해수 담수화, 海水淡水化, Water desalination
해수 속의 염분을 제거하여 담수로 만드는 일련의 과정.
바닷물을 담수화하는 경우 해수 담수화, 기수(강 하구 등에서 바닷물과 민물이 섞인 것)를 담수화하면 기수담수화, 폐수를 담수화하면 폐수담수화라고 부른다. 해수 담수화의 경우, 지구의 70%를 차지하는 바다의 물을 담수화 하는 작업으로 식수, 공업용수등의 공급을 원활히 하려는데 그 목적이 있다.
한국은 담수가 풍부해서 이것의 필요성을 잘 못 느끼는 경우가 많지만 내륙이 아닌 도서(島嶼) 지역처럼 담수가 부족한 곳은 담수화 시설로 수돗물을 공급한다. 해외에는 특히 중동 등 물이 부족한 사막 주변 국가라든가 강이 흐르지 않고 내리는 비가 고이는 호수, 지하수 등에 의존하는 국가들은 이 작업이 상당히 중요하다. 더불어, 물을 수입하는 국가의 경우 안정적인 수자원의 확보는 안보와 직결되는 문제이기도 하므로 사막이 아님에도 담수화플랜트를 짓는 경우가 의외로 있다. 싱가포르가 대표적인 경우. 한국도 2017년 6월에 찾아온 대규모 가뭄 때문에 해수 담수화 시설을 증설해야 한다는 의견이 나오고 있다.
담수는 단순히 마시는 물 뿐만 아니고 여러 용도로도 쓰이기 때문에 담수화 설비는 군용 시설로도 중요한 위치에 있다. 미드웨이 해전에서 일본군이 미드웨이의 담수화 설비가 고장났다는 떡밥에 낚인 것도 이런 이유 때문.
해수 담수화 사업을 가장 적극적으로 추진하고 있고, 증발법 분야의 최고 기술을 보유 하고 있는 기업은 두산중공업. 그들이 사우디아라비아에 지어놓은 라스 알 카이르 플랜트는 세계 최대규모의 담수화 시설로 이름이 높다(대략 하루에 350만 명이 쓸 수 있는 양을 생산한다.).
또한 2016년 2월 한국에서도 부산광역시 기장군에 해수 담수화 시설을 만들었으며, 추후 해수 담수화 수돗물을 공급할 예정이다. 부산은 상수도의 취수 비중이 너무 낙동강 하나에 치우쳐 있어서 이를 완화하기 위하여 만든 것. 하지만 취수구가 고리 원자력 발전소에서 직선거리로 불과 11km 정도 떨어져 있어서 일부에선 반대를 하고 있다.
이외에도 선박에서도 조수기를 탑재해 담수화를 한다. 물 위에서 오랫동안 떠다니는 큰 배들은 비록 식수 및 위생 등에 쓸 청수를 대량으로 싣고 떠나긴 하나, 여러 이유로 오염되거나 청수를 조기 소진하면 물을 자체 생산해 해결해야 한다. 가급적이면 싣고 간 청수로 버티긴 하나 원양 항해가 길어지면 조수기를 써야 한다. 잠수함 같이 좁은 공간 특성상 조수기 및 청수 탱크 용량이 적은 배에선 식수를 겨우 확보하고, 샤워나 세탁도 1주일에 겨우 1~2회 내지는 입항시까지 포기해야 할 수도 있다. 그나마 덩치가 크고, 전기가 넘쳐나 청수를 거의 무한정 만들어낼 수 있는 원자력 잠수함은 이것에서 꽤 자유로워, 식수 걱정은 물론 샤워나 세탁도 큰 수상함 수준으로 거의 매일 할 수 있다.
그나마 배는 바다에 있으니 담수화가 쉬운 편이지, 우주선에서는 오줌을 걸러서 담수화시키는 상황까지 간다. 사실 호흡과 땀으로도 물이 배출되기 때문에 담수화를 아무리 잘해도 물이 부족해지기 쉬운 환경이라 샤워조차 제대로 못하는 경우가 많다.
크게 증발식과 역삼투식(RO, reverse osmosis), 정삼투식(FO, forward osmosis), 냉동식으로 나뉘며 자주 쓰는 건 앞의 두 방식이지만, 에너지 비용에서 자유로운 중동국가가 아닌 곳에서는 역삼투식을 채택한 곳이 많다. 물 1t을 생산하는 데 드는 에너지가 증발식은 6~12㎾h가 드는 데 비해 역삼투 방식은 3~7㎾h밖에 들지 않기 때문.
증발식은 가장 확실하게 순수한 물을 끌어낼 수 있으나 비용이 많이 든다.
증발식에도 다단증발식(MSF, Multi Stage Flash)과 다단효용(증발)식(MED, Multi Effect Distillation)로 보통 나뉘어지며, 다단증발식이 증발식 전체의 60% 이상을 차지하고 있다.
