해수담수화 시장에서의 새로운 기회

KISTI 산업정보분석실 유영복(Tel: 02-3299-6050  e-mail: yybok@kisti.re.kr)

 [ 요약 ]

1. 정삼투용 유도용액은 저 삼투압을 갖는 공급염수로부터 반투막을 통해 자발적으로 물이 이동하도록 높은 삼투압을 유발하는 역할을 하며, 전통적인 역삼투법에 비해 해수담수화 운전/유지비용을 현저히 절감시키는 정삼투공정의 핵심소재이다.
2. 유도용액은 정삼투 시장의 85%를 차지하며, 매년 4.2%의 높은 성장률을 가지는 분리막 해수담수화시장을 부분적으로 점유할 것으로 예측된다.
3. 현재 국내외 많은 업체들이 치열하게 경쟁하고 있으며, 해수담수화 용도 이외 폐수처리용, 에너지제조용 등 다양한 응용 분야에서의 지속적인 니즈 증대로 인하여 유도용액 시장규모는 더 커질 전망이며, 2020년 유도용액 세계 시장규모는 최소 4,600억 원, 최대 1조 1,500억 원 규모로 전망된다.
4. 전 세계적으로 유도용액 시장은 영국의 Modern Water, 미국의 HTI, Oasis가 대부분 점유하고 있으며, 국내에서는 ㈜휴비스워터 및 ㈜두산중공업 등 몇몇 기업이 시장의 일부를 점유하고 있다.

FO공정은 유도용액을 활용한 신개념 해수담수화
정삼투(Forward Osmosis; FO)공정은 다양한 염이 용존된 공급수(예. 해수)로부터 삼투현상을 통해 물을 분리시키는 공정으로, 높은 삼투압을 가진 유도용액(Draw Solution)을 활용하는 신개념 해수담수화 또는 탈염공정(Desalination)을 의미한다.

보편적인 해수담수화 기법인 역삼투공정(Reverse Osmosis; RO)은 해수와 담수 사이에 반투과성 분리막(이하 “반투막)을 위치시키고 발생하는 삼투압(π)보다 높은 압력(P, 400-1,100 psi)을 해수에 가하여, 해수로부터 반투막을 통해 담수를 확보한다(<그림 1>).

반면, FO공정은 해수 농도 이상으로 주입된 유도용액을 반투막 반대편에 주입시켜, 해수 내 물이 유도용액 방향으로 삼투현상에 의해 자발적으로 이동하도록 하여 담수화시키는 공정으로, 고압펌프 없이 구동이 가능하며, 해수담수화 비용의 상당부분을 차지하는 압력인가 에너지비용(예. 전기 또는 다른 파워소스)을 낮출 수 있게 된다. 또한, 고압공정 시 발생하는 분리막의 생물학적 막오염(biofouling)이나 수축(compaction)현상을 최소화하여 선택적으로 담수를 유도할 수 있으며, 분리막의 수명특성향상을 꾀할 수 있다는 장점이 있다.

FO공정의 성능을 결정하는 핵심기술인 유도용액은 높은 용해도에 기인한 높은 삼투압, 높은 확산계수, 낮은 Reverse Salt Flux(RSF), 낮은 농도분극현상, 높은 회수율, 낮은 회수비용을 가지며, 저독성 또는 무독성 물질이어야 한다. 이러한 다양한 조건을 만족하는 유도용액은 유기계 유도용액과 무기계 유도용액으로 나뉜다.

현재 가장 널리 사용되는 유도용액은 NaCl, NH4NO3, (NH4)2SO4, NH4Cl, Ca(NO3)2, NaNo3, KCl, NH4HCO3, NH4H2PO4, (NH4)2HPO4, KNO3와 같은 물에서 쉽게 해리되는 무기염 화합물 기반의 전해질 용액들이다. 이 중 대표적인 것은 NaCl로써, 가격이 저렴하고 손쉽게 얻어질 수 있으며, FO 공정 후 RO 공정을 통해 회수 시 Scaling의 위험성이 없는 장점을 지녔으며, 막증류법(Membrane Distillation; MD)과의 연계를 통해 분리 회수시킬 수 있으나 이 분리 회수에 추가 에너지가 소모된다는 단점이 있다.

