지구온난화가 야기한 기운변화는 건조한 곳은 더 건조하게 만들고, 특정시기 특정지역에만 국한돼서 물 부족현상을 더욱 가속화시킬 전망이다. 우리가 살고 있는지구에는 약 14억㎢의 물이 존재하지만 그 중 약 97%가 해수이고 인류가 사용하는 담수는 약 3%에 불과하다. 담수 중 약 70%가 남극과 북극의 얼음이나 히말라야 등의 빙하이니 일반 하천이나 호수 등 비교적 용이하게 이용할 수 있는 물은 전체의 0.01%에 불과하다. 물의 절대량 부족과 수요의 급격한 증가는 세계적인 물 부족 현상을 심화시키고 있다. 실제로 UN은 2025년에 약 27억 명이 담수 부족에 직면할 것이고, 전 세계 국가의 5분의 1이 심각한 물 부족 사태를 겪을 것으로 전망하기도 했다.
수천 년 전부터 사용한 담수화 기술
바닷물 식수로 만드는 방법은 수천 년 전부터 사용 고대 그리스 선원들은 바닷물 끓인 뒤 식수로 사용하고, 현대에 이르러 더욱 정형화되었을 뿐, 바닷물을 끓여서 발생한 증기를 냉각시켜 담수로 만드는 증발식과 큰 압력으로 바닷물을 반투막에 통과시켜 소금을 걸러내 담수로 만드는 역삼투압식이 대표적이다. 먼저 그전에 담수플랜트에 대한 용어를 알고 가야하는데 담수플랜트란 바닷물을 증발시키거나 막을 통과시켜 염분뿐만 아니라 다수의 무기 염류를 제거하여 공업용수, 식수 등 인류가 사용할 수 있는 담수를 생산하는 공정과 설비를 총칭한다. 점점 기술은 정교화 보편화되어서 가격도 싸지게 되었다 그래서 현재는 전 세계 177개국에서 운영되고 있다. 물론 우리나라는 이 기술의 수출국으로 유명하다. 설치된 곳들은 대부분 소득이 높은 국가에 몰려있다. 이 전 세계 해수담수화 플랜트에서 하루동안 생성되는 물은 1,000억 리터에 육박한다.
특히 국토에 강이 전혀없는 사우디아라비아는 식수와 농업용수의 대부분을 해수담수화에 의존해서 전 세계 담수의 5분의 1을 사용한다. 하지만 이는 전초전으로 더 라인과 같은 미래도시 프로젝트가 진행되면 담수화 플랜트는 지금보다 훨씬 더 많아질 것이다. 물론 이는 사우디아라비아의 이야기만은 아니다. 하지만 해수담수화 플랜트의 증가에는 꽤나 큰 문제가 존재한다. 그것은 바로 온실기체인데 앞서 말한 증발식 해수담수화는 말 그대로 바닷물을 끓이는 방법으로 방대한 양의 물을 끓이려면 그에 상응하는양의 화석연료를 연소시켜야 하고, 그 과정에서 엄청난 양의 온실기체가 발생하기 때문이다. 이런 단점 탓에 2000년대 초부터는 증발식보다 바닷물을 걸러내는 역삼투식이 압도적으로 늘어나게 되었다. 하지만 역삼투압은 에너지의 소비량이 증발식 해수담수화 보다 2배 정도 적을 뿐 삼투압을 넘어서는 압력을 바닷물에 가해 반투막을 통과시키려면 어쨌든 에너지가 필요하고, 이 전력을 생성하는 과정에서 온실기체가 발생한다.
지난 2018년 이스라엘 텔아비브 대학교의 알론탈교수는 연간 해수담수화 과정에서 배출되는 연간 이산화탄소 배출량은 역삼투식에서만해도 무려 2억 3천만 톤이 넘는다고 밝혔는데, 현재 우리나라의 연간 이산화탄소 배출량이 약 6억 톤, 스페인이 2억 톤, 프랑스와 호주가 약 3억 톤인 것과 비교하면 엄청난 양인 것을 알 수 있다. 게다가 앞으로 물부족 현상이 심화되고 해수담수화 플랜트 기술이 필요한 곳이 더 늘어남에 따라서 2040년경 이 플랜트에서 배출되는 이산화탄소의 양은 무려 3배나 더 늘어날 전망이다. 지구온난화로 물부족현상이 심해지고, 이 때문에 해수담수화 플랜트의 수는 늘어나게 되는데, 이게 다시 온실기체를 배출시켜서 지구온난화를 가속시키는 형국이 되는 것이다.
