태양광으로 물부족 해결! 해수 담수화 기술 [우리가 몰랐던 과학 이야기] (154)

출처=렌텍(lenntech.com)

전 세계적으로 물부족 문제는 심각한 이슈로 등장하고 있는데요. 유엔 보고에 의하면 전 세계 인구의 20~30%가 심각한 물부족 현상을 겪고 있습니다. 우리나라도 향후 물부족이 심화할 국가로 분류되고 있어 대비가 필요한데요. 이를 위해 지구 표면의 70%를 차지하고 있는 해수를 담수화하는 기술에 대한 연구·개발(R&D)에 관심이 모이고 있습니다. 

특히 최근 태양 에너지를 이용한 담수화 기술에 주목하고 있는데요. 태양광은 무공해, 사실상 무제한의 청정 에너지인 만큼 환경을 보호하면서 담수를 확보할 수 있기 때문입니다.

◆해수 담수화란?

출처=fewstern.org

해수 담수화(seawater desalination)는 바닷물을 담수로 이용할 수 있도록 염분과 용해물질을 제거하여 음용수 및 생활·공업용수 등을 얻어내는 수처리 과정을 의미합니다.

이러한  담수화 기술은 다음과 같습니다. 

◆주요 해수 담수화 기술

출처=베올리아 미들 이스트(Veolia Middle East) 유튜브(Youtube)

1 증발법

담수화 기술 중 가장 오래됐는데요. 

간단히 설명하면 바닷물을 증발시키는 방법입니다. 열 에너지를 사용해 염수를 증발시켜 발생한 수증기를 관 속으로 보내면 수증기는 액체로 변해 신선한 물이 만들어집니다. 

2. 막 기반 담수화 기술

막 기반 담수화 기술은 삼투현상을 기반으로 합니다. 반투막을 사이에 두고 동일한 양의 저농도(담수) 및 고농도(염수) 용액을 일정한 시간 동안 두면 농도가 더 진한 쪽으로 농도가 덜 진한 용액이 이동하게 되는데, 이때 발생하는 압력의 크기를 삼투압이라고 합니다. 반투막은 용액이나 기체의 혼합물에서 어떤 성분은 통과시키고 다른 성분은 그렇지 아니하는 성질이 있습니다.

그 중에서 역삼투법은 삼투압보다 높은 압력을 가해 농도가 진한 용액으로부터 담수만 빠져나오도록 하는 방법으로, 최근 많이 쓰이고 있는 담수화 기술 중 하나입니다.

3 전하 기반 담수화 기술

물속에 용해되어 있는 물질은 대부분 이온화되어 있는데요. 

여기에 전극을 삽입해 전류를 흐르게 하면 양이온은 음극으로, 음이온은 양극으로 각각 이동합니다. 양이온 또는 음이온을 선택적으로 통과시키는 반투막을 활용하면 이온 성분과 물을 분리할 수 있습니다.

◆친환경 해수 담수화 기술

출처=ElementalWaterMakers 유튜브(Youtube)

기존 해수 담수화 기술은 전기 또는 열을 많이 필요로 하기 때문에 에너지 비용이 많이 발생했습니다. 하지만 태양 에너지를 기반으로 한 태양광 해수 담수화는 외부로부터 전기나 열 에너지를 공급할 필요가 없고 이산화탄소가 발생하지 않아 경제적이면서도 친환경적인 기술로 주목받고 있습니다. 

태양광 해수 담수화 기술은 빛 에너지를 열 에너지로 변환하는 ‘광열반응’으로 해수를 증발시켜 얻은 증기를 응축해 식수로 회수하는 방식인데요. 다만 증발 효율이 낮아 식수 생산량이 많지 않고, 해수가 증발하면서 멤브레인(분리막) 표면에 생기는 소금 결정 탓에 성능을 지속적으로 유지하기 어렵다는 단점이 있습니다. 

◆초고효율 태양광 해수 담수화 기술의 등장

출처=Phys.org

최근 별도의 전처리 과정 없이 높은 증발 성능을 지속시킬 수 있는 고효율 태양광 담수화 기술이 개발되어 관심을 모으고 있는데요. 포스텍 연구팀은 저렴한 각설탕으로 만든 증발용 광열 멤브레인을 개발하고, 이를 통해 태양광을 이용해 해수나 염수로부터 장기간 안정적이고 많은 양의 식수를 생산해낼 수 있는 성능을 확인했습니다. 또한 이렇게 담수화한 물은 세계보건기구(WHO)와 미국 환경보호청(EPA)의 식수 기준을 만족한다고 합니다. 

기존 해수 담수화 기술은 많은 에너지를 필요로 하여 생산비용이 비싼 것은 물론이고 많은 이산화탄소를 배출하여 효율성이 낮았습니다. 이에 반해 이번에 개발된 초고효율 태양광 해수 담수화 기술을 통해 보다 친환경적으로 그리고 장시간 안정적으로 해수를 담수화할 수 있게 되었습니다. 태양광 에너지를 활용한 해수 담수화 기술이 미래 물부족을 해결할 수 있는 하나의 대안이 될 수 있기를 바랍니다. 

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