1. 서 론

세계적으로 물 부족 사태는 인구의 증가, 급속한 산 업화 및 기후 환경 변화로 인해 매년 심각해지고 있다. 이러한 물 부족 문제를 해결할 수 있는 가장 효과적인 해결 방법은 해수담수화이다[1,2]. GWI (Global Water Intelligence)에 따르면 해수담수화 시장규모는 2007년 120억 달러에서 2025년 440억 달러로 성장할 것으로 전망하고 있다[3].

해수담수화 방법에는 증발법과 역삼투법이 대부분을 차지하고 있다. 증발법은 증발기의 형상과 열원의 이용 방법에 따라 크게 다단 플래쉬 방식(MSF, multi-stage flash)과 다중 효용 방식(MED, multi-effect distillation) 으로 분류할 수 있다. 다단 플래쉬 방식은 해수의 온도 에 대응하는 포화증기압 이하로 급감하면 해수는 자기 증발 또는 플래쉬 증발하게 되는데, 이 원리에 의해 발 생한 증기를 응축시켜 담수를 생산하는 방식이고, 다중 효용 방식은 증류기를 연속으로 배열한 형태로서 이 방 식의 특징은 앞에서 발생한 증기가 다음 증발기에서 가 열 원으로 작용한다는 것이다[4].

현재 해수담수화 시장의 주력 기술은 증발법에서 역 삼투법으로 크게 바뀌고 있는데, 이는 증발법에서 과다 하게 소요되는 설비비용과 에너지를 역삼투법에서는 증발법의 50% 수준으로 크게 절감시킬 수 있기 때문이 다. 2010년에 전 세계 해수담수화 시장에서 역삼투, 다 단 플래쉬 및 다중 효용 방식이 차지하는 비중은 각각 60, 30% 및 10%이었는데, 앞으로 역삼투법이 차지하 는 비중이 더욱더 확대될 전망이다[5].

그러나 역삼투(RO, reverse osmosis)법은 반투막을 사이에 두고 해수의 삼투압 이상으로 압력을 가하여 담 수를 생산하는 기술로서 공정은 단순하지만 고비용의 고압이 필요하고 막의 오염이 심하게 발생하여 전처리 를 철저하게 해야 하는 등의 문제가 있어 앞으로 이를 대체할 수 있는 차세대 해수담수화 기술이 필요하다. 차세대 해수담수화 기술로 여겨지는 것이 정삼투에 의 한 해수담수화 기술이다.

정삼투(FO, forward osmosis)는 반투막을 사이에 두 고 해수와 해수보다 삼투압이 높은 용액(이를 유도용액 이라 함)을 각각 유입시켜 두 용액간의 삼투압차에 의 해 해수 중의 순수가 유도용액(DS, draw solution)으로 이동하도록 하는 공정이다. 정삼투 공정은 역삼투 공정 에 비해 고압이 불필요하여 에너지 비용이 크게 절감되 고 막오염도 현저하게 적게 발생된다. 그러나 정삼투 공정을 이용하여 해수로부터 담수를 계속적으로 생산 하기 위해서는 희석된 유도용액에서 유도용질을 분리 ⋅회수하는 공정이 필요하고 이에 따른 추가비용의 문 제점이 정삼투 공정을 상용화하는데 있어서 가장 큰 걸 림돌이 되고 있다[6].

반면에 유도용액으로 고농도 비료용액을 사용하여 해수담수화를 한다면, 이때의 생산수(담수)는 고농도 비료용액으로 이동하여 희석된 유도용액은 별도의 분 리공정 없이 액비 또는 액적시비로 사용이 가능하므로 현재 정삼투 공정을 상용화하는데 있어서 가장 큰 걸림 돌이 되고 있는 유도용질의 분리⋅회수 문제를 해결할 수 있다. 비료용액을 유도용액으로 사용하는 정삼투 (FDFO, Fertilizer-Driven Forward Osmosis)에서는 단 순히 해수와 유도용액을 모듈 내로 도입시키는 매우 적 은 양의 에너지만 필요하므로 현재 산업화되어 있는 기 술은 물론 현재 개발되고 있는 해수담수화 기술 중 가 장 에너지 소비가 적은 기술이다[7,8]. 담수화 방식에 따른 비용을 비교하여 Table 1에 나타내었다[9,10].