NH4HCO3의 경우, 높은 삼투압을 유발하며, 비교적 낮은 60oC 이상의 온도에서 NH3와 CO2로 기화되므로 분리/회수가 용이하며, 이를 위한 에너지비용을 줄일 수 있는 장점을 지녔으나 높은 RSF로 인한 공급액 오염문제가 발생할 수 있다. 반면 유기계 유도용액은 수용액 상에서 해리되지 않지만, 쉽게 용해되어 높은 삼투압을 유발하는 Polyethylene Glycol(PEG), Glucose, Fructose, Sucrose, Albumin 수용액 등이 사용되어져 왔다.

유기계 유도용액의 용질은 무기계 유도용액 내 용질에 비해 상대적 큰 크기와 낮은 확산계수로 인해 내부농도분극의 영향을 많이 받지만, 친환경적이며 무독성이므로 별도의 분리공정 없이도 바로 음용이 가능하기에 꾸준한 연구개발이 이루어지고 있다. 그 밖의 유도용질로는 자기성 나노입자, 덴드리머(dendrimer), 마이셀(micelle) 등이 있다. 

 
정삼투용 유도용액은 전통적인 역삼투법에 비해 해수담수화 운전/유지비용을 현저히 절감시키는 정삼투공정의 핵심소재이다.

분리막 공정은 대표적인 고효율, 저에너지 소모형 수처리 기술이며, 그 중 해수담수화 기술 중 하나인 FO기술은 현재까지 가장 에너지 소모가 적고 회수율을 높일 수 있는 공정으로 평가받고 있다. FO공정의 기술적 선결과제로는 고수투과성 FO분리막과 고성능 유도용액 개발, FO공정의 운용비용절감과 직결되는 유도용액의 회수율 향상이다.

유도용액 회수를 위해, 중온 가열, 폐열을 이용한 온도상승, 침전, 자기장 부여 등의 다양한 방법이 시도되고 있다. 또한, 분리막 수처리공정(예. 나노여과(NF), 정밀여과(UF), MD, RO 등)과 연계된 하이브리드 시스템 통합을 통해 유도용액 회수율을 높이는 방법이 사용되고 있다(<그림 2>). 이를 통해 해수담수화 이외에도 폐수처리, 단백질 정제, 압력지연삼투현상(Pressure Retarded Osmosis; PRO)을 활용한 에너지제조, 비료생산, 조류를 통한 바이오 연료제조 등 다양한 분야에 응용될 수 있다. 

<그림 2> FO-MD 하이브리드 시스템의 구성도
세계 물시장 2018년 674조원 규모, 평균 4.2% 성장 전망 
2014년 한국수출입은행 보고서에 의하면, 세계 물시장 규모는 2013년 556조원, 2015년 596조원, 2018년 674조원 규모로 성장하여, 평균 4.2%의 성장률을 가질 것이라 예측된다. 그 중 해수담수화시장 전망은 <그림 3>과 같이 기술별/ 연도별 해수담수화 처리용량을 기준으로 고려했을 때, 약 5.5%의 성장률을 보일 것으로 예측된다. 이중 특히, 분리막법에 기반을 둔 해수담수화 세계시장은 4.2%의 성장률을 보이고 있으며, 2015년 현재 2조 2천억 원 규모이다.

