증가된 천연가스 생산은 미국 에너지 독립과 석탄 발전소의 온실가스 배출을 피하는 중요한 단계로 여겨지고 있다. 그러나 천연가스 유정은 많은 문제를 안고 있다.

 

종종 염과 광물을 상당히 포함하고 있는 다량의 심층수(deep water)가 기체와 함께 흘러나오는 것이다. 이러한 심층수를 소위 유정폐수(produced water, 오일이나 가스를 처리하는 과정에서 발생되는 폐수)라고 하여 폐기 또는 정화되어야만 한다.

 

최근 미국 MIT 연구진은 상대적으로 저렴한 비용으로 유정폐수를 정화시켜 이 문제를 해결할 수 있을 전망이다. 나아가서, 이 공정은 추가적인 개발을 통하여 개발도상국의 지역사회를 위한 저렴하고, 효율적인 담수 설비로 이어질 것이라고 연구진은 밝혔다.

 

새로운 기술은 최근 International Journal of Heat and Mass Transfer, Applied Energy 및 AICE(American Institute of Chemical Engineers)의 AIChE 저널 등 세 개의 저널에 발표된 시리즈 논문에 기술됐다.

 

연구팀에는 MIT 소속의 박사 후 연구원인 Prakash Narayan, 기계공학과 교수인 John H. Lienhard V, 사우디아라비아의 KFUPM(King Fahd University of Petroleum and Minerals) 소속의 연구진 등이 참여했다.

 

방법은 표준 담수화 공정을 변화시킨 것으로 염을 함유한 물을 증발시켜, 차가운 표면 위에 농축시키는 공정이다. 염은 증발이 일어나는 동안 분리된다. 그러나 이 공정은 모든 물이 끓는점까지 가열되는 한편, 응축된 표면은 차가운 상태로 유지될 필요가 있기 때문에, 에너지 집약적이며, 따라서 고가의 비용이 소요된다.

 

새로운 공정에서 끓는점 이하의 급수관정은 수송 기체와 직접 접촉하여 증발된다. 수분이 있는 공기는 연속적으로 정화된 증기 응축액이 있는 보다 더 차가운 물을 통과하여 거품을 형성한다.

 

그러나 따뜻한 물과 차가운 물의 온도 차이는 상용 제습기(dehumidifier)보다 훨씬 더 적고, 작은 거품에 의해 제공된 표면적은 평평한 응축 표면의 표면적보다 훨씬 더 넓기 때문에 보다 더 효율적인 공정으로 이어진다.

 

더 적은 에너지 소모
이러한 공정의 전통적인 버전은 HDH(humidification dehumidification) 담수화 시스템(desalination system)이라고 불린다. 다른 연구진이 HDH 시스템을 고안한 한편, 새로운 버전은 이전의 시스템보다 더 적은 에너지를 필요로 한다고 연구팀은 밝혔다.

 

Lienhard는 연구진이 KFUPM과의 협력 연구를 통하여 개발도상국 기반 시설이 없는 지역에 수자원을 공급하는 수단으로 HDH 공정에 관심을 갖게 됐다고 밝혔다. MIT와 KFUPM 연구진은 전 세계 모든 사람에게 혜택을 줄 수 있는 기술을 개발하기를 바라고 있다고 Lienhard는 밝혔다.

 

박사 논문 연구 시작 시점에, Narayan은 담수화 시설의 크기와 비용을 줄이기 위하여 에너지 효율성과 열 효율성을 증가시키는데 초점을 맞추었다고 밝혔다. 이러한 시설은 담수가 제한적이지만 해수는 풍부한 인도 남부 지역 같은 개발도상국 일부 지역에서 꼭 필요하다.

 

상용 담수화 설비는 크기가 클수록 더 많은 비용이 소요되는 규모와 관련된 효율성을 지닌다. 그러나 HDH 시스템에 대하여 최적의 크기는 시골 마을이 필요로 하는 용량 정도인 일일 1200~2400 리터의 물을 정화시킬 수 있는 시설이다. 이러한 시설은 더 많은 모듈을 추가함으로써 단순하게 더 큰 크기로 확대될 수 있다고 그는 밝혔다.

