고염수
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1. 개요
고염수는 나트륨과 염화물 이온이 농축된 용액으로, 자연적으로 해수의 증발, 염류 퇴적물의 용해, 해빙, 지하수 등을 통해 생성된다. 고염수는 요리, 염소 생산, 냉각, 수질 연화 및 정화, 제설, 담금질 등 다양한 분야에서 활용되며, 담수화 과정에서 발생하는 염수는 환경 문제와 관련이 있다. 또한, 천연 가스, 요오드, 리튬, 브롬 등의 자원 추출에도 이용된다.
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2. 자연
염수는 자연계에서 해수 증발, 염류 퇴적물 용해, 해빙 과정 등을 통해 생성된다. 지표면으로 솟아오르는 염수는 "염전" 또는 "염수"로 알려져 있다.[2]
2. 1. 해수 증발
염수는 자연계에서 여러 가지 방식으로 생성된다. 해수가 증발하면 잔류 액체에 염이 농축되며, 다양한 용해 이온이 광물의 포화 상태에 도달하면 증발암이라고 하는 특징적인 지질 퇴적물이 형성되는데, 여기에는 일반적으로 석고와 암염이 포함된다.[2] 이러한 염류 퇴적물이 물에 용해되어 염수가 생성될 수도 있다. 해수가 얼면 용해된 이온은 용액에 남아 있게 되어 저온 염수가 생성된다.
2. 2. 염류 퇴적물 용해
지하 염류 퇴적물이 물에 용해되어 염수가 생성될 수 있다.[2]2. 3. 해빙
해수가 얼면 용해된 이온은 용액에 남아 있게 되어 저온 염수라고 하는 액체가 생성된다. 생성 시점에 이러한 저온 염수는 정의상 해수의 어는점보다 낮으며, 차가운 염수가 내려가 주변 해수를 얼리는 브리니클이라는 특징을 만들 수 있다.[2]2. 4. 지하수
지하수에 용해된 고형물의 함량은 지역별로 큰 차이를 보이며, 특정 성분(예: 암염, 무수석고, 탄산염, 석고, 불화물-염, 유기 할로겐화물, 황산염-염) 및 농도 수준에 따라 다양하다.[3] 총 용존 고형물(TDS)을 기준으로 지하수를 분류하는 방법 중 하나에 따르면, 염수는 100,000mg/L 이상의 TDS를 포함하는 물이다.[3] 염수는 우물 완공 작업, 특히 우물의 수압 파쇄 후에 생성되기도 한다.지하수의 고염수는 천연 가스를 대량으로 용존하고 있는 경우가 있으며, 지하의 고염수를 끌어올려 분리·정제된 가스가 이용되고 있다. 지하의 높은 압력 하에서 지하수에 녹아 있는 천연 가스는 대기압 하에서는 물에 거의 녹지 않기 때문에 지하수를 지상으로 양수하면 천연 가스가 스스로 분리되어 발생한다. 이것을 회수하여 이용한다.
고염수의 생산정은 양수량이 많아 지반 침하의 원인이 되고 있기 때문에 양수량을 규제하거나 회수 후 잔수를 지하로 다시 되돌리거나 (인공 함양) 하는 것도 이루어지고 있다.
지바현을 중심으로 펼쳐지는, 일본 최대의 수용성 천연 가스전인 남간토 가스전 일대의 고염수에는 해수의 2,000배나 되는 요오드가 포함되어 있으며, 요오드도 천연 가스의 부산물로 생산되고 있다. 이만큼 고농도의 농축 요오드가 존재하는 장소는 세계적으로도 드물며, 일본은 칠레에 이어 세계 2위의 요오드 생산국이 되었다.
3. 이용
고염수는 다양한 산업 분야에서 활용된다.
음식을 절이는 데 사용되는 소금물은 보통 고염수이다. 고기와 생선은 마리네이드의 일종으로, 짧은 시간 동안 소금물에 절여 연화와 풍미를 향상시키거나 보관 기간을 늘린다.[1]
전기 분해를 통해 소금물(NaCl 용액)에서 염소를 생산할 수 있다.
염화 칼슘과 염화 나트륨을 기반으로 한 소금물은 대형 냉동 설비에서 열에너지를 수송하는 유체로 사용된다.[4]
이온 교환 기술을 사용하는 수질 연화 및 수질 정화 시스템에서 보조제로 사용될 수 있다.
