“차세대 해수담수화 기술 ‘막증발법’, 셰일가스 생산수 처리 등 활용가치 높아”

최준석 / 한국건설기술연구원 수석연구원

한국건설기술연구원 등이 주축이 된 국내 연구단에서 세계 최초로 막 증발법을 적용한 차세대 해수담수화 기술을 개발, 실증플랜트를 구축하는 성과를 냈다. 이 연구를 이끌고 있는 한국건설기술연구원 최준석 수석연구원을 만나 이 기술의 활용가치 등에 대해 들어봤다. 최 연구원은 한국건설기술연구원 국토보전연구본부 수석연구원으로 재직 중이며, 한국과학기술연합대학원(UST) 부교수로 활동하고 있다.<편집자주>

– 차세대 해수담수화 등 수자원과 관련된 연구활동을 하는 한국건설기술연구원 국토보전연구본부는 구체적으로 어떤 업무를 하는 곳인가.

한국건설기술연구원 국토보전연구본부는 “물과 사람의 조화를 위한 깨끗하고 안전한 물 확보 기술 개발”을 목표로 하고 있다. 이러한 목표를 실현하기 위하여 홍수나 가문, 수질, 수생태, 대기․폐기물 등 다양한 분야에서 발생하는 사회현안 문제를 적극적으로 해결하기 위하여 ‘안전한 국토조성’, ‘쾌적한 국토보전’, ‘편리한 생활환경 구현’ 및 ‘신지장과 물 산업 기술 혁신’ 4개 핵심전략 목표를 수립하고 10개 중점 연구분야를 선정하여 운영하고 있다.

현재 국내 200여명의 국내 최고 수준의 물분야 전문 연구인력이 본부조직 내에서 활발한 연구활동을 수행하고 있으며, 본부 내에 ‘하천실증연구센터’와 ‘통합물관리센터’가 운영되어 보다 적극적인 사회현안 문제에 대응하기 위한 신속한 조직 체계를 갖추고 있습니다.

국내 연구활동 외에도 해외 우수 연구기관과 다양한 연구교류 활동을 수행하고 있으며, 세계 최고 수준의 물관련 연구조직으로 활동하고 있다.

– 최근 차세대 해수담수화 기술로 꼽히는 3세대 막 증발법을 세계 최초로 개발해 화제가 되었다. 이 차세대 해수담수화 기술은 어떤 기술인가.

해수담수화는 해수를 담수로 만드는 복합플랜트 사업으로 그동안 증발법이 꾸준히 적용돼 왔지만, 2000년대부터 역삼투법으로 시장이 전환되고 있는 상황이다. 하지만, 최근 기존의 해수담수화 기술인 증발법과 역삼투법의 장점을 이용한 새로운 개념의 막증발법(Membrane distillation, MD) 기술이 각광받고 있다.

수처리용 정밀여과막(Micro-filtration membrane)은 폴리머 재질의 0.1~0.5 μm급의 미세한 공경을 갖고 있어 일반적으로 수처리 공정에서 오염물질 제거를 위해 적용되고 있으며, 물이 잘 통과될 수 있는 친수성의 성질을 갖고 있다. 이러한 수처리 여과막의 성질을 변경시켜 물이 잘 통과하지 못하도록(소수성) 제조할 경우 물은 통과하지 못하고 기체 상태의 증기만 통과된다.

막증발법은 이러한 소수성의 성질을 갖는 여과막을 이용, 가열된 해수의 증기만 통과시켜 냉각시킨 후 담수를 생산하는 기술이다. 막증발법은 기존 증발법보다 낮은 60~80℃의 저온 조건에서 운전이 가능하고, 기존 역삼투법보다 저압인 1~2 bar 조건에서 운전이 가능한 장점이 있다. 특히, 고농도의 원수를 처리할 수 있는 가장 큰 기술적 장점도 갖고 있다.

– 이번에 개발된 기술은 MSF, MED, RO 등 기존의 해수담수화 공정에 비해 어떻게 다르며 어떤 장점을 갖고 있나.

막증발법은 기존 증발법보다 낮은 60~80℃의 저온 조건에서 운전이 가능하고, 기존 역삼투법보다 저압인 1~2 bar 조건에서 운전이 가능한 장점이 있다. 특히, 고농도의 원수를 처리할 수 있는 가장 큰 기술적 장점도 갖고 있다.

1세대 기술로 평가받는 증발법은 바닷물을 가열, 증발시킨 후 냉각시켜 물을 생산하는 전통적인 방법이다. 하지만, 물 증발을 위해 많은 에너지가 소요된다.

2세대 기술인 역삼투법은 역삼투막을 이용, 고압으로 바닷물에 포함된 염분을 제거하는 방법으로 담수 생산을 위해 고압으로 운전돼야 하는 단점이 있다.

