[논문]해수담수화 공정을 위한 가스하이드레이트-역삼투 공정의 에너지 소모량 평가

유현욱; 김민석; 임준혁; 김종하; 이주동; 김수한

doi:10.11001/jksww.2016.30.4.459

해수담수화 공정을 위한 가스하이드레이트-역삼투 공정의 에너지 소모량 평가
Evaluation of energy consumption of gas hydrate and reverse osmosis hybrid system for seawater desalination 원문보기

上下水道學會誌 = Journal of Korean Society of Water and Wastewater, v.30 no.4, 2016년, pp.459 - 469

유현욱 (부경대학교 토목공학과) , 김민석 (부경대학교 토목공학과) , 임준혁 (부경대학교 화학공학과) , 김종하 (한국생산기술연구원) , 이주동 (한국생산기술연구원) , 김수한 (부경대학교 토목공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

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.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

그리고 (2) GH 공정의 핵심이라 할 수 있는 제조, 탈수, 해리 공정을 중심으로 GH 담수화 공정만의 단위 생산 당 전력 에너지량을 직접 산정하여 최적 회수율 조건에서 최종 GH-RO 공정의 소요 에너지량을 파악하였다. 결과를 통해 본 융합공정이 기존의 단독 SWRO 공정과 비교해 충분히 경쟁할만한 공정인지 확인해보았다.
본 연구는 새롭게 제시된 GH-RO 융합공정이 기존의 RO 해수담수화 공정과 비교해 경제성을 가질 수 있는지에 대한 의문점을 시작으로 연구되었다. 먼저, (1) GH 공정의 염제거율을 문헌조사에 따른 수치로 가정 후 RO 시뮬레이션을 실시하여 RO 에너지가 최소가 되는 최적 RO 회수율을 파악하였다.
본 연구는 앞서 소개한 새로운 담수화 공정 중 다소 생소할 수 있는 GH 담수화 기술을 소개하고자 한다. GH는 물분자로 이루어진 격자 내에 객체가 되는 저분자 가스가 포집되어 형성되는 외관상 얼음과 유사한 고체상의 물질로써 저온, 고압조건에서 형성된다.
본 연구에서는 해수담수화를 위한 가스하이드레이트-역삼투 융합공정이 기존의 SWRO 공정과 비교해 경제성을 가질 수 있는지 파악하기 위해 실시되었고, 총 소요 에너지량을 산정해봄으로써 이를 알아보았다.
3절에서 구한 GH 공정의 소요 에너지 산정량이 너무 높기 때문에 이를 해결할 방안이 필요하였다. 본 절에서는 열교환기를 통해 열원으로서 아주 우수하고 부존량이 무한하다고 볼 수 있는 표면해수와 심층수의 해수열(Kim et al., 2012)을 이용하여 에너지를 절감하는 방안을 제시해보았다.
, 2014). 해당 연구에서는 GH 공정의 후처리로 해수담수화 공정의 50%이상을 점유하고 있는 RO 공정과 연계하여 부족한 염제거율을 보완하고자 하였다. 그리고, 공정의 단위 생산 당 에너지 소모량은 해수의 온도, 객체가스 선택에 따른 GH 형성온도 및 압력조건에 따라 1.

가설 설정

Qc,RO는 RO 농축수 유량(m3/d), Qp,RO는 RO 생산수 유량(m3/d), Pc,RO는 RO 농축수의 압력(bar), ηERD는 ERD의 효율(%)을 의미하며, 효율은 90%로 가정하였다.
기존의 단독 SWRO 공정 소요 에너지는 2.1절에서 설명한 RO 시뮬레이션 내용과 동일하나 회수율은 50%로 가정하여 식(7)을 통해 계산되었고, 에너지 회수장치(Energy Recovery Device, ERD)를 사용한 SWRO 공정 에너지 계산에는 식 (10)이 사용되었다.
/day)과 압력(bar)을, η는 펌프의 효율(%)을 의미한다. 마찬가지로 효율은 70%로 가정하였다. 여기서, 재기화 장치의 경우 가열해주는 열에너지를 제외한 주요 전력원은 펌프라 판단되어 위와 같은 방식으로 계산되었다.
앞서 언급하였던 상용 RO 설계 소프트웨어들의 입력 값은 RO 공정의 원수수질, 사용되는 RO 막 모델명, 압력 베셀에 들어가는 모듈 수, 압력 베셀의 배열, 목표 생산수량, 회수율 등이 있다(Kim and Lim, 2013). 본 연구에서 RO 공정의 회수율은 전처리인 GH 공정이 78-90%의 염제거율을 가지고 있다는 연구결과에 따라50-90% 범위로 적용, 최종 생산수량은 대용량 상용화 시설의 용량 범위인 5,000 m³/day, 생산수 플럭스 17 LMH, 온도 10℃, GH 공정의 회수율은 50%로 가정하여 실시하였다. 이때, 막 종류 및 배열, 원수수질 정보는 GH 염제거율과 RO 회수율 조건에 따라 변하므로 상황에 맞게 입력하였다.
반응열은 R134a 객체가스를 이용해 GH를 생성할 때 가스분자와 물 분자의 반응비율과 분자량, 엔탈피(Enthalpy)값을 바탕으로 GH의 단위 생산수 당 반응열(kcal/m³)로 계산하였다. 여기서 생성과 해리 시의 엔탈피는 같다고 가정하였다. 그리고 비교적 높은 유입 해수 온도를 GH 생성온도까지 낮춰주기 위한 냉각과 탈수 이후 해리시키기 위한 가열이 추가적으로 고려되어야 한다.

