탄소중립을 위한 친환경 기술 혁신 중 담수화 기술

우리나라에서는 지표수 사용이 놀라울 정도로 높기 때문에 추가적인 물 수요를 충족시키기 위한 새로운 물 공급원 공급이 한계에 도달하고 있으며, 기존의 물 공급원 오염으로 인한 물 부족은 점차 악화하고 있습니다. 유엔이 발표한 자료에 따르면 한국은 물 부족 국가로 분류되어 있으며, 최근 환경부의 발표는 5년 안에 심각한 물 부족 현상이 발생할 것으로 예측합니다. 이를 위해 정부는 2001년까지 필요한 물 공급을 보장하기 위해 30개 이상의 댐을 건설할 계획. 그러나 환경문제나 지역 불만 등 여러 가지 복잡한 문제로 인해 이 목표를 수정하는 것은 불가피해 보입니다. 반면 지표수 가용성이 높은 우리나라의 물 공급 시스템은 가뭄에 매우 취약하며, 가뭄이 발생할 때마다 지역이나 국가 전체에 심각한 피해를 줍니다.

 

대체 또는 보완 수자원으로 간주하는 목표에는 지하수, 중수, 인공강우, 해수 담수화 등이 포함됩니다. 지하수 개발은 가뭄 동안 농업과 공업용수를 확보하기 위해 많은 것을 이룬 최초의 분야 중 하나. 그러나 신뢰할 수 있는 지하수가 개발되지 않은 한국의 지질학적 특성 때문에 대규모 지하수 개발에는 한계가 있습니다. 따라서 해수 담수화를 통한 해수 담수화는 그 지역에 유리하며, 다량의 물을 소비하는 섬과 산업지역은 해수 담수화를 대표하는 지역으로 볼 수 있습니다. 수자원 개발이 한계에 이른 한국의 현재 상황을 감안할 때 해수 담수화는 물 공급을 적극적으로 감시할 필요가 있는 시점에 이르렀습니다. 따라서 우리는 다음 기회에 해수 담수화의 현황과 전망에 대해 논의할 것입니다.

해수 담수화 기술의 종류와 특성

바닷물이나 소금물을 담수화해 물을 공급하는 기술은 열에너지로 용수와 순수를 분리해 상변화 없이 용매나 물을 선택적으로 분리하는 기술로 차이가 있습니다. 첫 번째 방법은 해수 온도를 동결점 이하로 낮추고 작은 얼음 조각을 형성함으로써 해수를 응축시켜 담수를 보존하는 증류를 포함합니다. 반투막을 이용한 전기투석, 이온교환수지를 이용한 역삼투법이 있으며, 이 기법들은 형식에 따라 다른 부분으로 나뉘며 약간 다릅니다. 각 담수화 기술의 기본과 특성에 대한 요약입니다.

증발식 담수화 기술

이 기술은 세계 최대의 담수화 시설입니다. 기본 원리는 바닷물을 끓여 증기를 응축하는 것인데 열에너지 공급 및 회수 유형, 다중 유틸리티 방법, 다중 유틸리티 방법, 다중 플래시 증기, 압축 및 태양에너지에 따라 달라집니다.

 

전처리 된 해수는 외부 열원에서 가열된 증기로부터 열을 흡수하는 첫 번째 방으로 방출됩니다. 이 첫 번째 빛에서 소금물은 첫 번째 사용치보다 약간 낮은 압력으로 증발하여 유지되며, 마찬가지로 첫 번째 나사산의 바닷물에서 두 번째 나사산으로 증발한 증기가 전달됩니다. 두 번째 방에서 증기는 첫 번째 방에서 유익한 소금물(파이프 벽)로 응축 지연 시간을 잊고 이러한 응축 지연 열에 의해 재구성되는 칸막이벽 표면에 응축됩니다. 즉, 증기의 액화열은 소금물의 증발열로 재사용됩니다. 기압은 기압보다 낮기 때문에 기체의 응축과 함께 기압보다 낮은 온도로 유지됩니다. 이 증발과 응축 과정은 실로 반복되고 응축된 증기를 사용하여 신선한 물로 생성됩니다. 이 다중 효용 방법은 사용되는 증발기 형식에 따라 다르지만, 챔버에서 생성된 증기가 다음 실에 응축되어 이 응축 대기열을 증발열로 재사용한다는 원칙은 동일합니다. 증발기에는 깊은 튜브, 박막, 수직 및 수평 파이프가 있습니다.

