최근 셰일가스 산업의 호황과 더불어 셰일가스전에서 배출되는 폐수처리가 중요한 환경문제로 부각되고 있다. 셰일가스전 폐수는 총 용존고형물의 농도가 10에서 200g/L로 높기 때문에 역삼투 담수공정을 적용하기에 어려움이 있다. 본 연구에서는 셰일가스전 폐수를 처리하기 위해 저압에서 운전 가능한 정삼투 공정(FO)의 적용 가능성을 연구하였다. 특히 대표적으로 널리 활용되고 있는 유도용액인 NaCl과 NH3-CO2를 사용하여 셰일가스전 폐수에 포함되어 있는 2가 양이온이 FO공정에 미치는 영향을 알아보았다. FO공정 유도용액의 역확산은 막의 플럭스와 스케일로 인한 막오염에 중요한 영향을 끼치는 것으로 나타났다. 이를 통해 FO공정의 폐수 성상에 따라 유도용액 종류 선택 및 공정 디자인의 중요성이 입증되었다.

Shale gas has become increasingly important as a viable alternative to conventional gas resources. However, one of the critical issues in the development of shale gas is the generation of produced water, which contains high concentration of ionic compounds (> TDS of 100,000 mg/L). Accordingly, membrane distillation (MD) was considered to treat such produced water. Experiments were carried out using a laboratory-scale direct contact MD (DCMD). Synthetic produced water was prepared to examine its fouling propensity in MD process. Antiscalants and in-line filtration were applied to control fouling by scale formation. Fouling rates (-dJ/dt) were calculated for in-depth analysis of fouling behaviors. Results showed that severe fouling occurred during the treatment of high range produced water (TDS of 308 g/L). Application of antiscalant was not effective to retard scale formation. On the other hand, in-line filtration increased the induction time and reduced fouling.

Development of shale gas has drawn increasing attention since it is one of promising alternative energy resources. However, contamination of groundwater and surface water during the extraction of shale gas is becoming a serious environmental issues, which brings the needs to treat wastewater generated from hydraulic fracking. In this study, the feasibility of membrane distillation (MD) for the treatment of shale gas wastewater was investigated using a laboratory scale experimental setup. Flat-sheet MD membranes were used to treat produced water from a shale gas well in the United States. Different configurations such as direct contact MD (DCMD) and air gap MD (AGMD) were compared in terms of flux and fouling propensity. The foulants on the surface of the membranes were examined. The results suggest that MD can treat the shale gas produced water containing more than 200,000 mg/L of total dissolved solids, which is impossible by other technologies such as reverse osmosis (RO) and forward osmosis (FO). In this study, we investigated the possibility of processing and characterization of shale gas produce wastewater using membrane distillation. Laboratory scale membrane distillation experimental device was developed. It was compared the flat-sheet direct contact membrane distillation and flat-sheet air gap membrane distillation. AGMD flux in lower than the flux of DCMD, it was expected that the contamination caused by organic matters.

본 논문은 국제개발협력의 주요 이슈인 지속가능한 개발 중 에너지자원 확보의 한 예로 최근 전세계적으로 이슈가 되고 있는 셰일가스(shale gas)의 개발과 국제개발협력을 중국을 중심으로 다루고 있다. 미국은 셰일가스 생산 급증으로 세계 최대의 에너지생산국으로 올라 섰으며 글로벌시장에서 지배력을 강화하고 있다. 미국과 캐나다를 제외한 지역에서의 셰일가 스 개발성공 여부는 아직까지는 불투명하다고 볼 수 있다. 미국은 자국의 에너지 안보를 위 해서 셰일가스 수출을 중단할 수도 있다. 이에 대비하여 에너지 협력을 강화해야 한다. 즉. 국제개발협력을 강화해야 한다. 셰일가스의 개발은 국제개발협력의 지속가능한 개발의 가장 좋은 예이고 국가 간의 개발협력이 가장 필요한 부문이다. 중국은 늘어나는 에너지 소비로 국내 공급용 에너지 확보가 절실하며 미국과 캐나다의 개발사들은 가스 공급과잉에 직면해 있다. 중국은 매장량, 생산계획 등에도 불구하고 낮은 기술 수준, 부족한 수자원, 인프라 부족 등의 회의적인 시각이 존재하고 있다. 중국이 비전통적 자원 개발이라는 목표를 달성하기 위 해서는 경험, 기술과 노하우를 보유한 미국과 캐나다의 도움이 필수적이다.

최근 셰일가스전 산업이 발전함에 따라 시추 용수 공급 및 폐수처리가 셰일가스전 개발의 중요한 과제로 부각되고 있다. 셰일가스전 폐수는 총용존고형물의 농도가 10에서 200g/L로 높아 기존의 폐수처리 공정으로 처리하기에는 어려움이 있다. 본 연구에서는 정삼투막을 이용하여 셰일가스전 폐수를 농축하는 공정을 다루고 있다. 260g/L의 NaCl을 유도용액으로 사용하고, 폐수 및 유도용액의 농도 변화에 따른 정삼투막의 플럭스를 측정하였다. 정삼투막 내,외부 농도 분극 현상을 감안한 모델식은 실측된 정삼투 플럭스와 유사함을 확인하였으며, 이를 바탕으로 정삼투 모듈의 성능을 예측하였다. 정삼투 공정은 유도용액을 희석시켜 시추 용수로 재이용하며, 발생폐수의 부피를 줄여 폐수 운반비용을 줄이는 효과를 얻을 수 있다.

비전통(unconventional) 에너지 자원 중 최근 각광받고 있는 셰일 가스의 회수율을 높이기 위해서는 저류층의 공극 구조 연구가 필수적이다. 본 연구에서는 대면적으로 입자나 형상 분포를 확인 할 수 있도록 개발된 분석 장치인 대면적 자동화 입자 분석 시스템(Scanning Electron Microscope Particle Analysis, SELPA)을 활용하여 셰일 가스 저류층 시료의 공극 분포를 관찰하였다. 본 연구에서는 리아드 분지에서 시추된 A-068 시추공 시료 중 방해석이 주 구성 광물인 시료를 대상으로 연구를 수 행하였다. SELPA를 이용하여 시료 내 수십 나노에서 수백 마이크로미터 크기의 공극을 관찰하였 고 각 공극의 크기 별 비율을 확인하였다. 같은 영역의 표면을 대상으로 각각 1000배, 3000배, 5000 배의 배율로 이미지를 관찰하여 공극의 분포를 확인한 결과 최소 3000배 이상의 배율에서 관찰 해야 100 nm 이하의 공극까지 관찰되어 작은 스케일의 공극 분포까지 분석할 수 있는 것이 확인 되었다. 본 연구에서 소개된 방법론을 통해 셰일 가스 저류층을 포함한 비전통 자원의 저류층 내 공극의 분포를 단시간에 파악할 수 있는 방법론이 확인되었으며 향후 비전통 저류층 내 공극 구 조 파악에 활용할 수 있을 것이 기대된다.