Pressure Retarded Osmosis Process: Current Status and Future

http://dx.doi.org/10.4491/KSEE.2014.36.11.791 ISSN 1225-5025, e-ISSN 2383-7810

염도차를 이용한 압력지연삼투 공정의 현황과 미래

Pressure Retarded Osmosis Process: Current Status and Future

김지혜․김승현*․김준하^†

Jihye Kim․Seung-Hyun Kim*․Joon Ha Kim^† 광주과학기술원 환경공학부․*경남대학교 토목공학부

School of Environmental Science and Engineering, Gwangju Institute of Science and Technology

*Department of Civil Engineering, Kyungnam University

(Received October 26, 2014; Revised November 4, 2014; Accepted November 19, 2014)

Abstract : 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. Recently, osmotic power, which harvests energy from salinity gradient between seawater and fresh water, is considered as a feasible candidate. Among the osmotic power processes, pressure retarded osmosis (PRO) is widely gaining attention because of no emission of carbon dioxide and less sensitivity to the external environmental conditions.

However, PRO process is facing difficulties such as the lack of specialized PRO membrane and optimization technologies. Therefore, PRO was reviewed in this paper in terms of theoretical background, membrane development, process development and fouling mechanism to provide insights and suggest the future direction of PRO research.

Key Words : Pressure Retarded Osmosis (PRO), Salinity Gradient Energy, Renewable Energy

요약 :

에너지 소비량은 지속적으로 증가하고 있는 반면 사용가능한 부존자원은 한정되어 있어 전 세계적으로 에너지 위기

가 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 활 발히 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 이 산화탄소 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.

주제어 :

압력지연삼투, 염도차 발전, 재생에너지

1. 서 론

급속한 인구 증가 및 산업화에 따른 에너지 소비량 증가 로 인해 화석 연료 고갈이 가속화됨에 따라 가까운 미래에 전 지구적으로 에너지 확보에 심각한 위기를 맞을 것으로 우려된다. 또한 화석 연료의 생산 및 공급에 가장 중추적인 역할을 담당하고 있는 중동 지역의 불안정한 국제 정세는 안정적인 에너지 확보의 불확실성을 더욱 심화시키고 있 다. 이에 따라 지역적 에너지 공급 불균형 해소 및 안정적 이고 원활한 에너지 공급을 위하여 주요 선진국들을 중심 으로 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 전력 의 22.1 %를 신․재생 에너지가 담당하고 있는 것으로 보 고되었다.²⁾ 특히, 오스트리아, 스페인 등에서 그 사용률이 높은 것으로 나타났다.

최근 해수의 삼투압을 이용하여 에너지를 생산하는 새로

운 방식에 대한 관심이 증가하고 있는데, 염도차 발전이라 불리는 이 기술은 기존의 풍력, 태양열 발전과 달리 날씨에 큰 영향을 받지 않고 일정한 에너지 생산이 가능하다는 장 점이 있으며 이산화탄소와 같은 유해 물질을 방출하지 않 는 청정에너지 생산 기술이다.³⁾ 염도차 발전의 종류에는 역 전기투석(Reverse electrodialysis, RED), 압력지연삼투(Pressure retarded osmosis, PRO), Capacitive mixing 등이 있으며, 그 중 압력지연삼투는 염분 농도가 다른 두 용액의 삼투압 차 를 구동력으로 하며 반투막(semi-permeable membrane)을 통하여 저농도에서 고농도 방향으로 투과된 유량이 터빈을 회전시켜 에너지를 생산한다. 미국, 유럽, 싱가포르를 비롯 한 여러 국가에서 연구실 및 파일럿 규모의 연구가 활발히 수행되어 오고 있으나, 아직까지 상용화 단계에는 이르지 못하고 있다. 하지만 최근 제막 기술의 비약적 발전에 따른 막 단가 절감 등에 힘입어 가까운 미래에는 압력지연삼투 기술을 활용한 실제 에너지 생산․공급이 현실화 될 것으로 기대되고 있다.

따라서 본 논문에서는 압력지연삼투 기술의 발전 현황과 한

계를 수학적 모델, 막 개발, 공정 개발, 파울링 연구의 측면에 서 분석해 보고, 이를 통해 상용화시기를 앞당기기 위한 압력 지연삼투기술의 향후 개발 방향에 대해 논의해보고자 한다.

