[출처 = 워터저널(www.waterjournal.co.kr) 2011년 8월호 특집 기사 / 원문은 파일 첨부 참조]

 

 

▲ 김 수 한 교수부경대학교 토목환경공학과

막여과는 공극을 이용해 큰 물질은 분리해내고 작은 물질은 통과시킨다는 기본 원리를 가지고 있다. 공극의 크기에 따라 MF(정밀여과), UF(한외여과), NF(나노여과), RO(역삼투)막으로 나뉘며, 제거하고 싶은 물질의 크기나 제거 특성을 분석해 적절히 배치함으로써 최적화하기에 적합한 공정이다.

 

기존에는 제조 단가가 비싸고 에너지 사용이 많은 등의 문제로 등한시되는 기술이었으나 최근에는 수요가 확대됨에 따라 경제성 증가, 제조단가 감소 등으로 각광받는 기술이 됐다. 이에 따라 정수처리, 해수담수화 등 많은 분야에 적용되고 있다.

 

막(Membrane)이라는 것이 공극의 크기에 따라 물질을 제거하다 보니, RO(Reverse Osmosis) 막의 공극이 이온의 크기보다 작을 것이라고 생각될 수 있으나, 실제로는 그렇지 않다. RO 막의 공극은 이온의 크기보다 크기 때문에 물도 통과하고 이온도 통과한다. 다만, 물이 통과하는 속도보다 이온이 통과하는 속도가 더 느려 상대적으로 제거되는 효과를 보는 것이다.

 

그런데 여름과 겨울의 계절적 특성에 따라 여러 가지 수질변화가 발생하게 되고 공정을 운영하는 운영자 입장에서는 그 수질변화가 RO 공정에 문제가 생겨 발생하는 것인지, 자연스러운 현상인지 구분할 수 없어 어려움을 겪기도 한다.

 

막을 통해 이온이 분리되다 보면 막 부분에는 이온이 농축되고, 막에서 떨어질수록 이온의 농도가 낮아져 유입수의 농도와 비슷해지는데, 이것을 ‘농도 분극’이라 한다. 농도 분극에 의해 삼투압이 2∼3배까지 증가하거나 스케일링(scaling) 등의 문제가 생겨 RO 공정이 방해를 받을 수 있다.

 

RO 공정의 경우 역 세척이 되지 않는 공정이어서 전처리를 해주고, 약품처리를 통해 파울링을 막아야 한다. 스케일링은 이온 농축에 의해 막 표면에 침전되는 것을 의미하는데, 일반적으로 농도분극으로 인해 막을 통과하는 흐름에 따라서 농축이 일어날 때, 실제로는 이론에 비해 2∼3배까지 농축이 일어날 수 있다.

 

바이오파울링(Biofouling)은 파울링의 하나라고 볼 수 있지만 미생물의 특성상 자체적으로 증식하거나 세포외중합체(EPS)라는 특수 물질을 뿜어 막 표면을 덮는다. 이 때문에 막 투수성이 저하되고 더 많은 에너지가 필요하게 된다. 요즘과 같이 에너지에 대한 경각심이 큰 시대에는 문제가 될 수 있는 부분이다.

 

따라서 관리가 필요한데, 전통적인 방법은 염소산화제를 이용해서 관리해 주는 것이다. 그러나 이 또한 막의 공극을 넓혀 염 제거율을 저하시키는 역할을 할 수 있으므로 주의가 필요하다.

 

▲ RO 멤브레인 공정의 기술적인 문제는 파울링과 염 투과율 증가 및 고에너지로, 이 세 가지에 대한 해결이 시급하다.

RO 공정에 대한 기술적인 도전 과제를 보면, 크게 세 가지로 나눌 수 있다. 파울링과 염 투과율 증가, 고에너지다. 파울링은 막 표면에 이물질이 덮이는 것으로, 이물질로 인해 일정한 생산수량을 맞추기 위해서는 더 많은 에너지가 소모되며, 그에 따른 생산성의 악화가 올 수 있다. 해결책으로는 전처리, 효율적 유지관리, 막 소재 개선 등의 방법이 있다.

