본 연구에서는 베셀 후단의 생산수를 유입수와 혼합하는 신개념의 저에너지 역삼투 공정을 제안한다. 이 기술은 후단 생산수로 유입수를 희석하여 열역학적 요구 에너지를 낮추는 것에 착안하였다. 방법으로 역삼투 단일공정, 신공정, 부분 2차 공정의 생산수 염도 및 고유전력소비를 수치해석을 통해 비교하였다. 유입수의 다양한 수온 및 염도 조건 하에 신공정은 단일공정 대비 약 14% 생산수 염도를 감소시켰고, 0.04-0.09 kWh/m³의 고유전력소비를 추가로 필요하였다. 반면, 부분 2차 공정은 단일공정 대비 생산수 염도를 약 46% 감소시켰고, 0.08-0.21 kWh/m3의 고유전력소비를 추가로 필요로 하였다. 즉, 신공정은 부분 2차 공정 대비 저에너지를 소모하면서 단일공정 대비 고품질의 물을 생산해낸다.

본 연구는 해수담수화 플랜트의 에너지 사용량을 이론적으로 분석하고 최적화하기 위한 기법을 개발하기 위하여 수행되었다. 먼저 해수담수화 공정모사 모델을 개발하였으며 이를 이용하여 에너지 흐름을 분석하고 각 단계별 유효에너지와 에너지 손실을 계산하였다.

해수담수화 플랜트 사업단은 2006년 해수담수화 플랜트 시장의 주력기술로 활용되었던 역삼투방식 해수담수화 플랜트 기술을 세계적인 수준으로 개발하고자 시작되었다. 특징적으로 10 MIGD 기장 플랜트를 통하여 8 MIGD급 트레인, 4.0 kWh/m³ 이하의 에너지 소모량, 파울링 저감 50% 등의 기술적 목표를 실현하였으며, 기술개발 주체인 두산중공업이 2013년 칠레 해수담수화 플랜트를 수주하는데 기여하는 등, 기술적 가치로서 1조 9천억에서 6조 9천억으로 평가받고 있다. 향후 기장내 공업용수 혹은 생활용수 공급용 정수 플랜트로 활용될 예정에 있다.

Gas hydrate (GH)-based desalination process have a potential as a novel unit desalination process. GHs are nonstoichiometric crystalline inclusion compounds formed at low temperature and a high pressure condition by water and a number of guest gas molecules. After formation, pure GHs are separated from the remaining concentrated seawater and they are dissociated into guest gas and pure water in a low temperature and a high pressure condition. The condition of GH formation is different depending on the type of guest gas. This is the reason why the guest gas is a key to success of GH desalination process. The salt rejection of GH based desalination process appeared 60.5-93%, post treatment process is needed to finally meet the product water quality. This study adopted reverse osmosis (RO) as a post treatment. However, the test about gas rejection by RO process have to be performed because the guest gas will be dissolved in a GH product (RO feed). In this research, removal potential of dissolved gas by RO process is performed using lab-scale RO system and GC/MS analysis. The relation between RO membrane characteristics and gas removal rate were analyzed based on the GC/MS measurement.

물 부족 현상을 해결하기 위하여 저에너지 해수담수화가 가능한 정삼투 시스템에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 정삼투 시스템의 경우 가압 조건이 필 요하지 않으므로 에너지 비용을 저감할 수 있고, 막 오염 및 파쇄 현상이 역삼투 시스템에 비해 발생하지 않는다는 장점이 있다. 이에 사용되는 유도 용질의 경우 높은 친수성을 가져야 하며, 농도 대비 높은 삼투압을 보여야 한다. 또한 유도용액 후처리 공정에서의 분리가 용이하여야 한다. 최근에는 탄소 양자점 유 도용질, 고분자 전해질을 이용한 유도용질, 온도감응성 고분자를 이용한 유도용 질의 연구가 진행되었다. 본 연구에서는 물에 대한 용해도가 큰 다가 카복실산계 유도용질을 합성하고 정삼투 공정에서의 성능평가 및 다른 유도용액과 비교 실험을 수행하였다.

