친환경적인 해수담수화 방식, 축전식 탈염 기술(CDI)

여러분은 ‘해수담수화’라는 말을 들어보신 적 있나요? 말 그대로 해수 속의 염분을 제거해 담수로 만드는 일련의 과정을 말하는데요. 물이 없으면 인류는 생존할 수 없을뿐더러 물은 국가의 가장 기본적인 핵심 자산이기도 합니다. 물이 부족한 곳에서 생활용수나 공업용수를 사용하기 위해서는 ‘해수담수화’ 과정을 필히 거쳐야 한다는 것! 따라서 해수담수화 방식은 우리 삶과 아주 밀접한 중요한 기술입니다.

전극기술을 활용한 축전식 탈염(CDI) 기술

일반적으로 지하수에는 마그네슘, 칼슘, 불소, 염소 등의 무기물과 중금속 물질이 녹아있습니다. 이 때문에 생활용수와 산업용수로 바로 사용하기엔 무리가 따르게 됩니다. 그래서 ‘해수담수화’ 과정을 거쳐야 하는데요. 이러한 정수처리 관련 산업 분야를 일명 ‘수(水)처리 분야’라 부르기도 합니다.

▲축전식 탈염(CDI) 기술의 개념 (출처 : 위키미디어 커먼스)

축전식 탈염기술 CDI는 Capacitive Deionization의 약자로 캐패시터(Capacitor : 많은 양의 전기를 모으는 장치. 콘덴서. 축전기)를 이용해 ‘전극 기술’을 바탕으로 물속에 있는 불필요한 이온 물질을 물로부터 분리시키는 탈염 기술입니다. 그래서 ‘축전식 탈염’ 기술이라고도 하죠. 슈퍼캐패시터(Super Capacitor)도 같은 기술을 말합니다. 슈퍼캐패시터는 에너지 저장장치 중 하나로 CDI와 동일한 원리로 작동됩니다.

CDI가 ‘전극 기술’을 활용한 기술이라고 했죠. 여기서 말하는 전극 기술이란 다음과 같습니다. 일반적으로 전극(전기가 드나드는 곳. 전류가 나오는 곳을 양극, 전류가 들어가는 곳을 음극이라 함)에 전기가 인가되면 반대 전하의 이온들이 이온교환막을 통과하고 전극 표면으로 이동하게 됩니다. 전기적으로 흡착되는 과정이죠.

보다 자세히 설명하면, 물이 이동하면서 물속의 이온이 서로 달라붙게 되고, 이온교환막 사이에 남은 물에는 이온이 남지 않게 됩니다. 그렇다면 양쪽의 전극에 부착된 이온들은 뭘까요? 바로 정수가 필요한 마그네슘, 칼슘, 불소, 염소 등의 무기물이죠. 염기성을 띠는 무기물은 모두 이온 상태인데, 이온 상태여야 전기가 통합니다. 이온의 정의 자체가 “전하를 띠는 원자 또는 원자단”입니다.

▲스페인 바르셀로나의 해수담수화 플랜트 (출처 : 위키미디어 커먼스)

RO(역삼투압법) 방식 대비 CDI 기술의 강점

CDI는 이처럼 간단한 원리로 작동하는 기술입니다. 이렇게 탈염을 하게 되면 화학약품 처리를 거치지 않기에 2차 오염도 발생하지 않습니다. 매우 친환경적인 방식이죠.

CDI에 대한 관심이 높아진 또다른 이유는 에너지 비용 측면입니다. CDI는 경쟁 기술인 RO 방식보다 항상 낮은 에너지 소모율을 보인다고 합니다. 수중 용존이온을 제거하는 대표적 방식이 해수를 증기로 담수화하는 증발식(다단증류법)과 RO 방식인데요. RO 방식은 염분을 걸러내는 반투막과 삼투 현상을 이용해 순수한 물을 얻는 역삼투압법(Reverse Osmosis)을 말합니다. RO 방식은 증발식에 비해서는 적은 에너지가 소모되나 여전히 에너지 소모가 큰 방식입니다. CDI는 많게는 RO 방식의 20% 수준에서도 탈염이 가능한 공정이며, 운영과정 또한 간편합니다. RO법은 고압력에서 운전되며 복잡한 장치 구성으로 인해 설비 유지 면에서 어려운 점이 있는데 반해, CDI 모듈은 전자동으로 운전 가능하기 때문에 전압도 크지 않습니다.

또한, RO의 경우 정수되는 물은 적지만 버려지는 물이 아주 많습니다. 전체의 70% 정도가 버려집니다. 이에 반해 CDI는 90% 이상의 효율을 보입니다. 버려지는 물은 10% 이내죠.

이외에도 다양한 정수 방식이 활용되고 있는데요. 이온교환수지법은 산(Acid)이나 소금(NaCl)을 많이 사용하는 관계로 2차 오염이 발생하는 단점이 있습니다. 전기투석법(Electrodialysis, ED)은 용량 확장성에 한계가 있고 다량의 값비싼 이온교환막이 사용됩니다. 이러한 단점을 보완한 정수 방식이 축전식 탈염(Capacitive Deionization, CDI) 기술인 것입니다.

우리나라에도 축전식 탈염 기술 기반으로 친환경 에너지 분야를 선도하는 다수의 기업들이 있는데요. 앞으로도 우리나라 수(水)처리 분야 기업의 선전을 응원합니다. 이같이 물속의 이온을 제거하는 선진 정수처리 기술을 통해 우리는 생활용수나 산업용수를 안전하게 사용하고 있으니까요.

[참고자료] 

“선풍기 1대 전력으로 담수 1t 공급”…저개발국용 ‘소형 담수기’

산업일보, 2024. 4. 19.

슈퍼커패시터로 배터리 잡고, CDI기술로 무공해 수처리

이투뉴스, 2023. 1. 2.

축전식 탈염기술 연구개발 현황과 전망

워터저널, 2013. 3. 28.