전 세계적으로 담수의 약 70%는 농업용수로 사용되 고 있고, 비료는 고체비료에서 적하식 관수 장치의 물 에 비료를 섞어 액비를 공급하는 적하시비(fertigation) 로 점차 발전되어가고 있으며, 식물의 성장과 토양 및 지하수의 보호를 위하여 고체비료보다는 적하시비의 사용이 보다 바람직하다. 따라서 적하시비 방법으로 물 공급이 이루어지는 FDFO 방식에 의한 해수담수화기술 은 실현 가능성이 높은 차세대 해수담수화 방식이라고 할 수 있다[7].

호주 UTS (University of Technology Sydney)의 Shon 교수팀에서는 저 농도의 인공 염수를 대상으로 여러 가지 비료성분에 따른 수투과선속과 역용질 확산 등에 대한 기초 연구를 진행한 바 있다[11]. 또한 Jeong 등[12,13]은 6종의 비료를 유도용액으로 사용하여 해수 담수화 성능을 평가한바 있으며, 제주지역에서 가장 많 이 사용되는 비료 조성인 혼합비료를 유도용액으로 사 용하여 해수담수화 성능에 대한 유도용액 농도의 영향 을 조사한 바 있다.

본 연구는 해수담수화용 FDFO의 유도용액을 개발하 기 위한 연구로서 유도용액으로 혼합비료의 활용 가능성 을 살펴보았다. 용해도, 삼투압 및 pH 등을 고려하여 20 종의 혼합비료를 선정하고, 선정된 20종의 혼합비료 유 도용액에 대하여 수투과선속(water flux), PR (performance ratio), 역용질선속(RSF, reverse solute flux) 및 비 역용질선속(SRSF, specific reverse solute flux)을 측정 하여 최적의 혼합비료 유도용액을 제시하였다.

2. 실험장치 및 방법

2.1. 실험장치

본 연구에 사용한 실험장치의 모식도를 Fig. 1에 나 타내었다[11]. 공급용액과 유도용액은 2개의 기어펌프 (WT3000-1JA, Baoding Longer Precision Pump Co. Ltd, China)를 이용하여 정삼투 셀에 공급하였다. 정삼 투 셀의 온도를 일정하게 유지하기 위하여 항온조 (M20, LAUDA, Germany)를 이용하였으며, 운전 온도 는 25 ± 1°C로 일정하게 유지하였다.

본 연구에 사용된 정삼투 셀의 가로, 세로 및 깊이는 각각 77, 26 mm 및 3 mm로써 유효막면적 20.02 cm2 이 되도록 아크릴로 제작하였다. 정삼투 막은 활성층 (activated layer)이 위로, 공극층(porous layer)이 밑으로 향하도록 하였으며, 공급용액(feed solution, 이하 FS)은 정삼투 막의 윗면으로 흐르게 하였고, 유도용액(draw solution, 이하 DS)은 정삼투 막의 밑면으로 공급용액과 향류로 흐르게 하였다. 본 연구에 사용된 정삼투 막은 HTI사에서 제조한 cellulose triacetate (CTA) 재질의 평 막(OsMem^TM CTA-ES)으로서 최대 조업 온도와 압력은 각각 71°C 및 70 kPa이며, 적정 pH 범위는 3~8이다.

2.2. 실험방법

PP (poly propylene) 재질의 공급용액 및 유도용액 탱크에 공급용액 및 유도용액을 각각 2 L씩 채우고 기 어펌프를 사용하여 공급용액 및 유도용액을 정삼투 셀 로 공급을 하였다. 공급용액과 유도용액은 각각 550 mL/min 및 750 mL/min의 일정한 유량으로 향류로 흐 르도록 하였으며, 셀을 지난 용액은 각각 공급용액 및 유도용액 탱크로 순환되도록 하였다. 정삼투 실험을 하 기 전에 공급용액과 유도용액을 30분간 순환시켜 용액 의 온도를 25 ± 1°C로 일정하게 유지시킨 후에 정삼투 실험을 수행하였으며, 운전은 4시간 동안 실시하였다.

