Desalination Plant

정삼투법(FO)

1. 정삼투법(FO; Forward Osmosis)

정삼투법(FO)은 역삼투법(RO)과 마찬가지로 멤브레인을 사용하여 해수 등에서 담수를얻는 방식으로 역삼투법(RO)과 다르게 고농도의 유도용액으로 삼투압을 유발시켜 담수를 얻는 방식이다. 즉 멤브레인을 사이에 두고 고농도의 유도용액을 해수와접하게 하여 삼투현상으로 해수중의 담수를 유도용액으로 흡수시킨 후 유도용액에서 담수를 분리시키는 방식이다.
유도용액은 점차 해수중의 담수를 흡수하여 농도가 낮아지면, 분리/농축하여 담수를 생산하고 고농도의 유도용액으로 환원하여 재사용한다.
정삼투방식은 자연적인 삼투현상을 이용하는 방식으로 외부 압력을 가하는 역삼투방식에 비해 해수에서 담수를 추출하는 에너지 비용은 낮다. 반면 유도용액을 저농도에서 고농도로 환원하기 위해서는 새로운 에너지가 필요하다.

Reverse Osmosis(RO) vs Forward Osmosis(FO)

1) 정삼투법의 특징

막모듈 시스템에서 고압에너지 불필요하여 에너지 소비율이 0.5kWh/m3 이하로 역삼투방식에 비해 현저히 적다.
회수율이 80% 이상이기 때문에 농축수 배출량이 적다
막모듈 시스템에서 고압에너지가 불필요하다.
저압에서 운전하여 Fouling이 적다.
정삼투 공정은 유도용액의 선정에 따라 폐수처리, 농축공정 등 다양한 시스템에적용이 가능하다.
깨끗한 식수가 없는 오지 등에서 비상 식수용 팩으로 개발 이용되고 있다.
R공정에서는 담수 생산 즉시 사용 가능, 반면 F공정에서는 유도용액에서 담수를 분리하는 공정이 필요하다.

2) 유도용액의 선정

높은 삼투압을 낼 수 있는 물질 (일발적으로 물에 대한 용해도가 높을 수록 좋다.)
물과 분리가 쉬운 물질 (고온에서 용해도가 낮아지는 기체의 특성고려 가능)

3) 응용 분야

삼투압 발전: 담수가 삼투막을 통과하여 해수쪽으로 넘어오는 힘을 이용하여 전기 생산
비상용 식수 팩: 깨끗한 식수가 없는 오지 또는 전쟁지역에서 비상용 식수 확보

2. 막 증발법(MD;Membrane Distillation)

막 증발법(MD)이란 소수성 막(Membrane)에서 Vapor Pressure의 차이로 Vapor가 이동 응축시켜 담수를 얻는 방식으로 1960년대 이미 개념이 확립된 기술로 멤브레인 기술 발달과 함께 거쳐 다시 주목받고 있다
MD 공법은 MSF와 같이 플래싱(Flashing) 증발 및 응축 과정을 통해 담수가 생산되며, 높은 온도의 유입수와 낮은 온도의 처리수 사이 즉, 증발기와 응축기 사이에 설치된 소수성(Hydrophobic)의 다공성(microporous) 멤브레인(PVDF, PTFE)을 통하여 용매는 이 멤브레인 표면에서 분리되고 증기(Vapor)만이 기공을 통과해 처리수 쪽에서 응축시켜 담수를 얻는 방식이다.
즉, 온도차에 기반하여 가동되는 MD 프로세스는 다공성의 소수성 막 표면 사이에 존재하는 증기압 차이 즉 수증기 압력 차이에 의해 운용되는 분리공정이다

Membrane Distillation(MD)

