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가뭄이 장기화되면서 그동안 현실성 없는 무모한 계획으로 간주돼온 대규모 담수공장이 국내에서도 본격 추진될 조짐이다. 무진장한 지원이기도 한 바닷물을 담수로 만드는 방법에는 어떤 것들이 있을까.

인간이 살아가는 데 없어서는 안될 중요한 요소중의 하나가 물이다. 물은 급속한 공업화에 따른 공업용수, 인구증가 및 밀집화에 따른 생활용수 등 그 소요량이 날이 갈수록 증가하고 있다. 하지만 자연에서 민물로 사용할 수 있는 물의 양은 극히 제한돼 있다. 따라서 현재 이의 보충방법으로 거의 무제한에 가까운 바닷물에서 민물을 생산해 내는 해수 담수화설비에 주목하고 있다.

주로 중동국가에 설치돼

91년 말 현재까지 해수 담수화설비는 세계적으로 약 9천개 정도가 건설됐거나 설치중인데, 이는 주로 중동국가에 산재한다.

해수 담수화 방법에는 증발법 추출법 냉동법 역삼투법 이온교환법 전기투석법 등이 있다. 증발법 추출법 냉동법 역삼투법은 염분을 함유한 물에서 담수만을 분리해내는 방법이고 이온교환수지법과 전기투석법은 염분을 제거해 물을 남기는 방법이어서 서로 기본적으로 차이가 있다. 생산하는 담수의 순도도 방법에 따라 현저히 달라진다.

증발법은 염분 50ppm 이하의 순수에 가까운 것을 얻을 수 있다. 그러나 이 물을 생활용수로 사용하면 비누가 지나치게 풀리는 등 문제가 있기 때문에 무기물 첨가 등의 후처리 공정을 거쳐서 사용할 필요가 있다. 냉동법이나 전기투석법은 전체 염분의 농도가 5백-3백ppm으로 하는 것이 경제적으로 유리하다. 이온교환수지법은 공급물의 농도가 5백ppm 이하에서 비로소 고려대상이 되지만 대단히 고순도인 물을 얻을 수 있다.

또한 이용하는 에너지 종류도 방법 선택에 중요한 요소가 된다. 태양열이 강한 넓은 부지를 얻을 수 있다면 태양 에너지를 이용하는 천일법을 택할 수 있다. 발전소의 안에 있으면 안정적으로 공급되는 저압수증기의 공급을 받아 다단 플래시 증발법을 이용할 수 있다. 지열 폐열 등 저가의 에너지원이 있으면 적극적으로 그 이용을 고려할 만하다. 따라서 해수담수화 공정의 선택은 투자비, 운전비, 물의 순도, 안정성 등을 고려, 신중히 선택해야 한다.

가장 보편화된 증발법

전 담수화 공장의 70% 이상을 차지하고 있는 것이 증발법이다. 이 방법은 그만큼 가장 보편화된 방법인데, 다단 플래시 증발법과 증기 압축식 증발법 등이 있다.

다단 플래시 증발법은 증발기 내의 압력을 낮게 하며 비등점이 낮아지는 성질을 이용, 비교적 낮은 온도에서 응축수를 얻을 수 있도록 하는 것이다. 즉 증발기 내의 압력을 낮게 유지해 해수중에서 증발된 물을 채취하는 것이다. 이 방법은 증발기 해수가열기 펌프류 탈기기 약품처리공정 등으로 구성돼 있으며 그 흐름은(그림1)과 같다.

이 방법의 담수생산 과정은 다음과 같다. 우선 해수는 해수 취수설비를 거쳐 모래 어패류 등이 제거되고 해수급수 펌프를 통해 증발기 내의 열방출부의 관 안으로 유입된다. 여기서 열을 흡수한 해수는 대부분 바다로 되돌려 보내지고 그중 일부가 보충수로서 사용하게 된다.

보충수는 탈기기를 거치면서 부식에 심각한 영향을 미치는 산소가 제거된다. 그리고 나서 증발기 내의 열방출부에서 순환되는 해수와 함께 열회수부의 관 안으로 들어가 증발되는 담수를 식혀주는 역할을 한다. 이때 해수 자신도 가열되는 효과를 얻는다.

증발기를 통과한 해수는 해수가열기를 마지막으로 통과하면서 증발에 필요한 열을 공급받게 되는데, 가열증기는 주로 발전소의 저압증기를 사용함으로써 에너지비용을 줄일 수 있다. 해수가열기를 통과한 해수는 증발기 내로 들어가 각 단을 거치면서 차례차례로 농축된 해수 및 담수로 생산되는데, 각 단에서 생산된 담수를 마지막 단에 모아서 증발기 외부로 뽑아내 담수를 얻는다. 이때 농축된 담수 중 일부는 바다로 방출하고 나머지는 앞서와 마찬가지로 새로운 해수를 보충받아 똑같은 과정을 되풀이해 담수를 연속 생산한다.