다단증발식은 플래시 증발을 이용하는 것으로, 고온고압의 해수를 저압의 격실에 뿜어 순간적인 증기를 내뿜게 만들고, 이것을 여러 단의 격실에서 이루어지게 하여 다량의 증기를 생성시키는 방식이다. 다단증발법 설명 다량의 증기를 생산해낼 수 있다는 점에서 대형 플랜트에 많이 쓰이고 있으며, 크기가 대형화함에 따라 큰 열원이 필요하다는 점에서 발전소 플랜트와 결합된 형태가 많다.
다단효용식은 가열된 증기가 흐르는 관에 해수를 분무해서 관 안의 증기는 식히고, 식히며 발생된 증기는 다음 단의 관으로 흐르고 이것을 또 반복하는 것이다. 즉, 증기를 식히는데 증기가 발생하고 그걸 다시 식히는 식으로 반복하여 증기의 양과 응축된 증류수의 생산량을 늘리는 것이다. 따라서 구조는 복잡하지만 열효율은 자연스럽게 올라가며, 다단증발식에 비해 비교적 소형화가 가능하다.
RO는 반투막(semipermeable membrane)의 한쪽 면이 염수에 닿아있는 상태에서 높은 압력으로 나머지 한쪽면으로 담수를 쥐어짜는 형식이다. 소금을 비롯하여 많은 이온화합물은 그 크기가 매우 작기 때문에 이를 거르기 위한 반투막 역시 매우 작은 기공을 지니거나 이온을 붙잡을 수 있는 작용기를 가지는 경우가 일반적이다. 역삼투 과정의 압력을 이겨내야 하기 때문에 반투막의 내구도는 튼튼해야 한다. 증발식에 비해 적은 에너지가 소모되나 여전히 에너지 소모가 크다는 점이 문제이다. 일반적으로 폴리설폰(polysulfone)이나 폴리아마이드(polyamide) 기반의 다공성 분리막이 많이 사용된다.
FO는 일반적인 삼투현상을 의미한다. 반투막을 기준으로 한쪽 면은 낮은 농도의 염수(해수와 같이 낮은 농도의 염분을 포함하고 있는 물)가 존재하며 다른 한쪽 면은 높은 농도의 유도용액(draw solution, 반투막을 통과할 수 없는 용질을 높은 농도로 녹인 용액)이 존재한다. 이때 유도용액에 존재하는 용질의 양이 염수보다 더 높기 때문에 유도용액을 희석시키기 위하여 물 분자가 반투막을 통과하게 되고 반투막을 통과할 수 없는 염이나 부유물 그 외에 여러 성분들이 걸러지게 된다. FO는 농도에 따른 물 분자의 확산을 이용하기 때문에 특별히 많은 에너지가 필요하지 않다는 장점을 지니지만, 결국 최종적으로는 유도용액을 만들기 위해 넣어준 용질을 제거해야 한다는 단점을 가지고 있다. 하여 최근에는 사용처가 줄어드는 추세이다. 담수화공정에서는 FO는 그 자체가 탈염(desalination)을 위해 사용된다기보단 RO를 위한 용액을 만드는데 흔히 사용된다.
RO를 이용한 담수화플랜트의 경우, 일반적인 해수의 수많은 부유물이 높은 압력에서 반투막에 달라붙어 유속을 늦추거나 반투막 자체를 손상시킬 수 있으므로 사전에 초미세여과(UF, ultrafiltration)와 같은 공정으로 해수를 전처리하게 된다. 이때 FO는 해수 속 부유물을 쉽게 제거할 수 있는 방법으로 여겨지고 있다.
냉동식은 물이 얼면서 순수한 물이 먼저 얼고 소금 등의 용존물질이 남는 원리를 이용해 얼음만을 채취한 뒤 이를 세척해서 잔여물질을 씻어내고 융해조에서 얼음을 녹여 담수를 만드는 방식(이 중 일부는 앞서 얘기한 세정수 용도로 재사용된다)이다. 설비의 부식 염려가 적고 냉매 외의 화학물질 투여도 최소화되는 장점이 있으나, 반면 다른 두 방식에 비해 얻어내는 물의 품질이 다소 낮은 편이고 또한 대형화되고 진공 및 보온 대책이 확실한 설비가 필요하며 생산 공정의 통제가 어려운 단점이 있다.
생존주의 용도로 자연증발을 이용한 담수기와 역삼투압 펌프식이 있다. 다만 자연증발식은 부피도 크고 최적의 상황에서 좋은 제품을 써도 1제곱미터당 하루종일 담수화 시켜서 물 한잔 정도. 역삼투압 펌프식은 가격도 비싸고 관리가 까다로우며 물 생산량도 한 시간 펌프해서 소형이 1리터 미만, 대형이 4리터 가량 생산한다. 외부 동력으로 작동하는 큰 물건은 요트 등에 장착해서 사용한다.
