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 p...
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 $CO_2$ 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.
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 $CO_2$ 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.
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문제 정의
따라서, 본 논문에서는 차세대 해수담수화 기술 중 최근 미국, 유럽, 일본, 싱가포르를 비롯한 여러 국가에서 연구실 및 파일럿 규모의 연구가 활발히 수행되고 있고 제막 기술의 지속적인 발전에 따른 막 단가 절감 등에 힘입어 가까운 미래에 에너지를 생산·공급 할 수 있을 것으로 기대되는 압력지연삼투 기술의 발전 현황을 알아보고, 이 기술의 상용화시기를 앞당기기 위해 필요한 연구 개발 방향에 대해 논의해보고자 한다.
일본에서는 2010년부터 2013년까지 4년 동안 Toray사를 중심으로 “메가톤 물 시스템(Mega-ton Water System)” 개발 연구가 시작되어 프로토타입 SWRO-PRO hybrid 플랜트가 건설 및 운영되었다. 메가톤 연구는 역삼투, 압력지연삼투, 하수처리 시스템의 연계를 목적으로 하였다. 후쿠오카에 위치한 prototype SWRO-PRO hybrid plant는 10인치 중공사막 모듈 8개를 장착하여 유입용액으로 한외여과(UF) 및 저압 역삼투(Low Pressure Reverse Osmosis)를 거친 420 m3/d의 하수 처리수, 유도용액으로 SWRO 농축수 460 m3/d를 이용하며 최대 전력밀도 13.
제안 방법
국내에서는 지난 2013년부터 국토교통부와 국토교통과학기술진흥원의 지원 아래 차세대 해수담수화 기술을 개발하는 GMVP 연구단이 출범되어 과제를 수행하고 있는데 GMVP 연구단의 SWRO-PRO hybrid 공정은 GS건설 주도로 개발되고 있다. PRO 기술을 접목하여 RO 농축수와 하수처리수로부터 발생되는 염도차 에너지를 에너지 회수장치를 통해 RO 공정 그대로 회수할 수 있는 기술로 기존 역삼투 해수담수화 공정기술 대비 10% 이상의 운영단가 절감과 해수담수화 플랜트로부터 발생되는 고농도 농축수를 희석 방류함으로써 해양생태계 파괴 방지 및 농축수 처리 비용 절감 등의 효과를 기대하며 연구에 박차를 가하고 있다 (Fig. 5).
지금까지 압력지연삼투 공정 연구는 단독 공정과 조합 공정 두 가지 형태로 진행되었는데 최초의 프로토타입 PRO 플랜트는 2009년 11월 노르웨이의 Statkraft사에 의해 단독 공정 형태로 건설되었다. 총 막 면적 2,000 m2 Hydranautics사의 나권형(Spiral-Wound) 막 모듈을 적용하였으며 유입용액으로 fresh water, 유도용액으로 해수를 이용하여 평균 전력밀도 약 3 W/m2, 전력 생산량은 약 6 kW를 보였다 (Neumann et al., 2012). 이 결과는 PRO 시스템에 의한 전기 생산이 실제로 구현 가능하다는 것을 증명하였다.
대상 데이터
, 2014). 해수-담수를 적용하여 Dow의 막 면적 2.8 m2인 3개의 나권형 RO 막모듈과 Oasys Water에서 개발된 막 면적 4.18 m2의 4040 나권형 TFC PRO 막모듈이 파일럿 시스템에 설치되었다. SWRO-PRO hybrid 공정 평균 전력밀도는 1.
성능/효과
회수된 에너지는 다시 해수를 가압하는데 사용할 수 있으므로, 에너지 소비가 적은 담수화 시스템의 개발을 위하여 고압 에너지의 손실을 최소화하여 시스템의 전체의 효율을 높일 수 있는 에너지 회수장치의 개발이 중요하다. 따라서 에너지 회수장치 최적 설계 기술은 해수담수화 과정에서 에너지 효율을 극대화하는 것으로 전력사용량을 기존 역삼투 해수담수화(SWRO) 방식보다 약 50% 정도 절감할 수 있다. 현재 해수담수화 플랜트 건설용 저에너지/고효율 대용량 에너지 회수장치의 세계 최고 수준은 97%이며, 국내에서 개발된 장치를 pilot 규모에서 제작하여 시험한 결과 96% 수준의 효율에 도달하였다고 보고되고 있다 (Ham et al.
, 2012). 이 결과는 PRO 시스템에 의한 전기 생산이 실제로 구현 가능하다는 것을 증명하였다. 또한, PRO fouling을 막기 위한 화학세정 방법을 개발하며 2020년까지 25 MW 상업화 플랜트 완공을 목표로 PRO에 대한 국제적인 관심 유도 및 기술적 발전을 선도해왔으나, 2013년 진행 예정이던 2MW 파일럿 플랜트 건설을 앞두고 2012년 말 갑작스럽게 관련 사업의 중단을 발표하였다 (Statkraft home page, http://www.
후속연구
앞에서 언급한 바와 같이, 이 공정이 경제성을 얻기 위해서는 PRO 전용 막/모듈 개발, PRO 막오염을 저감할 수 있는 저에너지의 전처리 기술 개발, PRO 공정 최적화 등 한계점을 해결하는 연구가 지속적으로 수행되어야 할 것이다. SWRO-PRO 등 조합공정 기술 연계를 통하여 가까운 미래에 PRO의 한계점을 해결하고, 차세대 에너지원으로 자리 잡을 수 있을 것으로 기대한다.
