FO 기술에 의한 담수화 및 물 재이용 분야 적용이 증가되고 있다. 국제환경산업 발전을 목표로 기술자료를 편집·제공하고 있는 영국 소재 Clarity Authoring사의 『Fitration·Separation』에서 이 분야 권위자인 Anthony Bernett는 FO의 운전원리, RO 기술과의 차이점, FO 기술의 개발 현황과 향후 개발방향을 소개했다. 본지는 Anthony Bernett의 ‘FO 기술의 미래’를 번역·정리했다. [번역 = 김덕연 편집위원]

 

대규모 담수화 플랜트에 입증된 멤브레인 기술은 RO 기술을 이용하는 것으로 유입수내의 TDS 물질은 농축되어 농축수 라인으로 배출된다.

 

RO 기술은 멤브레인의 염분수 측에 자연발생 삼투압이상의 높은 압력을 가함으로써 처리가 이루어지며, 염분수로부터 청정수측으로 유체의 흐름이 일어나 처리가 되는 기술이다. 담수화 처리에 최근 삼투현상을 이용한 새로운 기술, 직접삼투공정(direct osmosis process)을 이용한 FO 기술 개발이 이루어지고 있다.

삼투현상은 2가지 용액사이 화학물질 농도의 차이로 인해 반투막 멤브레인을 통하여 물이 이동되는 자연적 현상이다. 즉, 청정수는 고염분도의 용액 쪽으로 멤브레인을 통과하여 물의 확산이동이 자연적으로 이루어진다.

 

RO 기술과 비교하여 삼투현상은 이러한 자연현상으로 인하여 처리가 되는 관계로 청정수를 적게, 희석이 이루어진 염분수는 많은 양을 발생시키므로 생산성면에서 유용한 공정으로 인식되지 않을 수 있다.

그러나 직접삼투현상을 이용한 기술은 다른 기존 공정과의 결합으로 시너지 효과에 의한 획기적인 처리방법이 될 수 있으며 삼투원리에 의한 에너지를 이용할 수 있는 특징이 있다. 즉, 직접삼투원리를 이용한 시스템을 FO 공정이라 하며 이를 이용한 에너지생산이 가능한 기술을 PRO라고 한다.

HTI사의 Walt Schultz는 “FO 기술은 멤브레인의 생산수(permeate)측에 놓여있는 draw solution에 의하여 가동되는 기술로 파울링이 적은 멤브레인 공정이다.

 

draw solution 용액에서는 유입수보다 더 높은 삼투압을 가져야 하며, 이때 청정수는 멤브레인을 통과하여 확산이동 되어 draw solution 용액을 희석시키는 역할을 한다. 파울링 물질 및 오염물질은 멤브레인에 의하여 억제된다”고 설명하고 있다.

 

The established membrane technology in large scale desalination projects is reverse osmosis (RO), where total dissolved solids (TDS) present in the feed supply are concentrated to produce the rejected concentrate stream. Other approaches include direct osmosis processes.

RO operates by applying high pressure to the saltwater side of the membrane to initially overcome the osmotic pressure and then drive water from the saline to the freshwater side of the membrane.

Osmosis is a spontaneous process in which water is transported through a semi-permeable membrane due to a difference in chemical potential between two solutions. Water will naturally diffuse through the membrane from the freshwater side to dilute the higher saline solution.

 

Compared to reverse osmosis, direct osmosis might not seem to be useful as the process provides a smaller quantity of freshwater and a larger quantity of diluted saltwater.

However, direct osmosis processes offer novel approaches. There is the potential for harnessing energy through exploiting the osmotic principle.

 

Systems that use the direct osmosis principle are called forward osmosis (FO) systems. Energy recovery schemes are normally termed pressure retarded osmosis (PRO) processes. A number of variants and combinations of these process schemes are now described.

Walt Schultz at Hydration Technology Innovations (HTI) said: “FO is inherently a low fouling membrane process powered by a draw solution on the permeate side of the membrane.

 

The draw solution must have a higher osmotic pressure than the feed water. In FO, clean water diffuses across the membrane and dilutes the draw solution, leaving foulants and contaminates behind.” The principle is illustrated in Figure 1.

 

FO 기술을 개발하는 회사는 멤브레인 제조사와 공정 및 효율적인 운전모드를 개발하는 회사로 나누어진다. 멤브레인 제조사는 HTI, Oasys Water, Porifera 및 Aquaporin사 등이며 Modern  Water, HTI, StatKraft, Trevi Systems 및 Desalge Water사는 공정개발사이다.

