지구 표면적의 약 70%를 차지하는 바닷물은 그동안 지구의 기후와 환경에 중요한 역할을 해왔다. 바닷물은 수증기로 증발할 때 에너지를 흡수하고, 구름이 형성될 때 열에너지를 방출하면서 지구의 기후 시스템에 직접적인 영향을 미친다. 이러한 자연 순환은 지구 생태계의 균형을 유지하는 데 중요한 역할을 하지만, 최근 들어 바닷물이 인류의 중요한 자원으로 떠오르고 있다. 바로 해수담수화 기술을 통해 바닷물을 식수와 생활용수로 변환할 수 있는 가능성 때문이다.

 

해수담수화 기술은 물 부족 문제에 대한 중요한 해결책으로 주목받고 있다. 전 세계적으로 증가하는 물 수요를 충족시키기 위해 더 이상 강이나 호수 같은 전통적인 담수 자원에만 의존할 수 없는 상황에서, 해수담수화는 대체 가능한 신뢰성 높은 자원으로 평가받고 있다. 그럼 왜 해수담수화가 필요한지, 그리고 이 기술의 특징과 성공 사례들을 통해 그 중요성을 살펴보겠다.

 

왜 해수담수화가 필요할까

 

물은 인류 생존에 필수적인 자원이지만, 전 세계적으로 사용할 수 있는 담수의 양은 전체 물 자원의 1%에 불과하다. 나머지 99%는 바닷물과 빙하, 지하수로 이루어져 있는데, 이 중 바닷물은 대부분 염분 때문에 인류가 직접 사용할 수 없다. 그러나 기술의 발달로 이제 바닷물을 정제하여 식수나 생활용수로 사용할 수 있는 시대가 도래했다. 해수담수화 기술은 특히 강수량이 적고 강이나 호수가 거의 없는 지역에서 필수적인 역할을 한다.

 

전 세계적으로 인구 증가와 산업화로 인해 물 수요는 급증하고 있지만, 담수 자원은 한정되어 있어 해수담수화는 더 이상 선택이 아닌 필수적인 기술로 자리 잡고 있다. 특히 중동 지역과 같이 건조한 기후와 제한된 물 자원을 가진 지역에서는 해수담수화가 국가의 생존을 위한 필수 기술로 사용되고 있으며, 많은 국가가 이 기술을 통해 안정적인 물 공급을 확보하고 있다.

 

해수담수화의 필요성은 지리적, 기후적 조건뿐만 아니라 기후 변화로 인한 가뭄과 같은 자연 재해의 증가로 더욱 절실해졌다. 이러한 문제를 해결하기 위해서는 기존의 물 자원을 효율적으로 활용하는 것뿐만 아니라, 바닷물과 같은 대체 자원을 적극적으로 활용하는 것이 중요하다.

 

해수담수화 기술의 발전

 

해수담수화 기술은 크게 두 가지 방법으로 나뉜다. 첫 번째는 증류법이다. 증류법은 바닷물을 가열하여 염분과 여러 이온을 포함한 물을 증발시킨 후, 이를 냉각하여 응축함으로써 순수한 물을 얻는 방식이다. 이 방법은 1980년대까지 널리 사용되었지만, 가열에 많은 에너지가 필요해 비효율적이며, 화석 연료 사용으로 인해 환경 문제를 유발할 수 있다는 단점이 있다. 그로 인해 증류법은 점차 사용이 줄어들고 있으며, 현재는 더 효율적인 기술들이 등장하고 있다.

 

▲ 증류법의 원리(출처=선박해양플랜트연구소 블로그)  © 특허뉴스

두 번째로 주목받는 방법은 역삼투법이다. 역삼투법은 고농도의 바닷물에 압력을 가해 반투막을 통해 염분을 제거하고 순수한 물을 얻는 방법이다. 이 기술은 증류법에 비해 에너지 소비가 적고, 대규모 담수화 설비에서 주로 사용되고 있다. 역삼투법은 고도의 기술적 발전을 통해 더욱 효율적이고 환경 친화적인 방법으로 자리 잡고 있다.

 

▲ 역삼투법의 원리(출처=선박해양플랜트연구소 블로그)  © 특허뉴스

역삼투법을 사용하는 대표적인 사례로는 두산에너빌리티의 해수담수화 기술이 있다. 두산은 필터와 활성탄을 이용해 바닷물 속 불순물을 제거하는 기술을 개발했으며, 이를 통해 기존의 역삼투압 여과장치가 가진 문제점을 해결했다. 기존 장치들은 역삼투막 유닛의 전단에 많은 부하가 걸리고 후단으로 갈수록 처리 효율이 떨어지며, 유지보수도 어려운 단점이 있었다. 그러나 두산의 기술은 다수의 역삼투막 유닛을 두 단계로 배열해 효율적인 담수화와 함께 유지보수를 간편하게 만들어 비용 절감 효과를 가져왔다.