정삼투에서의 투과선속(permeate flux)은 유도용액 탱크 내의 유도용액 질량 변화로부터 측정하였다. 유도 용액의 질량 변화를 3분 간격으로 온라인에 의해 컴퓨 터에 연결된 전자저울을 이용하여 연속적으로 기록하 고, 이를 부피로 다시 환산하여 계산하였다. 모든 실험 은 2회 이상 하였고, 그 결과치는 평균값을 사용하였다.

본 연구에 사용된 공급용액은 35 g NaCl/L H₂O 용액 을 사용하였다. 유도물질은 용해도가 3 mol/L H₂O 이상 인 8개의 단일 비료, NH₄NO₃, NH₄H₂PO₄, (NH₄)₂HPO₄, KCl, K₂HPO₄, KNO₃, KHCO₃, 및 Ca(NO₃)₂ 중에서 2 종류의 비료를 혼합한 혼합비료를 사용하였다.

본 연구에 사용된 모든 유도물질은 Samchun Co. (Korea)의 1급 시약을 사용하였으며, 각 유도물질의 용 해도 및 pH 등의 물리화학적 성질을 Table 2에 나타내 었다. 여기서 각 유도물질의 용해도 값은 Perry’s chemical engineers’ handbook으로부터 구하였고[14], 각 유 도용액의 pH는 OLI Stream Analyser 3.2을 이용하여 유도용액의 농도가 2 mol/L H₂O일 때의 값을 계산한 결과이다.

본 연구에서 사용한 혼합비료는 각각 용매(물) 1 L에 2 mol씩 혼합한 28개의 혼합비료 용액을 제조하고, 이 중에서 다시 pH가 3~8 범위에 있고, 고체 염이 석출되 지 않는 20개의 용액을 혼합유도용액으로 선택하여 사 용하였다. 본 연구에서 선택하여 사용한 20개의 유도용 액을 Table 3에 나타내었다.

2.3. 분석방법

단일비료 또는 혼합비료인 유도용액과 공급용액의 삼투압 및 pH는 OLI Stream Analyser 3.2 (OLI Systems Inc., Morris Plains, NJ, USA)를 이용하여 계 산하였다. 유도용액과 공급용액간의 삼투압차에 의해 공급용액에서 유도용액으로 이동하는 수투과선속은 4 시간 동안 유도용액 탱크를 컴퓨터와 온라인으로 연결 된 전자저울 위에 올려놓고 3분 간격으로 질량변화를 측정하여 구하였다. 유도용액 내의 용질이 공급용액으 로 이동하는 역용질선속(RSF, reverse solute flux)은 실 험이 종료된 후에 공급용액에 존재하는 질소(N), 인(P) 및 칼륨(K) 성분을 분석하였다. 칼륨(K) 성분은 원자흡광 광도계(AA-6701, Shimadzu, Japan)를 이용하여 분석하였 고, 질소(N)와 인(P)은 분광광도계인 DR-5000 (HACH, USA)을 이용하였다. 이 중 질소(N) 성분은 persulfate digestion method (Method 10072, HACH, USA), 인(P) 성분은 ascorbic acid method (Method 8048, HACH, USA)를 이용하여 각각 측정하였다[12].

3. 결과 및 고찰

3.1. 혼합비료 유도용액의 선정 및 삼투압

비료로 사용되는 유도용액을 선정할 때 우선적으로 고려할 사항은 유도용액이 곡물의 필수 영양분(N, P 및 K)을 함유하고 있어야 하고, 삼투압과 용해도가 높아야 한다. 또한 본 연구에 사용된 CTA 막의 적정 pH는 3 에서 8이므로 가능한 이 범위를 넘지 않아야 한다.

