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물 부족 문제와 순환 경제를 위한
해수담수화, 자원회수 기술 지속적인 연구·개발 필요

최근 기후변화에 따라 극한 가뭄과 극한 홍수가 발생하고 있다. 따라서 물 관리를 효율적으로 수행할 수 있는 물 관리 기술에 관한 관심이 증가하고 있다. 최근 물 부족 문제는 전 세계적으로 심화되고 있으며, 유네스코가 발행한 '2024년 유엔 세계 물 개발 보고서'에 따르면, 현재 22억 명이 안전한 식수에 접근하지 못하고 있으며, 35억 명은 열악한 위생 시설에서 생활하고 있는 것으로 보고되고 있다. 또한, 2022년 기준으로 세계 인구의 절반이 연중 일부 기간 동안 심각한 물 부족을 경험하고 있는 것으로 발표하였다(워터저널, 2024). 이러한 물 부족 문제 해결을 위해서 다양한 대체수자원 확보기술이 대두되고 있는데, 그중 해수담수화는 무한 자원인 바닷물을 이용해서 담수를 생산하는 기술이다. 과거 해수담수화 기술은 중동지역을 중심으로 보급되었으나 최근 전 세계적으로 물 부족 문제가 심각해지면서 유럽, 북미, 남미, 동남아시아 지역에서도 해수담수화 도입이 활발하게 진행되고 있다.

물 부족 문제 해결 위한 희망,
에너지 소모가 적은 ‘해수담수화’

해수담수화가 주목받는 이유는 지구상에서 우리가 바로 사용할 수 있는 수자원은 1%내외로 매우 적다는데 있다. 따라서 무한 자원인 바닷물을 이용해서 담수를 생산할 수 있다면 향후 전 세계 물 부족 문제를 해결할 수 있을 것으로 기대된다.

1960년대부터 해수담수화 기술이 개발되면서 현재까지 에너지를 줄이는 다양한 기술이 개발되고 있다. 가장 많은 시장 점유율을 가지고 있는 역삼투 공정은 기존 증발법 공정보다 에너지 소비를 많이 줄일 수 있는 장점이 있지만, 기존 수처리 공정과 비교할 때 여전히 에너지 소모가 높다는 기술적인 한계를 가지고 있다. 따라서 최근 해수담수화 공정에서 에너지 소모를 줄이기 위하여 다양한 방법이 시도되고 있으며, 그중 해수담수화의 염도차를 이용하는 방법, 신재생에너지와 결합하는 방법, 에너지 절감형 소재 및 공정기술을 이용하는 방법들이 적용되고 있다.

해수담수화 공정에서는 농축수가 발생하며, 공정에 따라 다르지만, 일반적으로 원수 대비 50% 정도의 농축수가 발생한다. 즉 해수의 50%가 담수로 생산되고 나머지 50%는 다시 바다로 방류된다.

최근 중동과 유럽에서는 해수담수화 공정에서 생산되는 농축수에 많은 관심을 기울이고 있다. 많은 비용을 들여서 배출되는 농축수의 경제적 손실도 크고 무엇보다 농축수에는 다량의 미네랄과 금속 이온이 포함되어 있다. 따라서 농축수에 포함된 유가 자원을 활용한다면 다양한 부가적 이익을 얻을 수 있다.

유럽에서 진행 중인 ‘Sea4Value’ 프로젝트는 유럽 8개 국가, 16개 기관이 참여하는 농축수 활용 관련 대표적 연구과제이며, 농축수에 포함된 10개 핵심 자원을 회수하는 연구가 현재 활발하게 진행되고 있다. 또한, 해수담수화 시장에서 가장 큰 시장을 가지고 있는 사우디아라비아에서도 최근 해수담수화 농축수와 관련된 다양한 실증 연구가 진행되고 있다. 따라서 농축수에 대한 연구는 해수담수화 기술의 새로운 패러다임을 바꾸는 중요한 연구 주제가 될 것으로 예상된다.

산업화에 따른 사회발전으로 인간 생활의 편의성은 급속하게 증가하고 있다. 이를 위하여 다양한 장치, 소재 산업이 발전하고 있는데, 이와 더불어 자원 소모가 급속하게 증가하고 있다. 하지만 지구상에 존재하는 자원은 매장량에 한계가 있어서 향후 자원 고갈에 따른 문제가 꾸준히 증가할 것으로 예상된다. 따라서 바닷물에 포함된 미네랄 성분 및 금속이온과 같은 자원을 효율적으로 활용한다면 자원 고갈 문제를 슬기롭게 해결할 수 있을 것으로 기대된다.

