[출처 = 워터저널(www.waterjournal.co.kr) 2011년 9월호 특집 기사 / 원문은 파일첨부 참조]

 

 

▲ 이 상 엽 교수 고려대 환경기술정책연구소

지난 2008년부터 최근까지 출간된 정삼투(FO, Forward Osmosis)에 관한 논문 70∼80편을 찾아보았다. 논문을 살펴보면 최근의 연구 동향은 물론 향후 어떤 연구가 필요한 지 등을 파악할 수 있기 때문에 주요 논문의 내용을 간략히 설명하고 FO 기술 전반에 대해 소개하도록 하겠다.

 

먼저 역삼투(RO, Reverse Osmosis)와 FO를 간단히 소개하면 두 공정 모두 반투막을 사이에 둔 서로 농도가 다른 용액이 농도 평형에 이르기 위해 저농도의 용액 중의 물이 고농도의 용액 쪽으로 유입되어 희석되는 삼투현상에 기초한 것이다.

 

해수담수화를 예로 설명하면, FO는 해수와 해수보다 삼투압이 높은 용액이 반투막을 사이에 두고 해수 중의 순수가 해수보다 삼투압이 높은 용액 쪽으로 이동하게 되는 것으로, 이 때 해수보다 삼투압이 높은 용액을 ‘유도용액(Draw Solution)’이라 한다.

 

따라서 FO에서는 RO에서 필요한 고압의 펌프가 불필요하지만, 담수를 생산하기 위해서는 해수 중의 순수가 이동해 희석된 유도용액 중에서 유도용질을 분리 회수해야 하는 추가 공정이 필요하다.

 

지난 2009년 영국 물 전문 리서치 기관인 ‘글로벌 워터 인텔리전스(GWI, Global Water Intelligence)’는 FO 기술을 지속 가능한 10대 첨단 수처리 기술의 하나로 꼽았으며, FO 공정은 RO 공정을 대체할 수 있는 차세대 기술로서 주목받았다.

 

이는 고압의 펌프가 불필요해 담수 생산을 위한 단위소비전력을 크게 절감할 수 있고, RO공정에서 문제가 되는 막 오염도 가압 공정 없이 진행되기 때문에 막 세척이 용이하기 때문이다.

 

FO 제막 분야 연구 가장 활발
FO 공정의 연구 동향을 보면 1950∼1960년대는 기술의 태동기로, 당시에는 삼투압(Osmotic pressure)을 주제로 하는 연구가 이뤄졌다. 물론 이러한 연구들도 구체화·가시화 되기 시작한 것은 2000년대 중반부터이다.

 

최근에는 유도용질로 사용된 물질이 농도 차에 의해 처리수 쪽으로 넘어가는 현상 또한 FO공정에서 해결해야 하는 과제로 대두됐다. 지난 2006년∼2007년에는 내부 농도 분극(ICP, Internal concentration polarization)과 관련된 이론들이 주로 발표됐다.

 

FO는 멤브레인을 사이에 두고 처리돼야 하는 물과 유도용액을 이루는 용질(Solute) 및 물(Water)의 흐름이 연동돼야 하기 때문에 삼투압을 저하시키는 주요 요인인 ICP 문제가 당시 주요 연구 분야로 대두됐다.

 

물론, RO 공정도 막 내부의 여과효율을 저하시키는 ICP가 발생하지만, 일반적으로 전체적인 처리과정에 큰 영향을 주지 않기 때문에 그에 대해 특별한 연구를 하거나 엔지니어링 부분에서의 접근은 필요 없었다.

 

이처럼 FO 공정을 운영함에 있어 처리 과정에 영향을 주는 다양한 주제의 연구 논문들이 꾸준히 발표되고 있다. JMS(Journal of Membrane Science), ES&T(Environmental Science & Technology) 등 세계 유수의 학술저널에 발표된 FO 관련 논문 편수를 보면 지난 2008년 5편, 2009년 8편, 2010년 19편이며, 2011년은 6월까지 22편이 발표됐다.

 

이는 지난 2009∼2010년에 많이 연구된 내용들이 이제 발표되는 것으로 올해는 약 40∼50편 정도 관련 논문이 발표될 것으로 예상된다. 논문 주제별로 보면 제막(Fabrication)부분 즉, 개발한 멤브레인의 성능을 설명하는 연구가 주로 이뤄졌다. 이 밖에 유도용액, 시스템(System)이나 모델링(Modeling), 막 오염·세척(Fouling·Cleaning) 또는 물 통합이나 에너지 통합과 관련된 내용의 논문이 발표됐다.