따라서 본 연구에서 사용할 유도용질 후보로는 곡물 의 필수 영양분(N, P 및 K)을 함유하고 있으며, 용해도 (3 mol/L H₂O 이상)와 삼투압이 큰 것을 우선적으로 선정하고 이를 Table 2에 나타내었다. 또한 본 연구에 사용된 FO 막의 사용 가능한 pH의 범위는 3~8이므로 유도용액의 pH도 이 범위 내에 있는지를 조사하였다. 단일 비료 및 혼합 비료 성분의 삼투압과 pH는 OLI Stream Analyser 3.2 (OLI Systems Inc., Morris Plains, NJ, U.S.A.)를 이용하여 계산하였다.

Table 2에 나타낸 바와 같이 2 mol/L H₂O의 농도에 서 K₂HPO₄의 pH가 8.94이므로 K₂HPO₄를 제외한 NH₄NO₃, NH₄H₂PO₄, (NH₄)₂HPO₄, KCl, KNO₃, KHCO₃ 및 Ca(NO₃)₂의 경우에는 유도물질의 후보군으 로 적합하였다. 이 유도물질들의 농도가 2 mol/L H₂O 일 때의 유도용액별 삼투압을 Fig. 2에 나타내었다. 유 도용액의 삼투압은 Ca(NO₃)₂ > (NH₄)₂HPO₄ > KCl > NH₄H₂PO₄ > KHCO₃ > NH₄NO₃ > KNO₃의 순서로 크 게 나타났다.

Fig. 3은 단일 비료로 선정된 8종의 비료 중 2종의 비료를 각각 (2 mol + 2 mol)/L H₂O로 혼합한 총 28 혼합비료의 pH를 OLI 프로그램에 의해 계산된 것을 나타낸 그림이다. 그림에 나타낸 바와 같이 KCl와 K₂HPO₄의 혼합비료(PC+PHP)와 K₂HPO₄와 KNO₃의 혼합비료(PHP+PN) 유도용액은 pH가 8.2보다 높게 나 타났고, NH₄H₂PO₄와 Ca(NO₃)₂의 혼합비료(ADP+CN) 유도용액은 pH가 3보다 낮게 나타나 혼합 유도용액에서 제외하였다. NH₄NO₃와 K₂HPO₄의 혼합비료(AN+PHP) 유도용액과 K₂HPO₄와 KHCO₃의 혼합비료(PHP+PHC) 유도용액의 경우 pH는 각각 8.17 및 8.18로서 8을 크게 벗어나지 않아 일단 후보군으로 선정하였다.

또한 NH₄H₂PO₄와 KCl의 혼합비료(ADP+PC) 유도용 액과 NH₄H₂PO₄와 K₂HPO₄의 혼합비료(ADP+PHP) 유 도용액의 경우에는 KH2PO4 침전물이 생성되어 혼합 유 도용액에서 제외하였다. 또한 (NH₄)₂HPO₄와 Ca(NO₃)₂의 혼합비료(DHP+CN) 유도용액과 K₂HPO₄와 Ca(NO₃)₂의 혼합비료(PHP+CN) 유도용액에서는 CaHPO4 침전물이 각 각 생성되며, KHCO₃와 Ca(NO₃)₂의 혼합비료(PHC+CN) 유도용액은 CaCO3 침전물이 생성되어 혼합비료 유도 용액에서 제외하였다.

28개의 혼합비료 용액 중에서 pH 사용범위 내에 있 지 않은 것(3종의 혼합비료)과 침전물이 생성되는 것(5 종의 혼합비료)을 제외한 총 20종의 혼합비료 유도용액 에 대하여 삼투압을 OLI Stream Analyser에 의해 계산 하고, 이 혼합비료 유도용액의 삼투압(Blend)을 단일비 료 유도용액의 삼투압의 합(Sum)과 비교하여 이를 Fig. 4에 나타내었다.

