| 초록 |
1.분석자 서문 담수화 기술에서 탈탄소화(decarbonisation)는 지속적인 수자원 확보와 기후변화 문제를 완화하는 데 있어서 매우 중요하다. 본 분석물에서는 담수화 과정에서 투입되는 에너지 양을 최소화하여 이상기후 발생 문제를 일으키는 탄소의 발생을 줄일 수 있는 방법에 대해 다루고 있다. 이러한 저탄소 발생 담수화 기술은 연구적인 측면뿐 아니라 기술적인 문제 해결 측면에서도 많은 이익을 가져올 수 있을 것으로 생각된다. 한 예로 수로(water channels)를 생체모방하여 개발한 멤브레인은 에너지 소모를 줄일 수 있지만 높은 유량으로 물을 정화하기 위해서는 새로운 방식의 물질 전달 제어가 필요하기 때문에 제한요소가 될 수 있다. 반면에, 해수담수화 기술인 역삼투 방식(reverse osmosis, RO)과 정삼투 방식(forward osmosis, FO), 그리고 압력지연삼투 방식(pressure-retarded osmosis, PRO)을 하나의 시스템에 적용하면 비록 멤브레인의 파울링(fouling) 문제가 발생할 여지가 생기지만 상당한 에너지 저감 효과를 기대할 수 있다. 해수담수화 기술에 있어서 전처리와 후처리를 효과적으로 진행한다면 해수담수화에 들어가는 순 에너지를 현재의 절반 가까이로 줄일 수 있다. 그러나 이 수준으로 에너지 소모량을 줄이기 위해서는 반드시 고려해야 할 요소들이 있다. 본 분석물에서는 담수화 기술의 에너지 소모를 줄이기 위해 고려해야 할 요소들에 대한 연구 결과를 다루고 있다. 현재의 기술이 거의 이론적 한계에 도달해 있다고 봤을 때, 이러한 연구 결과는 연구적으로나 산업적으로 기여할 수 있고, 관련 분야의 종사자들에게 많은 도움이 될 것이라 생각된다. 2. 목차 1. 개요 2. 본문 2.1. RO기술의 현황 및 탈탄소화 전략 2.2. RO 멤브레인 및 모듈의 개선 2.3. 수처리 기술의 하이브리드화 2.4. 그 외 가능성 있는 방법 2.5. 농업을 위한 저에너지 담수화 3. 분석자 결론 멤브레인을 이용한 해수담수화 기술의 탈탄소화를 위한 방법은 몇 가지 있으나 이를 상용화하기 위해서는 아직까지 해결해야 할 부분이 남아 있다. 먼저, 가장 중요한 문제 중 하나인 바이오파울링을 최소화해야 하는데, 낮은 에너지 소모로 전처리(예를 들어, 중력 기반의 낮은 압력으로 전처리 또는 바이오필터를 이용한 전처리)를 하여 해결해야 한다. 또는 생체모방 기술(예를 들어, 쿼럼 퀀칭 또는 파울링 물질 분산 촉매 효소)을 적용하여 파울링 발생의 최소화 및 지연이 필요하다. 현재 기술로는 장기간의 파울링 억제가 어렵기 때문에 몇 가지 적용 기술을 결합하여 시너지를 낼 수 있도록 해야 한다. 멤브레인의 성능(예를 들어, 투과율) 향상은 상당히 큰 에너지 소모 효과를 낼 수 있다(약 15~20 #37;). 하지만 현재의 기술로는 한계점이 있는데, 이를 달성하기 위해서 수로와 같은 같은 투과율이 높은 멤브레인의 개발이 필요하다. 특히, 연구실 규모의 장치가 아닌 플랜트 규모의 장치로 개발이 되어야 한다. 동시에 투과율 증가를 감당할 수 있는 모듈의 개선도 필요하다. SWRO 기술 기반의 FO 전처리 및 PRO 후처리 설비는 해수담수화에 있어서 에너지 소모를 크게 줄일 수 있는 하이브리드 기술이다. 다만 FO와 PRO 기술에서 발생하는 멤브레인의 파울링 문제는 반드시 고려되어야 할 사항이므로 공정 최적화를 통해 효과적인 제어 전략을 세울 필요가 있다. 본 하이브리드 기술이 안정화가 되면 탈탄소화에 있어서 큰 기여를 할 수 있을 것으로 생각된다(순 에너지 소모가 절반 정도로 줄어들 것으로 판단됨). 다른 관점에서 보면, 재생가능 에너지와 같은 대체에너지원은 해수담수화 기술의 새로운 탈탄소화 방법을 제공한다. 하나의 방법으로 삼투압 배터리가 있다. 본 기술을 성공적으로 완성하기 위해서 두 저장 공간 사이에 발생하는 삼투압을 적절히 활용하는 것이다. 하지만 이 기술을 위한 최적의 염수를 얻기 위해서는 추가적인 처리가 필요하다. 따라서 경제적으로 도움이 되는 기술로 발전하기 위해 배터리에 공급되는 염수를 저에너지로 처리하는 기술의 발달이 요구되는 상황이다. 