해수에는, Table 1과 같이, 지구상의 거의 모든 성분들이 이온상태로 존재하는 무한자원의 보고로서, 담수, 소금, 리튬, 우라늄 등 특정물질만을 얻는 방법으로 활용되고 있다[1]. 해수를 이용하는 가장 보편화 된 담수생산의 경우, 폐열을 이용하여 해수를 진공 증발시키거나[2], 역삼투막식 담수설비를 이용하여[3] 담수를 생산하지만, 에너지비용과 해수의 강한 부식성에 따른 재료비 상승으로 경제성을 확보하기가 쉽지 않다.

해수를 원료로 소금을 생산하는 경우도 천일염과 호수염을 제외하면 경제성을 확보하기가 쉽지 않다.

해수에는 첨단산업에 필요한 우라늄, 리튬, 붕소, 희토류와 같은 용존 금속 성분들이 존재하는데, 이들을 채취하기 위해서는 수분을 거의 제거하여 농도를 충분히 높인 후에 특정 용재로 특정 금속성분을 녹여 축출하는 방법이 일반적으로 사용된다[4]. 희토류는 첨단전자산업에 필요한 희귀물질로 세계적으로 생산지가 편중되기 때문에, 한국은 전량 수입에 의존하는데 해수에는, Table 2에서 보는 바와 같이, 대부분의 희토류 성분이 용존 되어 있다[5].

수입 천일염 가격은 0.1원/그램, 국산 식용 천일염은 2원/그램, 5년 숙성하여 간수를 제거한 고품질 천일염은 10원/그램, 세계적인 최고품질 식탁염은 2,000원/그램으로 소금은 품질에 따라 가격의 변동폭이 매우 크므로 고품질의 식탁염 생산은 산업적으로 매우 중요하다[6]. 소금의 품질은 색과 맛은 물론 수은, 납, 카드늄 등 인체에 매우 해로운 물질의 함유 정도 등에 따라서 결정된다[7].

해수 중에서 평균적으로 96.5%의 무게를 차지하는 담수는 톤당 판매가격이 1,200원 정도인데, 강물을 이용하여 수돗물을 생산할 경우 톤당 생산원가는 500원 전후, 역삼 투막식에 의하여 담수를 생산할 경우 생산원가는 1,000-1,500원으로 충분한 경제성을 확보하는 것이 매우어렵다[8]. Figure 1은 해수 중에 포함된 모든 용존 자원을 종합적으로 활용하는 경우를 상정하여, 농도 3.5%의 일반해수가 갖는 경제적 가치를 그림으로 정리한 것이다. 이 그림에서 보는 바와 같이 해수 1,000톤이 갖는 경제적 가치는 물을 1,000원/톤, 소금을 2원/그램, 주요광물 가격을 한국광물자원공사의 수입가격에 따를 경우 약 1.3억원 이상이 된다. 1,000톤의 해수 증발에 필요한 에너지비용은 G.O.R이 5,0인 다단 농축시스템을 적용할 경우 1,300만원 전후로 추산되므로, 해수가 갖는 모든 성분을 활용하는 종합자원화를 한다면 충분한 경제성을 확보한 고부가가치산업이 될 수 있음을 알 수 있다[8].

Figure 1: 
Economic value estimation of the dissolved resources in sea water

해수의 종합자원화를 위해서는 대량의 수분을 짧은 시간에 증발시켜 액화시킬 수 있는 에너지절약형 농축장치와 석출된 물질들을 고효율로 건조할 수 있는 건조장치의 개발이 선행되어야 한다[1]. 이러한 시스템은 선박, 화력발전소 등에서 발생되는 85℃ 이하의 폐열을 이용하는 경우를 상정하면, 수분을 85℃ 이하에서 증발시킬 수 있는 진공농축장치, 진공건조장치, 전체 시스템을 진공압력으로 유지하기 위한 진공장치 및 결정소금 생산을 위한 결정화장치의 개발이 핵심요소기술이 된다[1].

먼저 진공농축장치는 에너지효율을 극대화하기 위하여 통상 3~4단으로 구성되는데, 증기 이젝터(Steam ejecor)에 의하여 발생된 저온저압 증기를 흡입 열압축(Thermo-compressing)하여 담수를 생산하면서 발생하는 상대적 고온증기를 다음단의 증발열원으로 재사용하는 시스템이다. 이에 관하여는 김경근, 최두열 등에 의한 일련의 산업화 연구 성과[9]-[12]가 있으며, 이 기술들은 다단 증발식 담수화설비에 관하여 세계 최고수준의 시공능력을 보유한 D중공업의 열병합 발전소 발생 폐열에 의한 대량 담수생산설비에 적용되고 있다.

