[이슈]물부족 비상사태 직면...물포집이 관건이다

유지보수 용이한 다양한 신소재 물포집기 속속 개발
황원희 기자
eco@ecomedia.co.kr | 2022-04-06 13:31:25
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[이미디어= 황원희 기자] WHO의 연구에 따르면 약 20억 명의 인구가 깨끗한 식수를 이용하지 못하고 있으며 부족한 물을 충당하기 위해 고군분투하고 있는 것으로 나타났다. 전 세계 물 사용량은 지난 100년간 여섯 배 정도 증가했고 인구증가, 경제발전 및 소비 패턴 변화로 인해 매년 약 1%씩 꾸준히 증가했음을 지적했다. 또한 기후변화는 물 공급을 더욱더 불규칙적이고 불확실하게 만들어 물 부족 지역의 상황을 더욱 악화시키는 데 일조하고 있다. 본지는 물 포집기술 현황과 향후 전망에 대해 알아보았다.

수질오염이 가장 심각한 문제 

▲물 부족을 겪고 있는 지역 (출처 위키)

전 세계는 기후위기로 사막화의 위험이 생각보다 심각하다는 연구결과가 있다. 특히 유럽 지중해의 토양 파괴와 사막화의 위험이 예상보다 큰 편이라는 연구가 이를 뒷받침한다. 유럽의 지중해 국가들은 전 세계 와인, 올리브, 견과류, 토마토의 상당 부분을 생산한다. 그러나 이 지역의 농장과 과수원이 유럽에서 토양 파괴와 사막화에 가장 취약하다는 것을 보여준다.


미국 또한 다른 환경적 문제보다 수질오염에 대해 가장 많은 우려를 보이고 있다고 최근 갤럽의 새로운 조사에서 밝혔다. 이 조사는 식수 오염, 강, 호수, 저수지의 오염, 열대 우림 손실, 기후 변화, 대기 오염, 동식물 종의 멸종 등 여섯 가지 환경 문제를 비교했다. 갤럽은 대부분의 미국인들이 이 모든 위협에 대해 우려를 나타냈지만, 대다수가 오염된 식수(56%)를 가장 많이 걱정했고, 그 다음이 오염된 강, 호수, 저수지(53%)였다고 보도했다.
 

최근 발간된 유엔 세계수자원개발보고서에 의하면 전세계 물 인프라는 고전을 면치 못하고 있는데 가장 큰 이유로 저자금화를 지적했다. 이는 식량의 수요 증가, 빠른 도시화 및 기후변화가 세계물공급에 상당한 압박을 주고 있는 것으로 기록했다. 또한 오늘날 80%가 넘는 폐수가 관리되지 않고 있으며, 향후 30~40년 내 70%가 넘는 더 많은 양의 식량이 필요할 것이라고 알렸다. 그밖에 보고서에서는 전 세계 물 사용량은 지난 100년간 여섯 배 정도 증가했고 인구증가, 경제발전 및 소비 패턴 변화로 인해 매년 약 1%씩 꾸준히 증가했음을 지적했다. 또한 기후변화는 물 공급을 더욱더 불규칙적이고 불확실하게 만들어 현재 물 부족 지역의 상황을 더욱 악화시킬 뿐 아니라, 향후 수자원이 풍부한 지역에서도 물 스트레스(water stress)를 겪게 할 것이라고 밝혔다.
 

한편 공기 중에 떠다니는 물 분자를 포집해서 식수를 만드는 ‘물 수확기’를 개발하는 시도도 꾸준히 이루어지고 있다. 이러한 기술은 식수원 확보에 혈안이 되고 있는 적도 부근에서 더욱 유용할 것으로 보이는데 세계 인구의 70%가 이 지역에 몰려있을 정도로 많은 인구가 분포해있다. 이 기술이 효과적으로 적용되기 위해서는 식수원의 공급이 주변 환경을 오염시키지 않고, 외부 식수원의 고갈을 초래하지 않아야 한다. 따라서 이러한 기술은 더욱 발전될 것으로 보이는데 향후 이 기술이 널리 보급된다면 주민들의 건강과 위생을 해결해줄 수 있을뿐만 아니라 황무지 지역의 개간도 가능할 것으로 보인다.