1990년대 FO 전용막 개발 시작
제막 부분에 있어 FO 멤브레인의 개발 과정을 살펴보면, 지난 1960년대 현대식 제막 기술이 나타났으며, 1970년대에는 RO 막을 이용해 FO 공정을 연구하기 시작했다. 그리고 1990년대에 들어서야 비로소 FO 전용 멤브레인이 개발되기 시작했으며, 관련 연구를 분류하면 크게 평판형(Flat sheet type)과 중공사형(Hollow fiber type)으로 나눌 수 있다.

 

예일대학 연구진은 TFC(Thin Film Composite) 멤브레인과 관련된 연구를 진행하고 2010년과 2011년에 각각 ES&T와 JMS에 논문을 냈다. 이 연구는 일반적인 RO 멤브레인 제막 기술을 그대로 차용하고 지지층의 구조를 변화시켜 ICP를 최소화하는 방안을 모색한 것이다. 그 결과 손가락 모양과 같은 Finger like 구조와 스폰지 단면 형태의 Sponge like 구조를 조합할 때 최적의 막 성능을 도출했다.

 

싱가포르 국립대학교에서는 평막과 중공사막에 대한 연구를 진행했다. 평판형의 경우 지난해 2개의 연구가 진행돼 JMS에 논문이 실렸다. 그 중 하나는 상 전환(Phase inversion) 원리를 이용해 다양한 지지층별 ICP를 조사한 연구로 다공성(fully porous) 지지층을 형성했을 때, ICP가 최소화됐다.

 

또 다른 연구는 폴리벤지미다졸(PBI, Polybenzimidizole)의 단점을 보완하기 위해 친수성과 전하를 도입해 멤브레인을 개조했으며, 그 결과 플럭스(Flux)는 감소했으나 제거율(rejection)은 증가했다. 중공사막의 경우 2009년 4개의 연구가 이뤄졌다.

 

특히, ES&T와 S&P Tech에 소개된 이중층(Dual layer)관련 연구는 참신한 아이디어에 기초한 것으로 일반적으로 흐름이 한 방향으로 이뤄진 구조에서는 이중 층이 굳이 필요하지 않다. 그러나 중공사막이 FO에 이용되면 앞서 언급한 것처럼 유도용액과 처리수의 흐름이 양쪽에서 발생하므로 양방향에 모두 치밀층(Skin layer)을 두는 것이다.

FO 공정, 중공사막에도 적용 가능
싱가포르 난양 기술대학교도 평판형과 중공사형에 대한 연구가 이뤄졌다. 평판형의 경우 지지층 개선을 통해 Sponge like 구조보다 Finger like 구조가 ICP 최소화에 적합함을 확인한 연구가 2011년 JMS에 소개됐다.

 

또 올해 ES&T에 소개된 신 제막 공법을 적용한 평판형막 연구는 고분자 전해질(Polyelectrolyte)을 이용해 층을 합성하는 방식으로, 고분자 전해질의 양에 따라 성능 변화를 확인한 것이다.

 

중공사막 관련 연구로는 FO 공정의 중공사막 적용성을 검토한 것이 있으며 높은 워터 플럭스와 기존 문헌 값보다 낮은 용질 플럭스로 해수담수화에 이용이 가능함을 확인했다.

 

제막 분야에 있어 개선을 위해 꾸준히 연구가 필요한 부분을 살펴보면 우선 상용화에 못 미치는 투과 유속(Water Flux)을 개선해야 하며, 50LMH 이상은 돼야 상용화가 가능하다.

 

또한 멤브레인 표면 개선을 통해 파울링을 줄이고 제거율을 높여야 하며 에어워싱(Air washing)이나 역세에 견딜 수 있으면서 플럭스에 영향을 주지 않는 구조를 개발할 필요가 있다.

관개용수, 유도용액으로 비료 사용
유도용액 부분은 아직은 특별한 연구성과가 나타나지 않았다. 2010년 JMS지에 실린 논문을 보면 같은 유도용액을 가지고도 운영 방식에 따라서 플럭스와 제거율에 상당한 차이가 나타났다. 이 연구는 유도용액을 개발했다기보다 유도용액에 어떠한 운영 방식이 적합한지 파악하기 위한 프로세스라고 할 수 있다.

 

2009년 ES&T에 실린 논문 중, 염 잔류량을 실험적으로 증명하고 모델링한 논문이 있으며 이는 여러 가지 유도용액에 따른 염 잔류량과 플럭스의 변화를 조사한 것이다. 그 결과 염 잔류량이 클수록 플럭스는 작은 것으로 나타났다.

 

이 밖에 용해성, 유독성, 삼투압을 비교해 유도용액별 단가를 비교한 논문도 있었으며 유도용액으로 사용되는 화학약품 비용과 여러 가지 에너지 비용을 분석해 공정별 비용을 추정했다.

최근에는 유기화합물을 유도용액으로 사용하는 연구가 이뤄지기도 했다. 물론 이 공정도 열분리로 이뤄지기 때문에 에너지적인 측면에서는 분리와 회수에 많은 비용이 필요한 것으로 나타났다. 이 밖에 새로운 컨셉의 연구도 등장했다.

