각종 과학 기술에 대한 포스팅을 취미로 작성하는 블로거 고든입니다. 금일은 그냥 생각난 김에 해수 담수화 (Desalination) 에 대해서 간단한 연재 포스트를 작성해볼 생각입니다. 혹시 해당 분야에 대해서 관심이 있는 분들에 대해서 간단히 읽을 수 있는 자료를 제공하려는 목적에서 작성하는 포스트이니 가볍게 참고만 하시기 바랍니다. 언제나 그렇듯 편의상 경어는 생략합니다. ^^ (가로안에 숫자는 참고 문헌)
1. 해수 담수화에 대한 개괄
사실 지구 표면적의 71% 를 덮고 있을 분 아니라 그 양도 무려 1,360,000,000 km3 달하는 물질이 바로 물이다. (1) 따라서 지구는 물의 행성이라고 불러도 손색이 없을 것이다. 그러나 아이러니 하게도 21세기 인류는 물 부족 현상을 겪고 있다. 물론 모든 지역에서 다 물 부족 현상을 겪고 있는 것이 아니다.
(아폴로 17호가 포착한 지구의 사진. 지구 표면은 71%가 바다로 덮혀있다. 바다는 전체 지구 수자원의 97.2% 가 해수이다. This file is in the public domain because it was created by NASA.)
그러나 인구 증가와 산업화의 결과로 1일당 물 소비량이 급격히 증가하고 있으며 실제 사용 가능한 수자원은 이에 미치지 못해서 물부족 현상이 전세계적으로 이슈가 되가고 있다. 국제 인구 행동 연구소 (PAI) 에서는 1인당 물사용 가능량을 기준으로 1000㎥ 이하인 경우 물 기근 국가로 분류하고 있으며 1700㎥ 이하는 물 부족 국가로 분류하고 있다. (2) 여기에서 우리 나라도 물 부족 국가로 분류되고 있다. 이는 작은 국토에 상대적으로 많은 인구가 살기 때문이기도 하다.
아무튼 21세기에 이르러 기후 변화, 산업화, 환경 오염 등으로 안심하고 사용할 수 있는 물 자원이 점차 부족해지고 있으며 이는 결과적으로 지구에 가장 풍부한 물 자원인 바다에 눈을 돌리게 하는 원인이 되고 있다.
(지구에서 물의 분포도 97%가 해수의 형태이며, 담수의 경우 68.7% 는 빙하나 얼음이고 30.1 %는 지하수이다. 0.3% 에 불과한 지표의 물중 87% 는 호수에 11% 는 습지에 그리고 단지 2% 만이 강에 존재한다. 실제 수자원으로 사용할 수 있는 물의 양은 극히 적은 셈이다. This image is in the public domain because it contains materials that originally came from the United States Geological Survey, )
사실 해수는 바다에 인접한 국가나 지역에서는 어디서 풍부하게 얻을 수 있으며 그 양으로 볼 때 사실 거의 고갈의 가능성이 엎는 수자원이라고 할 수 있다. 그러나 바닷물에 포함된 3 % 의 염분을 제거해서 담수로 만들어야만 우리가 사용할 수 있다는 게 문제이다. 오늘 이야기할 문제는 바로 이 해수 담수화에 대한 이야기다.
2. 해수 담수화의 역사
과거 기록에 의하면 장기간 항해를 하는 배의 선원들이 바닷물을 놋쇠에 끓인 후 그 증기를 스펀지에 모아서 스펀지를 짜서 담수를 얻었다는 기록이 있다고 한다. (3) 이런 단순한 해수 담수화 방식은 근대에 이르러 전쟁과 더불어 본격적인 발전을 하게 된다. 2차 대전 당시에 군대에 물을 공급하기 위해 담수화 설비가 연구되기 시작했으며 전쟁이 끝난후 1950년대 초반에 이르러 미국에서 정부 기관에 의해 해수 담수화 설비가 본격적으로 연구되었다.
1952년 설립된 Office of Saline Water (OSW) 는 미국의 정부 기관으로 열에너지 및 투과막을 이용한 해수 담수화 방법에 대한 초기 연구를 수행했다 (4) 그리고 이 연구는 1972년 OWRT (Office of Water Research and Technology) 로 이관되어 지속되었다. OSW/OWRT 는 2006년 기준으로 15억 달러의 연구비를 사용하여 1200개가 넘는 리포트와 여러 선구적인 연구를 진행했지만 예산에 비해 연구 성과가 크지 못해서 1984년에 결국 폐쇄되었다. (5)
1996년에 이르러 미 의회는 다시 담수화 설비에 대한 연구를 재개하는 법안인 Water Desalination Act 를 통과시켰고 현재까지 몇개의 미 연방 정부 기관들에서 연구가 진행중에 있다. 그러나 이와 같은 변화에도 불구하고 석유로 막대한 돈을 벌어들인데 비해 담수가 심각하게 부족한 중동 국가들을 중심으로 최근 수십년간 많은 담수화 설비들이 건설되게 되었다. 물론 수요가 있으니 공급이 이루어진 것이다. OSW/OWRT 에서 진행한 선구적 연구들을 통해 얻은 기술들도 이러한 담수 설비 기술의 기반을 제공했다.
