기획특집: 수처리용 분리막 - CHERIC · 2014-08-13 · 기획특집: 수처리용 분리막 10 공업화학 전망, 제14권 제6호, 2011 이용한 수처리 기술에 대한

KIC News, Volume 14, No. 6, 2011 9

그린 미래를 향한 역삼투 공정의 진화

홍 승 관†⋅이 상 호*⋅김 준 하**⋅김 정 훈***⋅주 영 길

고려대학교 건축사회환경공학과, *국민대학교 건설시스템공학부, **광주과학기술원 환경공학부,

***한국화학연구원 환경자원연구센터

Evolution of RO Process for Green Future

Seungkwan Hong†

, Sangho Lee*, Joon Ha Kim**, Jeong Hoon Kim***, and Younggil Ju

School of Civil, Environmental & Architectural Engineering, Korea University, Seoul 136-713, Korea

*School of Civil and Environmental Engineering, Kookmin University, Seoul 136-702, Korea

**Department of Environmental Science and Engineering, Gwangju Institute of Science and Technology,

Gwangju 500-712, Korea

***Environment & Resources Research Center, Korea Research institute of Chemical Technology,

Daejeon 305-600, Korea

Abstract: 전 세계는 물 부족 문제를 해결하기 위한 대체수자원 개발에 다양한 노력을 기울이고 있으며, 그 중에 해수

담수화 기술이 가장 주목받고 있다. 특히 역삼투 방식의 해수담수화기술은 기존 증발식에 비해 에너지 소비량이 적기

때문에 매년 10% 이상의 높은 성장률을 기록하고 있다. 그러나 역삼투 방식의 해수담수화는 지표수를 이용하는 시스

템에 비해 상당히 많은 에너지를 필요로 한다. 따라서 에너지 효율을 높이기 위한 다양한 공정 개발이 시도되고 있으

며, 그 중에 대표적인 기술이 삼투현상을 이용한 FO (Forward Osmosis)와 PRO (Pressure Retarded Osmosis) 공정이

다. 본 논문에서는 역삼투막을 이용한 해수담수화 기술의 현황과 한계를 살펴보고, 현 해수담수화공정을 보완할 기술

로써 FO와 PRO 공정개발에 관한 최근 연구 동향과 이러한 신기술의 상용화에 필수적으로 요구되는 막에 대한 개발

현황을 살펴보았다.

Keywords: Seawater Desalination, Reverse Osmosis (RO), Forward Osmosis (FO), Pressure Retarded Osmosis (PRO)

1. 서 론

1)

전 세계적인 인구증가와 산업의 발달로 인한 오

염의 확산으로 2025년이 되면 거의 모든 국가들이

용수 부족을 겪게 되며 그 중 절반의 국가들은 물

자원 확보의 심각한 위기를 맞을 것으로 예상된

다. 또한 최근의 지구온난화와 맞물린 이상기후

현상은 수자원 확보의 불확실성을 더욱 가중시키

고 있다. 따라서 기후변화에 대비한 지속적이고

안정적인 물 공급을 위해 수자원 관리의 패러다임

이 급격히 변하고 있는데, 특히 미국, 호주, 싱가포

르, 유럽 등의 주요 선진국들은 심각한 지역적, 시

†주저자 (E-mail: [email protected])

간적 물 공급의 불균형문제를 해결하고자 다양한

수자원의 개발과 통합을 시도하고 있으며, 구체적

으로 물의 재이용 및 해수담수화를 통해 지속가능

한 수자원 확보를 위해 노력하고 있다. 그 중 전체

수자원의 97%를 차지하고 있는 해수의 담수화 기

술은 인류가 수자원을 지속적으로 확보할 수 있는

가장 확실한 방법이라 할 수 있다. 그러나 해수담

수화 기술은 기존의 지표수를 이용하던 방식에 비

해 많은 에너지를 소모하기 때문에 지속가능한 수

자원 확보를 위해 소비되는 에너지의 효율을 함께

고려해야만 한다. 최근에 다양한 수자원 확보와

함께 에너지의 효율적 활용이 중요한 이슈로 부각

되면서 역삼투막(Reverse Osmosis Membrane)을

기획특집: 수처리용 분리막


10 공업화학 전망, 제14권 제6호, 2011

이용한 수처리 기술에 대한 관심이 급격히 증가하

고 있다. 본고에서는 현재 널리 사용되고 있는 역

삼투 방식의 해수담수화 기술의 현황과 한계를 살

펴보고 이러한 한계를 극복하기 위한 방법으로 정

삼투(Forward Osmosis) 방식의 수처리 기술과 해

수의 삼투압을 이용하여 대체 에너지를 생산하는

Pressure Retarded Osmosis (PRO) 기술을 소개하

고자 한다. 또한 정삼투 공정과 PRO 공정의 현실

화를 위해 가장 중요한 막의 개발 현황을 살펴보고

자 한다.

