농도차 발전과 결합한 에너지 자가충족형 전기투석 기술 연구 현황 분석
1. 개요
인류의 삶을 지속하기 위한 필수적인 요소 중 하나인 청정한 물은 지구 상에 존재하는 물의 대략 2.5%에 불과하다. 그러나, 지구온난화, 환경 오염 등으로 인해 이마저도 점진적으로 줄어들고 있으며, 인구 증가, 산업화 등과 맞물려 물 부족 현상은 심화되고 있다.(1) 현재 세계 인구의 25%가 청정한 물의 수요와 공급이 불일치하는 환경에 살고 있으며, 2030년이 되면 전 세계 인구의 절반 가량이 물 부족 문제에 봉착할 것으로 예측된다. 이를 해결하기 위한 많은 노력이 수반되고 있다. 대표적으로 UNDP에서는 지속가능한 개발 목표(Sustainable Development Goals, SDGs)의 6번 항목에 청정한 물과 위생시설을 선정하여 지원하고 있다.
해수 또는 기수(brackish water)등과 같은 염분을 포함하고 있는 물 자원으로부터 염과 미네랄 등을 제거하는 공정으로 정의되는 담수화는 물 부족 문제를 해결하는 가장 효과적인 방법 중 하나로 여겨진다. 담수화는 크게 물의 끓는점 이상의 열을 가하여 수증기를 생성한 후 이를 응축하는 상변화 공정과 오염물들이 투과할 수 없는 물리적 장벽(미세 세공 막)을 만들어 여과하는 방식으로 분류할 수 있다. 이중 여과 방식은 청정한 물 생성 과정에서 소모되는 에너지가 작아 2000년 이후 제작된 담수화 플랜트의 70% 이상을 차지하고 있다. 그러나 담수화는 여전히 1m3의 물 생산량당 에너지 소모가 2.5kWh인 에너지 집약형 공정이고, 이를 효과적으로 줄이는 것이 과제로 남아 있다.
본 보고서에서는 담수화 과정에서 생성되는 높은 화학적 에너지를 가지는 부산물 활용하여 담수화에 필요한 에너지를 스스로 조달하는 효율적인 담수화 개념 (self-sufficient desalination)을 다룬다. 본 개념은 전기투석(electrodialysis, ED)에 역전기투석을 조합하는 것이다. 2장에서는 기술의 원리를 설명하였고, 3장에서는 현재까지 발간된 문헌을 정리하였으며, 4장에서는 향후 연구 방향에 대해 기술하였다.
2. 자가충족형 전기투석 (self-sufficient electrodialysis)
자가충족형 전기투석 장치는 일체형과 분리형으로 구분할 수 있다. 그림 1은 일체형 자가충족 전기투석 장치의 개념도이다. 일체형 자가충족 전기투석 장치는 전기투석과 역전기투석이 교대로 직렬 적층 되며, 총 3개의 유로(고농도 유로, 저농도 유로, 탈염 유로)로 구성된다. 산화와 환원의 전기화학 반응이 발생하는 유로는 기존 전기투석과 역전기투석과 동일하게 전극액이 순환한다. 역전기투석 셀에서는 이온교환막을 사이에 두고 고농도와 저농도 용액이 흐르고, 농도 차이로 인해 고농도 용액에서 저농도 용액으로 이온이 이동한다. 이 때, 이온을 선택적으로 투과하는 이온교환막으로 인해 양이온과 음이온은 각각 양이온교환막과 음이온교환막을 통해 이동한다. 전기투석을 위한 탈염라인은 역전기투석과 전기투석의 저농도 유로 사이에 위치하며, 역전기투석 셀에서 발생하는 전위차로 인해 탈염 유로로부터 양이온과 음이온이 양이온교환막과 음이온교환막을 통해 저농도 용액으로 이동하며 담수화가 진행된다.
그림 2는 분리형 에너지 자가충족 전기투석 장치의 개념도이다. 전기에너지를 생산하는 역전기투석 스택과 전기에너지를 이용하여 담수를 생산하는 전기투석 스택이 개별적으로 제작되고, 전선을 통해 각 스택의 전극이 연결된다. 전기투석 장치로는 해수와 같은 고농도 용액이 공급되면, 내부 전위차에 의해 담수와 브라인으로 분리된다. 브라인은 역전기투석 장치에 고농도 용액으로 공급되고, 폐수 등이 저농도 용액으로 이용된다.
