신기술

마그네슘 투입해 해수담수화 기술 안정성 확보 

KIST 정성필·이석헌 박사, 해수담수화 분리막 오염 억제공정 개발
무기물 기반 친환경 전처리…공정효율 개선·분리막 수명 연장 기대

국내 연구진이 해수담수화 기술에 사용되는 분리막의 오염을 억제하는 방법을 찾아냈다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 직무대행 윤석진)은 물자원순환연구센터의 정성필·이석헌 박사팀이 해수담수화 기술 중 하나인 막증류 공정에 사용되는 분리막이 오염되거나 젖지 않도록 하는 마그네슘 투입 전처리 공정을 개발했다고 지난 4월 7일 밝혔다.

막증류 공정은 해수를 가열하여 발생된 수증기를 소수성 분리막을 통과시켜 해수와 수증기를 분리한 후 응축하여 담수를 생산하는 기술이다. 막증류 공정에서는 분리막 표면에서 막오염이 발생하며, 막증류 공정에서의 독특한 현상인 막젖음이 발생한다. 막오염에 의해 담수 생산 속도가 감소하거나, 분리막의 교체 주기가 짧아지는 경우 담수 생산 비용이 증가되는 문제점도 있었다.

KIST 연구진은 막증류 공정을 모니터링해 탄산칼슘(CaCO₃)과 황산칼슘(CaSO₄) 결정이 분리막 표면에 형성되는 것이 막오염의 주요 원인임을 확인했다. 또한 탄산칼슘은 운전 초기부터 형성되어 분리막의 부분 막젖음을 유발하고, 황산칼슘의 형성은 완전한 막젖음을 발생시켜 운전 중단을 유발한다는 사실을 밝혀냈다.

해수담수화 공정에서 칼슘계 결정에 의한 막오염을 방지하기 위해 스케일방지제(anti-scalant)가 대표적으로 적용되어 왔으며, 막증류 공정의 전처리 공정으로써 화학적 연수화(軟水化) 기술이 적용된 사례도 보고되고 있다. 하지만 스케일방지제를 사용하는 경우, 유기물인 스케일방지제가 유입수의 표면장력을 낮춰 막젖음 발생 가능성을 증가시킨다는 보고가 있다. 또한 화학적 연수화 기술을 적용하는 경우 연수화 과정에서 형성된 결정들을 제거하기 위한 대규모 침전 공정이 추가로 필요한 어려움이 있다.

KIST 정성필 박사팀은 바닷물에 마그네슘을 투입하는 전처리 공정을 최초로 제안했다. 마그네슘은 바닷물 속에 존재하는 탄산 및 황산이온과 결합하려는 특성을 갖고 있어, 탄산칼슘 및 황산칼슘의 형성을 막아 분리막 오염이 효과적으로 지연되는 것으로 확인됐다. 또한 투입되는 염화마그네슘(MgCl₂)이 무기물질이기 때문에 소수성 분리막의 안정성(막젖음에 대한 저항성)도 확보할 수 있었다고 연구팀은 설명했다.

KIST 정성필 박사는 “소수성 분리막의 안정성이 확보되어 담수화 효율이 높아지고 분리막 수명이 연장될 수 있을 것으로 기대된다”며 “무기물 기반의 친환경 전처리가 막 증발 공정 뿐 아니라 다양한 해수담수화 공정에 적용될 수 있을 것”이라고 밝혔다.

이번 연구결과는 『워터리서치(Water Research)』 최신호에 게재됐다(논문명 : Retardation of wetting for membrane distillation by adjusting major components of seawater).  

[『워터저널』 2020년 5월호에 게재]