수압 파쇄(hydraulic fracturing) 또는 파쇄(fracking)를 통하여 생성되는 오일과 가스의 붐은 미국 에너지 수요를 충족시키는 요긴한 방법으로 여겨지고 있다. 그러나 이 공정에서 생산되는 한 가지 부산물은 해수보다 더 염도가 높은 수백만 갤런의 물이다. 이후 이러한 염수는 표면 아래 깊은 암석으로부터 침출된다.
최근 미국 MIT와 사우디아라비아 연구진은 염수에서 염(salt)을 제거하는 비용 효율적인 방안을 제안했다. MIT 교수 John Lienhard, 박사 후 연구원인 Ronan McGovern 등의 연구진이 수행한 새로운 분석을 기술한 논문은 Applied Energy 저널에 발표됐다.
수압 파쇄의 운영을 통하여 오일정과 가스정으로부터 흘러나오는 생산수(produced water, 오일이나 가스를 추출한 후 발생하는 폐수)를 처리하기 위하여 연구진이 제안한 방법은 수십 년 동안 잘 알려온 방법 중 하나지만, 유정과 가스정에서 발생하는 수압 파쇄 유체처럼 극히 높은 염도의 물(high-salinity water)에 대하여 이용 가능한 후보로는 고려되지 않았다. 이 기술은 전기 투석(electrodialysis)이라는 방법을 적용하는 것으로 최소 50년 동안 이용되어 온 기술을 활용한다고 MIT 소속의 Lienhard와 MIT 청정수 및 청정에너지 연구소(Center for Clean Water and Clean Energy)와 KFUPM(King Fahd University of Petroleum and Minerals) 책임자인 Abdul Latif Jameel 교수는 밝혔다. MIT 석사 과정 학생인 Adam Weiner, Lige Sun, 학부 학생 Chester Chambers와 KFUPM 소속의 Syed Zubair 교수 등이 연구팀에 참여했다.
전기 투석은 일반적으로 해수 염도의 약 1/10 정도 수준으로 많은 지역에서 발견되는 기수(brackish)와 얕은 지하수 등과 같이 상대적으로 낮은 염도를 가진 물을 처리하는 데 장점을 가지는 것으로 생각된다고 Lienhard는 밝혔다. 그러나 전기 투석이 다른 염도 범위에서도 경제적으로 실용적이라는 사실을 새로운 분석은 보여주었다.
화석 연료 유정으로부터 발생하는 생산수의 염도(salinity)는 해수의 염도보다 3~6배 더 높을 수 있다. 새로운 연구는 이러한 염이 전기 투석의 연속적인 단계를 통하여 효과적으로 제거될 수 있다는 것을 암시하고 있다.
이 기술의 발상은 음료수로 만들기 충분할 정도로 물을 정화시키는 것이 아니라고 연구진은 밝혔다. 완전한 정화보다는 다른 공급원으로부터 필요한 물의 수요를 상당히 낮출 수 있는 후속 유정에 수압 파쇄 유체(hydraulic fracturing fluid)의 일부로 재사용하기 충분한 정도로 정화시키는 것이다.
Lienhard는 만약 당신이 순수한 물을 만드는 시도를 한다면, 전기 투석이 물 자체를 통과하여 흐르는 전류를 요구하기 때문에 더 적은 염도의 물을 정화시키는 만큼 효율적인 방안이 될 수 없다고 설명했다. 염수는 전기 전도성이 우수하지만, 순수한 물은 전기 전도성이 우수하지 않기 때문이다.
MIT 산하 기계공학부 박사 후 과정이며, 이 논문의 주저자인 McGovern은 제안된 시스템의 또 다른 장점이 우리가 제거하는 염의 양을 유연하게 조절할 수 있는 유연성이라고 밝혔다. 연구진은 어떤 수준의 출력 염도도 생산할 수 있다고 McGovern은 지적했다. 전기 투석 시스템을 설치하는데 소요되는 비용은 생산수를 처리하기 위한 다른 광범위하게 사용되고 있는 시스템과 비교했을 때, 손색이 없는 수준으로 나타났다고 그는 밝혔다.
수압 파쇄를 위한 최적의 염도가 어느 지점인지는 명확하지 않다고 McGovern은 밝혔다. 바로 지금 큰 의문은 물을 다시 사용해야만 하는 염도가 어느 수준인가라고 그는 밝혔다. 연구진은 염의 농도를 제어할 수 있는 방안을 제공했다고 McGovern은 밝혔다.
담수 단계에 도달하기 전, 연구진은 물에서 화학적 불순물이 상용 여과를 이용하여 제거되어야 한다는 것을 염두에 두고 있다. 한 가지 남아 있는 불확실성은 전기 투석에 사용된 막이 오일 또는 가스의 자취를 포함하는 물에 대한 노출을 얼마나 잘 지탱할 수 있는가이다. 연구진은 일부 반응에 대한 실험실 기반의 특성을 규명하는 노력이 필요하다고 McGovern은 밝혔다.
