DAILY PAPER REVIEW

1007_SCIENCE_The future of seawater desalination: energy, technology, and the environ...

 

 

1. Title & Journal
The future of seawater desalination: energy, technology, and the environment (REVIEW)

Journal: SCIENCE (2011)
 
2. Background of authors

Menachem Elimelech* and William A. Phillip

3. Summary

   본 리뷰논문에서는 최신 해수담수화 기술들 중, 에너지수요를 저감 할 수 있는 방향에 대해 포괄적인 검토를 진행한다. 전체적인 내용 흐름은 다음과 같이 크게 5가지로 나뉜다. 
?-현시점의 해수담수화 기술의 에너지 효율과 앞으로의 개선가능성 
?-새로운 막 재질을 이용한 에너지 소요량 감소 가능성 
?-에너지 소요량을 저감시킬 혁신적인 기술의 존재 여부 
?-세계 물 부족 문제측면에서 해수담수화가 지속 가능한 기술적 해답이 될 가능성
?-전망 
   먼저, 저자는 해수담수화 기술의 에너지효율 개선의 가능성 부분에서 ‘when △p=△π, thermodynamic limit’이란 개념을 언급하고 있다. 이 limit에서는 동력학적 요소가 프로세스의 에너지 소비에 더 이상 영향을 미치지 않는 다는 개념이다. 이 thermodynamic limit 상황 이후부터는, 높은 물 투과율을 가진 막은 막 면적을 줄임으로써, capital cost를 감소시키지만 에너지 소비 감소 측면에서는 그 영향이 없다고 저자는 언급한다.
   막 재질을 이용한 에너지 소요량 감소 부분에서는 1960년 초기에 개발된 asymmetric cellulose acetate membrane을 시작으로, 추후의 membrane의 발전 과정을 차례로 소개하고 있다. 그 중에 polyamide 같은 thin-film composite membrane이 하나의 예가 되겠다. 하지만 이런 fabrication 기술이 hollow fiber configurations에 까지 성공적으로 확장되지 않은 한계점을 저자는 언급하고 있으며, 과연 현 이 기술들이 앞으로의 에너지 사용과 안전성, 그리고 환경적 영향 측면에서 개선 가능성이 있는지에 대한 의문을 던지고 있다. 이러면서 저자는 thin-film composite membrane의 대안으로 ultrahigh-permeability membrane을 소개하고 있다. 이 막은 incorporating aligned nanotube또는 aquaporin을 기초로 하고 있다. 그 중에서도 현재 시점에서 aligned carbon nanotube membrane이 가장 잠재 가능성이 큰 막이라는 것이 증명되었다고 한다.
   현 시스템과 기술적 측면에서의 개선가능성 부분에 있어서는, 몇 가지 기술들이 소개되고 있는다. 특히 이 기술들 중 주목할 만한 기술은, 고압을 유지하고 있는 brine의 재순환 및 재처리로 membrane recovery를 50%까지 올린다면, 현재 시스템 특성상 손실되고 있는 비가역적 에너지(Irreversible energy loss)의 감소 시킬 수 있는 기술을 꼽을 수 있겠다. 이 기술의 특징은 에너지회수장치 및 많은 수의 membrane module등이 필요하지 않기 때문에 capital cost를 낮출 수 있는 점과 pressure loss의 최소화 시킬 수 있는 장점이 있다.
   그 외에도, 저자는 이 해수담수화 기술이 앞으로 지속 가능한 기술적 해답이 될 수 있는지에 대한 물음에서 1톤의 담수를 생산되는데 발생되는 이산화탄소 및 담수화 처리 후 방류되는 농축수(brine)의 환경적 영향 등을 내용으로 다루고 있다.
   마지막으로 전망부분에서 저자는 비록 현재 시스템의 에너지 소요량이 theoretical minimum energy와 비교했을 때, 시스템 특징상 전처리와 후처리의 필요성으로 약 4배정도 에너지 소요량이 높게 나타나지만, high performance fouling resistant desalination membrane을 개발한다면 theoretical minimum energy와 근접하게도 갈 수 있다고 언급하고 있다. 그러기 위해서는 막 물성치 구조와 chemistry간의 관계를 시뮬레이션 할 수 있는 molecular 스케일의 모델링 연구가 선작업 되어야 된다고 강조하고 있다. 또한 이 molecular 시뮬레이션은 high permeability와 selectivity의 목표아래 어떻게 막의 chemistry와 structure가 바뀌어야 되는지 방향을 결정해 줄 것이라고 언급하고 있다. 

4. Originality & Contribution

이 리뷰 논문은 현 시점의 해수담수화 기술의 정도를 잘 서술하고 있으며, 현재 기술의 부족한 부분이 무엇이고, 에너지 소요 최소화의 목표 하에, 어떠한 방향으로 기술발전이 이뤄져야 하는지 에 대한 방향을 자세히 제시해 주고 있다.

5. Reviewer: 정관호 jkh@gist.ac.kr

첨부 (1)
1007_정관호_변환.pdf
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