1956년에 쿠웨이트에 하루 2250 ㎥ 용량의 담수화 설비가 건설되었고, 1970년대 후반부터는 본격적으로 대규모 해수 담수화 설비가 건설되었다. (3) 오늘날 건설된 여러가지 해수 담수화 설비의 총 용량은 하루 4200만 ㎥ 에 달한다. (6)
3. 해수 담수화 설비의 종류 및 설명
해수 담수화 설비를 크게 나누면 바닷물을 증발시킨후 이를 응축시켜 물로 만드는 증발법과 해수를 반투막에 통과시켜 역삼투방식으로 담수를 얻는 역삼투법이 대표적인 방법이라고 할 수 있다. 이는 구체적인 방법에 따라 더 세분할 수 있다. 이를 간략히 알아보자
다단 증발법 (Multi-stage flash distillation (MSF))
: 오늘날 해수 담수화 생산 능력의 85%가 바로 이 다단 증발법이다. 다단 증발법을 설명하면 다음과 같다. 해수는 염수 가열기 (brine heater) 에서 가열된다. 그런데 해수를 가열하는 과정은 바로 가열된 해수를 응축하는 과정과 같이 이루어진다. 아래 그림을 보자
(MSF 방식을 설명하는 그림 CCL 에 따라 복사 허용 저자 표시 저자 Ruben Castelnuovo )
다단 증발법에서는 위의 그림과 같이 여러개의 단계 (Stage) 라고 불리는 해수 증발 컨테이너 들이 있다. 각 단계에는 가열된 해수가 들어있다. 각 단계의 컨테이너는 압력이 낮기 때문에 해수가 급격히 증발하게 된다. (flash 현상) 해수는 다음 단계로 넘어가면서 더 낮은 공기 압력에 놓이게 되므로 더 낮은 온도에서도 증발하게 된다. 마치 높은 산에 올라가면 대기압이 낮아져 물이 100 도 이하에서도 끓게 되는 것과 비슷한 원리이다. 이런 단계를 여러개 만들므로써 적은 열에너지로도 많은 해수를 증발하게 만드는 것이다. 증발하고 남은 해수는 다시 바다로 돌려보낸다.
이제 각 단계의 상부를 보자 여기에는 증기를 응축하여 다시 물로 만드는 과정이 일어난다. 여기서 응축기 내의 온도를 낮추는 역활을 하는 것은 염수 가열기로 들어가기 전에 차가운 해수이다. 즉 차가운 바닷물이 각 단계에서 증기의 온도를 낮추면서 증기를 순수한 물로 만들며 이 과정에서 바닷물의 온도는 오르게 된다. 이런 열 교환 과정을 거치고 다소 온도가 상승한 바닷물은 다시 염수 가열기로 들어가 뜨거운 바닷물이 되며 다시 위의 과정을 거쳐 증발한 후 담수가 되는 것이다.
이 방식의 장점은 상대적으로 적은 열에너지로 많은 해수를 담수화 할 수 있다는 것이다. 예를 들어 100도로 끓는 해수가 증발하면서 증발에너지를 제공하고 해수의 온도가 떨어지면 다음 단계로 들어간다. 해수 온도가 예를 들어 95도 정도라고 하자 1 기압에서는 이 온도에서 물이 끓지는 않지만 기압을 떨어뜨리면 끓게 된다. 그리고 온도가 더 떨어진 해수는 다시 더 압력이 낮은 다음 단계로 가게 되면서 이 과정을 반복한다. 대개 최근 만들어진 다단 증발법의 경우 23-27kWh/m3 의 에너지 효율을 지닌다. (즉 증류된 물 1입방 미터당 23 - 27 kWh 의 에너지가 필요)
이러한 다단 증발법 시설은 대개 발전 플랜트의 폐열을 사용하는 경우들이 많다. 발전기에서 전기를 생산하고 남은 많은 폐열을 활용하는 방법이다. 이런 경우 Co generation plant 혹은 dual purpose plant 라 부른다. (7)
다중 효용법 (Multiple effect distillation)
: 다중 효용법에서는 다단 증발법의 단계 (Stage) 와 비슷한 이팩트 (effect) 라는 연속된 용기안에서 해수의 증발 및 응축이 일어난다. 일단 해수를 가열한 다음 첫번째 effect 용기 안에 스프레이 형태로 분무하게 되는데 이 안에는 뜨거운 증기가 흐르는 파이프가 지나고 있다. 이 파이프에서 해수가 증발되어 뜨거운 수증기가 된다.
다음 이팩트로 넘어가면 이 뜨거운 해수의 증기가 파이프를 타고 흐르며 다시 해수가 스프레이로 분무된다. 다단 증발법과 바슷하게 이 이팩트 용기는 전단계 보다 더 낮은 기압으로 구성되어 있기 때문에 물이 더 낮은 온도에서도 증발된다. 즉 이전 단계에서 증발된 수증기의 열로 해수를 낮은 기압에서 증발 시키는 방식인 것이다. 이런 방식을 거치면서 응축된 수증기는 순수한 물이 된다.
이 방법의 장점은 낮은 온도 (70도 정도) 에서도 이용이 가능하며 상대적으로 적은 전기 에너지 (1.0 kWh/m3보다 작음) 에서도 사용이 가능하다는 점이다. 상대적으로 해수를 전처리 할 필요가 없고 유지가 간편하다는 장점이 있다고 한다.
자세한 메카니즘의 그림은 여기에서
(http://www.unep.or.jp/ietc/Publications/TechPublications/TechPub-8f/B/Desalination1-1.asp)
(다음에 계속 )
(참고 문헌)
(1) http://en.wikipedia.org/wiki/Water
(2) http://100.naver.com/100.nhn?docid=759280
(3) http://100.naver.com/100.nhn?docid=856519
(4) http://wrri.nmsu.edu/publish/watcon/proc8/MacGowan.pdf
(5) http://www.nap.edu/openbook.php?record_id=12184&page=27
(6) http://www.nap.edu/openbook.php?record_id=12184&page=19
(7) http://en.wikipedia.org/wiki/Multi-stage_flash_distillation
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