 

사실 전처리나 효율적 유지관리 문제에 대해서는 많이 해결돼가고 있어 어느 정도 이미 공식화된 틀이 있다. 즉, 확립 단계에 와 있다고 할 수 있다. 그러나 막 소재 개선 쪽은 사실 가시적인 효과는 적지만 단가가 비슷하고 염 제거율과 투수성이 비슷하다면 충분히 시장에서 경쟁력을 가질 수 있다.

다음은 막 손상이다. NF, UF의 경우 막이 손상되면 막여과의 가장 큰 장점인 완벽한 탁질제거를 할 수 없게 된다. 때문에 매일 테스트를 하는 등 관리를 해주는데, RO공정의 경우 특별한 테스트가 없는 것으로 알고 있다.

 

그래서 보통은 막 투과수의 TDS(Total Dissolved Solids)를 체크한다. TDS가 높아지면 문제점이 생겼다고 판단하게 되며, RO막의 특성상 공극의 크기가 이온보다 크기 때문에 온도의 영향, 원수의 영향 등 여러 복합적인 영향으로 TDS가 변화하면서 염의 누출로 인한 변화인지 자연스러운 변화인지 구분하기 힘들다. 그러나 이 부분도 이제는 구분할 수 있는 엔지니어링 기술이 어느 정도 확립돼 있다.

 

운영자와 시공자가 공통적으로 고려해야 할 부분은 고에너지 부분이다. 막 소재 개선에 있어서 우리가 목표로 하는 수질을 얻으면서 염 제거율은 변화하지 않고, 투수율은 높아져야 한다.

 

에너지 회수장치는 해수담수화 쪽에서 사용하는 방법인데, 에너지 회수장치를 도입해서 농축수의 고압에너지를 재활용하는 것으로, 이는 어느 정도 틀이 잡혀 있다. 또, FO 공정이나 PRO 공정과 같은 신 공정과 연계해서 에너지를 효율적으로 사용할 수 있다.

현재 RO 기술의 단계는 성숙기라 할 수 있고, 이 단계에서 추가적으로 재도약을 할 것인지, 현상 유지를 할 것인지를 선택해야 한다. 현재의 기술로는 에너지의 단가를 줄일 수 없다.

따라서 재도약이 필요함과 동시에, 운영 기술이 확립돼 있다고는 하지만 아직까지는 부족한 부분이 많으므로 현재의 기술을 다져나가는 현상 유지 측면에서의 접근도 필요하다.

 

기술 발전의 도전 과제는 파울링, 고에너지, 막 손상 부분으로 볼 수 있고, 현재 기술이 더 발전해 나갈 수 있는 방향을 찾고, 단가를 줄일 수 있는 방법까지 고민해봐야 한다. 특히 최근 IT기술이 발달하고 있는 만큼 IT기술과의 융합 등의 방법도 고려해볼 수 있다.

 

▲ 해수담수화의 경우 현재 단계에서는 고염분 해수의 경우 한번의 RO 공정으로는 담수로써의 사용이 불가능해 다시 한번 공정을 거쳐야 하는데, 염 제거율이 높아지면 한번의 RO 공정만으로도 담수로써 사용할 수 있어 상당한 경쟁력을 가진다. 사진은 제주도 우도 해수담수화시설.

유지관리 최적화에 대해서 살펴보면, 최근 ‘지능형’이라는 키워드를 자주 사용한다. 막 시스템에서 나오는 인자들을 자동으로 분석해 정상인지 아닌지를 구분하고, 정상이 아니라면 어떤 문제가 있는지까지 진단하는 시스템이다.

 

거창한 것으로 들릴지 몰라도 실제적으로 의사결정을 하는 기준은 간단하다. 의사결정의 틀만 잘 따라가면 어느 정도의 문제 파악은 가능하다. 우리가 사용하는 스마트폰을 예로 들면, 스마트폰 자체가 똑똑한 것이 아니라, 우리가 스마트폰을 사용하기 때문에 똑똑해지는 것이다.

