[과학의달인] 인류의 영원한 숙제 물 부족…해수담수화로 해결한다

■ 최준석 / 한국건설기술연구원 국토보전연구본부 연구위원

[앵커]
세계자원연구소 보고서에 따르면 전 세계 약 2억 5,500만 명이 극심한 물 부족 위기에 직면해있다고 합니다. 오늘은 이런 물 부족 문제를 현실적으로 해결하기 위해 고군분투하고 있는 분을 모셨는데요. <과학의 달인> 시간. 한국건설기술연구원 국토보전연구본부 최준석 연구위원과 함께합니다. 어서 오세요. 사람들이 일상생활 속에서 잘 느끼지는 못하지만 우리나라는 물론이고요, 전 세계적으로 물 부족 현상이 참 심각하다고 하는데요. 현재 어느 정도 수준인가요?

[최준석 / 한국건설기술연구원 수석연구원]
UN 세계 수자원개발 보고서에 따르면, 2050년까지 적게는 48개국 20억 명이, 많게는 60개국 70억 명이 물 부족을 겪을 전망입니다. 최근 기후변화에 따른 영향으로 세계 각국은 심각한 물 부족 문제를 경험하고 있는데요. 과거에는 물 부족 문제가 사막이 많은 일부 중동 지역에 국한된 문제로 여겨졌지만, 최근에는 미국을 포함하여 북남미 지역, 유럽지역 및 아프리카 등 전 세계적으로 물 부족 문제를 경험하고 있습니다. 우리나라의 경우에도 일부 지역과 도서 지역은 매년 심각한 물 부족 문제를 경험하고 있습니다. 앞으로도 기후변화에 따른 지역적 물 부족 문제는 계속 증가할 것으로 예상합니다.

[앵커]
박사님께서는 이런 물 부족 현상을 해결하고 깨끗하고 안전한 물 확보를 위해 계속 연구를 하고 계시다고 들었습니다. 어떤 연구인지 소개해주시죠.

[최준석 / 한국건설기술연구원 수석연구원]
더 안전하고 깨끗한 물을 생산하고 공급하기 위해서 그동안 다양한 연구를 수행해 왔습니다. 그리고 기후변화에 따른 부족한 물 부족 문제를 해결하기 위해서 해수 담수화 연구를 수행하고 있습니다. 해수 담수화는 바닷물에 포함된 염분을 제거하여 우리가 마실 수 있는 담수를 만드는 기술입니다. 물론 생활용수를 포함하여 공업용수 및 농업용수 등으로도 활용 가능합니다. 해수 담수화는 물 부족 문제를 해결하기 위해서 가장 중요한 대체수자원 확보기술인데요. 중동에서는 오래전부터 해수 담수화 기술을 적용하여 수십 년 넘게 안전하게 사용하고 있습니다. 또한, 물 부족 문제가 더욱 심각해지면서 전 세계적으로 해수 담수화 기술에 대한 수요는 크게 성장할 것으로 기대됩니다. 참고로 우리가 시중에서 이용하고 있는 해양심층수도 해수 담수화 기술을 이용한 제품이라고 생각하시면 될 것 같습니다.

[앵커]
그렇군요. 그러니까 바닷물이 염분을 제거해서 우리가 마시고 이용할 수 있는 담수로 만드는 해수 담수화 기술이 전 세계 물 부족 문제를 해결할 수 있는 대안이라고 말씀하셨는데요. 그러면 지구 상에서 해수와 담수의 비율은 얼마나 차이가 나나요?

[최준석 / 한국건설기술연구원 수석연구원]
지구 전체 물의 양은 13억8천 500만㎦ 정도로 추정되는데요. 지구 전체를 2.7km 높이로 덮을 수 있는 정도입니다. 그런데 염분 함량이 적은 담수는 지구 전체 물의 2.5%에 불과합니다. 담수 중에서도 빙설과 지하수를 제외하고 사람이 손쉽게 사용할 수 있는 담수호 물이나 하천은 전체 물의 0.01% 이하인 10만㎦에 불과한데요. 또 가뭄과 홍수 등 기상이변 탓에 사용할 수 있는 수자원은 계속 줄어들고 있습니다. 우리나라도 현재 정수장에서 사용하고 있는 원수는 대부분 하천수와 호소수 (댐과 둑에 고여있는 물)를 이용하고 있습니다. 따라서 하천수나 호소수가 부족하면 바로 물 부족 문제를 경험할 것으로 예상합니다.

