[막여과 최신기술 동향] 세계 최초 상업화된 멘브레인 증류기술 멤브레인 증류 기술로 안전하고 깨끗한 물 확보

열 자원 이용해 에너지 효율 극대화 한 차세대 수처리 시스템

 

 

안전하고 깨끗한 물 확보는 전 세계가 직면하고 있는 가장 큰 과제중의 하나이다. 이를 해결하기 위한 가장 확실한 방법으로 멤브레인 증류(Membrane distillation) 기술이 개발됐으며, 가장 낮은 에너지 비용으로 이러한 요구을 충족시키고 있다. 이에 관해 네덜란드의 Aquaver사의 Enrique Mendez는 세계 최초로 상업화된 Membrane distillation 개발에 대해 기술하고 있다. 본지는 Enrique Mendez의 ‘Membrane distillation delivers greener clean water’을 번역·정리했다. [번역·정리 = 김덕연 본지 편집위원]

 

지구의 70%가 물로 구성되어 있으며 이중 먹는 물로 적합한 수자원은 매우 적게 분포되어 있다. 약 12억 명의 인구가 깨끗한 물을 접하고 있지 못하고 있으며, 지구 인구의 거의 80%가 물 부족의 위험에 직면하고 있다. 한편으로 나날이 지구 각 지역에서 인구증가, 산업화의 진행, 기후변화 등으로 인한 현상은 점차 악화되고 있다.

지구상에는 물이 풍부하게 존재하고 있으나 대부분 염분수이거나 심하게 오염화되어 있어 사용하기 전에 특별한 처리과정을 거쳐야 한다. 담수화 처리 방법의 가장 일반적인 기술로는 기계적 분리 원리에 의한 여과(filtration) 방법이 있다. 원수는 선택적 특성의 멤브레인 장치에서 추진력으로 압력이 가해지며 염분 등의 불순물들은 멤브레인의 압력을 받는 면에서 부착이 되어 배제가 이루진다. 동시에 깨끗한 물은 멤브레인을 통과, 생산수로 배출된다.

기존의 RO 기술은 멤브레인 양단간에 발생되는 삼투압(osmotic pressure) 이상으로 압력이 가해져야 처리가 이루어지는 특성으로 많은 양의 에너지를 필요로 하며 시스템의 용량 규모 및 유입수의 수질 여하에 따라 달라진다.

일반적으로 에너지 사용량은 3∼8㎾h/㎥ 범위에 있다. 이러한 처리과정을 통해 생산되는 생산수의 수질은 원수의 수질에 따라 직접적 연관성을 갖고 있으며, 유입수의 TDS 농도가 50 g/L(5만ppm)을 초과하면 정수기술로서의 RO의 효율성은 크게 떨어지게 된다.

또한 현재 사용되고 있는 RO 사용의 여과 기술은 여러 제한 요소들이 존재한다. 예를 들어 특별한 전처리 공정이 필요하거나, 파울링이나 스케일 발생을 방지하기 위해 다량의 화학약품 사용이 필요하게 된다. 이러한 요인으로 운전비용이 높아지며, 공정기술 적용이 복잡해진다. 더 나아가 환경친화적이 아닌 환경에 역행하는 공정이 될 수도 있다.

 

Although 70% of the planet is covered by water, only a very small amount of it is suitable for drinking. An estimated 1.2 billion people globally still do not have access to clean water [1], and nearly 80% of the world’s population is exposed to high levels of threat to water security [2].

A growing population worldwide, increased industrialisation and climate change worsen the situation further. Although there is plenty of water around, most of it is saline or polluted, and needs treating before use. The most common technology for desalination is filtration, a mechanical separation technique in which water is pressurised over a selective membrane. Impurities, such as salts, are retained on the pressurised side of the membrane and clean water is allowed to pass to the other side as product.

The high pressures involved to overcome the osmotic pressure (between 55-85 bars for seawater) imply large amounts of energy are required. Typical energy consumption ranges from 3-8㎾h/㎥, depending on system size and feed water quality. The quality of the product water generated is directly related to the quality of the water source.

For feed waters exceeding TDS∼50g/L, the effectiveness of Reverse Osmosis (RO) as a purification technology reduces significantly. In addition, filtration techniques have other limitations, such as the need for pre-treatment and the high use of chemicals to prevent fouling and scaling. These limitations result in a high operational cost, high technical complexity and environmentally-unfriendly operations.

 

[그림 1] 깨끗한 물에 대한 접근은 오늘날 우리가 직면하고 있는 가장 중요한 과제 중 하나이다.