현재 분리막 해수담수화시장에서 99% 이상이 RO공정기술에 기반하고 있다. FO공정기술은 시장초기단계라는 특수성으로 인해, 소규모 특수용도(발전플랜트 및 Shale Gas 폐수처리용 등)로 건설되고 있어 2015년 현재 1% 미만의 시장점유율을 갖고 있다. 하지만, RO기술의 에너지 사용량 한계치인 3kWh/ton을 극복하기 위해 시장에서 절실히 요구하는 에너지저감형 공정(이론 에너지 소비율: 1kWh/ton)이라는 면에서 FO기술의 빠른 시장진입은 자명하다고 전망된다.(참고: World Premier Materials (WPM) 사업 3세부 저에너지 고효율 담수용 멤브레인 소재개발 2015년 보고서).

 
FO 기술 비중이 약 20%일 때, 2020년 추산 FO 유도용액의 시장규모는 약 4,600억 원이 될 전망이며, FO 시장 비율이 50%일 경우 약 1조 1,500억 원 규모가 될 전망이다.

FO기술은 유도용액 분리회수 및 기능성 부여를 위해 다양한 하이브리드 시스템을 선호하므로 기형성된 RO 해수담수화시장의 전부가 아닌 일부를 차지할 것으로 예상된다.

2015년 세계 분리막 해수담수화시장 규모(2조 2천억 원)와 연평균성장률 4.2%를 기준으로 향후 10년간(2015년-2024년) 분리막 해수담수화 시장규모를 추정하고, 이를 기반으로 하여, FO기술이 해당시장의 최소 20%에서 최대 50%까지 점유한다고 가정할 때, 각 점유율별 유도용액 관련기술 비율(85%, 근거: 건설교통연구기획사업 정역삼투융합 해수담수 플랜트 고도화 기술 개발 연구단 기획보고서, 창원대학교/ ㈜ 에이탑컨설팅 2012)을 고려해 얻어진 FO 유도용액의 시장규모를 <그림 4>에 나타내었다.

예를 들어, 분리막 해수담수화 시장이 현 성장률을 유지하면서 커지고, 그 중 FO 기술 비중이 약 20%일 때, 2020년 추산 FO 유도용액의 시장규모는 2.2조×(1.042)5×0.2×0.85 = 약 4,600억 원이 될 전망이며, FO 시장 비율이 50%일 경우 약 1조 1,500억 원 규모의 세계시장이 형성될 것으로 전망된다. 하지만, 이 수치는 FO가 해수담수화 용도로만 사용된다는 가정 하에서 얻어진 결과이며, 이외 다른 응용 분야에 사용될 경우 유도용액 시장규모는 더욱 커질 가능성이 매우 높다고 전망된다. 

 
FO가 20%와 50%의 중간 값인 35%를 차지한다고 할 경우, 매년 연평균성장률(CAGR) 4.2%씩 성장하여 2020년에는 약 8,000억 원의 세계시장을 형성할 전망이다.

<그림 4>를 기초로 하여, FO가 20%와 50%의 중간 값인 35%를 차지한다고 할 경우, 매년 연평균성장률(CAGR) 4.2%씩 성장하여 2020년에는 약 8,000억 원의 세계시장을 형성할 전망이다. 또한 국내 FO 유도용액 관련 시장규모를 직접 제시한 자료는 없지만, 해수담수화와 관련된 여러 보고서 및 전문가 의견을 참조하면, 해수담수화 관련 국내시장 규모는 세계 시장의 약 8%를 점유하고 있으므로 이를 토대로 FO 유도용액 관련 국내시장 규모를 추정하면 2020년 약 650억 규모의 국내시장을 형성할 것으로 전망된다.

 
대표적인 유도용액 관련업체로는 Modern Water(영국), HTI, Oasis(미국), ㈜휴비스워터, ㈜두산중공업(한국) 등이 있다. 그 중 Modern Water는 오만에 FO담수설비를 200 m3/일(2012년)에서 500 m3/일로 증설하였고, HTI와 Oasis는 중국의 발전소용 FO설비(처리용량: 500 m3/일)와 Shale Gas 폐수처리용 소규모 설비를 각각 수주하였다. 현재 FO시장은 대규모로 일반화된 공정적용보다는 소규모의 특수용도 중심으로 시장 확대를 하고 있는 상태이다.