담수화의 불편한 진실 = 농축수
그래서 많은 과학자들은 이를 위한 해결책을 모색하고 있다. 그중 하나가 태양에너지입니다. 현재 사우디아라비아에서 진행 중인 솔라돔 프로젝트는 사막 한 가우데에 커다란 돔과 그 주변에 거울을 배치하고, 바닷물을 끌어와 돔에 저장한 후 거울에 반사된 모인 빛으로 저장된 바닷물을 가열하는 방식이라 탄소 배출이 전혀 없습니다. 또 대규모 시설에는 무리지만, 소규모 단순화 시설에 태양광 패널을 설치해 여기서 만들어진 에너지로 담수를 만드는 친환경 해수담수화 프로젝트는 약 700원 정도로 1,000리터의 담수를 만들 정도로 가성비가 우수하다. 덕분에 실제로 현재 일부 개발도상국들의 마을에서는 이 기술을 도입해 사용하고 있다. 그런데 재생에너지로도 극복하기 힘든 해수담수화 기술의 가장 본질적인 문제가 남아있다. 바로 농축수다. 많은 사람들은 해수담수화하면 여러 과정을 걸쳐 만들어진 담수에만 주목을 한다.
그런데 삼투압과정을 위해 쓰인 고농축 소금물 농축수는 과연 어떻게 되는 걸까? 현재 대부분이 그냥 바다에 다시 버려진다. 예를 들어 역삼투압식의 경우 보통 2리터의 바닷물을 반투막에 투과시키면, 담수로 변하는 양은 약 50%인 1리터이고 나머지 1리터는 농축수가 되는데 이게 대부분 다시 바다로 배출된다는 이야기다. 지난 2018년 한국환경정책평가연구원에서 쓴 보고서에는 농축수에 대한 환경적 영향에 대한 문제점을 지적하고 있다. 미국만 하더라도 해수담수화 시설 중 48%가 농축수로 그냥 바다로 배출하고 있으며, 특히 고온 고염 상태의 농축수는 높은 염도 그 자체로도 문제지만, 염도가 높은 농축수에는 산소가 많이 녹지 못하기 때문에 농축수가 바다로 그냥 흘러 들어가게 될 경우, 해양 생태계를 파괴시킬 우려가 더 커질 수 있다. 실제로 해양 생물들에게 고농도의 농축수를 노출시킨 실험 결과, 동식물 플랑크톤이나 해초 같은 해양 생태계의 근간이 되는 생물들의 종 풍부도가 크게 줄어들었다. 뿐만 아니라 넙치 같은 어류들의 폐사는 물론, 오징어 같은 연체동물에서는 성장률과 알의 부하율 그리고 먹물 방어 능력 등이 감소된 사례가 관찰됐으며 굴과 바지락 같은 이매패류 역시 농축수에 노출된 결과 생존율과 번식률이 줄어든다는 사례들이 관찰되었다. 하지만 더 큰 문제는 상황이 이럼에도 불구하고, 농축수 배출 현황을 공개하는 경우는 매우 드물고, 미국, 호주, 일본등의 일부 지역을 제외하고는 대부분이 농축수 배출 기준이나 규제가 미미하다는 게 현실이다. 결국 재생에너지 기술로 온실기체를 해결하더라도, 해수담수화 기술은 무작정 환영받기 힘들다는 것이다. 과학자는 이를 위한 해결법을 찾고 있다. 근처 하수처리장 폐수를 농축수에 섞어 염도를 낮춘 후 보다 멀리 방류시키는 간단한 방법을 비롯해서, 최근에는 농축수에서 리튬, 마그네슘 같은 유용한 광물을 효율적으로 추출해 내는 연구가 진행 중이며, 농도가 높은 농축수와 담수 사이에 반투막을 설치하고, 여기서 발생하는 삼투압으로 전기에너지를 생산하는 에너지 회수 기술도연구되고 있지만, 하지만 대부분 연구들이 아직 초기 단계이고, 보편화되려면 시간이 걸릴 전망이다.
