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2013년 7월 4일 목요일

새로운 저전력 해수 담수화 기술



 21세기에 인류가 직면한 문제 가운데 하나는 바로 식수를 비롯한 물 문제 입니다. 산업화가 진행되고 인구가 늘어남에 따라 물에 대한 수요는 급증하는데 비해 수자원은 한정되어 있고 더욱이 최근의 기후 변화로 말미암아 세계의 일부 지역에선 수자원 고갈이 더 빨라지고 있습니다. 따라서 결국 미래 물부족 문제 해결을 위해서는 지구 수자원의 대부분을 차지하는 바닷물을 담수화 시키는 해수 담수화에 기댈 수 밖에 없을 것으로 생각됩니다.


 사실 이미 여러 물부족 국가들에서 해수 담수화는 낯선 기술이 아닙니다. 그러나 현재 해수 담수화 설비의 대부분을 차지하는 증발법은 대형 설비와 막대한 에너지 투입이 필요하며 역삼투압법의 경우 고가의 역삼투막 관리 및 탈염 공전 전에 해수를 정제하는 과정 때문에 소규모 해수 담수화에는 어려움이 존재합니다. 따라서 현재의 해수 담수화 기술은 일부의 지역과 국가에서만 그 혜택을 누릴 수 있습니다. 


 미국 에너지부 (DOE) 을 받은 텍사스 대학의 크룩 (Richard M. Crooks / The University of Texas at Austin )과 마르부르크 대학의 탈라렉 (Ulrich Tallarek, University of Marburg, Germany ) 및 그 동료 연구자들은 새로운 방식의 해수 담수화 기술을 공개했는데 이 기술은 적은 에너지로도 해수를 간단하게 담수화 시킬 수 있어 주목해 볼만 합니다. 


 이들이 새로 공개한 전기 화학 공정 (electrochemical process) 은 22 ㎛ 수준의 미세한 마이크로 채널과 2개의 브랜치 채널로 구성되어 있습니다. 낮은 전류 (3 V) 를 전극을 통해 흘려 보내면 물속에 녹아 있는 음전하를 지닌 염소 이온 (chloride ions 물론 소금이 분해되어 생긴 것) 이 산화되면서 중화 되게 됩니다. 이후 채널 안에 아주 좁은 지역에 음전하 이온이 부족한 지역이 생기게 되는데 결과적으로 양전하를 띤 이온들 역시 균형을 맞추기 위해 여기를 떠나 음이온이 많은 지역으로 이동하므로 채널 한쪽에는 전하를 띄지 않는 물분자만 남게 됩니다. 이를 수거하면 복잡한 막으로 해수를 거르거나 혹은 많은 에너지를 써서 물을 증발시키지 않더라도 해수에서 염분을 제거할 수 있습니다. 



(연구자들이 만든 탈염 장치인 water clip 의 프로토타입 실물  A prototype "water chip" developed by researchers at The University of Texas at Austin in collaboration with a startup company. (Credit: Image courtesy of University of Texas at Austin) )


 독특한 작동 메카니즘 때문에 이들이 만든 탈염 장치는 아주 작은 크기로 소량씩 해수를 담수화 시킬 수 있으며 가게에서 파는 건전지나 배터리로도 작동이 가능하다고 합니다. 하지만 아직 상용화까지는 갈길이 먼 상태이긴 합니다. 왜냐하면 아직 음용수로 사용할 만한 99% 이상 탈염은 가능하지 않기 때문입니다. 현재 프로토타입은 탈염 비율이 25% 수준 밖에 안되 지만 연구팀은 결국 99% 레벨 까지 도달이 기술적으로 가능할 것으로 생각하고 있습니다. 한편 소형 프로토타입은 시간당 만들 수 있는 물의 양이 너무 적어 아직 사용이 어려운 점도 있습니다. 


 만약 미래에 아주 작고 사용하기 편리한 탈염 장치를 만들 수 있다면 조난 구조용이나 재해 상태에서도 큰 힘을 발휘할 것으로 보입니다. 예를 들어 조난당한 선원들은 바다에서 탈수되어 생명이 위험할 수 있는데 작고 간편한 탈염 장치만 있다면 얼마든지 식수를 조달할 수 있습니다. 만약 염가에 대량 생산이 가능하다면 가난한 국가의 사람들도 식수 부족을 해결할 실마리를 얻게 될 것입니다. 


 다만 아무리 참신한 방법이라도 실제 현실에서 사용되기 위해서는 실용성이라는 측면과 경제성이라는 측면을 만족시켜야 하기 때문에 향후 연구가 계속 진행되어야 할 것으로 보입니다. 


 참고        

 Journal Reference:

  1. Kyle N. Knust, Dzmitry Hlushkou, Robbyn K. Anand, Ulrich Tallarek, Richard M. Crooks. Electrochemically Mediated Seawater DesalinationAngewandte Chemie International Edition, 2013; DOI: 10.1002/anie.201302577


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