점점 담수가 부족해지는 상황이 가시화되고 있는 만큼#, 해수 담수화는 이 문제를 해결할 강력한 대안으로 떠오르고 있다.# 절약해서 안된다면 썩어넘쳐나는 해수를 쓰는 것이 가장 효과적이다.
미국 매사추세츠공대(MIT)와 중국 공동연구진이 기존의 담수화 방식보다 더 간단하고 저렴하며 염분 부산물 문제도 해결할 수 있는 소형 담수화 시스템을 개발해 국제학술지 <네이처 커뮤니케이션스>에 발표했다.
연구진은 기존의 태양광 담수화 시스템에서 바닷물을 빨아들이는 데 쓰는 심지(wick)가 없는 시스템을 개발했다. 이는 염분 축적에 취약해 청소하기가 어려운 심지의 단점을 극복할 수 있게 해줬다. 게다가 재료값 4달러(약 5천원)만 들이면 한 가정에 매일 식수를 공급해줄 수 있는 장치를 만들 수 있다.상용화할 경우 해수담수화 분야의 적정기술 사례로 주목된다. 적정기술이란 비용이 많이 드는 첨단 기술 대신 사회의 인프라 현실에 적합한 저렴하고 안정적인 기술을 말한다.이 장치의 담수화 방식은 햇빛으로 물을 데우고, 자연적인 대류 현상을 이용해 물을 증발시키는 것이다.심지 대신 작은 구멍이 숭숭 나 있는 3겹의 폴리우레탄 시트와 햇빛을 흡수하는 덮개가 이 담수화 장비의 핵심이다. 구멍의 크기는 너비 2.5mm다.바닷물을 담수로 만드는 과정은 이렇다. 우선 이 장치를 물 위에 띄우면 폴리우레탄 시트에 난 작은 구멍을 통해 물이 위로 올라와 시트 상단에 얇은 막처럼 펼쳐진다. 그러면 그 위를 덮고 있는 검은색 덮개를 통해 흡수한 햇빛 에너지가 물을 증발시켜 순수한 물을 뽑아낸다.이어 물이 증발되고 남은 염분은 구멍을 통해 아래쪽으로 내려가고, 아래쪽에 있던 차가운 바닷물이 올라와 새로운 담수화 사이클이 시작된다. 소금 때문에 위에 있는 물의 밀도가 아래에 있는 물보다 더 높은데, 이 밀도의 차이가 자연적인 대류 현상을 일으켜 물을 계속 담수화할 수 있도록 순환시켜준다.연구진은 시험 결과 염분 농도가 20%(중량 기준)인 경우에도 햇빛으로 물을 증발시키는 데 80% 이상의 효율을 보였다고 밝혔다. 또 일주일이 지난 뒤에도 장치에서 소금 결정이 검출되지 않았다.
이 장치가 특히 의미 있는 건 일상 생활에서 많이 쓰이는 재료로 만들었다는 점이다. 스펀지, 메모리폼 등의 소재로 쓰이는 게 바로 폴리우레탄이다. 연구를 이끈 에블린 왕 MIT 교수(기계공학)는 보도자료에서 “많은 담수화 연구가 새로운 재료에 초점을 맞추고 있지만 우리는 가정에서 쓰는 재료를 사용한다”며 “이 장치는 아마도 심지 구조가 없는 최초의 제품일 것”이라고 말했다.연구에 참여하지 않은 사우디아라비아의 킹압둘라과학기술대 왕펑 교수는 “담수화 설비에서 염분 축적 문제를 해결하는 혁신적 방식”이라며 “에너지 효율이 높고 내구성이 좋은 데다 비용까지 저렴해 매우 유망해 보이는 기술”이라고 논평했다.그러나 아직까지는 개념 증명 단계의 실험 장치를 만드는 데 성공했을 뿐이다. 실생활에 쓸 수 있는 실용적 장치로 개조하는 게 앞으로의 과제다. 연구진의 계산으로는 집수 면적이 1㎡인 장치만으로도 한 가족이 매일 쓰는 식수를 충분히 제공할 수 있으며, 자재 비용은 4달러다. 연구진은 몇년 안에 상용화가 가능할 것으로 내다봤다.연구진은 우선은 전기를 쓸 수 없는 외딴 지역이나 재난 지역에서 유용하게 쓸 수 있을 것이며, 시스템을 확장할 경우 개발도상국의 식수 문제를 해결하는 데도 큰 도움이 될 수 있을 것으로 기대했다. 왕 교수는 “장치의 구조가 단순하기 때문에 개발도상국에 좋은 기회가 될 수 있다”고 말했다.연구진은 또 오염된 폐수를 처리하거나 의료기구를 살균하는 데도 이 기술을 사용할 수 있다고 밝혔다.