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.

본 연구는 양이온 불균질막을 제조하기 위해 PVDF matrix에 상용 양이온교환수지와 sulfonated poly(phenylene oxide)(SPPO)를 배합하여 제조, 이온 흡착 특성에 관하여 연구하였다. 연구결과 PVDF-IER 불균질막과 PVDF-SPPO 불균질 막 PVDF-SPPO-IER과 비교하였을 때 고분자 매트릭스의 비율이 30% 이하일 경우 이온교환용량, 전기저항에서 우수한 물성 을 가지고 있는 것을 확인할 수 있었다. 인장강도의 경우 PVDF resin의 약한 내구성에도 불구하고 상용화 불균질막과 비교하 여 최대 5배 이상의 강인한 모습을 보이고 있는 것으로 확인할 수 있었다. 따라서 화학적 특성과 기계적 특성을 고려했을 때 PVDF와 이온교환분말과 SPPO의 혼합 최적 비율은 30 : 70이며 이때의 전기저항은 3~5 Ω⋅cm2, 이온교환 용량은 0.6~1.0 meq/g으로 측정되었고 기계적 강도는 12~15 kgf/cm2으로 측정되었다.

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.

물 부족 현상을 해결하기 위하여 다양한 수처리 기술이 연구⋅개발되고 있다. 최근에는, 저에너지 해수담수화가 가능한 정삼투 시스템에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 정삼투 시스템의 경우 가압 조건이 필요하지 않으므로 에너지 비용을 저감할 수 있고, 막 오염 및 파쇄현상이 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. 본 연구에서는 이러한 정삼투 시스템에서 사용한 Citrate 계 유도용질의 회수에 사용되는 폴리아마이드 나노여과막을 제조하고, 제조된 막의 투과⋅분리 특성에 대하여 평가를 진행하였다.

최근 해수담수화 기술에 관한 관심이 증가하면서 해수 전처리 기술의 중요성이 날로 증가하고 있다. 해수담수화 기술은 미래 수처리 핵심기술로 자리매김하고 있고 이를 위한 전처리 기술의 올바른 선택과 운영은 향후 해수담수화 기술의 효율향상과 공정 최적화를 위해 중요하게 고려되어야 할 것이다. 해수담수화 전처리 기술의 목적은 주로 해수에 존재하는 입자성 물질, 콜로이드성 물질, 유기물질, 무기물질 그리고 미생물 오염물질 등의 처리를 통해 후단 담수화 기술의 효율성을 향상시키기 위함이나 전처리 기술 대상 처리물질의 범위는 매우 다양하여 맞춤형 전처리 기술의 적절한 적용이 필요하다. 해수담수화에서 올바른 전처리 기술의 적용은 후단 담수화 시설의 높은 처리효율 및 문제점을 최소화시킴과 동시에 해수의 큰 수질변동과 기후적인 그리고 지역적인 영향 등에 즉각적으로 대처할 수 있으므로 전처리 기술의 운영전략은 미래 해수담수화 기술의 성공여부를 결정짓기 위해 매우 중요하게 다루어져야 한다. 또한 최근에 많은 관심을 가지고 있는 해수 미세조류의 번성은 담수화 전처리 기술의 선정에 있어서 잠재적인 장애가 되고 있어 이에 대한 올바른 이해도 반드시 필요하다. 본 총설에서는 해수담수화 전처리 기술에 관한 그동안의 연구동향을 분석하고 해수담수화 전처리 기술의 선택 및 운전 최적화 달성을 위한 향후 도전과제들을 제시하고자 한다.

정삼투-역삼투 융합 플랜트 기술 개발 연구단은 국토교통부/국토교통과학기술 진흥원의 지원을 받아 시장지배적인 역삼투 해수담수화 공정기술을 탈피하는 기술선도형 정삼투-역삼투 융합 기술을 개발하고자 한다. 정삼투와 역삼투 기술을 결합시켜 기존 역삼투 해수담수화 기술 대비 톤당 전력량 35% 이상 감소, 톤당 생산단가 25%를 절감하는 기술을 개발하는 것을 목표로 한다. 이를 위하여 정삼투-역삼투 융합 플랜트 엔지니어링 기술, 공정 고도화(시스템 최적화, 막오염 제어 및 예측)기술, 저에너지・고효율의 전처리 기술을 개발한다. 실험실규모에서 개발된 모든 기술은 1,000m3/day 용량의 실증 파일럿 플랜트에 적용된다.

