1. 서 론
전 세계적으로 기후 변화와 인구 증가로 인한 물 부족 문제가 심화됨에 따라 해수담수화 기술이 필수적인 대안으로 부상하고 있다. 유엔(UN)과 기후변화에 관한 정부간 협의체(IPCC) 보고서에 따르면, 지속적인 온난화로 인해 강수 패턴이 변화하고 가뭄이 빈번해지면서, 2050년까지 전 세계 인구의 절반 이상이 물 부족 위험에 직면할 것으로 전망된다[1]. 이는 담수자원이 부족하여 해수담수화에 의존적인 중동, 아프리카 지역 뿐 아니라 담수자원이 풍부하였던 지역까지 물 공급에 대한 위기를 야기하기에 기존의 지역적 특성과 관계없이 전 지구적으로 안정적인 담수 공급을 위한 해수담수화 기술의 필요성과 중요성이 점점 증가하고 있다[2].
그러나 현재 상용화된 해수담수화 기술 중 가장 널리 사용되는 역삼투(Reverse Osmosis, RO) 공정은 고압 펌프를 사용하여 해수를 반투막으로 통과시키는 과정에서 막대한 전력을 소비하는 문제가 있다(3~4kWh/m3) [3]. 담수화에 사용되는 높은 에너지 소모량은 담수를 처리하여 활용한 것 대비 최소 1.5배에서 두배 이상 높은 생산 비용을 필요로하고 과도한 전력 사용으로 인해 지속적인 탄소 배출을 유발하여 환경적 부담을 가중시킨다[4]. 일반적으로 화석연료 기반 전력 생산에 소모되는 탄소 배출량은 약 0.8~1.0 kg CO2/kWh로, 이를 기준으로 할 때 기존 역삼투 공정에서 발생하는 탄소 배출량은 약 3.2~4.0 kg CO2/m3 수준으로 달한다[1]. 국제담수화협회(IDA)에 따르면 전 세계적으로 설치된 담수화 플랜트의 일일 총 생산량은 9,720만 (m3/d)에 달하기에 이는 연간 약 75 TWh의 에너지를 사용함과 동시에 연간 약 76 Mt-CO2를 배출하는 것을 의미한다. 또한 2040년에는 물 부족 문제 해결을 위한 해수담수화 공정의 사용 증가로 인해 탄소 배출량이 218 Mt-CO2에 이를 것으로 예상되기에 담수화로 인한 탄소 배출 문제의 심각성이 시급히 해결될 필요가 있음을 의미한다[5]. 따라서 에너지 효율성이 높은 동시에 저탄소 배출을 실현할 수 있는 새로운 담수화 기술의 개발이 시급한 과제로 대두되고 있다[6]. 이러한 문제는 기후 변화와 맞물려 지속 가능한 담수화 기술 개발의 필요성을 한층 더 부각시키고 있다.
이에 따라, 저 에너지 소비와 저탄소 배출을 목표로 하는 다양한 해수담수화 신기술이 연구되고 있으며, 그 중에서도 전기화학적 담수화 기술은 기존 공정 대비 에너지 소모량이 낮아 탄소 배출량을 획기적으로 줄일 수 있는 잠재력을 지니고 있어 역삼투 공정과 연계한 하이브리드 해수담수화 공정의 형태가 각광받고 있다[7,8]. 특히, 해수전지(Seawater Battery, SWB) 기술은 에너지 저장장치로써 개발된 전지 시스템이나 충전 과정에서 해수 속 나트륨 이온(Na+)과 염화 이온(Cl−)을 제거하는 반응 메커니즘을 지녔기에 저 에너지 담수화 공정 개발에 있어 매우 중요한 역할을 수행할 수 있는 기술로 여겨진다[9]. 해수전지를 담수화공정에 활용할 경우, 해수 내 이온을 최대 80% 까지 제거할 수 있기에 해수의 높은 삼투압을 25 bar 에서 5 bar 수준으로 낮출 수 있다. 이는 담수화를 위해 필수라 여겨진 역삼투 공정 없이 저압, 저 에너지 탈염 공정만을 활용하여 담수를 생산할 수 있다는 기존 담수화 기술과의 큰 차별성을 가진다. 이러한 해수전지의 충전 메커니즘에 기반하여 저 에너지 담수화 연구가 해수전지 원천기술을 보유한 국내 연구진을 필두로 활발히 연구되고 있다[10,11]. 뿐만 아니라 해수전지 기술은 재생 가능 에너지원과의 통합 운영이 가능하다는 점에서 에너지 관리와 담수화의 융합 기술로도 평가받고 있으며 이러한 특성은 해수전지 기술이 저탄소 사회로의 전환에 기여할 수 있는 핵심 기술임을 시사한다.