1) 막 증발법의 특징

증발법이기 때문에 압력은 불필요하며, RO에 비해 이온 제거율이 높다
휘발성이 없는 이온성분인 경우 제거율이 뛰어나다.
해수의 보론(Boron)에 대한 제거율도 매우 좋은 것으로 알려져 있다.
물의 투과도가 유입수의 농도에 크게 영향을 받지 않는다.(RO에 비해)
높은 회수율의 담수화 공정도 충분히 가능하다.
열원 확보 필수, 폐열․태양열 등의 열원이 없으며 에너지 소모량이 많은 편이다
열을 이용하는 것이기 때문에 반복적으로 히팅(heating)-쿨링(cooling)으로 열에 대한 멤브레인 내구성 문제 해결 필요
휘발성이 해수 등 원수 중의 미량유해물질은 잘 제거가 되지 않는 단점이 있다.
낮은 증발속도로 효율성 낮음 (MD 공정은 증발법의 하나로 물을 섭씨 100도까지 올려 끓이고 이 때 발생하는 증기를 다시 응축해 담수를 생산하는 것으로 저온에서의 증발의 경우는 증발속도가 너무 느리기 때문에 실용화하기 어렵다는 한계점이 있음)

2) 막 증발법의 해결해야 할 과제

멤브레인이 젖는 웨팅(wetting) 현상을 예방할 수 있는 고도의 높은 소수성을 갖는 멤브레인 개발 필요
멤브레인 세공에 물이 침투해버리면 더 이상 증발법으로서 역할을 할 수 없기 때문에 MD에 있어서 멤브레인이 젖는 웨팅(wetting)현상 없는 멤브레인 요구됨

3. 전기투석법(ED/EDR;Electrodialysis Reversal)

역전 전기투석법(EDR)은 전극에 직류전원을 공급하여 이온교환막을 통해 해수에서담수를 분리시키는 전기투석법(ED)의 원리를 이용한 해수담수화방식이다. 즉, ED 공정에서 막오염을 줄이기 위해 전류의 방향을 주기적으로 바꾸는 양극전도(Polarity Reversal)를 이용한 공정으로 유로와 전기투석의 전위구배를 바꿈으로써 ED 공정의 장애요인으로 작용했던 스케일 형성(파울링)을 줄여 오염속도를 감소시키기 위해 고안된 공정이다.
- ED(Electrodialysis) Process (전기투석법)
- EDR(Electrodialysis Reversal) Process (역전전기투석법)
ED(전기투석법)란 전기투석조(Electrodialysis Stack) 양단에서 공급되는 직류전원에 의해 형성되는 전기장을 구동력으로 하고 물속에 녹아 있는 화학성분 중 전기적 성질을 갖는 전해질(양(+)이온 또는 음(-)이온)을 선택적으로 투과하는 이온교환막을 이용하여 이온성 물질을 분리하는 막분리 공정이다.

ED/EDR Process

ED/EDR 바로가기

4. 전기흡착법(CDI;Capacitive Deionization)

전기흡착법(CDI)은 다공질의 탄소로 만들어진 두 전극에 전기를 공급하여 전위차를이용하여수중의 이온을 제거하는 기술이다. 즉 활성탄소 전극에 직류를 공급하여해수 중의 염분 이온을 탄소표면으로 이동시켜 흡착 제거하는축전식 탈염기술이다.
ED(전기투석법)는 이온교환막을 이용하여 이온을 분리하여 담수를 얻는 반면, CDI(전기흡착법)는 전극자체에서 이온을 흡착하여 수중의 이온을 제거하는 특징을 가지고 있다.

1) 흡착원리

직류전압이 인가된 활성탄소 전극사이로 무기이온이 통과하면서 활성탄소 전극표면에 흡착되어 제거되며, 순수한 물은 통과되고, 활성탄소전극에 흡착된 무기이온은 전극에 반대전압을 인가함으로서 탈착시켜 전극을 재생시키는 원리이다. 즉, CDI 전극에 DC 전원이 공급하면 해수(염수) 중의 이온은 음극과 양극에 흡착되고, CDI의 방전에 의해 전극에서 이온을 탈착하고 충방전 프로세스에 의해 CDI를 동작시켜 담수를 얻는 방식이다.

Capacitive Deionization(CDI)

2) 장단점

① 해수담수화기술중에서 에너지 소비량이 가장 적다.

② 상온, 저압에서 운전되어 플라스틱 재료 사용 가능하여 부식 문제가 적다.

③ 운전기기 구성이 간단하여 운전 유지관리가 비교적 용이하다.