2. 역삼투막을 이용한 해수담수화 기술의 현

황 및 미래

해수담수화 기술은 크게 증발법과 역삼투법으

로 분류할 수 있다. 증발법(Distillation)은 해수를

가열하여 증발시킨 후 증발된 수증기를 응축시켜

담수를 얻는 방법이다. 증발법은 에너지 가격이

안정적이고 값이 싼 중동지역에서 주로 이용되고

있으나, 역삼투법에 비해 에너지 소비량이 비교적

높은 편이다. 역삼투법(Reverse Osmosis)은 물은

투과하지만 물속에 녹아있는 염분 등은 투과하지

않는 반투막을 이용하여 해수를 담수화하는 방법

이다. 삼투압은 반투막을 사이에 두고 농도가 낮

은 수용액에서 높은 수용액으로 물이 이동할 때

생기는 압력인데, 역삼투법은 삼투압보다 높은 압

력을 가하여 농도가 높은 쪽에서 낮은 쪽으로 물

을 이동시키는 방식이며, 이때 사용하는 막을 역

삼투막이라고 한다. 즉, 이 역삼투막을 이용하여

해수에 삼투압보다 높은 압력을 가함으로써 담수

를 생산하는 기술을 역삼투 방식의 해수담수화

(Seawater Desalination Reverse Osmosis) 기술이

라 정의할 수 있다. 해수담수화 플랜트(Figure 1)

는 크게 취수(Intake), 전처리(Pre-treatment), 역삼

투막 시스템(RO system), 그리고 후처리(Post-treat-

ment)로 구분된다[1]. 취수부는 해양 생물과 각종

부유물의 유입을 막기 위해 스크린 장치와 해수를

취수하기 위한 펌프로 이루어져 있으며, 전처리

시스템은 역삼투막의 막 오염을 최소화하기 위하

Figure 1. 해수담수화 플랜트 공정도.

여 응집공정, 여과공정 등 각종 수처리 방식을 해

수 수질에 따라 적용하고 있다. 역삼투 시스템은

고압 펌프, 역삼투막, 에너지 회수장치로 구성되는

데, 고압 펌프는 물이 역삼투막을 투과할 수 있도

록 압력을 제공하는 역할을 수행한다. 고압펌프에

의해 공급되는 해수의 압력은 해수의 염 농도에

따라 차이가 있지만, 일반적으로 60～80 bar 정도

이다. 역삼투 공정에서 막을 통과하지 않고 배출

되는 농축수는 고압펌프에 의해 제공된 에너지를

그대로 가지고 있기 때문에 에너지 회수장치를 이

용하여 농축수의 에너지를 95% 이상 회수하여 원

수를 가압하는 데 재사용되고 있다. 역삼투막을

통과하여 생산된 담수는 마지막으로 후처리 공정

에 도달하게 되는데 여기에서는 역삼투막에 의해

제거된 미네랄을 공급하거나 배관의 부식을 방지

하기 위한 약품을 투입하게 된다.

역삼투막 공정에서 유입되는 해수 중 막을 통과

하여 담수로 전환되는 물의 비율을 회수율(Re-

covery)이라 하는데, 일반적인 역삼투 해수담수화

공정의 회수율은 40～50% 정도이다. 이는 Figure

2에 나타난 것처럼 회수율 35%를 기점으로 그 이

상의 회수율에서는 에너지 사용이 증가하고 회수

율이 45% 이상이 되면 에너지 사용량이 급격하게

증가하기 때문에 50% 이하의 회수율에서 플랜트

를 운전하는 것이 에너지 효율 측면에서 유리하

다. 회수율이 낮은 경우에는 전처리에 필요한 약

품과 설비, 그리고 에너지 소비량이 증가하기 때

문에 최대한 높은 회수율에서 플랜트를 가동하는

것이 유리하지만 회수율이 높을수록 펌프가 고압

에서 운전되기 때문에 50% 이하에서 운전하는 것



Figure 2. 회수율에 따른 에너지 소비량(에너지 회수장치

사용).

이 일반적이다[2].

1970년대 이후 역삼투 방식의 해수담수화 공정

은 역삼투막의 비약적인 발전과 에너지 회수장치

의 개발로 인해 에너지 소비량이 1/10로 감소하였

고(Figure 3), 국가와 지역, 그리고 염 농도에 따라

차이가 있기는 하지만 물 1 m3당 생산 단가도 $

0.5 수준까지 낮아지고 있다. 일반적으로 200,000

m3/day 규모의 역삼투 해수담수화 플랜트의 경우,

에너지 사용량은 2.5 kWh/m3 수준이며 최근 파일

럿 규모의 실험(회수율 50 %)에서는 새로 개발된

막을 이용하여 1.8 kWh/m3 수준의 낮은 에너지

사용량으로 담수를 생산했다는 보고가 있었다[3].

그러나 이러한 역삼투 방식의 해수담수화 기술의

발전에도 불구하고 지표수 등을 이용한 정수 시스

템의 에너지 소모량 0.5 kWh/m3에 비해 에너지 소

모량이 상당히 높은 수준이기 때문에 에너지 소비

를 줄이는 기술 발전이 지속적으로 요구되고 있다.

Figure 4는 역삼투식 해수담수화에서 회수율에

따라 이론적으로 필요한 최소 에너지를 나타내고

있다[4]. 해수의 염 농도가 35 g/L이고 회수율이

50%인 경우, 이론적으로 해수담수화에 필요한 최

소 에너지는 1.06 kWh/m3이다. 그러나 해수담수

화 플랜트에서는 유출수의 염 농도인 70 g/L에 해

당하는 삼투압으로 펌프를 운영해야 하기 때문에

이를 반영할 경우 1.56 kWh/m3이 실질적인 최소

에너지가 된다. 따라서 현재 역삼투 방식의 해수

담수화 플랜트에 필요한 에너지를 고려할 때 앞으

Figure 3. 역삼투식 해수담수화 플랜트의 에너지 소비량

변화.

Figure 4. 역삼투식 해수담수화의 회수율에 따른 이론적인

최소 필요 에너지.