이에 본 논문에서는 해수전지 기술의 원리와 주요 연구 사례를 검토하고, 이를 기반으로 저 에너지 해수담수화 공정의 발전 가능성과 환경적, 경제적 이점을 논의하고자 한다. 또한, 국내외 해수전지 기술 수준을 비교 분석하여 향후 연구 및 기술 개발 방향을 제시함으로써 지속 가능한 담수화 기술의 발전에 기여하고자 한다.
2. 해수전지 기술
저 에너지 및 저탄소 담수화 기술 개발을 위해서 활용된 해수전지는 해수 속 이온 중 나트륨 이온만을 선택적으로 통과시키는 세라믹 막을 활용한 에너지 저장 장치로써 Na Super Ionic CONductor (NASICON)이 분리막의 형태로 활용되는 전지 시스템이다. 일반적인 충전 과정에서 해수의 나트륨 이온은 해수전지 음극 내부로 이동하여 저장되며 동시에 염화 이온이 환원(Chlorine evolution reaction, CER)되어 염소기체 형태로 제거되거나 산소 환원(Oxygen evolution reaction, OER)이 나타나며 효과적인 담수화를 위해 음이온 교환막(Anion exchange membrane, AEM)을 배치하여 CER반응을 촉진시키는 형태로 해수전지를 통한 담수화 연구가 진행된다. 방전의 경우 해수전지 내부에 저장된 나트륨이 산화되어 이온 형태로 재 배출되며 외부기기에 전력을 공급한다. Fig. 1은 담수화를 위해 활용되는 해수전지를 나타내는 모식도이며, 해수전지 충전 시 이온의 이동흐름과 코인 셀의 구조도를 나타낸다.
3. 저탄소 담수화 기술 사례
해수전지의 충전 시 발생하는 탈염수를 활용한 저 에너지 및 저탄소 담수화 기술은 해수전지를 구성하는 양극부, 담수부, 음극부의 특성 뿐만 아니라 해수전지에서 처리 되지 않는 이온들을 효과적으로 제거하기 위한 최적의 공정 개발 등 다양한 연구가 진행되었으며, 지금부터 대표적인 연구사례를 소개한다.
3.1. 역삼투 공정 에너지 시뮬레이션 기반 해수전지 담수화 시스템의 에너지 소모량 예측
해수전지의 탈염효과는 에너지 저장장치의 관점에서는 부수적인 현상으로 여겨졌으나, 환경공학, 특히 해수담수화 기술의 관점에서는 에너지 저장과정 중에 저농도의 해수가 공급될 수 있다는 것을 의미함으로 이는 해수전지를 활용할 시 저 에너지 담수화가 이뤄질 수 있음을 의미한다. Bae et al. [12]에 따르면 해수전지의 충전에 따른 해수의 탈염 정도를 total dissolved solid (TDS)를 기준으로 80%까지라 보고하였으며 Ligaray et al. [13]은 해수전지의 충전으로 인한 탈염효과를 통해 막여과를 기반으로 하는 해수담수화 공정을 연계 시 해수담수화에 필요한 총 에너지 소모량을 이론적으로 해석한 연구를 선보였다. 기존 역삼투 기반 담수화 기술의 높은 에너지 소비 및 운영 비용 문제를 해결하기 위해, 본 연구는 해수전지를 에너지 저장 및 담수화 장치로 통합한 하이브리드 시스템의 에너지 소모량을 분석하고자 실험적으로 해수전지의 탈염 효과를 분석하였고 그 결과를 바탕으로 음용수 기준에 맞춘 담수화를 위한 막여과 공정도입시 소모되는 에너지 소모량을 Reverse osmosis system analysis (ROSA 9.1, DOW, Midland MI, USA)을 활용하여 계산하였다. 해수전지 충전 후 담수화 정도를 비교하기 위한 충전 실험은 코인 셀을 통해 진행되었으며 1.8 mA 정전류 충전 후 전압 4.5 V에 도달 시 0.2 mA를 단계적으로 하강하여 담수화 하였다. Table 1는 시나리오 분석을 위해 해수를 각 여과막에 통과시킨 처리수의 이온 조성을 보여주며 UF막을 통과한 처리수의 경우 약 34,000 mg/L, NF막을 통과한 경우 12,500 ppm으로 후단에 연결된 해수전지 및 막여과 공정이 필요함과 동시에 제거해야 할 이온의 종류와 양이 상이함을 나타낸다.
