하이브리드 데스를 활용한 물 부족 대비

KIST, 수열과 태양에너지를 활용한 막증류법 개발 지역 기후 특성에 맞는 맞춤형 막증류 기술을 통해 시스템 효율을 극대화하는 것이 목표다.

국립과학기술연구회

이미지: 다양한 막 증류 구성에 대한 생산량 및 효율성 비교더보기

출처: 한국과학기술연구원(KIST)

깨끗한 물은 인간의 생존에 필수적입니다. 그러나 식수로 사용할 수 있는 담수는 3% 미만입니다. 세계기상기구(WMO)가 발표한 보고서에 따르면 전 세계적으로 약 10억 명의 식수 부족 현상이 나타나고 있으며, 2050년에는 그 수가 14억 명으로 늘어날 것으로 예상된다.

바닷물에서 담수를 생산하는 해수담수화 기술은 물 부족 문제를 해결할 수 있다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 물순환연구단 송경근 박사 연구팀이 태양에너지와 수열을 결합한 하이브리드 막증류 모듈을 개발했다. 담수화 과정에서 열에너지 소비를 줄이기 위한 히트펌프.

역삼투 및 증발 방법은 비교적 일반적인 해수 담수화 공정입니다. 그러나 이러한 방법은 높은 압력과 온도에서만 작동할 수 있습니다. 이에 비해 막증류법은 흐르는 원수와 막으로 분리된 처리수의 온도차에 의해 발생하는 증기압을 이용하여 담수를 생산하는 방식이다. 이 방식은 대기압보다 낮은 0.2~0.8bar의 압력과 50~60℃의 온도에서 담수를 생성할 수 있어 에너지 소비가 적은 장점이 있다. 그러나 대규모 작업에는 더 많은 열에너지가 필요합니다. 따라서 상업적 운영을 위한 열에너지 사용을 줄이기 위한 연구가 필요합니다.

막 증류에는 질량 전달과 열(에너지) 전달이 동시에 이루어집니다. 원동력인 증기압차를 발생시키기 위해 막의 처리수 측에 적용되는 모드에 따라 직접 접촉 막 증류(DCMD)와 공극 막 증류(AGMD)로 구분됩니다. 고에너지 공급을 위해서는 고온의 원수와 저온의 처리수를 막 표면(즉, DCMD)에 직접 접촉시켜 물을 생산하는 방식이 유리하다. 반면, 낮은 에너지 공급의 경우 원수와 처리수를 직접 접촉시키는 것보다 공극을 통해 전달되는 열(열손실)을 줄이는 것이 효율이 더 높습니다(그림 1 참조). 따라서, 차가운 표면 위에 응축하여 물을 생성하고 막과 응축 표면 사이에 공기 간극(즉, AGMD)을 유지하는 모드가 바람직합니다.

KIST 연구팀은 태양에너지와 수열 히트펌프를 활용한 시스템 성능과 경제성을 비교하기 위해 1개월간 현장 테스트를 진행해 하이브리드 담수화 기술을 개발했다. 태양에너지 병행 운전 시 열수 히트펌프만을 이용한 막증류 방식에 비해 생산량은 9.6% 증가(그림 2 참조)하고, 에너지 사용량은 30% 감소(그림 3 참조)했습니다. 또한, 태양에너지 유무에 따른 열에너지 소모량을 비교한 결과, 태양에너지를 추가 열원으로 사용한 경우 막증류 플랜트 공정의 효율이 최대 17.5% 증가한 것으로 나타났다.

송 박사는 “우리가 개발한 하이브리드 담수화 기술은 담수 생산에 필요한 에너지 소비를 줄일 수 있어 물 부족에 직면한 일부 산업단지와 도서지역에 물을 공급하는 방법으로 볼 수 있다”고 말했다. 연간 일사량은 우리나라의 1.5배에 달하는 중동, 동남아 지역의 주요 상수도시설에 적용되고 있습니다. 이어 “막증류는 원수 수질에 큰 영향을 받지 않기 때문에 수질 오염으로 인해 원수 수질이 심하게 오염된 지역과 중금속 검출률이 높은 지역에 식수 공급이 가능할 것”이라고 덧붙였다.