Global Issue Technology

스위스 EPFL, 환경 친화적·경제적인 ‘E-METS’ 개발 
 (로잔연방공과대학교)                                        (해수담수화 처리 기술)

제프 옹 박사팀, 현재 사용되는 모든 담수화 기술 이점 결합…향상된 성능 제공
(Jeff Ong)                                                                                                             
염분 99.9% 제거하나 에너지 적게 사용…상용화 위해 아쿠아라이프 글로벌 설립
                                                                  (Aqualife Global) 

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 보다 환경친화적인 방법으로 물을 탈염하는 방법
 Desalinating Water In A Greener And More Economical Way
 
스위스 로잔연방공과대학교(EPFL)의 연구원들은 기존의 시스템보다 더 환경 친화적이고 경제적인 방법으로 바닷물을 식수로 바꾸는 시스템을 개발했다. EPFL은 이 기술을 개발하고 상용화하기 위해 스핀오프(spin-off)인 아쿠아라이프 글로벌(Aqualife Global)을 설립했다.

Researchers at EPFL have developed a machine that turns seawater into drinking water in a more environmentally friendly and economical way than existing systems. A spin-off, Aqualife Global, has now been set up to develop and commercialize the technology.

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전세계 인구의 과도한 소비, 산업 활동 및 성장은 전세계 사람들의 증가하는 비율로 식수에 대한 접근을 위협하는 요소 중 일부이다. 2012년 유네스코(UNESCO) 통계에 따르면 거의 7억 명이 물에 대한 접근이 제한되어 있으며 그 수는 2025년까지 18억 명으로 증가할 수 있다.

산업폐수의 담수화 및 처리로 많은 양의 식수를 생산할 수 있으며 이러한 방법은 아랍에미리트(UAE), 사우디아라비아, 중국, 유럽 및 미국과 같은 많은 국가 및 지역에서 이미 사용되고 있다. 그러나 기존 시스템은 비용이 많이 들고 많은 에너지를 사용한다. 

 

▲ 스위스 로잔연방공과대학교(EPFL)의 무기합성 및 촉매작용 연구소의 제프 옹(Jeff Ong) 박사(사진)는 현재 사용되는 모든 담수화 기술의 이점을 결합시킨 환경 친화적이고 경제적인 해수담수화 처리 기술인 ‘E-METS’를 개발했다.

스위스 로잔연방공과대학교(EPFL)의 무기합성 및 촉매작용 연구소의 제프 옹(Jeff Ong) 박사는 현재 사용되는 모든 주요 기술의 이점을 결합하여 향상된 성능을 제공하는 수처리 기술을 개발했다. 대량 생산에 앞서 미리 제작해보는 시제품인 프로토 타입(prototype)에서 이 장치는 동일한 처리량으로 해수에서 99.9% 이상의 염분을 제거하지만 에너지는 적게 사용하는 것으로 나타났다. 이 시스템은 올해 실제 상황에서 테스트될 예정이다.

We know that excessive consumption, industrial activity and growth in the global population are some of the factors threatening access to drinking water for an increasing proportion of people around the world. According to UNESCO figures from 2012, almost 700 million people suffer from limited access to water - and that number could rise to 1.8 billion by 2025.

Desalination and the treatment of industrial wastewater can produce large amounts of drinking water, and these methods are already used in many countries and regions such as the United Arab Emirates, Saudi Arabia, China, Europe and the USA. However, existing systems are costly and use a lot of energy.

Jeff Ong, from EPFL’s Laboratory of Inorganic Synthesis and Catalysis, has developed a water treatment machine that combines the benefits of all of the main technologies currently being used while offering improved performance. For example, the prototype removes more than 99.9% of the salt from seawater with the same throughput but using less energy. The system will be tested in real-world conditions this year.

처리량 증가(Increasing throughput)

오늘날 사용되는 주요 대규모 담수화 기술은 역삼투압(RO, Reverse Osmosis)이다. 반투막(Semi-permeable membrane)에 의해 분리된 두 개의 동일한 액체가 다른 농도의 염 또는 미네랄을 갖는 경우, 각각의 액체가 동일한 농도를 가질 때까지 저농도의 액체가 멤브레인을 통과한다.