로 기술 발전을 통해 증가시킬 수 있는 에너지 효

율이 크지 않은 실정이다.

앞에서 살펴본 것처럼 역삼투 방식의 해수담수

화 기술은 50% 이상의 회수율로 운전 할 수 없다

는 점과 에너지 효율 측면에서 기술개발을 통해

증가시킬 수 있는 에너지 효율이 크지 않다는 점

에서 향후 수년 안에 기술적 한계에 근접할 것으

로 예측된다. 이러한 역삼투식 해수담수화 기술의

한계를 극복하기 위한 향후 과제로 크게 2가지를

들 수 있다.

첫째, 에너지 고효율 해수담수화 시스템을 위해


12 공업화학 전망, 제14권 제6호, 2011

서는 다양한 수자원을 결합시키는 “물 통합형 플

랜트”와 공장의 폐열과 같은 저비용 에너지를 이

용하거나 대체 에너지를 결합시키는 “에너지 통합

형 플랜트”를 개발해야 한다. 최근 일본에서는 하

수처리장의 역삼투 농축수와 해수를 결합시켜 낮

은 압력에서 운전이 가능한 물 통합형 시스템을

개발하는 등 물 생산에 소모되는 에너지를 낮추기

위한 노력을 하고 있다. 이와 같이 다양한 수자원

과 에너지원을 결합시켜 해수담수화에 소모되는

에너지를 낮출 수 있는 기술을 개발해야 한다.

둘째, 해수담수화 플랜트에서 배출되는 농축수

의 삼투압를 이용하여 에너지를 생산하고 자원회

수 시스템을 결합시켜 간접적으로 물 생산 단가를

낮출 수 있는 기술이 필요하다. 해수담수화 플랜

트에서 배출되는 농축수에는 해수에 포함된 다양

한 희유금속이 있기 때문에 자원추출기술을 통해

해수담수화 플랜트의 부가가치를 높일 뿐만 아니

라 해양 환경에 미치는 영향을 최소화해야 한다.

3. Forward Osmosis (FO) 막을 이용한 수

자원 확보

3.1. FO막 기술 소개

해수담수화에서 해결하여야 하는 시급한 과제

는 무엇보다도 에너지 사용량을 현재 수준보다 더

낮추는 것이다. 최근 들어 높은 투과성을 가지는

역삼투막이 개발되고 손실되는 에너지를 효과적

으로 회수할 수 있는 기술이 개발되어 해수담수화

에 적용됨에 따라 역삼투식 해수담수화의 에너지

효율은 점차 증가할 것으로 전망되고 있다. 그러

나 앞에서 설명한 바와 같이 역삼투 방식으로 에

너지 사용량을 획기적으로 절감하기 위한 해수담

수화 공정을 구성하는 것은 어려운 것으로 인식되

고 있으므로 역삼투 공정을 보완하거나 대체하는

방식으로 보다 낮은 에너지를 사용하는 새로운 해

수담수화 공정 개발의 필요성이 부각되고 있다.

따라서 이러한 차세대 담수화 기술로 최근 많은

주목을 받고 있는 정삼투법(Forward Osmosis: FO)

에 대하여 설명하고자 한다.

Reverse Osmosis

Hydraulic

Pressure

waterwater

Feed

Permeate

M

E

M

B

R

A

N

E

waterwater

Forward Osmosis

M

E

M

B

R

A

N

E

waterwater

waterwater

Permeate

Draw

Solution

Feed

Permeate

Figure 5. 역삼투와 정삼투의 원리 비교.

정삼투 공정은 유도용질을 해수농도 이상으로

분리막 반대쪽에 주입하여 삼투현상에 의해 해수

내의 물이 고농도 용액 쪽으로 투과되는 현상을

이용하는 담수화 방식이다. 정삼투 공정은 고압펌

프를 이용하여 압력을 발생시키는 역삼투 공정과

달리 삼투현상을 이용하기 때문에 담수화에 필요

한 에너지 소모를 최소화할 수 있다. Figure 5는 역

삼투와 정삼투의 원리를 비교하여 나타내고 있다.

3.2. 정삼투막 기술 현황

정삼투 공정을 이용한 담수화의 가능성은 이미

1970년대부터 제시되었으나, 역삼투 공정이 급부

상하면서 그동안 많은 연구가 진행되지 않았다.

그러나 최근 물 부족 현상과 저에너지 기술에 대

한 관심이 높아지면서, 역삼투 공정보다 적은 에

너지를 필요로 하는 정삼투 공정이 주목을 받고

있을 뿐만 아니라 실제로 정삼투 기술에 대한 연

구가 5년 전부터 다시 활발하게 진행되고 있다[6].



Table 1. 담수화 방식에 따른 에너지 및 비용 비교

방 식 MSF MED RO FO

에너지소비(kWh/m2) 10∼16 6∼12 4∼6 0.5 이하

설치비($/m2/day)

1,200∼

1,500

900∼

1,000700∼900 -

생산비(Cents/m2) 110∼125 75∼85 68∼92 -

정삼투 공정은 에너지 소비율면에서 역삼투 공정

에 비해 1/10수준으로 해수담수화가 가능하여 물

부족 현상과 에너지 절감 부분을 모두 만족시킬

수 있는 기술로 평가되고 있다(Table 1). 또한 외

부에서의 압력을 최소화함으로써, 오염물질이 막

표면에 낮은 밀집도로 쌓이기 때문에 물리적 세척

이 가능한 것으로 기대되어 화학 세정에 따른 환

경적 문제도 동시에 해결할 수 있을 것으로 판단

된다.

