해수 담수화
1. 개요
Water desalination / 海水淡水化
해수 속의 염분을 제거하여 담수로 만드는 일련의 과정.
2. 상세
바닷물을 담수화하는 경우 해수담수화, 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.
한국의 경우 담수가 풍부해서 이것의 필요성을 잘 못 느끼는 경우가 많지만 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 기술 보유자인 두산중공업. 그들이 사우디아라비아에 지어놓은 쇼아이바 담수발전소는 세계 최대규모의 담수화 시설로 이름이 높다(대략 하루에 130만 명이 쓸 수 있는 양을 생산한다.). 그마저도 더 뛰어넘었다. 관련기사
또한 2016년 2월 한국에서도 부산광역시 기장군에 해수담수화 시설을 만들었으며, 추후 해수담수화 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 주민들의 반대를 받고 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.[1] 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 상황'''까지 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. #
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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[2], 다단증발식에 비해 비교적 소형화가 가능하다.
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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 분자를 반투막을 통과하게 되고 반투막을 통과할 수 없는 염이나 부유물 그 외에 여러 성분들이 걸러지게 된다. FO는 농도구배에 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 해수에 존재하는 수많은 부유물이 높은 압력을 가해질 때 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[3] 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.
3. 나라별 현황
3.1. 대한민국
- 2020년 5월 4일, 울산과학기술원(UNIST)의 디자인 및 인간공학부 김차중 교수와 에너지 및 화학공학부 김영식 교수팀은 바닷물 속 나트륨 이온을 이용해 전기를 충전하는 해수전지 겸 생활담수화 및 조명 제품인 아쿠아시스를 만들었다고 한다. 태양광 패널을 통해 충전하면서 동시에 내용물인 해수를 담수화시킨다고 한다. UNIST, 물과 빛을 선물하는 특수물병 '아쿠아시스'...디자인 수상까지
3.2. 중국
4. 매체에서의 해수 담수화
- 메탈기어 솔리드 피스 워커 - 카리브해의 해상에 떠 있는 플랜트 '마더 베이스'를 본거지로 삼고 있는 MSF는 200여명에 달하는 부대원들의 식수를 비롯한 용수 공급을 위해 해수를 담수화해서 쓰고 있는데, 방식은 RO라고 하며 담수 공급이 잘 되는지 아예 부대 내에 사우나까지 설치해서 운용하고 있다.
- 풀 메탈 패닉! - 미스릴에서 운용하는 강습함 투아하 데 다난은 원자력이 아닌 팔라듐 리엑터로 가동되는 잠수함이지만, 해수를 담수화하는 방식은 핵잠과 큰 차이가 없는지 식수는 물론이거니와 함장을 비롯한 여성 크루들이 목욕을 할 수 있을 정도로 넉넉하게 담수를 활용하는 모습이 작중 언급되기도 한다.
- 기동전사 건담: 제08MS소대 - 작중 사막에서 훈련 중이던 08소대 대원인 테리 샌더스.Jr가 비닐과 돌을 이용한 원시적인 증발법으로 식수를 확보하는 장면이 나온다.
[1] 그래서 해군 장병들은 청수 낭비에 되게 민감하여 절약하는 습관을 가지고 있다. 과거에는 세수대야 한 바가지 분량으로 몸을 닦고 세탁까지 한다는 말이 허언이 아니다.[2] 다단증발식의 경우 담수 1톤을 생산하는데 10~16kWh가 소모되고, 다단효용식은 6~12kWh로 알려져 있다.[3] 얼음으로 만들고 세척해도 잔여물질이 남아있을 가능성이 있다.