이러한 자연적 과정을 역으로 하여 맑은 물의 양을 극대화하기 위해 더 농축된 액체에 압력을 가하여 여과막을 통해 음용수 쪽을 향하여 흐르게 한다. 이 기술은 상대적으로 많은 양의 전기(약 4∼5kWh/㎥)를 사용하며 멤브레인은 광물입자로 마모된 다른 구성 요소와 마찬가지로 급속히 열화된다.

멤브레인은 1년에 몇 번 화학적으로 청소해야 하며 매우 빈번하게 교체해야 한다. “이것은 생산자들에게 높은 유지보수 비용을 초래한다”라고 제프 옹(Jeff Ong) 박사는 말한다. 그러나, EPFL 스핀 오프(spin-off)에 의해 사용되는 담수화 개념은 불활성 소수성 물질로 제조된 멤브레인을 사용하여 덜 빨리 마모되고 값싸게 재활용될 수 있다.

The main large-scale desalination technology used today is reverse osmosis. When two identical liquids separated by a semi-permeable membrane have a different concentration of salt or other minerals, the one with the lower concentration passes through the membrane until each liquid has the same concentration.

To reverse this natural process and therefore maximize the amount of fresh water, pressure is applied to the more concentrated liquid so that it flows through the filtration membrane towards the drinking water side. The technique uses a relatively large amount of electricity (around 4∼5kWh/㎥) and the membranes deteriorate rapidly, as do other components, worn down by mineral particles.

They need to be chemically cleaned several times per year and replaced very frequently. “That results in high maintenance costs for producers,” says Ong. However, the desalination concept used by the EPFL spin-off use membranes made of inert hydrophobic material, wear out less quickly and can be recycled cheaply.

 

▲ 새로운 해수담수화 처리 기술인 ‘E-METS’는 프로토 타입(prototype)에서 염분을 99.9% 이상 제거하지만 에너지는 적게 사용하는 것으로 나타났다.

열회수 요소를 사용하여 증발하는 물
(Evaporating water using heat recovery elements)
 
 EPFL(Ecole Polytechnique Federale de Lausanne)의 프로토 타입이 99.9% 이상으로 증가하는 염분 분리를 극대화하기 위해 일련의 증발 기반 담수화 모듈을 함께 사용했다. 시스템의 주된 약점인 에너지 소비 문제를 해결하기 위해 제프 옹(Jeff Ong) 박사팀은 내부 열회수 및 보다 효율적인 열 전달을 포함하여 몇 가지 개선 작업을 수행했다.

압력을 줄임으로써 물은 섭씨 80도(80℃) 미만의 온도에서 끓을 수 있다. 생성된 증기는 냉각되어 깨끗한 물로 회수된다. 남아있는 소금이 들어있는 나머지 액체는 훨씬 낮은 압력으로 다른 셀(cell)로 전달된다.

열회수 요소는 시스템 외부의 에너지를 사용하지 않고 잔여 염수를 예열 및 기화시키는 데 사용된다. 각 단계에서 생성된 증기는 냉각되고 생성된 담수가 회수된다. 담수는 시스템을 냉각시키기 위해 배치된 열교환기 장치를 사용하여 제거된다. 손실될 열을 재사용함으로써 ‘E-METS’는 기존 열 시스템보다 훨씬 적은 공간(foot print)을 갖는다.

제프 옹(Jeff Ong) 박사는 “이러한 증발 및 냉각 흐름원리는 원자력 산업에서 일반적으로 사용되는데, 우리는 물 분리 분야에서 이 개념을 처음으로 적용하고 있다”고 말했다.

To maximize salt separation, which the EPFL prototype increases to more than 99.9%, Ong put together a series of evaporation-based desalination modules. To address the system’s main weakness - energy consumption - he made several improvements including internal heat recovery and more efficient heat transfer.

By reducing the pressure, the water can be brought to a boil at a temperature of less than 80℃. The vapor produced is cooled and recovered as fresh water. The rest of the liquid, which contains the remaining salt, passes into another cell with even lower pressure, and so forth.

