바닷물을 식수로 만드는 획기적인 휴대용 담수 장치를 MIT 한종윤 연구팀이 개발했다. 미 육군이 실제 재난 상황에서 활용하려고 휴대 담수화 연구를 지원했다. 지구온난화로 해수면이 더 높아지며 발생하는 식수 구하기 문제를 해결할 수 있다. 해수 담수화는 붕소 제거가 난제로 남아있다.
1. MIT 한국인 연구팀 휴대용 담수화장치
한종윤 유정효 연구팀
미국 매사추세츠 공과대학(MIT)의 전기공학· 컴퓨터과학과 한종윤 교수와 윤정효 박사 연구팀이 휴대용 담수화 장치를 자체개발했다. 이는 환경과학 기술 저널(Environmental Science and Technology)에 발표되었다.
가로 42cm, tpfh 33.5cm, 두께 19cm로 서류가방에도 들어간다. 무게도 배터리 포함해서 불과 9.4kg이다. 1시간에 330ml의 맑은 물을 만들어 낸다. 식수는 염도가 1리터당 0.5g 미만이다. 붕소 제거 기술이 보완되어야 한다.
이 분야 최초 효율적 휴대 장치
연구팀은 매사츠세츠 카슨 비치에서 이 장비를 가동해 현장 실험을 한 결과 식수를 만드는 데 성공했다. 이전에 개발된 휴대용이나 이동식 해수 담수화 장치는 적절한 생산속도와 에너지 효율성 면에서 실제로는 활용할 수 없는 수준이었다. 이번 성과는 실제 현장에서 사용할 수있는 수준이어서 이 분야의 사실상 최초 장치이다.
휴대 담수장치는 대규모 플랜트와는 목적이 다르다. 식수로 회수하는 비율은 최대 2.5%로 높지 않다. 전극 헹굼 용액으로 바닷물을 사용하기 때문이다. 이로 인해 식수로 걸러내고 바다로 돌려보내는 나머지 소금물 농도는 염도가 원래 바닷물과 큰 차이가 없고 환경에 미치는 영향도 거의 없다.
미 육군의 지원
이 연구는 미국 육군의지원을 받았다. 미 육군 전투능력개발 사령부(DEVCOM) 솔져 센터 소속의 에릭 부랙 연구원도 참여했다. 미국 측에서는 군사적 목적으로 이 담수화 기술에 많은 관심을 보인다. 현재 연구팀은 이 기술을 상용화하기 위해 스타트업을 준비하고 있다.
WHO의 담수 기준 충족
연구팀의 만들어진 물은 세계보건기구의 식수 기준에 적합하다. 재난 상황에서 물 문제를 해결하는 데 크게 도움이 될 것이다. 다만 붕소 농도는 바닷물 속 농도를 그대로 유지했다. 붕소는 역삼투막을 통해서도 제거가 쉽지 않다.
연구팀은 바닷물을 투입하는 펌프없이 중력에 의존해 장치를 가동할 수 있는지도 실험했다. 40리터 물탱크를 장비보다 1m 더 높은 곳에 설치하고 계속 바닷물을 보충해서 지면에서 1.5m 수위를 유지하게 했다. 그 결과 가동에 문제가 없었다.
식수 1리터 생산에 23.3Wh의 전력을 소비하는 이 장치는 총전력이 10W미만이다. 태양광 패널 150~ 200W/㎥와 충전식 배터리팩 100~265Wh/kg의 리튬이온 배터리를 통해 가동할 수 있다.
작동 방법
장치에 소형 배터리가 포함돼 있고, 시중에서 쉽게 구할 수 있는 휴대용 태양광 장비를 연결할 수 있다. 스마트폰으로 조절가능하고 버튼과 표시창 등 제어장치가 별도로 부착되어 있어 전기가 없는 곳과 스마트폰 신호가 없는 곳에서도 작동이 가능하다.
장치에 들어간 전자막 수명이 5~8년 으로 기존 역삼투 방식이나 전기투석 방식보다 장시간 가동된다. 장치의 에너지 효율을 개선하는 작업은 계속 진행하고 있다.
휴대용 장치의 특성을 살리기 위해 여과막 크기를작게 만들면서 동시에 대규모 해수 담수화 플랜트 수준의 에너지 효율을 달성하기는 어렵다.