④ 농축수가 발생하지만 비교적 농도가 낮아 환경에 미치는 영향이 거의 없다.

⑤ Pilot plant 시험 외에는 해수담수화 실적이 없다.

⑥ 증류수 수준까지의 수질은 유지되지 않는다.

⑦ 초기 연구단계로 Capital Cost가 높다.

CDI System and Cell

5. 냉동법(FD; Freezing Desalination)

냉동법(FD)는고-액간의 상변화를 이용한 것으로 염수가 얼 때 어름 결정은 순수한 물로 이뤄져 있다는 원리를 이용한 해수담수화 방식으로 그 종류에는 직접식 냉동법, 간접식 냉동법 등이 있다.

1) 직접 냉동법

직접 냉동법은 해수를 탈기탑과 열교환기를 거쳐 내동실에 들어가고 냉매와 직접 혼합되어 냉매의 증발에 의해 얼음이 생성되면, 세정탑에서 염수를 분리․세정하고얼음을 녹여 담수를 얻는다. 농축수는 열교환기에서 냉열 회수후 배출되며, 일부는냉동실의 슬러리 농도 조정을 위해 순환된다.
직접법의 개략적인 계통도는 그림과 같이 해수를 탈기(Deaeration)공정을 거친 후냉각용 열교환기를 거쳐 3~4 torr(이 때 해수의 어는점 -1.9도)로 유지되고 있는 동결기(Crystallizer) 내부로 플래쉬 된다.
플래쉬되면서 일정량의 물은 증발하게 되고 이때 증발잠열을 주위에서 흡수하므로 해수는 냉각되어 얼게 된다.
이때 생긴 얼음은 작은 알갱이(보통 직경 0.05~1.5 mm)의 형태로 브라인과 혼재되어 있는데, 담수를 얻기위해서는 얼음 슬러리(Ice slurry)를 세척하여 브라인을 씻어낸 다음 융해 시켜면 담수가 된다.

직접 냉동법

<직접 냉동법>

2) 간접 냉동법

간접식에서는 물보다 증기압이 매우 높은 냉매를 사용, 냉매로는 물과의 분리가 쉽도록 물에 대해 불침투성인 부탄이나 R-114등을 사용
부탄을 사용한 간접식 냉동법은 부탄의 상압에서의 비등점은 -0.5oC로 물의 어는점과 비슷하다.
액체 부탄과 해수가 상압보다 압력이 약간 낮게 유지되고 있는(부탄이 비등할 수 있도록) 동결기로 들어가면 부탄이 증발하면서 주위로부터 증발잠열을 빼앗아 해수가 냉각, 동결되고 어름을 분리 용해시키면 담수가 된다.

Membrane O&M ▶

Images & Tech Sharing

Energy & Future Tech

Pump / Valve & Filter Media

Control Instru mentation

Water/Sewage Treatment

Membrane Filtration Plant

Desalination Plant

Water & Energy 연구센터

Desalination Plant

정삼투법(FO)

1. 정삼투법(FO; Forward Osmosis)

1) 정삼투법의 특징

2) 유도용액의 선정

3) 응용 분야

2. 막 증발법(MD;Membrane Distillation)

1) 막 증발법의 특징

2) 막 증발법의 해결해야 할 과제

3. 전기투석법(ED/EDR;Electrodialysis Reversal)

4. 전기흡착법(CDI;Capacitive Deionization)

1) 흡착원리

2) 장단점

5. 냉동법(FD; Freezing Desalination)

1) 직접 냉동법

2) 간접 냉동법

주메뉴

Desalination Plant

정삼투법(FO)

1. 정삼투법(FO; Forward Osmosis)

1) 정삼투법의 특징

2) 유도용액의 선정

3) 응용 분야

2. 막 증발법(MD;Membrane Distillation)

1) 막 증발법의 특징

2) 막 증발법의 해결해야 할 과제

3. 전기투석법(ED/EDR;Electrodialysis Reversal)

4. 전기흡착법(CDI;Capacitive Deionization)

1) 흡착원리

2) 장단점

5. 냉동법(FD; Freezing Desalination)

1) 직접 냉동법

2) 간접 냉동법