Development of a new low-energy desalination system

Abstract

역삼투 방식(RO)의 담수화 공정은 현재 상업적으로 가장 널리 사용되고 있는 담수화 공정이다. 하지만, 막의 조밀한 구성에 의한 낮은 물 회수율, 높은 인가 압력에 의한 많은 에너지 소모가 문제점으로 대두되고 있다. 최근 압력 기반의 NF공정과 전기 화학 기반의 축전식 탈염 공정(CDI)이 에너지 효율적인 담수화 공정으로 각광받고 있다. NF 공정은 RO 공정과 기본적인 구조는 유사하나 NF 막의 기공이 덜 조밀하게 형성됨에 따라, RO 대비 낮은 압력(10 ~ 15 bar)으로 공정이 가능하며, 상대적으로 이온 제거율은 낮지만, 덜 조밀하게 형성된 기공에 의해 물 회수율이 증가한다는 장점이 있다. CDI 공정의 경우 염수 속 이온을 직접 제거하여 담수를 생성하기 때문에 물 회수율이 높고, 저전압(<2.0 V)으로 운전되어 에너지 소모가 적다는 장점이 있다. 하지만 상기 공정들은 모두 이론적으로는 뛰어나지만, 고염도의 해수-기수 담수화 공정에 단일 공정으로의 적용이 쉽지 않다는 문제점이 있다.

이러한 제약을 극복하고자, 본 연구에서는 흐름 전극을 사용하는 Flow CDI 시스템을 설계하였으며, 더불어 NF 공정과 CDI 공정을 통합한 신개념 저에너지 하이브리드 담수화 공정인 Flow CDI - NF 공정을 개발하였다. 개발 된 Flow CDI 시스템을 통해 기존 정적인 전극의 CDI 대비 흡착 용량을 30배 가량 향상시킬 수 있었다. 또한, 신개념 저에너지 하이브리드 담수화 공정의 총 에너지 소비량은 0.379 kwh/m3으로, 기존 역삼투 담수화 방식 대비 약 85% 에너지 소비를 감소시켰으며, 이는 본 시스템이 향후 담수화 산업의 유망한 공정으로 사용될 수 있음을 의미한다.