제안 방법

여기서, Park et al.(2011)의 연구결과를 참조하여 제거율이 78% 일 때 K⁺, Na⁺, Mg²⁺, B³⁺, Ca²⁺ 이온들의 제거율을 80.4, 78.7, 76.6, 73.3, 72.0%로 적용한 후 진행하였다(위 특정이온 외 나머지는 78% 적용). Fig.
GH 공정의 염제거율은 사전 문헌조사를 통해 찾은 제거율 범위를 참조하여 임의로 78%, 84%, 90% 3가지 경우로 선정하였다. 여기서, Park et al.
GH의 주요 단위공정이라 판단되는 GH 생성, 탈수, 해리 공정, GH 형성속도 향상을 위한 분산펌프 그리고 생성된 GH 운반하기 위한 이송펌프들을 기반으로 에너지를 산정하였다. 산정된 에너지는 열에너지와 동력 에너지로 분류하였으며, 열에너지는 GH 생성 및 해리에 필요한 냉각과 가열 에너지원, 동력 에너지는 펌프, 벨트프레스 형식 탈수기, 재기화 장치 등의 에너지이다.
각 소프트웨어 모두 비슷한 경향을 나타냈기 때문에 평균값으로 대표하였다. RO 회수율이 60% 이상일 때 single-stage 만으로는 설계가 불가능 하였으므로, multi-satge로 설계 하여 베셀을 분배하였다. 여기서 최종 생산수의 TDS 및 보론 농도를 맟추기 위해 BWRO 막 뿐만 아니라 SWRO 막을 부분적으로 사용하였다.
가스하이드레이트 공정의 생산수 수질을 예측하였고 그를 기반으로 시뮬레이션을 실시하여 역삼투 공정의 에너지가 최소가 되는 최적 회수율을 선정하였다. 그 결과 가스하이드레이트 염제거율이 증가함에 따라 최적 회수율은 60%에서 80%로 증가하였고, 최소 역삼투 소요 에너지는 1.
먼저, (1) GH 공정의 염제거율을 문헌조사에 따른 수치로 가정 후 RO 시뮬레이션을 실시하여 RO 에너지가 최소가 되는 최적 RO 회수율을 파악하였다. 그리고 (2) GH 공정의 핵심이라 할 수 있는 제조, 탈수, 해리 공정을 중심으로 GH 담수화 공정만의 단위 생산 당 전력 에너지량을 직접 산정하여 최적 회수율 조건에서 최종 GH-RO 공정의 소요 에너지량을 파악하였다. 결과를 통해 본 융합공정이 기존의 단독 SWRO 공정과 비교해 충분히 경쟁할만한 공정인지 확인해보았다.
먼저 유입해수(C_f)의 이온종류는 DOW Chemical의 Filmtec RO membrane technical manual을 참조하여 RO 설계에 중요하다고 판단되는 이온들을 선택하였다. 이때, C_f,GH는 C_f,GH와 C_f의 비율(C_f,GH/C_f)을 C_f에 적용하여 계산하였다(Lee et al.
본 연구는 새롭게 제시된 GH-RO 융합공정이 기존의 RO 해수담수화 공정과 비교해 경제성을 가질 수 있는지에 대한 의문점을 시작으로 연구되었다. 먼저, (1) GH 공정의 염제거율을 문헌조사에 따른 수치로 가정 후 RO 시뮬레이션을 실시하여 RO 에너지가 최소가 되는 최적 RO 회수율을 파악하였다. 그리고 (2) GH 공정의 핵심이라 할 수 있는 제조, 탈수, 해리 공정을 중심으로 GH 담수화 공정만의 단위 생산 당 전력 에너지량을 직접 산정하여 최적 회수율 조건에서 최종 GH-RO 공정의 소요 에너지량을 파악하였다.