낮은 온도에서 염수 용액은 도로의 제설 또는 어는점을 낮추는 데 사용될 수 있다.[10]
담금질은 강철과 같은 금속을 단조할 때 사용되는 열처리 공정으로 소금물 용액은 강철을 경화시키는 데 사용된다.[11]
3. 1. 요리
음식을 절이는 데 쓰는 소금물(절임액 또는 염지액)이 보통 고염수이다. 고기와 생선은 마리네이드의 일종으로, 짧은 시간 동안 소금물에 절여 연화와 풍미를 향상시키거나 보관 기간을 늘린다.[1]3. 2. 염소 생산
원소 염소는 전기 분해를 통해 소금물(NaCl 용액)에서 생산될 수 있다. 이 과정은 또한 수산화 나트륨(NaOH)과 수소 기체(H2)를 생성한다. 반응식은 다음과 같다.- 음극: 2 H⁺ + 2 e⁻ → H₂↑
- 양극: 2 Cl⁻ → Cl₂↑ + 2 e⁻
- 전체 과정: 2NaCl + 2H₂O → Cl₂ + H₂ + 2NaOH
3. 3. 냉각
소금물은 대형 냉동 설비에서 열에너지를 수송하는 유체로 사용된다. 가장 일반적으로 사용되는 소금물은 저렴한 염화 칼슘과 염화 나트륨을 기반으로 한다.[4] 물에 소금을 첨가하면 용액의 어는점이 낮아지고, 재료의 비교적 저렴한 비용으로 열 수송 효율을 크게 향상시킬 수 있기 때문에 소금물을 사용한다. NaCl 소금물에 대해 얻을 수 있는 가장 낮은 어는점은 중량 기준으로 23.3% NaCl 농도에서 -21.1°C이다.[4] 이것을 공융점이라고 한다.부식성 때문에 염 기반 소금물은 에틸렌 글리콜과 같은 유기 액체로 대체되었다.[5]
일부 어선에서는 생선을 냉동하기 위해 염화 나트륨 소금물 분무를 사용한다.[6] 소금물 온도는 일반적으로 -5°C이다. 급속 냉동 온도는 -31°C 이하이다. 소금물의 더 높은 온도를 감안할 때, 공기 급속 냉동보다 시스템 효율이 더 높을 수 있다. 고가 생선은 일반적으로 소금물의 실용적인 온도 한계보다 훨씬 낮은 온도에서 냉동된다.
3. 4. 수질 연화 및 정화
소금물은 이온 교환 기술을 사용하는 수질 연화 및 수질 정화 시스템에서 보조제로 사용된다. 가장 흔한 예는 가정용 식기 세척기에서 식기 세척기 소금 형태로 염화나트륨을 사용하는 것이다. 소금물은 정화 과정 자체에는 관여하지 않지만, 주기적으로 이온 교환 수지를 재생하는 데 사용된다. 처리되는 물은 수지가 소모될 때까지, 그리고 물이 원하는 수준으로 정화될 때까지 수지 용기를 통과한다. 그런 다음 수지를 재생하는데, 이 과정은 축적된 고형물을 제거하기 위해 수지층을 역세척하고, 수지에서 제거된 이온을 농축된 치환 이온 용액으로 씻어내고, 수지에서 세척 용액을 헹구는 순서로 진행된다.[7] 처리 후, 처리된 물에서 칼슘과 마그네슘 이온으로 포화된 이온 교환 수지 비드는 6–12% NaCl을 함유한 소금물에 담가 재생된다. 소금물에서 나온 나트륨 이온은 비드에서 칼슘 및 마그네슘 이온을 대체한다.[8][9]3. 5. 제설
낮은 온도에서 염수 용액은 도로의 제설 또는 어는점을 낮추는 데 사용될 수 있다.[10]3. 6. 담금질
담금질은 강철과 같은 금속을 단조할 때 사용되는 열처리 공정이다. 소금물 용액은 오일 및 기타 물질과 함께 강철을 경화시키는 데 일반적으로 사용된다. 소금물을 사용하면 냉각 과정의 균일성과 열 전달이 향상된다.[11]4. 담수화
담수화 공정은 해수 또는 기수에서 담수를 얻는 과정이며, 이 과정에서 염수라고 하는 부산물이 발생한다.[12]
4. 1. 특징
담수화 공정은 수용액에서 염을 분리하여 해수 또는 기수에서 담수를 얻는 것으로, 이 과정에서 염수라고 하는 배출수가 생성된다.[12]방류의 특성은 사용된 기술의 탈염, 사용된 물의 염분 및 수질, 자연 환경 및 해양학적 특성, 수행된 담수화 과정 등 다양한 요인에 따라 달라진다.[13] 해수 역삼투압(SWRO) 방식의 담수화 플랜트 방류는 주로 사용된 해수의 염분 농도의 최대 두 배에 달할 수 있다는 특징을 보이며, 열 탈염 플랜트와 달리, 사용된 해수와 거의 동일한 온도와 용존 산소를 갖는다.[14][15]