StarKraft사는 전기 생산을 위한 PRO 공정을 개발하는 회사이며, 이외에 PRO 기술 개발을 추진하고 있는 여러 회사 및 연구기관들이 스페인, 미국, 일본 등에 분포되어 있다.

 

한편, 기존 멤브레인 제조사중 Hydranautics사는 StarKraft사와 공동으로 FO 기술에 커다란 관심을 기울이기 시작했다. 올해 초 Toray에서는 높은 플럭스의 삼투 멤브레인을 개발하고 있다고 공식 발표했다.

앞으로 유도용질(draw solute)의 회수공정이 보다 상업적인 기술로 개발 출시되면 FO 시장규모는 늘어날 것이며 이어서 기존의 대형 멤브레인 제조사들도 FO 멤브레인 개발을 시작할 것으로 전망되고 있다.

HTI사는 셀룰로오스 화학 특성을 이용한 정삼투의 평판형 멤브레인(forward osmosis flat sheet membrane) 제조, 폴리설폰(polysulphone), 다른 고분자화합물을 이용한 TFC (Thin Film Composite) 멤브레인을 제조하고 있다.

 

HTI사는 이러한 멤브레인을 나권형 엘리먼트 형태로 다양한 크기별로 제작하여 통합형 FO 시스템 장치를 설계·제작하여 일부 수요자들에게 공급하고 있으며 FO·RO 조합의 하이브리드 형태도 공급하고 있다.

 

 

Ali Altaee at the University of the West Scotland and Eric Hoek at the University of California in Los Angeles advise some of the main players in the developing FO industry. “The FO companies can be divided into primarily membrane manufacturing companies and process development and operation companies,” Mr Altaee explained.

Membrane manufacturers include HTI, Oasys Water, Porifera and Aquaporin whilst Modern Water, HTI, StatKraft, Trevi Systems and Desalgae Water are examples of process developers.

The main interest of StatKraft is PRO for power generation. “There are a number of companies and institutes in Spain, USA, Japan and many other countries working on the development of PRO technology,” Mr Altaee said.

Mr Hoek added: “Of the established membrane manufacturers, Hydranautics appears to have taken the greatest interest in FO through its collaboration with StatKraft, but earlier this year Toray announced it is developing high flux osmotic membranes too.

 

If more commercially viable draw solute recovery processes emerge the FO market size will increase. Then, I suspect we will see more large membrane manufacturers begin developing FO membranes.”

HTI manufactures forward osmosis flat sheet membranes using cellulose chemistry as well as a thin film composite (TFC) membrane using polysulphone and other polymer chemistry, and produces each membrane with various support structures to meet application requirements.

 

HTI fabricates these membranes into various sizes of spiral membrane elements, and then engineers, fabricates and delivers integrated FO system equipment, including hybrid FO/RO systems.

 

 

▲ Modern Water사의 FO 기술이 적용된 오만의 Al Khaluf forward osmosis 프로젝트

 

현재 FO 공정의 기술적인 문제는 농축된 염분수의 draw solution 용액을 재생하는데 필요한 에너지의 양을 결정하는데 있다고 Oasys 측은 발표하고 있다.

 

또한 삼투현상으로 저농도 물이 고농도의 draw solution이 함유된 쪽으로 멤브레인을 통하여 물의 이동이 이루어지는 과정에서 draw water 측에서 청정한 생산수를 추출하는 목적으로 보다 많은 에너지를 필요로 한다.

일반적으로 FO 공정에서는 RO에서보다 전체적인 전기에너지 소모가 훨씬 적으나 draw solution을 재생하고 청정한 생산수를 추출하기 위하여 또 다른 에너지를 필요로 한다. 즉, FO에서의 기술적인 문제는 멤브레인 자체가 아니라 draw solution의 재생과 관련된 문제로서, draw solution에 대한 다음과 같은 지속적인 연구가 필요하다.

첫째, draw solution 재생은 간단하고 신속하게 이루어져야 한다. 즉, 장치의 크기를 최소화 하기 위하여 체류시간이 짧아야 한다. 둘째, 재생과정에서 draw solution 용질 손실이 없어야 한다. 그렇지 않으면 이에 대한 비용이 상승한다. 셋째, 생산수는 draw solution 용액과 직접 접촉이 되므로 draw solution 용질의 독성물질이 없어야 한다.

그럼에도 FO 기술은 많은 장점이 있다. 즉, 파울링 발생이 적고 다양한 원수의 염분함유량에도 적절하게 처리할 수 있다. 한편, draw solution의 재생을 고려하지 않으면 RO보다 에너지 소모가 매우 적다. 또한, 멤브레인 자체의 투과력 및 제거율이 높고 회수율도 비교적 높은 편이다.

