있다. 둘째, 튜브형은 제작이 쉽고 패킹 밀도도 상대적으로 높다. 셋째, 튜브형태는 유체가 막 양쪽 면에 자유롭게 흐를 수 있다. 특히 중공사막의 경우 두꺼운 지지층이 필요 없어 내부 농도분극을 줄일 수 있고 정삼투 성능을 향상시킬 수 있다.[그림 3.8] 각종 관상막, 중공사막의 크기 비교[그림 3.9] 중공사 막의 단면중공사막과 튜브형 막의 가장 큰 차이점은 튜브내부에 나타나는 유체흐름의 형태이다. 중공사막(내경 1 mm 이하) 내부에서는 층류(Laminar Flow)만 일어나기 때문에 막 표면의 혼합이 제한적이다. 이사용 가능하다. 또한 에너지소모를 줄이고 회수율을 높일 수 있는 하이브리드(Hybrid) 공정의 개발도 중요하다. 현재 개발된 하이브리드 정삼투 공정은 정삼투(FO)와 역삼투(RO) 막공정을 결합한 형태와 정삼투(FO)와 나노여과(NF) 막공정을 결합한 형태가 있다.[그림 3.16] 정삼투(FO)-역삼투(RO) 하이브리드 공정(자료 : Elimelech 2009)[그림 3.17] 정삼투(FO)-나노여과(NF) 하이브리드 공정(자료 : Ng, 2009)제4장. 기타 해수담수화 기술 및 개발전망위의 기술들을 요약하여 현재의 해수담수화 기술이 나아갈 방향을 생각해 보면, 가장 중요한 요소가 높은 에너지 사용량을 낮추는 일이라고 볼 수 있다. 현재 널리 사용되는 역삼투압 플랜트 및 열처리 기반 기술들은 이미 최적화가 상당히 되어 있어 여전히 비싼 해수 담수화 생산 단가를 획기적으로 줄일 수 있을 만큼의 효율 향상을 기대하기에는 이미 많이 성숙된 기술들이라고 볼 수 있다. 특히, 이러한 현재 기술들은 단위부피의 물을 생산하는 데 필요한 전체 비용 중 약 30~50% 이상이 고온 또는 고압을 만들기 위한 에너지 사용량이어서, 다른 제반 기술이 발전하더라도 에너지의 가격에 따라 담수 생산 단가가 오히려 올라갈 수도 있는 것이다. 즉, 현 기술의 고 에너지 사용 한계 때문에 21세기 물 문제를 해결하기 위해서 또 다른 지속 가능한 에너지 문제의 해결책에 의존해야 하는 상황이 생기는 것이다. 이는 지속 가능한 에너지 문제의 관점에서 현 담수화 기술 역시 지속 가능하지 못하다는 것을 의미하며, 담수의 공급을 가장 요하는 빈곤국가에서의 기술적 접근이 용이하지 않다는 것을 의미한다.4.1 기존 해수담수화 기술4.1.1 역삼투막을 이용한 해수담수화 기술과 공정앞서 2.3.2절 담수화의 대표적인 기술 원리에서 역삼투압을 소개한 적이 있다. 역삼투법(Reverse Osmosis)은 물은 투과하지만 물속에 녹아있는 염분 등은 투과하지 않는 반투막을 이용하여 해수를 담수화하는 방법인데, 이다.
