정삼투 공정(forward osmosis, FO)은 역삼투 공정(reverse osmosis, RO)에 비해 저압으로 운영되므로 오염 제어, 유지 보수, 막 세정 및 잠재적 에너지 저감 측면에서 큰 이점이 있어 다양한 분야에 적용할 수 있는 기술이다. 특히, 정삼투 공정의 막오염층이 비교적 느슨하고 분산된 특성을 가지므로 역삼투 공정과 달리 물리세정만으로도 충분한 막오염 제어가 가능하다. 하지만 기존 연구들의 경우 정삼투 물리세정에 적합한 세정 유속을 적용하지 않아 최적화 운전을 하지 못했다는 한계가 있다. 따라서 이 연구는 경제적인 에너지량으로 높은 효율의 세정을 보일 수 있는 적절한 유속의 정당성 평가를 목적으로 한다. 정삼투 공정 막오염 실험을 8.54 cm/s 순환 유속으로 유지하고 세 가지 세정유속으로 회복률과 SEC(specific energy consumption) 비교 평가하였다. 이 실험의 결과로 2배속 세정이 3배속 세정의 수투과도 회복률 만큼의 높은 효율을 보 이는 동시에, 2배속 세정이 높은 세정효율 및 경제적인 SEC를 보이는 적절한 유속이라는 것을 확인하였다.

본 연구에서는 향후 역삼투식 해수담수화 기술의 에너지 효율을 개선하기 위한 3가지 방법을 제안한다. 그리고 제안된 방법이 적용되었을 때, 이론적인 최대 에너지 소모량 감소를 엑서지 분석을 통해 산출하고 현재 개발되고 있는 기술을 분석해서 실질적으로 각 방법에서 에너지 소모량이 얼마나 감소될 수 있는지를 비교하고 분석한다. 이러한 논의를 통해서 향후 역삼투 공정의 에너지 소모량이 얼마나 더 감소할 수 있을지에 대한 가능성을 평가할 수 있고 나아가서 역삼투 해수담수화 플랜트의 에너지 소모량을 낮추는 명확한 아이디어를 제공할 수 있다.

The slow diffusion of pollutants to the surface of electrodes has limited the contact between OH radicals and micropollutants in electro-oxidation processes. In this study, conductive hollow fiber membrane (CHF) made with multi-walled carbon nanotube (CHF) was fabricated and operated with flow-through system. During the electro-oxidation of three micropollutants, a conventional flow-by reactor showed less than 60% of removals at the hydraulic retention time (HRT) of 30 minutes, while flow-through operation could achieve complete removal for all tested micropollutants at the same HRT. Moreover, the flow-through system exhibited complete removals even at the HRT of 1 minutes, while that of flow-by system were less than 10 %.

Saline water electrolysis (SWE) is an electrochemical technology to directly generate valued chemicals such as chlorine gas (Cl2), hydrogen (H2), and sodium hydroxide (NaOH) by applying electric energy. The key materials in SWE are cation exchange membranes with high selectivity to sodium ions under chemically harsh SWE conditions. The representative SWE membranes are perfluorinated double layered membranes composed of perfluorinated sulfonic acid layer and carboxylic acid layer to transport sodium ions rapidly and to prevent the passage of hydroxide ions, respectively. The commercially available membranes are, however, suffering from delamination issues occurring in their interface. In this presentation, delamination-free membrane fabrication processes will be addressed.

해수담수화는 지구 수자원의 97%에 해당하는 해수를 활용하기 때문에 물부족 문제를 해결할 지속가능한 대안으로 평가받고 있다. 최근에는 증발식 해수담수화 대비 에너지 소모가 낮은 분리막 방식이 널리 적용되고 있으며, 에너지 소모는 3-4 kWh/m3 정도이다. 해수담수화 플랜트 소요비용 중 운영비용이 약 35~65%를 차지하므로 해수담수화 기술의 확대 적용을 위해서는 비용 절감형 운영 기술 개발이 필수적이다. 이에 K-water에서는 ‘중동지역 맞춤형 저에너지 해수담수화플랜트 기술개발’ 과제 참여를 통해 저에너지⋅고효율 해수담수화 운영 기술을 개발하고 있으며, UAE에 구축될 1,000m3/d 규모 플랜트에 적용할 계획이다. 본 기술 적용을 통해 해수담수플랜트 연간 운영비용 증가율을 5% 이내로 유지하는 것을 목표로 한다.

일반적으로 SWRO의 경우 에너지 소비량은 3.5 kWh/m³ 이상의 에너지를 소비한다. 그중 RO트레인은 2.5～3.0 kWh/m³를 소모해 전체 에너지 소비량의 70% 이상을 소비하고 있으며, 전체 시스템 에너지 절감을 위해서는 RO트레인의 최적 설계가 중요하다. 따라서 당사는 다양한 RO트레인의 설계를 최적화 하여 소모되는 에너지의 양을 10% 절감하고자 한다. 1) ISDInternally Staged Desing)을 적용한 1st Pass의 설계최적화, 2) SPSP(Split Partial Sencond Pass) 적용을 통한 2nd 용량 최적화 설계, 3) 초고성능 막을 적용한 Single Pass 설계방법의 최적 조합을 통해 저에너지 역삼투막 시스템 설계 기술을 개발하고자 한다.

