미국 테네시주 내슈빌에 있는 사립 종합대학교인 밴더빌트대학교(Vanderbilt University) 연구원들은 과염수 산업폐수에서 염분을 훨씬 더 에너지 효율적이고 비용 효율적으로 제거하고자 하는 최첨단 방법을 개발했다.

역삼투압을 통한 담수화는 갤런(3.78L)당 1페니(1센트 동전) 미만으로 바닷물에서 염분을 제거할 수 있는 엄청난 발전을 이루었지만 광업, 석유 및 가스, 발전과 같은 산업폐수와 내륙 기수에서 염분을 제거하는 데는 여전히 부족하다. 

산업용 염수는 현재 깊은 지질학적 구조에 주입되거나 증발 연못으로 옮겨지며 두 처리 방법 모두 더 많은 규제 및 환경 문제에 직면해 있다.

공학적 처리 시스템을 사용하여 염수를 제거하거나 염수 양을 최소화하는 제로 액체 배출 및 최소 액체 배출은 일부 국가에서 특정 산업 분야에서 이미 요구되고 있으며, 곧 더 널리 채택될 것으로 예상된다.

현재의 무방류(ZLD ; zero liquid discharge) / 최소방류(MLD ; minimum liquid discharge) 처리에는 일반적으로 기계적 증기 압축이라는 기술이 포함되며, 이 기술은 전기에서 열을 발생시켜 소금물이 모두 남을 때까지 소금물을 증발시킨다. 물리적 방식만으로 폐수를 처리하는 MVC공법은 높은 자본 및 운영비용으로 인해 이러한 프로세스는 많은 사용자에게 적합하지 않다.

밴더빌트대학교 토목 및 환경공학 부교수인 스홍린(Shihong Lin)과 콜로라도 주립대학의 연구원을 포함한 그의 연구팀은 이 딜레마에 대한 답이 있다고 믿는다.

 『네이처 워터(Nature Water)』 저널 2023년 6월호 표지 및 내지에 실린 이 논문에서 스홍린과 그의 동료들은 에너지 소비와 염수 결정화 비용을 줄일 수 있는 잠재력을 가진 전기투석 결정화라는 새로운 염수처리 기술을 설명한다.

연구진에 따르면 EDC(electrodialytic crystallization ; 전기투석 결정) 공법의 기본 원리는 담수화 및 염수 농축을 위해 다양한 산업에서 사용되어온 공정인 전기투석과 같다.

EDC(전기투석 결정) 개념도

전기투석(ED ; electrodialysis)에서는 이온 교환막을 통해 이온을 끌어당기기 위해 전기장이 적용된다. 다양한 유형의 IEM을 특정 방식으로 배치함으로써 ED는 탈이온수 스트림과 농축 염수 스트림을 생성할 수 있다.

연구원들은 EDC(전기투석 결정)가 통합 시스템 내에서 염수를 유지하고 비용이 많이 드는 증발방법을 사용하지 않고 소금 결정화를 유도하기 위해 전기장을 사용한다고 말한다.

이 논문에 따르면 “증발 제거는 잠재적으로 에너지 효율적인 소금물 결정화 공정을 개발하는 데 핵심이다”라고 서술하고 있다.

한 가지 주요 기술 과제는 특정 이온이 IEM을 통해 이동할 때 너무 많은 물을 끌어당겨 염수 흐름을 농축하는 공정의 효율성을 감소시킨다는 것이다.

전기 삼투라고 하는 이 현상은 일부 염분이 효과적으로 결정화되는 것을 방지한다. 연구원들은 “더 나은 멤브레인 디자인과 최적화된 작동이 잠재적으로 이 문제를 해결하고 EDC를 보다 보편적으로 적용할 수 있게 할 수 있다”고 말했다.

그럼에도 불구하고 EDC가 처리할 수 있는 염에 대해 팀은 예비 분석을 수행했으며 역삼투와 결합된 EDC가 염수 결정화를 위해 잠재적으로 MVC보다 훨씬 적은 에너지를 소비할 수 있음을 보여주었다.

황산나트륨(Na2SO4) 결정화 실험을 통한 EDC(전기투석 결정) 개념 증명

이 연구는 담수화 비용과 에너지를 근본적으로 낮추는 데 필요한 중요한 기술적 장벽과 연구를 조사하기 위해 세계적 수준의 산업 및 학계 파트너를 모으는 공공-민간 파트너십인 물 혁신의 국가 연합(National Alliance of Water Innovation)에서 자금을 지원했다.