다양한 막여과 공정과의 연계에 따른 에너지 소모량을 비교하고자 담수화 농축수를 사용한 에너지 저장량 분석을 포함한 네가지 시나리오에 대해 연구결과를 도출하였다. Table 2은 해수전지를 활용한 에너지 저장 및 담수화에 대한 시나리오이다. 농축수로부터 저장되는 에너지 분석을 제외한 세가지 시나리오는 해수전지에서 제거되지 않는 이온을 제거하기 위한 방안으로 초미세여과(Ultrafiltration, UF), 나노여과(Nanofiltration, NF), 기수역삼투(Brackish water reverse osmosis, BWRO) 막을 연계한 방식으로 제안되었다.
앞서 제시한 시나리오에 따라 해수전지 충전을 통해 나트륨(Na⁺)과 염화 이온(Cl⁻)을 효과적으로 제거하였으며, 모든 시나리오에 대해 나트륨 이온 제거율은 90% 이상, 염화 이온 제거율은 시나리오에 따라 74~82%로 나타났다 (Fig. 2). 특히, 초미세여과 전처리 후 해수전지, 기수담수화(Brackish water reverse osmosis, BWRO)를 연계한 공정은 에너지 소비를 최소화하면서 담수화 효율을 극대화할 수 있음을 입증하였다. 이 경우, 탈염에 필요한 에너지 소비량이 1.35 kWh/m3로 측정되었다 (Table 3). 이는 기존 RO 플랜트의 평균 에너지 소비량(2.83 kWh/m3)에 비해 50% 이상 낮은 수치로, 해수전지 기반 담수화 시스템의 에너지 절감 효과를 명확히 보여주는 사례이다. 또한, RO 농축수(고농도 염수)를 해수 배터리에 재활용함으로써, 고농도 폐수 배출 문제를 완화할 수 있는 가능성을 제시하였다. 하지만, 이 경우 에너지 소비와 담수화 효율 면에서 가장 우수한 성능을 보였으나, 해수전지의 충전 시간이 최대 54시간으로 길어 기존 역삼투 공정과 같이 실시간으로 담수를 공급하는 것과는 다소 차이가 있으며, 해수전지의 이온 제거반응이 많은 시간을 필요하는 과정이기에 나타나는 한계점으로 지적된다. 담수화에 필요한 시간을 줄이기 위해서는 시스템 적으로는 해수전지에서 제거되는 이온의 양을 줄이는 방법과 해수전지의 충전 속도를 올리는 방향이 제시될 수 있으며, 본 연구에선 나노여과막을 해수전지 전단에 배치하여 이온을 사전에 제거하는 방식으로 담수화에 필요한 시간을 60% 수준으로 줄일 수 있었다. 단, 이 경우 에너지 소모량이 1.7~2.1 kWh/m3 수준으로 증가할 수 있음을 나타냈다. 결론적으로, 본 연구는 해수전지 기반 담수화 기술이 기존 RO 시스템의 높은 에너지 소비 문제를 해결에 실마리를 제공하여 수자원 부족과 과다한 에너지 사용으로 인한 탄소 배출 문제에 긍정적인 영향을 제공할 수 있지만, 대규모 적용을 위해 전지 제조 기술, 시스템 최적화, 그리고 충전 시간 단축을 위한 추가적인 기술 개발이 필요함을 나타내었다. 또한, 본 연구는 해수전지의 충전에 사용되는 에너지를 고려하지 않고 충전과정의 부산물만을 활용한다는 가정하에 에너지 소모량을 비교 및 분석하였기에 담수화만을 목적으로 해수전지를 활용할 경우 충방전 효율에 따라서 그 차이만큼 에너지가 소모되며, 이는 전지의 효율에 따라 기존 역삼투 공정을 활용하는 것보다 많은 양의 에너지가 들 수 있음을 의미한다.