Heat recovery elements are used to pre-heat and vaporize the remaining saltwater, without using any energy from outside the system. At each stage, the vapor produced is cooled and the resulting fresh water is recovered. The fresh water is removed using heat exchanger devices that are positioned so as to cool the system. By reusing heat that would otherwise be lost, E-METS has a much lower carbon footprint than a conventional thermal system.

 “These evaporation and cooling flow principles are commonly employed in the nuclear power industry”, explains Ong. “We are the first to apply the concept in the water separation field.”

매우 짠 물처리(Treating very salty water)

 

 

▲ 새로운 해수담수화 처리 기술인 ‘E-METS’를 개발한 제프 옹(Jeff Ong) 박사가 “원자력 산업에서 일반적으로 사용되는 증발 및 냉각 흐름원리를 물 분리 분야에서 처음으로 적용했다”고 말하고 있다.

이 하이브리드 프로토 타입의 최근 개선 사항은 처리량이 역삼투 시스템의 최대 2배에 달하기 때문에 시간을 절약할 수 있다. 또한 새로운 시스템은 200g/L 이상의 매우 높은 염 농도를 처리할 수 있다는 장점이 있으며, 이는 표준 열 분리 기술의 2배, 역삼투의 4배 이상이나 된다. 이러한 높은 염 농도는 예를 들어 역삼투 설비에 의해 생성된 폐액에서 발견될 수 있다.

담수화 시장은 2025년에 274억 달러(약 29조 7천억 원)의 가치가 있을 것으로 예상되며, 물 및 수처리 시장은 총 675억 달러(약 74조2천500만 원)에 달할 것으로 예상된다. 신생 기업 아쿠아라이프 글로벌(Aqualife Global)은 이 기술을 ‘E-METS’로 명명하고 이 기술을 상용화하기 위해 현재 통합되어 있다. 시스템의 모듈식 배열은 처리할 물의 양에 맞출 수 있음을 의미한다.

올해 공동 창립자들은 운송 컨테이너에 맞는 버전을 개발하여 가장 필요한 곳으로 쉽게 운송하고 설치하도록 하고 있다. 해수 담수화에 사용되는 것뿐만 아니라 이 시스템은 역삼투 설비와 연결되어 보다 많은 양의 담수화된 음용수를 생산할 수 있다.

공동 창립자는 또한 광산업계의 폐수처리(특히 리튬 광업) 및 발전 회사에서 생산한 폐수에서 황을 제거하는 것과 같은 많은 다른 잠재적인 응용 분야를 보고 있다. 이 시스템은 농식품 및 석유 및 가스산업에서 생산되는 폐수를 처리하는 데에도 사용될 수 있다.

 Recent improvements in this hybrid prototype have also resulted in time savings, because throughput is now up to twice as high as that of reverse osmosis systems. In addition, the new system has the advantage of being able to handle very high salt concentrations - more than 200g/L - which is twice as much as standard thermal separation technologies and more than four times as much as reverse osmosis. Such high salt concentrations can be found, for example, in the waste solutions produced by reverse-osmosis plants.

The desalination market is expected to be worth $27.4 billion in 2025, with the water and water treatment market overall worth $675 billion. The start-up, Aqualife Global, is currently in incorporated to commercialize the E-METS technology. The modular arrangement of the system means that it can be adapted to the amount of water to be treated.

This year, the co-founders intend to develop a version that fits into a shipping container, making it easy to transport and allowing it to be set up where it is most needed. As well as being used to desalinate seawater, the system can be connected to reverse osmosis plants, helping them to produce higher volumes of desalinated drinking water.

The co-founders also see many other potential applications, such as treating wastewater from the mining industry - and more specifically for lithium mining - and removing sulfur from wastewater produced by electricity generation companies. The system could also be used to treat wastewater produced by the agri-food and oil and gas industries.

[출처 = 워터온라인(https://www.wateronline.com/doc/desalinating-water-greener-more-economical-way-0001) / 2019년 6월 3일]

[『워터저널』 2019년 7월호에 게재]