산업용 건조기술에는 열풍건조, 냉풍건조, 동결건조, 적외선건조, 진공건조기술 등이 있는데, 에너지효율, 건조품질, 운전의 수월성 등을 고려하면 진공건조기술이 가장 기술적으로 우월하다는 것이 학술적으로 알려져 있다. 1회에 수백 그램을 건조할 수 있는 실험실용의 소형 진공건조기는 개발되어 있으나, 대량을 안정적으로 산업화 생산이 가능한 중대용량 진공건조장치는 세계적으로 개발되어 있지 않았는데, 그 이유는 진공이므로 건조기 내부에 공기가 거의 없어 수분의 증발에 필요한 막대한 열을 전달하기 위한 메커니즘이 불확실 하여 열전달효율이 낮아져 결국 건조시간이 길어지기 쉽기 때문이다. 이에 대하여 최순열, 문수범 등[13][14]은 진공건조기 내부를 -700mmHg 전후로 유지하여 수분이 15~20℃에 증발할 수 있는 소위 저온진공건조기(Low temperature vacuum dryer)의 실용화 개발에 성공하였으며, 김경근, 김경석 등[15]-[17]은 고단백질 최고가의 수산품인 해삼을 종래와 같이 염장(소금 사용)을 하지 않고 건조하는 “순수 무염 건해삼”의 건조생산 공정기술을 개발하였다.

본 연구의 목적은 가장 고가인 식용 결정소금의 생산에 중점을 두되, 해수 중에 포함된 모든 성분들을 활용할 수 있는 해수의 종합자원화가 연구의 목표로, 해수자원화 공정을 (1)소금이 석출되기 시작하는 포화농도까지의 농축하는 단계, (2)소금의 결정화가 이루어지는 단계, (3)미네랄이 석출되는 단계, (4)잔류 용존 금속 회수단계의 4-공정으로 나누어 각 공정에서의 진공열전달특성(Vacuum Heat transfer characteristics)에 관하여 연구하였으며, 실험은 기보유중인 실험실용 소형 저온진공건조장치(STVD-50)를 이용하여 수행하였다.

한국의 소금 년간 총소비량은 330만톤 정도로 이중 약 80%에 해당하는 270만톤(약 2억불)을 수입하고 있으며, 80%에 해당하는 270만톤은 공업용으로, 나머지 20%가 식용으로 사용되고 있는데 식용소금 조차도 약 절반만이 국내산이고, 나머지는 중국, 호주 등에서 수입되고 있다[6]. 공업용 소금은 주로 겨울철 제설제와 화학공업에서 촉매제 등으로 사용된다.

Table 3에는 전 세계 상위 20개국의 연간 소금 생산량을 나타내는데 미국과 중국이 연간 4,000여만톤, 한국이 30만톤 정도를 생산하며, 이 표에서 보는 바와 같이 소금의 대량 생산국은 미국, 독일, 영국, 프랑스, 네델란드, 이태리와 같은 공업선진국임을 알 수 있다. 현재 전 세계적으로는 연간 2억3천만톤 정도의 소금이 생산 소비되며 인구증가와 공업화로 소금의 소비량은 꾸준히 증가하고 있는 실정이다[1].

Figure 2는 한국의 소금의 수출입동향을 나타내는데, 과거의 소금 수출국에서 만성적인 소금 수입국이 되어있음을 알 수 있으며, 향후 소금산업의 활성화는 고용창출과 농어촌경제의 활성화 측면에서 매우 중요하기도 하다. 소금은 인체 내에서 소화된 영양분과 결합하여 삼투압현상으로 혈액속으로 침투하여 영양분을 이송하는 역할을 하므로, 소금 품질의 양부는 인체의 건강에 매우 중요하다. 더욱이 한국의 식문화를 대표하는 식품인 김치, 젓갈, 고추장, 된장, 간장은 발효식품으로 부패 방지를 위한 소금의 역할과 발효 속도에 맞추어 소금이 서서히 녹아야 하므로 결정소금은 식품의 발효공정에 매우 중요하다.

