도서 지역 식수 공급을 위한 히트펌프 복합 다단 진공 막 증류 해수 담수화 시스템의 설계 및 성능평가 연구

1. 서 론

세계적인 인구증가, 인간의 과도한 경작, 삼림 벌채, 가축사육 등으로 인한 담수 사용의 증가로 세계자연기금(WWF, World Wide Fund Nature)은 2050년에 물 부족 피해를 보는 인구가 세계적으로 24억 3,000명에 이를 것이라고 분석하고 있다. 국내에서도 농업 및 공업용수 부족과 식수 부족으로 인한 실질적 피해와 우려가 나타나고 있다. 따라서 무한한 해수에서 담수를 생산하는 해수 담수화 기술에 대한 수요는 지속적으로 증가하고 있다. 해수 담수화 기술은 제 2차 세계대전 당시 사막에서 군인들에게 식수를 공급하는 장치로 개발이 시작되었으며 현재는 화석연료를 사용하는 열 기반 증발식 해수 담수화 기술 그리고 전력을 사용하는 막 기반 해수 담수화 기술로 분류되어 개발되어 세계적인 물 부족 현상에 대응하고 있다. 적조나 녹조 등의 조류이상이 많이 발생하는 지역에서는 주로 열 기반 증발식 해수 담수화 기술이 많이 사용되고 있으나 그렇지 않은 지역에서는 에너지 소비 효율 및 탄소 배출량 등에서 이점이 있는 막 기반 해수 담수화 기술이 주목받고 있다. 막 기반 해수 담수화 기술 중 상용화 되어 있는 기술은 역삼투 공정(RO, Reverse osmosis)으로 에너지 소비 당 담수 생산량이 533원/m³으로 매우 저렴하다.⁽¹⁾ 역삼투 공정의 경우, 해수의 삼투압보다 높은 압력을 구동 압력으로 요구하기 때문에 고압 및 대형 압축기의 사용이 필요하며 대규모의 담수 생산 설비에 적합하다. 일반적으로 식수 부족 문제는 일반적인 도시국가에서 발생하는 빈도가 매우 낮으나 도서 지역이나 산간 지역 등과 같이 생산된 생수의 수송이 어려운 지역에서 발생한다. 따라서 이러한 도서 지역 주민들의 식수 부족 문제를 해결하기 위해서는 대규모 해수 담수화 설비를 설치하는 것보다 근처에 소형 해수 담수화 혹은 담수화 장비를 개발하여 공급하는 것이 유리할 것으로 판단되며 세계적으로 소형 해수 담수화 시스템 개발 연구가 진행되고 있다. Ma et al.,은 도서 지역 물 공급을 위해 태양열을 활용하는 진공 막 증류 시스템을 고안하고 성능평가를 진행하였으며 에너지 소비량 대비 담수 생산량을 평가하였다.⁽²⁾ Ayoub와 Alward는 도서 지역의 물 공급을 위한 소형 담수화 설비 개발에 대한 필요성을 논의하였다.⁽³⁾ Yoon et al.,은 RO와 같은 대규모의 해수 담수화 설비는 도시 지역의 물부족 문제에 대한 좋은 해결책이나 인구가 적고 자원이 제한된 환경에 사는 사람들에게는 적합하지 않기 때문에 소형 해수 담수화 기술 개발의 필요성을 언급했으며 담수 공급을 위한 생수 배달 등에서 야기될 수 있는 환경오염이나 미세플라스틱 오염과 같이 환경 및 건강 문제에 대해서도 논의하였다.⁽⁴⁾

위의 언급한 소형 해수 담수화 시스템에 대한 논의는 담수 생산량을 증가시키기 위한 연구에 중점이 맞추어져 있으나 담수 생산을 위해 에너지를 공급할 수 있는 열원 공급기기에 대한 고려가 되어 있지 않다. 따라서 본 연구에서는 소형 해수 담수화 시스템의 설계와 구동 열원을 공급할 수 있는 열원기기까지 고려한 설계를 수행하고 자 하였다. 본 연구에서 도서 지역 식수 공급을 위해 히트펌프 복합 소형 다단 막 증류 해수 담수화 시스템이다. 제안된 시스템은 비등점이하의 유입수로 담수를 생산할 수 있는 막 증류 해수 담수화 공정과 고효율로 구동 열원을 공급할 수 있는 히트펌프를 채용했다. 막 증류 해수 담수화 공정은 기존 RO공정과는 다르게 고압을 요구하지 않으며 기존 증발식 해수 담수화 공정과 달리 비등점 이하 온도에서 해수를 담수화할 수 있는 장치이다. 또한 히트펌프는 온열과 냉열을 동시에 공급할 수 있기 때문에 온열과 냉열이 동시에 공급되어야하는 막 증류 해수 담수화 공정의 에너지 공급기기로 적합하며 에너지 효율이 매우 높은 장점이 있다. 또한 막 증류 해수 담수화 공정의 경우, 다른 해수 담수화 공정에 비해 설치 면적이 작기 때문에 도서지역에 설치가 용의하다고 판단된다.