국내 해수담수화 기술의 활성화 위해…
끊임없이 연구하는 ‘한국건설기술연구원’

한국건설기술연구원에서는 세계 수준의 연구실 또는 팀을 집중적으로 육성하기 위하여 ‘World Top Class Laboratory(WTLC) 사업’을 추진하고 있다. 이와 관련하여 ‘농축수자원화연구실 (Green Desalination Research Lab.)’은 해수담수화 및 폐수처리 공정에서 발생하는 농축수를 저감하고 농축수에 포함된 유가자원을 회수하기 위하여 ‘Value in Brine’이라는 주제를 정해서 WTCL에 선정되었으며, 현재 연구를 활발하게 진행하고 있다. 특히 본 연구에서는 막결정화(Membrane Distillation Crystallization, MDC) 기술을 이용하여 농축수에 포함된 유가자원 회수와 관련된 연구를 집중적으로 수행하고 있다.

국내 해수담수화 기술의 활성화를 위해서는 해수담수화 분야의 꾸준한 연구 지원과 관련 산업의 발전, 그리고 인식 변화가 필요할 것으로 판단된다.
우선 해수담수화 기술은 국내 기업이 세계 시장 진입을 빠르게 할 수 있는 분야이며, 시장은 꾸준히 증가하고 있다. 따라서 국내 기업의 기술 경쟁력 확보를 위해서 핵심 기술에 대한 투자와 연구가 지속적으로 지원되어야 한다. 또한 해수담수화는 다양한 복합 플랜트 산업 기술이다. 이와 관련하여 국내 소재, 부품, 공정 설계, 운영 등 다양한 기업이 참여할 수 있도록 정부의 적극적인 지원이 필요하다.

마지막으로 해수담수화에 대한 인식 변화가 필요하다. 해수담수화는 바닷물을 이용하여 물 부족 문제를 해결할 수 있는 최신 소재, 장치 및 공정 기술이 집약적으로 포함되어 있다. 그리고 북미와 유럽을 포함한 다양한 선진 국가에서 활발하게 생활용수 공급을 목적으로 사용하고 있는 기술이다. 우리나라에서도 도서 지역에는 소규모 해수담수화 기술이 적용되어 주민들이 사용하는 생활용수를 원활하게 생산하고 있다. 따라서 해수담수화 공정을 통해서 생산되고 공급되는 물은 매우 안전하고 깨끗한 물이다. 또한 해수담수화 공정은 생활용수와 더불어 산업용수, 농업용수 등 다양한 곳으로 활용될 수 있다. 따라서 해수담수화 활용처와 시장은 꾸준히 증가할 것으로 예상되고 있다.

한국건설기술연구원 Green Desalination Research 연구실은 해수담수화 공정에서 발생하는 농축수를 줄이고 유가자원 회수를 위한 연구를 집중적으로 수행할 계획이다. 특히, 유가자원 회수 기술은 향후 폐수, 하수에 포함된 다양한 형태의 자원을 회수할 수 있는 기술로 확대가 가능할 것으로 판단된다. 또한 이차전지 재활용 과정에서 발생하는 폐수 저감 및 자원 회수 분야로도 확대 적용이 가능하다. 이를 위해서 한국건설기술연구원에서는 ‘중소·중견기업 동반 국내외 현안기술 지원사업’과 관련하여 이차전지 분야 애로기술 해결을 위하여 광양시에 위치한 ㈜에콤을 지원하고 있다.

한국건설기술연구원에서는 기존 해수담수화 분야를 포함하여, 산업폐수, 하수재이용 및 스마트 팜 분야에서도 농축수 저감 및 유가자원 회수를 위한 다양한 시도를 계획하고 있다. 또한 해외 선진 기관과도 국제협력을 추진하고 있다. 2023년에는 스페인 EURECAT과 해수담수화 분야에서 공동연구 추진을 위한 MOU를 체결하였으며, 올해에는 호주 시드니공대와 해수담수화 및 유가자원 회수분야에서 국제매칭공동연구를 수행하고 있다. 앞으로도 국내외 우수 연구기관, 대학, 기업들과 다양한 형태의 국제 공동 연구를 추진할 계획이다.

최준석 연구위원은 1996년 한국건설기술연구원에 입사 후 현재까지 25년 이상 상하수도 및 해수담수화 분야 연구를 수행하고 있으며, 현재 WTCL 사업으로 진행되고 있는 Green Desalination Research Lab.을 이끌고 있다. 또한 후학 양성을 위하여 과학기술연합대학원대학교(UST) 교수로 재직 중이며, 현재 한국건설기술연구원 스쿨 대표교수를 맡고 있다.