3. 연구 현황
자가충족형 전기투석 장치에 대한 개념은 2015년 중국의 Wenzhou 대학에서 처음으로 제안되었다.(2) 이 후, 유량, 농도, 온도 등과 같은 다양한 설계 변수에 대한 기초 평가 및 모델링을 통한 최적화 연구가 수행되었다.
Chen et al.(2)에서는 태평양의 작은섬에서 직면하고 있는 물 부족을 해결할 목적으로 에너지 자가충족형 담수화 장치를 제안하였다. 자원이 제한되는 섬 특성으로 인해 일체형으로 제작되었고, 펌프의 사용 없이 중력(10cm 높이차)으로 유로에 용액을 공급하는 것이 가능하도록 설계하였다. 또한, 전체 시스템은 $200로 제작이 가능하기 때문에 수명을 2년으로 가정 시 1m3의 담수 생산 비용은 $7에 불가하다는 결론을 얻었다. 이를 통해 역전기투석과 전기투석을 결합한 에너지 자가충족형 역전기투석 장치의 가능성을 증명하였다.
Wang et al.(3)에서는 페놀을 포함하고 있는 폐수 처리 공정에 자가충족형 전기투석 장치의 도입에 대한 연구를 수행했다. 하이브리드 장치는 이론적으로 전기투석 또는 역전기투석만을 사용하는 경우보다 에너지 절감과 높은 효율을 달성하는 것으로 추산되었다. 역전기투석 장치와 조합하지 않고 전기투석만을 이용한 실험에서는 높은 내부 저항으로 인해 담수화 성능이 낮았지만, 역전기투석을 전기투석을 위한 전처리 과정에 적용을 통해 전력 생성과 전기투석의 초기 스택 저항을 낮추는 것을 확인하였다. 하이브리드 장치와 전기투석 독자 장치에 대한 비교 시 전기 에너지 소모는 대략 30% 줄어들었고, 역전기투석을 통해 0.35 kWh/m3의 에너지 생성이 가능함을 발견하였다. 그림 3은 역전기투석을 전처리로 사용하는 전기투석 장치의 개념도 및 담수화에 소모되는 에너지를 비교한 결과이다.
Luo et al.(4) 에서는 일체형 에너지 자가충족 장치의 최적화 조건에 대해 연구하였다. 역전기투석 장치 실험으로부터 해수와 강물을 고농도 용액과 저농도 용액으로 적용 시 67.5 mL/min의 유량에서 최적의 성능이 도출됨을 확인하였다. 통합형 장치에 대한 평가는 담수를 연속으로 생산하는 연속 공정과 담수를 순환하는 공정(batch-wise mode)으로 구분하여 수행하였고, 순환 공정에서 72 uS/cm의 담수를 생성했다. 또한, 역전기투석과 전기투석의 내부 저항이 동일할 때 가장 최적의 성능이 발생함을 발견하였다.
Chen et al.(5)과 Mei et al.(6) 에서는 최적의 공정 조건 도출을 위해 일체형 에너지 자가충족 전기투석 장치에 대한 해석 모델을 개발했다. 일체형 에너지 자가충족 전기투석 장치의 실제 적용을 위해서는 브라인과 강물의 조합이 필요하며, 기존 태양광과 풍력과 조합한 전기투석 장치보다 담수화 용량은 낮지만, 투자 비용, 에너지 소모, 브라인 관리 측면에서 농도차 발전과 조합이 훨씬 더 이점을 가질 수 있다고 주장하였다.
4. 결언
본 코센보고서에서는 역전기투석과 전기투석을 결합한 자가충족형 담수화 기술을 다루었다. 자가충족형 담수화 기술은 연구 초창기 단계로 현재 기초 설계 인자에 대한 영향 평가와 해석 모델을 활용한 최적화 조건만이 도출된 상태이기 때문에, 실증을 위해 많은 추가적인 연구가 필요하다. 향후 실제 물부족 지역을 위한 효과적인 대안이 되기를 조심스럽게 기대해 본다.