 

FO 장치는 모듈화 시스템으로 제작 가능하여 기존 플랜트 설비와 연계하여 쉽게 개조되어 설치될 수 있다. 이로써 보다 안정적인 처리 성능을 얻을 수 있다.

이러한 FO 기술의 많은 장점에도 불구하고 수처리 설비에 상업화된 규모의 설치는 많지 않다. 여전히 이론 중심을 기초로 한 설치사례가 일부 알려져 있다.

 

예를 들면 바닷물 원수 사용의 경우, 3차 처리의 배출수로부터 청정한 생산수를 생산하는데 우선 FO를 사용한 이후 RO를 사용하여 담수화 처리를 하는 경우가 있다. 이를 통해 바닷물이 저농도로 희석되는 결과로 기존 담수화 플랜트에서는 에너지 사용량 절감 및 회수율 증가를 얻을 수 있다.

또한 FO 공정에서는 RO 공정과 비교하여 파울링에 대한 내성이 좋으며 멤브레인 자체를 보다 청정한 상태로 유지시킬 수 있다.

 

그러나 이러한 현상은 멤브레인 자체의 특성에 의한 것인지, 공정적용에서 미묘한 차이에 의한 것인지, 아니면 양자가 복합 작용된 것인지 현재까지 명확하게 규명되지 않고 있다. 확실한 규명이 이루어질 때까지 FO 기술은 파울링 발생이 낮고 공정상 문제가 적은 기술이라고 단순 추정할 수밖에 없다.

 

“The main technical question,” Leon Awerbuch at the International Desalination Association explained, “is the amount of energy needed to regenerate draw solutions of concentrated brine or thermolytic salts, in the case of Oasys Water.

 

”We have said that water flows by osmosis through a membrane from the feed water into the draw solution. “For it to do this,” James Birkett at West Neck Strategies highlighted, “it must be entering a lower state of chemical free energy.

 

Therefore it takes more energy to extract the pure water from the draw solution than it does to extract it from the feed water.

“The proponents of FO rarely mention this. They state that it uses less electrical energy than RO. This may be the case, depending on designs, but other energy must be consumed to regenerate the draw solution and get the fresh water out.

 

It can be argued that this is just waste heat so it? free or cheap and doesn? really matter. Waste heat is called that because it usually requires significant capital expense to get useful work out of it.

“The challenge in FO is indeed the regeneration of the draw solution, not the membrane itself,” Mr Birkett asserted, and went on to outline the following issues: Draw solution regeneration must be simple and fast, with a low hydraulic retention time to reduce size of equipment.

 

Regeneration must be complete with no loss of the draw solute, otherwise costs increase. As product water is in contact with the draw solution, the latter must be completely non-toxic.

Focusing on the advantages of FO, Mr Altaee added: “Generally speaking, FO is low fouling and suitable for a wide range of feed salinities.

 

And if you exclude the regeneration of the draw solution the process has lower power consumption than RO. FO also has a high membrane permeability and rejection rate, a relatively high recovery rate, it? modular, can be retrofitted to an existing plant, and it? reliable technology.”

Mr Hoek told us that, in his opinion, there is little evidence at commercial water treatment scales that FO offers any fundamental advantages over RO.

 

“But there is theoretical and some empirical evidence that FO could enable some really interesting process engineering possibilities,” he added.

 

“For example, the idea of using FO to draw fresh water from tertiary wastewater effluent using seawater, then using RO to desalt the diluted seawater could allow existing desalination plants to reduce energy demand or increase water recovery, albeit at the expense of greater capital and operating costs.”

“Also,” Mr Hoek added, “there seems to be better fouling resistance and clean-ability associated with FO membranes relative to RO but it? unclear whether this is due to the commercially available membrane materials, process nuances, or some combination thereof. I would say this is not yet settled scientifically.”

Mr Birkett added: “Raw seawater is a complex chemical and biological soup. Until serious direct testing has been done, it is wishful thinking to conclude that FO is low fouling and problem free.”

 

 

 

Economics

HTI사는 담수화기술을 아직 성숙된 상업화 기술로 보지 않는다. 보다 높은 성능을 가지며 RO보다 적은 에너지를 필요로 하는 draw solution에 대한 기술개발이 필요하다고 보기 때문이다.

 

현재로는 일반적인 무기성 소금을 draw solution으로 사용하는 FO 공정에서 FO 기술은 전통적인 RO 기술의 해수담수화에 비하여 경제적인 경쟁이 되지 않으나 난분해성 폐수의 탈수 등 공정처리에서는 경쟁적이고 장점을 갖고 있다고 한다.