Figure 2: 
Export and import of the salt in Korea

‘H소금(주)’에서는 이온교환막을 통하여 중금속이 완벽히 제거된 염수를 만들어 진공증발로 소금입자가 생기면 원심분리 후, 열풍건조로 소금을 제조하는데, 소금결정의 입자크기가 작은 가루소금 형태의 정제염을 생산한다. 한식문화에 필요한 적정 입자크기의 결정소금이 바로 천일염인데, 과거 한국의 천일염은 함경도, 서해안과 신안에서 생산되었으며, 현재는 주로 신안에서 대부분 생산된다. 최근 천일염전은 자동차 매연과 농약 등에 의한 오염과 인건비의 상승에 의한 경제성 확보 어려움에 봉착해 있다. 또 한가지의 기술적 문제는 결정소금에 다량의 간수가 포함되므로, 공기 중의 수분과 간수가 결합하여 흘러내리도록 3년 정도 장기간 숙성을 하여야 하므로 자금의 유동성이 좋지 못하고, Table 4에 보이는 바와 같이 인체에 치명적인 비소, 납, 카드늄, 수은과 같은 유해성분이 불가불 포함되어, 법적으로도 이 표와 같이 유해성분의 함유가 허용한다는 점이다.

Table 5에 태국에서 개최된 제1회 세계 소금품질대회에서 선발된 'World best-10' 소금의 유해성분의 함유정도, 한국과 중국의 천일염 품질기준을 나타내었다. 이 표에서 보는 바와 같이 대부분의 좋은 식탁염은 이태리와 프랑스에서 생산되는 천일염으로 유해성분이 거의 검출되지 않고 있음을 알 수 있다. 그러므로 유해성분이 거의 전혀 포함되지 않는 결성소금을 생산하는 것은 국민의 건강과 한식 문화를 위하여 매우 중요하며, 해수 자체가 무한자원이므로 고품질 식탁염의 수출산업화를 위한 신기술 개발 은 산업적으로도 매우 가치가 있다고 사료된다.

Table 6에는 일반해수 100CC에 열을 가하여 수분을 증발시키면 모액(액체)의 체적이 감소할 경우, 밀도, 염도 및 이에 따른 석출물량의 변화를 나타낸다. 이 표에서 보는 바와 해수의 농도를 높여가면 체적이 약 54%로 줄어들면 해수로부터 석출이 개시되어 처음에는 뻘, 산화철, 석고성분(CaCO₃, CaSO₄)이 석출된다. 다음으로 포화농도상태에 도달하면 소금이 석출되기 시작한다. 포화상태를 지나면 결정소금이 본격적으로 생성되는데 소금(NaCl)과 일부의 석고성분(CaSO₄)과 미네랄성분(MgSO₄, MgCl₂, NaBr, KCl)이 동시에 석출된다.

소금 석출이 거의 끝나면 모액량은 1% 정도가 되어 간수성분을 추출할 수 있으며, 0.8%까지 농축하면 미네랄성분의 석출도 끝나고, 용존금속액만이 잔류하게 된다. 참고로 동양권에서 간수는 두부의 응고제로 사용되어 자연스럽게 섭취하게 되는데, 천연미네랄은 항암과 항균성이 좋은 인체에 필수 불가결한 성분이다. 그러나 과거의 전통적인 천일염 제조기술에 의존할 경우 간수에는 다량의 유해금속을 포함할 가능성이 크므로 주의를 요한다.

Table 6로부터 구한 모액의 염도와 체적율(VR)의 관계를 Figure 3에, 염도와 비중 체적율의 관계를 Figure 4에 각각 나타낸다.

이들 그림에서 보는 과와 같이 해수의 농축과정에서는 석출현상이 발생하므로 모액의 염도와 비중은 불규칙하게 변함을 알 수 있다. 최소자승법을 이용하여 평균적인 값에 대하여 염도(S)와 체적율(VR)의 관계를 식 (1)로, 염도(S)와 비중(γ) 관계를 식 (2)와 같이 구하였다.

