바닷물을 높은 효율로 담수화할 수 있는 방법이 개발됐다. 최적화 온도를 계산해 하이드레이트 기반 담수화 기법을 다양한 방식으로 활용하는데 도움이 될 것으로 기대된다.
UNIST(총장 이용훈) 탄소중립대학원 서용원 교수팀은 사이클로펜테인(Cyclopentane) 하이드레이트의 열역학적 특성을 실험적으로 측정하고 이를 바탕으로 하이드레이트 담수화 기법의 효율을 평가했다. 담수화 효율을 최대화할 수 있는 온도를 예측할 수 있는 새로운 계산법도 제시했다.
그림1. 사이클로펜테인 하이드레이트 기반 담수화 모식도
하이드레이트 담수화 기법은 적은 에너지로 높은 농도의 염수나 오염수에도 쉽게 적용 가능한 친환경 담수 기술이다. 염수나 오염수에서 물을 포함하는 화합물인 하이드레이트가 생성될 때 염을 포함한 불순물이 빠져나가는 현상을 이용해 깨끗한 물을 얻어낸다.
서용원 교수는 “염수에 무색의 휘발성 액체인 사이클로펜테인을 넣은 뒤 특정 생성조건을 만족하면 순수한 물로 이뤄진 사이클로펜테인 하이드레이트가 생성된다”며 “담수화에 적용하기 위해 이 사이클로펜테인 하이드레이트의 열역학적 특성을 실험적으로 측정했다”고 설명했다.
연구팀은 실험을 바탕으로 다양한 조건에서 사이클로펜테인 하이드레이트의 최대 물 수율(Maximum Water Yield)을 계산했다. 최대 물 수율과 하이드레이트 담수화 공정에서 냉각에 필요한 열에너지를 기반으로 효율을 계산했다. 염수의 농도별로 최대의 효율을 얻을 수 있는 온도를 찾는 열역학적 관계식이다.
예를 들어, 초기 염 농도가 각각 3.5 wt%, 5 wt%인 염수를 하이드레이트 담수화 기법을 사용하면, 에너지효율 최적 온도 조건은 각각 273.4 K, 271.5 K, 최대 물 수율은 67%, 61.1%로 관계식을 통해 계산된다. 이를 통해, 실제 공정의 효율을 최적화하는데 결정적인 기준을 제시할 수 있을 것으로 기대된다.
제 1저자 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 덧붙였다.
그림2. 주입 염수의 염도에 따른 공정 에너지 효율의 최적 운행 온도
이번 연구는 한국생산기술연구원과의 공동연구로 진행되었으며, 과학기술정보통신부 한국연구재단 기초연구사업과 원자력연구개발사업, 한국에너지 기술평가원의 지원을 받아 진행됐다.
논문은 수처리 분야 최고권위 저널인 ‘Water Research’에 10월 6일 온라인 게재됐으며, 11월호에 출판됐다.
