해수담수화 처리방식

왜 배우는가: 해수담수화는 물 부족 해결책으로 확대되고 있어 실무에서 처리방식 선택의 기준이 된다. 열적 방식과 막분리 방식의 원리와 한계를 구분하는 문제가 여러 회차에 반복 출제되었다.

출제 이력: 제133회 3교시 1번, 제132회 3교시 5번, 제129회 3교시 2번, 제122회 2교시 2번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

해수담수화 처리방식은 해수의 염류를 제거해 음용·공업용 담수를 얻는 방법으로, 상변화를 이용하는 열적 방식과 막의 선택 투과성을 이용하는 막분리 방식으로 나뉜다.

• 해수담수화: 염분을 낮춰 담수를 얻는 처리 전반
• 다단순간증발법(MSF): 압력을 단계적으로 낮춰 바닷물을 순간 증발시키는 열적 방식
• 다중효용증발법(MED): 증발로 생긴 증기를 다음 단계 가열원으로 재사용하는 열적 방식
• 역삼투법(RO): 삼투압보다 높은 압력으로 막을 통해 물만 통과시키는 막분리 방식
• 전기투석법(ED): 전기 에너지로 이온을 막을 통해 이동시켜 염분을 제거하는 방식
• 농축수(브라인): 염분이 농축된 부산물로 배출 시 환경 문제를 일으킨다
• 에너지 회수장치: 농축수가 가진 압력 에너지를 담수 쪽으로 되돌리는 장치

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면 바닷물에서 소금을 빼서 마실 물을 만드는 기술이다. 해수의 염분 농도는 대략 3.5% 수준이며, 이를 음용 가능한 수준까지 낮추는 것이 목표다.

열적 방식은 바닷물을 가열해 증기를 만들고 이를 응축해 담수를 얻는다. 소금과 불순물은 증발하지 않고 남는다. 증발법이라고도 하며, 에너지 사용이 많은 것이 특징이다.

막분리 방식은 막의 선택적 투과성을 이용한다. 물 분자는 통과시키고 염 이온은 막에서 걸러낸다. 가열이 필요 없어 상변화가 없으며, 역삼투법이 대표적이다.

삼투 현상은 농도가 낮은 쪽의 물이 농도가 높은 쪽으로 이동하는 현상이다. 이때 생기는 압력이 삼투압이다. 농도가 높은 쪽에 삼투압 이상의 압력을 가하면 물의 이동 방향이 반대로 바뀐다. 이를 역삼투 현상이라 하며, 역삼투법의 원리가 된다.

농축수는 담수를 얻고 남은 고농도 염수다. 막분리 방식은 원수의 일부만 담수로 바뀌므로 농축수 발생량이 많아진다. 이 부산물을 해양에 방류할 때 주변 생태계 영향을 고려해야 한다.

3. 등장 배경과 필요성

인구 증가와 산업 발달로 담수 수요가 늘었다. 강수량이 지역과 계절에 따라 편중되어 있어 내륙 수자원만으로는 부족한 지역이 많다. 연안 도시와 도서 지역은 바닷물을 원수로 쓰는 방법이 현실적인 대안이 된다.

초기에 상용화된 열적 방식은 담수 생산에 많은 열에너지를 소모했다. 연료비와 설비 운영비가 높아 경제성이 낮았다. 이 한계를 줄이기 위해 막분리 방식이 개발되었다.

역삼투법은 같은 양의 담수를 열적 방식보다 적은 에너지로 생산할 수 있다. 1960년대 이후 역삼투막의 소재와 구조가 개선되면서 실용화가 진전되었다. 현재 신규 해수담수화 설비는 대부분 역삼투법을 채택한다.

그러나 두 방식 모두 에너지 사용과 농축수 발생이라는 문제를 안고 있다. 해수 역삼투 공정은 막 오염과 전처리 부담도 크다. 그래서 에너지를 더 줄이는 정삼투법, 농축수를 줄이는 막증발법 같은 신기술이 함께 연구되고 있다. 이 방식들은 기존 처리방식의 한계를 보완하려는 흐름으로 이해하면 된다.