1. 개요
海 水 淡 水 化 / Water desalination해수 속의 염분을 제거하여 담수로 만드는 일련의 과정.
2. 목적
바닷물을 담수화하는 경우 해수 담수화, 기수(강 하구 등에서 바닷물과 민물이 섞인 것)를 담수화하면 기수담수화, 폐수를 담수화하면 폐수담수화라고 부른다. 해수 담수화의 경우, 지구 표면의 70%를 차지하는 바다의 물을 담수화 하는 작업으로 식수, 공업용수등의 공급을 원활히 하려는데 그 목적이 있다.대한민국은 담수가 풍부해서 이것의 필요성을 잘 못 느끼는 경우가 많지만 작은 섬처럼 담수가 부족한 곳은 담수화 시설로 수돗물을 공급한다. 해외에는 특히 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 경우이며, 대한민국도 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 가짜 무전 떡밥에 낚인 것도 이런 이유 때문. 사우디 같은 물부족 국가는 유전과 거의 동급의 주요 관리 시설로 취급받는다.
해수 담수화 사업을 가장 적극적으로 추진하고 있고, 증발법 분야의 최고 기술을 보유 하고 있는 기업은 두산에너빌리티. 그들이 사우디아라비아에 지어놓은 라스 알 카이르 플랜트는 세계 최대규모의 담수화 시설로 이름이 높다. 대략 하루에 350만 명이 쓸 수 있는 양을 생산한다. 관련 기사[1] 이 외에도 싱가포르에서도 상당한 수주를 따내 해수 담수화 시설을 건설했다.
또한 2016년 2월 대한민국에서도 부산광역시 기장군에 해수 담수화 시설을 만들었으며, 추후 해수 담수화 수돗물을 공급할 예정이다. 부산은 상수도의 취수 비중이 너무 낙동강 하나에 치우쳐 있어서 이를 완화하기 위하여 만든 것이다. 하지만 취수구가 고리 원자력발전소에서 직선거리로 불과 11km 정도 떨어져 있어서 일부에선 반대를 하고 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.[2] 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, 우주정거장에서는 오줌을 걸러서 담수화시키는 상황까지 간다.[3] 사실 호흡과 땀으로도 물이 배출되기 때문에 담수화를 아무리 잘해도 물이 부족해지기 쉬운 환경이라 샤워조차 제대로 못하는 경우가 많다.
3. 방법
크게 증발식과 역삼투식(RO, reverse osmosis), 정삼투식(FO, forward osmosis), 냉동식으로 나뉘며 자주 쓰는 건 앞의 두 방식이지만, 에너지 비용에서 자유로운 중동국가가 아닌 곳에서는 주로 역삼투식을 채택한다. 물 1t을 생산하는 데 드는 에너지가 증발식은 6~12㎾h가 드는 데 비해 역삼투 방식은 3~7㎾h밖에 들지 않기 때문이다. #3.1. 증발식
증발식은 가장 확실하게 순수한 물을 끌어낼 수 있으나 비용이 많이 든다. 때문에 주로 값싸게 불을 낼 수 있는 중동 산유국에서 사용 중이다. 또한 가열하는 방법에 따라서 환경오염을 일으킬 수 있다. 주로 중동 산유국에서 석유를 사용하여 가열을 하는 방식은 생성되는 이산화 탄소도 엄청난지라 지구 온실 효과에도 영향을 준다. 요즘은 태양열을 이용하여 가열하는 방식이 나오기도한다.
증발식에도 다단증발식(MSF, Multi Stage Flash)과 다단효용(증발)식(MED, Multi Effect Distillation)로 보통 나뉘어지며, 다단증발식이 증발식 전체의 60% 이상을 차지하고 있다.
3.1.1. 다단증발식
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 있어 대형 플랜트에 많이 쓰고 있으며, 크기가 대형화함에 따라 큰 열원이 필요하다는 점에서 발전소 플랜트와 결합된 형태가 많다.3.1.2. 다단효용식
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, 다단증발식에 비해 비교적 소형화가 가능하다. 다단증발식이 담수 1톤을 생산하는데 10~16kWh를 소모하고, 다단효용식은 6~12kWh 정도라고 한다.3.2. 역삼투식
RO(역삼투식)는 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.