정삼투 기술은 현재 미국과 싱가포르, 호주, 사

우디아라비아, 그리고 우리나라에서 활발하게 연

구되어 있다. 상업화된 정삼투막은 현재 HTI에서

생산되고 있으며, 주로 소규모 비상용수 확보 등

을 위해 사용되고 있고 침출수의 처리 등에도 적

용된 바 있다. 그러나 아직까지 해수담수화를 위

한 정삼투 기술의 적용은 파일럿 규모에 국한되어

일부 진행되고 있다.

3.3. 정삼투 기술의 한계

정삼투 기술은 차세대 수자원 확보기술로서 많

은 관심을 얻고 있으나, 본격적인 상업화를 위해

서는 극복해야 할 과제들이 있다. 가장 큰 한계점

은 물의 투과가 진행됨에 따라 막의 표면에 용질

이 농축되어 발생하는 농도분극 현상이며, 특히

정삼투막의 경우 막 내부에서 발생하는 내부농도

분극에 의하여 효율이 크게 저하되는 현상이 나타

난다. 그 동안 정삼투 기술이 널리 사용되지 못한

주요한 원인도 이러한 내부농도 분극현상을 효과

적으로 제어할 수 있는 새로운 구조의 막이 부재

했기 때문이었다. 그러나 최근 정삼투막의 개발이

활발하게 진행됨에 따라 앞으로 이러한 문제가 해

결될 것으로 기대되고 있다.

Figure 6. (a) HTI의 Lifepack, (b) 정삼투 기술을 이용한 침

출수 처리장치(Coffin Butte Landfill, Oregon, 150 m3/day).

정삼투 기술의 또 한 가지 문제점은 유도용질

분리의 어려움이다. 역삼투 기술은 고농도의 유도

용질을 이용하기 때문에 이를 분리하여 회수하는

공정이 추가적으로 필요하다. 현재까지 증발법이

나 역삼투법 등 다양한 유도물질 분리방법이 연구

되고 있으나 아직까지는 많은 문제점이 있는 것으

로 알려져 있다. 최근에 효율적인 정삼투막의 개

발과 더불어 유도용질을 효과적으로 분리하기 위

한 방법들이 다양하게 연구되고 있기 때문에 이러

한 기술적 과제가 해결된다면 정삼투 기술은 향후

역삼투법을 대체할 수 있는 기술로서 높은 가능성

을 갖게 될 것이다.

(a)

(b)


14 공업화학 전망, 제14권 제6호, 2011

3.4. 정삼투 기술의 미래

해수담수화는 미래 물 부족 문제를 해결하기 위

한 대안으로서 현재 주목받고 있으며, 보다 적은

에너지를 사용하면서 효율적으로 물을 생산할 수

있는 차세대 기술이 향후 세계 해수담수화 시장을

주도할 핵심기술이 될 것으로 기대되고 있다. 이

러한 측면에서 정삼투 기술은 세계 각국에서 활발

하게 연구되고 있는 추세이다.

앞서 언급한 바와 같이, 정삼투 기술이 현장에

널리 적용되기 위해서는 현재보다 효율적인 정삼

투 전용막의 개발, 유도물질의 분리기술 개발, 기

타 엔지니어링 최적화 등의 연구가 선행되어야 할

것이다. 또한 정삼투 기술과 역삼투 기술을 조합

한 하이브리드 방식의 해수담수화 기술이나, 유도

용액을 사용하지 않는 정삼투 기술의 응용분야의

모색 등이 정삼투 기술의 대규모 상용화를 가속화

시키는 방법으로 기대되고 있다. 이를 위해서는

막 제조분야와 공정설계 분야 등 다각적인 연구기

관의 공동연구가 활발하게 추진되어야 할 것이다.

4. Pressure retarded osmosis (PRO) 막을

이용한 에너지 생산

4.1. PRO 기술 소개

전 세계적으로 급증하는 에너지 수요와 화석연

료의 단점을 극복하기 위해, 지속가능하고 환경

친화적인 대체에너지 자원의 개발이 시급한 실정

이다. 태양열, 풍력, 지열, 소수력, 파력, 바이오매

스 등의 신에너지 자원이 관심을 받거나 이미 개

발 단계에 있으며, 신재생에너지는 전체 에너지

소비량의 약 8%를 차지하고 있다. 염도차 발전은

물을 이용한 대체 에너지 기술 중의 하나로, 화석

연료를 대체할 강점들을 갖고 있다. 우선, 계절이

나 날씨의 영향을 많이 받는 태양열, 풍력 등의 발

전 방식과 달리 날씨에 의존하지 않고 일정한 에

너지 생산이 가능하다. 또한, 무한한 해수자원을

이용하므로 고갈될 염려 없이 연속생산이 가능하

며, 이산화탄소 배출이 없는 무공해 공정이라는 장

점이 있다. 염도차 발전에는 크게 RED (역전기투

Figure 7. PRO 파일럿 플랜트의 공정도.

석)과 PRO (압력지연삼투) 방식이 있으며, 본 문

에서는 PRO 공정에 대해 소개하고자 한다.