그림에 나타난 바와 같이 KCl와 Ca(NO₃)₂의 혼합비 료(PC+CN) 유도용액의 삼투압이 206.5 atm으로 가장 높게 나타났으며, 반면에 NH₄H₂PO₄와 KHCO₃의 혼합 비료(ADP+PHC) 유도용액의 삼투압이 76.2 atm으로 가장 낮게 나타났다. 혼합비료의 삼투압은 KCl (PC)를 함유한 혼합비료가 대체로 삼투압이 높게 나타났으며, 단일 비료 성분의 삼투압이 가장 높은 Ca(NO₃)₂ (CN) 의 경우에도 K₂HPO₄와의 혼합을 제외하고는 대체로 높게 나타났다.

또한 KCl와 KHCO₃의 혼합비료(PC+PHC) 유도용액 과 KCl와 Ca(NO₃)₂의 혼합비료(PC+CN) 유도용액을 제외하고는 단일비료 삼투압의 합(Sum)이 혼합비료의 삼투압보다 높게 나타났다. 이러한 이유는 혼합비료의 경우 용해된 이온 간의 상호작용에 의해 삼투압이 감소 되기 때문으로 판단된다.

3.2. 혼합비료의 수투과선속

Fig. 5에 20개의 혼합비료를 유도용액으로 하고 해수 를 공급용액으로 하여 정삼투 실험한 후 혼합 유도용액 의 수투과선속(Blend)과 그 혼합 유도용액을 구성하는 각 유도용액(2 몰랄농도)에서 측정한 수투과선속의 합 (Sum)을 비교하여 나타내었다. K₂HPO₄ (PHP)의 경우 pH가 높아(8.94) 수투과선속 측정을 실시하지 않아 수 투과선속의 합(Sum)을 비교하여 나타낼 수 없었다. 그 림에 나타낸 바와 같이 혼합 유도용액의 수투과선속 (Blend)은 단일 유도용액의 수투과선속의 합(Sum)과 큰 차이가 없었다. 일부 혼합비료 용액의 수투과선속이 단일비료 수투과선속의 합과 차이가 나는 것은 혼합비 료 용액에서 용해된 이온 간의 상호작용 및 해리 정도 의 차이에 의한 것으로 판단된다.

또한 KCl (PC)을 함유한 혼합비료의 수투과선속이 다른 혼합비료에 비해 높게 나타났는데, 이는 KCl의 해 리 정도가 다른 단일비료에 비해 높기 때문인 것으로 판단된다. 따라서 혼합비료의 수투과선속을 높이는 데 에는 KCl이 효과적임을 알 수 있었다. NH₄NO₃와 KCl 의 혼합비료(AN+PC) 유도용액, (NH₄)₂HPO₄와 KCl의 혼합비료(DHP+PC) 유도용액, KCl와 KNO₃의 혼합비 료(PC+PN) 유도용액, KCl와 KHCO₃의 혼합비료 (PC+PHC) 유도용액 및 KCl와 Ca(NO₃)₂의 혼합비료 (PC+CN) 유도용액의 수투과선속은 각각 12.20, 13.09, 12.91, 12.82 및 11.92 LMH로 나타났다. NH₄H₂PO₄와 (NH₄)₂HPO₄의 혼합비료(ADP+DHP) 유도용액의 수투 과선속은 4.95 LMH로서 가장 낮았다.

3.3. 혼합비료의 PR (performance ratio)

정삼투 막의 이론적인 수투과선속(J_the)은 두 용액 사 이의 삼투압 차에 의하여 식 (1)과 같이 나타낼 수 있 다. 여기서 π_DS와 π_FS는 각각 유도용액(DS)와 공급용 액(FS)의 삼투압이고, A_p는 막투과계수(membrane permeability coefficient)이며, σ는 반사계수(reflection coefficient) 이다.

막투과 계수는 가압 셀을 이용하여 압력차 변화에 따 른 수투과선속 변화를 측정하여 직선관계식으로부터 구하였으며, 막투과 계수 값은 1.029 L/(m²⋅hr⋅atm) 이었다. 또한 정삼투 막의 염배제(salt rejection)은 95% 이상이나, 본 연구에서는 100% 배제로 가정하여 이론 적 투과선속을 계산하였다.

PR (performance ratio)은 이론적인 수투과선속(J_the) 에 대한 실험에 의해 측정된 수투과선속(J_exp)의 비를 백분율(%)로 나타낸 값으로 식 (2)와 같이 나타낸다.