다양한 물포집 기술

물 포집 기술은 총 5가지 정도로 요약해볼 수 있다. 첫 번째로 안개포집 기술을 들 수 있는데 안개가 짙은 건조한 지역에서는 이러한 여건이 식수의 원천으로 개발되고 있다. 안개는 물방울 흐름을 차단하는 촘촘한 수직 그물을 이용해 수집 가능하다. 그 후 이 물은 집수, 저장 및 분배 시스템으로 흘러간다. 안개 포집기에는 알루미늄, 플라스틱, 투명합성수지인 플렉시글라스, 합금 등과 같은 다양한 유형의 스크린 재료를 사용할 수 있다. 이러한 시스템의 성공 여부는 그 지역의 지형과 밀접한 관련이 있는데 특히 건조한 산악지대와 해안 지역에서 더욱 효율적으로 이용될 수 있다. 안개수 채취는 유지보수 비용이 저렴해 식수 공급의 친환경 기술로 자리매김되고 있다. 안개 포집 프로젝트는 칠레, 에리트레아, 이스라엘 및 오만을 비롯한 세계 여러 지역에서 시행되고 있다.

 

 

▲빗물 집수기와 플라스틱 연못(출처 위키)
최근에는 아프리카 나미비아 사막에 서식하는 딱정벌레 ‘스테노카라’가 물을 얻는 방식을 이용한 기술을 선보이고 있으며 덕분에 나마비아 일대 거주민들은 물에 대한 걱정을 덜었다고 한다. 이 원리는 딱정벌레의 등껍질에서 착안했는데 돌기가 촘촘한 사이 친수성과 혐수성 성분으로 구분되어 물을 얻기 용이한 구조로 되어있다. 또한 2012년에는 이탈리아의 디자이너 가 낮과 밤의 일교차가 큰 아프리카 기후 특성을 고려해 대기 중의 물을 이슬로 응결시켜 식수를 얻는 방법을 개발하기도 했다. 제작 비용이 저렴하고 유지보수가 용이한 9m 높이의 ‘와카워터(Warka Water)’라는 탑이 그것이다.


두 번째로 구름씨앗 기술을 들 수 있다. 적절한 조건 하에서 구름 씨앗 뿌리기를 통한 강우량 증가는 공기 중 수분 채취량을 증가시킬 수 있다. 이 기술은 작은 입자를 구름이나 그 주변에 분산시키는 것으로 이 입자들은 빗방울이나 얼음 결정의 모습으로 작용해 이후 비나 눈이 올 가능성을 높일 수 있다.


대다수 국가가 구름씨앗 기술을 적용할 경우 이용가능한 구름 자원 및 유형, 수분 함량 및 기준 온도에 따라 강수량을 연간 20%까지 늘릴 수 있다. 이는 전체 구름 수분 함량의 최대 10%까지 지상으로 방출되기에 건조한 지역의 강우량을 늘릴 수 있어 잠재력이 크다고 할 수 있다.

▲와카워터(출처 flickr)

세 번째로 증발 최소화 기술이 있는데 건조한 지역에는 적은 양의 비가 내리기 때문에 마이크로 집수 빗물 포집은 지상의 빗물을 모으는 데 도움이 될 수 있으며 그렇지 않을 경우 빗물이 중발하고 만다.


마이크로 집수 빗물 포집 시스템은 크게 두 가지 유형이 있는데 하나는 옥상 시스템을 통한 집수이며, 탱크를 통해 빗물이 집수되어 유사장치에 저장될 수 있다. 이 물은 가정에서 사용하거나 가축에게 물을 주는 데 사용된다. 두 번째 유형은 농업용 물 채취방식인데 집수 구역에서 흘러내리는 빗물을 작은 저수지나 재배지의 뿌리 부분에 모은다. 집수 표면은 자연적이거나 토양 흡수를 막는 물질로 처리할 수 있으며 특히 모래 토양에서는 이 같은 일이 필수적이다. 빗물 유수는 간헐적으로 발생하기에 장마철에는 최대한 많은 양의 빗물을 저장해야 추후 사용할 수 있다.