국내에서는 2010년부터 시행된 WPM 3세부 “저에너지 고효율 담수용 멤브레인 소재개발” 과제(주관기관: (구) 삼성SDI ㈜ (현) 롯데케미칼)를 통해 FO분리막개발과 함께, ㈜휴비스워터-삼성전자(주)간의 협업을 통해 아미노산계, 알칼 암모늄계, 온도감응성 아미노산계 유도용액을 개발하여, 현재 대량생산화 체계를 갖추고, 사업화를 추진하고 있다.

2014년부터 시행되고 있는 국토부 실증화 국책연구과제를 통해 1000 m3/일 용량의 FO-RO 플랜트를 현재 건설하고 있는 상태이며, WPM 사업 결과물인 FO분리막 및 유도용액의 공급수요처로 활용될 예정이다.      

FO기술은 세계시장을 주도할 가능성 높아
2000년대 이후부터 담수화 기술은 열적 다단증류법에서 비교적 에너지 효율이 좋은 분리막 해수담수화 방식으로 전환되어 현장적용이 이루어지고 있다. 하지만 분리막 해수담수화의 대표 공정인 RO공정에서는 여전히 담수생산비용 중 압력인가를 위한 에너지비용 비율이 높아 단가절감의 한계를 보이고 있다. 이에 반해, 농도차에 의한 자발적인 확산현상을 이용하는 FO기술은 RO기술대비 에너지 효율 면에서 20~30% 개선시킬 수 있으며, 장기운전 시 시스템 안정성을 확보할 수 있다는 장점으로 인해 RO시장을 일부 대체할 수 있는 기술로 각광을 받고 있다.

FO시장 활성화의 핵심는 FO분리막과 함께, 고성능 유도용액이 쥐고 있다고 해도 과언이 아니다. FO성능향상에 대한 분리막과 유도용액의 효과는 서로 깊은 상관관계를 갖고 있어, 바람직한 FO시스템 개발을 위해서는 두 핵심소재 측면이 모두 고려되어야 한다. 예를 들어, 내부농도분극을 완화시키기 위해서는, 분리막 측면에서는 높은 수투과도, 친수화도, 낮은 구조인자를 가져야만 하며, 유도용액 측면에서는 높은 반트호프(Van't Hoff)인자, 높은 확산계수, 적당한 이온 및 분자크기, 낮은 점도 등을 가져야만 한다. 이러한 상보적 관계로 인해 유도용액의 선정은 개선된 FO분리막 확보 시 상당부분 변할 수 있다.

현재까지 다양한 무기계 및 유기계 유도용액이 FO공정응용에 대한 가능성을 보여주고 있지만, FO공정에 완벽하게 부합되는 유도용액은 없으며, 특히 해수담수화용 FO공정용 유도용액 확보에는 좀 더 시간이 소요될 것이다.

FO시장 활성화의 핵심는 FO분리막과 함께, 고성능 유도용액이 쥐고 있다고 해도 과언이 아니다.

세계 수처리 시장은 치열한 에너지 효율 경쟁이 지속되고 있고, 이러한 추세에 발맞추어 FO 유도용액 시장 역시 경쟁이 심화되고 있다. FO기술은 전 세계적으로 아직 초기 개발단계이므로, 바람직한 유도용액개발 및 적절한 분리회수법 개발이 이루어질 경우, 세계시장을 주도할 수 있는 높은 가능성이 있다. 따라서 FO기술에 대한 국가경쟁력 증대와 세계시장확대 측면에서 정부와 기업 주도형 연구개발 및 지원은 필수적이다.

또한, FO-RO 하이브리드공정 및 PRO 공정 등과 같이 다른 다양한 공정 간의 시스템 연계를 통해 시너지를 확보하는 방안 역시 동시에 모색되어야 할 것이다.

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