 

멀티방 플래시 방식은 열교환기 표면에 수증기를 응축 및 회수해 담수를 생산하는 기술. 첫 번째 탱크를 통과하는 나머지 바닷물은 압력과 온도가 1차 탱크보다 낮은 2차 탱크로 흘러 들어가 2차 불꽃을 일으킵니다. 시스템의 마지막 탱크를 통과하면 어떤 부분이 배출되고, 어떤 부분이 공급 물과 혼합되어 재순환됩니다. 공급된 물은 증기 응결을 위한 냉매로 각 탱크의 열교환기를 통해 용해된 가스를 역순으로 배출하여 플래시 탱크를 통해 공급됩니다.

 

증기 압축법은 증기 압축기의 절연 압축에 의해 증발기에서 발생하는 증기를 같은 그룹의 해수 가열 증기로 재공급하여 담수를 얻는 방법. 증발기에 미리 가열된 바닷물이 공급되기 직전 순환전류에 연결돼 증발기 본체의 열 파이프에 도달해 가열 비율을 높입니다. 생성된 증기는 집광기 상단에서 분리되어 압축되며, 열 파이프의 이표 면에 응축되어 담수를 생성합니다. 발생한 증기의 압축 방법은 압축기를 이용한 기계적 압축 방식과 증기를 이용한 증기 배출량만큼 가압 방법이 적용되며 운전 원칙은 동일합니다.

 

태양열 증류 과정은 태양 에너지, 바다 증발, 그리고 응결을 이용하여 담수를 생산하는 방법입니다. 태양증류 구조는 투명한 온실구조로 바닷물을 증발시켜 증발시키기 위한 중형 및 대형 설비에 적합하지 않은 단순한 기술로 알려져 있습니다.

냉동식 담수화 기술

용해는 냉매의 응축열로 얼음 분할에 의해 발생하며, 냉매는 세척 후 용해로 유도됩니다. 용해된 물에서 발생하는 증기의 일부는 세척수로 세탁물에 공급되고 나머지는 열교환기를 통해 담수 탱크에 저장됩니다. 해수 동결 타입에 따라 직간접 냉각이 가능합니다.

 

직접 냉각하면 바닷물은 탈기식 타워와 열교환기를 통해 결정에 들어가 냉매와 직접 혼합됩니다. 여기서 얼음 결정은 냉매의 증발에 의해 축적됩니다. 얼음은 청소 타워에서 분리되어 청소되고 용해기에서 담수로 변환됩니다. 생산되는 식수의 일부는 세척수로 사용되고 염소의 일부는 결정의 비료 농도를 조절하기 위해 순환됩니다. 나머지는 열교환기에서 흡입됩니다.

 

해수에 대한 접근으로 도달하는 해수는 열교환기를 통해 냉각 실로 공급되어 1차 냉각을 위해 냉각됩니다. 냉장고는 프레온과 부탄을 냉매로 사용하는 냉매 증발식 냉각기를 갖추고 있으며, 이 증발식 냉각기는 바닷물을 순수한 물이 언 상태로 만듭니다. 혼합 상태의 두 가지 조건은 열교환기에서 나오는 바닷물과 열교환 후 방출되는 분리기에서 액체 소금물과 고체 얼음 결정체를 분리하는 것입니다. 얼음 결정은 분리기에 설치된 3개의 타워에서 세척한 후 용해 시스템에 공급됩니다. 용해 장치에는 냉각수를 응축하기 위한 콘덴서 파이프가 장착되어 있으며, 이용하여 장치에서는 냉매가 응축되고 냉매에서 나오는 열에 의해 얼음 결정이 담수가 됩니다. 생성된 담수의 일부는 세탁실에 들어가 얼음 결정을 청소하는 데 사용되고, 나머지는 열교환기를 통해 담수 저장 탱크에 저장되며, 이 탱크는 시스템으로 유입되는 해수를 냉각시킵니다.