, 2008) 생성열과 해리열 즉, 반응열만큼의 냉각 및 가열 등 전기적인 에너지가 필요하다. 반응열은 R134a 객체가스를 이용해 GH를 생성할 때 가스분자와 물 분자의 반응비율과 분자량, 엔탈피(Enthalpy)값을 바탕으로 GH의 단위 생산수 당 반응열(kcal/m³)로 계산하였다. 여기서 생성과 해리 시의 엔탈피는 같다고 가정하였다.
본 GH-RO 융합공정의 소요 에너지는 GH 공정에 전기에너지를 사용했을 경우와 해수열원을 사용했을 경우로 나누어 산정해보았다. 여기서 RO 회수율은 RO 소요 에너지가 최소가 되는 최적 회수율을 적용하였고, 이때의 소요 에너지는 각 소프트웨어 결과들이 거의 차이를 보이지 않았기 때문에 평균을 구해 사용하였다.
GH의 주요 단위공정이라 판단되는 GH 생성, 탈수, 해리 공정, GH 형성속도 향상을 위한 분산펌프 그리고 생성된 GH 운반하기 위한 이송펌프들을 기반으로 에너지를 산정하였다. 산정된 에너지는 열에너지와 동력 에너지로 분류하였으며, 열에너지는 GH 생성 및 해리에 필요한 냉각과 가열 에너지원, 동력 에너지는 펌프, 벨트프레스 형식 탈수기, 재기화 장치 등의 에너지이다. 계산에는 GH-RO 융합공정의 설계유량 및 제원을 참고하였고, 객체가스로는 다른 가스 대비 비교적 상온, 상압에서 GH 형성이 가능한 R134a 가스를 이용하였다(Makino et al.
본 GH-RO 융합공정의 소요 에너지는 GH 공정에 전기에너지를 사용했을 경우와 해수열원을 사용했을 경우로 나누어 산정해보았다. 여기서 RO 회수율은 RO 소요 에너지가 최소가 되는 최적 회수율을 적용하였고, 이때의 소요 에너지는 각 소프트웨어 결과들이 거의 차이를 보이지 않았기 때문에 평균을 구해 사용하였다.
RO 회수율이 60% 이상일 때 single-stage 만으로는 설계가 불가능 하였으므로, multi-satge로 설계 하여 베셀을 분배하였다. 여기서 최종 생산수의 TDS 및 보론 농도를 맟추기 위해 BWRO 막 뿐만 아니라 SWRO 막을 부분적으로 사용하였다. 펌프의 압력은 RO 회수율은 증가하고 GH 염제거율은 감소함에 따라 증가하는 것을 볼 수 있는데, 이는 RO 원수와 농축수의 농도 증가로 삼투압이 커졌기 때문이다.
시뮬레이션 결과를 통해 얻을 수 있는 데이터는 최종 생산수 수질과 원수압력이다. 여기서, 생산수의 TDS와 보론 농도는 먹는 물 수질기준에 맞추어 500 mg/l와 1 mg/l 이하가 되게 각각 조정하였다. 그리고 얻어진 원수 압력은 식 (7)을 이용하여 RO의 단위 생산 당 소요 전력 에너지로 산정할 수 있다(Park et al.
(2016)은 최적 RO 회수율을 파악하기 위해 3가지 단계로 나누어 실시하였다. 차례대로 (1) GH-RO 융합공정의 Mass balance 파악, (2) 후단 RO 공정의 원수수질(GH 공정의 생산수 수질) 예측, (3) 예측된 수질조건과 GH 염제거율, RO 공정의 회수율 등 다양한 설계조건을 기반으로 Toray Chemical Korea의 상용 RO 설계 소프트웨어인 CSM Pro를 통해 시뮬레이션 실시로 정리할 수 있다. 본 연구에서는 추가적으로 Dow Chemical의 ROSA, Hydranautics (Nitto)의 IMSDesign 2015 소프트웨어를 통해 Lee et al.

