<구성원 기고> “가장 고도화된 물 재이용 기술” SK에코플랜트 ‘CSRO’의 모든 것
공업용수 부족 문제의 해결책으로 떠오르고 있는 ‘물 재이용’ 기술이 또 한 번 진화했다. SK에코플랜트가 세계 최고의 회수율과 투입자원 절감량을 가진 공업용수 및 하폐수 재이용 시스템, ‘CSRO(Circle-Sequence Reverse Osmosis, 순차적 순환공정역삼투막)’ 기술 개발을 완료하고 사업화에 나선 것이다. 해당 프로젝트에 참여하고 있는 SK에코플랜트 구성원 기고문을 통해 CSRO 기술에 대해 자세히 알아보고, SK에코플랜트의 반도체 종합 서비스에서 어떤 시너지를 낼 수 있을지 확인해 보자.
이영근
SK에코플랜트 Water솔루션팀
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기후변화로 물 부족 현상 심각… 물 재이용 시장 성장세 가속
안정적인 물의 공급이 전세계적으로 어려워지고 있다. 유엔 세계기상기구(WMO, World Meteorological Organization)는 2021년 연례 보고서를 통해 “2050년에는 약 50억 명이 물 부족으로 고통받을 것”이라고 경고했다. 3년 후 발표된 연례 보고서에서도 “전 세계 강의 유량이 33년 만에 최저치를 기록했다”며 “기후 위기로 인해 홍수나 가뭄이 점점 더 빈번해지고 있다”고 덧붙였다. 물의 순환이 불규칙해지며 깨끗한 물의 안정적인 공급은 더욱 어려워지고 있지만, 반도체 등 다량의 물을 필요로 하는 첨단 산업의 발전으로 공업용수 수요는 계속해서 증가하고 있다.
이에 한정된 수자원을 고려해 이미 사용한 물을 정화∙처리한 뒤 다시 활용하려는 ‘물 재이용’ 노력이 활발해지고 있다. 실제로 전 세계 물 재이용 시장 규모는 2023년 약 161억 달러(한화 약 22조 원)에서 연평균 10.8% 성장해 2028년에는 약 270억 달러(한화 약 37조 원)에 이를 것으로 전망된다(Marketsandmarkets, ‘Water Recycle and Reuse Market’, 2023). 우리나라 역시 공업용수 부족이 우려되고 있으며, 환경부는 제2차 물 재이용 기본계획에서 물 재이용량을 2022년 16.8억톤에서 2030년 25.9억톤 수준까지 확대하겠다는 목표를 제시했다.
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물 재이용 시스템의 핵심 기술 ‘역삼투막’
하폐수 등의 오염수를 일상생활이나 산업 공정에서 다시 사용하기 위해서는, 수처리 과정을 거쳐 물속의 오염물질을 제거해야 한다. 일반적으로 하폐수의 수처리 과정은 응집 및 침전과 같은 전처리를 거친 후, 여과 장치를 통해 정화된 물을 재이용수로 공급하는 방식으로 이뤄진다.
최근 물 재이용에 대한 관심이 높아지며 시장에서 주목받고 있는 기술이 바로 ‘역삼투(Reverse Osmosis, 이하 RO)’ 기술이다. RO는 해수 담수화, 공업용수 및 하폐수 재이용 등 다양한 분야에 활용되는 고수준 수질 정화 기술로, ‘삼투현상’을 역이용해 오염수를 정화하는 방식이다. 삼투압보다 더 큰 압력을 오염수에 가하면, 농도가 높은 쪽(오염수)에서 낮은 쪽(깨끗한 물)으로 물이 이동하게 되며, 이 과정에서 *반투막(Membrane)이 오염물질을 걸러낸다.
*반투막: 특정 분자나 이온만 통과시키는 막.