2. 압력지연삼투 막공정의 이론적 배경

막공정에서 물의 이동을 설명하기 위해 사용되는 수학적 모델은 그 특성에 따라 크게 확산 기반 모델(Diffusion based model), 공극 기반 모델(Pore based model), 비가역 열역학 모델(Irreversible thermodynamics model)로 나뉜다. 각 모델 의 특징과 대표적 예를 Table 1에 요약하였다.⁴⁾

역삼투, 정삼투 등 해수담수화 공정에서 가장 널리 사용 되고 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.

w

w w

J D dc

= −

dx

(1)

w w w w w w

w

D c d D c

J RT dx RT x

μ

Δ

μ

= ≈

Δ (2)

Jw는 투과수량[L/m²h], Dw는 막 내에서의 물의 확산계수 (diffusion coefficient of the water in the membrane) [m²/s], cw는 농도(concentration) [mol], R은 이상기체상수[J/K･mol], T는 절대온도 [K], µw는 화학 포텐셜을 의미한다.

막에서의 물의 화학 포텐셜 변화는 식 (3)으로 나타내며, Vw가 압력에 영향을 받지 않을 경우에는 식 (4)와 같아진다.

이 때, 식 (2)의 수투과량은 식 (5)와 같이 나타낼 수 있다. 이 때, aw는 물의 화학적 활성도(chemical activity of water), Vw는 물의 분몰랄 부피(partial molar volume of water) [m³/mol], A 는 수투과도(water permeability) [L/m²･h･bar]를 의미한다.

w

RT

ln

a

w

V

w

P μ

Δ = Δ + Δ (3)

Table 1.

Membrane transport models

Category Features Examples

Diffusion based model

∙

Non-porous membrane

∙

Major transport: Diffusion

∙

Solution-diffusion model

∙

Diffusion-adsorption model Pore

model

∙

Porous membrane

∙

Major transport: Diffusion and convection

∙

Sorption-capillary flow

∙

Pore flow model Irreversible

transport model

∙

Non-porous membrane

∙

Local equilibrium

∙

Kedem-katchalsky model

∙

Spiegler-kedem model

( )

w

V

w

V P V

w w

P

μ π π

Δ = − Δ + Δ = Δ − Δ (4)

( ) ( )

w w w w

D c V

J P A P

RT x π π

= Δ − Δ ≡ Δ − Δ

Δ (5)

한편, 막을 통한 물의 이동을 솔루션-디퓨전 모델로 설명 하는 데에는 몇 가지 한계점이 존재한다. 우선, 실제 분리막 은 100 % 균일하거나 비다공성이 아니기 때문에 확산 뿐 아니라 대류 현상도 물의 이동에 영향을 미칠 수 있다. 또한, 식 (2)가 성립하기 위해서는 막 내에서의 농도분포(concen- tration profile)가 선형(linear)이어야 하는데 용액이 고농도 일 경우에는 이 조건이 충족되지 못할 가능성이 있다. 이러 한 한계점을 갖고 있음에도 불구하고 솔루션-디퓨전 모델 의 단순함과 적용 용이성 때문에 현재까지도 가장 널리 사 용되고 있다.

2.1. 수투과량과 전력밀도(power density)

압력지연삼투 막공정에서 물은 반투막을 통해 저농도 유 입용액(feed solution)에서 고농도 유도용액(draw solution)으 로 투과되며, 그 성능은 솔루션-디퓨전 모델에서 유도된 투 과수량 식 (6)과 단위 면적당 전력밀도 식 (7)로 표현된다.

이 때, 압력지연삼투 공정의 수투과 방향은 역삼투 공정과 반대 방향이므로, 이를 고려하여 식 (5)는 식 (6)과 같이 변 형되었다.

( )

J

w=

A

Δ − Δ

π P

(6)

( )

W

=

J

wΔ =

P A

Δ − Δ Δ

π P P

(7)

이 때 Δπ는 삼투압 차[bar], ΔP는 가해지는 압력[bar], W는 전력밀도[W/m²]를 의미한다.

압력지연삼투 공정에서는 물이 투과되면서 막의 내․외 부에 용질이 농축되는 농도분극현상과⁶⁾ 고농도 유도용액 에서 저농도 유입용액 방향으로의 염 확산에 의해 발생하는 역염투과량(reverse salt flux)에 의해 인해 투과수량이 감소 하여 공정 성능이 저하된다. 이 때 투과수량은 식 (8)과 같 이 나타낼 수 있다.⁷⁾

,

exp( )

,

exp( )

1 exp( ) exp( )

w w

D b F b

w

w w

w

J J S

k D

J A P

J S J

B

J D k

π π

⎧ ⎫

− −

⎪ ⎪

⎪ ⎪

= ⎨ ⎪ ⎪ ⎩ + ⎡ ⎢ ⎣ − − ⎤ ⎥ ⎦ − Δ ⎬ ⎪ ⎪ ⎭

(8)

S t τ

=

ε

(9)

πD,b와 πF,b는 각각 유도용액과 유입용액의 삼투압[bar], k는 물질전달계수(mass transfer coefficient) [m/s], D는 확산계

Fig. 1.

Illustration of concentration polarization in PRO process.