도서 지역 식수 부족을 해결할 수 있는 히트펌프 하이브리드 다단 진공 막 증류 해수 담수화 시스템을 개발하기 위해 1) 진공 막 증류 해수 담수화 시스템의 운전조건에 따른 담수 생산량 및 소비 에너지량 산출 수치해석 모델 개발 연구, 2) 실험데이터와 비교분석을 통한 수치해석 모델 검증, 3) 소비 에너지 공급을 위한 히트펌프 사이클 시뮬레이션, 4) 히트펌프의 요구 소비 전력, COP 그리고 시간당 담수 생산량 대비 전력 소비량 산출과 같은 포괄적인 연구가 진행되었다.

2. 연구 방법

2.1 히트펌프 하이브리드 다단 진공 막증류 해수 담수화 시스템

도서 지역 식수 공급을 위한 히트펌프 복합 다단 진공 막 증류 해수 담수화 시스템의 개략도를 Fig. 1에 나타내었다. 제안된 시스템을 간략하게 설명하면 유입 해수는 히트펌프의 응축기로부터 열을 공급 받아 시스템을 순환하면 가열되게 되고 목표온도에 도달한 해수는 진공 막증류 담수화 시스템으로 유입된다. 목표 온도의 유입수는 모듈의 중공사 막 바깥으로 흐르게 되며 소수성 중공사 막 표면에서 증발하게 되고 소수성 중공사 막 내부와의 수증기 압력차이에 의해서 순수한 수증기만 소수성 중공사 막을 통과하여 중공사 내부로 이동하게 된다.^(2,5-7) 이동된 수증기는 진공탱크 안으로 이동하여 콜드트랩에서 응축되어 순수한 물이 된다. 콜드 트랩의 온도는 히트펌프의 증발기와 열교환하여 유지된다. 제안된 공정은 히트펌프의 온열과 냉열을 동시에 사용하기 때문에 히트펌프의 장점을 잘 살릴 수 있다.

Fig. 1

Schematic of heat pump hybrid multi vacuum membrane distillation seawater desalination system

제안된 시스템에 사용된 진공 막 증류 모듈 내부에서 일어나는 열 및 물질전달 현상을 개략도를 Fig. 2에 나타내었고 실제 모듈의 그림을 Fig. 3에 나타내었다. 또한 사용된 중공사 막 모듈의 상세 정보를 Table 1에 각각 나타내었다.

Fig. 2

Schematic of heat and mass trasnfer during vacuum membrane distillation(6)

Fig. 3

Schematic of hollow fiber membrane for VMD process(6)

Table 1

Properties of VMD module

제안된 히트펌프 하이브리드 다단 진공 막증류 해수 담수화 시스템은 다단 진공 막증류 해수 담수화 공정과 히트펌프 공정으로 나눌 수 있으며 각 공정에 대한 설명은 다음과 같다. 우선 진공 막 증류 해수 담수화 공정은 막 증류 모듈 내부의 중공사 막 내측과 외측의 수증기압 차이를 구동력으로 하여 막 표면에서 증발된 순수한 수증기만을 투과부(진공부)로 이동시키고 이는 진공 탱크 내 콜드 트랩에서 응축되어 순수한 물을 얻는다.^(2,5-7) 히트펌프 시스템은 막 증류 공정의 수증기압 차이를 높이기 위해 유입해수를 가열하고 콜드 트랩의 냉열을 공급하여 진공도를 유지하고 수증기를 응축시키는 역할을 한다.

막의 젖음 현상을 막고 수증기만을 투과시키기 위해 소수성 막을 사용되었으며 사용된 막의 액체 유입 압력 (Liquid entry pressure)은 140 kPa이었다.

히트펌프를 구동하기 위한 냉매는 R1233zd(E)를 선택하였으며 이는 Low GWP (Global warming potential) 냉매이다. R1233zd(E)의 임계온도는 109.36℃이고 임계압력은 3,635 kPa이다.

본 연구에서는 히트펌프 시스템의 냉열와 온열을 동시에 활용할 수 있는 진공 막 증류공정을 해수 담수화 공정으로 선택하여 “히트펌프 하이브리드 다단 진공 막 증류 해수 담수화 시스템”을 설계하고 제안하였으며 유입수 온도 및 유속에 따른 담수생산량을 산출하였으며 열원 공급을 위한 히트펌프 에너지 소비량 및 COP를 분석하였다.

