[상수도 미래기술 전망] ② 축전식 탈염기술 연구개발 현황과 전망 / 최재환 공주대 화학공학부 교수     기후변화를 포함한 정치·경제·사회·문화 모든 면에서 변화의 속도와 방향은 가늠하기 힘들고 불확실성과 위험 증가로 인해 이에 대한 대처가 점점 더 어려워지고 있다. 하지만 위기와 어려움은 새로운 기회와 기술을 탄생시키고 발전시키는 원동력이기도 하다. 상수도 기술도 이러한 변화와 대응의 순환 속에 있다. 이에 서울시 상수도연구원(원장 박용상)은 위기 대응 방안으로써의 새로운 수도 기술을 모색하고 수도와 에너지의 융합적 개념을 전망해보기 위해 2013년 2월15일 상수도연구원 본관에서 ‘상수도 미래 기술의 전망’이라는 주제로 세미나를 개최했다. 이날 세미나에서 첫 번째 발제자로 나선 성균관대 김형수 교수는 “이제는 정수처리에서 멤브레인 기술이 빠질 수 없는 상황”이라며 “앞으로 멤브레인 중심으로 수처리 기술을 준비해야 한다”라고 말했다. 공주대 최재환 교수는 ‘축전식 탈염기술의 연구개발 및 현황과 전망’이라는 주제의 발표를 통해 “CDI(축전식 탈염기술) 공법은 저에너지 소모형 탈염 기술로 기존 이온교환수지, 역삼투막, 전기투석 공정들을 대체할 수 있는 차세대 대안기술이 될 것”이라고 강조했다. 한국에너지기술연구원 강경수 박사는 ‘물로부터 수소를 제조하는 방법’에 대해 설명했다. 강 박사는 “지구온난화와 오일피크 현상으로 에너지와 환경 위기에 직면했다”라며 “이산화탄소 배출량이 세계 10위고 에너지 수입의존도가 97.1%인 우리나라는 불안정한 상태”라고 언급했다. 이어 K-water의 김광렬 차장은 ‘물을 이용한 에너지 개발’을 주제로 현재 K-water에서 진행하고 있는 신재생에너지 사업의 현황과 녹색에너지 비전에 대해 설명했다.

 

 

 

물 속에 무기물이 존재한다는 것은 이온 형태를 의미한다. 이온을 제거하는 방식으로 RO(역삼투압)나 멤브레인을 사용하는 경우는 대부분 ‘Rejection’이라는 말을 주로 쓴다. 배제한다는 뜻으로, 막을 이용해 이온이나 유기물질을 투과하지 못하게 하고 물만을 통과시키는 것이다.

이온만을 물 속에서 끌어당기는 방법은 물을 통과시킬 필요 없이 제거하려는 것만 빼내는 것이다. 이온만을 제거하는 기술 중에도 여러 가지 방법이 있는데 그중 축전식 탈염기술을 주제로 설명하겠다.

탈염 공정은 수질정화에서 이온성 물질을 제거하는 것에 중점을 두고 있다. 탈염기술은 상수도뿐만 아니라 모든 산업공정에서 굉장히 중요한 기술 중 하나이다. 우리가 마시는 물에도 탈염 공정이 필요하며, 보일러수, 반도체 공정에서도 탈염공정은 중요한 작용을 한다.

물 속에 건강을 해칠 수 있는 중금속들을 제거할 때 사용되기도 하고 의학, 식품 등에도 필요하다. 어떤 제품을 만들었을 때 그 제품에 들어있는 이온들, 실제로 약을 만들 때 미량 들어있는 이온을 제거하는 것도 탈염기술 분야의 하나이다.