해수 담수화에 있어 RO막오염을 방지하기 위한 전처리로 MF 및 UF에 대하여 연구되어 왔으며, MF/UF의 전처리로 오토스트레이너를 사용하여 100μm 이상의 입자를 제거하는 것이 일반적이다. 그러나, 서해안의 경우 남해보다 높은 고탁도 물질이 다량으로 함유되어 있어 정확한 해수 특성분석에 따른 전처리 공정이 선정되어야 할 것으로 판단된다. 따라서 본 연구에서는 서해안 지역의 해수 특성에 대하여 분석하여 적합한 전처리를 선정하기 위한 조건을 도출하고자 하였다. 서해안 지역의 15지점 해수에 대하여 탁도, SS, SiO2, TOC, UV254, 보론, TEP 등 20여개 항목에 대하여 분석하였다. 해수의 탁도는 평균 6.5∼ 11NTU를 나타내었으며 입도분석결과 2∼20μm 입자가 97% 이상 존재하였다.

본 연구는 RO 공정을 통한 해수담수화 플랜트의 에너지 저감을 위한 FO/RO hybrid pilot plant 실증 연구에 관한 것이다. 폐수처리 방류수를 이용하여 FO 공정을 통해 해수를 희석시키고, 희석된 해수는 RO 공정을 통해 담수를 생산하는 공정으로 폐수재이용과 저에너지 담수화를 목적으로 하였다. 이 공정은 RO 공정에 유입되는 해수의 염도가 낮아지기 때문에 담수화 에너지를 획기적으로 낮추는 것이 가능하다. 운전된 system은 유입수 기준 1ton/hr의 처리용량을 가 지는 FO/RO hybrid 공정으로 화력발전소 내의 해수담수화 설비내에서 운전하였다. 이를 통하여 기존 RO system 대비 약 20~30%정도의 에너지 소비 저감 효과 및 RO의 fouling 개선 효과가 있음을 확인하였다.

2025년 세계 국가의 20%, 전세계 인구의 38%가 물 부족에 시달릴 것이라는 예측에 따라 향후 물 부족 문제는 전 세계적인 관심사가 되고 있다. 따라서 지구 물 자원의 97.5%를 차지하고 있는 해수로부터 음용수, 공업용수를 생산하는 정삼투에 대한 관심이 점차 증가하고 있다. 정삼투 시스템의 경우 가압 조건이 필요하지 않으므로 에너지 비용을 저감할 수 있고, 막 오염 및 파쇄 현상이 역삼투 시스템에 비해 발생하지 않는다는 장점이 있다. 이에 사용되는 유도 용질 의 경우 높은 친수성을 가져야 하며, 농도 대비 높은 삼투압을 보여야 한다. 또한 유도용액 후처리 공정에서의 분리가 용이하여야 한다. 본 연구에서는 정삼투 시스템의 유도용질로 Citric acid 금속염을 사용하여 성능평가를 수행하였다.

Membrane distillation (MD) has been researched as one of the promising seawater desalination processes, because of its advantages such as (1) high energy efficiency, high water flux and less fouling sensitivity. [1] Herein, thermally rearranged (TR) polymer membranes are introduced for MD application. The TR membranes were investigated by SEM, contact angle, CFP and LEPw. TR membranes showed a great MD performance with high water flux and long-term stability.

Seawater desalination market after global economic crisis has been stalled due to the market uncertainties and decreased demand in desalination. It is important to review the status of the market and to estimate the appropriate share of Forward osmosis-Reverse Osmosis (FO-RO) hybrid desalination technology by figuring out the outlook of the desalination market. Main part of the desalination market will still be MENA (Middle East and North Africa) in the near future due to the fast population increase and high dependency of fossil fuel in the region. The market for FO-RO hybrid technology, however, might be smaller than the conventional SWRO desalination market anyway because of aesthetic issues from using wastewater as raw water and higher costs associated with capex. Therefore, it is essential to improve FO membrane performance and system operation technologies in order to make the hybrid technology attractive compared to the conventional SWRO technology.

This study will develop a small ship, boat, It is available a versatile system to rock like a shower, as well as drinking water by desalination of sea water just offshore yachts, etc. to be applied to their own country. In this design the element technology development part design and the point in the system was designed to be compactly mounted to a boat or the like is applicable. To work in the maritime industry, as more and more leisure development becomes a sail to load large amounts of water before departure, such as the drinking water is to give an adverse effect on fuel consumption with the increase gigyul eojim and the weight of the hull during loading increased due to set sail. Therefore, the present study was to compensate for this disadvantage by designing the first time in Korea Development wishes to contribute to import substitution effects were developed with an emphasis on practical application.