해수 담수화 과정도 식수난을 겪고 있는 지역에 큰 도움이 될 수 있다. 담수화 과정은 바닷물이나 염분이 섞인 지하수의 염분기를 제거함으로써 식수로 이용될 수 있도록 하고 있다. 이를 통해 물 순환에서 얻을 수 있는 물의 양보다 더 많은 양을 모을 수 있으며 기후에 의존하지 않고 양질의 물을 안정적으로 공급할 수 있다. 해수 담수화 기술은 멤브레인 기술과 재료 과학의 발전으로 인해 빠르게 성장하고 있다. 이러한 발전은 2030년까지 생산 비용을 크게 감소시킬 것으로 예상된다.


담수화의 비용 하락과 전통적인 수자원 비용 상승으로 인해 더 많은 지역이 담수화수에 의존할 것으로 예상된다. 현재 담수화는 전 세계 도시 해안 중심부의 도시 용수 공급의 약 10%를 차지하지만 2030년에는 25%에 이를 것으로 예상된다.


마지막으로 빙산 채취 기술을 들 수 있다. 이 기술은 극지방의 만년설을 이용해 물부족 국가의 식수 공급을 해결하자는 취지로 개발되기 시작했다. 그러나 아직은 물 부족의 실질적인 해결책으로 본격 거론되지는 않았다. 하지만 과학자, 학계, 정치인들은 빙산 채취를 잠재적인 담수원으로 고려하고 있다.


바다에 떠다니는 빙산을 이용하는 일은 기술적으로 가능하지만 이론적인 4단계의 과정을 거쳐야 한다. 적절한 공급원을 찾고, 필요한 견인 동력 요구 사항을 계산하고, 운송 중 용융을 정확하게 예측하고, 전체 노력의 경제성을 추정하는 정밀한 과정이 그것이다. 아랍에미리트와 남아프리카공화국과 같은 국가들은 물 수요와 공급의 격차를 줄이기 위한 옵션으로 빙산 견인을 고려하고 있다.


최근에는 신소재를 이용해 물을 포집하는 장치를 개발하는 움직임도 활발하다. 매사추세츠 공대의 경우 김현호 前 한국과학기술연구원 물순환자원연구센터 등의 연구진과 함께 상대습도가 높은 밤에 수증기를 포집했다가 기온이 높은 낮에 분리하는 방식을 선보이기도 했다. 이는 물을 분리할 때 태양열이 효율적으로 전달되는 구조로 설계되었다. 연구진은 다공성 광물질 제올라이트를 사용함으로써 상대습도가 높은 밤사이 수증기를 모은 뒤, 낮동안 물이 수증기로 다시 증발할 때 이를 구리판에 응축하는 방식을 택했다.


또한 다양한 소재도 속속 개발되고 있는데 유기금속제(MOF)에 대한 연구가 활발한 편이다. 이는 주로 금속 지르코늄과 아디프산을 이용한 것으로 태양열과 약간의 촉매제만 있으며 가정에서 쓰는 용수가 충분히 공급 가능할 것으로 내다보고 있다.

기후변화는 물부족 더욱 가속화시켜

물과 기후 변화는 서로 연관되어 있기 때문에 기후 변화는 건조한 지역에서 극심한 가뭄이 발생할 가능성을 높인다. 수자원의 잠재력을 활용하는 것은 물 공급 자원을 다양화하는 한편 기후 변화에 대한 물 부족 지역사회의 복원력을 높이는 데도 도움이 돼 수자원의 다양성을 도모할 수 있다는 잇점이 있다.


따라서 지속가능개발 어젠다 및 이후 환경적으로 실현 가능하고 경제적으로 실행가능한 물과 관련된 지속가능한 개발 달성을 지원하는 혁신적인 수자원의 기능 시스템을 식별하고 촉진할 필요가 있다.


물 포집 기술은 이제 상용화단계에 있다. 그러나 식수를 위해 물을 수집할 경우 잠재적 오염 에 대한 우려를 무시할 수 없다. 안개 그물, 수동 방사선, 심지어 건조제 수집기는 세균 번식과 조류 배설물로 오염될 수도 있다,


물 채취는 기후변화 시대가 요구하는 기술이다. 따라서 효율성을 최적화하고 최종 사용에 적합한 품질의 물을 적절한 비용으로 공급하기 위해서는 상당한 과제가 남아 있지만 기술의 발전으로 해결 가능해질 것으로 보인다.

 

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