적용되는 공정으로 담수화(대부분 멤브레인) 공정이 이슈가 되고 있고, 그밖에 이온교환수지, CDI(축전식 탈염기술) 등이 있다. 특히 멤브레인 기술은 두 가지로 대별되는데 한 가지는 RO(Reverse Osmosis)이고, 다른 한 가지는 Electro-membrane process(ED, DD, WSED, EDI)이다. 이 공정들의 차이는 물을 이동시키느냐, 이온들을 이동시키느냐이다.

 

캐패시터 이용한 축전식 탈염 기술
ED, DD, RO, EDI, CDI 기술은 모두 훌륭하나, 한 가지 기술로 모든 것을 해결할 수는 없다. 각 공정별로 가장 우수한 적용 범위가 있다. Evaporation과 같은 경우 보통은 염의 농도를 기준으로 하는데 10만ppm 이상, RO는 5천∼5만ppm 정도이다. 이것이 절대적인 값은 아니다.

전기투석(ED, Electrodialysis) 같은 경우 400∼6천ppm으로 저농도, 이온교환수지는 이온을 교환하기 때문에 고농도에 적용한다. 적용을 못하는 것은 아니지만 효율이 조금 떨어진다고 볼 수 있다. 이온변환수지와 EDI는 300ppm 이하에서 가장 적절하게 공정이 이루어진다.

탈염 공정에서 물을 탈염할 때 에너지가 어느 정도 소비되는지 이론적으로 계산해보면, 농도비율을 리터(L)당 0.5로 했을 때, 해수를 기준으로 1.6㎾h/㎥, 4천ppm 정도의 기수(brackish water)는 0.17㎾h/㎥가 예상된다.

인풋과 아웃풋을 0.7정도로 탈염할 경우, 바닷물은 2.0㎾h/㎥, brackish water는 0.21㎾h/㎥정도이다. 실제 에너지 소모량은 보고서의 결과 내용이 너무 천차만별이지만 RO는 2.9∼3.7㎾h/㎥이고 MSF process는 4㎾h/㎥정도이다. MSF에서 RO방식으로 점차 이동하고 있는 추세이다.

[그림 1]은 ED의 원리를 설명한 멤브레인 공정이다. RO 공정과는 다르게 전극에서 전위를 일으켜 멤브레인 사이에 염수를 통과시키면 전기장에 의해서 양이온과 음이온이 끌려가는 것이다. 이로 인해 탈염이 이루어지고 반대쪽에선 농축이 이루어진다. ED 공정은 농도가 낮은 경우에 적절했다. 이온을 제거하는 양, 염의 농도가 높아질수록 적응하기 위해서 에너지 비용은 올라가고, 2∼3천ppm을 초과하면 다른 RO 공정에 비해서 효율이 떨어졌다.

EDI(Electro-Deionization) 공정은 ED 공정이 변형된 것으로 볼 수 있다. 전기를 쓰다 보니, 탈염이 되면 농도가 굉장히 낮아지게 된다. 이온이 없으면 전기저항이 커지게 되는데 이때 멤브레인과 멤브레인 사이에 수지를 채워 전기 저항을 줄여주는 공정이다. 이 공정의 장점은 초순수를 만들 때 적합한 공정이라는 것이다.

초순수는 RO로도 만들 수 있지만, RO 공정을 사용할 경우, 제거될 이온의 양은 거의 없는데 물만 짜내는 식으로 경제성 면에서 바람직하지 않다. 이 때문에 RO 공정을 대체하기 위해 EDI 공정을 사용하고 있다.

축전식 탈염(CDI, Capacitive deionization) 공정은 슈퍼캐패시터(Super Capacitor)라는 말로 더 익숙할 것이다. 슈퍼캐패시터는 에너지 저장장치 중 하나로 원리가 CDI와 동일하다. 에너지를 모을 때 먼저 차징(Charging)이 일어난다. 전하(Electric charge)가 쌓이는 것인데, 이 전하가 어느 정도 쌓여서 넘어갔을 때 반응이 진행된다.