이에 비해 막증발법은 낮은 운전 온도와 낮은 압력 조건에서 담수 생산이 가능하고 높은 농도 조건에서도 담수 생산에 성능 제약이 없는 장점들이 있다.

<그림> 막 증발 공정 원리

– 특히 이 기술을 적용한 실증플랜트도 구축했다고 들었다. 실증플랜트의 규모나 설비 현황 등을 소개한다면.

현재 부산 기장에 1,000 ㎥/일 규모의 역삼투 공정을 적용한 실증 플랜트와 400㎥/일 규모의 막증밥 공정을 적용한 실증플랜트가 설치되어 있다. 이중 막증발 공정을 적용한 실증플랜트는 세계 최대 규모이다. 본 실증플랜트에서 국내 순수 기술로 개발된 막증발 공정 전용 모듈이 설치되어 있으며, 본 기술은 국내 순수기술로 개발된 기술이다. 또한, 역삼투 공정을 적용한 실증플랜트는 해수담수화 분야에서 국내에서 가장 큰 규모인 연구시설이다.

MD 복합탈염 플랜트 내외부 구조

– 이 기술이 상용화되면 기대할 수 있는 산업적, 경제적 효과는.

이 기술은 농축수 배출 문제 해결을 통해 기존 복합탈염 공정, 특히, SWRO 공정의 적용성 확대와 경쟁력 확보에 크게 기여할 전망이다. 특히, 그동안 버려지는 농축수로부터 에너지와 유가자원을 회수하는 동시에 농축수의 농도와 총량을 감소시켜 부가가치 창출과 환경 영향 최소화도 실현할 것으로 기대를 모으고 있다.

또한, 이번 차세대 해수담수화 실증 플랜트 기술의 개발, 구축을 통한 국내 해수담수화 담수화 기술 발전으로 전 세계적으로 한 단계 도약하는 기회가 마련될 것으로 예상된다. 향후 이 기술은 고농도 폐수가 발생하는 셰일 가스 생산수 처리 분야에 적용될 전망이다.

– 이와 같은 차세대 해수담수화 플랜트의 핵심 공정과 설비 등의 기술개발이 특히 필요한 이유는 무엇이라고 생각하나.

기후변화에 따른 해수담수화 시장은 지속적으로 증가할 것으로 예상되고 있으며, 해수담수화는 물부족 문제를 해결할 수 있는 가장 근본적인 기술이다. 그러나 해수담수화 시장이 과열되면서 현재 해수담수화 시장은 레드오션으로 인식되고 있으며, 전 세계 주요 해수담수화 기업의 영업이익율이 2%를 넘지 않는 것으로 조사되고 있다.

따라서 이러한 해수담수화 시장에서 살아남는 방법은 핵심 기술 확보가 필요하며, 핵심기술 확보와 신기술을 바탕으로 하는 새로운 시장 창출이 필요하다. 또한, 해수담수화 기술은 소재, 장치 및 공정 기술이 융합되어 있는 복합기술로써, 기술 개발에 따른 관련 기업으로의 파급효과가 매우 크다. 따라서 기술 개발에 따른 국내 중소기업의 상생 발전이 가능한 기술 분야로 인식되고 있다.

– 해외 선진국과 비교해 국내의 해수담수화 기술의 수준은 어느 정도이며 앞으로 국내에서 특히 연구개발에 매진해야할 해수담수화 분야의 기술이나 설비를 꼽는다면.

1세대 기술은 증발법에서는 우리나라 두산중공업이 가장 앞선 기술과 시장경쟁력을 확보하고 있다. 다만 최근 해수담수화 시장이 역삼투법으로 변경되고 있어서 해수담수화 분야에서 시장 점유율이 감소하고 있다.

외국에서는 GE나 Veolia 같은 다국적 거대기업이 해수담수화 시장 분야를 주도하고 있다. 따라서 지속적인 개발을 위해서 소재, 장치 및 공정 분야에서 핵심기술 개발이 필요하다.

특히, 해수담수화 공정의 핵심 기술이라고 할 수 있는 고압펌프, 에너지회수장치 등은 국산화와 현장 적용이 반드시 필요하다.

– 끝으로 개인적으로 이외에 하고 싶은 연구나 포부가 있다면.

해수담수화 기술 개발 경험을 바탕으로 물부족 문제 해결을 위한 전문가로 활동하고자 하며, 특히 아프리카 등 물부족 지역에서 저렴하게 물을 생산할 수 있는 기술 개발에 관심이 많다. 따라서 향후 이러한 물부족 국가에 다양한 경험과 지식을 전파할 수 있는 활동을 하고 싶다.