수(diffusion coefficient) [m²/s], S는 막구조 파라미터(mem- brane structure parameter) [m], B는 염투과도(salt permeability) [L/m²h], t는 지지층 두께(thickness of support layer) [m], τ 는 구불기(tortuosity), ε는 다공성(porosity)을 의미한다.

2.2. 외부농도분극(external concentration polarization, ECP)

저농도 용액의 물이 막을 통하여 고농도 용액 방향으로 투과되면서 유도용액을 희석시키는 현상이 발생한다. 이로 인해 막의 활성층(active layer)과 유도용액이 맞닿은 지점 의 농도(CD,m)가 실제 용액의 농도인 CD,b보다 낮아지게 되 며, 이 현상을 외부농도분극이라 한다. 외부농도분극에 의 해 감소한 유도용액의 삼투압은 식 (8)의 exp(-Jw/k) 항으 로 표현된다. 외부농도분극은 막의 지지층(support layer)과 유입용액이 접하는 곳에서도 발생하나 그 영향은 크지 않 아 무시되어 왔다.⁸⁾

2.3. 내부농도분극(internal concentration polarization, ICP)

물이 막을 통해 투과될 때, 유입용액의 염들이 선택적 투 과성을 가진 활성층에 막혀 지지층 내부에 쌓이면서 활성층 과 지지층 경계면의 염분 농도(CF,m)가 증가하는 현상, 즉 내 부농도분극이 발생한다. 투과수량에 미치는 내부농도분극 의 영향은 식 (8)의 exp(JwS/D) 항으로 표현된다.

2.4. 역염투과량

압력지연삼투에 이용되는 막의 염제거율(salt rejection rate) 이 100 %가 아니기 때문에, 물이 투과될 때 고농도 용액의 용질 일부가 막을 통해 저농도 용액으로 이동하는 염의 확 산현상이 발생한다. 이렇게 유출된 염(reverse salt flux)은 지지층 내부에 쌓이게 되어 내부농도분극 현상을 더욱 심화 시키며, 그 영향은 식 (8)의 분모로 표현된다.⁷⁾

Table 2.

History of PRO model development

Authors (Year) Features

Loeb (1976) Development of the first PRO model K. Lee et al. (1981) Consideration of ICP

McCutcheon &

Elimelech (2006) Consideration of ICP and dilutive ECP N. Y. Yip et al. (2011)Consideration of ICP, dilutive ECP and reverse

salt flux

J. Kim et al. (2013) Consideration of spatial distribution of concen- tration and velocity

2.5. 압력지연삼투 막공정 모델 개발 현황

압력지연삼투는 1976년 Loeb이 최초로 압력지연삼투 공 정 성능을 모사하는 수학적 모델을 제시한 이래, 내․외부 농도분극현상, 역염투과량에 의한 영향 등을 추가적으로 고 려하는 형태로 발전해왔다(Table 2). 최근에는 공정의 스케일 업을 대비하여 막 모듈의 길이 방향에 따른 농도 및 유량 변화를 고려한 압력지연삼투 공정 성능 모사가 수행된 바 있 으며,⁹⁾ 지금까지는 그 영향이 무시되어왔던 유입용액의 외 부농도분극을 추가적으로 고려하는 연구도 진행되고 있다.

3. 압력지연삼투 막 개발 현황

압력지연삼투와 정삼투는 각각 에너지와 물 생산을 위한 공정으로 그 목적에 차이가 있지만 삼투현상을 이용한다는 공통점 때문에 두 공정에 이용되는 막은 함께 발달되어 왔 다. 연구 초기에는 정삼투 및 압력지연삼투 전용막의 부재 로 인해 역삼투 막을 이용하였으나, 두꺼운 지지층이 극심 한 내부농도분극을 야기하여 매우 낮은 투과수량을 보이는 것으로 나타났다.¹⁰⁾ 최근 상대적으로 에너지 소모가 큰 역 삼투 방식 해수담수화의 한계를 극복하기 위한 대안으로 정삼투 공정에 대한 관심이 증가하면서 정삼투 전용 분리막 개발이 전 세계적으로 활기를 띄게 되었다. 또한 염도차 에 너지의 적용 가능성에 대한 기대가 높아짐에 따라 압력지연 삼투 공정에 적합한 막 개발로 확장되어 연구되고 있다.

정삼투 및 압력지연삼투 전용막은 평막(Flat-sheet mem- brane)과 중공사막(Hollow-fiber membrane) 형태로 나누어 개발되고 있으며, 세계 주요 연구 그룹별 개발 현황을 다음 에 소개하였다.

3.1. 평막

2000년대 초반까지의 압력지연삼투 평막 연구는 1960년 대 Loeb에 의해 개발된 비대칭형 셀룰로오스 아세테이트 (Cellulose acetate, CA) 막과 Hydration Technology Innovation (HTI, Albany, OR)에서 판매하는 상업용 셀룰로오스 트리 아세테이트(Cellulose triacetate, CTA) 막을 중심으로 이루 어졌다. 2012년 이후 막 개발은 더욱 활발하게 이루어졌으 며, 물 생산이 아닌 에너지 생산을 목적으로 하는 압력지연 삼투 공정의 특성을 반영하여 일정 염 제거율을 유지하면

Table 3.