 

▲ 역삼투시스템 및 이를 포함하는 해수 담수화 시스템(출처=윈텔립스, 분할 10-2021-01794447)  © 특허뉴스

뿐만 아니라 두산에너빌리티는 축전식 탈염 전극과 역삼투법을 결합한 기술을 개발하여 더 나은 담수화 성과를 얻고 있다. 축전식 탈염 전극은 전극에 전기를 가해 이온 불순물을 제거하는 고도의 수처리 기술이다. 이 기술은 물 속에 녹아 있는 염분을 제거하는 과정에서 에너지를 덜 소모하며, 친환경적인 방식으로 주목받고 있다.

 

▲ 축전식 탈염 전극을 이용한 해수 담수화 시스템(출처=윈텔립스, 10-2020-0029422)  © 특허뉴스

해수담수화 기술은 여러 국가와 기업에서 성공적으로 적용되고 있으며, 그중에서도 GS건설의 해수담수화 프로젝트는 주목할 만한 성과를 보여주고 있다. GS건설은 압력지연삼투법을 이용한 복합 담수화 시스템을 개발했다. 이 기술은 해수와 하수처리장의 배출수를 결합하여 담수화를 수행하는 방식이다. 즉, 해수뿐만 아니라 하수처리장에서 배출된 물을 재이용해 깨끗한 물을 생산하는 친환경적인 시스템이다. 이 시스템은 하수와 해수 모두를 담수화할 수 있어 환경 보호와 에너지 효율성을 동시에 실현할 수 있는 혁신적인 기술로 평가받고 있다.

 

또 다른 성공적인 사례는 한국에너지기술연구원에서 개발한 태양광을 이용한 해수담수화 기술이다. 한국에너지기술연구원은 복합발전 시스템을 통해 해수담수화에 필요한 에너지 소비를 최소화하는 기술을 개발했다. 이 기술은 태양광 발전 유닛과 염분차 발전 유닛을 결합해 해수담수화 과정에서 필요한 전력을 공급하며, 이를 통해 담수화 과정에서 발생하는 에너지 소비를 대폭 줄였다.

 

▲ 복합발전을 이용한 담수화 시스템(출처=윈텔립스, 10-2018-0117111)  © 특허뉴스

이 복합발전 시스템은 단순히 물을 담수화하는 데 그치지 않고, 농축 염수의 염 농도를 낮추거나 농축 염수의 생산을 최소화하는 방식으로 처리한다. 이를 통해 해수담수화 과정에서 발생할 수 있는 환경적 부담을 줄이고, 에너지 효율성을 극대화할 수 있는 것이 이 시스템의 장점이다. 이와 더불어 한국기계연구원은 태양광과 다른 신재생에너지를 이용한 고효율 해수담수화 복합공정 시스템을 개발해 해수담수화 기술의 발전을 선도하고 있다.

 

▲ 신재생에너지를 이용한 고효율 해수담수화 복합공정 시스템(출처=윈텔립스, 10-2019-0120714)  © 특허뉴스

해수담수화의 미래와 전망

 

해수담수화 기술은 앞으로 물 부족 문제 해결의 중요한 열쇠가 될 것이다. 현재 많은 국가들이 이 기술에 의존해 안정적인 물 공급을 확보하고 있으며, 특히 중동, 아프리카, 아시아 일부 지역에서는 이미 해수담수화가 중요한 물 공급원으로 자리 잡고 있다.

 

향후 해수담수화 기술은 에너지 소비를 줄이고, 환경 영향을 최소화하는 방향으로 더욱 발전할 것으로 예상된다. 신재생에너지와 결합된 담수화 기술이 그 중 하나이다. 태양광, 풍력, 지열과 같은 신재생에너지를 활용해 해수담수화 공정을 더욱 친환경적으로 만드는 것이 목표이다. 또한 농축 염수 처리 문제를 해결하기 위한 새로운 기술도 개발되고 있으며, 이를 통해 해수담수화의 효율성이 더욱 높아질 것으로 보인다.

 

결론적으로 해수담수화 기술은 지구의 물 부족 문제를 해결하는 데 매우 중요한 역할을 할 것이다. 이 기술은 지속 가능한 방식으로 인류가 필요로 하는 물을 공급하며, 동시에 환경 보호와 에너지 효율성도 고려한 첨단 기술로 발전하고 있다. 앞으로도 해수담수화 기술은 전 세계적으로 널리 사용될 것이며, 이를 통해 인류는 지속 가능한 미래를 향해 나아갈 수 있을 것이다.

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