정삼투(FO)

npj Clean Water 4권, 기사 번호: 51 (2021) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

현재 담수화는 높은 에너지 소비와 높은 운영 및 유지 관리 비용으로 인해 제한됩니다. 본 연구에서는 환경에 미치는 영향이 적고(자유에너지 섭취 및 전처리나 염수 배출이 없는) 중공섬유 정삼투(HFFO) 기반 무한 담수화 공정의 새로운 개념을 제안합니다. 개념을 평가하기 위해 요소 규모 HFFO가 기존 FO 및 압력 보조 FO 모드 모두에서 수행되어 수중 HFFO 작동을 시뮬레이션했습니다. HFFO 테스트에서는 여러 작동 조건이 HFFO 성능에 미치는 영향을 조사하여 최상의 사례를 선택했습니다. 이러한 결과를 바탕으로 에너지 비용을 계산하고 하이브리드 FO-해수 역삼투(SWRO) 공정의 에너지 비용과 비교했습니다. HFFO는 유도 용액의 높은 희석률(최대 약 400%)을 보여 다운스트림 SWRO 공정이 동일한 투과량 생산(60%의 회수율)으로 25bar에서 작동할 수 있도록 했습니다. 결과적으로, HFFO 기반 무한 담수화 공정은 100,000m3/일 플랜트를 기반으로 한 독립형 2단계 RO 공정과 비교하여 연간 1억 8,383만 달러의 에너지 수익을 얻습니다.

막 기반 담수화 공정은 상 변화를 겪지 않기 때문에 열 기반 담수화에 비해 비용 효율적인 기술로 주목을 받고 있으며 상대적으로 작은 설치 공간이 필요합니다1,2. 이러한 방법은 고품질의 물을 일관되게 생산하며 생산 속도를 쉽게 조정할 수 있습니다. 그러나 막 오염과 높은 화학물질 사용량 및 운영 비용은 여전히 ​​중요한 문제로 남아 있습니다3,4. 현재 이용 가능한 분리막 기반 담수화 공정 중 역삼투압(RO) 공정은 독립형 공정으로 해수담수화 분야에서 시장점유율이 빠르게 증가하고 있다. 그러나 해수 역삼투(SWRO) 공정의 에너지 소비는 계속해서 한계로 남아 있습니다2,5.

현재 SWRO 공정의 에너지 비용은 열 기반 담수화 공정(다단 플래시(MSF)의 경우 15.5kWh/m3, 다중 효과 증류(MED)의 경우 7.5kWh/m3)보다 훨씬 낮습니다. 내부 단계 설계 기술 적용 및 에너지 회수 장치 개발에도 불구하고 SWRO는 멤브레인 기반 폐수 처리와 같은 기존 수처리 공정에 비해 계속해서 에너지 집약적(2.2~3.5kWh/m3) 공정6,7을 유지하고 있습니다. (0.29–0.43 kWh/m3) 및 오존 기반 수처리 (0.041–0.073 kWh/m3)8,9. 따라서 SWRO 기반 담수화는 이론적, 실무적 한계에 도달했으며 에너지 소비를 더욱 줄이기 위한 공정 개발이나 접목이 필요한 시점이다10,11. 에너지 한계는 에너지 수확, 해수 희석, 비가역적 환원과 같은 추가적인 기술 솔루션을 통해 극복해야 합니다10,12. 담수화 중 이러한 높은 에너지 사용량은 화석 연료에서 에너지 생산을 사용하는 수냉과 관련된 대기 오염 및 열과 같은 환경 문제를 야기합니다2,4. SWRO 프로세스에서 에너지 문제를 해결하기 위해 여러 연구가 수행되었습니다. 정삼투(FO)15, 막증류(MD)16, 나노여과(NF)6 등 다른 막 공정이 결합되었으며, 해수는 다른 이용 가능한 수자원과 직간접적으로 혼합되어 에너지 비용을 절감했습니다. SWRO 프로세스. SWRO 공정은 또한 높은 에너지 소비를 상쇄하기 위해 압력 지연 삼투(PRO)17, 역전기투석(RED)18 및 미생물 연료 전지(MFC)19를 포함한 에너지 생산 공정과 하이브리드화되었습니다.

SWRO 기반 담수화의 또 다른 단점은 부식성 물질, 잔류 전처리 및 후처리 화학 물질, 이온 및 중금속, 바다에 직접 배출될 때 환경에 유해한 염분을 포함하는 고염도 염수가 생성된다는 것입니다5,20. 염수는 또한 해양 생태계의 부영양화와 pH 변동에 직접적인 영향을 미칠 수 있습니다. 여러 연구에서 염수 영향을 줄이기 위한 솔루션을 제안했습니다. 첫째, 물을 100% 회수하고 염수 내 유용한 자원을 재활용하는 ZLD(Zero Liquid Discharge) 기술을 적용하여 염수 배출(유출)21을 최소화했습니다. 이 경우 FO, PRO, MD, MED 및 오믹 증발기를 포함한 일부 신흥 후처리 공정이 적용되어 고염분수를 처리하고 염수 농도를 낮추며 화학적 침전 효율을 극대화합니다(가치 있는 자원 회수). 22,23,24. 그러나 ZLD 기술은 본격적인 담수화 플랜트에 사용하기에는 너무 비쌉니다25.