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정남조(Namjo Jeong),김한기(Hanki Kim),황교식(Kyosik Hwang),정윤철(Youncheol Jeong),최지연(Jiyeon Choi),남주연(Jooyeon Nam),한지형(Jihyung Han),좌은진(Eunjin Jwa) 한국해양환경·에너지학회 2021 한국해양환경·에너지학회 학술대회논문집 Vol.2021 No.5
두 용액의 염분 차이를 이용하여 에너지를 생산하는 염분차발전 (SGP, salinity gradient power) 기술은, 염수로 바닷물을, 담수로 강물을 이용할 경우, 이론적 글로벌 잠재량이 약 2.4TW에 달하는 것으로 보고되고 있다. 역전기투석 (reverse electrodialysis)은 이온을 선택적으로 이동시킬 수 있는 이온교환분리막을 이용하여 염수와 담수 사이의 염분 차이에 의한 이온의 분리‧이동에 의해 발생된 화학적 포텐셜을 이용하여 전기를 생산하는 방식으로, 염분차발전 기술 중 가장 상용화가 근접한 것으로 평가되고 있다. 최근 역전기투석 기술의 개발은 스택의 대용량화와 모듈화를 통한 kW급 파일롯 실증에 초점이 맞춰져 있다. 특히, 실제 공급수 조건에서의 운전노하우 확보를 통해 미진한 분리막 기술의 향상 및 대용량 발전 플랜트에 대한 엔지니어링 설계 데이터 확보에 주력하고 있다. 대표적인 선도 연구기관으로는 네덜란드의 레드스택(REDstack)사와 대한민국 한국에너지기술연구원이 있으며, 이들 연구기관들은 2020년대 중반 이후부터는 MW급 대용량 상용 플랜트에 대한 기술개발을 본격화할 것을 계획하고 있다. The salinity gradient power (SGP) technology, which generates energy by using the concentration difference in salinity between salt water and fresh water, have been reported to have a theoretical global potential of about 2.4 TW in the condition using seawater as salt water and river water as fresh water. Reverse electrodialysis (RED), a method of generating electricity by using the membrane potential derived on ion exchange membranes due to the salinity difference between the two solutions, is evaluated as the most promising method for the commercialization of the SGP technologies. Recent developments of RED is focused on the demonstration of a kW-class pilot through a large-capacity and modularization of the stack, particularly on improving membrane technology and securing engineering design data for the realization of large-capacity power plants. REDstack and Korea Institute of Energy Research, representative leading research groups, are planning to develop a MW-class commercial plants after the mid-2020s.
정남조(Namjo Jeong),김한기(Hanki Kim),황교식(Kyosik Hwang),정윤철(Yucheol Jeong),최지연(Jiyeon Choi),남주연(Jooyeon Nam),한지형(Jihyung Han),좌은진(Eunjin Jwa) 한국신재생에너지학회 2021 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2021 No.7
조력 및 조류발전, 파력, 온도차발전, 염도차발전 등 다양한 해양재생에너지 기술이 최근 많은 기술적 진보를 이루고 있다. 특히, 전 세계적인 ‘탄소-넷-제로’ 계획에 따라, 잠재력이 매우 큰 해양재생에너지 기술들에 대한 관심은 향후에도 지속적으로 증가될 것으로 예상된다. 특히, 염도 차이를 이용하여 에너지를 생산하는 염도차 발전 기술은 이용률이 거의 100%에 달하고, 전력생산의 부하 변동성이 거의 없어 발전량이 예측 가능하기 때문에 계통 및 에너지저장 기술과의 연계에 있어 매우 유연성이 큰 장점을 갖는 블루에너지 기술이다. 바다를 이용할 경우 잠재량이 약 2.4TW로 매우 크고, 재생에너지 중에서도 이산화탄소 배출량이 가장 적은 특징이 있다. 이러한 염분차발전 기술은 현재까지 5가지 정도가 제시되고 있지만, 이 중 가장 상용화에 근접한 기술로 역전기투석 및 압력지연삼투 방식이 있다. 현재 이들 염도차 발전 기술 개발은 발전기의 대용량화와 모듈화를 통한 파일럿 실증에 초점이 맞춰져 있다. 실제 바닷물과 민물의 공급수 조건에서 장기 안정성을 확보하고, 운전 트랙 레코드를 보유하는 것이 기술 선점의 매우 중요한 기술적 이슈로 판단되고 있으며, 특히 핵심소재에 대한 기술적·성능적 향상과 대용량화에 대한 엔지니어링 기술의 진보가 무엇보다도 요구되고 있다. 대표적인 선도 연구기관으로는 네덜란드의 레드스택사, 일본의 애마구치 대학, 싱가포르의 국립싱가포르대학, 대한민국 한국에너지기술연구원과 GS건설 등이 있다. 염도차발전 기술은 2025년 이후 상용 MW급 플랜트의 기술 개발이 가능할 것으로 전망되고 있어, 현 시점에서 많은 연구그룹 간에 기술교류와 국가의 지속적인 지원이 필요하다고 하겠다.
