원수 염도가 역삼투 시스템에 미치는 영향

2025년 11월 18일

급수 염도는 일반적으로 총 용존 고형물(TDS)로 표시되며, 물에 포함된 모든 무기염(나트륨, 칼슘, 마그네슘, 염화물, 황산염 등)의 농도 합입니다. 이는 정수장의 설계, 운영 및 경제적 효율성에 있어 가장 중요한 매개변수 중 하나입니다. 역삼투압 시스템이며, 그 영향은 포괄적이고 상호 연결되어 있습니다.

1. 삼투압 및 작동 압력에 대한 직접적인 영향

역삼투압(RO) 공정의 핵심은 물의 자연적인 삼투압을 극복하여 물 분자를 반투막을 통해 통과시키면서 염분은 걸러내는 것입니다. 반 데르 호프 방정식에 따르면 용액의 삼투압은 몰 농도(총 용존 고형물, TDS)에 정비례합니다.

삼투압 ≈ 0.8 bar / (1000 mg/L TDS). 이는 단순화된 경험적 공식이지만 매우 직관적입니다. 공급수의 TDS가 1000 mg/L인 경우, 이론적인 삼투압은 약 0.8 bar입니다. 공급수의 TDS가 5000 mg/L(예: 기수)로 증가하면 이론적인 삼투압은 약 4 bar까지 상승합니다. 해수의 경우 TDS는 약 35,000 mg/L이며, 이론적인 삼투압은 약 28 bar에 달합니다.

효과적인 투과 구동력(순 구동 압력)을 생성하기 위해서는 작동 압력이 다음과 같아야 합니다. Ro 시스템 작동 압력은 삼투압보다 훨씬 높아야 합니다. 따라서 원수 염도가 10배 증가할 때마다 필요한 작동 압력은 거의 선형적으로 증가합니다. 해수 담수화 역삼투압(RO) 공정의 작동 압력은 일반적으로 55~80bar인 반면, 일반 기수 담수화 역삼투압(RO) 공정은 10~25bar에 불과합니다. 이는 더 높은 전력 소비와 장비 및 자재 요구 사항을 의미합니다.

2. 시스템 담수화 속도에 미치는 영향

역삼투막의 다양한 이온에 대한 제거율은 비교적 안정적입니다. 그러나 원수 염도의 변화는 시스템의 담수화 성능에 두 가지 측면에서 영향을 미칩니다.

겉보기 담수화율 감소: 담수화율은 (1 - 투과수 염도 / 공급수 염도) * 100%로 계산됩니다. 절대 염분 투과율(단위 시간당 통과하는 염분의 양)이 일정하다고 가정할 때, 공급수 염도가 급격히 증가하면 막의 물리적 특성이 변하지 않더라도 계산된 "담수화율"은 감소합니다.

더욱 중요한 것은 염도가 높을수록 막을 가로지르는 염 농도 기울기가 커져 막 표면에서 투과액 쪽으로 염이 확산되는 구동력이 증가한다는 점입니다(농도 분극 현상 심화). 결과적으로 실제 염 투과량이 증가합니다. 극도로 높은 염도에서는 막의 담수화 속도가 실제로 상당히 감소합니다.

3. 투과수 및 회수율에 미치는 영향

일정한 작동 압력에서 순구동 압력은 작동 압력에서 삼투압을 뺀 값입니다. 앞서 언급했듯이 염도가 높으면 삼투압이 높아져 순구동 압력이 직접적으로 감소합니다.

투과 유량은 순구동 압력에 정비례합니다. 작동 압력이 일정하게 유지될 경우, 공급액의 총용존고형물(TDS) 농도가 1000mg/L에서 5000mg/L로 증가하면 순구동 압력이 3~4bar 감소할 수 있으며, 이로 인해 투과 유량이 20~30% 이상 감소할 수 있습니다.

시스템 회수율(투과수/공급수)이 증가하면 멤브레인 요소 끝단의 공급수 염도는 기하급수적으로 농축됩니다. 공급수 시스템 끝단에서 과도하게 높은 TDS로 인한 삼투압 급증 및 스케일링 위험을 방지하기 위해 고염도 공급수 시스템에서는 보다 보수적인 회수율을 적용해야 합니다.

일반 상수도의 역삼투압(RO) 회수율은 최대 75%에 달할 수 있습니다. 염도가 높은 물의 RO 회수율은 일반적으로 60~70%로 설계됩니다. 해수의 RO 회수율은 40~50%로 더욱 제한됩니다. 회수율이 낮으면 농축액 배출량이 증가하고 물 사용 효율이 떨어집니다.

4. 막 오염 및 스케일 형성 경향 증가

염도가 높다고 해서 직접적으로 오염이 발생하는 것은 아니지만, 오염과 스케일 형성에 더 취약한 환경을 조성합니다.

농도 분극 현상 증가: 고농도 TDS(총 용존 고형물)가 멤브레인 표면에 농축되면 염류 및 기타 오염물질(규산염, 황산염, 유기물 등)의 농도가 전체 물 흐름보다 훨씬 높아집니다. 이는 난용성 염류(예: CaSO₄, CaCO₃, BaSO₄)가 용해도곱을 초과하여 침전될 위험을 크게 증가시키고, 결과적으로 스케일 형성을 유발합니다.

콜로이드 안정성 저하: 높은 이온 강도는 콜로이드 입자의 전기 이중층을 압축하여 안정성을 저해하고, 멤브레인 표면에 침착되어 콜로이드 오염을 형성하기 쉽게 만듭니다.

세척의 어려움: 고염 환경에서 오염이 발생하면 오염층이 일반적으로 더 조밀해지고 세척이 어려워져 멤브레인의 수명이 단축됩니다.

5. 에너지 소비 및 경제에 결정적인 영향

전반적인 영향은 궁극적으로 운영 비용에 반영됩니다. 역삼투압 시스템에서 전기 에너지는 주로 급수 펌프에서 소비됩니다. 작동 압력은 일반적으로 에너지 소비량에 비례합니다.

염분 농도 1000mg/L의 기수(염분이 있는 물)를 동일한 투과수량으로 담수화하는 데는 0.8~1.2kWh/m³의 전력만 소비될 수 있습니다. 그러나 염분 농도 35000mg/L의 해수를 담수화하는 데는 일반적으로 2.5~4.0kWh/m³의 전력이 소비되어 기수보다 3~4배 더 많은 전력이 필요합니다.

해수 담수화 비용이 염수 담수화보다 훨씬 높은 주된 이유는 높은 에너지 소비량 때문입니다. 또한 고압 운전은 펌프, 파이프라인, 다이어프램 하우징 등의 재료에 더 높은 요구 조건을 부과하여 초기 투자 비용을 증가시킵니다.