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.

최근 폴리아마이드 선택층에 나노물질을 혼합하여 해수담수화 성능을 높이고자 하는 연구가 활발히 이루어지고 있다. 본 총설은 역삼투 분리막 해수담수화 공정에서의 에너지 효율 향상을 위한 우수한 성능을 가진 폴리아마이드 기반 나 노복합막을 소개하고자 한다. 그래핀 옥사이드 및 탄소나노튜브와 같은 탄소나노물질 및 제올라이트, 실리카 나노입자 등의 다양한 나노물질들이 기존 폴리아마이드의 투과분리성능을 높이기 위해 적용되고 있다. 본 총설에서는 최근 연구 중인 각 나 노소재별 성능향상 특장점을 소개하고, 더 높은 성능을 갖는 나노복합막 제조를 위한 연구방향을 제시하고자 한다.

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.

본 연구는 AgX (Ag-함침 X zeolite)에 의해 고방사성해수폐액 (HSW)의 발생초기에 함유되어 있는 고방사성 요오드(131I)의 흡착, 제거를 목표로 수행하였다. AgX에 의한 I의 흡착 (AgX-I 흡착)은 AgX 내 Ag-함침농도가 증가할수록 증가하며, 함침농 도 30wt% 정도가 적당하였다. AgX (Ag-함침 약 30~35wt%)로부터 Ag의 침출농도는 해수폐액에 함유되어 있는 chloride 이 온에 의한 AgCl 침전 등으로 증류수보다 덜 침출 (<1 mg/L) 되었다. AgX-I 흡착은 초기 I 농도 0.01~10 mg/L의 경우 m/V (흡착제량/용액부피의 비)=2.5 g/L에서 99% 이상 흡착제거 되어 I의 효율적 제거가 가능함을 알 수 있다. AgX-I 흡착제거 는 해수폐액 보다는 증류수에서 수행하는 것이 효과적이고, 온도의 영향은 미미한 것 같으며, 흡착평형등온선은 Languir 보 다는 Freundlich 등온선으로 표현하는 것이 양호하였다. 한편 AgX-I 흡착속도는 유사 2차 속도식을 만족하고 있으며, 속도 상수 (k2)는 Ci 증가에 따라 감소하고 있지만, m/V 비 및 온도 증가에 따라서는 증가하고 있다. 이때 흡착 활성화에너지는 약 6.3 kJ/mol 로 AgX-I 흡착은 약한 결합형태의 물리적흡착이 지배적일 것으로 보인다. 그리고 열역학적 매개변수를 평가 (음수 값의 Gibbs 자유에너지 및 양수 값의 엔탈피)에 의해 AgX-I 흡착이 자발반응(정반응)의 흡열반응이며, 고온에서 반응 이 양호함을 나타내었다.

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.

본 연구는 고방사성해수폐액 (HSW)으로부터 Barium (Ba)이 함침된 4A 제올라이트 (BaA)에 의한 고방사성핵종 중에 하나인 Sr의 흡착 제거를 수행하였다. BaA에 의한 Sr의 흡착 (BaA-Sr)은 Ba의 함침농도 20.2wt% 이상에서 Ba의 함침농도가 증가 할수록 감소하며 Ba 함침농도는 20.2wt% 정도가 적당하였다. 그리고 BaA-Sr 흡착은 BaA 내 4A에 의한 Sr 흡착 (4A-Sr)에 BaSO4 침전에 따른 Sr 공침이 첨가되어, Sr의 농도가 0.2 mg/L 이하 (HSW 내 실제 Sr 농도 수준)에서 BaA는 m/V (흡착제 량/용액 부피)=5 g/L, 4A는 m/V >20 g/L에서 99% 이상의 Sr 제거가 가능하였다. 이는 흡착제 단위 g 당 Sr의 처리용량 및 2 차 고체폐기물 (폐흡착제 등) 발생량 저감화 차원에서 BaA-Sr 흡착이 4A-Sr 흡착보다 우수함을 나타낸다. 또한 BaA-Sr 흡 착이 증류수보다 해수폐액에서 Sr의 제거능이 우수하여 HSW로부터 직접 Sr을 제거하는 데 효과적일 것으로 보인다. 반면 에 BaA에 의한 Cs의 흡착 (BaA-Cs)은 주로 BaA 내 4A에 의해서 이루어지고 있어 함침 Ba의 영향은 거의 없는 것 같다. 한 편 BaA-Sr 흡착속도는 유사 2차 속도식으로 표현할 수 있으며, Sr의 초기농도 및 V/m 비 증가에 따라서 속도상수 (k2)는 감 소하지만 평형흡착량 (qe)은 증가하고 있다. 그러나 용액의 온도증가에 따라서는 반대로 k2는 증가하지만 qe는 감소하고 있 다. BaA-Sr 흡착 활성화에너지는 약 38 kJ/mol 로 강력한 결합 형태를 이룬 화학흡착은 아니더라도 물리적 흡착보다 화학적 흡착이 지배적일 것으로 보인다.

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.

저압 침지식 멤브레인을 이용한 해수 담수화 전처리에 있어서 유기 파울링은 막간 압력 증가로 인한 화학 세정 횟 수의 증가 및 에너지 소비 증가 등 멤브레인 운전시 문제점들을 야기한다. 조류대응 해수전처리에서 조류가 배출하는 extracellular polymeric substances의 대표물질인 sodium alginate를 이용하여 침지식 여과에서 파울링 현상을 관찰하였다. 공기 폭기가 적용되지 않은 경우 순수한 aglinate 파울링은 농도가 증가하면서 증가하였다. 그러나 공기 폭기를 적용해 준 경우 alginate 파울링 감소는 매우 효과적이었다. 공기 폭기가 없는 경우 칼슘 농도의 증가에 따라 alginate 파울링은 감소하였다. 동 일 조건에서 공기 폭기 시 높은 alginate 파울링 감소효과를 나타내었으나 NaCl 농도를 증가시킨 경우 칼슘 농도의 증가에 따 라 파울링 제어를 위한 공기 폭기 효과는 감소하였다. 해수와 유사한 높은 NaCl과 칼슘 농도에서 고농도 sodium alginate의 경우 공기 폭기량 증가를 통해 초기 파울링을 감소시킬 수 있었으나 시간의 경과에 따라 상대적으로 낮은 폭기량에서의 파울 링 감소 효과와 큰 차이는 없었다.