세계는 지금 기술전쟁 ‘휴대용 담수화 기술’ 각축전

[디지철비즈온 이호선 기자] 의학계는 보통 인간의 극한 생존능력을 ‘3·3·3이론’ 으로 풀이한다. 즉 평범한 사람이 공기를 3분동안 접하지 못하면 목숨을 잃게 되고 물은 3일, 음식은 3개월동안 먹지 않으면 죽음에 이르게 된다는 것으로 해석했다.

지구상의 모든 물의 약 95 % 가 바닷물이다. 세계의 바다를 식수 공급원으로 이용하면 인류의 가장 귀중한 자원이 기하 급수적으로 확장 될 것으로 예상된다. 하지만 해수 담수화의 기술은 여전히 높은 장벽에 가로막고 있는 미래 기술 이다.

두산중공업은 사우디아라비아, 쿠웨이트, 싱가포르 등 다수의 RO방식 플랜트에 DAF시스템을 적용하여 생산하는 담수는 하루 약 100만톤으로 350만명이 매일 사용할 수 있는 양이다.

이번에 소개하는 기술은 ‘휴대용 담수화 기술’을 한국 연구진과 외국 연구진이 개발한 기술을 자료를 통해 소개한다.

◇MIT 한종윤교수팀 ‘이온 농도 분극 현상’ 휴대용 담수화 기술

미국 매사추세츠 공대(MIT) 전자전기컴퓨터공학과 한종윤 교수팀과 포스텍 기계공학과 강관형 교수팀은 이온 교환막 주변의 이온 농도 분극 현상을 이용, 새로운 형태의 휴대간편한 해수 담수화 기술을 발표했다.

이번에 개발된 장치는 전기 투석 방식에서 양이온 교환막만 채택하고, 이온 농도 분극 (ion concentration polarization, ICP) 방식을 결합했다. 이온 농도 분극 단계에서 추가 에너지 없이 부유 물질을 제거해 깨끗한 물을 만들기 때문에 염분 제거를 담당하는 양이온 교환막이 오염되는 것을 막아주는 것이다.

핵심부품의 크기는 가로 42㎝, 세로 33.5㎝, 두께 19㎝ 크기에 들어가고, 무게도 배터리까지 포함해 9.4㎏에 불과하다. 1시간에 330mL의 맑은 물을 만들어 낼 수 있다.

이 장치를 통해 얻은 물의 수소이온농도는 7.0~7.5, 염 농도는 3밀리몰이다. 김 연구원은 "이는 세계보건기구에서 제안하는 음용수의 기준을 만족한다"며 "세균을 비롯한 미세 입자도 동시에 제거할 수 있다"고 설명했다. 이번 연구논문은 '환경 과학 기술(Environmental Science and Technology)' 저널에 발표한 논문에서 자체 개발한 휴대용 해수 담수화 장치를 소개했다.

◇ 영국신생기업 세계 최초의 휴대용 담수화 장치 ‘QuenchSea’ 출시

런던에 본사를 둔 신생 기업 인 ‘Hydro Wind Energy’는 2020년 독일 인디고고에서 바닷물을 담수로 바꾸는 세계 최초의 휴대용 담수화 장치인 ‘QuenchSea’를 위해 인디고고에서 Hydro Wind Energy(HWE) 크라우드펀딩 캠페인을 홍보하는 프로젝트를 진행 했다.

이 수동 탈염기 QuenchSea는 유압 시스템, 삼중 여과 및 역삼투압을 결합하여 작동한다. 내부에는 해수에서 부유 고형물, 박테리아, 바이러스, 기생충 및 미세 플라스틱을 제거하는 내장 된 여과 및 미세 여과 시스템으로 구성되어있다.

초기 필터는 가압된 0.01 미크론 멤브레인을 통해 바닷물을 강제로 제거하기 전에 퇴적물과 입자의 대부분을 제거하여 나머지 오염 물질을 제거한다. 마지막 단계는 소금과 박테리아와 같은 더 큰 분자를 거부하면서 순수한 물을 걸러 낼 수있을만큼 작은 기공을 포함하는 고급 산업용 역삼투 막을 사용하는 방식이다.

‘QuenchSea’제품은 시간당 2 리터의 물을 여과하며, 이상적인 조건에서 최대 3 리터까지 여과할수 있다. 염분 측면에서 제시된 테스트는 물 속의 소금의 98%를 제거하고 문제없이 세계 보건기구 (WHO)의 기준 테스트에 합격되었다.

◇MIT연구원, 저렴한 태양열 담수화 시스템 개발

MIT자료에 따르면 연구자들은 이제 완전한 햇볕에 시간당 5.8 리터의 담수를 생산할 수있는 효율적의 다단 담수화 시스템을 보고 했는데, 이는 과거에 만들어진 유사한 장치가 생산 한 양의 거의 3 배 많았다고 밝혔다.

태양 열 담수화는 덜 비싼 옵션이지만 비효율적이며 증발하기 위해 바닷물에 빛을 집중시키기 위해 엄청난 포물선 거울이 필요하다. 휴대용 태양열 담수화 장치는 일반적으로 바닷물을 가열하고 증발시키는 저렴한 햇빛 흡수 재료를 사용했다. 증기는 담수를 모으는 응축기에 수집되며, 최고의 시스템은 태양 에너지의 90 % 이상을 수증기를 생성하도록 변환 할 수 있다.

MIT의 연구진들은 이상적인 조건에서 테스트 할 때 385 %의 효율성을 자랑하면서 이를 뛰어 넘는 다단계 시스템을 만들었다. 수증기가 액체로 응축 될 때 방출되는 열을 재 사용함 으로써 낭비되는 에너지를 활용하는 최초의 시스템이라 밝혔다.

이 장치에는 10개의 동일한 3D 인쇄 나일론 프레임이 적층되어 있으며 저수지 위에 수직으로 배치되어 있으며 각 프레임에는 증발기 역할을 하는 종이 타월과 응축기 역할을 하는 알루미늄 필름이 내장되어 있으며 스택의 태양을 향한 면에 검은 색 태양 흡수제를 배치하여 종이 타월에 엎드려 물을 가열하고 증발시키는 장치로 구성 되었다.

실험실에서 10cm × 10cm 장치는 시간당 5.8L의 물을 생산했습니다. 건물의 옥상에서는 구름과 바람 때문에 장치의 성능이 약 50 % 낮았지만 지붕에서 장치는 4.5 시간 만에 72 mL의 물을 생산했다. 성인이나 소규모 가족의 일일 평균 물 요구를 충족시키기 위해 다단계 장치 배열을 만들 수 있다고 연구진은 밝혔다.