▲ 한국과학기술연구원(KIST) 물자원순환연구센터 정성필, 이석헌 박사팀이 해수담수화 기술 중 하나인 막증류 공정에 적용 가능한 분리막이 오염되거나 젖지 않도록 하는 마그네슘 투입 전처리 공정을 개발했다. 정성필 박사팀의 김혜원 연구원이 해수에 마그네슘을 투입하여 분리막 오염을 제어하고 있다.

[기계신문] 바닷물로부터 염분과 용해 물질을 제거하여 식수 및 생활용수, 공업용수 등을 얻어내는 해수담수화 기술 중 하나인 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. 막 오염에 의하여 담수 생산 속도가 감소하거나 분리막의 교체 주기가 짧아지는 경우 담수 생산 비용이 증가되는 문제점이 있었다.

최근 한국과학기술연구원(KIST) 물자원순환연구센터 정성필, 이석헌 박사팀이 해수담수화 기술 중 하나인 막증류 공정에 적용 가능한 분리막이 오염되거나 젖지 않도록 하는 마그네슘 투입 전처리 공정을 개발했다.

막 증류 공정으로 담수를 생산하는 과정에서 해수와 접촉하는 분리막에 입자, 유기물, 무기물, 미생물 등 오염 물질이 부착 또는 침투하게 되면, 분리막의 공극이 막혀 담수 생산 속도가 느려지거나 해수가 직접 소수성 분리막을 통과하여 생산된 담수의 수질이 나빠질 수 있다.

이렇게 분리막이 막히는 것을 ‘막 오염(fouling)’이라고 하며, 해수가 소수성 분리막을 직접 통과하는 것을 ‘막 젖음(wetting)’이라고 한다.

▲ 막 젖음은 건조상태로 유지되어야 하는 소수성 분리막이 액체에 의해 채워지는 현상이다. (왼쪽부터) 정상 상태의 분리막 공극, 부분 막 젖음 상태, 완전 막 젖음 상태

막 증발법은 소수성 분리막을 사이에 두고 해수와 담수가 직접 접촉하고 있는 상태에서 증기만을 선택적으로 분리해야 하는데, 분리막에 액체투과압력 이상의 압력이 가해지거나 파울링이 형성되면 분리막 내부로 액체가 직접적으로 투과되는 막 젖음 현상이 발생하게 된다.

액체투과압력의 경우, 분리막 자체가 가지는 초기 조건이기 때문에 비교적 제어가 가능하지만, 파울링은 해수 특성, 운전조건 등에 의해 상이하게 나타나므로 제어가 어려운 실정이다.

막증발법의 운전 중에 막 젖음 현상이 발생하게 되면 해수가 담수측으로 직접 유입되어 처리수질의 악화를 가져오게 되고 담수 측의 탱크, 파이프, 모듈 등을 오염시키기 때문에 시스템 회복을 위해 공정시간을 지연시킬 수 있다.

또한 해수로 오염된 분리막을 회복하기 위해서 분리막 세정 및 약 24시간의 건조시간이 요구된다. 현재까지 전 세계적으로 막 젖음 현상을 방지 및 제어하기 위하여 막 젖음과 파울링의 연관성에 대한 연구가 수행되어 왔으나 여전히 막 젖음의 메커니즘은 명확하지 않다.

KIST 연구팀은 막증류 공정을 모니터링하여 탄산칼슘(CaCO3)과 황산칼슘(CaSO4) 결정이 분리막 표면에 형성되는 것이 막오염의 주요 원인임을 확인하였다.

또한, 탄산칼슘은 운전 초기부터 형성되어 분리막의 부분 막젖음을 유발하고, 황산칼슘의 형성은 완전한 막젖음을 발생시켜 운전 중단을 유발함을 규명하였다.

▲ 마그네슘이 추가 전처리가 적용된 경우, 막 증류 공정 분리막의 막오염이 제어되는 기작 개요도

해수담수화 공정에서 칼슘계 결정에 의한 막오염을 방지하기 위하여 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 막젖음의 발생 가능성을 증가시킨다는 보고가 있다. 또한, 화학적 연수화 기술을 적용하는 경우 연수화 과정에서 형성된 결정들을 제거하기 위한 대규모 침전 공정이 추가로 필요한 어려움이 있다.

연구팀은 바닷물에 마그네슘을 투입하는 전처리 공정을 최초로 제안했다. 마그네슘은 바닷물 속에 존재하는 탄산 및 황산이온과 결합하려 하므로, 탄산칼슘 및 황산칼슘의 형성을 막아 분리막 오염이 효과적으로 지연되는 것으로 확인됐다. 또, 투입되는 염화마그네슘(MgCl2)이 무기물질이기 때문에 소수성 분리막의 안정성(막젖음에 대한 저항성)도 확보할 수 있었다.

정성필 박사는 “소수성 분리막의 안정성이 확보되어 담수화 효율이 높아지고 분리막의 수명이 연장될 수 있을 것으로 기대된다”며 “무기물 기반의 친환경 전처리가 막 증발 공정뿐 아니라 다양한 해수담수화 공정에 적용 가능할 것”이라고 설명했다.

한편, 이번 연구는 환경부 플랜트연구사업과 과학기술정보통신부 지원 하에 KIST 주요 사업으로 수행되었으며, 연구 결과는 ‘Water Research’ 최신 호에 게재됐다.

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