[호주] 일광을 이용한 염수의 담수 전환
태양에너지를 동력원으로 하는 정삼투(forward osmosis) 담수화 기술이 온도에 반응하는 히드로겔(hydrogel: 물을 분산 매체로 하는 겔)을 이용하여 기수(brackish water: 담수에 의하여 묽게 된 해수를 말하며, 주로 강과 바다가 만나는 하구 지역의 물이다.)의 염분을 없앤다.
물 부족 공동체는 에너지 효율을 추구하는 담수화 기술을 이용하여 바닷물이나 산업 폐수와 같이 소금이 든 물에서 담수를 생산할 수 있다.
그러나 역삼투(reverse osmosis: 농도가 진한 용액 속의 용매가 반투막을 통하여 묽은 용액 속으로 이동하는 것. 이러한 원리는 바닷물의 정수 장치에 이용될 수 있다. 즉, 바닷물에 높은 압력을 가하면 반투막을 통하여 순수한 물만 빠져나가므로 역삼투를 이용하여 담수를 얻을 수 있다.)
기술과 같은 일반적인 방법들은 물에 높은 압력을 가하여야 하므로 상당한 양의 에너지를 이용한다.
그래서 일부 연구자들은 이론상 더 적은 에너지를 사용할 수 있는 정삼투(reverse osmosis) 방식으로 방향을 전환한다.
이제 호주 모나쉬 대(Monash University)의 한 연구팀이 최근에 발표된 한 학술지(Environment Science & Technology)에서 일광의 도움을 받아 염수를 담수로 만드는 정삼투 방식의 시스템을 시연하였다.
역삼투 방식과 마찬가지로 정삼투 방식은 반투막(semipermeable membrane)을 통하여 물에서 용질을 제거한다.
역삼투 방식이 반투막을 통하여 물에 고압을 인가하는 반면, 정삼투 방식은 물이 이 반투막을 통과하도록 만들기 위하여 삼투압에 의존한다.
호주 모나쉬 대 연구자들은 이러한 삼투압을 만들기 위하여 다른 염이나 흡수성의 히드로겔 용액과 같은 유도용액(draw agent)을 반투막의 반대쪽에 넣는다.
일단 이러한 유도용액이 반투막을 가로질러 담수를 끌어당기면, 연구자들은 여기서 물을 추출하는 방법을 찾아야 한다.
이 마지막 단계에서 높은 에너지 효율을 달성할 수 있는 방법을 개발하는 것이 연구자들에게 도전과제였다.
호주의 모나쉬 대(Monash University)의 후안팅 왕(Huanting Wang) 교수와 조지 사이먼(George P. Simon) 교수가 이끄는 연구팀이 이중 층(dual layer)의 히드로겔을 통하여 담수를 추출하는 정투압 장치를 만들었다.
이 정투압 장치에서 담수는 반투막을 통하여 Ｎ-이소프로필아크릴아미드(NIPAM: N-isopropylacrylamide)와 아크릴화 나트륨(sodium acrylate)으로 만들어진 첫 번째 층의 히드로겔로 끌어당겨진다.
이 첫 번째 층의 히드로겔은 체적이 10~20배 정도로 부푼다. 다음 단계로 단지 Ｎ-이소프로필아크릴아미드(NIPAM)만으로 만들어진, 온도에 민감한 두 번째 층의 히드로겔은 첫 번째 층의 히드로겔로부터 물을 흡수한다.
연구자들이 이 두 번째 층을 섭씨 32도로 가열하였을 때, 히드로겔은 붕괴되고, 담수를 짜내게 된다. 연구팀의 장치는 이 히드로겔을 가열하기 위하여 일광을 사용한다.
연구팀은 기수(brackish water)의 표준 농도인 2,000ppm(parts per million: 미량 함유 물질의 농도 단위 중에서 가장 널리 사용되는 것으로 중량 100만분율로 나타내는 기호)의 염화나트륨 용액으로 이 이중 층 장치를 시험하였다.
일단 히드로겔이 물로 가득 찬 경우 이 모듈은 20 L/m2 h의 비율로 담수를 생산할 수 있다. 이것은 중탄산 암모늄(ammonium bicarbonate) 용액과 같은 다른 유도용액을 이용하여 정투압 방식을 수행할 때의 비율과 유사하다.
이 유도용액으로부터 담수를 추출하기 위하여 연구자들은 이 용액을 섭씨 60도 정도로 가열하여 중탄산 암모늄염을 더 낮은 온도에서 증류(distillation: 액체 혼합물을 각 성분의 휘발도의 차이를 이용하여 각각의 성분으로 분리하는 조작)로 제거될 수 있는 기체로 변환하여야 한다.