4. 2. 용존 화학 물질
담수화 공정은 수용액에서 염을 분리하여 해수 또는 기수에서 담수를 얻는 과정으로, 이 과정에서 염수라고 하는 배출수가 생성된다.[12] 방류수에는 방청제[16], 응집제, 응결제 등 산업 처리 과정에서 사용되는 미량 화학 제품이 포함될 수 있다. 이러한 미량 화학 제품들은 방류수와 함께 폐기되어 유출수의 물리화학적 품질에 영향을 미칠 수 있다. 그러나 이러한 물질들은 공정 중에 거의 소모되며, 방류수의 농도는 매우 낮아 방류 과정에서 거의 희석되어 해양 생태계에 영향을 미치지 않는다.[17][18]4. 3. 중금속
해수 역삼투압(SWRO) 플랜트는 낮은 작동 온도로 인해 부식에 강한 코팅으로 건설할 수 있어 비금속 성분과 스테인리스강을 주로 사용한다.[19][13] 따라서 SWRO 플랜트 배출구의 중금속 농도는 해양 생태계에 환경적 영향을 미치는 급성 독성 수준보다 훨씬 낮다.[20][13][21]4. 4. 방류
담수화 공정은 수용액에서 염을 분리하여 해수 또는 기수에서 담수를 얻는 과정이며, 이 과정에서 염수라고 불리는 배출수가 생성된다.[12]방류 특성은 사용된 기술의 탈염, 사용된 물의 염분 및 수질, 자연 환경 및 해양학적 특성, 수행된 탈염 과정 등 다양한 요인에 따라 달라진다.[13] 해수 역삼투압 (SWRO) 방식의 탈염 플랜트 방류는 주로 사용된 해수의 염분 농도의 최대 두 배에 달할 수 있으며, 열 탈염 플랜트와 달리, 사용된 해수와 거의 동일한 온도와 용존 산소를 갖는다.[14][15]
배출은 다른 배출 방법에 비해 에너지 및 경제적 비용이 낮기 때문에 일반적으로 해저 배출관 또는 해안 방류를 통해 바다로 다시 버려진다.[18][22] 배출수는 염도가 높아 주변 해수보다 밀도가 높다. 따라서 배출수가 바다에 도달하면 염분 플룸을 형성하며, 이 플룸은 완전히 희석될 때까지 해저 수심선을 따라 이동한다.[23][24][25] 염분 플룸의 분포는 공장의 생산 능력, 배출 방법, 배출 지점의 해양학적 및 환경 조건 등 다양한 요인에 따라 달라질 수 있다.[14][23][22][26]
4. 5. 해양 환경
담수화 과정에서 발생하는 고염수는 염분 농도가 높아 저서 생물 군집에 영향을 줄 수 있다.[27][28][29] 특히 삼투압에 민감한 저서 생물은 염분 증가로 인해 풍부함과 다양성이 감소할 수 있다.
그러나 해수 역삼투압 (SWRO) 방식의 담수화 공장에서는 적절한 완화 조치를 통해 환경 영향을 최소화할 수 있다.[18][26] 스페인, 이스라엘, 칠레, 호주 등에서는 완화 조치를 통해 배출 영향을 줄이고, 지속 가능한 담수화 과정 개발을 보장하는 사례를 찾을 수 있다.[30][31][32][33][34][26][35]
일반적으로 배출 지역 주변에서 눈에 띄는 환경 영향이 감지되는 경우는 적절한 완화 조치가 없는 오래된 담수화 공장과 관련이 있다.[36][30][37] 스페인, 호주, 칠레 등에서는 적절한 조치를 통해 염분 기둥이 배출 지점에서 100m 미만의 반경에서 해수 염분의 5%를 초과하지 않는 것으로 나타났다.[32][26]
4. 6. 완화 조치
담수화 과정에서 발생하는 고염수의 잠재적 환경 영향을 최소화하기 위해 적절한 완화 조치를 적용하는 것이 중요하다.[18][26] 스페인, 이스라엘, 칠레, 호주 등에서는 이러한 완화 조치를 통해 해양 생태계에 큰 영향 없이 담수화 과정을 지속 가능하게 개발하고 있다.[30][31][32][33][34][26][35]일반적으로 사용되는 완화 조치는 다음과 같다:[38][39][40]
- 효율적인 분산기를 사용하거나 해수와 사전 희석을 하는 등 배출 메커니즘을 잘 설계한다.
