개요

Osmosis Assisted Reverse Osmosis(OARO)는 고염도 브라인(brine) 처리 및 담수화를 위한 유망한 막 공정 기술입니다.

고염도 조건에서도 높은 회수율과 우수한 에너지 효율을 제공하며, 최대 150,000 mg/L 염도의 브라인을 대상으로 한 적용 사례도 보고된 바 있습니다[1].

OARO 메커니즘

OARO는 정삼투(Forward Osmosis, FO)와 역삼투(Reverse Osmosis, RO)의 작동 원리를 결합한 공정입니다.

기존 RO 공정과 달리, 투과수(permeate) 측으로 염용액을 순환시켜 막 양단의 삼투압 차이를 감소시키는 구조를 갖고 있습니다. 이를 통해 상대적으로 낮은 운전 압력에서도 공정이 가능하며, 막의 파열 압력을 초과하지 않고 고농도 브라인 처리가 가능합니다[2].

다만, 사용된 드로 솔루션(draw solution)은 목표 염도 수준에 도달하기 위해 추가적인 처리가 필요합니다.

OARO 프로세스 흐름

OARO 공정은 여러 단계를 연속적으로 구성하여 공급수(feed)의 염도를 점진적으로 낮춘 후, 최종 단계에서 기존 RO 공정을 적용하는 방식으로 설계할 수 있습니다.

첫 번째 단계에서는 브라인이 공급수로 사용되며, 상대적으로 저염도의 투과수 스트림이 막 표면을 세정(sweep)합니다.

이후 단계에서는 이전 단계에서 생성된 투과수가 다음 단계의 공급수로 사용되어 염도가 더욱 감소합니다.

만약 희석된 투과수의 염도가 목표 수질 기준보다 높을 경우, 추가적인 폐쇄형 단계(closed stage)를 적용하여 추가 희석이 가능합니다.

필요한 공정 단계 수는 초기 염도와 최종 요구 수질에 따라 결정되며[3], 마지막 단계에서는 기존 RO 공정을 통해 최종 목표 염도까지 저감합니다.

연구 및 개발 기회

현재 OARO 공정과 전용 막은 활발한 연구·개발 단계에 있습니다.

이상적인 OARO 막은 용질 투과도는 낮고, 수투과도는 높은 특성을 가져야 합니다[4].

전용 막 개발과 더불어, 고염도 브라인 사용 시 막 오염 및 스케일링(scaling) 특성 평가, 공정의 경제성 분석 또한 주요 연구 과제로 다뤄지고 있습니다.

당사는 OARO 연구의 출발점으로 활용 가능한 다양한 FO 및 RO 막 제품군을 보유하고 있으며, 연구 및 개발 과정에서 유용한 기술적 자원이 될 수 있습니다.

OARO 멤브레인셀 설계

OARO용 막 셀 설계 역시 현재 개발이 진행 중이며, 특히 투과수 측(permeate side)에서의 막 지지 구조가 핵심 이슈로 꼽힙니다.

셀은 운전 압력에 대한 충분한 기계적 지지력을 제공하는 동시에, 드로 솔루션이 원활하게 흐를 수 있는 구조를 동시에 충족해야 합니다.

References:

[1] G. P. Thiel, E. W. Tow, L. D. Banchik, H. W. Chung, and J. H. Lienhard, “Energy consumption in desalinating produced water from shale oil and gas extraction,” Desalination, vol. 366, pp. 94–112, Jun. 2015, doi: 10.1016/j.desal.2014.12.038.

[2] T. V. Bartholomew, L. Mey, J. T. Arena, N. S. Siefert, and M. S. Mauter, “Osmotically assisted reverse osmosis for high salinity brine treatment,” Desalination, vol. 421, pp. 3–11, Nov. 2017, doi: 10.1016/j.desal.2017.04.012.

[3] B. H. M. Beigi, S. Gadkari, and J. Sadhukhan, “Osmotically assisted reverse osmosis, simulated to achieve high solute concentrations, at low energy consumption,” Scientific Reports, vol. 12, no. 1, Aug. 2022, doi: 10.1038/s41598-022-16974-x.

[4] C. D. Peters and N. P. Hankins, “Osmotically assisted reverse osmosis (OARO): Five approaches to dewatering saline brines using pressure-driven membrane processes,” Desalination, vol. 458, pp. 1–13, May 2019, doi: 10.1016/j.desal.2019.01.025.