일본 오사카 소재 ㈜니폰쇼쿠바이(NIPPON SHOKUBAI)는 미국 캘리포니아 소재 ㈜트레비 시스템즈(Trevi Systems)와 공동으로 해수담수화 및 수처리의 차세대 시스템인 정삼투법(forward osmosis, 이하 FO)의 핵심 부품으로 유도 용액(draw solution)을 개발했다.

미국 에너지부(US Department of Energy)로부터 400만 달러의 보조금을 받은 트레비 시스템즈는 2022년 6월 하와이 섬에서 공동 개발한 유도 용액을 사용해 해수에서 500㎥/일의 담수를 생산하는 대규모 실증 프로젝트를 시작했으며 지난해 9월 데이터 수집을 완료했다. 

최근 물 부족은 세계적으로 심각한 문제로 대두되고 있으며, 역삼투법(reverseosmosis, 이하 RO)은 농업 및 식수용 해수담수화와 공업용수 처리에 널리 사용되고 있다.

RO 시스템은 RO 멤브레인(역삼투막) 위에서 해수 또는 하수를 가압해 염분(NaCl 등)과 불순물을 제거하는 기술이다. 이 시스템을 사용하면 고품질의 물을 얻을 수 있지만 가압 펌프에서 전력이 많이 소비된다([그림 1] 참조).

FO 시스템은 이 문제를 해결할 수 있는 수단으로 제시됐다. 

FO 시스템은 서로 다른 용질 농도의 액체가 반투막에 의해 분리되고, 물이 저농도의 용액에서 고농도의 용액으로 이동하는 자연적인 과정인 삼투 현상을 이용한다.

해수담수화에서 FO 시스템은 해수와 유도 용액의 용질 농도 차이와 FO 멤브레인(반투과성 멤브레인)의 한쪽 면에 있는 유도 용액의 결과로 발생하는 자연 삼투압을 활용해 낮은 압력과 에너지 조건에서 해수에서 유도 용액으로 담수를 끌어오거나 운반한다.

트레비 시스템즈의 FO 시스템의 핵심 요소는 역행 열분해 용질 유도 용액을 사용하고,  유도 용질을  FO 멤브레인으로 재활용하는 것이다.

트레비시스템즈는 2016년 중동(UAE)의 해수에서 50㎥/일의 담수 생산을 실증하기 위한 파일럿 테스트를 실시했으며, FO 시스템을 사용하면 RO 시스템 대비 전력 소비를 약 1/3로 줄일 수 있음을 확인했다.

그러나 FO 시스템을 본격적으로 활용하기 위해서는 물 생산량의 개선이 필요하며, 이를 실현하기 위해서는 핵심 부품인 유도 용액의 기능 향상이 중요하다. 니폰 쇼쿠바이와 트레비 시스템은 이전 제품에 비해 물 생산량을 30% 개선할 수 있는 유도 용액을 성공적으로 개발했다(그림 2]) 참조]. 이번에 개발된 유도 용액은 하와이 제도의 트레비 시스템즈가 운영하는 실증 파일럿 플랜트(500㎥/일)에서 사용됐다.

프로젝트의 주요 성과는 다음과 같다.

1. 해수에서 담수회수율이 상업용 Ro 시스템 기능을 능가하는 65%를 달성했다. 
2. 전기 에너지 소비는 RO 시스템의 1/3을 달성했다.
3.경쟁력 있는 자본 비용 : 기존 RO 담수화 시스템과 비교해 경쟁력 있는 자본 비용을 입증했다.

트레비 시스템즈는 NELHA 공장의 역량을 더욱 확장하기 위해 최선을 다하고 있으며, 동일한 현장에서 6천㎥/일이상으로 용량을 늘리고 미네랄 회수를 위해 염수 및 염수 농축을 사용 액체 배출 제로 가능성을 보여줄 계획이다.

FO 시스템은 중동과 같이 물 수요가 많은 지역의 해수담수화는 물론 염수 농도를 높여 액체 배출 제로를 달성하기 위해 도입을 검토 중이다. 