Flat-sheet membrane development for PRO

Membrane Pressure*

[bar]

Power den- sity [W/m²]

Draw solution

Feed solution Ref.

PA-PSf TFC 12 10 0.5 M NaCl 40 mM NaCl 11) Matrimid

single layer TFC

15.2 12 1.0 M NaCl DI water 17)

PAN-TFC 10 2.6 3.5 wt%

NaCl DI water 21) PAN-mTFC

(RO-like) 1.03 8 0.5 M NaCl DI water 20) PAN-pTFC

(NF-like) 0.86 6.2 0.5 M NaCl DI water 20)

* Test runs conducted under pressurized condition are only tabulated.

서 물 투과도를 향상시키는 연구가 중점적으로 수행되었 다. 현재, 미국의 Elimelech, M. 과 McCutcheon, J. R. 연구 팀, 싱가폴의 Chung, T. S.와 Tang, C. Y. 연구팀 등이 평막 개발을 주도하고 있으며, 대표적인 압력지연삼투 평막 개 발현황을 Table 3에 요약하였다.

2011년 미국 예일대학교 Elimelech, M. 연구팀은 폴리아 마이드(PA)계 초박형 복합막(Thin-film composite membrane) 제조 기술을 바탕으로 내부농도분극 최소화를 위한 다공성 지지층 합성 연구를 진행하였으며 손가락 구조(finger-like) 와 스펀지 구조(Sponge-like)를 조합 시 막의 성능이 향상됨 을 관찰하였다.¹¹⁾ 같은 해, 미국 코네티컷 대학교 McChutcheon, J. R. 연구팀은 전자방사법을 이용하여 지지층을 합성한 나 노지지형 폴리아마이드계 초박형막(Nanofiber supported- polyamide composite membranes)을 개발하였다.¹²⁾ 2012년 사우디아라비아 KAUST의 Gary A. 연구팀과 싱가폴 국립 대학교의 Chung T. S. 연구팀은 친수성의 설폰화 폴리설폰 (Sulphonated polysulfone, SPSf)과 소수성 물질인 폴리설폰 (Polysulfone, PSf)을 혼합하여 다공성 층의 물리화학적 성질 을 개선하는 연구를 공동으로 수행하였으며,¹³⁾ 또한 Chung, T. S. 연구팀은 지지층에 친수성의 셀룰로오스 아세테이트 프로피오네이트(Cellulose Acetate Propionate, CAP)나 설폰 화 폴리에터케톤(Sulphonated polyether ketone, SPEK)을 사 용하는 초박형 복합막 합성 연구도 수행하였다.^14,15) 일정 염제거율을 유지하면서 수투과도를 높여 압력지연삼투 공 정의 성능을 향상시키기 위한 노력은 2013년 이후에도 꾸 준히 계속되고 있다. McCutcheon J. R. 연구팀은 폴리아크 릴로나이트릴(Polyacrylonitrile, PAN)과 셀룰로오스 아세테 이트를 혼합하여 전자방사 기법을 활용한 PAN/CA-PA 초 박형 복합막을 개발하였고,¹⁶⁾ Chung T. S. 연구팀은 친수성 매트리미드(Matrimid)와 폴리아크릴로나이트릴 합성물을 지 지층으로 사용한 초박형 복합막 및 폴리아마이드이미드 (Polyamide-imide, PAI) 활성층의 초박형 복합막 개발을 통 해 높은 전력밀도를 갖는 압력지연삼투 전용막을 개발하고 자 하였다.^17,18)

한편, 최근 나노기술의 발전과 더불어 막 합성에 나노 물 질을 이용하여 수투과도를 증가시키고자하는 연구가 활발

히 진행되고 있다. 싱가폴 난양공과 대학교 Tang C. Y. 연 구팀은 폴리설폰-나노복합물질(Polysulfone-nanocomposite, PSfN)을 지지층으로 한 초박형 복합막을 개발하였고,¹⁹⁾ McCutcheon J.R. 그룹은 폴리아크릴로나이트릴 활성층과 나 노물질이 첨가된 지지층을 합성한 초박형 나노 복합막을 압력지연삼투 공정에 적용하는 연구를 진행하였다.²⁰⁾

3.2. 중공사막(Hollow-fiber membrane)

중공사막 개발도 평막과 마찬가지로 일정 염제거율을 유 지한 채 수투과도를 높이는 방향으로 연구가 진행되고 있 으며 주로 지지층의 변화를 통해 성능을 향상시키고 있다.