그 외의 기술 냉동법
(1) 직접 냉동법
직 접 냉동법에서 해수는 탈기탑과 열교환기를 거쳐 결정조로 들어가고 여기에서 해수는 냉매와 직접 혼합되어 냉매의 증발에 의해 얼음 결정이 석출 되고 농염수가 발생한다. 얼음은 세정탑에서 분리․세정되고 융해 장치에서 담수로 된다. 생산된 담수의 일부는 세정수로 사용되고, 농염수의 일부도 결정조의 슬러리 농도를 조정하기 위해 순환된다. 나머지는 열 교환기를 거쳐 배출된다. 직접 냉동법은 증발법과 비교해서 공정 중 이동되는 열량이 훨씬 적어 (기화열 539 cal/g, 응고열(융해열) 80 cal/g) 경제적이고 저온에서 운전되므로 부식 문제가 적어 plant 설비에 소요되는 재료비가 저렴해 초기 투자비가 적게 든다. 또 냉매 외에는 장치에 넣어야 할 화학 물질이 거의 없다. 그러나 해수의 빙점이 낮으므로 결정조 등의 장치에는 비교적 큰 진공 상태가 필요하고 냉매의 기화에 따른 부피 팽창으로 대형의 설비가 요구되며 또 보온 설비가 잘 되어야 할 필요성이 있다. 담수 생산 과정이 얼음 결정에서 농염수를 분리, 세정하는 공정이므로 생산수의 품질이 비교적 낮은 편이며 적절한 공정 통제가 어려운 점이 단점이다.
(2) 간접 냉동법
해수 유입구를 통해 유입된 해수는 열교환기를 거쳐 1차 냉각이 되면서 냉동실로 유입된다. 냉동실은 프레온 또는 부탄을 냉매로 이용하는 냉매 증발 냉각기가 설치되어 있으며 이 증발 냉각기를 통해 냉매와 해수가 열교환을 이루어 해수는 상태 변화를 일으키게 되고, 순수한 물이 얼은 고체 상태의 얼음 결정들과 나머지 액체 상태인 염수의 혼합 상태가 된다. 혼합된 상태로 공존하는 두 상태는 분리 장치에서 액체 상태의 염수와 고체 상태의 얼음 결정이 분리되며, 분리된 염수는 열교환기에서 유입되는 해수와 열교환을 한 후 방출된다. 얼음 결정은 분리 장치 내에 설치되어 있는 세정탑에서 세정 과정을 거친 후 융해 장치로 들어간다. 융해 장치에는 냉매를 응축시키기 위한 응축기 관로들이 설치되어 있으며, 이 융해장치에는 냉매는 응축이 되고 얼음의 결정은 냉매로부터 융해열을 얻어 담수가 된다. 생산된 담수의 일부는 세정탑으로 들어가 얼음 결정의 세정에 이용되며, 나머지는 플랜트로 유입되는 해수를 냉각시키는 열교환기를 거쳐 담수 저장조에 저장된다. 간접 냉동법의 특성은 직접 냉동법과 대동소이하며 다만 열교환이 냉매가 증발하여 냉각되는 냉각기의 격벽을 통해 이루어지고 많은 에너지가 냉매를 응축, 액화시키는 데 소모되므로 직접 냉동법에 비해 효율이 떨어진다.
우리가 당면한 과제
인류에게 꼭 필요한 담수화 기술은 혁신적이지만, 이러한 혁신적인 기술이 일반인들에게 알려질 때는 반드시 그 이면에 있는 단점도 충분히 언급되어야 된다고 생각한다. 사회가 이를 알고 기술을 받아들이는 것과 모르고 받아들이는 것은 분명한 차이가 있을 테니까 말이다.
댓글