이제까지 magnetic particles, polymeric 혹은 유기성 소금, 그리고 기타 특수한 osmolyts를 이용한 draw solution 개발에 많은 연구가 있었다. 그러나 아직은 개발 초기단계이며 청정수 추출에 필요한 에너지의 양 및 draw solution을 재농축하는 방법 등의 상업화에 대한 판단은 아직 시기상조이다.

따라서 FO 기술은 경제성 면에서 긍정적인 기술이지만, 담수화용 FO 기술이 보다 저렴하고 RO 기술보다 더 효과적인 성능을 가질 때까지는 FO 기술개발은 활발하지 못할 것이라고 발표했다.

 

HTI, for example, has investigated desalination both internally and with external groups attempting to develop seawater forward osmosis.

 

“We just don? yet see that as a ripe commercial market,” Mr Schultz commented, “and development effort is still needed regarding high strength draw solutions from which water can be recovered with less energy than RO.

“We still run into many people thinking they can defy the laws of thermodynamics in recovering draw solutions from FO permeate, but it can? be done.

 

HTI believe it? clear that FO done with conventional inorganic salts as the draw solution is probably not competitive with seawater reverse osmosis for traditional desalination, but is competitive and advantageous when de-watering difficult wastewaters.

“A lot of work has focused on new draw solutions using magnetic particles, polymeric or organic salts, and other speciality osmolytes.

 

However, the promising new draw solutions all remain in the development stage, and the jury is out on the amount of energy required for water recovery and how to re-concentrate the draw solution without carryover to the clean permeate or contamination of the feed water.

“Desalination is driven by economics, and unless seawater FO can be cheaper and more efficient than conventional RO, it is a non-starter. That said, we are encouraged and continue to invest in this area,” Mr Schultz concluded.
 

Osmotic Dilution

글로벌적으로 사용가능한 청정수 자원의 부족이 가속화됨에 따라 폐수의 재이용에 의한 직접적인 음용수화 처리는 점점 현실화되고 있는 추세이다.

 

이러한 추세가 지속됨에 따라 FO 기술의 삼투현상에 의한 원수의 희석 공정은 담수화의 RO 공정에 적용시, 바닷물 원수는 FO로 처리하고 RO의 농축수는 draw solution으로 사용하는 과정에서 가장 우수한 보완공정으로 인식될 수 있다.

 

HTI사는 이러한 FO+RO 복합공정으로 경제적인 효과를 보았으며 데모 플랜트에서도 이러한 하이브리드 공정을 이용하고 있다.
 
As the shortage of available fresh water continues to be stretched, direct potable reuse of wastewater is becoming a reality and is beginning to be accepted.

 

“As that trend continues,” Mr Shultz explained, “osmotic dilution with FO promises a high value complementary process to bolt on to seawater RO plants, using FO with seawater or RO reject as the draw solution, to filter the wastewater used to blend with seawater and dilute the feed to the RO.

 

” HTI advises that it has quantified the economic benefit of this FO/RO synergy and is currently proving the concept through a demonstration plant.
 

Case Study

담수화 분야의 운전사례로 오만의 Muscat 남쪽에 위치한 Al Khalui에서는 Modern Water사의 100톤/일 규모의 컨테이너 탑재의 FO 설비를 기존의 SWRO 시스템과 나란히 설치 운영하고 있다.

이 공정에서의 FO 설비는 draw solution의 적절한 희석을 위하여 35%의 회수율로 운전되며 이후 고압의 SWRO 멤브레인 설비를 거쳐 120ppm TDS의 음용 가능한 수질을 생산한다.

 

담수화 과정에서 FO 기술 draw solution내의 용질은 농축되어 재사용되도록 처리되며 희석 처리된 유입수로 인하여 담수화 에너지 소모량은 20% 절감되는 것으로 보고되고 있다.

또한 염소에 대한 내성 및 파울링을 최소로 하는 특성의 FO 멤브레인으로 RO 공정에 입자물질이 제거된 상태의 청정한 유입수를 공급하게 된다.

 

An example of an operating plant in the desalination industry is Al Khaluf, a site 400㎞ south of Muscat, incorporating Modern Water? 100㎥ per day containerised unit which operates alongside a conventional SWRO system owned by the Public Authority for Electricity and Water.

 

The FO part of the process operates at 35% recovery to dilute the draw solution before it is desalinated by high-pressure SWRO membranes to produce potable water with 120㎎/l TDS.