평막의 경우 폴리아마이드 활성층을 선호하는 반면 중공사 막에서는 폴리벤즈이미다졸 활성층이 선호되고 있으며, 활 성층의 위치(내부활성: inner-selective 혹은 외부활성: outer- selective)에 따른 영향도 연구되고 있다. 압력지연삼투 전 용 중공사막 개발은 2012년 이후 본격적으로 이뤄졌으며, 싱가폴에서 가장 활발하게 진행되고 있다. 대표적인 압력 지연삼투 중공사막 개발현황을 Table 4에 요약하였다.

2012년 싱가폴 난양 공과대학교 Fane A.G. 연구팀에서는 폴리에테르설폰 지지층의 초박형중공사막을 합성하였으며,²²⁾ 2013년에는 초박형 중공사막의 내압력성 향상을 통해 성능 을 크게 향상시켰다.²³⁾

같은 해, Chung T.S. 교수 연구팀에서는 외부활성층으로 소량의 Polyhedral oligomeric silsesquioxane (POSS)이 첨가 된 폴리벤조이미다졸을 사용하고 내부 지지층으로 폴리아 크릴로나이트릴(Polyacrylonitrile, PAN)과 폴리비닐피로리 돈(Polyvinylpyrrolidone, PVP)을 사용하는 이중층 중공사막 을 합성하였으며²⁴⁾ 폴리아마이드 활성층과 매트리미드 지 지층의 초박형 중공사막도 개발하였다.²⁵⁾ 2014년에도 계면 중합 시 도데실황산나트륨(Sodium dodecyl sulfate, SDS)을 첨가하여 22 bar까지 견디는 중공사막, 방사기법을 활용한 압력지연삼투 전용 내부활성 초박형 복합중공사막, 초박형 삼중공사막(Tri-bore thin film composite hollow fiber), 스폰 지 형태로 변형된 폴리에테르설폰 지지층을 갖는 초박형 복합중공사막 등이 개발되었다.^26~29) 한편, 국내에서는 한국

Table 4.

Hollow-fiber membrane development for PRO

Membrane Pressure*

[bar]

Power den- sity [W/m²]

Draw solution

Feed solution Ref.

PES-TFC 8.4 47.2 1.0 M NaCl 10 mM NaCl [22]

PEI-TFC 15.1 18.7 1.0 M NaCl 10 mM NaCl [23]

2%

SDS-TFC 22 15.79 1.0 M NaCl DI water [26]

Matrimid-

TFC 15 14.4 1.0 M NaCl 10 mM NaCl [27]

Modified

PES TFC 20 24.3 1.0 M NaCl DI water [29]

P84 TFC 21 12 1.0 M NaCl DI water [31]

5% MPD

PES TFC 6 1.62 0.6 M NaCl DI water [30]

* Test runs conducted under pressurized condition are only tabulated.

Fig. 3.

Prototype RO-PRO hybrid plant (Fukuoka, Japan).

³⁶⁾ 에너지기술연구원에서 여러 계면중합 방법을 적용하여 압 력지연삼투 공정에 적합한 폴리에테르설폰 중공사막을 합 성하는 연구를 진행하고 있다.³⁰⁾

4. 압력지연삼투 공정 발전 현황

1954년 Pattle이 담수와 염수를 혼합하여 에너지를 추출해 내는 아이디어를 최초로 제시한 이래로 압력지연삼투 기술 은 발전을 거듭해오고 있다. 특히, 1975년에 ‘Pressure retarded osmosis’라는 용어를 처음으로 제시했던 Loeb은 압력지연삼 투 연구 기반 확립에 큰 공헌을 하였다. 2000년 이후 본래 역삼투 방식 담수화 공정을 위해 고안된 압력회수장치(energy recovery device)를 압력지연삼투에 도입함으로써 소비 에너 지를 저감할 수 있는 가능성이 높아졌으며,³²⁾ 이로 인해 공

Fig. 2.

First prototype PRO plant constructed by Statkraft (Tofte, Norwary).

정 개발 및 연구가 더욱 활기를 띄게 되었다. 현재, 압력지연 삼투 공정 연구는 크게 단독 공정(Stand-alone process)과 조 합 공정(hybrid process) 두 가지 형태로 진행되어 오고 있다.