비록 추출된 담수의 유동 속도는 고무적이지만, 히드로겔이 물을 흡수하는 첫 단계의 공정은 다른 유도용액을 사용할 때와 비교하여 한 자릿수 만큼이나 더 느리다고 후안팅 왕 교수가 말했다.
이 시스템의 성능을 개선하기 위하여 연구팀은 다수의 히드로겔 모듈을 병렬로 운영하는 것을 구상하고 있다.
연구팀이 제안한 개념은 진실로 새로운 것이라고 미국 코네티컷 대(University of Connecticut)의 화학공학과 교수인 제프리 맥커천(Jeffrey R. McCutcheon)이 말했다.
"이것은 본질적으로 가열되었을 때 스스로 짜내는 삼투성 스펀지"라고 제프리 맥커천 교수가 덧붙였다.
그리고 다른 유도용액과 비교하여 이 방법은 상대적으로 낮은 온도에서 담수를 추출하므로 최소한의 에너지를 필요로 한다.
그러나 이 시스템의 담수 제조 속도는 다른 삼투 기술들과 경쟁하려면 한 자릿수 만큼 개선되어야 한다고 제프리 맥커천 교수가 충고하였다.
또한 이 장치는 해수를 담수화하려고 노력하고 있다. 해수는 연구팀이 사용한 시험 용액보다 약 17배 정도 더 높은 염도를 가진다.
결과적으로 현재의 방법은 더 낮은 염도를 가지는 산업폐수를 정화하는데 가장 유용하다고 후안팅 왕 교수가 말했다.
무엇보다도 산업용 공정에서 발생하는 폐열을 담수 추출에 필요한 열을 공급하는데 사용할 수 있으며, 이것은 효율적인 에너지 이용의 완전한 조합이라고 후안팅 왕 교수가 전했다.
연구팀은 현재 이 시스템을 산업용으로 이용하도록 확대하기 위하여 중국 상하이 기반의 제철회사인 바오스틸(Biosteel)과 협력하고 있다.
[출처 : KISTI 미리안(http://mirian.kisti.re.kr) 『글로벌동향브리핑(GTB)』2013. 11. 18]
[원문보기]
Sunlight Helps Turn Salty Water Fresh
With energy-efficient desalination techniques, water-starved communities could produce fresh water from salty sources such as seawater and industrial wastewater.
But common methods like reverse osmosis require pumping the water, which uses a substantial amount of energy.
So some researchers have turned to forward osmosis, because in theory it should use less energy.
Like reverse osmosis, forward osmosis removes solutes from water via a semipermeable membrane.
But instead of pumping the water through the membrane, forward osmosis methods rely on osmotic pressure to drive water across it.
To create this osmotic pressure, researchers place so-called draw agents, such as solutions of other salts or absorbent hydrogels, on the other side of the membrane.
Once these materials draw fresh water across the membrane, researchers have to find a way to extract the water from them. Developing an energy-efficient way to do this last step has been a challenge for researchers.
In their device, fresh water is pulled through the semipermeable membrane into a hydrogel made from N-isopropylacrylamide (NIPAM) and sodium acrylate.
The gel swells 10 to 20 times in volume. Next, a second, temperature-sensitive hydrogel made from just NIPAM absorbs the water from the first gel.
When the researchers heat the second layer to 32 °C, the gel collapses and squeezes out the fresh water. The team’s device uses focused sunlight to heat up the gel.
The team tested the dual-layer device with a solution of 2,000 ppm sodium chloride, a standard concentration for brackish water.
Once the hydrogel was primed with water, the module could produce fresh water at a rate of 20 L/m2 h.
This is similar to the rate of forward osmosis using other draw agents, such as a solution of ammonium bicarbonate.
To extract fresh water from that agent, researchers must heat the solution to about 60 °C to convert the ammonium bicarbonate salt to gases that can be removed by distillation at a lower temperature.
Although the flow rate of extracted fresh water was encouraging, the first step in the process—the hydrogel absorbing water—was an order of magnitude slower than that of other draw agents, Wang says.
To improve the performance of the system, the group envisions running many hydrogel modules in parallel.
“It’s essentially an osmotic sponge that squeezes itself out when heated,” he says. And the method requires minimal energy compared to other draw agents, because the device extracts the fresh water at a relatively low temperature.
He cautions, however, that the system’s rate of freshwater production must improve by an order of magnitude to be competitive with other osmotic methods.
The device also struggles with desalinating seawater, which has a salt concentration about 17 times greater than the team’s test solution, Wang says.
As a result, he says the current method would be most useful for purifying industrial wastewater streams that have a lower salt concentration.
What’s more, waste heat from industrial processes could be used to power the freshwater extraction. “It would be a perfect combination,” Wang says.
The team is now working with Shanghai-based steel company Baosteel to scale up the system for industrial use.
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