Surface modified carbon felts were utilized as an electrode for the removal of inorganic ions from seawater. The surfaces of the carbon felts were chemically modified by alkaline and acidic solutions, respectively. The potassium hydroxide (KOH) modified carbon felt exhibited high Brunauer-Emmett-Teller (BET) surface areas and large pore volume, and oxygencontaining functional groups were increased during KOH chemical modification. However, the BET surface area significantly decreased by nitric acid (HNO3) chemical modification due to severe chemical dissolution of the pore structure. The capability of electrosorption by an electrical double-layer and the efficiency of capacitive deionization (CDI) thus showed the greatest enhancement by chemical KOH modification due to the appropriate increase of carboxyl and hydroxyl functional groups and the enlargement of the specific surface area.

유도용액으로 비료를 사용하는 정삼투식 해수담수화에서 유도용액의 성능을 평가하였다. 일반적으로 많이 사용되는 비료 중에서 삼투압, 용해도 및 pH 등을 고려하여 NH4NO3, NH4H2PO4, (NH4)2HPO4, KCl, KNO3 및 KHCO3를 유도용액 후보군으로 선정하였다. 수투과선속, 질소와 인의 역용질선속 및 비역용질선속을 측정하여 유도용액의 성능을 평가하였다. KCl은 본 연구에서 선정된 유도용액 중에서 가장 높은 수투과선속을 나타낸 반면에 (NH4)2HPO4는 가장 낮은 수투과선속을 나타내었다. NH4H2PO4가 가장 낮은 역용질선속 및 비역용질선속을 보였으며, (NH4)2HPO4 ＜ KNO3 ＜ NH4NO3의 순서로 역용질선속 및 비역용질선속이 증가하였다. NH4H2PO4는 비록 다른 유도물질에 비해 수투과선속이 낮으나 비료의 주요 성분인 질소와 인을 모두 포함하고 있을 뿐만 아니라 질소와 인의 역용질선속 및 비역용질선속이 다른 유도물질에 비해 매우 낮으므로 FDFO (fertilizer drawn forward osmosis)에서 효과적으로 사용될 수 있을 것으로 판단된다.

내염소성을 갖는 염제거공정용 술폰화 폴리아릴렌 에테르 술폰 랜덤 공중합체(SPAES) thin film composite (TFC)막이 모노글라임 용매를 이용하여 제조되었다. 모노글라임은 선택층인 SPAES만을 용해시키며, 다공성 폴리술폰(예 : Udel®)층에 대해 비용해성을 지녀, TFC 제조를 위한 선택적 용매로 사용될 수 있다. 또한 개미산이나 디에틸글리콜과는 달리, 환경적으로 무해하며, 매우 낮은 끊는점을 지녔다는 점이 또 다른 장점이 될 수 있다. 다공성 Udel® 지지체 위에 코팅시, 코팅용액이 기공구조에 침투하여 유수량을 감소시키는 기공투과현상이 발생하는데, 이를 최소화하기 위해 지지체를 이소프로필알콜과 글리세린 혼합액에서 전처리 후에, 코팅-건조 공정을 통해 결함이 없는 SPAES TFC로 제조된다. 또한, SPAES 선택층의술폰화도, 고정이온의 염상태 및 물리-화학적 가교효과를 SPAES TFC막을 통한 투과거동과 관련하여 관찰하였다.

혼합 비료를 유도용액으로 하는 정삼투식 해수담수화에서 담수화 성능에 대한 유도용액 농도의 영향을 조사하였 다. 혼합비료용액(DS)의 농도가 증가함에 따라 수투과선속은 거의 선형적으로 증가하였으나, PR (performance ratio)은 감소 하였다. 또한 혼합비료용액의 농도가 600 g/L일 때, 해수 및 탈이온수를 각각 공급용액으로 하였을 경우 각각의 PR은 5.39 및 6.50이었다. 혼합비료용액의 농도가 증가함에 따라 N, P 및 K의 역용질선속은 거의 선형적으로 증가하였으나, 비역용질선 속은 감소하였다. 역용질선속과 비역용질선속은 모두 질소(N) > 칼륨(K) > 인(P) 순으로 높게 나타났다.

현재 우리나라가 세계최고 수준을 보유한 해수담수화기술과 해외 플랜트 수주확대를 위한 정부정책의 필요성에 따라 지속적인 해수담수화 시장 선점을 위한 새로운 핵심기술개발이 중요해지는 시점이다. 본 연구에서는 그 중요성이 부각되고 있는 물산업의 동향, 해수담수화기술의 개요 및 시장현황을 고찰하고, 국가 R&D지원 정책방향 및 기술개발지원현황 자료를 분석하였다. 그 결과 다음과 같은 시사점을 얻을 수 있었다. 기업의 담수플랜트 운전경험 축적을 바탕으로 신뢰성을 확보할 수 있도록 제도적 장치가 필요하며, 원천기술확보를 위한 전략적 R&D지원이 이루어져야 한다. 또한, 담수화 플랜트에 소요되는 핵심기자재에 대한 국산화가 선행되어야 할 것이다.