최초의 압력지연삼투 프로토타입 플랜트는 2009년 노르 웨이의 Statkraft사에 의해 단독 공정 형태로 건설되었다 (Fig. 2). Statkraft사는 1986년 설립된 노르웨이의 전력회사 로 수력․소수력 등 물과 관련된 에너지 생산을 주 사업 영 역으로 하며 풍력․가스․바이오매스 등 다양한 신재생 에 너지 관련 사업도 수행하고 있다. 건설 당시 10 kW의 전력 생산을 목표로 했던 Tofte의 프로토타입 플랜트는 총 막 면 적 2000 m²의 나권형(Spiral-wound) 막 모듈을 적용하였으 며, 유입용액으로 강물, 유도용액으로 해수를 이용하여 평 균 전력밀도 약 3 W/m²를 얻었다.³³⁾ Statkraft 사는 유럽연 합 집행위원회(European Commission)로부터 재정지원을 받 아 염도차 발전의 경제성을 분석하는 연구를 수행한 이래 로³⁴⁾ 압력지연삼투에 대한 국제적인 관심 유도 및 기술적 발전을 선도해왔다. 하지만, 2013년부터 진행 예정이던 2 MW 파일럿 플랜트 건설을 앞두고 2012년 말 갑작스럽게 관련 사업의 중단을 발표하였다.³⁵⁾

노르웨이를 제외한 일본, 미국, 한국 등의 국가에서는 타 해수담수화 공정과 연계한 형태의 조합 공정 연구가 활발 하게 진행되고 있다. 특히, 역삼투 공정에서 발생되는 농축 수를 압력지연삼투 공정에 재이용하는 역삼투-압력지연삼 투 조합 공정(RO-PRO hybrid process)에 대한 연구가 가장 큰 관심을 얻고 있다. 역삼투-압력지연삼투 조합 공정은 역 삼투 공정 부산물인 농축수의 해양방류로 인해 야기되는 환 경 문제를 저감할 수 있고, 고농도의 농축수를 압력지연삼투 의 유도용액으로 이용함에 따라 삼투압차가 증가하여 최종

Fig. 5.

Diagram of the RO-MD-PRO hybrid plant (Korea).

적으로 전체 공정 효율을 증가시킬 수 있을 것으로 기대된다.

일본에서는 2010년 시작된 ‘메가톤 물 시스템(Mega-ton water system)’ 프로젝트의 일환으로 프로토타입 역삼투-압 력지연삼투 조합 플랜트가 건설 및 운영되었다. 역삼투, 압 력지연삼투, 하수처리 시스템의 연계를 목적으로 하였으며 공정도는 Fig. 3과 같다.³⁶⁾ 후쿠오카에 위치한 프로토타입 압력지연삼투 플랜트는 유입용액으로 한외여과(Ultrafiltration) 및 저압 역삼투를 거친 420 m³/d의 하수처리수, 유도용액 으로 해수가 원수(feed water)인 역삼투 농축수 460 m³/d를 이용하며, 10 인치 중공사막 모듈 8개를 장착하여 최대 전 력밀도 13 W/m²를 얻었다고 발표되었다.³⁷⁾

미국의 역삼투-압력지연삼투 조합 공정 연구는 남가주대 학교(Universiy of Southern California) Amy E. Childress 연 구팀이 주도적으로 수행해왔으며, 최근 파일럿 시스템 운 전 결과를 발표하였다.³⁸⁾ 막 면적 2.8 m²인 3개의 나권형

Fig. 4.

Diagram of the RO-PRO hybrid process (U.S.A).

³⁸⁾

역삼투 막모듈(SW30-2540, Dow Film Tec, Midland, MI)과 Oasys water에서 개발된 막 면적 4.18 m²의 4040 나권형 압 력지연삼투 막모듈이 파일럿 시스템에 적용되었으며, 공정 개념도는 Fig. 4와 같다. 또한, 역삼투 단독 공정, 압력회수 장치가 있는 역삼투 공정, 역삼투-압력지연삼투 조합 공정 의 성능을 비교하는 연구도 수행하였으며, 역삼투-압력지연 삼투 통합공정의 평균 전력밀도는 1.1~2.3 W/m²인 것으로 보고되었다.

한국은 2013년 6월 국토해양부의 지원을 받는 글로벌 MVP 연구단(연구단장: 경남대학교 김승현 교수)이 발족되면서 압력지연삼투 공정 연구에 전환점을 맞게 되었다. 56개의 대 학, 51개의 연구기관과 34개의 기업이 참여하고 있는 5년 과제이며, 역삼투-막증발-압력지연삼투 조합 플랜트(RO-MD- PRO hybrid plant) 구축 및 운전을 통해 방류되는 농축수의 농도 및 유량 저감, 에너지 회수를 통한 전체 공정 소모 에 너지 저감, 유가자원 회수 등을 최종 목표로 한다. 이를 위 해, 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. 5).

5. 압력지연삼투 공정의 막오염(fouling) 연구 현황

분리막을 기반으로 하는 수처리 및 해수담수화 공정에서 불가피하게 발생하는 막오염은 수투과량을 저감시키고 소 모 에너지를 증가시키는 등 전체 공정의 성능 저하를 야기 한다. 막오염은 그 원인 물질에 따라 유기물 막오염(organic fouling), 무기물 막오염(inorganic fouling), 미생물 막오염(bio fouling), 콜로이드성 막오염(colloidal fouling)으로 분류되 며, 주로 오염물질이 공극 내부에 흡착되어 발생하는 공극 협소화(pore narrowing), 오염물질에 의해 공극이 막히는 기

Fig. 6.