대상 데이터

추가 검증을 위해 실시한 ROSA와 IMSDesign 2015 시뮬레이션에서는 Lee et al.(2016)이 사용한 Toray Chemical 막과 최대한 동일한 사양의 막을 선택하여 진행하였다.
산정된 에너지는 열에너지와 동력 에너지로 분류하였으며, 열에너지는 GH 생성 및 해리에 필요한 냉각과 가열 에너지원, 동력 에너지는 펌프, 벨트프레스 형식 탈수기, 재기화 장치 등의 에너지이다. 계산에는 GH-RO 융합공정의 설계유량 및 제원을 참고하였고, 객체가스로는 다른 가스 대비 비교적 상온, 상압에서 GH 형성이 가능한 R134a 가스를 이용하였다(Makino et al., 2010).
시뮬레이션 결과를 통해 얻을 수 있는 데이터는 최종 생산수 수질과 원수압력이다. 여기서, 생산수의 TDS와 보론 농도는 먹는 물 수질기준에 맞추어 500 mg/l와 1 mg/l 이하가 되게 각각 조정하였다.

성능/효과

GH 염제거율에 따라 RO 에너지가 최소가 되는 최적 RO 회수율은 각각 60% (R_GH=78%), 75% (R_GH=84%), 80%(R_GH=90%)였다. 다만, Toray의 CSM Pro 소프트웨어의 경우 GH 염제거율이 84% 일 때 근소한 차이로 RO 회수율 80%에서 최소점을 나타내었다.
Table 4는 RO 시뮬레이션 결과를 통한 mass balance 데이터를 정리한 표이다. GH의 원수 TDS는 GH 염제거율이 높을수록 감소하는 것을 확인할 수 있다. 이는 RO 농축수와 유입해수가 혼합되어 GH 원수가 되고, GH 생산수가 곧 RO 원수이기 때문이다.
가스하이드레이트 공정의 생산수 수질을 예측하였고 그를 기반으로 시뮬레이션을 실시하여 역삼투 공정의 에너지가 최소가 되는 최적 회수율을 선정하였다. 그 결과 가스하이드레이트 염제거율이 증가함에 따라 최적 회수율은 60%에서 80%로 증가하였고, 최소 역삼투 소요 에너지는 1.39 kWh/m³에서 0.90 kWh/m³로 감소하였다. 다음으로 가스하이드레이트 공정의 소요 에너지 산정 결과 284.
5의 RO 시뮬레이션 결과를 바탕으로 RO 회수율에 따른 RO 에너지를 GH 염제거율 별로 나타낸 것이다. 그래프에는 사용된 소프트웨어 종류에 따른 RO 소요 에너지의 표준편차를 구해 표시하였고, RO 에너지 경향이 크게 차이나지 않는 것을 확인하였다.
90 kWh/m³로 감소하였다. 다음으로 가스하이드레이트 공정의 소요 에너지 산정 결과 284.7 kWh/m³라는 상당한 양의 결과를 얻어 기존의 SWRO 공정과 경제성을 논하기가 난해하였다. 하지만, 가장 큰 비중을 차지하던 냉각과 가열에 필요한 전기적인 에너지를 심층수와 표면 해수열원으로 대체하는 방안을 제시하여 소요 에너지량을 1.
먼저, 전기에너지를 사용할 경우, GH 염제거율 조건에 따라 286.1 kWh/m³(R_GH=78%), 285.9 kWh/m³(R_GH=84%), 285.6 kWh/m³(R_GH=90%)로 산정되어 상당히 높은 에너지량을 보였다. 하지만, 냉각과 가열에 쓰이는 전기에너지를 해수열원으로 대체할 경우, 3.
P)가 동력 에너지에 추가되었다. 산정결과, GH 공정의 최종 에너지는 1.8 kWh/m³으로 전기에너지를 이용하여 산정된 결과와 비교해 대폭 절감되는 것을 확인하였다.
여기서 GH 염제거율 78% 조건에서 RO 회수율이 90%를 넘었을 때, RO 에너지가 증가하는 것은 1 mg/l로 설정해둔 보론 농도를 맞추기 위한 것으로 판단된다. 정리하면 RO 최소 에너지는 GH 염제거율이 78%에서 90%로 증가함에 따라 1.35 kWh/m³에서 0.86 kWh/m³ (CSM Pro), 1.43 kWh/m³에서 0.93 kWh/m³(ROSA), 1.38 kWh/m³에서 0.92 kWh/m³(IMSDesign 2015)로 감소하였다.
최종적으로 본 융합공정의 총 소요 에너지량은 가스하이드레이트 염제거율에 따라 2.70-3.19 kWh/m³로, ERD가 장착된 SWRO 공정과 비교하여도 경제성에서 우위를 가질 수 있다고 판단되었다. 추후 연구로 파일럿 플랜트 실험을 통한 가스하이드레이트 공정의 염제거율과 동시에 생산수의 수질을 파악하여 더 세밀한 경제성 평가가 필요할 것이고, 그를 기반으로 해수담수화 공정으로서의 본 융합공정의 경제성을 면밀하게 판단해 나가야 할 것이다.
7 kWh/m³라는 상당한 양의 결과를 얻어 기존의 SWRO 공정과 경제성을 논하기가 난해하였다. 하지만, 가장 큰 비중을 차지하던 냉각과 가열에 필요한 전기적인 에너지를 심층수와 표면 해수열원으로 대체하는 방안을 제시하여 소요 에너지량을 1.8 kWh/m³까지 현저하게 절감시킬 수 있었다.