Fig. 6은 혼합비료를 유도용액으로 하고 해수를 공급 용액으로 하여 정삼투 실험한 후 유도용액별 PR을 나타 낸 그림이다. K₂HPO₄와 KHCO₃의 혼합비료(PHP+PHC) 유도용액의 PR이 15.54%로 가장 높게 나타났으며, NH₄H₂PO₄와 (NH₄)₂HPO₄의 혼합비료(ADP+DHP) 유 도용액의 PR은 3.68%로 가장 낮게 나타났다. K₂HPO₄ 와 KHCO₃의 혼합비료(PHP+PHC) 유도용액의 PR이 높은 것은 Fig. 5 및 Fig. 4에 각각 나타낸 바와 같이 수투과선속은 비교적 높은 반면에 삼투압이 낮게 나타 났고, 반대로 NH₄H₂PO₄와 (NH₄)₂HPO₄의 혼합비료 (ADP+DHP) 유도용액의 PR이 가장 낮게 나타난 것은 삼투압은 높고, 반면에 수투과선속은 가장 낮았기 때문 이다. 또한 KCl (PC)를 포함하고 있는 혼합비료 유도용 액의 PR이 KCl을 포함하지 않은 혼합비료에 비해 비 교적 낮게 나타났는데, 그 이유는 삼투압이 KCl을 포함 한 혼합비료에 비해 비교적 높게 나타났기 때문이다.

3.4. 혼합비료의 역용질선속

혼합비료를 구성하는 7종의 유도물질 중에서 질소(N) 성분이 존재하는 NH₄NO₃, NH₄H₂PO₄, (NH₄)₂HPO₄, KNO₃ 및 Ca(NO₃)₂, 칼륨(K) 성분을 함유하고 있는 KCl, KNO₃ 및 KHCO₃, 그리고 인(P) 성분을 함유하고 있는 NH₄H₂PO₄ 및 (NH₄)₂HPO₄에 대하여 질소, 칼륨 및 인 성분의 역용질선속(RSF, reverse solute flux)과 비역용질선속을 각각 측정하여 비교하였다. 특히 질소 와 인은 부영양화를 일으키는 물질이므로 역용질선속 과 비역용질선속의 측정은 매우 중요하다.

역용질선속은 식 (3)을 이용하여 계산하였다. 여기서 2.0은 공급용액의 초기 부피(L), T는 운전시간(hr), △V 는 운전시간 동안 공급용액에서 유도용액으로 이동한 물의 전체 부피(L), C_s는 실험이 종료된 후 공급용액 내 에 존재하는 유도물질의 농도(mmol/L)이며, A는 정삼 투 막의 단면적(m²)이다. 이때, 식 (3)에 의해 계산된 역용질선속의 단위는 mmol/(m²⋅hr)로 표현된다.

Fig. 7은 20종의 혼합비료를 유도용액으로 하고 공급 용액을 해수로 하여 정삼투 실험한 후 공급용액의 질 소, 칼륨 및 인의 역용질선속을 측정한 결과를 나타낸 그림이다. 그림에 나타난 바와 같이 유도용액의 질소, 칼륨 및 인의 역용질선속은 질소(N) > 칼륨(K) > 인(P) 의 순으로 나타났다.

Fig. 7 (a)는 20개의 혼합비료 중에서 질소 성분을 함 유하지 않은 KCl와 KHCO₃의 혼합비료(PC+PHC) 유도 용액과 K₂HPO₄와 KHCO₃의 혼합비료(PHP+PHC) 유 도용액을 제외한 18개의 유도용액별로 질소 성분의 역 용질선속을 나타낸 그림이다. 그림에서 NO₃^-를 함유하고 있는 혼합비료 유도용액의 질소 역용질선속이 NO₃^-를 함유하지 않은 혼합비료 용액에 비해 비교적 높게 나타 났다. 그중에서 NH₄NO₃와 KNO₃의 혼합비료(AN+PN) 유도용액의 역용질선속이 1.224 mmol/(m²⋅sec)로 가장 높게 나타났는데, 이는 NH₄NO₃와 KNO₃에 함유된 NO₃^- 가 잘 투과되기 때문으로 판단된다. 반면에 질소를 함유 하면서 질소의 역용질선속이 가장 낮은 것은 NH₄H₂PO₄ 와 (NH₄)₂HPO₄의 혼합비료(ADP+DHP) 유도용액으로 서 질소의 역용질선속은 0.038 mmol/(m²⋅sec)로 나타 났으며, 단일비료 성분을 유도용액으로 하는 실험에서 두 성분의 질소 역용질선속이 낮게 나타난 것과 무관하 지 않은 것으로 사료된다.