Figure 3: 
Relationship between salinity and volumetric ratio

Figure 4: 
Relationship between salinity and specific gravity

이상의 해수의 염도증가에 따른 물성변화 특성과 실험적 결과를 토대로 해수의 종합자원화 공정을 Table 7과 같이 5-단계로 나눌 수 있었다. ‘Process=0’은 염도 3.5%의 일반 해수중의 수분 45.7%를 증발시키면 석고성분의 석출 직전까지로 역삼투막식 담수화 설비에서 담수 45%가 생산되는 한계이다. ‘Process-1’은 소금결정이 생성되기 시작하기 직전까지로 모액이 포화상태(농도 27%)가 되며, 이 과정에서 42.3%의 수분이 추가로 증발한다. 그러므로‘Process=0’와 ‘Process-1’에서 도합 88%의 수분이 증발하는 것으로 이 과정에서 대부분의 담수가 얻어지며, 소금 등의 잔류물은 12%밖에 안된다. 본 실험에서는 ‘Process=0’와 ‘Process-1’이 구분 없이 연속적으로 수행되었다.

‘Process-2’는 결정소금의 본격적으로 석출되는 단계로, 모액이 정지 상태로 있어야 소금결정이 잘 성장할 수 있으며, 결정의 입자크기는 기본적으로 모액의 높이에 의하여 결정된다. ‘Process-2’에서는 추가로 7.6%의 담수가 얻어지며, 결정소금의 하부에 약간의 모액만이 잔류하여 ‘Process-3’에 진입한다.

‘Process-3’의 미네랄 석출과정은 비교적 서서히 진행되는데, 미네랄의 석출이 완료되면, 용존 금속 모액만이 남게 되며, ‘Process-4’에서는 잔류하는 용존 금속과 수분으로 계속 농축하면 젖은 상태의 용존 금속에서 건조상태의 금속분말을 얻게 된다.

‘Process-1’에서 얻어진 젖은 상태의 석고, ‘Process-2’에서 추출된 결정소금,‘Process-3’에서 얻어진 젖은 상태의 미네랄과‘Process-4’에서 얻어진 젖은 상태의 추출물에는 약 30%의 수분이 함유되어 있는데 이를 저온진공건조하면 고품질의 석고, 식용 결정소금, 미네랄, 용존 금속을 얻을 수 있다. 이상과 같은 해수의 농도에 따른 물성치 변화특성에 착안한 새로운 해수의 종합자원화 공정을 Figure 5에 나타내었다.

Figure 5: 
New thermal modes for the comprehensive resources of seawater

진공열전달기술(Vacuum heat transfer technology)을 기반으로, 충분한 경제성을 확보하면서 무한자원인 해수를 원료로 한 담수, 석고, 소금, 미네랄, 용존금속을 순차적으로 얻어 모두를 자원화 할 수 있는 해수의 종합자원화 연구를 통하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

• (1)해수의 농축과정은 해수물성의 변화 및 열전달특성의 변화에 순응하여 1)소금이 석출되기 시작하는 포화농도까지의 농축하는 단계, 2)소금의 결정화가 이루어지는 단계, 3)미네랄이 석출되는 단계, 4)잔류 용존금속 회수단계의 4-단계로 구분되는 것이 합리적인 공정임을 확인하였다.
• (2)젖은 상태의 석고, 소금, 미네랄, 용존금속은 각각 분리하여 저온진공 건조함으로써 성분별로 순도 높은 건조물을 얻을 수 있다.
• (3)한식문화에 필요한 결정소금에는 뻘, 석고, 유해금속이 함유되지 않으므로 고품질의 식용소금이 생산 가능하며, 즉시 건조하므로 천일염과 같이 간수를 제거하기 위한 3년간의 숙성기간도 필요없다.
• (4)해수의 종합자원화를 위한 대형 프랜트를 가동하면 첨단산업에 필요한 리튬, 우라늄과 희토류를 안정적으로 다량 획득할 수 있어 국가전략물자 확보의 새로운 기술적 대책이 될 수 있다.
• (5)소금을 중심으로 한 해수의 종합자원화 공정에서는 다량의 담수, 석고, 천연미네랄 및 용존금속이 부산물 형태로 얻어지므로, 해수의 담수화 과정에서 가장 문제점인 담수 생산원가증가 요인을 제거할 수 있다.
• (6)끝으로 본 연구결과를 역삼투막(R.O)식 담수설비에 의해 배출되는 약 55%로 농축된 ‘고염도 해수’즉 일종의 ‘바다 쓰레기’에 적용할 경우, 바다 환경보존과 해수종합자원 측면에서 매우 유용한 기술적 방안이 될 수 있다.