대부분의 처리 기술들은 본질적으로 자체만으로는 처리 효율이 좋지 않다. 예를 들어 낮은 온도를 일정한 값으로 올리는 경우, 적용되는 대부분의 기술은 사용되는 에너지의 많은 양이 낭비되고 있다. 이러한 문제 해결을 위해 보다 효율이 좋은 제품 및 시스템의 개발에 많은 노력이 이루어지고 있다.

즉, 자동차, 컴퓨터, TV 등의 제품은 과거 제품보다 에너지를 적게 소비하고 있다. 가장 좋은 사례로 LED 램프 개발의 경우, 기존의 램프 제품에서 사용되는 전체 에너지의 5%만이 빛을 생산하기 위한 목적으로 필요하고 나머지 에너지는 모두 낭비로 간주된다. 그러나 그 이후 새로운 LED 램프의 개발로 효율면에서 25% 개선을 이루었다. 그러나 역시 나머지 75%는 여전히 낭비요소(waste)로 존재하고 있다.

네덜란드 소재의 Aquaver사는 2011년 수처리 분야에서 기존 처리 기술과 다른 방법으로 기술 개발을 진행했으며, 낭비가 없는(no waste) 처리기술의 개발을 목표로 했다. 수처리 시스템의 운전 추진력으로 폐수의 열원(waste heat)을 사용하는 가능성에 대한 조사·개발을 시작했다.

 

Many technologies are inherently inefficient. They dissipate a large fraction of the energy they consume as low temperature heat. To solve this there is a strong focus on developing more efficient products.

Cars, computers, TVs all now consume less energy than they did in the past. A wellknown example is the development of LED lamps. While traditional lamps use about 5% of the energy to produce light, LED lamps increase their efficiency up to 25%. However, even in this case, 75% of the energy is wasted as heat.

Netherland’s based Aquaver began to explore a different approach to technological innovation in 2011. In nature, for example, there is no waste. This is an approach Aquaver wanted to mimic. Aquaver started to investigate the possibility of using waste heat to power water treatment systems.

 

 

[그림 2] 증발·응축 멤브레인 증류 시스템(evaporation-condensation membrane distillation system)

 

Aquaver사에 의해 개발된 수처리 시스템은 특허화된 기술의 다단계 VMEMD(Vacuum Membrane Distillation) 기술에 근거한 것으로([그림 2] 참조) 사전에 가열처리된 유입수는 처리 모듈의 first stage에 유입되어 thin plastic foil과 소수성 멤브레인 사이에 경계가 이루어진 채널을 통해 흐르게 된다.

이때, 낮은 압력은 유입수가 약간 낮아진 온도에서 비등(boiling)되도록 하여 수증기화된 물은 멤브레인을 통과하게 된다. 이러한 스팀 수증기는 foil상에서 응축되어 순수한 증류수가 되어 next stage로 이동하게 된다. 한편, 염분 이온 등 오염물질은 개개의 단계별로 점차 농도가 높아진 유입수 흐름상에 용존된 상태로 존재하게 된다.

다음단계로 진행될수록 유입수의 흐름은 점차 낮은 압력에서 작동되며, 이로써 멤브레인에 의한 증류 과정이 이루어지는데 직전 단계로부터의 응축열원에 의해 추진되는 낮은 온도에서 계속적으로 진행된다. 각각의 단계별로 정수된 물(clean water)이 추출되어 나오며 단계별로 유입수는 점차 농축이 심해진다.

이러한 모듈 공정의 마지막에서 증류된 물과 응축된 물은 별도의 탱크에 저장된다. 단순히 에너지(낮은 온도에서 60∼80℃ 가열된 heat)만이 first stage에 공급되며 [그림 2]에 나타낸 바와 같이 증발농축 공정이 여러 번, 즉 thermal efficiency 혹은 GOR 값에 따라 반복된다(GOR은 Gain Output Ration의 약자로 공정에 공급되는 스팀의 one kilo당 생산되는 증류수의 kilo의 수를 나타내며 시스템의 열효율에 대한 일반적인 측정이다). 이러한 기술에서는 3∼6 정도의 GOR 값을 얻을 수 있다.

이 공정은 열적분리(thermal separation) 이론에 근거한 것으로 기계적 분리 이론과 달리 물 자체의 비등점과 비교하여 일정한 구성물질들의 비등점의 차이에 의해 발생된다. 유입수에 함유된 입자크기 및 농도의 분포는 이러한 공정과는 아무런 관계가 없다.

 

예를 들어 일반 여과 공정으로 처리가 어려운 염분물질은 열적분리(thermal separation) 공정으로 쉽게 제거된다. 이러한 물질은 물보다 몇 배 높은 비등점을 갖고 있으므로 열적 분리 공정에서의 물의 최종 품질은 단순히 증류과정을 통해 이루어짐으로 유입수의 수질 성상과는 별개로 간주된다.