[앵커]
우리가 활용할 수 있는 물이 이렇게 적은지는 잘 몰랐었는데 굉장히 놀랍네요. 그런데 이번에 개발된 기술이 기존의 해수 담수화 공정과 차이가 있다고 들었습니다. 우선 기존 공정부터 설명해주시죠.

[최준석 / 한국건설기술연구원 수석연구원]
해수 담수화 기술은 1세대인 증발법과 2세대인 역삼투법으로 크게 구분되는데요. 오래전부터 선원들은 항아리에 바닷물을 담아 끓인 뒤 증발한 수증기를 스펀지에 모아 식수로 썼다고 합니다. 1세대 증발법도 이처럼 바닷물을 가열하여 증발시킨 후 물을 생산하는 전통적인 방식인데요. 다른 방식보다 공정이 단순하지만, 물을 증발시키기 위해 에너지가 많이 소모된다는 단점이 있습니다. 2세대 기술인 역삼투법은 역삼투막을 이용해 바닷물에 포함된 염분을 제거하는 방식으로 담수를 생산하는 방식입니다. 역삼투법에 대해서 간단히 설명해 드리자면, 농도가 다른 두 용액 사이에 반투과성 막이 있을 때 일반적으로 농도가 묽은 용액 속의 용매는 농도가 진한 용액 속으로 이동합니다. 그러니까 담수가 해수 쪽으로 이동한다고 볼 수 있죠. 이는 자연스러운 현상입니다. 하지만 농도가 진한 용액 쪽에 높은 압력을 가해주면 묽은 용액 속으로 이동하는데요. 이러한 원리를 이용한 것이 역삼투법입니다. 역삼투법은 증발법보다 에너지 소모량이 적기 때문에 많이 보급되고 있지만, 아직도 그 생산 효율은 낮은 편에 속합니다. 또, 이런 해수 담수화 공정에서 발생하는 농축수가 있는데요. 일반적으로 해수 담수화 공정에서 발생하는 농축수는 바다로 흘려버립니다. 그렇게 되면 해수의 염도가 증가하는 문제가 생기는데요. 최근 중동에서는 농축수 발생량을 줄여 담수 생산량을 증가시키는 기술에 많은 관심을 보이고 있습니다.

[앵커]
정리하자면 기존 방식보다 에너지 소모는 줄이고, 생산효율은 높이면서 농축수는 저감할 수 있는 그런 기술이 필요하다는 건데요. 그럼 박사님께서 개발한 해수 담수화 기술은 이런 기존의 단점들을 보완한 기술인가요?

[최준석 / 한국건설기술연구원 수석연구원]
네, 차세대 해수 담수화 기술인 '막 증발법'입니다. 그러니까 기존의 해수 담수화 기술인 증발법과 역삼투법의 장점을 이용한 새로운 개념의 기술인데요. 물이 통과하지 못하는 분리막을 이용해 수증기만 통과시킨 후 냉각시켜 담수를 생산하는 방식입니다. 막 증발 기술은 기존 해수 담수화 공정보다 낮은 온도와 압력 조건은 물론 높은 농도 조건에서도 담수 생산이 가능하다는 장점이 있습니다. 이 방식으로 담수 생산량을 기존 공정보다 20~30%가량 향상했고요. 기존 해수 담수화 공정에서 발생하는 농축수를 30% 이상 감소시켜 친환경 해수 담수화 미래 기술로 주목받고 있습니다.

[앵커]
'막 증발법'이라는 새로운 기술을 설명해주셨는데 새로운 기술인 만큼 개발하시면서 어려운 부분도 많았을 것 같습니다. 어떤 게 있었나요?

[최준석 / 한국건설기술연구원 수석연구원]
막 증발법이라는 기술은 1960년대에 처음으로 기술에 대한 개념이 발표되었습니다. 하지만 그동안 막 증발법에 필요한 소재 및 핵심 기술이 부족해서 오랜 기간 크게 주목받지 못했죠. 그러나 최근 소재 발달로 인해서 막 증발 기술에 대한 관심이 증가하고 있습니다. 막 증발법을 활용한 연구는 전 세계적으로 급속하게 성장을 하고 있습니다. 기술을 개발하고, 실용화를 위해서는 '실증 플랜트' 실험이 반드시 필요합니다. 이번에 저희 팀에서 개발한 중공사 모듈의 막 증발 플랜트 기술은 세계 최초로 실증 플랜트 규모로 적용된 기술인데요. 순수 우리나라 기술로 개발되었으며, 소재, 공정을 포함하여 실증 플랜트 제작에 많은 노력을 기울였습니다. 처음으로 시도하는 기술인만큼 실증플랜트 구축 과정에서 생각하지도 못한 여러 가지 변수가 있었습니다. 하지만 연구가 종료되기 전에 실증 플랜트를 구축하고 성공적으로 운영할 수 있었습니다.

