	보 도 자 료

보도시점	2023년 8월 20일(일) 12:00 2023년 8월 21일(월) 조간	배포	2023년 8월 18일(금) 08:30

해수 담수화에 쓰이는 분리막

화학약품 없이 세척한다

- 주기적인 태양 에너지 변화 조건 모사하여 안정적으로 운영 가능한 무약품 분리막 세척 기술 개발

해수담수화 기술 중 막증류 공정은 바닷물을 가열해 발생한 수증기를 소수성 분리막의 공극으로 이동시킨 후, 응축 과정을 거쳐 염분이 배제된 순수한 물을 얻는 기술이다. 최근 막증류 공정에서 태양열을 이용하여 해수를 가열하는 탄소중립적 방법이 시도되고 있다. 그러나 태양열은 낮 4-5시간 정도만 활용이 가능해 장치가 구동하지 못하는 시간에는 해수가 분리막에 접촉한 채로 물이 증발하게 된다. 그 결과 탄산칼슘(CaCO3) 또는 황산칼슘(CaSO4)이 분리막 표면에 쌓이는 막오염이 일어나 담수 생산량이 감소하거나 오염되는 문제가 발생한다.

소수성 (Hydrophobe): 물 분자와 쉽게 결합되지 못하는 성질

공극 (air gap): 물질의 비어있는 공간

막오염: 분리막 표면에 입자, 이온, 유기물, 미생물이 부착되어 분리막내 물 이동 속도가 감소된 상태

한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 물자원순환연구단 정성필 박사팀이 하루 중 변동되는 태양에너지 조건에서도 분리막의 막오염 억제가 가능한 무약품 세척 기술을 개발해 해수담수화 기술의 상용화 가능성을 높였다고 밝혔다.

직접적인 태양에너지 변동을 모사하는 연구는 파일럿 규모의 현장 연구에서 가능하기 때문에 실험실 기반 연구에서는 제한적이다. 따라서 그동안 태양에너지를 이용하는 담수화 연구의 경우 정오의 태양에너지(1 Sun 조건)를 모사하여 열 또는 빛 에너지 공급 차원에서 짧은 시간의 실험이 주로 수행됐다. 반면 KIST 연구진은 인공해수 온도를 1시간에 10°C씩, 8시간 동안 20°C에서 80°C까지 증가 및 감소시킨 후에 16시간 동안 실험실 온도(20°C)에서 방치하는 방식으로 4일(총 96시간) 동안 해수를 농축시키면서 막증류 공정을 간헐 운전하여 하루 중 태양에너지 변동을 실험실에서 모사했다. 그 결과 분리막을 세척하지 않는 조건에서는 하루만 운영해도(해수 농축 배율 1.2배 시점) 막젖음이 발생해 안정적 운영이 불가능한 것을 확인할 수 있었다.

일반적으로 막오염 물질의 세척을 위해서 산, 염기 및 차아염소산 등의 약품을 사용하고, 세척 후에 발생하는 폐수를 처리하기 위한 환경 비용이 추가로 발생한다. KIST 연구진은 화학약품에 대한 작업자의 안전을 확보하고, 폐수 처리 비용을 절감하기 위해 생산된 담수로 분리막을 물리적으로 세척하는 기술을 제안했다. 연구진은 막증류 공정이 중단될 때 분리막과 접촉한 채로 방치되는 농축 해수를 배수하고 생산된 담수로 세정한 후 건조했다. 그 결과 다음 운전 시작할 때 막오염과 막젖음이 발생하지 않는 것을 확인하였으며, 총 96시간, 4회 반복 과정에서도 (해수 최대 2.7배 이상 농축) 분리막의 성능 감소 없이 안정적으로 운영할 수 있음을 확인하였다.

KIST 정성필 박사는 “전기 인프라나 운영비 지원이 부족한 개도국 또는 오지에서 태양열만으로 담수화 시스템을 안정적으로 운용할 수 있을 것”이라며, “앞으로 막증류 공정뿐 아니라 다양한 해수담수화 공정으로 적용이 확장될 수 있을 것으로 기대된다”라고 밝혔다.

과학기술정보통신부(장관 이종호)의 지원으로 KIST 주요사업(미래원천기후환경기술개발사업사업)으로 수행된 이번 연구 성과는 국제 학술지 「npj Clean Water」에 7월 5일 게재*되었다.

* Operational strategy preventing scaling and wetting in an intermittent membrane distillation process

붙임	논문 정보	2. 연구결과 문답	3. 용어설명
	4. 그림 설명	5. 연구진 이력사항

문의	커뮤니케이션팀	관리원	이예은	02-958-6929	yeeun.lee@kist.re.kr
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논문 정보

□ 논문

○ 제목: Operational strategy preventing scaling and wetting in an intermittent membrane distillation process

○ 학술지: npj Clean water

○ 게재일: 2023.07.

