정삼투(Forward Osmosis)

정의

정삼투는 반투막 양쪽의 삼투압 차이를 구동력으로 물을 분리하는 막분리 공정이다.

외부 압력 없이 농도가 낮은 원수의 물을 유도용액 쪽으로 끌어들인다.

이 장에서는 원리, 계산, 역삼투와의 차이, 한계를 차례로 본다.

구동력과 원리

정삼투의 물은 농도가 낮은 쪽에서 높은 쪽으로 저절로 넘어간다.

공급용액에서 반투막을 지나 고농도 유도용액 쪽으로 물이 이동한다.

이때 구동력은 두 용액의 삼투압 차 Δπ이며 외부 수압은 거의 가하지 않는다.

이 차이가 클수록 물이 더 빠르게 이동한다.

물 플럭스 계산

물 플럭스 Jw는 A(Δπ − ΔP)로 개념적으로 나타낸다.

정삼투는 외부 수압을 가하지 않으므로 ΔP가 0이고, 물 이동은 Δπ가 결정한다.

가상의 예로 Δπ 2.0MPa, A 1.0을 넣으면 Jw는 2.0 L/(m²·h)가 된다.

같은 조건에서 ΔP 1.0MPa을 가하면 Jw는 1.0으로 줄어든다. 수압이 삼투압을 상쇄하기 때문이다.

역삼투와 비교

역삼투는 외부 수압으로 삼투압을 거슬러 물을 분리하므로 동력 소요가 크다.

정삼투는 수압 없이 삼투압 구배만 쓰므로 고압펌프가 필요 없다.

다만 유도용질을 재생하고 회수하는 데 추가 에너지가 든다.

이 재생 비용이 정삼투 경제성을 좌우하는 경우가 많다.

한계와 대응

정삼투의 첫째 한계는 역용질 확산이다. 유도용질이 막을 거쳐 원수 쪽으로 샌다.

둘째는 농도분극이다. 막 표면에서 농도가 치우쳐 실제 투과량이 이론값보다 줄어든다.

셋째는 막오염, 넷째는 유도용액 재생 비용이다.

대응으로 유도용질을 고르고, 막 구조를 개선하며, 막오염을 관리하도록 설계한다.

하이브리드 공정과 정리

정삼투는 역삼투와 결합한 하이브리드 공정으로 많이 검토된다.

원수는 정삼투로 물을 유도용액에 넘기고, 희석된 유도용액은 역삼투로 처리한다.

이때 정삼투가 전처리 역할을 하여 역삼투막의 오염을 줄이고 막 수명을 늘린다.

시험에서는 구동력 차이, 유도용액의 희석과 회수, 한계와 대응을 함께 써야 완결된 답이 된다.