- 환경 평가 연구를 통해 배출 지점을 선정한다. 지형학, 해류, 해저 지형, 해저 유형과 같은 해양학적 변수를 고려하여 배출물이 빠르게 혼합되도록 한다.
- 잠재적인 환경 위협을 조기에 진단하고 담수화 플랜트가 올바르게 작동하도록 환경 감시 프로그램을 구현한다.
스페인, 호주, 칠레 등에서는 적절한 조치를 취했을 때 염분 기둥이 배출 지점에서 100m 미만의 반경에서 해수의 자연 염분 대비 5%를 초과하지 않는 것으로 나타났다.[32][26]
4. 7. 규제
스페인, 이스라엘, 칠레, 호주 등 많은 국가에서는 건설 및 운영 단계 모두에 대해 엄격한 환경 영향 평가 절차 개발을 요구하고 있다.[41][42][43] 개발 과정에서 지역 환경 규제 내에 가장 중요한 법적 관리 도구가 마련되어 해수 담수화 프로젝트의 지속 가능한 개발을 보장하는 예방 및 완화 조치를 채택한다. 여기에는 일련의 행정 도구와 정기적인 환경 모니터링이 포함되어 주변 해양 환경의 상태에 대한 예방, 교정 및 추가 모니터링 조치를 채택한다.[44][45]이러한 환경 평가 과정에서, 수많은 국가에서 환경 모니터링 프로그램 (PVA)의 준수를 요구하여 환경 평가 과정에서 설정된 예방 및 교정 조치의 효과를 평가하고, 해수 담수화 공장의 운영이 유의미한 환경적 영향을 미치지 않도록 보장한다.[46][47] PVA는 일련의 필수 요건을 설정하며, 주로 배출수 모니터링과 관련된 측정 및 물리화학적, 생물학적 정보를 기반으로 하는 특성화를 포함한다.[46][47] 또한, PVA는 해수 취수의 영향과 육상 생태계에 미칠 수 있는 잠재적 영향과 관련된 다양한 요구 사항을 포함할 수도 있다.
5. 폐수
염수는 담수화, 발전소 냉각탑, 석유 및 천연 가스 추출 과정의 생산수, 산성 광산 또는 산성 암석 배수, 역삼투 과정의 거부수, 염소-알칼리 폐수 처리, 펄프 및 제지 공장 배출수, 식품 및 음료 가공 폐수 등 다양한 산업 공정에서 부산물로 발생한다. 이러한 염수에는 희석된 염뿐만 아니라 전처리 및 세정 화학 물질의 잔류물, 반응 부산물, 부식으로 인한 중금속 등이 포함될 수 있다.