The reliability of innovative membrane contactors technology (i.e. Gas/Liquid Membrane Contactors, Membrane Distillation/Crystallization) is today increasing for seawater desalination processes, where traditional pressure-driven membrane separation units are routinely operated. Furthermore, conventional membrane operations can be integrated with membrane contactors in order to promote possible improvements in process efficiency, operational stability, environmental impact, water quality and cost. Seawater is the most abundant aqueous solution on the earth: the amount of dissolved salts covers about 3% of its composition, and six elements (Na, Mg, Ca, K, Cl, S) account for more than 90% of ionic species. Recent investigations on Membrane Distillation-Crystallization have shown the possibility to achieve significant overall water recovery factors, to limit the brine disposal problem, and to recover valuable salts (i.e. calcium sulphate, sodium chloride, magnesium sulphate) by combining this technology with conventional RO trains. In this work, the kinetics of CaSO4 ⋅ 2H2O, NaCl and MgSO4 ⋅7H2O crystallization is experimentally investigated in order to improve the design of the membrane-based crystallization unit.

전기투석 공정에서 이온교환막 표면에 형성되는 스케일 영향을 조사하기 위해 장기간 동안 운전되었다. 탈염공정 동안, Ca2+과 SO42- 이온의 농도는 농축실에서 연속적으로 증가하였으며 양이온교환막(Neosepta CMX)표면에 침전이 발생하였다. 초기 스케일 형성동안, 공정성능과 막 특성의 변화는 농축실 염농도 증가에 기인하여 일어나는 양이온교환막의 하계전류밀도가 감소하는 것을 제외하곤 미미하였다. 공정운전이 진행됨에 따라 양이온교환막의 한계전류밀도는 물의 해리 현상이 진행되어 300;A/m2까지 감소하였다. 막 오염은 농축실에서 양이온교환막 표면에 형성된 스케일과 물의 해리현상에 의해 유발된다는 결론을 얻었으며, 이러한 스케일 형성은 CaSO4의 용해도에 의해 예측 가능한 것을 알 수 있었다.

바지락 자숙액을 효과적으로 탈염하기 위하여 전기투석기를 사용하여 자숙액의 농도, pH 및 부피에 대한 최적 탈염조건을 검토하였다. 탈염에 필요한 이온교환막은 당과 단백질의 유실량이 적은 분자량 100 Da이상을 회수할 수 있는 AC-110-400을 선정하였으며, 자숙액 농도 0.5％와 4％의 탈염시간은 각각 100분과 170분에서 90％이상 염을 제거할 수 있었다. 자숙액의 pH에 대한 효과는 pH 9.0의 알칼리영역에서 보다 pH 4.0의 산성영역에서 탈염율이 더 높았으며, 투과액의 부피는 탈염시간과 탈염율에 거의 영향을 주지 않았다. 자숙액의 탈염은 주로 자숙액의 농도와 pH에 의해 크게 영향을 받았으며, 2％ 자숙액 1 L, pH 5.75에서 효율적인 탈염이 가능하였다.

해수는 약 3.5%의 여러가지 염류가 용해되어 있는 수용액으로 이러한 용존염류를 제거하여 담수를 얻는 방법으로는 증발법, 냉동법 등과 같이 물의 상변화를 이용하는 방법과 역삼투압법, 전기투석법과 같이 분리막을 이용하여 압력차, 전위차로 분리하는 방법이 실용화되어 있다. 이중에서 역삼투압법은 상변화가 필요없기 때문에 소요에너지가 적고 장치가 Compact하여 설치비 및 설치부지가 적게 든다는 이점을 가지고 있으며, 특히 최근에는 우수한 분리막의 개발 및 공정기술의 향상으로 다른 공정들에 비해 경쟁력을 갖게 되었다.

A two year's field experiment was conducted on newly reclaimed saline tidal lands to measure the effects of sand mulching on salinity of the soils and their relationship to crop performance. Hybrid sorghum cv. Pioneer 931 was grown under different mulchin

한국수자원공사에서 위탁 관리하고 있는 서남해안 도서지역 역삼투 해수담수화 시설 40여곳에 대한 비용 분석을 통하여 비용에 큰 영향을 미치는 요소를 찾아내고 담수화 비용 절감방안을 제시하였다. 시설에 공급되는 원수의 염도(TDS)는 담수로 취급될 수 있는 1,000mg/L 이하에서부터 해수수준인 3,000mg/L 이상까지 다양한 범위를 보이고 있다. 2005년부터 5년 동안의 비용분석 결과 유지보수비가 50.6%, 인건비가 36.9%, 그리고 에너지비가