PRO 공정은 염분 농도도 다른 두 용액의 삼투

압 차이를 이용한 발전으로서, 그 원리는 Figure 7

과 같다[7]. 보통 저농도 용액으로는 담수(Fresh

water)가, 고농도 용액으로는 해수(Sea water)가

이용된다. 전처리 과정을 거친 저농도 용액이 삼

투압 차에 의해 반투막을 통하여 고농도 용액으로

투과되며, 이 때 증가한 유량이 터빈을 회전시켜

에너지를 생산한다. 즉, 두 용액 간의 농도차에 의

해 발생한 삼투압이 수압의 형태로 바뀌어 이 수

압이 터빈을 회전시켜 에너지를 얻는 것이다. 막

모듈을 통과한 나머지 기수(Brackish water)는 에

너지 회수 장치(Pressure exchanger)에 유입되어

손실된 압력을 회복시켜 주는 데에 이용된다.

4.2. PRO 기술 현황

본 기술에 대한 이론적 접근은 1950～60년대에

처음 시도되었으며, 1970년대에 Sidney Loeb에

의해 PRO라는 이름으로 정식으로 소개되었다. 미

국, 유럽 등에서 4개의 연구 그룹이 지속적으로 연

구 중이나, 그 동안은 에너지 생산량보다 소모량

이 많아서 실제로 사용되지는 못하였다. 하지만,

역삼투, 정삼투 등의 해수담수화 분리막 기술의

발전 및 공정의 개발과 더불어 PRO를 통한 에너

지 생산에 대한 가능성이 높아졌으며, 그 결과,

Statkraft 사에 의해 2009년 11월 노르웨이에 최초

의 프로토타입 PRO 발전 플랜트가 건설되었다

(Figure 8).

PRO 공정에서 막의 성능은 전력밀도로 나타내



Figure 8. Statkraft 사의 PRO 파일럿 플랜트 전경.

며, 전력밀도는 단위면적 당 전력(W/m2)의 단위를

갖는다. PRO 공정이 경제성을 갖기 위해서는 전

력밀도가 4∼6 W/m2의 범위 내에 있어야 한다.

Statkraft 사의 프로토타입 PRO 플랜트의 경우, 설

치된 막의 면적은 2,000 m2, 전력밀도는 1 W/m

2

정도로 실제 전력 생산량은 2～4 kW였다(2009년

플랜트 건설 당시). 수리 및 보완을 마친 2011년

현재는, 동일 막 면적에서 3 W/m2의 전력밀도를

얻을 수 있으며, 전력 생산량은 약 6 kW이다.

Statkraft사는 2011～13년 2 MW 파일럿 플랜트,

2018년 25 MW 실증 플랜트를 건설하여, 2020년

까지 25 MW 규모의 상업화 플랜트 완공을 목표

로 하고 있다.

Figure 9는 실험실 규모의 PRO 실험에서 얻어

진 전력밀도를 나타낸 것이다[8]. 진한 파란색은

해수 농도의 용액을 고농도 용액으로 사용했을

때, 오렌지색은 해수보다 높은 농도의 용액을 고

농도 용액으로 사용했을 때의 전력밀도 결과를 나

타낸다. 그림에서 보듯이, 최근의 막 기술의 발전

에 힘입어, 5 W/m2 이상의 전력밀도를 얻은 것을

알 수 있다. 또한, 합성막을 이용한 PRO 실험의

경우, 10 W/m2

이상의 전력밀도도 얻을 수 있는

것으로 보고되었다.

4.3. PRO 기술의 한계

PRO 공정은 차세대 에너지생산 공정으로서 많

은 관심을 얻고 있으나, 상업적으로 이용 가능할

정도의 경제성을 얻기 위해서는 극복해야 할 과제

Figure 9. PRO 실험의 전력밀도 비교.

들이 있다.

가장 큰 단점은 물의 투과가 진행됨에 따라 막

의 표면에 용질이 농축되어 발생하는 농도분극 현

상이다. Figure 10은 PRO 막에서 발생하는 농도

분극 현상을 나타내고 있으며, 발생하는 위치에

따라서 외부농도분극(ECP)과 내부농도분극(ICP)

으로 구분된다[9]. 외부농도분극은 고농도 용액과

접하고 있는 활성층(dense layer)에서 발생한다.

막을 통과한 저농도 용액의 용매에 의해 고농도의

용액이 희석되면서 삼투압 차이가 감소하며, 이에

따라 구동력이 낮아져 투과 플럭스가 감소한다.

내부농도분극은 지지층(porous support) 내부에서

용질이 축적되어 막 사이의 삼투압을 감소시킴에

따라 발생한다. 농도분극에 의한 플럭스 감소는

곧 생산 전력의 감소로 이어지므로, 이에 대한 연

구가 더욱 진행되어야 한다.

한편, PRO 공정의 전처리 과정도 하나의 단점

으로 지적되고 있다. 역삼투, 정삼투 등의 해수담

수화 공정과 비교하여 PRO는 파울링 현상에 덜

민감함에도 불구하고, 유입수의 전처리 과정은 여

전히 필요하다. Statkraft 사에 따르면, 특히 저농

도 용액(담수)을 전처리하는 과정에서 소모되는

에너지량이 예상보다 높은 편이라고 한다. 이러한

문제를 해결하기 위해서 단위 공정 및 전체 공정

에 대한 최적화가 필수적이며, 이를 통해 PRO를

통해 생산되는 에너지의 경제성을 확보할 수 있을

것이다.


16 공업화학 전망, 제14권 제6호, 2011

Figure 10. PRO 막에서의 농도분극 현상.

4.4. PRO 기술의 미래

국제적으로 심화되고 있는 지구 온난화와 부존

자원 고갈 문제에 대비하기 위해 현재의 화석연료

의존에 대한 해결책이 필요하며, 여러 신재생 에

너지원에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 염

도차에 의해 발생하는 에너지를 추출하는 PRO는

아직 연구 초기단계이기는 하지만, 무공해 청정

에너지를 생산한다는 점에서 관심이 높아지고 있

는 추세이다.