During desalination, the proprietary osmotic agent in the FO draw solution is concentrated and reused. The diluted feed is reported to reduce desalination energy requirements by more than 20%. Also, the chlorine-tolerant and fouling resistant FO membranes produce a virtually particulate-free feed to the RO process.

The Future

향후 10년간 담수화 분야에 FO 기술의 개발 가능성에 대한 여러 전문가들의 의견을 종합해 보면, Desalgae Water의 Matthew Claxton은 “FO 멤브레인은 담수화, 재이용 및 바이오연료 적용의 일부 문제가 되는 분야의 해결책이라고 믿고 있으며 물 부족 및 오염화가 가속화됨에 따라 FO 기술이 음용수 생산에 에너지 효율적인 방법으로 떠오르고 있다”라고 하며 “향후 10년 내에 기술개발이 진척되어 많은 회사들이 정수 시스템에 이 기술을 접목시킬 것이다.

 

즉, 이 기술로 산업계 국가들에게는 오염물이 제거된 청정수를 공급하며 또한 기존 담수화 플랜트에서 발생되는 고가의 에너지 비용을 감당할 자원이 없는 국가들에게도 커다란 혜택이 돌아갈 것이다”라고 말했다.

Desalgae Water사의 특허 제품인 Desalgae 시스템은 오염된 물을 효과적으로 재순환시키고 지속적으로 바이오 연료를 생산하기 위한 용도로 micro-algae 및 멤브레인 필터 장치를 사용하고 있다.

“보다 많은 파일럿 테스트 및 중소형 규모의 FO 설비 플랜트로 바닷물의 연수화 목적, 그리고 PRO 기술을 이용한 전력생산의 목적으로 플랜트 운전이 필요하다”고 Altaee는 언급하고 있다. 또한 Hoek는 “한편으로 소규모 시스템으로 폐수처리 및 폐수 재이용 분야에 적용은 매우 적은 편이다”라고 설명했다.

 

이에 대해 Modern Water사의 Peter Nicoll은 “이러한 새로운 기술의 적용에 산업계는 매우 보수적인 입장을 취하고 있는 것이 현재의 문제이다. 이러한 사례는 과거 대규모 MED 담수화 플랜트 채택에서와 동일하다”고 언급했다.

 

Looking ahead to the likely development of FO technology in desalination over the next 10 years, there were mixed views amongst our experts.

 

“I truly believe,” asserted Matthew Claxton at Desalgae Water, “that the FO membrane is  the answer to some of the major problems in the desalination, water reuse, and biofuel industry. As water scarcity, and contamination, continues to grow, we will see the FO membrane really emerge as an energy efficient way to produce potable drinking water.

“Within the next decade, we will see the technology take off in the market place as more and more companies begin to integrate it into their water purification systems. It will be able to not only decontaminate water for industrial countries, but it will also greatly help Third World countries that do not have the resources to afford the massive energy bill that comes with desalination plants.”

“Desalgae Water is a biofuel and water company dedicated to reinventing the biofuel industry,” explained Mr Claxton, “and providing affordable clean drinking water for all.” The company? patent pending Desalgae system, invented by Jonathan Trent and Claxton, uses micro-algae and membrane filtration to recycle contaminated water effectively and produce sustainable biofuels.

“In my opinion,” Mr Altaee explained, “more pilot and some small to medium scale FO plants will be commissioned especially for power generation by PRO and seawater softening.

 

The latter process is mainly for the removal of scaling ions such as sulphate, calcium and magnesium from seawater.” Mr Hoek thought “there would be chipping away at smaller scale applications particularly industrial wastewater treatment and water reuse applications.”

Large scale development over 10 years could be marginal because the industry is inherently conservative. “It is generally not quick to adopt new technologies,” identified Peter Nicoll from Modern Water.

“A good example of this is the time it has taken to have large scale multiple effect thermal desalination plant technology adopted,” Mr Nicoll explained. “FO can be applied in a variety of ways for desalination,” he added.

 

“It can be applied specifically to produce desalinated water when coupled with either thermal or membrane based technology, such as the FO solution at Al Khaluf, or perhaps more importantly it can be used indirectly.

“The indirect uses, using pure FO, have very significant advantages in particular in energy terms, where a dilution of a draw solution is used. Here the differentiators between any conventional desalination technology and an FO-based process are very clear.

 

I believe that these processes will be adopted more quickly and will displace the use of desalinated water, recognising that water needs to be fit for purpose, no better no worse.

 

“There is without doubt increasing interest in FO-based processes both academically and in industry,” Mr Nicoll asserted, “but the introduction of this new technology cannot be done without the support of the early adopters.