3.2. 해수전지 양극부 특성에 따른 해수전지 담수화 시스템의 영향
해수전지를 활용한 담수화 전지 기술이 개발되던 초기, 전지로써 에너지 저장만을 목적으로 두는 것이 아니라 이온이 충분히 제거가 되는지 그리고 생산되는 담수의 수량은 어느 정도인지를 고려하고자 하였다. 기존 해수전지에서 담수화의 형태로 사용하기 위한 방법으로 음이온교환막을 적용한 사례가 대표적이며 이는 염화 이온의 제거율을 올리기 위함과 동시에 담수부로 불리는 담수화가 일어나는 공간을 따로 분리시키기 위함이다. 따라서 해수전지 담수화 장치는 양극을 포함하는 양극부, 담수화가 일어나는 담수부, 그리고 나트륨이 저장되는 해수전지 영역인 음극부로 구분된다. 해수전지 충전지 이온이 이동하는 방식은 담수부의 나트륨이 음극부로 그리고 담수부의 염화 이온이 양극부로 이동하게 되기에 담수부에 대한 고려사항은 얼마나 이온이 많이 제거가 되는지 였으나 담수화 성능을 나타내는 담수생산량은 해수전지의 충전시간에 따라 큰 차이를 나타내게 되었는데, 이는 양극부와 담수부의 농도차로 인해 삼투현상이 발생하여 낮은 농도를 가지는 담수부로부터 양극부로 삼투가 일어나기 때문이다. 따라서 삼투현상에 대한 이해와 담수생산량 감소 문제에 대한 해결방안을 모색하기 위한 연구가 수행되었다. Park et al. [14]은 해수전지 성능에 대한 양극부의 염농도 영향을 분석하고 해수전지 담수화 시스템 설계를 위한 지침을 제공하고자 하였으며, 각기 다른 농도를 가지는 세 종류(RO 농축수, 기수, 하천수)의 전해질이 담수화 및 충전/방전 성능에 미치는 영향을 실험적으로 평가하였다. Table 4는 실험에 사용한 세종류의 양극부 및 담수부 용액에 대한 수질 정보를 나타내며 나노여과막 처리수를 해수전지를 활용해 담수화 할 시의 담수화 성능을 비교하였다. 담수화를 위해 정전류 다단 감소법을 활용하여 1 mA의 전류를 시작으로 해수전지의 전압이 4.5 V에 도달 시 0.2 mA 씩 전류를 감소시키는 방법으로 충전 및 담수화를 진행하였고 Fig. 3은 해수전지 충전시의 전기화학 특성 정보를 나타낸다.