앞에서 언급한 바와 같이, 이 공정이 경제성을

얻기 위해서는 막에서의 PRO 전용막의 부재, 농

도분극현상, 전처리 과정의 에너지 소모 등의 한

계점을 해결하는 연구가 선행되어야만 할 것이다.

하지만, 역삼투 및 정삼투 기술의 비약적인 발전

에 힘입어 가까운 미래에 이러한 어려움을 극복하

고, 차세대 에너지원으로서 큰 몫을 차지할 수 있

을 것이라 기대된다. 또한, PRO 공정 최적화 기술

개발 및 기존 해수담수화 플랜트와 PRO 플랜트

기술의 연계를 통하여 시기를 더욱 앞당길 수 있

을 것이다.

5. FO와 PRO막 및 모듈의 개발동향

정삼투 공정와 PRO 공정의 경우 둘 다 해수 내

양이온이나 음이온들이 통과하지 않고 물만을 선

택적으로 통과시키는 반투막을 사용하는 점에서

는 유사하다. PRO막의 경우는 발전에 있어 상업

성을 가지려면 기존의 상업화된 역삼투막보다 수

십 배 높은 투과량을 가지고 있어야 하므로 투과

도의 증가가 아주 중요하다. 정삼투는 물이동의

구동력이 유도용액과 해수와 농도차이므로 통상

유도용액의 삼투압을 견디는 방향으로 막이 제조

되어져야 한다. 정삼투의 경우 고압이 적용되는

역삼투막이나 PRO막에 비하여 필요한 압력은 막

모듈 내 유체의 마찰에 의한 압력손실 밖에 없기

때문에 고압의 펌프가 불필요하여 전체 장치가 간

단하고 막 지지시설도 비교적 간단하며 막오염 발

생이 적다. 그러나 정삼투막은 공정의 효율을 높

이기 위해 여전히 낮은 내부 농도분극(concentra-

tion polarization)을 가져야 한다.

정삼투용 분리막의 연구는 1990년 이전에는 활

발하지 않았으며 현재 상업화되어 있는 셀룰로오

스계통 중공사막과 비셀룰로오스계인 폴리아미이

드계의 복합막을 주로 사용하여 공정에 적용하는

연구수준에 머물렀다. 그러나 1990년대에 정삼투

막의 운전조건을 대상으로 하는 정삼투법을 위한

새로운 분리막의 개발이 본격화되었다. 현재 정삼

투막을 개발하는 제조법은 크게 두 가지로 나눌

수 있다. 첫째는 1960년대에 Loeb에 의해 처음 개

발된 셀룰로오스 아세테이트(CA) 및 셀룰로오스

트리아세테이트(CTA) 소재에 포름아마이드와 같

은 휘발성 용매와 메탄올과 같은 휘발성 비용매

첨가제를 함께 녹여 평막이나 중공사막의 형태로

제조하면서 표면을 탈염기능을 가지도록 일정시

간 휘발한 후에 물속에 침지시키는 상분리법에 의

한 비대칭막을 제조하는 방법이다. 두 번째는 1980

년대 J. Cadotte가 개발한 고분자의 계면중합법에

의한 폴리아아미드(PA) 계통의 복합막제조기술로

방향족 다이아민을 물에 녹인 후 다공성 폴리설폰

지지지에 함침시킨 후 물과 섞이지 않는 다가 방

향족 아실클로라이드가 용해된 비극성 유기용매

와 접촉시키는 방법으로 만들어진다.

국외의 정삼투막의 연구동향을 보면, 분리막 회

사로서는 크게 세 회사가 활발히 연구하고 있다.



Figure 11. 외국의 대표적인 제조회사별 정삼투막의 구조 및 특징.

Figure 12. 예일대학교의 정삼투용 폴리아미이드계 복합막의 구조 및 PRO 성능.

1990년대 초반부 Hydration Technologies Inc.

(HTI : 구 Osmotek Inc.)에 의해 상업적 용도로 활

발히 전개되었다[10]. 막소재는 CTA (cellulose

triacetate)로 막두께는 50 µm로 지지층이 없고, 강

도를 높이기 위해 폴리에스터섬유가 막내에 지지

층을 이루고 있다. 최근에 해수담수화용 분리막을

최초로 상업화한 Dow Filmtec에서는 해수담수화

용 정삼투용 복합막을 개발하였는데 기존의 역삼

투 복합막과 비슷하게 폴리에스터 지지 위에 다공

성 폴리설폰이 100 µm 정도 코팅되고 그 위해 폴

리아마이드층이 덮여 있는 막을 개발하였다. 또한

GE Osmonics는 자사의 역삼투막 제조기술을 배

경으로 폴리에스터 지지체위에 비대칭구조의 셀

룰로오스계 담수화막을 복합시킨 복합막을 개발

하였다(Figure 11).

