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역삼투막식 해수담수화 공정 운영비 절감기술 개발
  • 작성자선광웅
  • 연구기관성균관대학교 수자원학과
  • 조회수3169
  • 작성일2017-12-29
  • 연구책임자 첨부된 이미지가 없습니다. 김형수
  • 소속기관성균관대학교 수자원학과
  • 연구기간2014 ~ 2017
  • 이메일/연락처 /

세계 해수담수화시장의 경우 기존 재정사업에서 민간협력사업
으로 비즈니스 환경이 변화함에 따라 운영관리(O&M)를 포함한
사업 발주가 증가추세에 있다. 실제 해수담수화 플랜트 입찰 사
례를 살펴보면 운영비 절감능력이 사업 수주에 큰 비중을 차지하
고 있다. 이에 역삼투식 해수담수화 플랜트 수주를 위해 전력소
비량을 감소시킬 수 있는 혁신기술과 독자적인 운영기술 확보로
성공의 발판을 마련하였다.


□연구목적


본 연구 과제는 종래의 해수담수화 플랜트의 한계를 극복하고, 세계 선도형 역삼투식 해수담수화 플랜트
운영・관리 기술 확보를 통해 고부가가치 시장인 O&M 분야에 진출하는 것을 최종목표로 지향한다. 이를
위해 200 ㎥/일 규모의 파일럿 플랜트를 구축하여 역삼투 막여과 공정 전력소비량 3.3 kWh/㎥ 이하, 운영
비 30% 저감이 가능한 중대규모 역삼투식 해수담수화 플랜트 설계 및 운영・관리기술 확보를 연구목표로
설정하였다.


□주요성과


운영비 절감 30% 달성
역삼투식 해수담수화 공정(Seawater Reverse Osmosis) 운영비의 세목 중 전력비 비중이 약 40%~50%를
차지하고 있으며, 그중 역삼투 막여과(Reverse Osmosis)공정에서 약 70%의 전력을 소비하고 있기 때문에
RO 공정의 전력비 절감은 핵심기술이다. 이에 본 연구를 통해 적용된 물리·화학적 세척 기술을 바탕으로
효율적으로 막오염을 제어함으로써 기존대비 높은 회수율과 안정적인 막투과유속을 통해 기존 생산단가
1000원/㎥에서 30%가 절감된 700원/㎥으로 30%의 운영비를 절감할 수 있다.


막 수명 연장과 오염물질 제거 효과 향상
분리막 제조사에서 제시하는 일반적인 방식에서 벗어나 대상 현장과 원수에 맞춰 막오염을 예측하고 기존
에 적용되지 않은 RO공정의 유지세척 기술을 도입, 막오염으로 인한 분리막의 손상을 방지하여 사용 수명
을 향상시켰다. 또한 역삼투 분리막 전용 화학세정제를 개발함으로써 보다 효율적이고 안정적으로 막오염
물질을 제거할 수 있게 되었다.


독자적 운영기술 실증화
현재 광양제철소 내 200 ㎥/일 규모의 파일럿 플랜트를 설치, 연속적으로 운영하면서 이상적인 세척 조건
을 도출하기 위한 시험이 진행되었다. 역삼투 분리막에서 발생되는 막오염을 능동적으로 제어함으로써 역
삼투식 해수담수화 공정의 전력소비량 3.5kWh/㎥ 대비 약 0.2 kWh/㎥를 낮출 수 있는 기술을 실증함으
로써 유지관리 비용 저감에 대한 근거를 도출할 수 있었다.


□연구의 차별적 특징


유지세척기술을 도입
종래 역삼투식 해수담수화 공정에서 수행되어 왔던 수동적인 막오염 제어 방식의 한계를 벗어나기 위해
유지세척기술을 도입함으로써 능동적인 대처가 가능한 유지세척기술의 실증연구를 수행하고자 했다. 이
를 위해 200 m3/일 규모의 파일럿 플랜트를 구축하여 역삼투 막여과 공정의 유지세척 기술의 현장 적용성
및 경제성 평가를 통해 중대규모(50,000 m3/일) 역삼투식 해수담수화 플랜트 설계 및 운영 가이드라인을
도출 중에 있다.