3. 연구 결과

3.1 진공 막증류 해수 담수화 공정 해석모델 검증

시뮬레이션 연구를 수행하기 위해 실제 실험연구의 결과 데이터와 비교하여 그 적합성을 검증하였다. 실험 데이터는 Mengual et al., 의 데이터를 참고하였다.⁽⁵⁾ Fig. 4는 해석적 방법을 이용한 시뮬레이션으로 얻은 데이터의 적합성을 검증하기 위해 기존 문헌의 동일한 모듈과 동일한 운전조건을 사용하였을 때 얻은 실험 데이터와 비교한 그래피이다. 그래프에서 볼 수 있듯이 시뮬레이션 결과는 유입 유속 및 온도가 각각 1 m/s 그리고 60℃ 일 때, 실험결과와 비교하여 최대 5%의 오차를 보였으며 잘 일치하는 것을 알 수 있다. 실험 및 시뮬레이션에서 사용된 진공 측 압력은 4 kPa로 동일하다.

Fig. 4

Model validation between experimental data(5) and current simulation data

3.2 유입수 온도 및 유속에 따른 진공 막증류 해수 담수화 공정 성능 평가

검증된 시뮬레이션 툴을 가지고 유입수 온도 및 유속에 따른 진공 막증류 해수 담수화 공정의 성능평가를 수행하였다.

Fig. 5는 유입수 유속에 따른 담수 생산량을 나타내는 그림이다. 유입수의 온도 및 유속이 증가할수록 생산되는 담수는 증가하는 것을 알 수 있었다. 이는 유입수의 온도가 증가할수록 유입수 측 막 표면에서의 수증기 분압이 증가하기 때문이다. 또한 유속이 증가할수록 담수생산량이 증가하는 것을 알 수 있는데 이는 막 표면에서 온도 구배 (Temperature polarization)현상이 완화되기 때문이다. 하지만 유입수 온도가 낮을 때는 이 현상이 잘 나타나지 않는데 이는 유입수 온도가 낮아서 유입수 측 막 표면에서의 수증기 분압이 낮아 담수생산 구동력이 낮기 때문이다.^(8-11)

Fig. 5

Influence of the inlet feed velocity on freshwater production

또한 Fig. 6은 중공사 막 모듈의 후단에서 배출되는 유입수 온도를 시뮬레이션을 통해 산출하여 나타낸 그림이다. 유입수의 유속이 증가함에 따라 유입수가 갖는 열량이 많기 때문에 유속이 빠를수록 모듈 후단에서의 유입수 온도가 적게 감소하는 것을 알 수 있다. 하지만 시스템에서 유속이 증가함에 따라 초기 유입수의 목표온도 승온에 요구되는 열량이 높아지기 때문에 유속 대비 담수생산량이나 에너지 소비량을 잘 고려해야한다.

Fig. 6

Influence of the inlet feed velocity on the outlet temperature of module

Fig. 7에는 담수 생산을 위해 소비되는 열에너지를 나타내었다. 소비 에너지는 최대 15.95 kW로 유입수의 입구 유속이 1 m/s이고 온도가 65 ℃ 일 때 였다. 이는 막 표면에서 일어나는 수증기의 증발에 소모되는 에너지이며 실제로 본 공정에서는 생산된 수증기를 응축 시켜야 하기 때문에 이에 소모되는 에너지를 고려해야한다. 수증기 응축에 요구되는 에너지는 증발 에너지량과 큰 차이를 나타내지 않기 때문에 제안 된 시스템에서의 요구 응축에너지는 15.95kW으로 가정하였다. 이와 같이 진공 막 증류공정은 온열과 냉열을 동시에 요구하는 공정이며 히트펌프는 이러한 요구를 잘 맞출 수 있는 차세대 고효율 에너지기기이다.

Fig. 7

Energy consumption of vacuum membrane distillation

4. 결 론

본 연구의 결과를 요약하면 다음과 같다.