 

This needs to continue, so that the number and size of the reference plants increase and the clear advantages of the technology are seen in different places, operating on different feed waters and doing different things.”

 

 

Applications

Claxton은 “FO 기술은 처리가 유해한 오염물질을 제거할 수 있으며 적은 에너지로 깨끗한 먹는 물을 생산할 수 있기 때문에 물재이용의 다양한 프로젝트에 적용이 증가될 것이다. 즉  자금이나 자원이 부족한 국가들에게 축복을 제공하는 기술이 될 것이다”라고 말한다.

Awerbuch는 “algal biomass를 경작하기 위한 에너지 효율적인 방법으로 algal biofuel 생산을 위한 FO 멤브레인의 효과에 대한 검토가 시작될 것이며, 이는 바이오 연료 생산비용의 20∼30% 수준이 될 것이다.

 

한편 일부 회사는 draw solution 재생 목적으로 재생에너지 자원을 사용하고 있으며 셰일가스 공정 발생폐수의 재이용 분야에 FO 기술 적용가능성을 연구하고 있다”고 말했다.

Altace는 “FO 기술은 물의 재이용 분야에서는 어느 정도 완성된 기술로 생각되나 현재 대규모 설비로 상업화 하는데, 그리고 기존의 RO 기술 및 증발 기술의 담수화 공정과 경쟁관계를 구축하는데 여러 가지 해결해야 할 문제점들이 있다.

 

한편, FO 멤브레인은 상업화 제품 생산이 가능하나 삼투현상에 이용되는 draw solution 용질은 여전히 논란의 소지가 있는데 그 이유는 소개되고 있는 화학제품이 매우 다양하기 때문이다”라고 설명하고 있다.

 

Mr Claxton predicted: “FO will increase the number of viable projects in water reuse because of its ability to reject harmful contaminants, and produce clean drinking water with very little energy.

 

This is a blessing for many Third World countries that do not have abundant resources such as money or energy. “We will also start to see the FO membrane gain traction with algal biofuels as an energy efficient way to harvest algal biomass.

 

A step that can account for 20-30% of biofuel production costs. It really cannot be over stated how the FO membrane will revolutionise the water and bio-fuel industry.”

Mr Awerbuch added: “Some companies are using renewable sources of energy to regenerate draw solutions. Another focus is the use of FO technology for reuse of flowback and produced water in shale fracking operations. And osmotic power and PRO is of significant interest as a source of energy.”

“For water reuse,” Mr Altaee added, “in my opinion FO is a mature technology but there are a number of concerns for large scale commercial applications in addition to the strong competition from RO and thermal desalination processes.

 

“Although the FO membrane is commercially available, the osmotic agent is still a debatable issue. One of the reasons for this is due to the large number of chemicals which have been proposed as osmotic agents.”

“The interest in the FO market is brisk,” Mr Schultz explained, “with most of the focus on speciality industrial applications where other traditional membrane technologies are not doing a good job. It? amazing to see how much money is being spent by the industry developing FO separation and dewatering solutions.”

 

 

FO 기술은 RO 기술이 특정 공정 적용에 올바른 처리방법이 아닌 경우에 적용될 수 있는 대체 가능한 우수한 기술이다.

 

이에 대해 Schultz는 “파울링 발생이 매우 높고 TSS 함량이 많은 폐수 처리를 하는 경우 혹은 특별히 염분수 제조를 하는 경우 수처리 회사들은 처리공정에서 재순환처리 설계를 고려하며 이 경우 농축된 염분수를 draw solution 용질로 사용할 수 있다.

 

또한, 산업체 처리 경우에 재이용 용도로 청정수를 얻는 목적이라면 청정수로부터 draw solution을 분리시켜, 다시 FO 공정에서 사용 가능하도록 재농축이 되어야 한다”고 설명했다.

이러한 경우는 매립지 침출수, 오일·가스 산업에서 발생되는 폐수, 심지어는 음식료 제품에서의 농축 처리에서 많이 경험했다. 이 공정에서  RO 공정 이전에 FO 공정을 두어 처리하며 희석상태의 draw solution을 RO 공정에 의해 재농축시켜 closed loop 상태로 처리, FO 공정의 draw solution으로 재사용할 수 있다.

이러한 적용으로 FO 공정은 RO 시스템에 대한 보호역할을 하며, RO 공정의 CIP 세정 빈도수를 줄이고 RO 멤브레인 수명을 연장하는 효과를 얻게 된다. 즉, 이러한 closed loop 공정의 시스템은 RO 기술이 파울링 발생이 적은 경우에 적용되나, 이에 대한 전처리 공정은 많은 비용이 들며 복잡한 공정설계를 필요로 한다.