Gas hydrate desalination process is based on a liquid to solid (Gas Hydrate, GH) phase change followed by a physical process to separate the GH from the remaining salty water. The GH based desalination process show 60.5-90% of salt rejection, post treatment like reverse osmosis (RO) process is needed to finally meet the product water quality. In this study, the energy consumption of the GH and RO hybrid system was investigated. The energy consumption of the GH process is based on the cooling and heating of seawater and the heat of GH formation reaction while RO energy consumption is calculated using the product of pressure and flow rate of high pressure pumps used in the process. The relation between minimum energy consumption of RO process and RO recovery depending on GH salt rejection, and (2) energy consumption of electric based GH process can be calculated from the simulation. As a result, energy consumption of GH-RO hybrid system and conventional seawater RO process (with/without enregy recovery device) is compared. Since the energy consumption of GH process is too high, other solution used seawater heat and heat exchanger instead of electric energy is suggested.

Desalination is getting more attention as an alternative to solve a global water shortage problem in the future. Especially, a desalination technology is being expected as a new growth engine of Korea’s overseas plant business besides one of the solutions of domestic water shortage problem. In the past, a thermal evaporation technology was a predominant method in desalination market, but more than 75% of the current market is hold by a membrane-based reverse osmosis technology because of its lower energy consumption rate for desalination. In the future, it is expected to have more energy efficient desalination process. Accordingly, various processes are being developed to further enhance the desalination energy efficiency. One of the promising technologies is a desalination process combined with Pressure Retarded Osmosis (PRO) process. The PRO technology is able to generate energy by using osmotic pressure of seawater or desalination brine. And the other benefits are that it has no emission of CO2 and the limited impact of external environmental factors. However, it is not commercialized yet because a high-performance PRO membrane and module, and a PRO system optimization technology is not sufficiently developed. In this paper, the recent research direction and progress of the SWRO-PRO hybrid desalination was discussed regarding a PRO membrane and module, an energy recovery system, pre-treatment and system optimization technologies, and so on.

역삼투 해수담수화 공정에서 막 오염은 생산수량 감소 및 공정의 에너지 소비량 증가를 야기한다. 막간 차압 증가, 생산수량 감소 외에 막 저항 값의 증가는 막 오염 정도를 판단하는 수치로 사용이 가능하다. 특히 막 저항 값 기반의 세정은 막 오염 제어를 통해 역삼투 해수담수화 공정에서 막의 성능 유지 시 사용 가능하다. 이에 본 연구에서는 해수 수질 인자 및 공정 운전 인자에 기반하여 막 저항 값을 예측하는 알고리즘을 제안한다. 알고리즘은 해수담수화 플랜트의 운전 데이터에 기반하여 인자들과 막 저항 값 사이의 관계를 학습하고 검증과정을 거쳐 막 오염 발생 시점을 사전에 예측하는 방식으로 개발되었다. 예측 정확도를 분석하고 개발된 알고리즘의 수정을 통해 예측 정확도 향상을 위한 연구를 진행하였다.

재래식 해수담수화 수평적 압력용기 설계는 후단에 있는 역삼투막에는 농축수에 의해 수질악화 및 생산수저감 등이 동반된다. 이를 해결하기 위해 본 연구에서는 개념적인 중앙 주입식 압력용기가 생산수 단가에 미치는 영향과 역삼투 공정 설계 시 주요 인자들이 성능에 미치는 영향을 조사를 위해 상업화된 역삼 투 프로그램인 ROSA를 이용하여 분석하였다. 그 결과 중앙 주입식 압력용기를 이용할 경우 총괄적인 회수율과 SEC 측면에서 성능이 저하하지만, 막 모듈 당 생산되는 생산수량이 증가하는 것으로 나타났다. 또한 생산수의 수질개선은 2단 설계의 용량 감소로 인하여 건설비 저감으로 연계되는 것으로 조사되었다. 본 연구는 국토교통부 플랜트연구사업의 연구비지원(과제번호 16IFIP-B089908-03)에 의해 수행되었습니다.

