김덕민 한국광해관리공단 전임연구원

미국 Lux research의 2012년 보고서에 따르면 셰일가스 수처리 산업 시장은 2012년 1.5조원으로부터 연간 28%씩 성장하여 2020년에 10조원 규모에 도달할 것으로 예측되고 있다.

셰일가스 수처리의 주된 대상이 되는 환류수(flowback water)는 수압파쇄를 위하여 주입한 1~3만㎥의 용수가 지상으로 재유출되는 것으로, 개발 심도가 수km에 이르기 때문에 해수 기원의 다량의 염분과 용존 금속, 유기물, 유류 및 부유물질 등을 함유한다.

이에 대하여 미국에서는 주별로 상이한 환경 규제가 적용되고 있으나, 2010년 펜실베이니아주에서는 일반적으로 10만mg/L을 초과하는 TDS(총용존고형물) 농도를 500mg/L 이하로 처리하도록 하는 규제가 발효되는 등 환경규제가 강화되고 있는 추세이다.

셰일가스 수처리에 적용되는 기술로는 TDS 저감을 위한 증류법, 역삼투(RO), 전기투석(EDR)을 비롯하여 이온교환, 오존처리, 초음파, 자외선(UV), 그리고 여과공법 등 다양한 기술이 있으며, Veolia, Halliburton, GE Water 등의 기업이 활동하고 있다.

증류공정은 현재까지 주로 MVR(기계식 증기재압축) 공법이 적용되었으며, 높은 TDS를 처리할 수 있다는 장점이 있으나 다량의 에너지 소모로 인해 수처리 비용이 고가이며 시스템 내부에 부식과 파울링(fouling)이 발생한다는 단점이 있다.

따라서 증류공법의 기술 개발 방향은 에너지 효율 향상과 더불어 파울링의 저감, 그리고 가스 압축기 등 주변 시설에서 발생하는 폐열을 재이용하는 기술이 될 것이다.

증류법과 함께 TDS 저감의 주요 공법으로 이용되는 역삼투법은 에너지 소모량이 비교적 낮아 운영비용이 증류법의 절반에 불과하며 소형화와 모듈화가 용이하다는 장점이 있다.

그러나 역삼투의 적용 원수는 TDS가 5만mg/L 이하이어야 하며 막의 스케일링과 파울링이 발생하는 단점이 있어, 파울링 저감을 위한 막 개발과 더불어 관련 전처리기술의 향상이 필요하다.

최근 미국에서 셰일가스 수처리와 관련해 개발 중인 기술은 정삼투법, 다단계 모듈 여과시스템, 저비용 수처리시스템, 고효율 막처리기술, 플라즈마 수처리기술 등이 있다.

이와 관련하여 최근 담수화 신기술로 개발 중인 정삼투법은 에너지 소모량이 낮으며 전처리 필요성이 비교적 낮아 경제성을 확보할 수 있고, 소형화, 모듈화가 가능한 장점을 가지고 있다.

이 기술에 대해서는 고성능 정삼투막의 개발과 함께 유도 용액(draw solution)의 개발이 필요하다.

또 하나의 차세대 담수화 기술은 막증류법(MD)으로, 높은 TDS의 원수를 처리할 수 있다는 증류법의 장점과 에너지 소모량이 낮다는 역삼투법의 장점을 모두 지니고 있다. 이 기술에 있어 개발이 필요한 점은 막 개발, 파울링 및 웨팅(wetting)의 저감, 시설의 소형화, 그리고 다양한 열원의 활용이 될 것이다.

셰일가스 수처리는 한국이 에너지·자원 개발과 관련하여 강점으로 보유하고 있는 광해방지기술을 활용할 수 있다. 셰일가스는 염분을 비롯하여 용존 금속, 부유물질, 유기물 등 다양한 오염 물질을 함유하고 있으므로, 한국광해관리공단이 해외 지역에 수출하고 있는 다양한 수처리기술과 함께 우리나라가 보유하고 있는 염분 제거기술인 세계적인 해수담수화기술과 운영 경험을 적용할 수 있을 것이다.

셰일가스 관련 수처리 시장의 확대로 기술 수요는 증가하고 있으며, 미국, 중국, 호주 등지에 미래 잠재시장이 존재한다. 이에 광해방지기술, 담수화기술 및 환경기술을 보유하고 있는 우리나라가 해당 기술의 융합 및 고도화를 통하여 기술을 선도해 나가야 할 것이다.

 

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