 

호주의 사례로 염분 농도가 높은 해수를 관개용수로 사용함에 있어 비료를 유도용액으로 사용했다. 우선, 분리공정 없이 희석된 비료를 바로 농작물에 이용할 수 있도록 유도용액으로 이용 가능한 비료 성분을 선정했다.

 

실제로 호주에서는 이러한 기술이 현재 사용되고 있고 분리 회수 공정에서의 에너지 소모나 비용 소비가 거의 발생하지 않기 때문에 기존의 RO와 비교했을 때 충분한 경쟁력을 갖게 된다.

 

당분간 어떤 획기적인 유도용액이 나오기 전까지는 유도용액의 분리와 회수에 있어서 비용을 줄일 수 있고 기존의 공정과 조합해서 적용될 수 있는 방향이 현재 FO 연구가 나아가고 있는 방향으로 보여지며, 그 와중에 유도용액 분야를 연구하는 그룹이 많이 있기 때문에 가시적인 성과가 나올 수 있으리라 생각한다.

모델링·시스템 등 다양한 연구 진행
막 오염과 세척 분야에 있어서 오염 메커니즘 및 영향 인자를 살펴본 연구로는 지난 2008년 JMS지에 소개된 논문이 있으며, 이 논문에 따르면 유기 오염물 사이의 상호작용이 막 오염의 속도와 정도를 결정하는데 가장 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다.

 

또, 막 표면의 오염층 형성은 칼슘 이온, 투과 항력, 수력학적 전단력에 의해 영향을 받는 것으로 조사됐으며, 오염층이 형성된 후에는 조건에 관계없이 유사한 플럭스 감소 추세를 보였다.

 

모델링은 여러 가지가 있지만 일단 ICP모델 즉, 멤브레인 지지층 내에서의 농도분극에 대한 모델링이 주를 이뤄왔다. ICP를 정량화 할 수 있는 변수는 멤브레인 지지층 구조의 여러 변수를 조합해 S파라미터(S parameter)라는 수치를 도출하고 이를 통해 S값의 크고 작음에 따라 멤브레인의 플럭스가 좋고 나쁨을 평가하는 것이다.

 

시스템에 있어서 호주의 관개용수 사례와 같이 FO를 이용한 농축시스템이 지난 2009년 JMS에 소개됐다. 이 연구는 잼 등의 식품 및 발효 등에 사용되는 자당용액(sucrose, sugar solution)의 농축에 있어, FO와 RO공정의 성능을 비교한 것으로 FO는 RO공정보다 농축효율은 높았으나 유량은 다소 부족한 것으로 나타났다.

 

이 밖에 FO와 미생물처리를 적용한 OMBR 시스템의 경우, 올해 소개된 논문에서 염분 농도의 증가에도 불구하고 73일간 워터 플럭스가 안정적이고 미생물의 성장도 크게 저해하지는 않았다는 연구가 있었다. 또한, 막 성능 저하와 파울링도 관찰되지 않았다.

국내의 FO 관련 연구는 고려대학교와 KIST에서 추진되고 있으며, 고려대학교에서는 지식경제부 WPM(World Premium Materials)사업으로 총 500억 원이 투입된 ‘Developing new FO membrane’연구가 진행되고 있다. 이는 지난해부터 오는 2017년까지 3단계로 나눠 추진되며 제막 분야, 그 중에서도 중공사막 쪽에 중점을 둔 프로젝트이다.

 

교육과학기술부의 WCU(World Class University) 국가과제도 진행되고 있으며, 총 11억5천만 원이 투입됐다. 연구기간은 지난 2009년부터 오는 2013년까지로 나노 물질을 이용한 차세대 FO 멤브레인을 통해 해수담수화 및 물 재이용 기술의 효율성 극대화를 목표로 하고 있다.

 

KIST에서는 ‘Wastewater reuse using FO’연구가 진행되고 있으며 이는 염 제거율 측면이 아닌 하수 재이용이나 정수처리에 적용될 때, 각종 미량 유해물질에 대한 제거에 있어 RO와 FO를 비교하는 것이다. 이 연구가 어느 정도 성과를 보이면 물 통합형으로 하수와 해수를 함께 처리하는 에너지 소모를 줄이는 공법이 개발될 것으로 보인다.

 

FO의 향후 연구 동향을 예측해 보면 담수화는 물 통합형으로 하수와 해수를 이용한 접근이 이뤄질 것이고, 제막 쪽에서는 ICP를 줄여서 50LMH에 도달할 수 있는 막을 만들기 위한 노력이 필요하다. 유도용액은 농도를 높이기보다 좋은 멤브레인을 개발해서 저농도의 용액을 사용하는 게 분리 회수가 쉽고, 비용 절감이 가능하다는 인식이 많아지고 있다.