유도용액으로 혼합비료를 사용한 정삼투식 해수담수화에서 담수화 성능에 대한 유도용액 농도의 영향
정남조,김승건,김동국,이호원,Jeong, Namjo,Kim, Seung-Geon,Kim, Dong Kook,Lee, Ho-Won 한국막학회 2013 멤브레인 Vol.23 No.5
혼합 비료를 유도용액으로 하는 정삼투식 해수담수화에서 담수화 성능에 대한 유도용액 농도의 영향을 조사하였다. 혼합비료용액(DS)의 농도가 증가함에 따라 수투과선속은 거의 선형적으로 증가하였으나, PR (performance ratio)은 감소하였다. 또한 혼합비료용액의 농도가 600 g/L일 때, 해수 및 탈이온수를 각각 공급용액으로 하였을 경우 각각의 PR은 5.39 및 6.50이었다. 혼합비료용액의 농도가 증가함에 따라 N, P 및 K의 역용질선속은 거의 선형적으로 증가하였으나, 비역용질선속은 감소하였다. 역용질선속과 비역용질선속은 모두 질소(N) > 칼륨(K) > 인(P) 순으로 높게 나타났다. This study is to investigate the effects of the draw solution concentration on forward osmosis desalination performance using blended fertilizer as draw solution. As the concentration of blended fertilizer solution (draw solution) increased, the water permeate flux increased nearly linearly, but PR (performance ratio) was reduced. Using sea water and deionized water as the feed solution, respectively, at the blended fertilizer solution of 600 g/L $H_2O$, the PR obtained were 5.39 and 6.50, respectively. And as the concentration of blended fertilizer solution increased, the reverse solute flux for nitrogen (N), phosphorus (P), and potassium (K) increased nearly linearly, but specific reverse solute flux for them was reduced. The reverse solute flux and specific reverse solute flux became higher in the order of N > K > P.
유도용액으로 비료를 사용한 정삼투 해수담수화에서 유도용액의 성능 평가
정남조,김승건,이호원,Jeong, Namjo,Kim, Seung-Geon,Lee, Ho-Won 한국막학회 2014 멤브레인 Vol.24 No.5
유도용액으로 비료를 사용하는 정삼투식 해수담수화에서 유도용액의 성능을 평가하였다. 일반적으로 많이 사용되는 비료 중에서 삼투압, 용해도 및 pH 등을 고려하여 $NH_4NO_3$, $NH_4H_2PO_4$, $(NH_4)_2HPO_4$, KCl, $KNO_3$ 및 $KHCO_3$를 유도용액 후보군으로 선정하였다. 수투과선속, 질소와 인의 역용질선속 및 비역용질선속을 측정하여 유도용액의 성능을 평가하였다. KCl은 본 연구에서 선정된 유도용액 중에서 가장 높은 수투과선속을 나타낸 반면에 $(NH_4)_2HPO_4$는 가장 낮은 수투과선속을 나타내었다. $NH_4H_2PO_4$가 가장 낮은 역용질선속 및 비역용질선속을 보였으며, $(NH_4)_2HPO_4$ < $KNO_3$ < $NH_4NO_3$의 순서로 역용질선속 및 비역용질선속이 증가하였다. $NH_4H_2PO_4$는 비록 다른 유도물질에 비해 수투과선속이 낮으나 비료의 주요 성분인 질소와 인을 모두 포함하고 있을 뿐만 아니라 질소와 인의 역용질선속 및 비역용질선속이 다른 유도물질에 비해 매우 낮으므로 FDFO (fertilizer drawn forward osmosis)에서 효과적으로 사용될 수 있을 것으로 판단된다. This study is to evaluate the performance of draw solutions in forward osmosis desalination using fertilizer as draw solution. Considering osmotic pressure, solubility, and pH, $NH_4NO_3$, $NH_4H_2PO_4$, $(NH_4)_2HPO_4$, KCl, $KNO_3$, and $KHCO_3$ were screened from a comprehensive lists of fertilizer. Their performance were evaluated in terms of pure water permeate flux, reverse solute flux, and specific reverse solute flux for nitrogen and phosphorus. KCl showed the highest pure water permeate flux among the selected fertilizers while $(NH_4)_2HPO_4$ draw solution had the lowest flux. $NH_4H_2PO_4$ showed the lowest reverse solute flux and specific reverse solute flux for nitrogen followed by $(NH_4)_2HPO_4$, $KNO_3$, and $NH_4NO_3$. Although the pure water permeate flux of $NH_4H_2PO_4$ is lower than the other draw solutions, because it contains both nitrogen and phosphorus, and have the lowest reverse solute flux and specific reverse solute flux, it is a promising candidate as draw solution for forward osmosis desalination.