비공극성 분리막 기반 수처리 유체확산 이론의 부정확성 규명

60년간 사용된 비공극성 분리막 기반 수처리공정 해석의 유체확산 이론에 대한 부정확성 규명

광주과학기술원 지구환경공학부 김인수 교수.(사진=광주과학기술원 제공)

[아시아경제 문승용 기자] 광주과학기술원은(GIST, 총장 문승현) 지구환경공학부 김인수 교수팀이 비공극성 막*(Non-Porous Membrane) 기반 수처리 공정 해석에 지난 60여 년간 널리 쓰인 유체확산 이론**(Solution-Diffusion Theory)의 핵심요소인 “수압(Hydraulic Pressure) = 삼투압(Osmotic Pressure)”이라는 이론적 가정 사항이 비공극성 막의 투과능 해석에 적합하지 않음을 실험적으로 규명하였다고 밝혔다.

연구팀은 정삼투 공정에 사용되는 비공극성 막을 연구 대상으로 삼고, 동일한 수압과 삼투압이 서로 반대되는 방향으로 작용하는 경우 물은 투과하지 않으며, 염 투과는 기존 확산이론에 따라 염의 농도에 비례하여 관찰될 것이라는 가설을 변증법적 접근을 통해 검증했다.

이러한 분석 결과, 수압은 항상 삼투압보다 큰 영향을 끼친다는 것을 확인하였다. 따라서 비공극성 막에서 수압과 삼투압은 동일한 성질의 구동력으로 작용하지 않음을 확인하였으며, 기존 유체확산 이론의 핵심 가정 사항이 실제 공정 해석에 적합하지 않음을 규명했다.

의도적으로 수압을 낮추어 물의 이동이 관찰되지 않는 조건에서의 수압과 삼투압의 관계를 분석하여 삼투압과 염 투과가 선형적 관계를 갖는다는 사실을 새롭게 확인하였고, 이 선형적 관계를 통해 수압에 대한 비공극성 막의 취약성(Vulnerability)을 정량적으로 측정할 수 있다.

이를 분석하면 일정 수압에서 비공극성 막으로서 기능을 하지 못하는 한계 수압*(Yield Hydraulic Pressure)을 확인할 수 있고, 이를 통해 비공극성 막의 적정한 운전 압력(수압)의 범위를 정량적으로 제시하는데 성공하였으며, 이는 현장 적용성 측면에서(예를 들어, 2018년 현재 전 세계에서 약 19,000개의 해수담수화플랜트가 건설 및 운전되고 있음) 매우 의미 있는 성과라고 밝혔다.

김인수 교수는“오랫동안 의심 없이 받아들여져 왔던 기존 유체확산 이론의“수압 = 삼투압”이라는 핵심 가정 사항이 투과능 해석의 부정확성을 야기하는 주된 원인이라는 것을 규명했다는 데 큰 의의가 있으며, 이번 연구에서 제시된 해석법이 수처리 현장에 사용되는 다양한 비공극성 막에 적용되어 신뢰성 있는 설계, 건설 및 운영에 기여하길 기대한다.”고 말했다.

한편, 본 연구는 국토교통부가 지원하는 플랜트 연구사업(해수담수화)의 지원을 받아 수행되었으며, 연구 성과는 환경 분야 국제학술지인 Environmental Science & Technology(ES&T)에 2월 21일(수)자 온라인에 게재됐다.

문승용 기자 msynews@naver.com
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