 

스마트폰이 우리에게 단순한 조력자의 역할을 한다고 볼 수 있으며, 마찬가지로 사람들이 시스템을 운영하는데 있어서 도움이 될 수 있는 시스템을 최적화해서 문제를 최대한 줄여주는 조언가로써 인공지능 시스템인 AI를 활용할 수 있다.

 

새로운 RO 공정의 비전은 플랜트의 운영·관리 시 기본 인자들을 뽑아내고 그 인자를 인공지능 시스템으로 진단해서, 비정상적인 인자들에 대해 인자들의 움직임을 통해 어떤 문제가 있고 어떻게 해결할 수 있는지 판단하는 것이다.

 

사실 문제점만 알면 어느 정도의 해결 방법은 이미 틀이 잡혀 있으므로 이렇게 문제점까지 연결시켜주는 것만으로도 상당히 신뢰성 있는 운영을 할 수 있으며, 장점으로 작용할 수 있다.

 

신개념 막 소재의 개발에서 첫 번째로 생각할 수 있는 것이 내염소성 역삼투막이다. 사실 운영자 입장에서 염소는 꼭 필요하다. 그러나 염소를 사용하면 폴리아미드(Polyamide)를 분해하는 문제점이 생겨 또 다른 약품을 넣는 등의 번거로움이 생기고, 약품이라는 것이 얼마나 들어가는지 눈에 보이지 않아 막을 망가트릴 수도 있다. 때문에 만약 내염소성 막이 개발될 경우, 큰 단가차이만 없다면 기존의 막 시장을 뒤엎을 수 있을 것으로 보인다.

 

다음으로 탄소 나노 튜브이다. 이는 제거율을 유지하면서도 고투수율의 막을 만드는 것이다. 고투수율의 경제성을 BWRO(Brackish Water Reverse Osmosis)를 예로 들어보면, 투수율이 1.5배 증가함에 따라 기존 RO 막 교체 비용의 전액을 절감할 수 있다. 때문에 고투과율 막은 경제력에서 엄청난 이득을 가지고 있다.

 

이러한 경제력은 물가격의 분포표에서 에너지 비용이 20% 정도이고, 막 교체 비용이 약 2% 정도 밖에 되지 않기 때문에 생긴다. 따라서 에너지 비용을 10%만 절감해도 막 교체 비용을 절약할 수 있는 것이다.

▲ [그림 1] RO막 투수율 증가에 따른 비용 절감

해수담수화의 경우 염 제거율을 높이는 것도 매우 중요하다. 현재 단계에서는 고염분 해수의 경우 한번의 RO 공정으로는 담수로써의 사용이 불가능하고, 다시 한번 공정을 거쳐야 하는데, 염 제거율이 높아지면 한번의 RO 공정만으로도 담수로 사용할 수 있어 상당한 경쟁력을 가진다.

 

신기술 연계에 있어 삼투역세 시스템이 있다. 이는 정삼투(FO)와 RO를 연계하는 것으로, 이미 실험한 데이터도 있다. RO 공정을 운영하다 중단시켰을 때, 처리수와 농축수 사이의 정삼투를 이용해 역 세척하는 것이다. 또, FO-RO 연계 시스템이나 PRO 시스템을 통한 전력생산도 있다.

 

▲ [그림 2] 하수처리 재이용의 FO-RO 연계 시스템

마지막으로 태양에너지를 이용해서 RO 공정을 운영하는 방법이다. 지금까지 태양열 에너지로는 MF나 UF 공정을 돌리기도 벅차다고 생각했는데, 트럭 위에 설치된 작은 규모로도 RO 공정을 운영할 수 있다. 이 부분을 잘 활용하면 여러 가지 용도로 적용 가능할 것으로 보인다.

 

이번에 일본에서 지진 피해가 발생했을 때에도 이 설비로 물을 공급했다. 물 생산량이 얼마 안될 것으로 보이지만 하루에 100㎥까지 생산이 가능하며, 이는 도서 지역 정도는 공급할 수 있는 양이다. 물론 많은 에너지를 사용할 수 없다는 단점이 있지만 이동형이고 태양에너지를 사용한다는 점에서 흥미로운 기술이다.

 

▲ [그림 3] 이동식 태양광 SWRO·BWRO 설비