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최근 전세계적으로 인구증가와 도시화에 따른 물 부족 현상이 심화되고 있다. 특히 상수도와 하수처리장 등 수자원 인프라가 부족한 도서 산간이나 해안지역, 저개발국 등에서 더욱 심각한 상태다. 전문가들은 이 문제의 해법으로 지역 여건에 맞춘 중소규모의 독립 전원 해수 담수화 플랜트 설치를 꼽는다.
물론 해수에서 염분을 포함한 용해물질을 제거와 고순도의 음용수·생활·공업용수를 생산하는 해수 담수화 기술은 이미 상용화돼 있다. 하지만 기존 역삼투압 방식은 에너지 사용량이 많아 태양광·풍력 등 현지의 독립 전원 발전설비로 감당하기에는 무리가 있었다.
이런 가운데 최근 국내 연구진이 에너지 소비를 획기적으로 줄일 수 있는 차세대 해수 담수화 기술 개발에 성공했다. 김유창 한국기계연구원 열공정극한기술연구실 박사팀이 개발한 '정삼투(FO)-역삼투(RO) 하이브리드 담수화 공정'이 그것이다.
김 박사는 "초기의 해수 담수화는 해수를 증발시켜 담수를 얻는 증발공정이었지만 현재는 삼투압보다 큰 압력을 가해 담수를 분리하는 역삼투압 공정이 대세로 자리잡고 있다"며 "이번 FO-RO 하이브리드 공정은 에너지 효율을 향상시켜 중소형 플랜트에 최적화된 3세대 기술"이라고 밝혔다.
김 박사팀의 FO-RO 하이브리드 공정은 해수보다 삼투압이 높은 고농도 유도용액을 활용, 삼투압 차이만으로 해수에서 염분을 분리하는 1차 FO 공정과 물과 희석된 유도용액에 압력을 가해 유도용액과 담수를 분리하는 2차 RO 공정으로 설계돼 있다.
부산 한국해양대학교 내에 설치된 파일럿 플랜트를 통한 실증실험 결과 이 공정은 1톤의 담수 생산에 4~10kWh의 에너지가 필요한 역삼투 공정 대비 약 15~20%의 에너지 절감이 가능하며 미량 유해물질도 99%까지 제거되는 것으로 확인됐다. 또 분리막의 오염도가 적어 2년마다 분리막 교체가 요구되는 역삼투 공정과 달리 유지보수비 부담도 경감된다. 덕분에 담수 1톤당 생산단가를 1,200~1,300원대(역삼투압 공정)에서 1,000원 이하로 낮출 수 있다는 것이 연구팀의 설명이다.
김 박사는 "지금까지 파일럿 규모의 FO-RO 하이브리드 해수 담수화 플랜트 설계·제작·운용기술을 확보한 곳은 영국의 모던 워터가 유일하다"며 "이번 실증은 세계 두 번째의 성과로 성능은 동등 이상"이라고 강조했다.
김 박사는 또 "FO 담수화 기술은 이론적 가능성이 제시된 지는 오래됐지만 분리막의 성능한계와 재분리의 어려움 때문에 번번이 실용화에 실패한 난제였다"며 "FO-RO 하이브리드 공정은 해수 담수화에 더해 하수나 초고염도 폐수의 농축처리 등에도 활용성이 높다"고 전했다.
연구팀은 현재 파일럿 플랜트를 스케일업해 상용 플랜트에 적용할 수 있는 기술 확보에 주력하고 있으며 오는 2015년 실증플랜트를 건설한 뒤 중동시장을 중심으로 본격 상용화를 추진할 계획이다. 한편 담수생산량 1만톤 이하의 중소형 해수 담수화 플랜트 시장은 연간 11조원대에 달하며 전체 해수 담수화 플랜트 시장의 약 40%를 차지하고 있다.
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