[기계신문] KIST, 태양에너지 변화 속 분리막 오염 억제하는 무약품 세척 기술 개발

해수담수화 기술 중 막증류 공정은 바닷물을 가열해 발생한 수증ㄱㅣ를 소수성 분리막의 공극으로 이동시킨후, 응축과정을 거쳐 염분이 배제된 순수한 물을 얻는 기술이다. 최근 막증류 공정에서 태양열을 이용하여 해수를 가열하는 탄소중립적 방법이 시도되고있다.

그러나 태양열은 낮 4~5시간 정도만 활용이 가능해 장치가 구동하지 못하는 시간에는 해수가 문리막에 접촉한채로 물이 증발하게 된다. 그결과 탄산칼슘 또는 황산칼슘이 분리막 표면에 쌓이는 막오염이 일어나 담수생산량이 감소하거나 오엽되는 문제가 발생한다.

최근 한국과학기술원 물자원순환연구단 정성필 박사 연구팀이 하루 중 변동되는 태양에너지 조건에서도 분리막의 막오염 억제가 가능한 무약품 세척기술을 개발해 해수담수화 기술의 사용화 가능성을 높였다.

직접적인 태양에너지 변동을 모사하는 연구는 파일럿 규모의 현장 연구에서 가능하기 때문에 실험실 기반 연구에서는 제한적이다. 따라서 그 동안 태양에너지를 이용하는 담수화 연구의 경우, 정오의 태양에너지를 모사하여 열 또는 및에너지 공급차원에서 짧은 시간의 실험이 주로 수행됐다.

반면 KIST연구팀은 인공해수 온도를 1시간에 10도씩 , 8시간 동안 20도 에서 80도 까지 증가 및 감소시킨 후에 16시간 동안 실험실 온도 (20도)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. 연구팀은 화학약품에 대한 작업자의 안전을 확보하고, 폐수 처리 비용을 절감하기 위해 생산된 담수로 분리막을 물리적으로 세척하는 기술을 제안했다.

연구팀은 막증류 공정이 중단될 때 분리막과 접촉한 채로 방치되는 농축 해수를 배수하고 생산된 담수로 세정한 후 건조했다. 그 결과 다음 운전을 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 것 으로 기대된다"고 밝혔다.

과학기술정보통신부의 지원으로 KIST 주요사업 (미래원천기후환경기술개발사업)으로 수행된 이번 연구 성과는 국제학술지 'npj clean water'에 7월 5일 게재되었다.