역삼투막식 담수화 기술

최근까지 해수 담수화 기술은 전 세계 담수화 시설에서 증발 기술의 주요 이점을 가지고 있었지만, 많은 에너지를 소비해야 하는 단점 때문에 그 증가는 현재 상당히 감소하고 있습니다. 해수 담수화는 주로 극도의 담수 자원이 부족하고 에너지 자원이 풍부한 중동에서 추진되고 있기 때문에 최적의 기술로 확립된 것으로 생각됩니다. 그러나 오늘날 담수 자원의 부족은 세계적인 현상이며 담수화 기술의 발전은 증발에 국한되지 않고 빠르게 발전하고 있습니다. 역삼투는 무엇보다 가장 유망한 기술. 물 분자를 선택적으로 관통하는 반도체 막의 역삼투는 열에너지 대신 압력을 사용해 물의 위상 변화를 유발합니다. 즉, 자연 삼투압에 의한 물 분자의 반대 방향 이동은 외부로부터의 기계적 압력에 의해 담수로 이어지고, 이는 바다 삼투압보다 더 높은 압력이 필요합니다. 역삼투에 쓰이는 반도체는 다양하지만 대부분 초산셀룰로스와 폴리아미드 방식으로 나뉩니다. 해수의 담수화에는 주로 PA계 막들이 사용되며, 그 특성 때문에 CA계 막보다 기술적 요구사항에 더 잘 부합합니다.

전기 투석막 식 담수화 기술

전기투석법은 1960년대 초 상업적으로 도입되었고, 따라서 담수 분야에서 큰 관심을 끌었던 식수 처리를 위한 경제적인 방법이었습니다. 전기 투석은 적으로부터 소금을 선택적으로 제거하기 위해 막을 사용합니다. 이를 위해 전극 사이에 막이 설치되고 충전된 이온의 유형에 따라 선택적으로 흐릅니다. 따라서 양이온 선택기와 음이온 선택기가 각각 설치됩니다. 막과 막사 사이에는 물이나 담수를 운반하고 소금에서 농축수를 배출하는 데 사용되는 물의 흐름을 위한 공간이 있어야 합니다. 전극이 충전돼 유량이 배수 채널로 흐르면 음이온이 전극 쪽으로 흐르고, 여기서 음이온은 물의 양이 마이너스 전하를 띨 것입니다. 음이온 선택 막은 통과 하지만 양이온 선택 막은 통과할 수 없기 때문에 음이온 선택 막이 제거됩니다. 이 원칙은 양이온에도 적용됩니다. 이 배열에서 농축되고 희석된 물은 막 사이의 공간으로 방출됩니다.

 

두 막 사이의 공간은 씰이라고 불리며, 한 쌍의 씰은 두 개의 희석된 물로 구성되어 있으며, 다른 한쪽은 생산용 수를 흐르게 하고 다른 한쪽은 농축수를 흐르게 합니다. 기본적인 전기 투석은 수백 쌍의 세포와 전극을 포함합니다. 바닷물이나 물에 용해된 물질이 막에 손상을 주거나 운하에 척도를 형성할 수 있는 물질을 사전에 제거하기 위해 전처리 과정이 필요합니다. 저압 펌프는 물의 저항을 물리치기에 충분하고 정류기는 교류 전류를 직류로 변환하는 데 사용됩니다. 후처리 공정은 안정기 준비와 물 공급 배선, 상황 또는 황화수소 가스 제거에 따라 pH 값을 설정하는 것으로 구성됩니다. 전기투석법은 바닷물의 염도가 낮을수록 증발보다 경제적이고 4000~5000ppm에서는 역삼투법보다 경제적. 그리고 이온화되지 않은 물질을 제거할 수 없다는 단점이 있습니다. 따라서 전기투석은 실제로 바다의 담수화보다 물을 담수화하는 데 성공합니다.

결론

지금까지 해수를 담수화하기 위해 사용된 가장 중요한 기술의 간단한 개요입니다. 이러한 다른 기술들은 이미 개발되어 적용되고 있지만, 그것들 모두가 우리나라 현실에 적합한 것은 아닙니다. 해수 담수화 및 관련 기술개발의 중장기 계획은 기술의 경제적 효율성, 독립성 및 개발 관점을 고려하여 작성 및 구현되어야 합니다. 국제적으로 경쟁력 있는 해수 담수화 기술을 확보하는 것은 지역의 수자원 관리뿐만 아니라 수출 산업에서도 유망한 분야로 여겨집니다.