[앵커]
그러면 실증 플랜트 구축이 왜 중요한지 그 이유와 함께 어떤 결과를 얻을 수 있었는지도 함께 설명해주시죠.

[최준석 / 한국건설기술연구원 수석연구원]
실증 플랜트 구축이 왜 중요하냐면 일반적으로 작은 실험실 규모에서 실험한 결과가 실제로 규모를 증가시켰을 때 제대로 성능이 나오지 않은 경우가 상당히 많습니다. 따라서 실증 규모로 실험한 결과는 실용화를 위해서 필요한 단계라고 할 수 있습니다. 저희가 개발한 실증 플랜트로 하루 400㎥ 규모의 물을 생산할 수 있다는 것을 확인할 수 있었습니다.

[앵커]
그러니까 실제로 운용해서 정말 이게 물이 생산되는지를 실험해보는 단계라고 볼 수 있을 것 같은데 이 기술이 상용화되면 기대할 수 있는 산업적, 경제적 효과는 어떤 게 있을까요?

[최준석 / 한국건설기술연구원 수석연구원]
저희가 분석한 자료에 따르면 전 세계 해수 담수화 분야에서 큰 규모로 사업하는 기업이 100여 개가 넘는 것으로 나타나고 있습니다. 그리고 설계, 시공을 담당하는 회사의 평균 이익률이 2% 미만으로써 매우 낮은 것으로 조사되고 있습니다. 즉 해수 담수화 시장이 과열 경쟁을 하고 있다고 보시면 될 것 같습니다. 따라서 이렇게 치열한 해외시장에서 성공적으로 경쟁하기 위해서는 핵심기술의 확보와 부가가치 창출이 필요합니다. 본 기술이 상용화되면 해수 담수화 시장에서 농축수를 줄이고 활용할 수 있는 새로운 패러다임이 형성될 것으로 판단되기 때문에 산업적 경제적 효과가 크리라고 판단됩니다. 또한, 다양한 분야로 응용할 수 있으므로 관련 산업에 미치는 영향도 클 것이라고 예상됩니다.

[앵커]
막 증발법의 관련 중요성과 가치도 살펴봤는데 현재 그럼 어떤 단계인지도 궁금해요.

[최준석 / 한국건설기술연구원 수석연구원]
현재 막 증발 기술은 국내에서 실증을 마쳤기 때문에 해외 진출을 위해서 해외 현장 적용 테스트를 추진하고 있습니다. 또한, 개발된 기술에 대해서 국내외에서도 관심이 많아서 여러 곳에서 연구 협력 제안을 받았고 현재 상용화를 위한 추가 연구를 준비 중입니다. 또한, 본 기술은 고농도의 해수를 처리할 수 있는 기술적 특징을 가지고 있어서 해수 담수화 이외에도 다양한 산업 분야에 적용할 수 있습니다. 따라서 다양한 산업 분야에 적용할 수 있도록 다양한 검토가 추진 중입니다.

[앵커]
바닷물을 정말 마시는 물로 바꿀 수 있는 그런 시대가 다가온다는 생각이 드는데 박사님의 앞으로의 계획은 어떤 건지 궁금합니다.

[최준석 / 한국건설기술연구원 수석연구원]
저희 팀에서 연구 중인 해수 담수화 기술을 더욱 많은 분야에 적용하고 싶습니다. 현재에도 다양한 분야의 기술을 접목한 연구를 수행 중이거나 추진 중입니다. 예를 들어서 신재생에너지를 연계하는 연구와 바닷물의 염도 차를 이용해서 해수 담수화 과정에서 소모되는 에너지를 낮추는 연구를 수행하고 있습니다. 그리고 해수 담수화 분야뿐만 아니라 식품 산업 및 양식업까지도 저희가 개발하고 있는 기술을 적용할 수 있어서 향후에는 다양한 분야의 적용성 연구를 추진하고자 합니다. 그리고 저희가 개발한 기술이 궁극적으로 전 세계 물 부족 문제를 해결하는데 작게나마 이바지하고 싶습니다. 앞으로도 많은 관심 부탁합니다.

[앵커]
이제 물은 흔한 자원이 아니잖아요. 인류 생존에 꼭 필요한 물을 안정적으로 깨끗하게 확보할 수 있는 기술이 하루빨리 상용화되는 모습을 보고 싶습니다. 지금까지 한국건설기술연구원 최준석 연구위원과 함께했습니다. 오늘 말씀 고맙습니다.