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김인수 교수팀, 비공극성 분리막 기반 수처리 유체확산 이론의 부정확성 규명
관리자
작성일2018.03.28 10:19 조회수747

 

□  GIST(지스트, 총장 문승현) 지구환경공학부 김인수 교수팀비공극성 막*(Non-Porous Membrane) 기반 수처리 공정 해석에 지난 60여 년간 널리 쓰인 유체확산 이론**(Solution-Diffusion Theory)의 핵심요소인수압(Hydraulic Pressure) = 삼투압(Osmotic Pressure)”이라는 이론적 가정 사항이 비공극성 막의 투과능 해석에 적합하지 않음을 실험적으로 규명하였다.
* 공극의 존재는 확인되나, 그 크기가 작아 정량적 측정이 어려운 분리 막
** 용매()와 용질(이온성 물질)이 서로 독립적인 구동력에 따라 투과된다는 이론

□  오랜 기간 비공극성 막 기반 정삼투*(Forward Osmosis) 및 역삼투** (Reverse Osmosis) 공정에 대한 연구가 활발히 이뤄져왔으며, 비공극성 막은 이온성 물질을 효과적으로 제거하는 것으로 알려져 있다. 그러나 기존 유체확산 이론이 수압과 삼투압이 동시에 존재하는 상황에서 막 투과특성을 해석하지 못하는 실험적 증거가 여럿 보고되었으며, 이러한 부정확성의 이유를 검증하기 위해 논쟁이 있어왔다.
* 서로 다른 농도를 가진 두 용액 사이에 비공극성 막을 배치하여 삼투압 차에 의해 물을 여과하는 공정
** 용액(: 바닷물)이 가진 삼투압보다 더 큰 수압을 가해 비공극성 막을 통해 물을 짜내는 공정

□   연구팀은 정삼투 공정에 사용되는 비공극성 막을 연구 대상으로 삼고 위 가정이 옳다면 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 검증하고자 하였다.

    ∘ 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 규명하였다.

□   의도적으로 수압을 낮추어 물의 이동이 관찰되지 않는 조건에서의 수압과 삼투압의 관계를 분석하여 삼투압과 염 투과가 선형적 관계를 갖는다는 사실을 새롭게 확인하였다. 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 있다. 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 성과이다.
*한계 수압 이후에는 막의 염 제거능이 현격하게 저하되며, 유체확산 이론으로 설명이 불가능함.

□  김인수 교수는오랫동안 의심 없이 받아들여져 왔던 기존 유체확산 이론의수압 = 삼투압이라는 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.

□  본 연구는 국토교통부가 지원하는 플랜트 연구사업(해수담수화)의 지원을 받아 수행되었으며, 연구 성과는 환경 분야 국제학술지인 Environmental Science & Technology(ES&T)221()자 온라인에 게재되었다. <>

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