만약 시스템이 이러한 분석만큼 잘 작동한다면, 이 방법은 농업, 음용수 또는 다른 용도로 전환될 필요가 있는 담수의 양을 상당히 절감할 수 있는 방안을 제공할 뿐 아니라, 이러한 시추 지역으로부터 처분될 필요가 있는 오염된 물의 부피 역시 상당히 감소시킬 수 있다.
만약 당신이 순환을 밀폐시킬 수 있다면, 당신은 담수에 대한 필요의 부담을 감소 또는 제거시킬 수 있다고 Lienhard는 밝혔다. 이것은 이미 물 부족을 경험하고 있는 텍사스 주와 같이 주요 오일을 생산하는 지역에서 상당히 큰 성과가 될 수 있다고 그는 밝혔다.
전기 투석 기술은 현재 사용 가능한 반면, 이러한 응용은 일부 새로운 장치의 개발을 필요로 한다고 Lienhard는 설명했다. 이 연구에는 참여하지 않았지만, 이스라엘 벤구리온 대학(Ben Gurion University)에서 담수와 수처리에 관하여 연구하고 있는 Jack Gilron은 연구팀이 생산수 시스템에서 전기 투석 성능의 분석의 체계적인 접근에 대한 인상적인 증명을 생성했다고 밝혔다.
그림1> 막과 전하를 이용한 전기 투석 공정.
Now researchers at MIT and in Saudi Arabia say they have found an economical solution for removing the salt from this
water. The new analysis appears this week in the journal Applied Energy, in a paper co-authored by MIT professor John Lienhard, postdoc Ronan McGovern, and four others.
The method they propose for treating the "produced water" that flows from oil and gas wells throughout their operation is one that has been known for decades, but had not been considered a viable candidate for extremely high-salinity water, such as that produced from oil and gas wells. The technology, electrodialysis, "has been around for at least 50 years," says Lienhard, the Abdul Latif Jameel Professor of Water and Food as well as director of the Center for Clean Water and Clean Energy at MIT and King Fahd University of Petroleum and Minerals (KFUPM).
The research team also included graduate student Adam Weiner, graduate student Lige Sun, and undergraduate Chester Chambers at MIT, and Professor Syed Zubair at KFUPM.
"Electrodialysis is generally thought of as being advantageous for relatively low-salinity water," Lienhard says—such as the brackish, shallow groundwater found in many locations, generally with salinity around one-tenth that of seawater. But electrodialysis also turns out to be economically viable at the other end of the salinity spectrum, the new analysis shows.
Extra salty
Produced water from fossil-fuel wells can have salinity three to six times greater than that of seawater; the new research indicates that this salt can be effectively removed through a succession of stages of electrodialysis.
The idea would not be to purify the water sufficiently to make it potable, the researchers say. Rather, it could be cleaned up enough to enable its reuse as part of the
hydraulic fracturing fluid injected in subsequent wells, significantly reducing the water needed from other sources.
Lienhard explains that if you're trying to make pure water, electrodialysis becomes less and less efficient as the water gets less saline, because it requires that electric current flow through the water itself: Salty water conducts electricity well, but pure water does not.
McGovern, a postdoc in MIT's Department of Mechanical Engineering and lead author of the paper, says another advantage of the proposed system is "flexibility in the amount of salt we remove. We can produce any level of output salinity." The costs of installing an electrodialysis system, he says, appear to compare favorably to other widely used systems for dealing with produced water.
It's not clear at this point, McGovern says, what the optimal salinity is for fracking fluids. "The big question at the moment is what salinity you should reuse the water at," he says. "We offer a way to be able to control that concentration."
Filtration first
Before reaching the desalination stage, the researchers envision that chemical impurities in the water would be removed using conventional filtration. One remaining uncertainty is how well the membranes used for electrodialysis would hold up following exposure to water that contains traces of oil or gas. "We need some lab-based characterization of the response," McGovern says.
If the system works as well as this analysis suggests, it could not only provide significant savings in the amount of fresh water that needs to be diverted from agriculture, drinking water, or other uses, but it would also significantly reduce the volume of contaminated water that would need to be disposed of from these drilling sites.
"If you can close the cycle," Lienhard says, "you can reduce or eliminate the burden of the need for fresh water." This could be especially significant in major oil-producing areas such as Texas, which is already experiencing water scarcity, he says.
While electrodialysis technology is available now, Lienhard explains that this application would require the development of some new equipment.
Jack Gilron, who studies desalination and water treatment at Ben Gurion University in Israel and who was not involved in this research, says the team has "created an impressive demonstration of their systematic approach to analysis of [electrodialysis] performance [in] the produced water system." However, he adds, "The authors correctly point out that the issues of scaling and organic fouling must be answered to actually put [electrodialysis] into practice for this system."
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