최근 오일·가스 산업에서의 폐수를 재이용하는 목적으로 FO·RO 하이브리드를 적용하는 사례로 HTI사는 전통적인 공정의 경우와 비교해 전체 운전비용을 45% 감소할 수 있었다고 발표한 바 있다.

FO 기술의 가장 적합한 시장은 TDS값이 매우 높은 폐수처리분야이다. 오일·가스 분야 적용에서는 HiCor RO 기술을 FO 기술과 함께 사용하는 것으로, 이는 보다 강력한 draw solution 농축 능력을 제공함으로써 FO의 적용 범위 및 성능을 향상시키고 있다.

HTI사가 개발한 HiCor 기술은 FO draw solution을 재농축 하려는 목적으로 개발된 것으로 FO·HiCor 공정 적용으로 FO에 대한 유입수 TDS 농도를 50∼60g/L으로 하며 FO draw solution의 TDS 농도를 140∼160g/L로 제공한다. 이러한 기술의 첫 번째 생산용 파이럿 설비가 2013년 여름에 시운전되는 것으로 알려져 있다.

FO 기술을 기초로 한 담수화 설비는 기존 멤브레인 사용의 경우보다 파울링 발생이 적으므로 직접 물재이용(direct water reuse) 목적으로 보급될 수 있다.

 

기존의 전처리공정으로서 UF 멤브레인과 달리 FO 멤브레인은 이온성 물질의 원수에서 분리작용을 하며 유기물질 제거도 가능해 안전성 면에서도 커다란 혜택이 있다.

 

FO can be applied in applications where RO is not the right process solution, so we could view it as a complimentary technology.

 

“Most applications relate to separating waste streams,” Mr Schultz explained, “that are highly fouling or have high total suspended solids, and many relate to brine make-up where companies are looking to recycle water and they have concentrated brine available to be the draw solution.

“In industrial applications,” Mr Schultz said, “if the goal is production of clean water for reuse, the draw solution must be separate from the clean water and re-concentrated for use in the FO process.

“We have demonstrated this many times in our work with landfill leachate, oil and gas waste and produced waters, and even in concentration of food products, where we put FO in front of RO to do the hard work and pre-treat the feed to the RO system, running a closed loop draw solution re-concentrated by RO in a complementary process.

 

” In such applications, FO can protect the RO system and facilitate less frequent CIP and prolonged RO membrane life.

“The highest value projects for this closed loop process are applications where RO struggles to perform without fouling and requires expensive and complex pre-treatment,” Mr Schultz added.

In one recent example of a FO/RO hybrid system for recycling wastewater on an oil and gas project, HTI advises the technology offered an overall 45% reduction in cost to the operator, when compared to traditional process solutions.

Markets for FO with the most potential are where there is a difficult waste stream with high TDS. “In applications such as oil and gas produced waters,” Mr Schultz explained, “we use our new HiCor RO technology together with FO and it broadens the scope and capability of FO by providing a much stronger draw solution concentrate without the need for thermal processes or potentially toxic draw solutions.”

HTI developed the HiCor technology with the purpose of re-concentrating FO draw solutions and they state that FO/HiCor can efficiently concentrate FO feed streams with TDS at 50-00g/l, and provide FO draw solution concentrations as high as 140-160g/l TDS.

 

The company’s first production scale pilot system is expected to be commissioned by late summer 2013. Mr Hoek was also uncertain on wide adoption of FO in the near term, but said “I think it can find a niche.” Mr Nicoll agreed. “Without doubt,” he said “but again I would say this will be held back by the conservative nature of the industry.

“FO-based desalination, which is less prone to fouling than conventional membrane processes, can be deployed for direct water reuse. Unlike ultrafiltration, the FO membrane separates at the ionic level and organics are removed in this first step, thus it allows for and provides a greater degree of security.”

 

 

 

삼투압 기술의 MBR에 대한 연구가 이미 진행되고 있으며 low back diffusion이 가능한 멤브레인 구성이 가능하게 되었다. 삼투압에 의한 MBR 기술은 이미 HTI사가 Desalgae사와 상업적으로 적용 가능한 제품에 대하여 공식적으로 연구개발하고 있다.

이들은 aerobic, anaerobic 및 photosynthetic 종류의 MBR들이 포함되고 있다. 앞으로 가까운 시간 내에 삼투압 기술의 MBR 장치가 폐수처리, 폐수재이용 분야에서 소규모 시스템으로 출시될 것이다. 또한 기술 개발 및 운전의 경험 등에 따라 도시 주민들의 생활용수 시장에도 적용될 것으로 전망된다.