그런데 두 가지 공정은 전극반응이 일어나기 전까지, 물의 전위가 일어나는 범위가 1.2V이기 때문에 1.2V 이하로만 둔다면 전극 반응이 일어나지 않고 전극이 충전되는 역할을 하게 된다. 여기에 양전하가 쌓인다면 당연히 음전하가 와서 흡착하게 된다.

하전(electric charge)이 된 층에 반대전하를 띤 이온이 달라붙어서 이루어진 층을 전기 이중층이라고 하고 이렇게 하전을 시켰다가 나중에 필요한 에너지를 사용하는 기술이 슈퍼캐패시터의 기본적인 원리이다.
전기이중층을 이용한 에너지 저장장치로 전극과 전극 사이에서 전해질이 흐를 필요가 없다. 전하는 쌓아주기만 하면 되기 때문이다. 전극반응이 일어나지 않는 낮은 전위에서 운전하기 때문에 에너지 소비량이 매우 낮은 장점이 있다.

CDI는 탈염을 이용하기 위해서 물을 이동시킨다. 물 속에 있는 이온이 서로 달라붙게 되고 통과한 물에는 이온이 남지 않게 된다. CDI은 물을 통과시키는 개념이라고 생각하면 된다. 그리고 여기서 이온이 흡착되면 걸었던 전위만 풀어주면 되는 것이다. 역전위를 주게 되면 붙었던 이온들이 떨어져 농축되어 나가는 간편한 공정이 된다.

최근 CDI에 대한 관심이 높아지고 있다. 가장 매력적인 부분은 에너지 비용이다. 기술적으로 가장 경쟁되는 기술이 RO이나, RO보다는 항상 낮은 에너지 소모율을 나타낸다. 많게는 20%수준에서도 탈염이 가능한 공정이라는 이유로 관심을 받고 있고, 공정운영이 간편하다.

전자동으로 운전이 가능하기 때문에 전압이 크지도 않다. RO의 경우 가정용 정수기의 리커버리(Recovery)가 낮고, 정수되는 물은 적지만 버려지는 물이 아주 많다. 전체의 70% 정도가 버려지나, CDI는 최하 90% 이상의 효율을 보이며, 버려지는 물은 10% 이내이다. 즉, RO의 회수율이 최대 70% 정도이지만 CDI 모듈은 회수율이 최대 90%까지 운전 가능하다.

에너지 소모와 리커버리가 RO 기술보다 뛰어나다는 것이 장점으로 작용한다. RO와 CDI를 비교하면 기수(brackish water)가 1천∼3천ppm 정도의 범위에서 RO의 경우 1㎾h 내외에서 에너지 소모를 보이는 반면, CDI는 보통 운전 전위가 1.2∼1.5V일 때, RO보다는 에너지가 적게 소모되는 공정이라고 할 수 있다.

기술적으로 CDI가 소개된 것은 1960년대이다. [그림 3]은 CDI 특허와 논문 추세를 분석한 그래프이다. 2010년 이후로 줄어들고 있지만, 지금은 기하급수적으로 늘어나고 있다. 기업, 대학, 산업체에서도 활발하게 연구가 진행되고 있다. CDI는 전극을 RO 모듈처럼 만드는 기술과 실제로 응용하는 기술로 나눌 수 있는데 대부분은 전극을 개발하는 방식에 대한 것이다.

전극에 이온 흡착 용량을 높이기 위한 연구에 포커스가 맞춰서 있다. 전극을 개발하는 연구, 모듈, 운전 및 적용 방법에 대해 연구를 하고 있다. 가장 중요한 핵심인 전극 부분을 살펴보면, 이온을 흡착할 수 있는 표면적이 넓은 물질이며 전기저항이 적고 빠른 흡·탈착이 이루어지는 물질이 적합하다. 수처리용으로 사용되는 물질은 반드시 값이 저렴해야 한다. 아무리 성능이 좋아도 비싸면 실제 현장에 적용하는 데 어려움이 있다.

