역삼투(RO) 설비

왜 배우는가: 역삼투(RO) 설비는 해수담수화와 고도정수처리에서 핵심 막여과 공정이라 실무 설계·운영 판단에 직접 쓰인다. 삼투 원리와 필요 압력을 정확히 설명하는 문제가 1교시 용어형으로 반복해서 출제된다.

출제 이력: 제130회 1교시 3번, 제92회 1교시 1번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

역삼투(RO)는 삼투압보다 큰 압력을 가해 용액 쪽의 용매만 반투막을 통과시켜 용질을 분리하는 막분리 공정이다.

• 역삼투(Reverse Osmosis, RO)
• 삼투압(Osmotic Pressure)
• 반투막(Semi-permeable Membrane)
• 구동압력(Driving Pressure)
• 농도분극(Concentration Polarization)
• 막 스케일링(Membrane Scaling)
• 회수율(Recovery)
• 염제거율(Salt Rejection)

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 물을 짜듯이 바닷물에 큰 압력을 걸어 물만 막 너머로 빼내고 소금은 남기는 방법이다. 삼투는 원래 물이 농도가 낮은 쪽에서 높은 쪽으로 저절로 이동하는 현상이다. 역삼투는 이 자연스러운 흐름을 거꾸로 돌리기 위해 외부에서 압력을 가하는 것이다.

정식 정의는 다음과 같다. 역삼투는 용액에 삼투압보다 큰 압력을 가하여, 용질은 막에서 걸러지고 순수한 용매(물)만 반투막을 통과하게 하는 분리 공정이다. 반투막은 물 분자는 통과시키고 이온과 용질 입자는 통과시키지 않는 막이다.

삼투압은 용질 농도 차이로 생기는 압력이며, 해수의 삼투압은 약 27기압(atm) 수준이다. 따라서 해수 역삼투에는 이보다 훨씬 큰 압력이 필요하다. 역삼투 막의 분리는 밀집된 고분자 장벽층(활성층)에서 일어난다. 물은 이 층을 용해·확산으로 통과하고, 이온은 막의 전하와 크기 차이로 거부된다.

염제거율은 막이 용질을 얼마나 걸러내는지 나타내는 지표이며, 역삼투는 용존고형물(TDS)을 대부분 제거한다.

3. 등장 배경과 필요성

담수 확보가 어려운 지역에서 해수와 기수를 식수로 바꿀 방법이 필요해졌다. 증발법은 에너지 소비가 크고, 이온교환은 다량의 이온 제거에 한계가 있다. 역삼투는 상온에서 상변화 없이 용질을 분리할 수 있어 에너지 효율이 높은 방법으로 자리 잡았다.

상수도에서도 탁도·미생물·유기물과 미량 오염물질을 동시에 줄이기 위해 막여과가 도입됐다. 역삼투는 정밀여과(MF)·한외여과(UF)보다 작은 분자까지 걸러내므로 고도정수처리와 재이용수 처리에 필요하다. 다만 자연 삼투의 반대 방향으로 물을 밀어내므로 구동압력 비용이 항상 따라붙는다. 이 점이 역삼투를 다른 막여과와 구분하는 핵심 특징이다.

역삼투 설비의 운전 압력은 원수 종류에 따라 다르다. 담수와 염분이 적은 물은 8~14 bar 수준이고, 해수는 40~70 bar 수준이 필요하다. 해수의 자연 삼투압이 약 24 bar(350 psi)이기 때문이다.

4. 구성요소·원리·절차

RO 설비는 원수를 고압으로 가압해 반투막을 통과시키는 장치다. 용매(물)는 통과하고 용질(염분·이온·유기물)은 농축수 쪽에 남는다. 삼투압보다 큰 압력을 가해야 하므로 역삼투압(Reverse Osmosis Pressure)이 설계의 출발점이다.

역삼투는 자연 현상이 아니다. 고농도 용질 쪽으로 물을 밀어 넣으려면 외부 압력이 필요하다. 해수는 자연 삼투압이 약 24bar 수준이어서 설계 운전압이 크게 높아진다.

구성요소

고압 펌프 앞단에서 원수는 전처리를 거친다. 잔류염소는 막 소재를 손상시키므로 활성탄으로 제거한다. 스케일 방지제는 칼슘·마그네슘 염이 용해도를 넘어 막에 침전되는 것을 막는다.

원리

막 표면에서 물 분자는 고분자 치밀층(활성층)을 확산으로 통과한다. 이온은 막의 전하와 크기 배제에 의해 걸러진다. 투과 유량은 순 구동압력에 비례한다.

$J_w = A\,(\Delta P - \Delta \pi)$

여기서 J_w는 투과 유속({\rm m^3/m^2 \cdot s}), A는 막의 물 투과계수({\rm m/(Pa \cdot s)}), \Delta P는 막 양측 압력차(Pa), \Delta \pi는 막 양측 삼투압차(Pa)다. 농축 쪽 삼투압이 올라가면 유효 구동압력이 줄어든다. 그래서 회수율을 높이면 필요한 운전압이 함께 올라간다.

절차

• 원수 저장 탱크에서 원수를 받는다.
• 압력 모래 여과기로 현탁물과 탁도를 낮춘다.
• 활성탄 여과기로 잔류염소와 유기물을 제거한다.
• 스케일 방지제를 주입한다.
• 고압 펌프로 막 모듈 입구 압력을 올린다.
• 막 모듈에서 투과수와 농축수로 분리한다.
• 농축수 밸브로 회수율을 조절하고, 주기적으로 세정한다.

막 오염과 운전 관리

막 오염의 주된 원인은 농도분극과 스케일이다. 스케일은 난용성 염이 막 표면에 치밀하게 쌓이는 현상이다. 에너지 비용과 투과수 생산량 저하를 함께 일으킨다.

막의 세정은 물리적 세정(플러싱)과 화학적 세정(CIP)으로 나뉜다. 플러싱은 저압·고유량으로 막면을 씻는다. CIP는 오염 물질에 맞는 약품으로 화학적으로 제거한다.

5. 관련 법령·기준·표준

RO 설비의 설계 기준은 법령 조문보다 설계 관행과 제조사 규격에 의존하는 부분이 크다. 상하수도 분야에서 막여과 설비는 '수도용 막여과' 기준과 설계 지침을 따른다. 수치는 아래 표의 범위로 이해한다.

표의 값은 원수 조건과 막 종류에 따라 달라진다. 설계 때는 제조사 설계 지침과 원수 분석 결과를 함께 쓴다. 위 기준은 학습 목적의 대표값이다.

확인되지 않은 시행일과 조문 번호는 적지 않는다.

6. 유형과 비교

역삼투 설비는 막의 구조, 압력 방식, 배열 방식에 따라 나뉜다. 정수처리와 해수담수화에서 쓰는 막의 종류와 운전 조건이 다르므로 비교표로 정리해 둔다.