3.3. 정삼투식
FO(정삼투식)는 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 분자가 반투막을 통과하게 되고 반투막을 통과할 수 없는 염이나 부유물 그 외에 여러 성분들이 걸러진다. FO는 농도에 따른 물 분자의 확산을 이용하기 때문에 특별히 많은 에너지가 필요하지 않지만, 결국 최종적으로는 유도용액을 만들기 위해 넣어준 용질을 제거하는 과정이 따로 필요한게 문제라서 사용처가 줄어드는 추세이다. 담수화공정에서는 FO 그 자체를 탈염(desalination)을 위해 사용한다기보단 RO를 위한 용액을 만드는데 흔히 사용한다.RO를 이용한 담수화플랜트는 일반적인 해수의 수많은 부유물이 높은 압력에서 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 방법이다.
3.4. 냉동식
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 방식이다. 이 중 일부는 앞서 얘기한 세정수 용도로 재사용한다. 설비의 부식 염려가 적고 냉매 외의 화학물질 투여도 최소화되는 장점이 있으나, 반면 얼음으로 만들고 세척해도 잔여물질이 남아있을 가능성이 있어 다른 두 방식에 비해 얻어내는 물의 품질이 다소 낮은 편인데다 또한 필요한 설비의 규모가 크고 진공 및 보온 대책이 확실해야 해 생산 공정의 통제가 어렵다.4. 문제점
지구상의 물의 97퍼센트가 해수이고 3퍼센트가 담수[4]이다. 그 97퍼센트의 해수를 담수로 전환시키면 지구상의 물부족 문제를 해결하는 꿈의 기술이 될 수 있다. 하지만 이는 현실적으로 어려움이 많다.-
지나친 전력 소비
미국 가구당 하루 물 소비량은 약 1100리터로 알려져있다. 바닷물을 담수로 바꾸는 증류장치로 이 정도의 물을 생산할 경우, 장치 가동에 6000킬로와트시의 전력량이 필요하다. 한 가구분의 물을 만드는데 하루 800달러(한화 약 108만원)의 전기료가 발생한다. #
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지나친
이산화탄소 발생
바닷물 2t을 담수 1t으로 바꾸는데 무려 1.8kg의 이산화탄소가 발생한다.
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농축수 처리 문제
담수로 바꾸고 남은 농축수를 처치하기 곤란하다. 이를 바다로 그대로 방류하면 주변 해역의 염도가 급격하게 상승하여 생물에게 피해를 입힐 수 있다. 그래서 이를 최대한 절감하는 기술을 개발하고 있다. #
5. 나라별 현황
5.1. 대한민국
- 2016년 8월 9일 기준 약 100여 개의 해수 담수화 시설이 있다. # 대부분 섬 위주로 많이 사용된다. 연안을 벗어나 수십명에서 수백명 정도 사는 섬들이 꽤 많다. 삼시세끼 어촌편에서도 이 담수설비가 고장나서 이틀동안 요리도 제대로 못하고 씻지도 못하는 에피소드가 나온 적이 있다.
- 2018년에 바닷물을 살균 및 담수화하면서 전기까지 생산하는 해수 전지를 개발했다. #, # 말그대로 1석2조인 기술로 여러분야에 활용할 수 있다고 한다. 가령 배에 탑재해서 생태계에 문제를 일으키지 않도록 살균처리를 하면서 전기 및 물을 생산하거나, 바다에 떠있는 조명을 반영구적으로 사용할 수 있거나, 원전이 바닷물에 침수되어도 전기공급을 할 수 있거나 등등...
- 2010년대 부산에서 기장해수담수화 # 사업을 추진했지만, 취수구가 고리원전과 가깝다는 이유로 환경단체를 중심으로 한 일부에서 반대하여 약 5년 간의 갈등 끝에 공업용수로만 사용하는 것으로 가닥을 잡았다. #
2022-2023년 한반도 가뭄 문제로 인해 한국 내 물 부족이 심해되자 본격적인 기술 활용 논의에 돌입했다.
