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《신기술》 글로벌 물 부족 사태 해수담수화, 수질정화 기술로 극복 한다
2023-02-14

글로벌 물 부족 사태
해수담수화, 수질정화 기술로 극복 한다
환경부는 물분야 유망산업인 해수담수화 시설 지원을 활성화하여 해외수출을 늘리고 가뭄 상황에 대응할 계획이라고 밝혔다. 또한 3일에 열린 대통령 업무보고에서 아랍에미리트, 인도네시아 등에 해수담수화 관련 기술 및 시설을 맞춤형 수출 지원 방식으로 지원하겠다고 발표하고 수출활성화 방안을 논의했다. 또한 미세 플라스틱과 VOC1)로 인한 심각한 수질오염 문제를 수질정화가 가능한 기술을 국내 연구진이 개발했다. 기후위기로 가뭄과 수질오염으로 세계적으로 물 부족 사태의 국면을 맞았다. 정부 대응현황과 기술개발 동향을 소개한다.

정리 편집부 
자료 환경부, DIST

해수담수화 지원 활성화…수출·가뭄 두마리 토끼 잡는다
환경부는 물분야 유망산업인 해수담수화 시설 지원을 활성화하여 해외수출을 늘리고 가뭄 상황에 대응할 계획이라고 밝혔다. 이에 한화진 환경부 장관은 1월 5일 오후 광양시에 소재한 포스코 광양제철소와 수어댐 현장을 살핀 후, 해수담수화 시설현황과 수출활성화 방안을 논의하고 남부지방 가뭄 대응 상황을 점검한다.

환경부는 올해 1월 3일에 열린 대통령 업무보고에서 아랍에미리트, 인도네시아 등에 해수담수화 관련 기술 및 시설 수출을 녹색산업 현장의 요구에 부응한 맞춤형 수출 지원 방식2)으로 지원하겠다고 발표한 바 있다.전 세계 해수담수화 시장은 2018년 18.5조 원에서 2024년 25.8조 원으로 급성장할 것으로 예상3)되는 미래 유망사업이다.
광양제철소 해수담수화 시설현황
광양제철소 해수담수화 시설은 지난 2014년부터 우리나라에서 처음으로 바닷물을 공업용수로 바꿔 공급하는 시설이다. 그간의 해수담수화 시설 운영 방법 등이 축적되며, 세계 해수담수화 시장진출의 발판이 될 것으로 기대를 받는 곳이다.

현재 이곳의 해수담수화 시설은 하루 약 2.7만 톤의 해수를 공업용수로 공급하고 있다. 이는 광양제철소 하루 용수사용량 24.1만 톤(12월 평균)의 10%를 넘어서는 양이며 광양시 하루 생활용수 공급량(5.6만 톤)의 절반에 해당하는 수준이다. 한화진 장관은 이날 해수담수화 시설 현장을 둘러보고 관계자들에게 국내에서 발전된 해수담수화 기술이 가뭄 극복에 적극 활용되어 중동 등 물이 부족한 해외시장에 진출할 수 있는 계기가 되도록 총력을 다해줄 것을 주문할 예정이다.

도입배경은 공업용수 부족의 문제점을 해결하여 안정적인 용수공급과 국내·외 해수담수 사업 진출을 위한 수행능력4)을 확보한다. 용도는 공업용수 공급(순수)하고 있으며, 공사기간 2013년 1월 7일부터 2014년 7월 31일까지 19개월이 소요되었다.
수질정화가 가능한 친환경 소재 개발로 해결
DGIST(총장 국양) 에너지공학과 박치영 교수팀은 수중 페놀계 유기오염물을 초고속으로 완전히 제거 가능한 ‘비정형 다공성 고분자 소재’개발에 성공했다. 이번에 개발된 다공성 소재는 광열효과를 바탕으로 물속 미세플라스틱뿐만 아니라 크기가 매우 작은 VOC5)의 효율적 제거 가능하며, 동시에 소재의 가격 경쟁력 및 태양광 기반 수질 정화 공정이 가능해, 향후 상업화 가능한 고효율 흡착 소재로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

화학 산업의 급속한 발전으로 나타난 수질오염은 환경오염에서 대표되는 문제 사항으로, 이를 해결하기 위한 다양한 수질 정화 기술 및 소재들이 개발됐다. 기존의 흡착 메커니즘을 기반으로 하는 탄소 기반 다공성 소재는 흡착 속도가 느리고, 재활용을 위해 높은 열에너지가 필요하다는 한계점이 있다. 이에 오염물 제거효율 향상을 위해 다양한 소재들이 개발되었지만 우수한 재활용성, 고효율성, 소재 원료의 경제성 및 산업화 가능성을 동시에 만족하는 소재의 개발에 어려움이 있었다.

