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염도차를 이용한 압력지연삼투 공정의 현황과 미래

Pressure Retarded Osmosis Process: Current Status and Future

대한환경공학회지 = Journal of Korean Society of Environmental Engineers, v.36 no.11, 2014년, pp.791 - 802  

김지혜 (광주과학기술원 환경공학부) ,  김승현 (경남대학교 토목공학부) ,  김준하 (광주과학기술원 환경공학부)

초록
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에너지 소비량은 지속적으로 증가하고 있는 반면 사용가능한 부존자원은 한정되어 있어 전 세계적으로 에너지 위기가 심화되고 있다. 화석연료 고갈 및 에너지 생산으로 인한 환경오염 문제를 해소하기 위하여 새로운 방식의 에너지 생산 기술 개발이 요구되고 있으며, 소수력, 지열, 태양열 광, 풍력, 바이오매스 등의 신재생 에너지기술이 이미 개발되었거나 활발히 연구되고 있다. 최근 지구상에 풍부하게 존재하는 해수와 담수를 이용하여 에너지를 생산하는 염도차 발전이 관심을 얻고 있으며, 그 중에 대표적인 공정이 압력지연삼투(Pressure retarded osmosis, PRO)이다. 압력지연삼투는 에너지 생산 시 이산화탄소 배출이 없고 외부 환경요인으로 인한 제약이 적다는 장점이 있으나, 전용막 및 최적화 기술의 부재로 인해 아직 상용화 단계에 이르지 못 하였다. 따라서 본 논문에서는 압력지연삼투 기술의 현황과 한계를 다양한 측면에서 분석해보고, 이를 통해 압력지연삼투의 기술 개발 방향에 대해 논의해보고자 한다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Energy shortage is being exacerbated due to the increase of energy consumption and depletion of fossil fuels. In order to release the energy crisis, new types of energy resources such as small hydropower, solar power, wind power and biomass have been already developed or actively researched. Recentl...

주제어

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문제 정의

  • 한국은 2013년 6월 국토해양부의 지원을 받는 글로벌 MVP 연구단(연구단장: 경남대학교 김승현 교수)이 발족되면서 압력지연삼투 공정 연구에 전환점을 맞게 되었다. 56개의 대학, 51개의 연구기관과 34개의 기업이 참여하고 있는 5년 과제이며, 역삼투-막증발-압력지연삼투 조합 플랜트(RO-MDPRO hybrid plant) 구축 및 운전을 통해 방류되는 농축수의 농도 및 유량 저감, 에너지 회수를 통한 전체 공정 소모 에너지 저감, 유가자원 회수 등을 최종 목표로 한다. 이를 위해, 1000 m3/d 규모의 역삼투 시스템, 400 m3/d 규모의 막 증발 시스템 및 전력밀도 5 W/m2의 성능을 갖는 압력지연 삼투 시스템을 연계시킬 계획이다(Fig.
  • 따라서 본 논문에서는 압력지연삼투 기술의 발전 현황과 한계를 수학적 모델, 막 개발, 공정 개발, 파울링 연구의 측면에서 분석해 보고, 이를 통해 상용화시기를 앞당기기 위한 압력지연삼투기술의 향후 개발 방향에 대해 논의해보고자 한다.
  • 정삼투 및 압력지연삼투 전용막은 평막(Flat-sheet membrane)과 중공사막(Hollow-fiber membrane) 형태로 나누어 개발되고 있으며, 세계 주요 연구 그룹별 개발 현황을 다음에 소개하였다.

가설 설정

  • 역삼투, 정삼투 등 해수담수화 공정에서 가장 널리 사용되고 있는 솔루션-디퓨전 모델(Solution-Diffusion model)은 1965년 Lonsdale에 의해 개발되었으며 용액과 용질 모두 비다공성 막(non-porous membrane)의 표면에 용해되어 화학 포텐셜(chemical potential)에 따른 확산에 의해 이동한다고 가정한다.5) 솔루션-디퓨전 모델에서 확산에 의한 수투과량(water flux)은 식 (1)로 표현되며, 헨리의 법칙(Henry’s law)을 적용하면 식 (2)와 같이 나타낼 수 있다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
현재 활발히 연구되는 신․재생 에너지 종류는 무엇인가? 이에 따라 지역적 에너지 공급 불균형 해소 및 안정적이고 원활한 에너지 공급을 위하여 주요 선진국들을 중심으로 새로운 에너지원의 개발이 지속적으로 증가하고 있는 추세이다. 현재 활발히 연구되거나 이미 개발 단계에 있는 신․재생 에너지 종류에는 소수력, 지열, 태양열․광, 풍력, 바이오매스 등이 있으며,1) 2013년 기준 전 세계 평균 전력의 22.1 %를 신․재생 에너지가 담당하고 있는 것으로 보고되었다.
해수의 삼투압을 이용하는 압력지연삼투란 무엇인가? 최근 해수의 삼투압을 이용하여 에너지를 생산하는 새로운 방식에 대한 관심이 증가하고 있는데, 염도차 발전이라 불리는 이 기술은 기존의 풍력, 태양열 발전과 달리 날씨에 큰 영향을 받지 않고 일정한 에너지 생산이 가능하다는 장점이 있으며 이산화탄소와 같은 유해 물질을 방출하지 않는 청정에너지 생산 기술이다.3) 염도차 발전의 종류에는 역전기투석(Reverse electrodialysis, RED), 압력지연삼투(Pressure retarded osmosis, PRO), Capacitive mixing 등이 있으며, 그중 압력지연삼투는 염분 농도가 다른 두 용액의 삼투압 차를 구동력으로 하며 반투막(semi-permeable membrane)을 통하여 저농도에서 고농도 방향으로 투과된 유량이 터빈을 회전시켜 에너지를 생산한다. 미국, 유럽, 싱가포르를 비롯한 여러 국가에서 연구실 및 파일럿 규모의 연구가 활발히 수행되어 오고 있으나, 아직까지 상용화 단계에는 이르지 못하고 있다.
염도차 발전의 장점은 무엇인가? 최근 해수의 삼투압을 이용하여 에너지를 생산하는 새로운 방식에 대한 관심이 증가하고 있는데, 염도차 발전이라 불리는 이 기술은 기존의 풍력, 태양열 발전과 달리 날씨에 큰 영향을 받지 않고 일정한 에너지 생산이 가능하다는 장점이 있으며 이산화탄소와 같은 유해 물질을 방출하지 않는 청정에너지 생산 기술이다.3) 염도차 발전의 종류에는 역전기투석(Reverse electrodialysis, RED), 압력지연삼투(Pressure retarded osmosis, PRO), Capacitive mixing 등이 있으며, 그중 압력지연삼투는 염분 농도가 다른 두 용액의 삼투압 차를 구동력으로 하며 반투막(semi-permeable membrane)을 통하여 저농도에서 고농도 방향으로 투과된 유량이 터빈을 회전시켜 에너지를 생산한다.
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참고문헌 (48)

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