Membrane bioreactors (MBRs) have big issue on high aeration energy. In this study, reciprocation of membrane was adapted to mitigate membrane fouling. Inertial force induced by reciprocation removed foulants from membrane surface. Pilot plant with capacity of 1,100 m³/day was operated for 8 months in Singapore. The result showed stable trans membrane pressure (TMP) and low permeate turbidity below 0.1 NTU at 25 LMH. It also showed 60 times less energy consumption than conventional MBR. Low dissolved oxygen in membrane tank resulted in higher nitrogen removal. Long-term reciprocation requires very strong membrane modules. Braid reinforced membrane and its modules were optimized to reciprocation. The evaluation of them after the operation showed there was no change in all their properties.

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.

Desalination with low energy consumption has been recognized as a crucial technology for meeting the growing freshwater needs of the UAE. In 2016, KAIA and the Masdar company in the UAE signed Joint Development Agreement to develop energy-efficient desalination technologies. The research aims to build a pilot plant desalination plant in UAE for demonstrating reduction of energy footprint. For this R&D project, Daewoo E&C designs and constructs a customized low energy seawater desalination facility with 1000~2000 m³/d by 2018. The goal of specific energy consumption is 3.3 kWh/m³, finally resulting in O&M cost reduction by more than 10%. The system will be configurated with energy saving RO membrane(LG chemistry), pretreatment for algae control using tube type bio filter(MTBF) and DAF, and ion exchange and capacitive deionization for replacement of 2nd RO. Optimizing this pilot plant by 2020 in the UAE is the next milestone in realizing the energy-efficient desalination technology to a viable product.

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.