산화된 고분자의 코팅된 수처리 분리막 … 
태양광을 통해 페놀계 오염물 정화
박치영 교수팀은 저렴하고 효과적인 전구체6)를 반응시켜 흡착 성능과 광열 특성이 뛰어난 다공성 고분자를 합성에 성공했다. 그리고 해당 고분자에 추가적인 산화 반응을 실험하고, 그 결과를 바탕으로 친수성 작용기를 도입해 수중 환경에서 미세 오염물질의 빠른 흡착을 가능하게 했다. 또한, 실험을 통해 연구팀이 개발한 고분자가 재활용에 있어 높은 열에너지가 필요 없고 성능 손실 없이 여러 번 사용 가능함을 확인했다. 연구팀은 개발된 고분자가 가진 넓은 범위의 빛 흡수 및 흡수된 빛의 열 전환 능력을 통해 태양 에너지를 구동력으로 물을 증발할 수 있는 수처리 분리막을 제작했고, 그 결과, 산화된 고분자가 코팅된 수처리 분리막이 태양광을 통해 페놀계 오염물 정화가 가능함을 확인했다.

박치영 교수는 “이번에 개발한 기술은 수중 페놀계 미세플라스틱 및 VOC 오염물을 초고속으로 세계 최고 수준의 정화 효율 (99.9% 이상 제거)을 보이는 독보적인 수질 정화 기술이며 경제성이 우수하고, 전력이 없는 지역에서도 오염수를 정화해서 식수를 공급할 수 있는 범용성을 확보한 기술이 될 것으로 기대한다”고 밝혔다. 한편, 이번 연구는 한국연구재단 중견연구자 지원 사업과 나노 및 소재 기술개발사업 지원을 받아 수행됐으며, DGIST 에너지공학과 조완수, 최경현 석박사통합과정생, 이동준 석사과정생이 제1저자로 참여했다. 연구 결과는 재료 분야 최고 권위 학술지인 ‘Advanced Materials’에 2022년 50호 표지 논문으로 선정 및 게재됐다.
값싸면서도 효율적인 CTF 흡착 소재…
수질정화 기술의 차세대 기대주 될 것 
담수 부족은 미세 플라스틱과 VOC로 인한 심각한 수질 오염으로 인해 전 세계에서 가장 심각한 문제 중 하나가 되고 있다. 그러나 현재의 정화 기술은 미세 오염 물질에 대한 흡착이 느리고 수중에서 VOC를 제거하기 위해 에너지 집약적인 공정이 필요하다. 때문에 본 연구 그룹은 미세 오염 물질의 빠른 흡착 및 광열 능력에 의한 우수한 VOC 체질(sieving) 성능을 가진 저비용 다공성 고분자 흡착 소재를 합성하였다.

추가적인 산화 과정을 통해 내부 채널의 친수성을 향상시킴에 따라 수중에서의 분산을 용이하게 했고 미세 오염 물질의 흡착 효율을 개선했다. 산화된 다공성 고분자는 수중에서 약 10초 만에 99.9 % 이상의 흡착 효율을 보여주며 성능 손실 없이 쉽게 여러 번 재생될 수 있다는 것을 확인하였다. 또한 광열 성능을 바탕으로 하이드로젤 시스템을 도입해 태양광 구동 증류 수처리 분리막을 제조하여 약 98 % 효율로 VOC 오염 물질 수용액을 정화할 수 있음을 제시하였다. 할 수 있는 기능을 보유한 CTF 흡착 소재는 수질 정화 기술의 한 축을 담당할 것으로 보인다.

연구자와의 인터뷰
이번 성과 무엇이 다른가
탄소 기반 다공성 소재를 통해 미세 오염물질을 흡착하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 하지만, 오염물질에 대한 느린 흡착 속도, 저렴하지 않은 가격, 재사용을 위해 높은 열에너지를 필요로 한다는 점에서 한계점이 있다.

