"지구 표면적의 70%는 바다"라고 말하듯이, 지구에는 풍부한 물이 존재한다. 그럼에도 불구하고, 일부 지역은 "물 부족"이나 "가뭄"과 같은 심각한 문제에 직면해 있다. 따라서 해수를 담수로 바꾸는 기술의 개발이 진행되고 있지만, 다양한 문제가 있어 대규모 실현에는 이르지 못하고 있는데, 그 이유를 Practical Engineering을 통해 알아보자.
미국 캘리포니아주 샌디에이고에 있는 칼스배드 해수담수화 플랜트에서는, 하루 2만3000입방미터의 담수를 생산하고 있다.
일반적인 정수 플랜트는 강이나 호수의 물을 정화하고 있지만, 칼스배드 해수 담수화 플랜트는 바다에서 직접 물을 길어 올리고 있으며, 세계에는 칼스배드 해수담수화 플랜트 이외에도 1만 8000개 이상의 해수담수화 플랜트가 가동되고 있으며, 이들이 수산업에서 사용되는 전체 에너지의 약 4분의 1을 소비하고 있다. 그러나 해수 담수화 플랜트는 세계 물 수요의 1% 미만의 물만 생산할 수 있다는.
그 이유는 바닷물에 포함된 염분때문인데, 일반적으로 해수 1리터당 약 35g(35 퍼밀, Per mille)의 염분이 함유되어 있으며, 세계보건기구(WHO)는, 용해 고형물이 10퍼밀을 초과하는 식수는 소비자에게 받아들일 수 없다고 규정하고 있다. 따라서 바닷물을 식수로 바꾸기 위해서는, 물속의 염분을 98% 이상 제거해야 한다.
염분 제거에는, 액체를 가열하여 발생한 기체를 식혀서 다시 액체로 만들어 모으는 증류가 사용되는데, Practical Engineering의 실험에서는, 해수의 증류로 약 200 밀리리터의 담수를 만드는 것은 약 2시간 걸려, 1킬로와트시의 전력량을 필요로 했다. 미국에서는 가구당 하루 물 소비량이 1100리터로 알려져 있는데, 바닷물을 담수로 바꾸는 증류장치로 이 규모의 물을 생산할 경우, 장치 가동에는 6000킬로와트시의 전력량이 필요하고, 한 가구분의 물을 만드는 데만 하루 800달러의 전기료가 든다고 한다.
또한, 해수를 증류하면 담수화될 때 발생한 소금이 퇴적되는데, 이러한 퇴적물은 열전도율이 낮아 끓는 효율을 저하시키기 때문에, 정기적으로 제거해야 한다. 그러나 대규모 담수화 플랜트에서는 수작업으로 퇴적물을 제거하기 어렵다.
그래서, 중동의 해수 담수화 플랜트에서는 끓는 온도보다 낮은 온도에서 강제적으로 증발을 일으킴으로써, 소금의 퇴적을 최소한으로 억제하는 "플래시 에바포레이터"라고 불리는 담수화 프로세스가 이용되고 있다.
플래시 에바포레이터에서는, 수용액이 얇은 막의 장벽을 통해 확산되는 "침투"라고 불리는 현상이 사용되고, 기본적으로 침투에서는 저농도의 수용액이 고농도의 수용액으로 끌어당겨지지만, 담수화 시에는 대기압의 수십 배의 압력을 가함으로써 이 과정을 거꾸로 하는 것이 가능.
플래시 에바포레이터를 이용한 담수화는 증류를 통한 담수화보다 훨씬 효율적이며, Practical Engineering 실험에서는 1리터의 담수를 생성하는데 소요된 시간은 약 5분이었다. 따라서 일반적인 선박에서는 이 담수화 프로세스가 사용되고 있다.
그러나, 이 담수화 과정도 증류와 마찬가지로 대규모화하기는 어려우며, Practical Engineering은 그 이유에 대해 "1입방미터의 해수를 담수화할 때 필요한 전력량은 약 100킬로와트시로 하천의 정수화보다 방대한 전력이 필요하다"고 지적하고 있다.
또한, 해수에는 염분뿐만 아니라 오염이나 조류, 유기물, 기타 오염물질도 포함되어 있어, 그대로 담수화하면 생성기나 막을 오손할 가능성도 있다. 따라서 모든 해수담수화 플랜트에서는 프로세스의 처음에 염분 이외의 물질을 제거하고 있으며, 그 때에도 많은 에너지와 비용이 필요하게 된다.
https://practical.engineering/blog/2023/6/28/why-is-desalination-so-difficult
게다가, 전처리를 충분히 실시해도 정기적인 세정이 필요하고, 그 때는 담수의 생성이 완전히 정지해 버린다. 더불어 이러한 과정을 거쳐 생성된 담수는 순수이기 때문에, 미네랄이나 소독제 등의 첨가물을 첨가하는 번거로움도 발생한다.
플래시 에바포레이터에서의 해수담수화로 생긴 소금은 모두 소량의 물에 농축되지만, 염분 농도가 높은 수용액을 그대로 바다에 되돌려 처분하면, 해저 근처의 식물이나 동물에 악영향을 미친다. 따라서 대부분의 플랜트에서는 디퓨저를 사용하여 염분을 함유한 수용액을 확산시켜 더 빨리 희석하거나, 발생한 수용액을 발전소의 냉각라인이나 배수 등, 다른 프로세스에서 사용된 물과 섞어 방출하기 전에 희석하는 수단을 채택하고 있다고 한다.