HTI사가 추진하고 있는 가장 매력 있는 분야는 Osmotic MBR 기술에 의한 폐수처리이며 이러한 기본 아이디어는 재이용수로부터 높은 수질의 물질을 회수하는 분야 및 질소, 칼륨 혹은 인 물질을 농축시켜 비료 사용 등 목적으로 적출하려는 분야에 효과적이다.

 

이와 관련 HTI사는 이미 콜로라도 대학과 공동으로 미국 국립과학협회(National Science Foundation) 주관으로 Osmotic MBR 장치를 설치, 성공적으로 운전하고 있다. 한편 삼투압 기술적용에서의 세정방법이 개발되고 있으며 관련 특허는 IDE사가 갖고 있다.

 

“There is already work being done on osmotic membrane bioreactors by some researchers,” Mr Nicoll added, “and subject to suitable membranes of the right configuration being available with low back diffusion, there is no reason why this could not be deployed.”

“Osmotic MBRs are indeed coming,” Mr Hoek agreed. “HTI already talks about this publicly as being commercially viable along with Desalgae.” Types include aerobic, anaerobic and photosynthetic membrane bioreactors.

“I believe that in 10 years?time,” Mr Hoek predicted, “osmotic membrane bioreactors could begin to emerge in smaller scale industrial wastewater treatment, reuse and recycling. Depending on the technology improvements and operational experience we might see them begin to take root in municipal markets thereafter.”

“One of the most exciting areas from HTI? perspective is wastewater treatment and development of Osmotic MBR technology,” Mr Schultz agreed. “This concept is quickly gaining traction where the focus is on recovery of high quality reused water, and is especially beneficial where customers also wish to concentrate and harvest nitrogen, potassium and phosphorus for fertilizer.

 

” Mr Schultz confirmed that HTI, in cooperation with the Colorado School of Mines, has been successfully running an Osmotic MBR under the US National Science Foundation ?eNUWit?programme for over a year.

“Osmotic cleaning is also being developed for backwashing and cleaning of RO membranes. IDE has a patent and my lab has also published on this concept,” Mr Hoek added.

 

 

재이용 분야에서 가장 관심을 두어야 하고 고부가가치의 적용을 위해서는 전체공정의 water balance가 고려되어야 한다. 예를 들면, 일부 공정에서는 농축작용이 필요하며 일부에서는 희석 작용을 필요로 한다. 그러나 FO 공정에서는 이러한 작용이 동시에 하나의 과정으로 일어날 수 있으며 적절한  균형있는 물분배가 필요하다.

현재 이러한 개발은 FO 기술을 자체 공정에 적용하려는 필요성에 의하여 수많은 엔지니어들이 이 기술의 특징을 충분히 이해하고 이제는 실용화하는 연구를 지속 추진하고 있다.

 

이에 반하여 PRO 멤브레인 개발도 추진되고 있으며 FO와 PRO 멤브레인은 서로 다른 제품군으로 서로 다른 독특한 멤브레인 특성을 지니고 있다. FO 기술 개발은 경제성 측면에서 시장 참여 기회가 대두되어 신속하게 진행되고 있다. 그러나 PRO 기술은 향후 대체 에너지 확보를 위한 수단으로 장기적인 전략에 의해 추진되고 있다.

 

“The more interesting and potentially higher value applications for reuse are where the total water balance is being considered,” Mr Nicoll explained. “For instance, in one area of a process plant something needs to be concentrated, but in another something needs to be diluted.

 

FO may be suitable for doing both these operations in one step with very low energy consumption associated with the frictional losses through the membrane, so it is important to think across an entire process. The applications are restricted primarily by a lack of imagination!”

“We see developments being driven by companies that see FO as a solution to their needs,” Mr Schultz added. “Also, many creative engineers the world-over are driving development, people who have studied the research done, understand the potential, and are now putting it into practice.”

“What is exciting,” Mr Hoek concluded, “is that besides many FO companies who are doing their own applications development, we are now seeing a few of the membrane market? major players engaged in some form of FO membrane development.”

“Also, we are actively developing PRO membranes. We believe PRO and FO membranes are two separate and district product families with very different and unique membrane characteristics,” Mr Schultz added. FO developments are due to immediate market opportunities that are delivering economic value, whereas PRO technology is being developed as a longer term strategy for the future.
 

[원문출처 = http://www.filtsep.com/view/35723/what-s-the-future-for-forward-osmosis/]