 

The water treatment systems developed by Aquaver are based on a patented Multistage Vacuum Membrane Distillation (VMEMD) technology (process is illustrated in Figure 2). Pre-heated feed water is fed into the first stage of the processing module and flows through a channel bordered by a thin plastic foil and a hydrophobic membrane.

The stage’s low pressure allows the feed water to boil at a reduced temperature, and the water vapour gently passes through the membrane. The steam subsequently condenses onto a foil to a pure distillate, delivering its heat to the next stage. Contaminants, such as salts, remain dissolved in the now slightly more concentrated feed stream.

The feed water stream passes onto the next stage, where the pressure is even lower. This enables the membrane distillation process to repeat itself at a lower temperature driven entirely by the heat of condensation from the previous stage.

At each stage clean water is extracted and the feed stream concentrates further. At the end of the processing module distillate and concentrate are collected in separate tanks. Energy (low temperature heat at 60∼80℃) only has to be supplied to the first stage.

 

The evaporation condensation process is repeated several times, as described in Figure 2, multiplying the thermal efficiency or Gain Output Ratio (GOR). [The Gain Output Ratio is the number of kilos of distillate produced per one kilo of steam introduced in the system. The GOR is a common measure of the thermal efficiency of a system.] Typical GOR of 3∼6 can be obtained with this novel technology.

The process is based on thermal separation. Thermal separation, in contrast to mechanical separation, is based on the difference of the boiling point (volatility) of the different constituents, relative to the boiling point of water. Particle size or concentration levels become irrelevant in this process. Salts, for example, which are difficult to remove through filtration, are easily removed in the thermal separation process.

 

They have a boiling point a few orders of magnitude higher than water. Because of this, thermal separation processes can ensure that water product quality is independent of the feed water, since the product is obtained through distillation.

 

열적분리 시스템의 기본 기능을 [그림 3]에 표시했다. 낮은 온도에서의 열원으로 가열된 물이 시스템내로 유입되며 처리과정을 거쳐 정수된 물과 모든 이온성 오염물질이 함유된 농축수를 발생시킨다. 이에 추가해 인간의 소비용으로 적합하도록 물을 미네랄 처리하기 위한 후처리 공정이 포함되기도 한다.

1) 바닷물 등의 유입수가 시스템 내로 유입된다.
2) 시스템은 low temperature heat(60∼80℃)로 가열된다.
3) 시스템에서는 일정한 수질의 정수된 물을 생산한다.
4) 이온성 오염물질은 농축수 형태로 시스템에서 방류된다.

 

The basic functioning of the system is described in Figure 3. Feed water is fed into the system, which is heated by low temperature heat. The system then produces clean water and a concentrate with all the contaminants. There is also a post-treatment unit which mineralises the water to make it fit for human consumption.

1. Feed water, such as seawater, is fed into the system.
2. The system is powered by low temperature heat (60∼80℃).
3. The system produces clean water with consistent quality.
4. The contaminants leave the system in a brine stream (concentrate).

 

 

[그림 3] Aquaver 공정

[그림 4] Aquaver사의 WTS-40 시스템을 사용한 서로 다른 농도수준의 바닷물 처리. 이 시스템으로 다양한 염분농도에 대해 모두 <2㎎/L TDS 값을 가진 일정한 수준의 증류된 물을 얻을 수 있었다.produst concentration(㎎/L TDS)

이러한 증류공정의 특성은 유입수의 수질에 관련없이 좋은 수질의 물을 생산할 수 있다. 이를 증명하기 위해 Aquaver사는 여러 분야 적용 실험을 실시했으며, 그중에 하나로 [그림 4]에 설명한 바와 같이 서로 다른 농도수준의 바닷물을 조합해 Aquaver사의 WTS-40 모델 시스템에서 테스트를 시작했다.

사용된 바닷물의 농도는 17.5gr/L으로부터 175gr/L까지 분포되었다. 이 시스템으로 다양한 염분농도에 대하여 모두 <2㎎/L TDS 값을 가진 일정한 수준의 증류된 물을 얻을 수 있었다(fresh water는 일반적으로 <1천500㎎/L TDS로 규정된다). 이는 brine의 염분농도보다 4배 이상 낮은 값이다. 이러한 기술사용으로 전처리 공정 필요없이 실제적으로 하나의 공정 설계만으로 정수된 물 생산이 가능하다.