• 1) 낙후 도서지역 물 복지 대응을 위한 소형 해수 담수화 장치인 히트펌프 복합 다단 진공 막 증류 해수 담수화 시스템을 제안하고 이를 설계하으며 히트펌프를 구동하는 냉매로는 Low GWP 냉매인 R1233zd(E)를 사용하여 히트펌프 사이클을 설계하였다.
• 2) 기 출판된 논문에 실린 실험 데이터와 수치해석 모델에서 얻은 데이터를 비교하여 수치해석 모델을 검증하였고 해석결과가 5%내에서 잘 일치함을 보였다.
• 3) 검증된 수치해석 모델을 활용하여 상용 소수성 중공사 모듈인 MD020CP2N(MICRODYN)을 사용한 진공 막증류 공정을 유입수 온도, 유속 그리고 투과수 부 압력이 각각 65℃, 1 m/s 그리고 4 kPa의 운전조건으로 구동했을 때, 시간 당 4 kg의 담수생산이 가능하며 소비되는 열에너지는 15.95 kW임을 알 수 있었다.
• 4) 시간당 40kg의 담수를 생산할 수 있는 다단 진공막증류 해수 담수화 시스템을 구동하기 위한 열원장비로서의 히트펌프 사이클을 설계하였으며 유입수의 온도를 65℃로 일정하게 공급하고자 응축기 온도 및 압력을 65℃ 및 448 kPa로 설계하였고 진공 탱크의 수증기 압력을 고려하여 증발기 온도 및 압력을 29.2℃ 및 150 kPa로 설계하였다. 요구되는 응축기 및 증발기 열량을 만족하는 히트펌프의 이론적 COP_Total은 13.37로 매우 높은데 이는 히트펌프 복합 다단 진공 막 증류 해수 담수화 시스템이 히트펌프의 온열 및 냉열을 모두 사용하기 때문이다.
• 5) 본 연구의 결과, 히트펌프 복합 다단 진공 막 증류 해수담수화 시스템으로 시간당 40 kg의 담수를 생산하는데 소비되는 전력에너지는 23.85 kW임을 알 수 있었다. 또한 시간당 담수 생산량 대비 전력 소비량은 1.68kg/kWh였다.

Acknowledgments

본 논문은 기획재정부 재원 한국생산기술연구원 미래 산업환경대응 홀로닉 생산시스템 개발 사업(No. EO230006)으로 지원된 사업입니다.

References

• Hwang, M. H., Han, D., and Kim, I. S., 2017, “Estimation of Water Production Cost from Seawater Reverse Osmosis (SWRO) Plant in Korea,” J. Korean Soc. Environ. Eng., Vol.39 No. 4, pp. 169∼179. [https://doi.org/10.4491/KSEE.2017.39.4.169]
• Ma, Q., Aras, A., and Corinne, C., 2018, “Direct integration of a vacuum membrane distillation module within a solar collector for small-scale units adapted to seawater desalination in remote places: Design, modeling & evaluation of a flat-plate equipment,” Journal of Membrane Science., Vol. 564, pp. 617∼633. [https://doi.org/10.1016/j.memsci.2018.07.067]
• Ayoub, J., and R. Alward. 1996, “Water requirements and remote arid areas: the need for small-scale desalination,” Desalination, Vol.107, No.2, pp. 131∼147. [https://doi.org/10.1016/S0011-9164(96)00158-0]
• Yoon, J., Kwon, H. J., Kang, S., and Eric, B., 2022, “Portable seawater desalination system for generating drinkable water in remote locations,” Environmental Science & Technology, Vol.56, No.10 pp. 6733∼6743. [https://doi.org/10.1021/acs.est.1c08466]
• Mengual, J. I., Khayet, M., and Godino, M. P., 2004, “Heat and mass transfer in vacuum membrane distillation,” International Journal of Heat and Mass Transfer Vol. 47, No. 4, pp. 865∼875. [https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2002.09.001]
• Lee, J-G., and Kim, W-S., 2013, “Numerical modeling of the vacuum membrane distillation process,” Desalination, Vol. 331, pp. 46∼55. [https://doi.org/10.1016/j.desal.2013.10.022]
• Ghaffour, N., Soukane, S., Lee, J-G., Kim, Y., and Alpatova, A., 2019, “Membrane distillation hybrids for water production and energy efficiency enhancement: A critical review,” Applied Energy, Vol. 254, 113698. [https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2019.113698]
• Jang, Y., Lee, J-G., Fortunato, L., Lee, J., Lee, Y., An, A. K., Ghaffour, N., Lee, S., and Jeong, S., 2022, “Colloidal silica fouling mechanism in direct-contact membrane distillation,” Desalination, Vol. 527, 115554. [https://doi.org/10.1016/j.desal.2022.115554]
• Anqi, A. E., Usta, M., Krysko, R., Lee, J-G., and Ghaffour, N., 2020, “A OztekinNumerical study of desalination by vacuum membrane distillation–Transient three-dimensional analysis,” Journal of membrnae science, Vol. 596, 117609. [https://doi.org/10.1016/j.memsci.2019.117609]
• Lee, J-G., Bak, Chul-u., Thu, K., Ghaffour, N., Kim, Y. D., 2019 “Effect of seawater-coolant feed arrangement in a waste heat driven multi-stage vacuum membrane distillation system,” Separation and Purification Technology, Vol. 212, pp. 12∼20. [https://doi.org/10.1016/j.seppur.2018.11.012]
• Shin, Y., Koo, J., Han, J., Lee, S., 2013, “The Study of Wetting in Direct Contact Membrane Distillation,” The KSFM Journal of Fluid Machinery, Vol. 17, No. 2, pp. 30∼34. [https://doi.org/10.5293/kfma.2014.17.2.030]