이 방법은 스케일 발생 및 에너지 소모량이 비교적 큰 단점이 있다. 그러나 단위설비로 대용량의 담수를 만들 수 있으므로 대형 플랜트에서는 가장 많이 채택되고 있다. 현재 설치돼 있는 단위설비당 최대용량은 4만5천${M}^{3}$/일이다.

다음으로 증기 압축 증발법은 기체를 단열 압축하면 기체의 압력과 같이 온도도 상승해 높은 온도에서 응축하는 원리를 이용하는 것이다. 이때 공급해수를 가열하는 데 별도로 증기를 공급받는 것이 아니라 압축기를 이용한다. 즉 플래시된 증기를 압축기로서 압축해 온도를 높이고 압축된 수증기를 증발용 공급해수 가열용 열원으로 사용하는 것이다.

공급해수는 방출되는 농축해수와 응축수에 의해 일차 가열되고, 이렇게 가열된 해수는 다시 압축된 수증기에 의해 필요 온도까지 가열된 후 증발기에 들어간다. 증발기에서는 플래시 증발이 일어나며 플래시된 수증기는 앞서 설명한 바와 같이 압축기에 의해 압축, 온도가 상승된다.

이 압축된 수증기는 일차 가열된 공급해수에 의해 응축, 생산 응축수로 모아진다. 이 방법도 물론 다단으로 설치할 수 있다. 현재 이 방법은 단위 생산량당 압축기의 동력소모가 낮은 장점이 있지만 압축기와 열교환기 등의 설치비가 고가다.

그러나 다른 증발법에 비해 저온에서 작동, 비교적 저렴한 재료의 사용이 가능해서 건설비가 적게 들고 전기만으로 작동하기 때문에 2천t/일 이하의 중소형 해수담수화에 많이 이용된다.
 

용제를 사용하는 추출법

해수중의 염류나 순수한 물을 선택적으로 용해시킬 수 있는 용제를 사용해 순수한 물을 분리시켜 얻는 방법이다. 현재까지 수용액에서 염류만을 용해하는 용제는 찾아내지 못했으나 해수로부터 물을 추출할 수 있는 용제를 사용하는 역추출법은 가능하다.

역추출법은 유기용제를 공급해수와 접촉시켜 물을 용제로 써 추출하고 물이 함유된 용제만을 별도로 증류 또는 냉각시켜서 물과 용제를 분리하는 방법이다. 그러나 이 방법은 사용되는 용제가 고가이고 장기사용이 어렵다. 또 생산된 물에 용제가 포함될 가능성이 많고 시설비도 고가이므로 현재 시험단계에 있는 실정이다.

얼음을 해수와 분리시키는 냉동법

해수를 어는 점 (-17℃) 이하로 냉각시키면 얼음이 된다. 이 얼음을 해수와 분리시켜 용해, 물을 얻는 방법이 냉동법이다. 이 방법에는 냉동제와 해수를 직접 접촉시키는 방법, 가압냉동법, 수화물냉동법 등이 있다.

이 방법은 물의 증발잠열보다 융해잠열이 적은 점, 장치가 타방법에 비해 적게 부식되는 점 등의 이점이 있다. 그러나 결빙시 상당한 시간이 소요되고 해수로부터 얼음을 분리하기가 어렵다. 또 결빙체인 얼음을 취급하는 것도 쉽지 않으며 조작온도 압력 등을 항상 일정하게 유지해야 하는 점 등의 결점도 있다.

이 방법을 채택한 경우 현재까지 1백-2백t/일 정도의 생산규모밖에 되지 않고 있다. 앞으로도 이 방법을 사용하려면 시설비의 절감, 공정의 개선 등 개발 노력을 더욱 기울여야할 것이다.

물과 해수의 삼투압차 이용하는 역삼투법
 

막분리 기술의 발달로 인해 담수 플랜트의 20% 정도가 역삼투법을 이용하고 있다. 역삼투법이란 순수한 물과 해수의 삼투압차를 이용해 해수로부터 순수한 물을 얻는 방법이다. 공급해수에는 압력을 가하고 반투막 다른 쪽의 순수한 물에는 압력을 가하지 않은 상태로 두면 해수로부터 물만 반투막을 통과하게 된다. 이렇게 해서 순수한 물을 얻는 것이 역삼투법이다(그림 2와 사진 1).
 

이 방법의 장점은 기존 증발법에 비해 에너지 소모가 $\frac{1}{2}$-$\frac{1}{3}$정도로 적고 상온에서 운전되므로 증발법에 의해 스케일발생이나 부식이 일어나지 않아 운전이 용이하다는 것이다. 또 해수의 수질변화 등이 자유로워 그 응용범위가 급격하게 확대되고 있다(그림 3).