투석 방식
연구팀은 전기 투석 방식(ED)에서 양이온 교환막(CEM)만 채택하고 이온 농도 분극 방식(AEM)을 결합했다. 이온농도 분극 단계에서 추가 에너지없이 부유 물질을 제거해 깨끗한 물을 만들기 때문에 염분 제거를 당당하는 양이온 교환막이 오염되는 것을 막아준다.
이를 통해 전기 투석 방식보다 전류 이용률(CP)을 최대 20%개선할 수 있었다. 또하나 물에 녹아있는 염분은 물론 세균 기름방울 같은 찌꺼기도 제거할 수 있게 되었다.
*전기 투석(ED)방식은 음이온 교환막과 양이온 교환막 등 격막을 통해 전류를 흘려 담수를 만드는 공정이다. 양쪽에는 전극을 놓고 전압을 걸어 액체 속의 양이온은 음극으로, 음이온은 양극으로 향하게 이동하게 한다.
이온 교환막의 작용에 의해 염류의 농축액과 희석액이 번갈아 생성되면서 염분이 농축되며 제거된다. 전기 투석은 다양한 염분 농도에서도 유연하고 효율적인 운영이 가능한 장점이 있다.
전기막은 극성을 반전시킬 경우 자체 세척성이 있어 장기간 사용할 수 있다. 다만 문제는 걸러진 찌꺼기를 제거할 수 없다.
2. 시장에 나와 있는 역삼투압(RO)방식 담수화 장치
1시간에 24~ 32리터의 물을 만들 수 있지만 무게가 24~62kg으로 무겁고 소비전력도 100~ 400W로 큰 편이다. 무엇보다 역삼투 방식은 오염에 취약해서 멤부레인(여과막)을 자주 교체해야 하는 애로사항이 있다.
이 분야에서 한국이 경쟁력 1위이다. 부산시 기장군에 장치가 있다. 하루 생산량이 4만5000 ㎥ 규모이다. 너무나 잘 걸러 미네랄을 보충하고 산도(ph)를 조절한 다음 공급하게 된다.
국내에서는 안전성 논란으로 신기술이 적용된 시설도 가동하지 못한 적이 있다. 주민과 환경단체가 고리 원자력발전소에서 배출하는 방사능 물질이 수돗물에 섞여 들거갈 수 있다고우려했기 때문이다.
정부도 항구적인 가뭄 대책으로 해수담수화 시설 설치를 검토되고 있다. 해수 담수화는 신성장 동력이다. 부산시는 2025년까지 해수담수화 산업 클러스터를 조성하고 제2담수화 시설도 유치하겠다고 발표했다. 두산중공업, LG화학, GS건설, 포스코가 이 분야에 적극적이다.
3. 태양광 장치 담수화 시설
2019년 사우디 연구팀이 외부 전원없이 다단계고정식 태양광 장치로 바닷물을 음용수로 만드는 데 성공했다. 태양광을 이용해 전기도 생산하고 마실 물까지 생산하는 장치이다. 물 생산 속도가 1시간에20ml정도로 실용성이 떨어지는 문제점을 해결하고자 계속 연구가 되고 있다.
참고로 2019년 환국환경산업기술원의 국내 연구진이 바닷물 뿐 아니라 하수도물까지 식수로 만드는 정삼투 방식을 개발했다. 전력을 많이 사용하는 역삼투 방식의 대안이며 두 방식의 융합방식이다.
2022년 이번 휴대용 정수장치는 한국인 연구소의 쾌거이다. 미 육군은 실제 재난 상황에서 식수를 해결하고자 이 연구를 지원했다. 다만 해수 담수화는 어떤 투석방식이든 붕소를 제거하는 기술이 아직 난제이다.
참고로 2019년 환국환경산업기술원의 국내 연구진이 바닷물 뿐 아니라 하수도물까지 식수로 만드는 정삼투 방식을 개발했다. 전력을 많이 사용하는 역삼투 방식의 대안이며 두 방식의 융합방식이다.
2022년 MIT 한종윤 연구팀의 휴대용 정수장치는 해수면 상승에 따른 식수 구하기 문제를 해결할 실마리다. 미 육군은 실제 재난 상황에서 식수를 해결하고자 이 연구를 지원했다. 다만 해수 담수화는 어떤 투석방식이든 붕소를 제거하는 기술이 아직 난제이다.