NAWI는 미국 에너지기술연구소(National Energy Technology Laboratory), 국립재생에너지 연구소(National Renewable Energy Laboratory) 및 오크리지 국립연구소(Oak Ridge National Laboratory)와 협력하여 DOE의 로렌스 버클리 국립연구소(Lawrence Berkeley National Laboratory)가 주도하고 있으며, 에너지 효율 및 재생 에너지의 산업 효율 및 탈탄소화 사무소의 자금 지원을 받고 있다.

올해 초, 화학 및 생물분자 공학과 부교수이기도 한 스홍린(Shihong Lin)은 물 분리 및 자원 지속가능성 분야에 기여한 공로를 인정받아 미국 토목학회(American Society of Civil Engineers )로부터 ‘월터 L. 후버(Walter L. Huber) 토목공학 연구상’을 수상했다.

[원문보기]

New study in ‘Nature Water’ demonstrates a vastly more sustainable, cost-effective method to desalinate industrial wastewater

Vanderbilt researchers are part of a team that has developed a cutting-edge method that seeks to make the removal of salt from hypersaline industrial wastewater far more energy-efficient and cost-effective.

While desalination through reverse osmosis has made tremendous strides -- allowing for salt removal from seawater for less than a penny per gallon -- it still falls short in eliminating saline in wastewater from industries like mining, oil and gas and power generation and in inland brackish water. 

The industrial brines are currently injected into deep geological formations or transferred to a evaporation ponds, and both disposal methods are facing more regulatory and environmental challenges.

Zero liquid discharge and minimal liquid discharge, which use engineered treatment systems to eliminate brines or minimize brine volume, are already required in some countries for certain industries, and they are expected to become more widely adopted soon. 

Current ZLD/MLD treatments typically involve a technology called mechanical vapor compression, which generates heat from electricity to evaporate brines until the salt is all that remains. Because of the high capital and operating costs of MVC, these processes are unaffordable to many users.

Associate professor of civil and environmental engineering and 2023 Chancellor Faculty Fellow Shihong Lin and his team, including researchers from Colorado State University, believe they have an answer to this dilemma.

In a paper featured on the cover of the June 2023 issue of the journal Nature Water, Lin and his colleagues describe a novel brine treatment technology called electrodialytic crystallization that has the potential to reduce the energy consumption and cost of brine crystallization. 

The fundamental principle of EDC, according to the researchers, is like electrodialysis, a process that has been used in various industries for desalination and brine concentration.

In ED, an electric field is applied to pull ions through ion exchange membranes. By placing different types of IEMs in a certain way, ED can produce streams of deionized water and streams of concentrated brine. 

With some configuration changes to that process, the researchers say EDC keeps the brine within the integrated system and uses an electric field to induce salt crystallization without using costly evaporation methods.

“The elimination of evaporation is the key to developing potentially energy efficient brine crystallization processes,” according to the paper.

One major technical challenge is that when certain ions transport through the IEMs, they drag too much water across and reduce the effectiveness of the process in concentrating the brine stream. 

This phenomenon, called electro-osmosis, prevents some salts from being crystallized out effectively. The researchers said that better membrane design and optimized operation can potentially address this challenge and make EDC more universally applicable.

Nevertheless, for the salts that EDC can handle, the team performed a preliminary analysis and showed that EDC coupled with reverse osmosis can potentially consume much less energy than MVC for brine crystallization.

The study is funded by the National Alliance of Water Innovation, a public-private partnership that brings together world-class industry and academic partners to examine the critical technical barriers and research needed to radically lower the cost and energy of desalination. 

NAWI is led by DOE’s Lawrence Berkeley National Laboratory in collaboration with National Energy Technology Laboratory, National Renewable Energy Laboratory and - Oak Ridge National Laboratory, and it is funded by the Office of - Energy Efficiency and Renewable Energy’s Industrial Efficiency and Decarbonization Office.

Earlier this year, Lin, who is also associate professor of chemical and biomolecular engineering, was awarded a Walter L. Huber Civil Engineering Research Prize by the American Society of Civil Engineers for his contributions to the field of water separation and resource sustainability.

[출처= 밴더빌트대학교(Vanderbilt University)(New study in ‘Nature Water’ demonstrates a vastly more sustainable, cost-effective method to desalinate industrial wastewater | FutureVU: Sustainability | Vanderbilt University) / 2023년 6월 21일]