Carbon material은 형태가 매우 다양하며, Carbon powder, Carbon cloth, Carbon felt, Carbon nanotube, Carbon aerogels 등이 있다. 어느 논문에서는 CDI에 가장 적절한 Carbon material은 Carbon aerogels이라고 결론을 내고 있다. 그래서 carbon aerogels을 이용한 전극을 만들어서 실험해 본 결과, carbon aerogle은 아니라는 결과가 도출됐다. 보급될 수 있는 소재가 아니기 때문에 효율은 좋으나 가격을 낮추기가 어렵다고 생각한다.

CDI는 지금 막 상업화가 진행되려고 하는 단계에 있다. 첫 단계는 카본을 이용한 가공성 전극을 만드는 것이었다. 모든 종류의 카본을 이용해서 전극을 만드는 과정을 1세대라고 판단했다. porous한 전극을 그대로 사용한다면 탈염 효율은 떨어지게 된다. 그래서 전극표면에 이온 선택성을 띈 이온 교환막을 결합한 형태의 CDI 장치가 개발됐다.

기존의 1세대 장치에 상호 이온 교환막을 물리적으로 결합한 것이다. 이런 형태의 제품이 현재 상용되고 있는 CDI 장치이다. 저희 연구실에서 연구한 것은 이온교환 고분자를 합성해서 코팅을 한 것이다.

원리적으론 매우 간단하지만 이 자체의 흡착용량을 높이고 전기저항을 줄일 수 있으며 가격 역시 줄일 수 있다. 탄소전극과 이온선택성이 있어야 탈염효율을 높일 수 있다. 이런 형태로 만들어진 carbon material과 이온 선택성 층을 가진 것을 2세대 전극으로 분류할 수 있다.

제거할 필요가 없는 이온까지 탈염하는 경우가 있다. 예를 들면 RO나 NF 등을 통해 탈염을 할 때, 완전한 초순수가 나오는 것이 결코 좋은 정수라고 볼 수 없다. 음용수를 기준으로 했을 때 모든 이온을 제거하는 것이 좋다고 할 수는 없다.

이온을 전기로 끌어오는데 모든 것을 다 제거할 필요는 없다. 목표 이온만 선택적으로 제거하는 전극을 개발하면 전력비를 더 줄일 수 있고 전극의 사용기간을 더 늘릴 수 있는 장점이 있다. 이것이 차세대 카본 전극(Carbon Electrode)이 나아가야 할 방향이다.

보통 전기를 주면 흡착을 한다고 하는데, 이온교환 선택성이 없으면 효율이 떨어지게 된다. 탈염은 유입수에 있는 이온을 끌어들이는 것으로 이온이 제거되어야만 탈염이 되었다고 말한다. 실제로 이러한 가공성 전극에 feed를 흘려주면서 전기를 주면 bulk solution이 흐르는 내부의 작은 기공들에는 흐름의 영향을 받지 않는다.

이온들이 존재하지만, 이 전극은 이온들이 어디서 왔는지 상관할 필요가 없다. 이온만 붙이면 되기 때문이다. 내부에 있는 이온들이 일차적으로 붙고 모자란 것들은 외부에서 끌어오기 때문에 Porous carbon을 사용하면 탈염 효과가 떨어진다. 이에 이온결합을 하면 이온이 투과하지 못하기 때문에 Bulk solution이 추가되어야 한다. 이것이 복합 탄소 전극이다.

탄소 전극을 제조하는 방식에는 여러 가지가 있지만 매우 단순하다. Carbon powder가 재료로 효과적이며, 모든 폴리머도 가능하다. 폴리머에 카본을 섞어서 밑에 전기를 흘려줘야하기 때문에 코일 위에 테스트하고 말리기만 하면 된다. 전 층의 두께를 150∼300㎛정도로 만들면 실제 현장에 적용하는데 문제가 없다. Graphite의 탄소 층 두께가 150㎛이다.