Mechanism of membrane fouling.

Table 5.

Category of membrane fouling

³⁹⁾ Fouling

category

Responsible constituent

Major

mechanism Cleaning method Organic

fouling

Natural organic matter (NOM)

Pore narrowing, Gel formation

∙

Pretreament with oxi- dant and coagulant

∙

Chemical cleaning Inorganic

fouling

Metal oxides, Calcium sulfate

Pore narrowing, Gel formation

∙

Pretreament with oxi- dant and coagulant

∙

Chemical cleaning Bio-

fouling

Bacteria, Microorganisms

Pore narrowing, Pore plugging,

Gel formation

∙

Pretreament with oxi- dant

∙

Chemical cleaning Colloidal

fouling

Suspended solids, Colloids

Pore narrowing, Pore plugging

∙

Hydraulic cleaning

∙

Chemical cleaning

공 폐쇄(pore plugging), 오염 물질이 막 표면에 쌓이는 겔 형 성(gel formation)의 메커니즘을 통해 발생된다(Fig. 6). 유기 물 막오염, 무기물 막오염, 미생물 막오염, 콜로이드성 막 오염을 일으키는 주요 물질과 막오염 발생 원리 및 효과적 인 세정 방법을 Table 5에 요약하였다.

압력지연삼투 공정에서도 다른 막 기반의 수처리․해수 담수화 공정과 마찬가지로 막오염 현상에 의한 공정 성능 저하가 발생하지만, 막오염 특성은 타공정과 다르게 나타 난다. 예를 들면, 활성층 위에 오염 물질들이 축적되는 역삼 투나 정삼투 공정과 달리 압력지연삼투 공정에서는 지지층 의 외부와 내부 모두에서 막오염이 발생한다. 이는 압력지 연삼투 공정에서 막의 지지층이 오염물질을 주로 포함하고 있는 유입용액에 위치하기 때문에 물이 투과될 때 오염물 질이 지지층 표면과 더불어 지지층 내부까지 침투하기 때 문이다(Fig. 7).

압력지연삼투 공정의 막오염은 현재 연구 초기 단계로서 총 4편의 논문이 학계에 보고되었으며, 막 개발과 마찬가 지로 싱가폴과 미국에서 관련 연구가 활발하게 이루어지고 있다. 홍콩대학교의 C. Y. Tang (前 소속, 싱가폴 난양공과대 학교) 연구팀에서 알긴산염(Alginate)에 의한 막오염과 석 고(Gypsum)에 의한 스케일링 현상을 연구하였고^40,41) 노르 웨이 연구기관인 SINTEF에서 유입용액의 수질 조건과 막

Fig. 7.

Membrane fouling in PRO process.

⁴⁰⁾

종류에 따른 천연유기물질 막오염을 연구하였다.⁴²⁾ 한편, Elimelech, M. 연구팀에서는 스와니강 천연유기물질(Suwannee river natural organic matter, SR-NOM)에 의한 막오염 및 삼투역세정(osmotic backwash) 관련 연구를 수행하였다.⁴³⁾

6. 압력지연삼투 공정의 상용화를 위한 미래 연 구개발 방향

압력지연삼투 연구 초기에는 매우 낮은 전력밀도 때문에 그 전망이 밝지 않을 것으로 예측되었으나, 최근 제막 및 공정 기술의 비약적 발전으로 실제 도입가능성이 높아지고 있다. 하지만 압력지연삼투 공정이 상업적으로 이용되기 위 해서는 여전히 극복해야 할 과제들이 존재한다(Fig. 8).

6.1. 압력지연삼투 막․모듈 성능 개선

압력지연삼투의 전력밀도를 높이기 위해서는 높은 수투 과도와 낮은 염투과도, 낮은 막구조 파라미터 값을 갖는 막 의 개발이 필수적이며 이 세 가지 파라미터의 상관관계를

Fig. 8.

R&D niches in PRO process.

⁴⁴⁾

Fig. 9.

Relations of A, B, and S parameter in PRO process.

⁴⁵⁾

Fig. 10.

Innovative module design for FO and PRO process.

⁴⁶⁾

(a) Schematic of four possible RO-PRO hybrid configurations

(b) Contour plots of WERR under various operating conditions

Fig. 11.

Simulation result of RO-PRO hybrid process.

⁹⁾

모사한 결과는 Fig. 9와 같다.⁴⁵⁾ 한편, 높은 성능을 보이고 있 는 실험실 규모 합성막들의 성능을 모듈에서도 유지하기 위 해 압력지연삼투 전용 모듈 디자인 개발 및 기존 해수담수 화 모듈 디자인 개선의 필요성이 논의되고 있다. 2012년 고 려대학교의 홍승관 교수와 광주과학기술원의 김준하 교수는 새로운 방식의 정삼투 및 압력지연삼투 모듈 디자인(Fig. 10) 을 제시하였으며,⁴⁶⁾ 기존 모듈과의 성능을 비교하기 위한 연구도 수행하고 있다.

