기후변화로 인한 강수 패턴 변화와 가뭄의 빈도 및 강도의 증가로 물부족은 악화될 전망이다. 물부족에 대응할 미래 대체수자원으로 해수 담수화 기술이 주목받고 있는 가운데, 국내 연구팀이 담수를 고효율로 생산하는 방법을 개발해 기대를 모으고 있다.

서용원 울산과학기술원(총장 이용훈, UNIST) 탄소중립대학원 교수팀은 사이클로펜테인(Cyclopentane) 하이드레이트의 열역학 특성을 실험적으로 측정해 이를 바탕으로 하이드레이트 담수화 기법의 효율을 평가하고 담수화 효율을 최대화할 수 있는 온도를 예측할 수 있는 계산법을 제시했다. 이 연구는 수처리 분야 최고 권위 국제 학술지인 『워터 리서치(Water Research)』 11월호에 게재됐다.

하이드레이트 담수화 기법은 염수나 오염수에서 물을 포함한 화합물인 하이드레이트가 생성될 때 염을 포함한 불순물이 빠져나가는 현상을 이용해 깨끗한 물을 생산한다. 적은 에너지로 고농도의 염수나 오염수에도 쉽게 적용할 수 있어 친환경 담수 기술로 평가된다.

서용원 교수는 “염수에 무색의 휘발성 액체인 사이클로펜테인을 넣은 뒤 특정 조건을 만족하면 순수한 물로 이뤄진 사이클로펜테인 하이드레이트가 생성된다”며 “담수화에 적용하기 위해 사이클로펜테인 하이드레이트의 열역학 특성을 실험적으로 측정했다”고 설명했다.

연구팀은 사이클로펜테인 하이드레이트의 최대 물수율(Maximum Water Yield)과 담수화 공정에서 냉각에 필요한 에너지를 계산하기 위해 다양한 조건에서 실험했다. 그 결과, 염수의 농도별 최대의 효율을 얻을 수 있는 온도를 찾는 열역학 관계식을 만들었다.

예를 들어, 초기 염 농도가 3.5wt%, 5wt%인 염수의 에너지효율 최적 온도 조건은 각각 273.4K, 271.5K이며, 최대 물수율은 67%, 61.1%로 계산된다. 이 관계식을 통해, 실제 공정의 효율을 최적화하는 데 결정적인 기준을 제시할 수 있다.

이 연구의 제 1저자인 목정훈 연구원은 “본 연구를 통해 하이드레이트 담수 기법을 활용한 고농도 염수 처리 공정의 에너지 최적화가 가능할 것으로 기대된다”며 “새롭게 제시된 접근법을 활용하면 하이드레이트 기반 담수화뿐 아니라 동결식 담수화 기술에도 적용 가능해 앞으로 활용도가 높을 것으로 기대된다”고 말했다. 한편, 이번 연구는 한국생산기술연구원과의 공동연구로 진행됐으며, 과학기술정보통신부 한국연구재단 기초연구사업과 원자력연구개발사업, 한국에너지 기술평가원의 지원을 받아 진행됐다.

[『워터저널』 2024년 1월호에 게재]