마지막으로, 많은 양의 물이 사용되는 농업에 있어서 저에너지 담수화는 상당히 중요한 의미가 있다. 현재 FO 기반의 기술은 어느 정도 염분에 잘 버티는 식물(염생식물)을 기르는 곳에서 충분히 활용될 수 있다. 본 분석물은 해수담수화 기술의 에너지 소모를 줄여 탈탄소화할 수 있는 방법에 대한 연구 동향과 향후 진행되어야 할 연구 방향에 대해 다루고 있다. 아직까지 상용화 단계까지는 이르지 못하였지만 계속해서 다양한 시도가 이루어지고 있고, 관련 분야의 지속적인 발전이 기대가 된다. 본 분석물은 해수담수화 기술의 에너지 저감 및 해수담수화 멤브레인 제작 관련 분야를 연구하는 연구자들에게 도움이 되는 논문이라 생각한다. 추가적으로 연구되어야 할 부분이 많은 분야라 보다 개선된 저탄소 발생 해수담수화 기술이 개발되기를 기대해보며 분석문을 마무리하고자 한다. References 1. A.G. Fane, A grand challenge for membrane desalination: More water, less carbon. Desalination (2018), 426, 155-163. 2. M. Elimelech, W.A. Phillip, The future of seawater desalination: energy, technology, and the environment. Science (2011), 333, 712 ndash;717. 3. S.R. Suwarno, X. Chen, T.H. Chong, D. McDougald, Y. Cohen, S.A. Rice, A.G. Fane, Biofouling in reverse osmosis processes: the roles of flux, crossflow velocity and concentration polarization in biofilm development. J. Membr. Sci. (2014), 467, 116 ndash;125. 4. M. Peter-Varbanets, F. Hammes, M. Vital, W. Pronk, Stabilization of flux during dead-end ultra-low pressure ultrafiltration, Water Res. (2010), 44, 3607 ndash;3616. 5. E. Akhondi, B. Wu, S.Y. Sun, B. Marxer, W.K. Lim, J. Gu, L.B. Liu, M. Burkhardt, D. McDougald, W. Pronk, A.G. Fane, Gravity-driven membrane filtration as pretreatment for seawater reverse osmosis: linking biofouling layer morphology with flux stabilization, Water Res. (2015), 70, 158 ndash;173. 6. H.S. Oh, C.H. Tan, J.H. Low, M. Rzechowicz, M.F. Siddiqui, H. Winters, S. Kjelleberg, A.G. Fane, S. Rice, Quorum quenching bacteria can be used to inhibit the biofouling of reverse osmosis membranes, Water Res. (2017), 112, 29 ndash;37. 7. Y. Zhao, C.Q. Qiu, X.S. Li, A. Vararattanavech, W.M. Shen, J. Torres, C.H. Nielsen, R. Wang, X. Hu, X.A.G. Fane, C.Y. Tang, Synthesis of robust and high-performance aquaporin-based biomimetic membranes by interfacial polymerization-membrane preparation and RO performance characterization, J. Membr. Sci. (2012), 423, 422 ndash;428. 8. X.S. Li, S.R. Chou, R. Wang, L. Shi |