6.2. 압력지연삼투 막오염 저감을 위한 적합한 전처리 선정 압력지연삼투 공정에서 유도용액으로 주로 사용되는 해수 나 유입용액으로 주로 사용되는 하수처리수 및 강물에는 다 량의 유․무기 오염물질이 포함되어 있기 때문에 막오염에 의한 성능 저하가 발생하기 쉬운 환경이다. 따라서 장기간 운전 시의 막오염 저감 및 전체 공정성능 향상을 위해서 유 도용액․유입용액별 특성을 고려함과 동시에 비용을 최소 화할 수 있는 전처리 공정의 선정이 매우 중요하다. 또한 막

Fig. 12.

Optimal layout of RO-PRO hybrid process by superstructure optimization.

⁴⁷⁾

오염에 의한 성능 저하를 예측하고 이를 제어하기 위한 연 구도 반드시 수행되어야 한다.

6.3. 압력지연삼투 공정 최적화

압력지연삼투 공정에서 높은 전력밀도를 얻기 위해서는 고성능 전용막 개발, 적절한 전처리 기술의 선정도 중요하 지만 공정 운전 파라미터의 최적화도 매우 중요하다. 특히, 공정 내에 유도용액과 유입용액의 두 가지 흐름이 존재하기 때문에 적합한 흐름 방향(flow direction)과 유량(flow rate) 의 선정이 필수적이다.

한편, 일본, 미국, 한국에서 활발하게 연구되고 있는 압력 지연삼투 조합공정의 경우에는 타 공정과의 연계성을 고려 하여 최적 운전 파라미터를 선정해야 한다. 2013년 한국에 서 다양한 배열의 역삼투-압력지연삼투 조합공정에서 유입 수 농도, 역삼투․압력지연삼투 운전 압력에 따른 공정 효 율을 새로운 지표(Water and Energy Reterun Rate, WERR) 를 이용하여 비교하는 연구되었으며(Fig. 11),⁹⁾ 최근에는 혼 합 정수 비선형 계획법(Mixed integer nonlinear programming, MINLP) 모델 개발을 통한 역삼투-압력지연삼투 조합공정 의 상부구조 최적화(Superstructure optimization) 연구가 아 랍에미레이트에서 수행되었다(Fig. 12).⁴⁷⁾

7. 결 론

전 세계적인 에너지 위기를 해소하기 위하여 여러 종류 의 대체에너지들이 개발되고 있다. 현재 많이 사용되고 있 는 바이오매스, 태양열․광, 풍력, 파력 등은 이차오염을 발생시키거나 날씨 및 계절적 의존성이 높아 지속적인 에 너지 생산이 불가능하기 때문에 이러한 단점을 극복할 수 있는 새로운 기술에 대한 니즈가 매우 높다. 염도차 발전의 한 종류인 압력지연삼투 공정은 이산화탄소를 발생시키지 않고, 무한한 수자원을 이용하여 날씨와 무관하게 지속적 인 에너지 생산이 가능하다는 점에서 관심을 얻고 있다. 또

한 담수화를 목적으로 이미 널리 사용되고 있는 역삼투 공 정과 밀접한 연관이 있는 기술이기 때문에 실제 도입에서 안정화까지의 시간 소모를 절약할 수 있을 것으로 기대된 다. 비록 앞에서 언급했듯이 압력지연삼투 전용 막․모듈 개발, 막오염 저감, 전처리 및 전체 공정 최적화 등이 선행 되어야 하지만, 이 분야 전문가인 Toray의 Masaru Kurihara 와 IDE의 Boris Liberman 등은 유도용액으로 해수농축수를 사용하는 경우 이미 경제성이 있기 때문에 지금도 상용화가 가능할 것이라고 전망하였다.⁴⁸⁾

현재, 전 세계적으로 압력지연삼투 공정에 대한 관심 및 투자가 지속적으로 증가하고 국제공동연구도 활발하게 진 행되고 있기 때문에 가까운 미래에 기술상업화가 가능할 것 으로 예상되며, 이를 통해 오염물질의 배출이 없고 지속적 인 에너지 생산이 가능한 미래 기술 확보가 가능할 것으로 기대된다.

Acknowledgement

본 연구는 국토교통부 플랜트연구개발사업의 연구비지원 (과제번호 13IFIP-B065893-01)과 2011년도 정부(교육부)의 재원으로 한국연구재단-글로벌 박사 펠로우십사업의 지원 (NRF-2011-0007225)을 받아 수행된 연구입니다.

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