A commercial scale continuous desalination process for water production from seawater using forward osmosis (FO) was developed. The FO desalination process consists of membrane unit which uses ammonia and carbon dioxide as draw solutes to produce the fresh water and stripping columns to recover the draw solute. The operating conditions of the membrane unit and the stripping columns were determined by simulation studies based on ElecNRTL and OLI model which represent the property models for electrolyte system. The membrane unit was designed to use a plate-and-frame module with water flux model which includes the concentration polarization phenomenon occurring at the membrane surface. The draw solution recovery process consists of energy integrated parallel stripping columns for the optimal use of the condensing heat from the top side product of the first column to the reboiler of the second column. To reduce brine discharges and increase the productivity of the desalination process, about 50% of the brine from the membrane unit is recycled and mixed with the fresh feed to the membrane unit in the FO desalination process. Furthermore, to reduce the number of membranes in the membrane module and the heat duty of the reboilers in the stripping columns, the feed stream was pre-heated using the waste heat from a power plant. A standard design of FO desalination process and two improved designs of FO desalination processes were proposed and compared in this research.
지구 전체 수자원량의 97.5%를 차지하는 해수를 담수화 하는 기술이 30년 전부터 개발되어 오고 있으며 대표적인 담수화 공정은 다단 플래쉬 방식과, 역삼투 방식이다. 아직까지 이 두 가지 공정은 높은 온도 조건과 압력 조건으로 많은 열에너지와 전력에너지를 사용하여 비효율적이다. 정삼투식 담수화는 반투과막을 사이에 두고 해수보다 높은 삼투압을 가진 유도용액을 두어 발생되는 자연스런 삼투 흐름으로 물을 분리하기 때문에 효율적이다.
2005년도에 ammonium bicarbonate가 제안되어 정삼투식 담수화 공정의 사용 가능성을 높여주었으며, 막에 대한 연구 발표가 활발히 진행되고 있으나 유도용질 분리 및 재사용 방법을 포함하는 공정 개발 연구는 이루어지지 않았다. 본 연구는 기존의 연구 결과 조사 내용을 바탕으로 검증된 simulation software인 Aspen Plus를 사용하여 암모니아, 이산화탄소를 사용하는 정삼투식 해수 담수화 공정을 설계하였다.
3장에서는 공정 내에서 사용되는 주요한 유닛의 운전 조건을 시물레이션을 통해 확립하였다. 막 유닛에는 정삼투식 담수화 공정에 적합하다고 알려진 HTI사 FO membrane을 적용하며, 1500개 이상의 막을 패킹할 수 있는 plate and frame 모듈을 사용하였다. 유닛 내부에 설정되는 water flux 모델 식은 막 표면에서 용질의 확산 저항에 의해서 일어나는 concentration polarization 현상을 포함한다.
막을 통과한 유도용액은 stripping column을 사용하여 액체로부터 기체로 분리될 수 있다. Bottom side에서 나오는 생산수 내 농도가 음용수 기준인 1 ppm 이하가 되도록 컬럼 조건을 설정하여 준다. 다단의 column을 사용할 경우, 전단의 top side에서 나오는 steam의 응축열을 다음 단에 사용함으로써 에너지 효율을 높일 수 있었다.
3장에서 설정된 유닛을 조합하여 4장에서는 암모니아 이산화탄소를 사용하는 정삼투식 담수화 공정을 설계하였다. 50%의 물 회수율을 가지는 약 3400개 막을 포함한 막 모듈 유닛과 top side에서 81% 이상의 유도 용질을 회수하는 두 개의 strip-ping column으로 이루어진다. 생산수 중 일부는 회수되어 유도용질을 녹여 막 유닛에 재사용되도록 설계하였다.
이 공정을 기본으로 하여 brine recycling을 도입하여 물 회수량과 brine 배출량을 줄여주었다. Brine recycling 시 막으로 유입되는 해수 농도가 최대 2 M로 증가되기 때문에, 유도용액의 농도를 증가시켜 막을 통과하는 water flux를 유지해야 한다. 해수로부터 75% 물 회수율을 가지도록 약3800개의 막을 사용하는 모듈로 설정하였다. 두 개의 stripping column에서는 94% 이상의 유도용질이 회수되었다.
위치적으로 발전소의 위치와 담수 공장의 위치가 유사하기 때문에 발전소의 waste heat을 사용하여 공정 효율을 높여줄 수 있다. Power plant의 cooling system에서 나오는 고온의 해수를 담수화 공정에 사용하도록 설계하여 막과 column에서 분리 효율을 높여주었다. 약 1500개의 막을 사용하여 75%의 물 회수율을 맞추어줄 수 있으며, column reboiler에서 소비되는 열량도 감소되었다.
본 연구에서 제안된 정삼투식 담수화 공정의 개념적 설계는 향후 상업화 공정을 설계하는데 큰 기여를 할 것으로 기대한다.