우리나라의 CDI 기술력은 세계적으로 매우 앞서 있다고 볼 수 있다. 소재 제작이 우수하며, 운전기술력도 뛰어나다. 시온텍(한국), ENPAR(캐나다), Voltea(네덜란드), Idropan(이탈리아), EWP, CDT(미국) 등에서 CDI 기술을 이용한 제품을 생산하고 있다. 우리나라의 경우, 대기업뿐만 아니라 수자원공사, 건설회사 등에서 관심을 보이고 있다.

CDI 기술의 응용 가능 분야가 3천ppm 정도라고 하지만, 1천ppm 내에서 탈염 면에서는 가장 경쟁력 있는 기술이라고 생각한다. 실험실에서도 이러한 조건에 맞춰서 실험이 이루어지는데 아직까지는 전극을 만드는 쪽에 포커스를 맞추고 있다.

초순수를 만드는 연구도 진행하고 있다. CDI 장치가 저농도 탄염에 효과적이라고 판단했기 때문에 초순수가 만들어지는지 실험했다. [그림 4]는 초순수(Ultrapure Water)가 만들어지는 과정이다. 초순수를 만드는 공정은 매우 다양하다. 초순수를 만드는 단계를 두 가지(Make-up system, Polishing system)로 분류할 수 있다.

Make-up system은 1㏁ 정도의 초순수를 얻는 것을 목표로 하는 공정이다. 1㏁ 정도면 활용가능한 부분이 굉장히 많다. 1∼10㏁ 정도 다음에 높일 수 있는 수치는 18㏁이다. 반도체 공정에서 18㏁가 되지 않는 물은 사용하지 않는다. 이 때문에 Polishing 단계를 거쳐야 하는데, 이 단계를 CDI 공정으로 개선해 보고자 연구를 진행했다.

CDI 기술은 고도수처리산업, 초순수제조산업, 해수담수화 산업, 자원재활용 산업 등에 활용이 가능하며, 정수기, 연수기, 세탁기, 식기세척기 등 다양한 가전제품뿐만 아니라 설계에 따라 산업용 정수 및 연수장치 제작에도 응용 가능하다.

CDI 기술은 에너지 비용이 낮다고 언급했는데 이론적으로는 비용이 제로가 되게도 할 수 있다. 흡착하는 과정은 에너지 저장단계, 탈착하는 과정은 에너지 방출 단계이므로 에너지를 써야하는데 지금까지는 버리고 있는 실정이다. 이 에너지를 리커버리해서 다시 흡착과정에 쓸 수 있다면 에너지 소모량을 줄일 수 있지 않을까 생각한다.

CDI 기술의 미래는 매우 밝다고 할 수 있다. 1천ppm 이내에서 염을 초순수까지 제거하는데 있어서는 경쟁력 있는 기술이라고 생각한다. 저에너지 소모형 탈염기술로서 차세대 탈염기술을 대체할 수 있다.

기존 이온교환수지, 역삼투막, 전기투석 공정들을 대체할 수 있는 대안 기술로 운전비용이 경쟁 기술의 1/10 수준이다. 전극의 내구성 및 전극오염에 대한 추가적인 연구가 필요하다. 전극 제조 단가는 상업적 수준에 거의 접근(이온교환막 : 10∼20만 원/㎡)했으며, 처리수의 회수율은 향상(90% 이상)됐다.

전위 조절을 통해 이온들을 선택적으로 제거할 수 있다. 1가 이온과 2가 이온의 분리, 염수 중 경도 물질만을 선택적으로 분리해 CDI 공정의 처리율 및 운전주기 등을 향상시킬 수 있다. 대체 에너지원으로도 작동이 가능하다. 전력공급이 원활하지 않은 장소에서 휴대용 전력으로 작동, 전지, 연료전지, 태양전지 등의 대체 에너지원을 이용한 작동이 가능하다.