1. Title & Journal
? Title
Pressure retarded osmosis: From the vision of Sidney Loeb to the first experimental installation ? Review (Desalination)

? Corresponding authors
? Amy E. Childress
? 소속
Department of Civil and Environmental Engineering, University of Nevada Reno, Reno
? 연구분야
Forward Osmosis for Concentration of Anaerobic Digester Centrate
Removal of Natural Steroid Hormones from Wastewater Using Membrane Contactor Processes
Osmotic MBR and Pressure-Retarded Osmotic MBR for Wastewater Treatment

2. Summary
본 논문은 PRO에 관한 리뷰 논문입니다. 

기본적으로 PRO는 낮은 염도의 물이 멤브레인을 통해 가압 상태의 높은 염도를 가진 쪽으로 이동할 때 hydroturbine을 통과하는 permeate가 depressurizing 되면서 power을 얻을 수 있는 공정입니다. 재생 가능한 에너지에 대한 관심 증가와 멤브레인 개발로 인해 최근 10년 사이에 다시 주목을 받고 있습니다.

PRO system은 아래와 같이 (a) Open-loop 와 (b) Closed-loop로 분류됩니다. (a)는 해수와 담수가 만나는 지역에 PRO를 적용하는 것으로 많은 연구가 진행되고 있습니다. (b)는 low-grade heat를 mechanical work로 변환하는 형태로 low-grade heat가 존재할 경우 지속 가능한 에너지원이 될 수 있습니다.


초기 PRO 연구 단계에서는 RO 멤브레인이 사용되었는데 power output이 상당히 낮았으며 후에 pressure exchanger가 개발되면서 실제적인 PRO 디자인이 가능하게 됩니다. 또한 FO 멤브레인이 개발되면서 좀 더 현실적인 PRO 실험을 진행할 수 있게 되었습니다.

? 초기 연구
1970년 오일쇼크와 1990년대 교토의정서와 함께 재생에너지에 대한 관심이 증대되면서 PRO 관련 논문이 많이 발표되었고(왼쪽 그림), 1974년에는 아래 오른쪽 그림과 같은 diagram이 최초로 제안되었습니다.

1976년에는 Loeb이 최초로 PRO의 성능을 검증하는 실험을 하였고 ICP 현상으로 인해 power output이 이론적인 삼투압 차이보다 낮다는 결과를 얻었습니다(해수보다 높은 농도를 가진 draw solution을 이용하여 1.56~3.27 W/m2 의 power output을 얻음).

? 1980년대
아래와 같이 flux prediction model이 정립되었습니다.



W는 power density로써 power per unit membrane을 의미합니다.

또한 CP와 관련된 연구에서는 ECP보다 ICP가 훨씬 더 심각함을 고려하여 아래와 같이 개선된 모델이 나오게 됩니다.

해당 모델을 적용한 여러 실험을 통해 PRO를 이용한 발전이 경제적으로 가능하려면 멤브레인 개발이 필수적이라는 결론을 내리게 됩니다. 

? 1990/2000년대 
발표된 논문들에 의하면 전력 생산단가는 system configuration에 따라 0.007 $/kWh(Loeb), 0.15 $/kWh(Loeb)와 같이 달라집니다. 2009년에는 노르웨이의 Statkraft 사에서 아래 그림과 같이 pressure exchanger를 적용하여 파일럿 플랜트를 건설하였습니다. Statkraft 사에서 발표한 내용에 따르면 노르웨이 energy market에서 PRO가 수익성을 갖기 위해서는 적어도 power density가 4~6W/m2 정도가 되어야 한다고 합니다. 


? Summary
아래 그림에서 파란색은 sea water를 draw solution으로 하여 얻을 수 있는 최대 power density을 가리키며 오렌지 색은 draw solution이 sea water보다 높은 농도를 가진 경우(hypersaline)로 Dead Sea나 Great Salt Lake을 대상으로 실험한 결과입니다. 아래 그림에서 알 수 있듯이 1970년대에 비해 3배 이상 power density가 증가했음을 알 수 있습니다. 멤브레인 및 멤브레인 모듈 개발에 기인한 것으로 보입니다. 


PRO 모듈은 RO에서와 같이 feed side 만의 feed circulation을 고려하는 것이 아니라, 멤브레인 양 쪽 모두에서 fluid circulation이 최대가 될 수 있도록 디자인되어야 합니다. 해서 hollow fiber 와 같이 lumen side 내에서 cross-flow velocity을 크게 할 수 없는 경우에는 효율이 낮은 결과를 보여주게 됩니다. Statkraft 사에서는 modified spiral wound을 적용하였습니다. Full-scale 모듈에서는 water & slat transport에 대해 다면적으로 평가하고 검증해야 될 필요가 있습니다.
또한 PRO의 경제성을 평가하기 위해 아래와 같이 facility revenue 개념을 도입할 수 있습니다. 
PRO의 power density를 5W/m2, energy price를 0.1$/kWh라고 가정하고 membrane 수명을 5년으로 잡더라도 revenue가 22$/m2밖에 되지 않으므로 가격 면에 있어서 경쟁력이 없다고 볼 수 있습니다. 따라서 멤브레인 개발 등의 추가적인 연구가 필요해 보입니다. 
현재까지 이론적/실험적인 측면에서 연구가 부족한 것이 사실이기는 하나 최근 주요 언론들에서 PRO를 실현 가능한 재생 에너지로 지목함으로써 향후 연구에 기대가 실리고 있다고 합니다. 

3. Originality & Creativity
최근에 다시 주목을 받고 있는 PRO에 대한 첫 리뷰 논문인 것으로 보입니다.

4. Further applications
FO 공정과 더불어 재생 에너지라는 측면에서 주목을 받고 있는 PRO에 대해서도 꾸준한 리뷰가 필요할 것으로 보입니다. 

5. Reviewer contact: 이지정(leejj@gist.ac.kr)