압력지연삼투 공정에서는 물이 투과되면서 막의 내·외부에 용질이 농축되는 농도분극현상과 고농도 유도용액에서 저농도 유입용액 방향으로의 염 확산에 의해 발생되는 역염투과량에 인해 투과수량이 감소하여 공정 성능이 저하되기도 한다. 결국, 안정적인 PRO 공정의 에너지 생산을 위해서는 전처리 공정, 전용막 및 모듈 개발, 공정 최적화 기술 개발이 반드시 필요하다.
PRO의 전체 공정성능 향상을 위해서 유도용액 및 유입용액별 특성을 고려함과 동시에 비용을 최소화할 수 있는 전처리 공정의 선정이 매우 중요하다. 그러나 지금까지 PRO 공정에서의 막 오염 메커니즘 및 세척 방법에 대한 연구는 초기단계로 막오염에 의한 성능 저하를 예측하고 이를 제어하기 위한 연구도 지속적으로 수행되어야 할 것이다.
또한 module configuration 및 한 베셀당 들어갈 수 있는 최적 멤브레인 개수 등도 매우 중요한 운전 파라미터이다. 따라서 SWRO-PRO 조합공정의 공정 효율을 향상시켜 물/에너지 생산 공정이 결합된 저에너지형, 친환경적인 차세대 해수담수화 기술을 개발하여 향후 해수담수화 플랜트 시장에서 사업 및 기술경쟁력을 높일 수 있는 공정기술이 개발되어야 한다. 따라서 타 공정과의 연계성을 고려한 최적 운전 파라미터 선정을 위해 파일럿 플랜트를 장기적으로 운전하며 기술 실용화를 위한 노력을 계속해야 할 것이다.
따라서 SWRO-PRO 조합공정의 공정 효율을 향상시켜 물/에너지 생산 공정이 결합된 저에너지형, 친환경적인 차세대 해수담수화 기술을 개발하여 향후 해수담수화 플랜트 시장에서 사업 및 기술경쟁력을 높일 수 있는 공정기술이 개발되어야 한다. 따라서 타 공정과의 연계성을 고려한 최적 운전 파라미터 선정을 위해 파일럿 플랜트를 장기적으로 운전하며 기술 실용화를 위한 노력을 계속해야 할 것이다.
염도차에 의해 발생하는 에너지를 추출하는 PRO는 아직 연구 단계이지만, 청정에너지를 생산한다는 점에서 높은 관심을 받고 있다. 앞에서 언급한 바와 같이, 이 공정이 경제성을 얻기 위해서는 PRO 전용 막/모듈 개발, PRO 막오염을 저감할 수 있는 저에너지의 전처리 기술 개발, PRO 공정 최적화 등 한계점을 해결하는 연구가 지속적으로 수행되어야 할 것이다. SWRO-PRO 등 조합공정 기술 연계를 통하여 가까운 미래에 PRO의 한계점을 해결하고, 차세대 에너지원으로 자리 잡을 수 있을 것으로 기대한다.
따라서 오랜 기간 운전 시에는 막오염을 저감시킬 수 있는 기술을 고려하여야 한다. 특히 미생물이 일으키는 미생물 막오염을 제어하고 사전에 방지하는 효과적인 전처리 공정을 개발하여 향후 PRO 실증 플랜트에서 공정효율을 저하시킬 수 있는 bio-fouling 현상을 최소화할 수 있는 기술을 개발하여야 한다. PRO의 전체 공정성능 향상을 위해서 유도용액 및 유입용액별 특성을 고려함과 동시에 비용을 최소화할 수 있는 전처리 공정의 선정이 매우 중요하다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
압력지연삼투란 무엇인가?
압력지연삼투는 바닷물의 삼투에너지를 전기로 전환할 수 있는 기술이다. PRO 전용 분리막의 양쪽에 농도가 다른 용액 (예를 들면, 해수와 담수)을 흐르게 하면 두 용액의 염도 차이로 인해 삼투현상이 발생하여 저농도 용액이 고농도 용액으로 투과되며, 이때 증가한 유량이 터빈을 회전시켜 에너지를 생산하는 기술이다 (Loeb, 1976).
해수담수화 기술로는 어떠한 것이 있는가?
대표적인 해수담수화 기술로는 증발법(MSF)과 역삼투(SWRO)법이 있는데 증발식은 해수를 가열하여 증발시킨 후 증발된 수증기를 응축시켜 담수를 얻는 방식이고, 역삼투법은 물은 투과하지만 물속에 녹아있는 염분 등은 투과하지 않는 반투막을 이용하여 해수를 담수화하는 방법이다. 역삼투 방식의 해수담수화 기술은 기존 증발식에 비해 에너지 소비량이 훨씬 적기 때문에 해수 담수화 시장의 70% 이상을 점유하고 있다 (Brown, 2015).
분리막이 적용된 수처리 및 해수담수화 시스템에서 발생되는 막오염은 어떻게 분류되며 발생 메커니즘은 무엇인가?
분리막이 적용된 수처리 및 해수담수화 시스템에서 발생되는 막오염은 수투과량을 저감시키고 소모 에너지를 증가시키는 등 전체 공정의 성능 저하를 야기시킬 수 있다. 막오염은 그 원인 물질에 따라 유·무기물 막오염, 미생물 막오염, 콜로이드성 막오염으로 분류되며, 주로 오염물질이 공극 내부에 흡착되어 발생하는 공극협소화 (pore narrowing), 오염물질에 의해 공극이 막히는 기공 폐쇄 (pore plugging), 오염 물질이 막 표면에 쌓이는 겔 형성 (gel formation)의 메커니즘을 통해 발생된다 (Bar-zeev et al., 2015; Straub et al.
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