○ DOI: 10.1038/S41545-023-00268-4

□ 저자

○ 김혜원 박사 후 연구원(제1저자, 교신저자/KIST 물자원순환연구단), 장암 교수(공저자/성균관대학교 건설환경공학부), 정성필 책임연구원(교신저자/KIST 물자원순환연구단)

□ 내용 요약

○ 연구배경

전 세계적으로 기후변화 및 산업화, 인구증가로 물 부족 문제를 겪고 있음. 전통수자원(강, 호수 등)이 아닌 해수담수화, 하수재이용 등의 비전통수자원에 대한 관심이 증대되고 있음. 특히, 기존의 담수화 공정의 경우, 이온 분리 과정에서 많은 에너지가 필요하며 태양에너지를 활용하는 담수화 공정에 대한 연구가 수행됨. 하지만, 태양에너지는 하루 중 변동이 발생하기 때문에 태양에너지 기반 에너지 절감형 담수화 시스템에서 발생할 수 있는 문제를 사전에 파악하여 대응할 필요가 있음. 따라서, 하루 중 변동하는 태양열에너지를 이용하는 막증류 공정으로 해수담수화를 수행시 발생할 수 있는 막오염 및 막젖음을 파악하는 연구가 필요함.

○ 연구내용

하루 중 변동하는 태양에너지 조건을 모사하여, 유입수 온도가 주기적으로 변동하는 경우의 막증류 시스템의 경우, 지속적으로 온도가 유지되는 막증류 시스템에 비해 막오염 및 막젖음 정도가 심해지는 것을 투수량 변화, 처리수의 전기전도도 변화 및 시각화시스템을 이용하여 확인함. 이는 담수화 공정의 안정성에 영향을 주어서 공정 비용이 증대될 수 있음. 따라서, 하루 중 변동되는 태양에너지 조건에서도 안정적으로 운영이 가능한 분리막 세정 기술을 개발하였음. 하루 동안의 태양에너지 변동 이후, 유입수로 세정한 뒤 배수하고, 분리막 표면을 건조시키는 과정을 적용하였을 때, 지속적으로 안정적인 담수화 공정 운영이 가능한 것으로 판단되었음.

○ 기대효과

전 세계 물부족 문제를 해결하기 위하여 태양열 기반의 담수화 공정 기술 개발이 수행되고 있음. 하루 중 태양열 변동을 모사하였을 때 막증류 기반의 담수화 공정의 성능이 악화되는 것을 실시간 시각화 시스템을 이용하여 확인하였으며, 그에 대응하기 위하여 매일 운전 종료 후 적용가능한 분리막 세정 기술을 개발하였으며, 해당 세정 기술 적용 시 지속적으로 안정적인 물 생산이 가능하였음. 이 기술은 태양열 기반의 담수화 기술 및 간헐적으로 운영되는 분리막 공정의 세정 기술 등에 적용될 수 있을 것으로 판단됨.

연구결과 문답

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

전 세계적으로 물 부족을 겪고 있으며, 전기 에너지 인프라가 부족한 지역의 경우, 태양에너지가 제공될 때만 물공급 시스템이 동작하여 간헐적 운전이 되는 특징이 있다. 태양에너지의 간헐적인 운전 조건에서 막증류 분리막에 발생하는 막오염과 막젖음 현상을 이해하고 안정적인 담수화가 운영이 가능할 수 있는 세정 기술 개발이 필요함.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

주기적으로 변동하는 하루 중 태양에너지 변화를 모사하여 막증류 담수화 실험을 수행하였으며, 그 과정에서 심각한 막오염 및 막젖음 현상이 발생할 수 있는 것을 파악함. 또한, 그 해결 방법으로서 화학약품 사용 없이 배수 및 건조 과정을 거쳐 분리막에서 막오염과 막젖음이 발생이 제어되는 것을 확인하였음.

□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나?

전기 인프라가 없고, 운영비 지원이 없는 개도국 또는 오지에서 태양열만으로 구동이 가능한 담수화 시스템을 운영할 때, 화학 약품 등 비용 소모 없이 최대한 안정적으로 운영이 가능한 운영 기술 개발이 가능함. 앞으로 개발될 다양한 태양에너지 기반 담수화 시스템에 적용하거나 평가할 때에도 활용될 수 있음.

□ 기대효과와 실용화를 위한 과제는?