Fig. 7 (b)에는 20개의 혼합비료 유도용액 중에서 칼 륨 성분을 함유하고 있는 13개 유도용액별 칼륨 성분의 역용질선속을 나타내었다. 그림에서 나타낸 바와 같이 KNO₃를 함유하고 있는 유도용액의 칼륨 역용질선속이 KNO₃를 함유하지 않은 유도용액에 비해 비교적 높게 나타났다. 칼륨의 역용질선속이 가장 높은 유도용액과 가장 낮은 유도용액은 각각 KCl와 KNO₃의 혼합비료 (PC+PN) 유도용액과 (NH₄)₂HPO₄와 K₂HPO₄의 혼합비 료(DHP+PHP) 유도용액으로 칼륨의 역용질선속은 각 각 0.584와 0.037 mmol/(m²⋅sec)이었다.

Fig. 7 (c)는 20개의 혼합비료 유도용액 중에서 인 성 분을 함유하고 있는 11종의 혼합 유도용액별 인 성분의 역용질선속을 나타낸 그림이다. ADP (NH₄H₂PO₄)를 포 함하고 있는 유도용액의 인 역용질선속이 ADP를 함유 하지 않은 유도용액의 인 역용질선속이 비교적 높게 나 타났다. 여기서 ADP를 포함하고 있는 유도용액이 포함 하지 않은 유도용액에 비해 비교적 높게 나타난 이유는 DHP ((NH₄)₂HPO₄) 보다 ADP의 인 역용질선속이 높게 나타난 것과 무관하지 않은 것으로 사료된다. ADP를 함유한 유도용액 중에서 가장 높게 나타난 유도용액은 NH₄H₂PO₄와 (NH₄)₂HPO₄의 혼합비료(ADP+DHP) 유 도용액으로서 0.0069 mmol/(m²⋅sec)로 나타났으며, 이 는 혼합비료 유도용액에 포함된 2개의 단일비료 성분에 모두 인 성분을 함유하였기 때문으로 판단된다.

K₂HPO₄의 pH는 8.94로서 FO 막의 조업 범위를 벗 어나므로 K₂HPO₄를 단일비료 유도용액으로 사용한 FDFO 실험은 실시하지 않았다.

3.5. 혼합비료의 비역용질선속

FDFO에서 유도용액은 수투과선속이 클수록 역용질 선속이 작을수록 우수한 성능을 갖고 있는 유도용액이 라고 할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 역용질선속과 수투과선속을 동시에 비교할 수 있도록 수투과선속 (J_exp)에 대한 역용질선속(RSF)의 비를 식 (4)와 같이 비 역용질선속(SRSF, specific reverse solute flux)으로 정 의하고, 이를 유도용액의 평가에 사용하였다.

Fig. 8은 20개의 혼합비료를 유도용액으로 하고 공급 용액을 해수로 하여 FDFO실험을 실시하고, 공급용액 의 질소, 칼륨 및 인의 비역용질선속을 측정하여 그 결 과를 나타낸 그림이다. 비역용질선속은 질소(N) > 칼륨 (K) > 인(P)의 순으로 나타났다. 이러한 결과는 정 등 [12]의 결과와 유사하였다.