최근 도시의 발달로 건물과 불투수포장면의 증가는 도시 열환경에 큰 악영향을 미치고 이러한 영향으로 도시열섬현 상이 발생하기에 이르렀다. 도시열섬완화를 위해 다양한 방 법이 모색되고 있으며, 녹지의 확보가 가장 중요한 요소이 다. 그러나 도심에서는 녹지 확보 공간이 불충분하여 벽면 녹화 등의 건축물 녹화가 최선의 대안으로 여겨진다. 특히 벽면녹화는 도시환경 개선뿐 아니라, 건물의 에너지 절감 측면에서도 매우 유용한 특성을 가지고 있다. 또한 건물의 벽면은 거의 무기물로 되어있어 열전도율이 높아 냉난부하 가 커지게 된다. 냉난방부하를 낮추기 위한 노력들이 현재 이루어지고 있으나 저에너지 벽면녹화에 대한 연구들이 부 족한 실정이다. 따라서 본 연구는 최근 시대적 흐름과 일치 하는 건축물의 에너지 소비저감을 위한 친환경적 해결방안 인 벽면녹화에서 식재기반재별 에너지저감 성능을 분석하 여 저에너지 벽면녹화시스템의 기초자료로 제시하고자 한 다. 식재기반에 따른 에너지저감 성능 분석을 위해 연구대상 지는 충북 충주시에 Test-Bed를 조성하였다. Test-Bed는 가 로 1.3m, 세로 2.0m, 폭 0.6m 규모의 철골구조물로 식재기 반의 결합과 분리가 가능하도록 하였다. 식재기반 조성은 Control의 개념인 콘크리트 블록 CT, 무기성기반재인 IP, 식물체의 유기물로 구성된 CC, 상토를 기반으로한 BC, 마 사토를 기반으로한 GC로 구성하였다. 공시식물은 세덤류 인 기린초, 흰꽃세덤과 피복율이 양호한 잔디로 선정하였 다. 조사분석방법으로는 식재기반의 증발량은 관수 후 중력 수를 제거한 후 부터 저울을 이용해 무게변화를 측정하였 고, 표면온도는 열전대(T-type)를 기반재에 설치하고 Data Logger(GL-820, GRAPHTEC)로 일일 30분 단위로 저장하 였다. 열전도율은 한국건설생활환경시험연구원에 의뢰하 였으며, 평균온도 20℃에서 시험방법 KS L 9016:2010을 통해 측정되었다. 열관류율 분석은 건축물의 에너지절약설 계기준에서 중부지역의 외기에 직접 면하는 경우 외벽은 0.36 W/㎡·K 으로 규정되어있으며, 식재기반재는 건물외 벽에 설치되는 것으로 법적기준 재료에 식재기반을 결합한 두께를 100mm로 정하여 열관류율 값을 산정하였다. 건물 에너지 저감 성능 분석에 이용된 시뮬레이션은 국제적으로 신뢰성을 인정받고 있는 Design Builder 3.0(Energy Plus 7.0)을 활용하였으며 기상은 중부지역의 충주기상데이터를 활용하였다. 적용 모델의 건물은 3층 규모로 설정하였으며 연면적 1,200㎡, 창면적 210㎡, 실의 냉난방 온도는 냉방 26℃, 난방 22℃로 하였고 냉난방기기는 터보냉동기와 온 수보일러를 적용하였다. 재료별 검토는 법적기준 대비 3가 지 재료에 대해 시뮬레이션을 실시하였다. BC의 경우 IP의 열전도율 값의 차이가 없어 제외하였다. 식재기반별 증발량지속시간 측정 결과, IP 62시간, CC 62시간, BC 64시간, GC 65시간을 유지하였으며 GC가 가 장 긴 유지시간을 나타내었다. 또한 식재기반재별 일일 증 발량 특성으로는 1일차에는 수분함보유량이 높아 오전부터 일평균에 가까운 량을 증발하였으며, 재료별 증발량이 가장 높은 시간은 11시~17시 이었다. 봄철 표면온도 측정결과는 11시에 CT > IP > GC > CC > BC 순이었으며 CT와 식재기반간의 유의한 차이를 보였 다. 14시에는 CT > IP > BC > GC > CC 순으로 나타났으며 CT와 식재기반간의 유의차를 보였다. 또한 봄철 표면온도 일일 변화는 일사가 높아지는 오전 9시 이후 부터 CT의 표면온도가 다른 식재기반재에 비해 높아졌으며, CT가 식 재기반재에 비해 1.1~2.5℃ 높게 나타났다. 여름철 표면온도 분석결과 11시에 IP > CC > CT > GC > BC 순으로 나타났으며, 기반재별 유의차가 나타났다. 온 도가 가장 높아지는 14시에는 기반재간 유의한 차이를 보 이지 않았으며, 강한 일사로 인해 표면온도 차이가 없는 것 으로 판단되었다. 17시에는 CT > IP = CC > GC > BC 순으로 나타났으며 기반재별 유의한 차이를 보였다. 여름철 표면온도 일일 변화는 IP, CC보다 CT의 온도가 낮게 나타 났으며, 15시 이후 CT온도가 높게 나타나며 20시 이후까지 높게 유지되었다. 식재기반재별 온도저감 결과 봄철 11시 BC > IP > GC > CC 순으로 나타났으며, 14시에는 IP가 가장 높게 나타났 다. 17시의 경우 IP가 다른기반재 보다 높은 온도저감을 보였으며 유의한 차이가 보였다. 여름철의 경우 11시에 BC > GC > CC > IP 순이며 유의한 차이를 보였다. 일일 변화 는 13시부터 식재기반재에서 온도차이가 나타났으며 15시 에 가장 큰 온도저감을 보였다. 에너지저감성능평가를 위해 우선, 측정한 열전도율값과 열관류율 값은 CC > IP > BC > GC 순이었다. 에너지 성능 시뮬레이션 적용 결과, 식재기반재별 냉난방피크 에너지사 용량은 법적기준대비 GC > IP > CC 순이며, 저감율은 0.88%, 0.94%, 1.01%이었다. 연간 냉난방부하는 법적기준 대비 GC > IP > CC 순으로 낮게 나타났으며, 저감율은 각각 10.85%, 11.81%, 13.34%로 예측되었다. 이상의 결과 로부터 법적기준 외벽의 단열성능이 확보되어 있는 경우 벽면녹화 식재기반재 적용에 따른 연간부하의 저감효과는 최소 10.85%이상 확보는 가능하나 기반재별 차이는 최대 2.49%로 큰 차이는 나타나지 않았다. 향후 대도심지의 지역 별, 건물용도별, 창면적비별 적용에 따른 추후 연구를 통해 저에너지 식재기반재의 실제 적용 후 에너지 저감량에 대한 검토가 이루어져야 할 것이다.

This project is mainly related to evaluation of total energy consumption of low energy house, the exterior envelope of which was wholly composed of structural insulated panels(SIP). The U-value of applied SIP was in the range of 0.189 to 0.269W/㎡․K and the U-value of pair glass from 0.78 to 1.298W/㎡․K was applied for window dependent to its function respectively. For comparison of total energy performance, the energy simulation for pilot house was performed to compare with the control house having insulation criteria of Korean building regulation in 2009. Based on simulation of dynamic energy performance, the pilot house saved 48.3% of annual energy consumption while the control house in 2009 consumed as 85.7GJ/y. In case of heating, the result showed that the energy saving ratio amounted to 76.7%. For CO₂ emission, the pilot house diminished approximately 35.4% from 6,208.4kgCO₂ to 4,009.2kgCO₂. In payback period to early investment, it was analyzed the pilot house took 7.8 years, when the low energy house built by other insulation method with same thermal perfusion took 11.5 years. From this result, it is considered that the SIP is more effective, economic to Green Home application.