외국의 대학교 중 정삼투 및 PRO분야의 권위자

인 Elimelech 교수가 있는 예일대학교가 가장 활

발하게 연구를 진행 중에 있고 소재부터 공정까지

다양한 연구를 수행하고 있다[11]. 막소재로는 복

합막 멤브레인과 관련된 연구를 진행하고 있는데

기존 폴리아마이드계 역삼투막 제조기술을 바탕

으로 지지층 구조만을 변화시켜 농도분극을 최소

화하는 연구를 수행한 결과 지상구조와 스폰지 형

태의 구조를 적절히 조합할 때 최적의 PRO 성능

이 얻어지는 것을 발표하였다(Figure 12). 그 밖에

연구로는 새로운 정삼투막의 소재로서 폴리벤즈

이미다졸의 낮은 투과성의 단점을 보완하는 연구,

고분자 전해질을 이용해 평막연구 등 다양한 제조

법을 도입한 정삼투용 평막과 중공사막이 보고되

었으며 막의 단면구조에 관한 연구로는 중공사막

의 이중구조에 관한 연구가 주목을 받았는데 중공

사막이 정삼투에 적용되는 경우 유도용액과 처리

수의 흐름이 양쪽에서 발생하므로 양방향에 모두

치밀층(Skin layer)을 두면 내오염성이 개선되는

결과를 보였다.

국내의 정삼투관련 소재연구는 고려대, 화학연


18 공업화학 전망, 제14권 제6호, 2011

Figure 13. 정삼투용 나권형 모듈의 모습과 유체흐름.

구원, 과학기술원에서 활발히 연구되고 있다. 화학

연구원과 제일모직의 경우 지식경제부 WPM

(World Premium Materials) 사업으로 제막 분야,

즉 셀룰로오스계 중공사막과 폴리아마이드계 양

쪽에 중점을 둔 프로젝트가 수행되고 있다. 또한

고려대학교의 경우 교육과학기술부의 WCU (World

Class University) 과제로 진행되고 있으며 무기

나노 물질을 이용한 차세대 정삼투막을 통해 해수

담수화 및 물 재이용 기술을 개발하고 있다.

현재 정삼투 공정에서 해결해야 할 문제는 고투

과성, 고선택성을 가짐과 동시에 삼투압을 저하시

키는 농도분극(concentration polarization)에 대처

할 수 있어야 한다. 이에 따라 막표면에 친수성 처

리를 하거나 다양한 고분자소재의 화학구조의 변

화를 통해 유도용액의 역확산(back diffusion)을

줄여주는 기술, 다공성 지지체의 구조 및 두께변

화를 통한 투과성을 개선하고 농도분극을 줄이는

연구 및 새로운 정삼투용 분리막 제조기술 개발이

이루어져야 한다.

정삼투 및 PRO 공정의 모듈의 설계는 공정특

징의 차이로 조금 다르지만 공정의 특성을 최대한

살릴 수 있으며 두 공정에서 공통적으로 큰 문제

가 되는 농도분극을 최소화하는 방향으로 설계가

이루어지고 있다. 기존의 역삼투 방식의 수처리공

정에서 개발된 다양한 형태의 모듈이 이용되고 있

다. 정삼투 공정은 유도용액은 반복적으로 재농축

(Reconcentrated)/재생(Refreshed)하여 재이용되므

로 Feed측 용액은 막의 공급측에서 반복적으로 순

환하게 되고 재농축/재생된 유도용액은 투과측에

서 재순환되므로 정삼투 공정은 역삼투 공정이나

PRO 공정에 비하여 더 복잡한 모듈 형태를 지닌

다. 그리고 정삼투용 막모듈에는 역삼투막이나

PRO 막에 비해 막모듈 시스템에서 저압으로 운전

되며 회수율이 80% 이상이기 때문에 농축수 배출

량이 적은 반면 막모듈 시스템에서 막오염을 줄이

는 방향으로 설계되어져야 한다. 평막의 경우는

평판형 모듈(plate & frame)과 나권형 모듈(spiral-

wound)을 주로 사용하며 중공사형태의 막의 경우

는 기존의 중공사 모듈을 사용한다. 기타 제조되

는 막의 형태에 따라 관형막(tubular)과 포대(bag)

형태의 모듈도 소규모에 사용된다.

정삼투용 나권형 모듈의 경우 막모듈 내의 막에

처리대상수가 접선방향으로 흐르며 투과수는 막

사이의 채널에 느리게 흐르고 유속은 막의 특성과

운전조건에 따라 결정된다. 따라서 현재 설계형태

로는 유도용액을 막 사이의 공간으로 밀어 넣을

수 없기 때문에 정삼투 형태로 운전할 수 없다. 최

근에 개발된 정삼투용 나권형 막모듈은 Outside-

In과 Inside-Out 운전을 할 수 있는 정삼투용 Spiral-

Wound 막모듈을 나타낸다[5]. 유도용액은 스페이

서와 말려진 막 사이로 흐르는데, 이것은 역삼투

막에서 공급용액이 흐르는 것과 비슷하다. 그러나,

역삼투용 막모듈과는 달리 중심의 집수관이 반쯤

닫혀있어서 공급용액이 다른 쪽으로 흐를 수 없으

며 막의 envelope 중앙에 있는 추가적인 접착라인

이 유입수가 envelope 안으로 흐르게 해준다. 가운

데 위치하는 관의 전반부는 구멍이 뚫려있어 이

구멍으로 원수가 유입되고 envelope 사이로 흘러

관의 나머지 반인 후반부로 흘러나온다(Figure 13).

정삼투용 판틀형 모듈의 경우 제조방법이 쉬운

반면 충진밀도가 낮아 모듈 크기가 크고 초기투자

비용이 높고 막을 교체하기 위한 운전비용이 높으



며 막지지층이 충분하지 않은 낮은 수압인 경우나

막 양쪽의 압력이 비슷한 경우에만 사용이 가능하

며 압력조절을 위한 공정제어가 중요한 특징을 가

진다.