 

The nature of the distillation process ensures the Aquaver system delivers a high quality product independent of the quality of feed water. In order to demonstrate this, a series of application tests were conducted. An example of one of the tests is illustrated in Figure 4, where commercial synthetic seawater (Instant Ocean) at different concentration levels was treated using one of the commercial Aquaver products -a WTS-40, which delivers 60l/h of clean water. The concentration level ranged from 17 gr/L (0.5 × seawater salinity) up to 175 gr/L (∼5 × seawater salinity).

The system produced a consistent-quality distillate with <2 ㎎/L TDS for all the different salinities. [Fresh water is usually defined as < 1500 ㎎/L TDS.] This is around four orders of magnitude lower than the salinity of the brine. With this technology, it is possible to have a truly one-step-process for water production without a need of a pre-treatment stage. The complete set of experiments was performed with one simple 40 μm particle filter to protect the processing module.

Sustainable Systems (지속가능한 시스템)

시스템에서의 전기 소모량은 단지 2㎾h/㎥ 정도로 생산수 물량이나 바닷물 염분농도와 무관한 펌프 작동에만 필요한 전기량이다. 이는 기존의 기계적 여과에 의한 담수화 설비에서의 3∼8㎾h/㎥ 전기 소모량에 비교해 괄목할만한 기술개발이다.

 

또한 멤브레인 증류 설비는 low temperature heat에 의해 운전되므로 디젤발전 과정의 waste heat 혹은 태양열 집열장치 등의 low temperature heat 등으로부터 추진력을 얻을 수 있다.

 

The electricity consumption of the systems is just 2㎾h/㎥, and it is basically for the pumps, which work regardless of the output volume or seawater salinity. This is a remarkable improvement in energy efficiency when compared to desalination by mechanical filtration, which usually consumes 3-8㎾h/㎥. In addition to electricity, the systems operate on low temperature heat. Thus, they can be powered by a wide range of systems that produce low temperature heat, such as waste heat from diesel generators, or solar heat collectors.

 

 

태양열 집열장치를 통해 도시와 멀리 떨어진 지역에서도 멤브레인 증류(membrane distillation)가 가능하다.

멤브레인 증류 설비에서의 핵심 모듈은 PP재질 및 PTFE 재질의 멤브레인으로 제작되며 이 재질은 모두 부식에 강한 내성을 갖고 있다. 또한 멤브레인 자체의 소수성 특성과 모듈의 낮은 온도에서의 운전 특성으로 멤브레인을 이용한 물 처리에서 가장 큰 문제인 파울링과 스케일 발생을 크게 줄일 수 있다.

또한 구연산(citric acid)에 의한 간단한 세정 플러싱으로 시스템의 회복을 얻을 수 있다. 이로써 약품의 사용량 및 세정약품의 폐액 물량을 최소화해 보다 경쟁적인 물 생산비용 구조를 확립할 수 있다.

 

The membrane distillation modules are made of polypropylene (PP) and polytetrafluoroethylene (PTFE) membranes. Both materials are corrosion-proof plastics. In addition, the hydrophobic nature of the membranes and the low temperature operation of the system (<80°C) significantly reduce fouling and scaling, which are sources of major concern in water treatment.

Just a regular simple citric acid flush fully restores the system performance. This minimises expenses for new chemicals as well as costs associated with discharge of chemical waste. All the above results in a very competitive water cost.

 

Aquaver사는 에너지 효율 목적의 차세대 수처리 시스템을 개발했다. 이는 열(heat) 자원을 이용해 운전되는 수처리 시스템으로 low temperature heat를 사용해 어떤 종류의 원수로부터도 정수된 물을 얻을 수 있었다.

이 기술은 에너지 소비측면에서 waste heat 혹은 재생에너지 자원을 이용할 수 있으므로 커다란 이득이 된다. 한편, 담수화 처리에서는 복잡한 전처리 공정이 필요없으며 유지보수 업무도 상당히 줄어들었다. 또한 이 기술은 도시지역과 멀리 떨어진 지방의 전력설비가 없는 (off-grid) 지역에서도 설치 사용이 가능하다.

 

Aquaver has developed novel water treatment systems which offer the next stage in energy efficiency: advanced products powered by heat. The systems produce clean water from almost any water source using low temperature heat.

This has major implications for energy consumption, because it can be driven by waste heat or by renewable sources. For desalination, pre-treatment is not required and maintenance is very low. Aquaver has developed products capable of producing from 1-100㎥/day of drinking water. The products are particularly interesting for off-grid applications, such as those in remote locations.

 

                                                                                                      ※원문은 첨부파일 참조

 

                                                                      [출처 : 워터저널(www.waterjournal.co.kr) 2013년 6월호]