무 삼투압차(△π=0) 해수 담수화 노벨상 3개 가치의 노년 연구 (2010~2024)

[사무국]

화학‧화공‧섬유 분과 장호남 

  미국의 35대 John F. Kennedy 대통령(1961.1.20~1963.11.20)은 일찍이 세계의 물 공급 문제의 중요성을 깨닫고 “Anyone who can solve the problems of water be worthy of two Nobel prizes-one for peace and one for science.” 이때 1960년 미국 California 주 UCLA 대학(Los Angeles)에서 막-역삼투압 해수 담수화(seawater reverse osmosis)법을 개발한 것은 결코 우연이 아니다. 장호남 박사(KAIST 생명화학공학과 명예교수)는 2005~2015년 사이에 미국 Yale 대학을 중심으로 forward osmosis로 해수 담수화를 주장하고 있을 때, 이와는 다르게 삼투압막의 양쪽에 같은 농도의 소금물을 넣고 약간의 압력을 가하면 예상과 달리 큰 flux가 있음을 발견한다. 이를 ∆π=0(무 삼투압 차)라 명명, 미국 특허를 신청(2013), 2018년에 미국 특허를 취득한다. 두 번째 특허는 3.0%, 3.5%, 4.5% 소금물을 서로 반대 방향으로 흐르게 하면 효율적으로 분리되어 한쪽에는 고농도 농축수를 반대쪽에는 아주 저농도 희석수, 즉 물을 생산하게 된다. 예를 들면 3.0% 소금물은 물 970W(g)과 소금 30S로 구성되었다고 하면 포화 농축수는 26.47%가 된다. 여기서 S는 소금 무게 W는 물 무게이다. 26.47%는 소금 36g이 용매(물) 100g을 %로 하면 36/(100+36)=0.2647에서 나온 값이다.

표1: 시대별 해수 담수화 (kWh/톤 물)

  이 포화 농축수의 50%를 feed 챔버에서 OE(Osmotic- Equalizer)로 재순환, FOS-CC(feed-output -split-counter current)를 적용하면 Salt는 50%가 없어지지만 물은 970-41.67 =928.33가 남아 물 회수율이 무려 95.7%가 된다. 표 1은 해수 담수화의 발전 과정을 보여 준다. 1970~2016년까지는 열을 사용하여 물 1톤 생산에 20kWh, 막 역삼투압(3kWh), 2010~2024 사이에 개발된 S-ZERO 공법의 특징은 ∆π=0을 적용하면 모든 삼투압 에너지가 zero가 된다. 소모되는 에너지는 OE output(저농도)을 Feed input으로 펌프 하는데 들어가는 에너지다.

RO-CO2 발생량 비교: (177개국 16,000 plants)
95 million-m3 (water)/day*365*3*0.5=520,125MT: China-CO2=11,236 The ratio 46.29 fold: 2021-CO2 (fossil fuel burning) 360억 MT 52.0x104/360억 MT: The ratio=1/70,000.

그림 1. C-RO(∆π)와 S-ZERO(∆π=0) 비교
  가장 큰 차이점은 C-RO는 삼투압차(∆π):  75bar,  순 삼투압차 ∆π = 75bar -유입수 삼투압, 예: 3% 순 삼투압차  (75.00-23.74=51.26bar). RO가 진행됨에 따라 유입수의 농도(삼투압)가 높아져 순 삼투압차가 zero가 되면 RO 진행 불가능. S-ZERO는 시작부터 끝까지 ∆π=0를 유지함. ① OE 챔버에 삼투압을 높이기 위해 FOS-CC에서 가장 농도가 높은 농축수의 일부를 OE 챔버로 유입수와 반대 방향으로 보내어 OE 유출수의 배출 농도를 최대한 낮춤.② RRT (feed/OE) 챔버 체류시간을 조절함. OE. 체류시간을 상대적으로 짧게 하면 feed에서 OE로 투과되는 양이 줄어듦. (∆π =0) S-ZERO에서는 ∆π≤0 (forward osmotic) OE 챔버의 삼투압이 항상 feed 챔버보다 높게 유지함. %=S/(S+W)è=1/(1+W/S).

  결론적으로 RO로 발생하는 CO2는 그 양이 중국-CO2의 46.3배, 전 세계 발생량(화석연료 연소)의 1/7만에 해당한다. 현재의 RO를 에너지 절약형 S-ZERO 기술로 대체하면 시간은 걸리겠지만 CO2를 줄여 지구 온난화를 늦추거나 방지할 수 있다. 이는 J.F. Kennedy 미 대통령이 제안에 못 하지 않은 세 번째 물 노벨상 가치 연구가 되겠다.

필자소개
서울대 화학공학과,(1963~1967), Stanford대, 석(1971) 박사 (1975)
독일 Humboldt Fellow (Erlangen, Munchen, Berlin,) 1981~2005
KOSEF 생물공정연구센터 소장 (1990~2000), AFOB (2012~2016)
Stanford 한국 동문회 회장 (1998~2001)
산자부연구회 CEO/이사장(2012~2016), 
시바이오㈜ (TIPS) CTO(2016~2023)