 

Lienhard는 HDH 기술이 과거에는 체계적인 분석 대상이 되지 못했다고 지적했다. 수년에 걸쳐, 연구진은 이러한 주기를 평가하기 위하여 새로운 열역학 방법을 개발했으며, 이러한 방법에서 에너지 비효율성의 원인에 대한 심도 깊은 이해가 이어졌다. 실제로, 이러한 시도는 연구진으로 하여금 최신 발표에 기술된 새로운 특징과 구성요소를 규명할 수 있게 해주었다.

 

연구진은 이미 시스템에 대한 특허를 출원했으며, 담수와 관련된 시스템을 추적하기 위하여 다른 MIT 연구진과 협력을 통하여 공정을 상업화하기 위한 기업을 설립했다. Narayan은 연구팀의 궁극적인 목표가 개발도상국에서 담수화인 한편, 시스템이 천연가스 유정으로부터 유래하는 유정 폐수를 처리하는데 특히 더 적합하다는 것을 확인했다.

 

파쇄(fracking)라고도 알려진 수압 파쇄(hydraulic fracturing)를 통하여 개방된 유정에 사용된 물과 다른 유체는 다른 종류의 처리와 폐기를 필요로 한다. 그러나 이러한 유정 운영자에게 더 큰 문제는 상당힌 비용을 대표하는 유정 폐수에 대한 현재의 처리 방법에 있다.

 

이 물은 일반적으로 해수보다 몇 배 더 높은 염도를 나타내고, 이러한 이유로 HDH 공정을 이용한 처리에 특히 적합한 후보라고 Narayan은 밝혔다. 막을 기반으로 하는 담수화 시스템과는 달리, 이러한 시스템의 효율성은 염도가 더 높은 물에 의해 영향을 받지 않는다. 가장 큰 장점은 당신이 높은 염도를 처리할 때라고 그는 덧붙였다.

 

MIT 연구팀은 몇 주 동안 연속적으로 운영되는 12피트 높이의 테스트 유닛을 구축하여 일일 700리터에 이르는 청정수를 생산할 계획이다. 연구팀은 천연가스 유정에서 유래한 물을 이용하여 음용할 수 있을 정도의 청정한 물을 생산할 수 있는지를 테스트했다.

 

다음 단계는 이러한 초기 유닛의 크기를 계산에 따라 최적의 크기임이 입증된 2~3배까지 규모를 확대하는 것이다. Narayan은 최초의 상용 설비가 2년 이내에 운영될 수 있을 것으로 기대하고 있다고 밝혔다.

 

영국 윈체스터 IDA Desalination Academy 학장인 Leon Awerbuch는 이 연구가 상용 HDH보다 훨씬 더 효율적인 해결 방안으로 이어질 매우 독특한 연구이며, 소규모와 중간 규모의 시스템을 위한 담수화에 큰 영향을 끼칠 것이라고 밝혔다.

 

새로운 시스템은 유정폐수 같이 매우 높은 염도를 나타내는 용액으로부터 수자원을 회수 및 집중시킬 수 있는 시스템의 개발을 크게 독려할 것이라고 Awerbuch는 밝혔다.

 

 

 

 

 

Increased natural gas production is seen as a crucial step away from the greenhouse gas emissions of coal plants and toward U.S. energy independence. But natural gas wells have problems: Large volumes of deep water, often heavily laden with salts and minerals, flow out along with the gas.

 

        실제적인 가스정으로부터 유래한 물이 MIT가 설립한 기업으로 보내져, 시스템을 통하여 운영되어 청정한 식수를 생산했다.

That so-called "produced water" must be disposed of, or cleaned. google_protectAndRun("render_ads.js::google_render_ad", google_handleError, google_render_ad);Ads by GoogleHydraulic Fracturing - The oil story no one's telling.

 

How to invest in hydraulic fracturing - EnergyandCapital.com/Fracturing Now, a process developed by engineers at MIT could solve the problem and produce clean water at relatively low cost. After further development, the process could also lead to inexpensive, efficient desalination plants for communities in the developing world, the researchers say.