본 연구에서는 저렴한 전구체로부터 간단한 합성 과정을 거쳐 경제적으로 합성할 수 있는 다공성 고분자 흡착 소재를 개발했다. 이러한 흡착 물질은 매우 높은 흡착 역학으로 미세 오염 물질을 흡착할 수 있고 우수한 재활용성과 뛰어난 흡착 능력을 보였다. 또한, 높은 광열 능력을 가진 소재로써 하이드로젤과의 하이브리드 시스템을 통해 페놀계 수용액을 완전히 정화할 수 있는 광열 수처리 분리막으로의 활용 가능함을 확인했다.

어디에 쓸 수 있나
폐수를 저비용, 고효율로 정화할 수 있기 때문에 페놀계 오염물질이 포함된 수질 정화 기술의 흡착 소재로써 활용될 것으로 기대된다.

실용화까지 필요한 시간과 과제는
다공성 고분자 합성에 있어 가격 경쟁력이 우수하지만 뛰어난 흡착 능력을 보이기 위해서는 추가 산화 과정이 필요하기 때문에 시간이 오래 걸린다는 단점이 있다. 또한 흡착할 수 있는 오염물질의 다양성 측면에서 페놀계 분자를 제외한 오염물에 대한 흡착 가능성이 확인되지 않았다. 따라서, 합성 과정을 단일화할 수 있는 새로운 합성 방법을 설계하고 다양한 오염물질의 흡착 가능성을 확인하는 후속 연구가 진행될 필요가 있다.

연구를 시작한 계기는
화학 산업의 급속한 발전으로 인해 수질오염이 가장 중요한 환경오염 주제로 강조되어오고 있다. 기존 탄소 기반 다공성 같은 경우 수질 정화를 위한 일반적인 흡착 재료이지만 오염 물질에 대한 흡착 속도가 충분히 빠르지 않고 재활용을 위해 에너지가 많이 필요하다는 제한이 있다. 때문에 오염물 제거에 있어 높은 효율과 우수한 재활용뿐만 아니라 경제성까지 만족하는 소재의 개발을 위해 시작하였다.

어떤 의미가 있는가
본 연구 결과에서 가장 의미 있는 부분은 흡착 성질 및 광열 능력을 이용하여 다양한 크기의 페놀계 오염물질의 완전한 정화가 가능하다는 것이다. 이 연구는 재생 가능한 에너지인 태양광을 이용한 증발 공정을 통해 미세 오염 물질과 VOC를 신속하게 제거하기 위한 효과적인 전략을 제공할 수 있다는 점에서 의미가 크다.

꼭 이루고 싶은 목표는
본 기술을 고도화하여 보다 정교한 흡착 소재를 제조하여 흡착에 의한 다양한 오염물 정화를 극대화시켜 상용화를 하는 것이 최종 목표이다.
1) 휘발성 유기 화합물(Volatile Organic Compounds:VOC) : 비점(끊는 점)이 낮아서 대기 중으로 쉽게 증발되는 액체 또는 기체상 유기화합물을 총칭으로서 VOC라고도 하는데, 산업체에서 많이 사용하는 용매에서 화학 및 제약공장이나 플라스틱 건조공정에서 배출되는 유기가스에 이르기까지 매우 다양하며 끓는점이 낮은 액체연료, 파라핀, 올레핀, 방향족화합물 등 생활주변에서 흔히 사용하는 탄화수소류가 거의 해당됨. VOC는 대기 중에서 질소산화물(NOx)과 함께 광화학반응으로 오존 등 광화학산화제를 생성하여 광화학스모그를 유발하기도 하고, 벤젠과 같은 물질은 발암성물질로서 인체에 매우 유해하며, 스티렌을 포함하여 대부분의 VOC는 악취를 일으키는 물질로 분류할 수 있음. 주요 배출원으로는 유기용제사용시설, 도장시설, 세탁소, 저유소, 주유소 및 각종 운송수단의 배기가스 등의 인위적 배출원과 나무와 같은 자연적 배출원이 있음.
2) 민관 녹색산업 수출 연합체(얼라이언스)’출범, 현지 환경부 장차관급 고위급 회담 및 기술설명회 추진 등
3) 물산업 조사 기관인 GWI(Global Water Intelligence) 2018년도 발표 자료
4) 시공 : 포스코건설, 운영포스코O&M의 자력 수행능력 검증 및 확보한다.
5) VOC (Volatile organic compounds): 비점이 낮아서 대기 중으로 쉽게 증발되는 액체 또는 기체상의 휘발성 유기 화합물.
6) 전구체 : 화학 반응에서 반응에 참여하는 물질

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