분리막 기술 (Membrane technology) (2)

안녕하세요.

똥물 정화하는 @chromium 입니다.

SP 임대해주신 @oldstone 님과

좋은 활어 작품 선물해주신 @tata1 님께 감사의 말을 전해드립니다.

---

이전 글

분리막 기술 (1) - 분리막의 기본 개념

---

지난 포스팅에서는 분리막 공정의 기본 개념과

분리막의 공극 크기에 따른 막의 구분을 알아보았습니다.

이번 포스팅에서는 역삼투 공정 (Reverse osmosis, RO)의 장단점,

정삼투 공정 (Forward osmosis, FO)과

압력지연삼투 공정(Pressure retarded osmosis, PRO)에 대하여

알아보도록 하겠습니다.

---

먼저 삼투 현상(Osmosis)에 대해서 알아보겠습니다.

식물이 어떻게 물을 흡수하는지

혹은 배추를 절일 때 소금을 뿌리면 왜 숨이 죽는지

생각해보면 빠릅니다.

image source from K-water

반투과성 막을 사이에 두고

농도가 낮은 쪽에서 농도가 높은 쪽으로

농도를 맞춰주기 위해 물이 이동하는 현상입니다.

반투과성 막(semi-permeable membrane)은 세포막과 셀로판지 처럼

큰 입자는 통과하지 못하고 물과 같이 작은 분자만 통과 가능한 막을 말합니다.

---

이번에는 삼투압(Osmotic pressure)과

역삼투 공정(RO)의 관계를 알아보겠습니다.

삼투압은 삼투현상에 의해 발생하는 압력을 의미합니다.

image source from Aqua-chem(https://aqua-chem.com)

좌측 그림의 U자관을 보면 반투막 기준 오른쪽 고농도의 용액이

수면의 높이가 높습니다.

왼쪽 저농도(물)의 높이가 낮죠.

이 높이의 차이가 삼투압 입니다.

그렇다면 강제로 삼투압 이상의 압력을 가해서

우측 그림처럼 눌러주게 된다면 어떻게 될까요?

순수한 물분자만 왼쪽으로 이동하고

오른쪽 바닷물(해수)은 농축이 되겠지요.

이렇게 농축된 해수를 RO농축수 라고 부르고, 2배이상 짠 바닷물

우리는 민물(담수)을 얻을 수 있습니다.

얻어진 담수는 증류수와 거의 동일한 상태라고 봐도 무방할 정도로 깨끗합니다.

---

여기서 우리는 RO의 단점을 몇가지 예측할 수 있습니다.

첫째로 해수의 삼투압(30Bar; 약 3 기압) 이상의 구동 압력이 필요합니다.

물을 끓여서 해수담수화 하는 것 보다는 덜 하지만

그래도 에너지가 많이 필요합니다.

두번째로 두배인 6기압을 충분히 버티는 튼튼한 막을 만들어야 합니다.

일반적으로 개발되는 막에는 추가적인 지지체와

아래와 같이 고압을 버틸 수 있는 복잡한 구조가 필요합니다.

나권형 역삼투막 (spiral-wounded RO membrane)

세번째로는 막 오염 (fouling)이 있습니다.

고압으로 눌러주니 입자들이 막에 달라붙고 공극을 막게 되는 현상입니다.

미생물로 오염된 역삼투막 (RO membrane bio-fouling)

그외에 생성된 고농도의 RO농축수 처리 문제,

물 맛의 문제 등등이 있습니다만,

이와 관련된 것은 다음 포스팅에 논란점과 같이 서술하겠습니다.

---

그렇다면 이와 같은 역삼투 공정의 단점을 해결하는 방안이 없을까?

하는 의문점에서 시작한 연구가 있으니

바로 정삼투 공정(Forward osmosis, FO)!!

정삼투는 자연의 법칙을 거스르는 역삼투와 달리

구동 압력은 0에 가깝고, 필요한 에너지도 1/10 수준입니다.

역삼투와 정삼투의 비교

정삼투 공정은 초 고농도의 용액 (draw solution)을 만들어

기존의 고농도용액(해수)에서 초 고농도의 용액으로

물분자가 이동하도록 만드는 공정입니다.

자연적으로 발생하는 삼투압을 이용하기 때문에

복잡한 구조의 튼튼한 막이 필요가 없습니다.

구동 압력이 낮아서 막 오염이 덜합니다.

그렇다면 생기는 의문점...

응? 초고농도 용액에서는 어떻게 담수를 뽑아낼껀데???

여기서 약간의 에너지가 필요합니다.

물을 데워야해. 36도씨 까지

왜?

넣어 주는 물질인 NH₄HCO₃가 36도씨 에서 분해돼서 날아가니까!

NH₄HCO₃ -> NH₃ + CO₂ + H₂O

source from wikipedia

그런데 NH₃ 는 암모니아잖아? 물에서 화장실 냄새 나겠네...

응... 아직 이런 개념이 있다고 까지 밖에 연구가 진행이 안됐어....

따라서 FO를 실용화 하기 위한 연구는

더욱 낮은 온도에서 분해되는 적당한 염을 찾고

2차 처리(암모니아 제거) 등이 필요없는 방향으로 진행중입니다.

---

마지막으로 분리막 기술이 하나 남았네요.

에너지를 만들어내는(!) 분리막 기술

압력지연삼투 (Pressure retarded osmosis, PRO)!!

와 이름도 PRO, 역시 분리막 기술의 프로

PRO의 장치는 FO와 같습니다.

똑같이 초고농도 용액이 필요합니다.

근데 어떻게 에너지를 만드느냐?

image source from google image

FO 장치에서 뚜껑을 덮어 물이 못 빠져나가게 합니다.

물은 계속해서 삼투압에 의해

초고농도쪽으로 이동하려고 하니까 내부에 압력이 생기겠죠?

그럴때 물 빠져나가는 구멍을 하나 내주면?

수력 발전처럼 발전기를 돌릴 수 있는 수압이 생기는 겁니다.

근데 왜 나는 못들어 봤지?

한군데 있으니까... 노르웨이 Statkraft 사, 스타크래프트 아니야...

노르웨이의 국영 수력발전기업 입니다.

FO와 같이 연구 중에 있지요.

---

결국 FO와 PRO도 염이 지속적으로 소모 된다는 단점에서는 자유롭지 못합니다.

하지만 에너지 및 유지 측면에서는

RO 플랜트보다 훨씬 저렴하게 운영이 가능합니다.

차세대 분리막 기술로 불리는 만큼 많은 연구분야가 남아 있습니다.

다음 포스팅에 계속...