- KIST, 수열과 태양에너지를 이용한 막증류법 개발

- 지역별 기후 특성 맞춤형 막증류 기술을 통한 시스템 효율 극대화

깨끗한 물은 인류생존에 필수적이다. 하지만, 바닷물을 제외하고 식수로 사용할 수 있는 담수는 3% 미만이다. 세계기상기구(WMO)가 발간한 보고서에 따르면 현재 전 세계 약 10억 명의 인구가 식수를 구하는데 어려움을 겪고 있고, 이러한 인구는 2050년까지 14억 명 이상으로 증가할 것으로 내다봤다.

바닷물로 담수를 생산하는 해수 담수화 기술은 물 부족 문제를 해결해 줄 것으로 기대되는 기술이다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 물자원순환연구단 송경근 박사팀은 태양에너지와 수열 히트펌프를 결합해 막 증류 과정에서 열에너지 소비를 줄인 하이브리드 담수화 모듈을 개발했다고 밝혔다.

해수 담수화 공정 가운데 비교적 보편화 되어 있는 역삼투법과 증발법은 높은 압력과 온도에서만 구동된다는 문제가 있다. 이에 비해 막을 사이에 두고 흐르는 원수와 처리수의 온도 차이에 의해 발생하는 증기압을 이용해 담수를 생산하는 막증류법은 대기압보다 낮은 0.2~0.8bar이내, 50~60℃ 사이에서 담수를 생산할 수 있어 에너지 소모가 적은 장점이 있다. 하지만, 규모가 커질수록 많은 양의 열에너지를 전달해야 하기 때문에 실용화를 위해서는 열에너지 소비를 줄이기 위한 연구가 필수적이다.

막증류법은 물질전달과 열(에너지)전달이 동시에 일어난다. 구동력인 증기압 차이를 발생시키기 위해, 처리수 측면에 적용하는 방법에 따라 직접 접촉식 막증류 방식(DCMD)과 공기 간극형 막증류 방식(AGMD)으로 나뉜다. 에너지 공급이 많은 상황에는 고온의 원수와 저온의 처리수가 막 표면에 직접 접촉하여 물을 생산하는 방식(DCMD)이, 반대로 에너지 공급이 적은 상황에서는 원수와 처리수가 직접 접촉하는 것보다 공기의 간극을 통해 열을 전달하면 효율을 높일 수가 있어서 냉각수 위에 응축면을 형성하고 분리막과 응축면 사이에 공기의 간극을 유지해 물을 생산하는 방식(AGMD)이 유리하다.

연구진은 한 달 간의 현장 테스트로 태양열 에너지 유무와 수열 히트펌프 사용에 따른 시스템 성능과 경제성을 비교함으로써 하이브리드 담수화 기술을 개발했다. 태양에너지를 병행하여 시스템을 운용할 경우, 기존의 수열 히트펌프를 이용한 막증류 방식보다 생산량은 9.6%만큼 증가하였고, 에너지 사용량은 30%가 절감되었다. 또한, 태양에너지 유무에 따라 소비되는 열에너지의 양을 비교하였을 때, 태양에너지를 추가 열원으로 이용하였을 경우 막증류 플랜트 공정 효율이 17.5%까지 상승함을 확인할 수 있었다.

KIST 송경근 박사는 “이번에 개발한 하이브리드 담수화 기술은 담수 생산에 소비되는 에너지를 절감할 수 있어서 물 공급에 어려움을 겪고 있는 일부 산업단지와 도서지역의 용수공급 방법으로 고려될 수 있으며, 우리나라에 비해 연평균 일사량이 1.5배 이상인 중동, 동남아시아 지역에서는 중요한 용수공급시설로 운영이 기대된다.”며, “또한 막증류는 원수의 수질에 크게 영향을 받지 않기 때문에 수질오염으로 원수의 수질이 악화된 지역과 중금속 검출이 잦은 지역의 식수 공급용으로도 적용이 가능할 것”이라고 밝혔다.

본 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호) 지원으로 STEAM연구사업의 일환인 BRIDGE융합연구개발사업으로 수행되었으며, 기계 분야 국제 저널인 ‘Energy conversion and management’ (JCR 분야 상위 1.812%) 최신 호에 게재되었다.

* (논문명) Performance and economic analysis of a solar membrane distillation pilot plant under various operating conditions

- (제 1저자) KIST 최지혁 박사후연구원, 조진수 학생연구원

- (교신저자) KIST 송경근 책임연구원

그림설명

[그림 1] 막증류 구성별 생산량과 효율 비교

그래프의 가로축 =생산되는 물의양

그래프의 세로축 = 공정 성능비(막증류 공정에서는 열효율을 나타냄) (Performance ratio, PR)

즉, 장기간 파일럿 플랜트 운전 실험을 통해 직접 접촉식 막증류 공정이 생산되는 물은 많지만, 공기 간극형 막증류에 비해 열효율이 작다는 것을 확인함.

[그림 2] 막증류 구성별 태양에너지 유무에 따른 담수 생산량 비교

공정 구성상 DCMD 형식에서 많은 물이 생산됨. AGMD 형식은 에너지 공급이 작은 경우에 공정 효율을 높이기 위해 사용할 수 있는 공정임.

[그림 3] 하이브리드 시스템에서 날씨에 따른 SEC와 GOR 비교 

Specific energy consumption, SEC

생산되는 물의 단위당 소비되는 열 에너지의 양이며, 막 증류에서 열 사용 성능을 평가하는데 사용됨.

(SEC가 크면 생산되는 물의 단위당 소비되는 열에너지가 크다는 것을 의미하며, 태양열에너지를 사용하여 SEC를 낮출 수 있음을 확인함.)

Gained output ratio, GOR

일반적으로 담수화 공정에서 에너지 효율을 평가하는데 사용된다. GOR은 공급된 열에너지에 대한 생산된 물의 증발 잠열의 비율로 정의됨. (담수화 공정에서 GOR이 높으면 공정 성능이 높음을 나타냄.)

[그림 4] 친환경, 신재생 에너지를 사용한 막증류 파일럿 플랜트 성능 비교 및 경제성 분석