전해질 농도에 따른 해수전지 충전 및 담수화 소요시간을 비교하였으며, RO 농축수와 기수는 상대적으로 높은 전도도로 인해 짧은 충전 시간을 기록했다(RO 농축수: 36.4시간, 기수: 39.5시간). 이는 전도성이 높은 전해질이 낮은 저항을 제공하여 높은 전류를 유지할 수 있기 때문이다. 반면 하천수는 낮은 전도성으로 인해 높은 저항을 나타냈으며, 이는 해수전지 전체 시스템 저항 상승에 기여하여 결국 담수화에 필요한 해수전지의 충전 시간 큰 증가를 초래하였다(81.0시간). 특히 하천수는 초기 전류가 급격히 감소하며 전압이 빠르게 증가해 시스템 효율을 떨어뜨렸으며, 이러한 결과는 낮은 이온 농도로 인한 전해질의 큰 전기 저항성이 해수전지 시스템 성능의 주요 결정 요인임을 시사한다. 담수화에 소요되는 시간이 크게 차이는 것에 반해 담수화가 완료된 후 담수부 수질을 비교한 결과 제거되는 이온의 질량에선 1% 미만의 차이를 보였으며 전기 전도도 감소율은 담수부 부피 차이로 인해 최대 12%의 차이를 나타냈다. 양극부 전해질 특성에 따른 담수화 성능 차이는 생산된 담수부의 부피에서 큰 차이를 보였다. 양극부와 담수부의 염도 차이에 비례하여 담수부의 부피가 감소했다 (Table 5). 양극부에 RO 농축수를 사용했을 경우, 담수부의 부피는 3.40 mL에서 2.30 mL로 33% 감소하였고 상대적으로 저농도인 기수를 사용했을 경우 3.03 mL로 11% 감소하였고, 낮은 농도를 가진 하천수의 경우 3.13 mL로 8%만 감소하였다. 이러한 부피 감소는 음이온교환막을 통한 물의 이동 때문으로 해석되며 물 이동의 원동력은 양극부와 담수부 사이의 삼투압 차이로, 양극부의 염도가 높을수록 충전 시 담수부의 부피 감소가 더 크게 나타났다. 하지만 제거된 이온의 총량은 삼투 효과와 상관없이 높은 수준을 유지하였고 양극부의 염도 조절에 따라 담수부 생산량이 유지가 될 수 있음을 본 연구를 통해 확인할 수 있었으며, 이는 해수전지 기반 담수화 시스템 설계 시 삼투 효과를 최소화하거나 이를 활용할 수 있는 설계 방안이 필요함을 시사한다.
3.3. 역삼투 막을 활용한 해수담수화 농축수 처리 및 에너지 저장
해수전지를 활용한 담수화 기술은 이론적으로 담수화에 필요한 에너지를 크게 감소시킬 수 있을 것으로 기대가 되고 있는 반면, 해수전지를 구성하는 요소의 비용적인 한계점을 가지고 있다. 특히, 이온제거 효율을 올리기 위해 활용되는 음이온교환막은 일반적인 고분자 기반의 여과막과 달리 비용이 적게는 수십 배에서 많게는 수백 배의 차이가 나는 것으로 알려져 있다. 따라서 해수전지 기반 담수화 기술이 더 큰 가치를 갖기 위해서는 교환막에 대한 개선과 연구가 필요한 상황이다. Park et al. [15]은 고비용을 초래하는 음이온교환막을 대체할 수 있는 해수전지 시스템에 대한 연구를 수행하였다. 해당 연구진은 역삼투막을 활용한 해수전지 담수화 시스템을 고안하였고 이를 활용하여 우수한 담수화 농축수 처리 성능과 에너지 저장 성능을 증명하였다.
일반적으로 역삼투막은 이온을 투과시키는 성능이 매우 낮은 것으로 알려졌으나 Shi et al. [16]에 의해 이온교환막으로써 역삼투막을 전기화학적 시스템에 활용한 사례가 소개되었다. 역삼투막은 음이온교환막보다 높은 이온 저항을 가졌으나, 사용되는 해수전지 시스템의 전체 저항과 비교했을 시엔 7% 정도의 낮은 저항 상승이 있음이 확인되었다(Fig. 4).
RO 농축수를 처리는 측면에 있어서 이온 농도차로 인한 확산 현상이 긍정적인 측면으로 작용하여 오히려 빠른 처리 성능을 보였으며 농축수의 염제거율을 40%로 가정했을 경우, 처리에 필요한 시간이 이온교환막을 사용한 시스템(38시간) 대비 36.8% 감소한 24시간이 소요될 정도이다(Fig. 5). 하지만, 이는 이온 확산 효과가 긍정적인 측면으로 활용될 수 있는 양극부와 담수부의 농도가 같아지기 직전 까지며 확산의 방향이 반대가 되는 순간부터는 염 제거 성능이 떨어짐을 의미한다. 따라서 역삼투막을 활용한 해수전지 담수화 시스템은 저농도의 양극부와 고농도의 담수부 조합의 형태로 활용시에 의미를 갖는 것으로 해석되며 담수생산을 위한 시스템보다 고농도 염수배출로 인한 환경문제가 중요시되는 담수화 농축수 처리에 적합한 시스템이 될 수 있을 것으로 기대된다. 다만, 해당 연구에서 역삼투 막의 활용의 장점은 확산 현상에 의한 것이기에 식수 수준의 담수 생산을 위한 담수화 공정에 활용하기 위해서는 양극부의 농도가 해수보다 낮은 기수 또는 담수가 활용되어야 한다는 것을 의미한다. 이는 오히려 해수보다 낮은 염도를 가지는 수원을 버리게 되기에 담수화를 위한 공정으로서는 적용 한계가 있음을 의미한다. 따라서 이온 교환막 대체를 위한 역삼투 막의 활용이 실제 담수화 공정에 효과적으로 사용되기 위해서 확산에 의한 영향을 최소화할 수 있도록 전기화학적으로 제거되는 이온의 흐름을 가속화할 필요가 있을 것으로 판단되며, 이는 NASICON을 통한 이온 이동을 가속화하는 소재의 개선 또는 NASICON을 대체할 수 있는 이온 선택성을 가진 소재 개발 연구가 필요함을 의미한다.