5. 1. 환경 문제
담수화 공정은 수용액에서 염을 분리하여 해수 또는 기수에서 담수를 얻는 과정이며, 이 과정에서 염수라는 배출수가 생성된다.[12]폐수 염수는 염의 부식 및 침전 형성 효과와 그 안에 희석된 다른 화학 물질의 독성으로 인해 심각한 환경적 위험을 초래할 수 있다.[48] 담수화 과정에서 발생하는 염수는 해양 생물과 서식지에 잠재적인 피해를 줄 수 있다.[49] 염수는 해수보다 무거워 바다 바닥에 축적되므로, 환경 영향을 줄이기 위해 수중 확산기를 하수도에 설치하는 등 적절한 확산 방법이 필요하다.[50]
5. 2. 처리
담수화 공정은 수용액에서 염을 분리하여 해수 또는 기수에서 담수를 얻는 과정이며, 이 과정에서 염수라는 배출수가 생성된다.[12] 오염되지 않은 염수는 바다로 반환될 수 있다. 담수화 과정에서 생성되는 거부 염수는 해양 생물과 서식지에 피해를 줄 수 있으므로,[49] 환경 영향을 줄이기 위해 폐수 처리 또는 발전소의 배출구와 같은 다른 물줄기로 희석할 수 있다. 염수는 해수보다 무거워 바다 바닥에 쌓이므로, 수중 확산기를 하수도에 설치하는 등 적절한 확산을 보장하는 방법이 필요하다.[50] 염수 저장 및 재사용 방법으로는 증발 연못에서 건조, 심정 주입, 관개, 제빙, 먼지 제어 등이 있다.[48]오염된 염수 처리는 막 여과 공정 (역삼투, 정삼투), 이온 교환 공정 (전기투석, 약산 양이온 교환), 증발 공정 (기계 증기 재압축, 증기를 이용한 결정화기) 등의 기술을 활용한다. 무액체 배출 시스템(ZLD)의 일부로 삼투압 보조 역삼투 및 관련 공정을 사용하는 새로운 막 염수 농축 방법도 활용된다.[51]
6. 조성 및 정제
염수는 나트륨(Na+) 및 염화물(Cl−) 이온의 농축 용액으로 구성된다. 염화 나트륨 자체는 물에 존재하지 않으며 완전히 이온화된다. 다양한 염수에서 발견되는 다른 양이온으로는 칼륨(K+), 마그네슘(Mg2+), 칼슘(Ca2+), 스트론튬(Sr2+) 등이 있다. 후자 셋은 스케일을 형성하고 비누와 반응하기 때문에 문제가 된다. 염화물 외에도 염수에는 때때로 Br− 및 I−가 포함되며, 가장 문제가 되는 것은 황산염(SO₄²⁻)이다.[52] 정제 단계에는 종종 고체 수산화 마그네슘을 석고(CaSO4)와 함께 침전시키기 위한 산화 칼슘의 첨가가 포함되며, 이는 여과를 통해 제거할 수 있다. 추가적인 정제는 분별 결정을 통해 이루어진다. 결과적으로 정제된 소금을 '''증발 소금''' 또는 '''진공 소금'''이라고 부른다.[52]
7. 자원
지하 고염수는 천연 가스를 용존하고 있어 에너지 자원으로 활용된다. 일본 지바현을 중심으로 펼쳐지는 남간토 가스전에서는 고염수에서 천연가스와 요오드를 생산한다. 염호 등에서 채취되는 함수는 리튬, 브롬 추출에도 이용된다.[53][54]
7. 1. 천연가스
지하 고염수는 천연 가스를 대량으로 포함하고 있는 경우가 있으며, 지하 고염수를 끌어올려 분리·정제하여 가스를 이용한다. 지하의 높은 압력에서 지하수에 녹아 있는 천연 가스는 대기압에서는 물에 거의 녹지 않기 때문에, 지하수를 지상으로 퍼올리면 천연 가스가 자연적으로 분리되어 나온다. 이를 회수하여 이용한다.[1]고염수를 뽑아 올리는 생산정은 퍼올리는 물의 양이 많아 지반 침하의 원인이 되기 때문에 양수량을 규제하거나 회수 후 남은 물을 지하로 다시 되돌리는 인공 함양을 하기도 한다.[1]
지바현을 중심으로 펼쳐지는, 일본 최대의 수용성 천연 가스전인 남간토 가스전 일대의 고염수에는 해수의 2,000배나 되는 요오드가 포함되어 있다. 요오드도 천연 가스의 부산물로 생산되고 있다. 이처럼 고농도로 농축된 요오드가 존재하는 곳은 세계적으로도 드물며, 일본은 칠레에 이어 세계 2위의 요오드 생산국이다.[1]
7. 2. 요오드
남간토 가스전(일본 지바현을 중심으로 펼쳐지는, 일본 최대의 수용성 천연 가스전) 일대 고염수는 해수의 2,000배나 되는 요오드를 포함하고 있어, 천연가스의 부산물로 요오드를 생산한다.[1] 이처럼 고농도로 농축된 요오드가 존재하는 곳은 세계적으로도 드물며, 일본은 칠레에 이어 세계 2위의 요오드 생산국이다.[1]7. 3. 리튬, 브롬 추출
염호 등에서 채취되는 함수는 리튬[53], 브롬[54]과 같은 유용한 원소를 추출하는 자원으로 이용된다.8. 간수
중화 면 등의 원료인 "간수"는, 본래 소금 호수의 물을 사용했기 때문에 간수라고 불린다.[1] 현재는 유효 성분인 탄산 나트륨 등으로 공업적으로 제조한다.[1]
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