| 초록 |
1. 서론 세계 인구의 꾸준한 증가와 지구온난화로 인한 범세계적인 환경변화에 의해, 지구상의 사용 가능한 담수(fresh water)량이 부족하게 되었다. 이러한 담수 자원의 고갈을 극복하기 위해 인류는 바다에 눈을 돌려, 해수의 담수화 공정이 가장 유망한 해결책임을 알게 되었다. 현재 전 세계적으로 약 11,000개의 담수화 시설에서 2×107 m3/일의 담수를 생산하고 있으며, 서아시아와 중동에 60%, 아메리카에 15%, 아프리카와 유럽에 각각 7%의 시설이 위치하고 있다. 이러한 담수화 시설의 70%는 역삼투(reverse osmosis, RO) 같은 막 기반 기술이 사용되고 있으며, 다단 플래시(multi stage flash), 열증기 압축-다중 효과 증류(thermal vapor compression-multi effect distillation) 같은 열 기반 공정은 막대한 소비가 요구되어 담수화 시설의 30%에서만 채택되고 있다. 이처럼 현재의 담수화 기술은 크게 역삼투 기반 막공정과 열 기반 기술로 나뉘는데, 낮은 에너지소비, 편리한 유지관리 등의 장점이 있어서 담수화막 기술이 열 기반 기술을 압도하며 전체 시장을 잠식해가고 있다. 특히, 높은 플럭스(flux)[단위면적, 단위시간당 이동량]와 오염 방지 막모듈 같은 핵심 막모듈과, 에너지회수 시설, 더 효율적인 전처리 공정 개발로 인해, 막 기반 담수화 공정의 에너지소비량은, 10 kWh/m3에서 4 kWh/m3 이하로, 극적으로 감소하였다. 현재 이러한 막기반 담수화 공정 중에서, 폴리아미드박막복합체(polyamide thin film composite, PA-TFC) 역삼투 담수화 방식이, 담수화 성능 향상과 에너지소비 저감이 이루어져, 담수화 공정의 대부분을 차지하고 있다. 삼투(osmosis)현상은, 분리막의 기공크기가 용매보다 크고 용질보다는 작아서 용매가 용매 농도가 높은 쪽(용질 농도가 낮은 쪽)에서 용매 농도가 낮은 쪽(용질 농도가 높은 쪽)으로 투과하는 현상이다. 반면에 역삼투란 용매의 농도가 낮은 쪽에 삼투압보다 더 큰 압력을 가하여 용매를 용매 농도가 높은 쪽으로 보내는 것을 말하며, 이러한 방법을 통해 입자크기가 매우 작은 용질을 분리할 수 있다. 일반적으로 역삼투 공정은 삼투압을 극복해야 하기 때문에 10~100기압의 높은 압력이 필요하며, 따라서 열 기반 공정보다는 적지만 막분리 공정 중에서 에너지소비가 많은 특징이 있다. 일반적으로 전체 역반응 비용의 반 정도를 에너지소비 비용이 차지한다. 이러한 이유로, 담수화 공정 확산 및 보급을 위해서는 여전히 더 에너지소비를 낮추고 친환경적인, 개선된 역삼투 담수화막 소재의 개발이 요구되고 있다. 한편 2차원물질(two dimensional material)은 원자층 두께를 가지는 2차원 형태의 물질로서, 단층 또는 단층 사이에 반데르발스힘으로 결합된 수층의 형태로 존재한다. 이러한 2차원물질은 구조적 강도(structural strength)가 높으며, 물 분자를 여과하기에 적당한, 바로 그 크기의 나노기공을 생성하기 용이하여서, 담수화막 소재로서 매우 이상적이다. 또한 일반적으로 물 플럭스와 막 두께는 반비례의 관계에 있으며, 따라서 원자층 두께의 2차원물질은 높은 물 플럭스를 유지하는 데에 매우 바람직하다. 기존의 역삼투 공정은, 공정 개발을 통해 20년 전보다 3배로 효율성이 증가하였으나 여전히 느린, 확산 기반(diffusion-based) 공정이다. 반면에 나노기공막을 사용한 역삼투 담수화 공정은 체분리 방법(sieving)에 의해 이루어지며, 매우 효율적으로 잘 설계된 채널을 통해 물을 빠른 속도로 여과시킨다. 이러한 높은 막투과도(membrane permeability)는 요구되는 막 양쪽의 압력차를 감소시키며, 결과적으로 에너지소비량을 저하시킨다. Tanugi와 Grossman, Suk과 Aluru의 분자동력학(molecular dynamics) 연구에 의하면, 나노기공을 가지는 그래핀(graphene)막을 사용한 담수화 공정은 기존의 확산 기반 역삼투 공정보다 2~3차수(order) 빠른 속도로 물을 여과하였다. 또한 Heiranian과 연구자들, Li와 연구자들의 단층 이황화몰리브덴(molyb-denum disulfide, MoS2) 막을 사용한 담수화 공정모사(simulation)에 의하면, MoS2에서의 물 플럭스가 그래핀보다 70% 더 큼을 보였다. 그 밖에, Hilder와 연구자들, Suk과 연구자들, Gao와 연구자들의 질화붕소(boron nitride, BN) 나노튜브막을 이용한 담수화 공정모사 결과, 그래핀막보다 더 우수한 물 플럭스, 염 제거율(salt rejection)을 보였다. 본 보고서에서는 그래핀, MoS2, 질화붕소로 이루어진 2차원물질 막을 사용한 역삼투 담수화 공정에 대하여, 막의 구조, 기공크기, 화학적 기능기, 표면 특성 등의 영향과 그 담수화 특성을 알아볼 것이다. ** 원문은 파일 다운받기를 해주세요 :-) |