3.4. 리독스 반응을 활용한 해수전지 담수화 기술
해수전지의 담수화 효과는 전기화학 반응으로 인한 결과물이다. 이는 전기화학 반응의 속도를 향상시키고 전기화학 반응을 줄이는 것을 통해 담수화에 필요한 에너지를 줄일 수 있다는 것을 의미한다. 해수전지 충전시 양극부에선 CER 또는 OER 반응으로 인한 불필요한 화학반응을 가지기에 에너지 손실을 초래하며 이러한 반응을 대체하기 위한 연구를 통해 해수전지 담수화의 성능 및 실현가능성을 향상시킬 수 있을 것으로 여겨진다[17]. Son et al. [18]은 카본 계열의 양극 대신 리독스 물질인 Na-NiHCF 합성전극을 도입한 해수전지 담수화 시스템을 개발하여 그 성능을 확인하였고, Kim et al. [19]은 양극 전해질을 NaHCF로 활용한 리독스 흐름 해수전지를 개발하여 불필요한 전기화학반응을 줄이고 해수전지의 효율을 올리는 성과를 보고하였다. 담수화 평가를 위해 코인 셀을 활용하여 담수부 3.4 mL에 대한 이온 제거 효과를 효과를 분석하였다.
Fig. 6은 Na-NiHCF 합성전극을 해수전에 사용한 모식도를 나타낸다. Na-NiHCF 리독스 전극을 양극으로 활용하여 해수전지 충전 시, 양극부에서 나타나는 CER반응 대신 NiHCF 격자 구조 내부에 저장되어 있던 나트륨이온이 외부로 방출되어 양극부에 전하균형을 맞추게 되며 이를 통해 양극에서 발생하는 전기화학반응을 줄여 충방전 효율을 61% 수준에서 85% 수준까지 20% 넘게 향상시킬 수 있었다. 이러한 충방전 효율 증가는 에너지 저장시스템으로 활용되는 해수전지의 부산물인 탈염수를 사용한다는 활용 제한 조건을 넘어 담수화를 위해 해수전지를 활용하더라도 낮은 에너지를 소모하여 음용수를 생산할 수 있다는 것을 시사한다. 또한, 해수전지 담수화의 속도를 결정짓는 충전 전류의 한계 또한 코인셀 기준 1 mA에서 2 mA로 두 배 증가시킬 수 있었다. 이는 해수전지 양극부에서 CER과 OER 반응이 일어나지 않기에 해수전지의 충전 한계 전압인 4.5 V 상황에서도 보다 높은 충전 전류를 가할 수 있기 때문이다. 하지만 리독스 전극의 한계점인 나트륨 이온이 충진 용량 한계 개선이 필요함이 보고되었으며 이는 해수전지가 에너지 밀도가 높은 나트륨 전지이기 때문이다. 동일한 면적의 카본 전극과 비교시 Na-HiHCF 전극 내부에 저장되는 나트륨이온의 양은 담수화에 필요한 용량대비 10% 미만으로 확인되었으며 이는 리독스 반응을 최대한 활용하기 위해선 카본 전극 대비 수 배 이상의 리독스 전극이 활용될 필요가 있다는 것의 의미한다.