이 방법에서 가장 중요하고 기본이 되는 인자는 해수로부터의 염분 제거율, 반투막을 통과하는 물의 흐름 및 반투막의 수명 등이다. 염분의 제거율이 높아지면 반투막을 통과하는 물의 흐름은 적어지게 되며 그의 반대도 또한 성립한다.

한편 반투막은 조작 압력에 충분히 견디며 작동할 수 있어야 한다. 반투막은 해수가 직접 접촉하므로 불순물의 퇴적, 박테리아의 부착 등으로 인해 물의 통과량이 적어지게 된다. 따라서 공급되는 해수를 교반시키고 반투막 표면이 깨끗이 유지되도록 퇴적물 제거장치를 설치해 사용하는 것도 물의 통과량을 감소시키지 않는 한가지 방법이 된다.

에너지 면만을 고려하면 증발법보다 유리하다고 판단되나 투자비, 정비, 막의 수명 등을 다각도로 검토해야 한다. 현재 막오염, 농도 분극, 해수의 전후처리에 관련된 문제점들이 많이 해결되고 막의 수명도 2-3년 정도로 늘어나 실제 담수화 적용이 늘어나고 있다.
 

고분자의 이온교환수지를 사용하는 이온교환법

이온교환이란 잘 알고 있는 바와 같이 고분자의 이온교환 수지를 사용해 불필요한 염류 이온을 이온교환 수지중의 ${H}^{+}$ 또는 ${OH}^{-}$ 이온과 교환 제거함으로써 목적하는 순수한 물만 남도록 하는 것이다.

처음 해수의 담수화에 이온교환법을 적용 해볼 때는 시설비가 적게 들기 때문에 매우흥미 있었다. 그러나 실제로 해수와 같이 용존염류의 농도가 높은 경우에는 황산이나 가성소다 등 이온교환 수지 재생에 필요한 약품이 많이 소모됐다. 또 쉽게 이온교환 수지가 포화돼 이온수지 전체를 새로운 것으로 자주 교환해 주어야 하는 어려움이 따르게 됐다.

따라서 이 방법은 용존염류가 5백ppm 이하 정도의 경우에만 경제적으로 적용할 수 있다. 특히 대용량의 플랜트에 적용하는 것은 앞에서 설명한 것처럼 수지 재생비 및 수지 교환비 등 운전비 유지비가 매우 많이 소요되기 때문에 선택하기 어렵다.

염류농도 2천ppm 이하에서 경제적인 전기투석법

해수를 이온 투과막으로 구분된 처리조에 넣어 전기를 통과시키면 해수중에 용존된 양이온은 양이온 투과막을 통해 선택적으로 음극방향으로 이동하고, 음이온은 이와 반대로 음이온 투과막을 통과해 양극방향으로 선택적으로 이동한다. 이를 이용한 방법이 전기투석법인데, 이들 두 투과막 사이에 잔류하는 해수중의 용존염류 농도는 낮아지게 된다.

용존이온 농도에 따라 알맞게 전류를 공급하면 용존이온이 제거되고 물만 남게 되는데, 이때 전류 소비량은 용존이온 농도에 비례한다. 그러나 용존이온 농도가 줄어들면 전류의 전도도 감소하기 때문에 용존염류 5백ppm 이하의 물을 얻기란 실제로 어려운 일이다.

이 방법도 역삼투법에서의 경우와 마찬가지로 이온 투과막의 제조가 어렵고 제조 설치된 투과막도 효율이 좋지 못하다. 투과막의 전기저항이 증가해 전기 소모량이 증가할 뿐만 아니라 해수중에 생존하고 있는 박테리아 등에 의한 투과막의 손상 등으로 인해 시설비 유지비가 크게 들고 제조 생산수의 순도도 불량해 대용량의 플랜트에는 채택하기 곤란하다. 즉 해수의 염류농도 2천ppm 정도에서는 경제적으로 이 방법을 적용할 수 있지만 35g/L 이상의 염류농도인 해수의 담수화에는 채택하기 어렵다.

지금까지 해수의 담수화에 대한 공정의 종류와 이들 과정에 대해 간단하게 살펴보았다. 이상의 여러 방법 중 대형 플랜트에는 다단플래시 증발법이 가장 보편적으로 사용되고 있다. 비록 담수의 생산비가 천연수에 비해 비싸다는 큰약점이 있지만 최근 들어 심해진 가뭄 및 공업용수 부족으로 인해 우리나라에서도 해수담수화 설비가 가까운 장래에 선보일 것으로 보인다.

해수담수화에서 제일 중요한 것은 얼마만큼 싸게 물을 만들 수 있느냐 하는 점이다. 현재 여러가지 특징을 가진 해수 담수화 장치가 실용화되고 있는데, 지역조건이나 설계능력에 따라 방법 선정도 폭이 넓혀지고 있다.