튜브형 또는 중공사형 모듈은 자체로 지지할 수

있어 높은 수압에 견딜 수 있고 큰 베셀 안에 많은

다발을 넣을 수 있는 장점이 있다. 특히 튜브형은

제작이 쉽고 패킹 밀도도 어느 정도 높다. 튜브형

태는 유체가 막 양쪽 면에 자유롭게 흐를 수 있다.

특히 중공사막의 경우 두꺼운 지지층이 필요 없어

내부 농도분극을 줄일 수 있고 정삼투나 PRO 성

능을 향상시킬 수 있다. 따라서 정삼투나 PRO 운

전에 적합한 형태의 막모듈이다. 중공사막 내부에

서는 층류(laminar flow)만 일어나기 때문에 막 표

면의 혼합이 제한적인 반면 외부 농도분극, 파울

링, 스케일이 형성되어 막을 통과하는 물질 전달

을 줄이는 단점을 보인다. 튜브형 막의 경우 난류

(turbulence)가 일어나 농도분극, 파울링, 스케일

형성이 줄어든다. 현재 많은 연구기관과 업체들은

튜브형과 중공사막 및 모듈을 정삼투나 PRO용으

로 사용하는 데는 막오염의 문제가 심각하여 평막

형 나권형 모듈을 주로 활발히 개발하고 있다.

6. 결 론

역삼투막 제조 기술의 발전과 에너지 회수 장치

등의 공정 개발로 역삼투식 해수담수화의 에너지

소비량은 1970년대에 비해 10% 수준으로 낮아졌

고, 물 생산단가도 1990년대 정수처리 대비 5배

이상이었으나, 현재는 약 10∼20% 정도 높은 수

준으로 개선되었다. 향후 역삼투 해수담수화 기술

의 지속적인 발전을 통해 에너지 소비량 및 물 생

산단가는 계속 낮아질 것으로 기대되나, 역삼투식

해수담수화는 해수의 삼투압보다 높은 압력으로

운전해야 하기 때문에 에너지 소비량을 이론적 한

계치인 1.56 kWh/m3 이하로 저감하는데 한계가

있다. 따라서 해수담수화와 하수재이용을 FO 공

정과 결합하여 해수의 삼투압을 낮추고 전체 공정

의 에너지 소비량을 낮출 수 있는 새로운 통합 기

술 개발이 필요하다. 이 경우 유도용액의 삼투압

을 이용하여 해수로부터 담수를 생산하기 때문에

고압의 압력을 가할 필요가 없다. 이러한 FO 공정

의 큰 장점에도 불구하고 이를 상용화하기 위해서

는 고성능의 FO 막의 개발이 필요하다. 유도용액

으로부터 유도물질을 회수하는 방법 등의 문제로

인해 FO 공정이 단독공정으로 사용되기까지는 장

기적이고 지속적인 연구가 필요할 것으로 보이지

만 단기적으로는 RO/NF, 하수재이용 등 다른 공

정과 융합하여 시너지를 창출하는 방식으로 상용

화될 수 있을 것으로 기대된다. 한편, PRO 공정은

삼투압을 이용한 차세대 대체에너지 생산 공정으

로서 많은 관심을 얻고 있으며 2009년 11월 노르

웨이에 최초의 PRO 발전 플랜트가 건설되었다.

그러나 PRO 공정이 상업적으로 이용되기 위해서

는 막의 개발, 농도분극현상의 해결 등의 한계점

을 극복하는 연구가 선행되어야 할 것으로 보인

다. 그러나 기존 해수담수화 플랜트와 PRO 플랜

트 기술의 연계를 통하여 이 시기를 앞당길 수 있

을 것으로 기대된다. 향후 지속가능한 저에너지형

대체 수자원 공정 개발과 해수의 삼투압을 에너지

로 전환하는 PRO 공정 개발은 그린 미래로 가는

디딤돌이 될 것으로 기대된다.

참 고 문 헌

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20 공업화학 전망, 제14권 제6호, 2011

홍 승 관

1991 Univ. of California, Irvine

공학학사


공학석사

1996 Univ. of California, Los

Angeles 공학박사

1997∼2003 Univ. of Central Florida

조/부교수

2003∼현재 고려대학교 교수

이 상 호

1993 서울대학교 공업화학 학사

1995 서울대학교 공업화학 석사

1999 서울대학교 공업화학 박사

1999∼2003 Northwestern University

Senior Researcher

2003∼2011 한국건설기술연구원

선임/책임/연구위원

2011∼현재 국민대학교 조교수

김 준 하

1998 고려대학교 화학공학과 학사


공학석사


공학박사

2005∼2009 광주과학기술원 조교수

2009∼현재 광주과학기술원 부교수

김 정 훈

1984 한양대학교 공업화학 학사

1986 한양대학교 공업화학 석사

1999 한국과학기술원 화학 박사

2000∼2001 Univ. of Waterloo

박사후 과정

1987∼현재 한국화학연구원 환경자원

연구센터 책임연구원

2005∼현재 한국공업화학회 산학협력이사,

한국막학회 조직이사

주 영 길

1993 서울대학교 화학과 학사

1995 서울대학교 화학과 석사

1995∼2001 (주)대림산업

2001∼2009 (주)케미코아

2010∼현재 고려대학교 박사과정

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Documents

기획특집: 수처리용 분리막 - CHERIC · 2014-08-13 · 기획특집: 수처리용 분리막 10 공업화학 전망, 제14권 제6호, 2011 이용한 수처리 기술에 대한