후속연구

제안된 공정은 기존에 사용량이 많았던 전기에너지를 부존량이 무한하다고 볼 수 있는 해양심층수 및 해수열로 대체하였기 때문에 에너지 측면에서 경제성을 가질 수 있을 것이다. 뿐만 아니라, 표층해수를 원수로 쓰는 단독 SWRO 공정과 비교해 파울링의 우려를 덜어줄 수 있을 것으로 예상된다.
제안된 공정은 기존에 사용량이 많았던 전기에너지를 부존량이 무한하다고 볼 수 있는 해양심층수 및 해수열로 대체하였기 때문에 에너지 측면에서 경제성을 가질 수 있을 것이다. 뿐만 아니라, 표층해수를 원수로 쓰는 단독 SWRO 공정과 비교해 파울링의 우려를 덜어줄 수 있을 것으로 예상된다.
19 kWh/m³로, ERD가 장착된 SWRO 공정과 비교하여도 경제성에서 우위를 가질 수 있다고 판단되었다. 추후 연구로 파일럿 플랜트 실험을 통한 가스하이드레이트 공정의 염제거율과 동시에 생산수의 수질을 파악하여 더 세밀한 경제성 평가가 필요할 것이고, 그를 기반으로 해수담수화 공정으로서의 본 융합공정의 경제성을 면밀하게 판단해 나가야 할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	GH 세척 및 원심분리 등의 후처리를 통해 염제거율을 상승시킨 이유는?	5%에서 GH 세척 및 원심분리 등을 통해 최대 93%의 제거율을 보이고 있다. 탈수공정을 거치더라도 염분 농축액이 완전히 씻긴 순수 GH를 얻는 것은 쉽지 않기 때문에 세척 등의 후처리를 통해 염제거율을 상승시킨 것이다(Park et al., 2011; Kang et al.
	상온, 상압에 가까운 온도와 압력조건에서 빠른 속도로 많은 양의 GH를 형성할 수 있는 객체가스를 선택하는 것이 기술의 핵심이라 할 수 있다고 본 이유는?	GH는 물분자로 이루어진 격자 내에 객체가 되는 저분자 가스가 포집되어 형성되는 외관상 얼음과 유사한 고체상의 물질로써 저온, 고압조건에서 형성된다. GH 형성에는 순수한 물 분자와 객체 분자만이 반응에 관여하므로, 해수를 이용할 경우에도 순수 물 분자와 객체가스만으로 GH가 형성되게 되고 이후 탈수 공정을 거친 뒤 상온, 저압조건에서 해리되어 담수와 가스로 분리되게 된다. 이렇게 GH 형성과 해리과정에서 자연스럽게 염 성분을 제거시키는 것이 GH를 이용한 해수담수화의 기본 메커니즘이라 할 수 있다. 해당 공정은 객체가스의 종류에 따라 GH 형성 압력과 온도조건이 달리진다. 따라서, 상온, 상압에 가까운 온도와 압력조건에서 빠른 속도로 많은 양의 GH를 형성할 수 있는 객체가스를 선택하는 것이 기술의 핵심이라 할 수 있다(Park et al.
	GH의 특징은?	본 연구는 앞서 소개한 새로운 담수화 공정 중 다소 생소할 수 있는 GH 담수화 기술을 소개하고자 한다. GH는 물분자로 이루어진 격자 내에 객체가 되는 저분자 가스가 포집되어 형성되는 외관상 얼음과 유사한 고체상의 물질로써 저온, 고압조건에서 형성된다. GH 형성에는 순수한 물 분자와 객체 분자만이 반응에 관여하므로, 해수를 이용할 경우에도 순수 물 분자와 객체가스만으로 GH가 형성되게 되고 이후 탈수 공정을 거친 뒤 상온, 저압조건에서 해리되어 담수와 가스로 분리되게 된다.

참고문헌 (22)

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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