이러한 리독스 물질의 용량 한계를 극복하고자 양극 전해질을 NaHCF로 활용한 리독스 흐름 해수전지가 연구되었고 양극 전해질의 용량을 늘려 전극의 면적을 늘리지 않고 리독스 전극의 장점을 가질 수 있었다. Fig. 7은 리독스 흐름 해수전지 담수화 시스템의 구조도를 나타내며 외부에 리독스 물질로 채워진 용기를 배치하여 충방전시의 산화 환원물질을 순환시켜 해수전지를 구동하였다. 해당 시스템은 충전시의 전압을 기존 4.0 V 수준에서 3.5 V 이하 수준으로 크게 감소시켰으며 이는 충방전 효율이 90%에 부합하는 수준으로 여겨진다. 하지만 리독스 흐름 해수전지 역시 삼투현상으로 인한 한계점을 나타냈다. 충전 전류 및 전해질 농동에 따라서 담수부 생산량의 10~30%가 삼투로 인해 감소하는 것으로 보고되었으며 저전류 충전 및 고농도 전해질 조건에서 정도가 심하였다. 이는 빠른 담수화를 위해 고전류 사용이 선호되며 충분한 리독스 물질의 효과를 얻기 위해 고농도의 전해질을 사용해야 하는 상황과 상충되는 문제로 삼투현상으로 인한 한계점과의 비교를 통해 최적의 조건을 도출할 필요가 있음을 시사한다.
4. 결론
해수전지는 전기화학적 원리를 활용하여 에너지 저장과 담수화를 동시에 구현하며, 기존의 고에너지 소비형 RO 공정을 대체할 잠재력을 지니고 있기에 해수전지를 활용한 담수화 기술은 물 부족과 탄소 배출이라는 과제를 해결할 수 있는 혁신적인 접근법으로 주목받고 있다. 본 논문에서 검토한 연구 사례들은 초미세여과 및 나노여과와 같은 막 여과 공정을 해수전지와 융합함으로써 충분한 담수 수질을 만족하면서 기존 방법 대비 에너지 소비를 절반 이하로 줄일 수 있음을 입증하였다. 그러나 해수전지 기반 담수화 기술이 상용화되기 위해서는 몇 가지 해결해야 할 기술적 한계가 존재한다. 첫째, 해수전지의 이온 제거 속도가 상대적으로 느려 대규모 담수화 적용 시 장기적인 운영 효율성 확보가 필요하다. 이를 해결하기 위해 전극 소재 개선, 전해질 최적화, 시스템 충방전 속도 향상을 위한 연구가 필요하다. 둘째, 현재 사용되는 이온 교환막 및 전해질의 비용이 높아 전체 시스템의 경제성이 낮다는 점이 문제로 지적된다. 이를 극복하기 위해 저비용 대체 소재 개발 및 공정 최적화가 필수적이다. 셋째, 장기적인 안정성과 내구성을 보장하기 위한 연구가 부족하여 실제 환경에서의 실증 테스트가 추가적으로 요구된다. 이러한 한계를 극복하기 위한 방향성으로는 해수전지를 기존 RO 공정과 결합한 하이브리드 시스템을 개발하여 단점은 보완하고 장점은 극대화하는 전략이 필요하다. 또한, 재생 가능 에너지와 연계하여 에너지 소비를 더욱 줄이는 방안도 고려해야 한다. 이를 통해 해수전지가 기존 RO 공정을 보완하는 형태에서 나아가, 독립적인 저탄소 담수화 기술로 자리 잡을 수 있을 것이다. 결론적으로, 해수전지 기반 담수화 기술은 기존 담수화 기술 대비 에너지 절감과 탄소 배출 저감 효과를 제공할 수 있는 유망한 기술로 평가된다. 하지만 대규모 적용을 위해서는 전지 제조 기술, 시스템 최적화, 그리고 충전 시간 단축을 위한 추가적인 기술 개발이 필요하다. 이러한 과제를 해결하기 위한 지속적인 연구와 융복합 기술 개발이 이루어진다면, 해수전지 담수화 기술은 글로벌 담수화 시장에서 중요한 역할을 할 수 있을 것으로 기대된다.
PDF Links
PubReader
ePub Link
Full text via DOI
Download Citation 
Print 