막증류 공정 뿐만 아니라 solar still, MSF, MED 등 다른 담수화 기술에 대한 평가가 필요함. 실험실 내 유입수 온도변화가 아닌, 실제 태양에너지를 활용하여 계절, 날씨 변동 등 환경 조건을 직접 적용하여 자세한 변동 조건을 확인해 볼 필요가 있을 수 있음.

용어 설명

1. 해수담수화

바닷물로부터 소금성분(Na+, Cl- 등)을 제거하거나, 물만 선택적으로 회수하여 담수를 얻는 기술

2. 막증류

소수성 분리막 양측의 온도차이를 이용하여 수증기를 증발-이동-응축시켜 순수한 물을 얻는 기술

3. 간헐운전

연속적으로 운영되지 않고, 주기적 또는 비주기적으로 운영되는 방식

4. 막오염

분리막 표면에 입자, 이온, 유기물, 미생물이 부착되어 분리막내 물 이동 속도가 감소된 상태

5. 막젖음

막증류 공정에 사용되는 분리막 내부의 공극으로 수증기가 아닌 물이 직접 이동하여 이온이 분리막을 통과하여 막증류 분리막의 이온 제거능력이 상실된 상태

그림 설명

[그림 1] 막증류 기반 담수화 공정 간헐운전 조건

[그림 2] 막증류 기반 담수화 공정 세정 조건 (P1, P2, P3)

[그림 3] 막증류 기반 담수화 공정 물 생산 성능 변화

[그림 4] 막증류 기반 담수화 공정의 막젖음 정도

간헐운영(그림1)되는(Cycle: 8시간 온도를 20-80도로 변화, 16시간 온도 20도로 방치, 총 4 cycle 운영) 막증류 해수담수화 시스템에서, 방치 과정에서 해수를 그대로 두는 조건(P1)의 경우, 막젖음이 3일차에 발생하는 것이 확인됨. 분리막 모듈에서 해수를 단순 배수하는 조건(P2)의 경우, 막젖음은 적게 발생하지만 막오염이 발생하여 분리막 물 생산성능(flux)이 감소함. 분리 막 모듈에서 해수를 배수한 뒤 생산된 순수로 세정하는 조건(P3)의 경우, 바닷물을 2.7배까지 농축하는 과정에서도 안정적으로 성능이 유지되었으며, 막젖음도 발생하지 않음.

[그림 5] 세척 기술 적용 여부에 따른 개념도

연구자 이력사항

정성필 KIST 책임연구원 (교신저자)
인적사항
○ 성명 : 정성필 ○ 소속 : 한국과학기술연구원 기후환경연구소 물자원순환연구단 ○ 전화 : 02-958-6444 ○ e-mail : spjeong@kist.re.kr
학력사항
○ 2012 박사, 서울대학교 에너지시스템공학부 공학박사 ○ 2006 석사, 서울대학교 지구환경시스템공학부 공학석사 ○ 2004 학사, 서울대학교 지구환경시스템공학부 공학사
3. 경력사항
○ 2013 - 2014 박사 후 연구원, MIT 기계공학과 ○ 2022 – 현재 UST 한국과학기술연구원 캠퍼스 에너지환경융합공학 교수 ○ 2016 – 2022 UST 한국과학기술연구원 캠퍼스 에너지환경융합공학 부교수
4. 기타정보
○ 2023 논문상(정성부문) 수상 (한국물환경학회) ○ 2022 Best Editor Award 수상 (적정기술학회) ○ 2018 공로상(논문심사 부문) 수상 (대한상하수도학회) ○ 2018 우수논문발표상(구두) 수상 (대한상하수도학회) ○ 2015 Unsung Hero 상 수상 (한국과학기술연구원)

김혜원 KIST 박사 후 연구원 (제1저자, 교신저자)
1. 인적사항
○ 성명 : 김혜원 ○ 소속 : 한국과학기술연구원 기후환경연구소 물자원순환연구단 ○ 전화 : 02-958-5843 ○ e-mail : hailyn1207@gmail.com
2. 학력사항
○ 2020 박사, 고려대학교 에너지환경정책기술학과 공학박사 ○ 2015 석사, 동국대학교 건설환경공학과 공학석사 ○ 2013 학사, 동국대학교 사회환경시스템공학과 공학사
3. 경력사항
○ 2023 – 현 재 책임연구원, 삼성엔지니어링 환경기술센터 ○ 2020 – 2023 박사 후 연구원, KIST 물자원순환연구단
4. 기타정보
○ 2023 논문상(정성부문) 수상 (한국물환경학회) ○ 2021 우수논문발표상 수상 (한국물환경학회) ○ 2020 신진연구자상 수상 (대한환경공학회)