Fig. 8 (a)는 20개의 혼합비료 유도용액 중에서 18개 의 질소 성분을 함유한 유도용액별로 질소의 비역용질 선속을 나타낸 그림이다. NO₃^-를 함유한 유도용액이 NO₃^-를 함유하지 않은 유도용액에 비해 비역용질선속 이 비교적 높게 나타났다. 이러한 결과는 역용질선속에 대한 결과와 같은 결과이다. 가장 높은 질소의 비용질선 속을 나타내는 혼합비료는 NH₄NO₃와 NH₄H₂PO₄의 혼 합비료(AN+ADP) 유도용액에서 442.2 mmol/L로 나타 났다. 또한 질소의 비역용질선속이 가장 낮은 유도용액 은 NH₄H₂PO₄와 (NH₄)₂HPO₄의 혼합비료(ADP+DHP) 유도용액에서 27.3 mmol/L로 나타났다.

Fig. 8 (b)에는 20개의 혼합비료 유도용액 중에서 13 개의 칼륨 성분을 함유한 유도용액에 대하여 칼륨의 비 역용질선속을 나타내었다. 역용질선속의 결과와 동일하 게 KNO₃를 포함한 유도용액의 비역용질선속이 KNO₃ 를 포함하지 않은 유도용액에 비해 비교적 높게 나타났 다. 칼륨 성분의 비역용질선속이 가장 높게 나타난 유 도용액은 (NH₄)₂HPO₄와 KNO₃의 혼합비료(DHP+PN) 유도용액으로서 188.4 mmol/L이었으며, 가장 낮게 나 타난 유도용액은 (NH₄)₂HPO₄와 K₂HPO₄의 혼합비료 (DHP+PHP) 유도용액으로서 19.6 mmol/L이었다.

Fig. 8 (c)는 20개의 혼합비료 유도용액 중에서 11개 의 인 성분을 함유하고 있는 유도용액에 대하여 인의 비역용질선속을 나타낸 그림이다. 인 성분의 역용질선 속에 대한 결과와 동일하게 ADP (NH₄H₂PO₄)를 함유 한 유도용액이 ADP를 함유하지 않은 유도용액에 비해 비교적 높게 나타났다. 인의 비역용질선속이 가장 높게 나타난 유도용액은 NH₄H₂PO₄와 (NH₄)₂HPO₄의 혼합비 료(ADP+DHP) 유도용액으로서 4.98 mmol/L이었으며, 가장 낮은 유도용액은 NH₄NO₃와 K₂HPO₄의 혼합비료 (AN+PHP) 유도용액으로서 0.68 mmol/L이었다.

비역용질선속은 수투과선속과 역용질선속을 모두 고 려한 인자로서 비역용질선속으로 혼합유도용액의 성능 을 평가할 수 있다. 질소의 비역용질선속은 NH₄H₂PO₄ 와 (NH₄)₂HPO₄의 혼합비료(ADP+DHP) 유도용액에서 27.3 mmol/L로 가장 낮았고, 칼륨의 비역용질선속은 (NH₄)₂HPO₄와 K₂HPO₄의 혼합비료(DHP+PHP) 유도용 액에서 19.6 mmol/L로 가장 낮았고, 인의 비역용질선 속은 NH₄NO₃와 K₂HPO₄의 혼합비료(AN+PHP) 유도용 액에서 0.68 mmol/L로 가장 낮았다.

따라서 (NH₄)₂HPO₄와 KCl의 혼합비료(DHP+PC) 유 도용액은 비료의 필수성분인 질소, 인 및 칼륨을 모두 포함하고 있을 뿐만 아니라, 수투과선속이 크고 질소, 인 및 칼륨의 역용질선속이 작아 FDFO를 이용한 해수 담수화용 유도용액의 유도물질로서 가장 적합하다고 판단된다.

4. 결 론

본 연구에서는 FDFO (fertilizer-drawn forward osmosis) 에 적합한 새로운 유도용액을 찾기 위하여 20종의 혼합비료를 유도용액으로 사용하여 수투과선속(water flux), PR (performance ratio), 역용질선속(RSF, reverse solute flux) 및 비역용질선속(SRSF, specific reverse solute flux)을 측정하였으며, 각 혼합비료 유도용액의 성능을 평가한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.