분리막은 해수담수화를 포함한 수처리 분야에 폭 넓게 사용되고 있으며, 현장 적용을 위해서는 분리막의 모듈 적용은 필수적이다. 본 발표는 막 모듈 최적화 연구를 통해 해수담수화용 분리막 모듈의 성능저하 요인 분석을 분석하고 모듈 최적화 방향을 제시하고자 한다. 분리막 모듈 최적화 연구 진행을 위해 전산유 체역학과 이동현상 모델을 도입하였다. 이를 바탕으로 유한요소법을 이용하여 해수담수화 막 모듈 모델을 개발하였다. 개발된 모델을 기반으로 해수담수화용 막 모듈 형태에 따른 모듈 내 유체 거동 및 위치에 따른 성능 분포를 계산하였다. 본 연구를 통해 해수담수화 막 모듈 모델을 개발하였으며, 이를 기반으로 다양한 형태의 모듈 내 성능 분포를 도출하였다. 본 연구는 막 모듈 성능 분석 및 개선에 활용될 수 있다.

최근 인구 폭발적 증가, 기후변화 등으로 인해 전 세계적으로 이용 가능한 수 자원이 감소할 것으로 예측되고 있어 대체 수자원에 대한 관심이 확대되고 있으며, 이의 대안으로 해수담수화 기술이 주목받고 있다. 해수담수화 방법에는 증류방식과 분리막 기술인 역삼투 공정이 대표적 기술이라 할 수 있으나, 최근 에는 증류법과 분리막법을 접목한 막증류법의 해수담수화 분야 적용 가능성이 점차 확대되고 있다. 막증류 공정은 기본적으로 증류 기반의 공정으로, 별도의 압력이 필요 없으며, 현재 가장 범용화된 분리막 기술인 역삼투 공정에 비해 높은 염 제거율 및 회수율로 인해 차세대 해수담수화 기술로 주목받고 있다. 따라서 본 발표에서는 막증류 공정용 분리막 소재 개발에 대한 내용을 소개하도록 한다.

역삼투(RO) 해수담수화 공정에 필요한 많은 에너지를 절감하기 위해 최근에 다양한 연구개발이 추진 중이다. 그 중에서 농도차에 의해 발생하는 삼투현상을 이용한 정삼투(FO)와 압력지연삼투(PRO) 기술을 접목한 하이브리드 해수담수화 공정들이 대표적이다. 특히, PRO 기술은 해수담수화 플랜트에서 배출되는 농축수와 하수처리수를 PRO 시스템의 유도용액과 원수로 각각 활용하여 두 용액의 염도차에 의해 발생되는 에너지를 회수함으로써, 기존 역삼투 해수담수화 공정 대비 25% 이상의 에너지 절감이 가능하며, 해수담수화 플랜트의 고농도 농축수를 희석 방류함으로써 해양생태계 파괴 방지 및 농축수 처리비용 절감 등의 효과를 기대할 수 있다.

역삼투 기반 해수담수화 기술은 전 세계 물 부족 문제 해결의 대안으로 주목 받아왔다. 최근에는 에너지 효율의 한계를 극복하기 위한 차세대 저에너지 기술들이 연구되고 있다. 정삼투 공정의 해수 희석을 통해 역삼투 공정에 필요한 에너지를 낮추는 FO-RO 공정, 그리고 압력지연삼투를 통한 에너지 회수와 막증발 기술을 통한 고수량 확보의 MD-PRO 공정이 미래의 해수담수화 기술들이다. 하지만 수처리 분야에서는 현재 시행 가능하며 역삼투 기술 본연의 효율을 극대화시키는 기술을 필요로 하고 있다. 이에 KORAE 연구단은 세계 최고 수준의 저에너지 3.3 kWh/m3 해수담수화 플랜트 구축을 목표로 하여 적조 및 고염 대응 전처리, 역삼투막 및 모듈 시스템 개발을 진행하며 해수담수화 기술의 최적화를 연구 중이다.

물 수급 불균형현상을 극복하기 위해 해수담수화 공법 중 적은 에너지를 소모하는 역삼투분리막 공정이 사용되고 있다. 하지만 분리막을 통과할 수 있는 구동압력이 요구되어 전기에너지가 필요하고 효율적인 운전비용 사용을 위한 최적의 공정설계가 필요하게 된다. 이를 위해 본 연구는 역삼투 분리막 공정을 전산 모사하는 분리막과 관련 설비들의 대한 수학적 모델링을 수행하고, 공정의 최적화를 위해 성능이 다른 분리막을 연계하여 단일 vessel을 구성하거나, 단일 vessel 내 유입∙유출 경로 조건을 변경하거나, 여러 분리막 vessel을 다단으로 구성하는 방안 등에 대하여 시스템적 관점으로 비교하고 분석하였다. 이를 통해 분리막의 종류와 구성에 따른 공정의 경제성 및 분리 성능을 향상시키는 방안을 도출하였다.