 

The new technology is described in a series of papers recently published in three journals: the International Journal of Heat and Mass Transfer, Applied Energy and the American Institute of Chemical Engineers' AIChE Journal. The research is the work of a team including MIT postdoc Prakash Narayan, mechanical engineering professor John H. Lienhard V, and collaborators at King Fahd University of Petroleum and Minerals (KFUPM) in Saudi Arabia.

 

The method is a variation of the standard distillation process, in which salty water is vaporized and then condenses on a cold surface; the salt separates out during evaporation. But this process is energy-intensive?and therefore costly?because all the water must be heated to the boiling point, while the condensing surfaces must be kept cold.

 

In the new process, water well below the boiling point is vaporized by direct contact with a carrier gas; the moist air is subsequently bubbled through cooler water where the purified vapor condenses. But the temperature difference between the warm and cool water is much less than in conventional dehumidifiers, and the surface area provided by the small bubbles is much greater than that of a flat condenser surface, leading to a more efficient process.

 

Less energy needed The traditional version of this process is called a humidification dehumidification (HDH) desalination system. While other groups have designed HDH systems, this new version requires far less energy than previous systems, the team says.

 

      새로운 HDH 시스템의 원리를 증명하는 MIT 실험실에 설치된 12 피트 높이의 시스템.

 

Lienhard says, "We became interested in the HDH process at the start of our collaboration with KFUPM as a means of providing water to off-grid regions of the developing world. Both the MIT and the KFUPM faculty wanted to develop a technology that might benefit people all over the world."

 

Ads by Google

Water Chillers- Thermoelectric Chiller TE Modules, Temp Controllers - www.inbthermoelectric.com/chillers At the beginning of his doctoral thesis research, Narayan was focused, he says, on ways "to increase energy efficiency and thermal efficiency, and to reduce size and cost" for desalination plants.

 

Such facilities are a critical need in parts of the developing world?such as in southern India?that have limited fresh water but abundant seawater. Conventional distillation plants have efficiencies of scale?the bigger they are, the more cost-effective?but for the HDH system, the optimum size is a plant that produces about 1,200 to 2,400 liters of clean water a day, about the capacity needed for a rural village. Such plants can easily be made larger simply by adding more modules, he says.

 

 Lienhard notes that the HDH technology had not previously been the target of systematic analysis: "Over a period of years, our group developed new thermodynamic methods for assessment of these cycles, followed by a deep understanding of the causes of energy inefficiency in them.

 

Eventually, this led us to the new configurations and components that are described in these latest publications." Cleaning up gas-well water The researchers have already filed for patents on the system, and the team has set up a company to commercialize the process in collaboration with another MIT group that has been pursuing a related system for desalination. While Narayan says the team's ultimate goal is desalination in developing countries, it turns out that the system is especially well suited for treating the produced water that comes from natural gas wells.

 

The water and other fluids used to open wells through hydraulic fracturing?also known as fracking?are a somewhat different matter, requiring other kinds of treatment and disposal. But a much bigger issue for the operators of these wells is the ongoing treatment of produced water, which represents a significant expense. This water is typically several times saltier than seawater, which makes it a particularly good candidate for treatment with the HDH process, Narayan says: Unlike membrane-based desalination systems, this system's efficiency is unaffected by saltier water.

 

In fact, he adds, "The biggest advantage is when you deal with high salinity." A leading journal on desalination technology, Water Intelligence Report, gave the system the highest rating awarded to any system for dealing with produced water. The MIT team built a 12-foot-high test unit that has run continuously for weeks, producing about 700 liters of clean water a day.

 

They have tested it using barrels of water from natural gas wells to demonstrate that it produces water clean enough to drink. Their next step is to scale up to a plant about two to three times the size of this initial unit, which calculations show should be an optimal size. Narayan says he expects the first commercial plants could be in operation within about two years.

 

Leon Awerbuch, dean of the IDA Desalination Academy in Winchester, Mass., says, "This is very unique research work leading to a much higher-efficiency solution than conventional HDH, and could have significant impact in desalination for small and medium systems." "It is extremely encouraging that the system developed is able to concentrate and recover water from very highly saline solution, like produced water," Awerbuch adds. Because of this, he says, it "could be of critical importance to the booming shale-gas industry."