5.2. 싱가포르
싱가포르는 뉴워터(NEWater)라고 부르는 하수를 재생한 재생수를 사용하고 있다. 싱가포르 수자원공사(PUB)에서 생산/관리한다. 공장은 베독, 크란지 등에 있다. [5]5.2.1. 재생 과정
집수는 길이 48km, 지하 10~20미터에 위치한 대심도 하수처리터널(Deep Tunnel Sewerage System)을 통해서 가정, 공장 및 산업시설에서 나온 하수와 폐수를 모아 일주를 뉴워터 공장으로 보낸다. 생산 공정은 다음과 같다.
1단계는 미세/초미세여과(microfiltration,ultrafiltration)로 미세 입자와 박테리아를 걸러내는데 막 생물반응기(Membrane Bioreactor)를 사용하는데 이는 기존의 생물 반응기, 침전조, 미세/초미세여과막을 통합한 것이다. 필터의 굵기는 0.04마이크론 정도이다.
2단계는 역삼투압을 이용해서 물 분자만 통과시키고, 바이러스, 박테리아, 중금속, 방향족 탄화수소[6], 농약을 결러낸다. 이때는 1단계보다 100배 더 작은 0.0004마이크론 크기의 구멍으로 물을 걸러내는데 여기까지만 거쳐도 세계보건기구의 음용수 기준을 충족한다. 현재 미국/캐나다에서는 2단계까지 정화한 물을 사용하고 있다.
3단계는 자외선 소독으로 남아 있는 박테리아와 바이러스를 소독한다.[7]
5.2.2. 활용
뉴워터는 일반적으로는 웨이퍼 제조 공장과 같은 불순물이 없는 물이 필요한 곳에서 산업용으로 사용되고, 가뭄 등으로 인해 음용수가 부족할 때에는 저수지의 원수와 혼합하여 수돗물로 공급되기도 한다. 도입초기인 2002년에는 국민들의 거부감이 심해서 공업 및 산업용수로 사용했지만,이후 인식 개선으로 음용수, 생활용수로도 활용된다. 2060년까지는 전체 물 수요의 55%를 뉴워터로 공급할 계획이다.6. 여담
- 생존주의 용도로 자연증발을 이용한 담수기와 역삼투압 펌프식이 있다. 다만 자연증발식은 부피도 크고 최적의 상황에서 좋은 제품을 써도 1제곱미터당 하루종일 담수화 시켜서 물 한잔 정도밖에 안 된다. 역삼투압 펌프식은 가격도 비싸고 관리가 까다로우며 물 생산량도 한 시간 펌프해서 소형이 1리터 미만, 대형이 4리터 가량만 생산할 정도다. 외부 동력으로 작동하는 큰 물건은 요트 등에 장착해서 사용한다.
7. 대중매체
- 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 상온 핵융합로인 팔라듐 리액터로 가동된다. 현실의 핵잠처럼 전력 걱정이 없는지 식수는 물론이거니와 함장을 비롯한 여성 크루들이 목욕을 할 수 있을 정도로 담수가 넉넉하다.
- 심시티 시리즈 - 심시티 3000과 닌텐도 DS판 심시티에서 탈염시설을 만들 수 있다. 바닷물 인근에 건설하면 수돗물을 공급해준다.
8. 관련 문서
[1]
걸프전 당시 사우디아라비아에 주둔하고 있던
미군들은 담수화된 물을 식수로 사용하였는데, 미군들은 담수화된 식수를 썩은 수영장의 물맛이라고 불평하였다. 미군은 그래서 아예 통크게 자국산 생수를 톤단위로 직접 공수해 쓴다. 그러다보니 아프간 같은 내륙지에 군사시설을 세우면 가장 많이 들어가는 비용이 건설비도 아니고, 물자를 실어나를 수송기 기름값도 아닌 그 안에 들어있는 식수 구입비라고 할 정도이다.
[2]
그래서
해군 장병들은 청수 낭비에 민감하여 절약하는 습관을 가지고 있다. 과거에는 세수대야 한 바가지 분량으로 몸을 닦고 세탁까지 한다는 말이 허언이 아니다.
[3]
바다에서는 바닷물에서 물만 분리하면 되는데 우주는 그것마저 없으니 H₂O를 어디서든 일단 긁어와야 한다.
[4]
이 중에서도 3분의 2는 빙하이다.
[5]
#
[6]
물에서 나는 냄새의 원인
[7]
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[8]
근거:
https://en.wikipedia.org/wiki/Desalination