정삼투(Forward Osmosis)

왜 배우는가: 정삼투는 압력 없이 삼투압 차이만으로 물을 분리하므로 에너지 절감형 수처리 기술로 주목받는다. 역삼투와 비교하는 문제, 하이브리드 공정 문제로 반복해서 출제되는 개념이다.

출제 이력: 제139회 1교시 5번, 제113회 1교시 9번, 제90회 1교시 6번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄 정의: 정삼투(FO)는 반투막 양쪽의 삼투압 차이를 구동력으로 원수의 물을 유도용액 쪽으로 이동시켜 용질과 분리하는 막분리 공정이다.

핵심 키워드

• 정삼투(FO)
• 삼투압
• 반투막
• 유도용액
• 공급용액
• 역용질 확산
• 농도분극
• 역삼투(RO)

2. 개념 풀이

쉬운 말로 풀면, 물은 농도가 낮은 쪽에서 높은 쪽으로 저절로 넘어간다. 정삼투는 이 자연스러운 흐름을 이용해 원수에서 물만 뽑아내는 기술이다. 원수 쪽에 물질이 적게 녹은 물을 두고 반대편에 훨씬 진한 용액을 두면, 막을 통해 물은 진한 쪽으로 빠져나가고 원수 속 오염물질은 막에 걸려 남는다.

정삼투(Forward Osmosis)의 정식 정의는 다음과 같다. 반투막을 사이에 두고 농도가 낮은 공급용액과 농도가 높은 유도용액을 접촉시키면, 두 용액의 삼투압 차이로 용매인 물이 막을 통과해 유도용액 쪽으로 이동한다. 역삼투가 외부 수압으로 삼투를 거스르는 것과 달리, 정삼투는 수압을 가하지 않고 삼투압 구배만으로 물을 움직인다는 점이 다르다.

정삼투의 구동력은 외부 압력이 아니라 두 용액 사이의 삼투압 구배다.

삼투압(π)은 용액 속 용질이 물을 끌어당기는 압력이다. 묽은 용액으로 근사하면 반트호프 식 π = iMRT 로 구한다. i는 용질이 이온으로 나뉘는 개수(van't Hoff 계수), M은 몰농도(mol/L), R은 기체상수, T는 절대온도(K)다. 용질 농도가 높을수록 π가 커지므로, 유도용액은 원수보다 삼투압이 커야 물이 원수에서 유도용액으로 이동한다.

막을 지나는 물의 양인 물 플럭스(Jw)는 개념적으로 Jw = A(Δπ − ΔP) 로 나타낸다. A는 막의 물 투과계수, Δπ는 막 양측의 삼투압 차, ΔP는 막 양측의 수압차다. 정삼투는 외부 수압을 가하지 않으므로 물 이동은 주로 Δπ에 의해 결정된다.

물질 수지 측면에서 보면, 원수 쪽은 물을 잃어 농축되고 유도용액 쪽은 물을 얻어 희석된다. 따라서 유도용액은 쓸수록 묽어져 삼투압 차가 줄어들며, 후단에서 용질을 분리해 다시 쓰는 회수공정이 함께 필요하다.

이상적인 막 조건에서도 두 가지 현상이 물 플럭스를 낮춘다. 역용질 확산은 유도용액의 용질이 반대로 원수 쪽으로 새는 현상이다. 농도분극은 막 표면 근처에서 용질이 쌓이거나 묽어져 실제 삼투압 차가 설계값보다 작아지는 현상이다.

3. 등장 배경과 필요성

역삼투는 해수담수화와 고도 수처리에서 널리 쓰이지만, 삼투를 거스르기 위해 고압펌프가 필요하므로 에너지 부담이 크다. 이 점 때문에 펌프 압력 없이 자연 삼투를 쓰는 정삼투가 대안으로 연구되기 시작했다. 막이 높은 압력을 견딜 필요가 적어 장치 부담도 줄일 수 있다는 점이 배경이다.

정삼투는 용도에 따라 크게 두 가지로 쓰인다. 첫째는 농축이다. 폐수나 과일주스 같은 식품에서 물을 빼내 원액을 진하게 만드는 데 쓴다. 둘째는 희석이다. 농축된 비료 용액을 유도용액으로 두고 오염된 관개용수를 원수로 쓰면, 물이 비료 용액으로 들어가 비료를 묽은 상태로 얻을 수 있다.