니폰 쇼쿠바이는 향후 FO 시스템의 확대를 목포료 유도 용액의 성능과 기능을 향상을 위해 더욱 노력할 예정이다.

[원문보기] 

Nippon Shokubai’s Newly Developed Material Contributed the Successful Demonstration of Groundbreaking Renewable Seawater Desalination Plant in Hawaii

NIPPON SHOKUBAI CO., LTD. (Headquarters: Osaka, Japan, President: Kazuhiro Noda, hereinafter “Nippon Shokubai”) combined forces with Trevi Systems Inc. (Headquarters: California, USA, CEO: John Webley, hereinafter “Trevi Systems” *1) in the development of the draw solution as a key component in the forward osmosis (hereinafter “FO”) system, which is a next generation system for seawater desalination and water treatment.

With $4 million grant from US Department of Energy, Trevi Systems commenced a large scale project  to demonstrate the production of fresh water at a volume of 500 m3 per day from seawater using the jointly developed draw solution on the islands of Hawaii in June, 2022 (Photo 1, *2) and completed the data collection in September, 2023.

In recent years, water shortage has become a serious problem in the world, and reverse osmosis (hereinafter “RO”) is widely used in the seawater desalination for agricultural and drinking water use and for treatment of industrial water.

The RO system is a technology that involves the pressurization of seawater or wastewater over an RO membrane to remove salts (such as NaCl) and impurities. While this system enables the acquisition of high quality water, the large amount of electric power consumed by the pressurizing pump is considered an issue (Figure 1).

Meanwhile, the FO system is focused on as a means that will resolve this issue. The FO system utilizes the osmosis, which is a natural process and occurs when liquids of differing solute concentrations are separated by a semi-permeable membrane and water moves by the process of osmosis from the solution of lower concentration to that of higher concentration.

In the seawater desalination, the FO system utilizes the difference in solute concentration in seawater and draw solution, and the natural osmotic pressure as a result of the draw solution on one side of a FO membrane (a semi-permeable membrane) to pull / transport fresh water from seawater into the draw solution with everything taking place under low pressure and energy conditions (Figure 1). Nippon Shokubai and Trevi Systems developed the draw solution to be separated from the recovered water using low grade thermal heat (Photo 2).

Trevi Systems is a company in the United States which was founded in 2010. Key elements of Trevi Systems’ FO system are the use of retrograde thermolytic solute draw solution and recycling of the draw solute back to the FO membrane (Figure 2).

Trevi Systems conducted a pilot test to demonstrate the production of fresh water at a volume of 50 m3 per day from seawater in Middle East (the UAE) in 2016, which confirmed that the use of the FO system was able to reduce electric power consumption to about 1/3 compared to that of the RO system.

However, the improvement in the amount of water production is necessary for the widespread utilization of the FO system at full scale, and the improvement in the function of the draw solution as the key component is crucial for realizing this.

Nippon Shokubai and Trevi Systems have successfully developed a draw solution with the capability of improving water production by 30% compared with the previous product. This developed draw solution was used in the demonstration pilot plant (500m3/day) operated by Trevi Systems on the islands of Hawaii (*2) .

Key achievements of the project include:

1. The fresh water recovery ratio from sea water exceeded 65% surpassing commercial RO systems’ capabilities.
2. Electrical energy consumption is 1/3 compared with RO systems.
3.Competitive Capital Costs : Demonstrated capital costs competitive with existing RO desalination systems.

Trevi Systems is committed to further expanding the NELHA plant’s capabilities, with plans to increase capacity to over 6,000m3/day at the same site, and showcasing the potential for zero liquid discharge (*3) by the use of brine and brine concentration for mineral recovery.

The FO system is under consideration to be introduced for seawater desalination in areas with high demand for water, such as the Middle East, as well as for brine concentration to achieve zero liquid discharge. Nippon Shokubai will make further efforts to improve the performance and functions of the draw solution with a view toward future expansion of the FO system.

[출처 = 니폰쇼쿠바이(Nippon Shokubai)(https://www.shokubai.co.jp/en/news/2024021513628/) / 2024년 2월 15일]

[번역 = 박원희 기자]