순환유속의 전단력으로 막오염을 제거하는 방식
본 연구에서 실증 중인 유지세척기술은 삼투역세척 기법으로 역삼투 막여과 공정에서 운전압력을 배제하
거나 그 이상의 삼투압을 갖는 유입수를 이용, 처리수를 원수 측으로 확산시켜 분리막 표면에 존재하는 오
염물질을 부풀리거나 들뜬 상태로 만들어 순환유속의 전단력으로 막오염을 제거하는 방식이다. 이러한 유
지세척기술이 적용된 파일럿 플랜트 설계 및 구축을 완료하였다. 파일럿 플랜트 운영 인자를 도출하기 위
한 실제 해수 및 인공 원수를 이용한 기초 연구를 통해 파일럿 플랜트 운영과 병행하여 이상적인 운영 인
자를 도출 중에 있다.


막오염 예측 및 제어 알고리즘 연구
공동연구기관인 광주과학기술원에서는 역삼투식 해수담수화 공정의 막오염 예측 및 제어 알고리즘 연구
를 수행하고 있다. 현재 예측모델을 개발하기 위해 분리막과 주요 막 오염인자 간의 영향 메커니즘 연구와
유입수 수질인자 및 운전조건과의 막오염 현상 인과관계 분석을 통한 모니터링 인자 선정에 관한 연구를
진행하고 있다.


막오염 심화 가능성을 조기 예측
실시간 유입수 수질과 현재의 막오염 상태를 반영, 막오염 심화가능성을 조기 예측할 수 있도록 실시간 모
니터링 데이터베이스(DB)를 구축하고 칼만필터, 기계학습법 등의 빅데이터에 대한 분석을 연구 중이다.
또한 기존 역삼투 분리막의 약품세척 효율 및 분리막의 열화 문제가 대두됨에 따라 보다 높은 효율의 세척
약품 개발을 위한 연구를 수행 중이며, 약품 세척 시 발생되는 폐액을 처리하여 해양에 직접적인 방류가 가
능한 처리 효율을 갖는 폐액 처리 공정을 개발하고 있다.


□연구 성과의 파급효과


● 기술부문
혁신적인 원천기술 확보로 유지비용 절감
본 연구를 통해 기존의 역삼투 막여과 공정이 갖는 간접적 막오염 제어 방식
의 한계를 극복하고, 원수와 공정 운영 특성에 따른 막오염 경향을 예측함으
로써 직접적이고 능동적인 막오염 제어가 가능한 기술을 확보할 수 있었다.
또한 해수담수화 공정 이외에 하수 재이용, 발전용수, 산업용수, 보일러용수
등 역삼투 막여과 공정이 사용되는 다양한 산업분야에 적용이 가능한 확장성
을 가지고 있다. 이후 차세대 해수담수화공정(MD, PRO, FO) 뿐만 아니라 스
마트 워터 그리드 등 수자원 관리 분야와의 연계도 가능하다. 더욱이 기존 해
수담수화 공정의 기술적 한계를 극복하고 효율성과 기술적 역량을 제고시킴
으로써 기존 선도국 기술의 의존도를 낮출 수 있을 것으로 기대된다.


● 사회경제사업화부문
고부가가치사업 진출을 위한 준비
과거 물 산업은 공공성 측면이 강조되었으나 최근 “비즈니스”로의 추세 전환
에 따라 21세기 핵심 산업군으로 자리매김하고 있다. 또한 물에 대한 인식이
공공재에서 소비재로 전환됨에 따라 서비스개념의 산업모델이 등장하는 등
물 시장 규모도 빠르게 성장하고 있다. 그중 해수담수화는 미래의 물부족 문
제를 해결하기 위한 대체 수자원으로 급부상하고 있으며 고효율 저에너지 운
영이 가능한 기술 개발을 목표로 세계의 많은 경쟁기업들이 노력하고 있다.
이에 본 연구를 통해 해외 해수담수화 시장으로 진출하기 위한 기술 경쟁력을
높이며, 향후 국내외 물부족 문제를 해결할 수 있는 국가 R&D의 성공적 상용
화를 통한 선진 국가로서의 이미지 제고가 가능할 것으로 기대된다.


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