RO 공정을 거친 후에는 깨끗한 물이 분리되고, 남은 오염물질은 ‘농축수’로 남게 된다. 농축수는 무방류(방류없이 내부에서 순환하는 방식) 처리를 위해 증발농축, 결정화 공정을 거친다. 이 과정에서 증발된 수분은 응축시켜 재이용수로 활용되고 남겨진 슬러지는 결정화되어 매립되거나 비료, 고체연료로 최종 처리된다. RO 기술의 수준은 정화된 물의 양뿐 아니라, 남겨지는 농축수의 양과 그 처리 비용에도 영향을 미치기 때문에 관련 기술 고도화를 위한 연구가 지속적으로 이루어지고 있다.
깨끗한 물에 대한 수요 증가와 물 재이용 활성화가 맞물리면서 RO 시장도 빠르게 성장 중이다. 시장조사기관 비즈니스 리서치 인사이트에 따르면 전 세계 RO 시스템 시장은 2023년 83억6000만달러(약 11조 원)에서 연평균 5.3% 성장해 2032년에는 133억1000만달러(약 18조 원) 규모에 이를 것으로 전망된다. 특히 반도체, 제약, 식음료 등 첨단산업 및 제조업 분야에서 RO 시스템 수요가 증가하고 있으며 도시 수처리 시스템, 담수화, 산업용수 재이용 프로젝트의 확대도 시장 성장에 영향을 미칠 것으로 보인다.
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현존하는 가장 고도화된 역삼투막 기술, ‘CSRO’
SK에코플랜트는 기존 사업 역량을 바탕으로 차별화된 반도체 종합 서비스를 제공하고 있다. 반도체 생산 설비 구축 역량에 환경·에너지 기술을 융합해 새로운 경쟁력을 만들어내고 있으며, ‘CSRO(Circle-Sequence Reverse Osmosis, 순차적 순환공정 역삼투막)’ 기술은 그 대표 사례 중 하나다. 반도체 산업 내 증가하는 RO 시스템 수요에 대응하기 위해 개발됐다.
일반적으로 RO 시스템은 반투막을 원통형으로 둥글게 말아 넣은 모듈인 ‘엘리먼트(Element)’ 여러 개를 직렬로 ‘베셀(Pressure Vessel)’이라 불리는 압력용기에 넣고, 이를 하나의 프레임 위에 여러 개 배치하여 ‘RO 스키드(Skid)’로 조립한다. RO 스키드는 *회수율을 높이기 위해 하나 또는 여러 ‘단계(Stage)’로 배열시켜 구성된다.
*회수율: 투입한 오염수 대비 얻어낸 깨끗한 물의 비율
하지만 기존 RO 시스템은 물이 일방향으로만 흐르도록 설계돼 있어 여러 가지 한계가 있었다. 우선 투입된 오염수를 최대한 많이 정화해 회수율을 높이려면 RO 스키드를 여러 단계로 구성해야 하므로, 필연적으로 설비 면적이 커진다. 베셀의 앞쪽에 있는 엘리먼트는 고부하, 유기물 오염물질에 지속적으로 노출되며 빠르게 손상되고, 뒤쪽 엘리먼트에는 고농도, 무기물 오염물질이 침전되어 스케일(침전물)이 발생하는 문제가 생긴다. 이를 해결하기 위해 약품을 추가로 투입해야 하며, 그에 따라 관리 비용도 증가하게 된다.
반면 SK에코플랜트의 CSRO는 이름 그대로, 물을 여러 번 “순차적으로 재순환’시키는 방식으로 기존 RO 시스템의 한계를 극복하고 있다.
CSRO는 오염수를 첫번째 베셀을 통과하는 점은 기존과 같지만, 이후 물을 다음 베셀에 정방향으로 보내지 않고 역방향으로 이동시켜 여러 차례 재순환시킨다. 이러한 재순환을 반복함으로써 회수율을 원하는 수준까지 끌어올릴 수 있으며, 설비를 확장할 필요가 없어 전체 시스템이 차지하는 면적도 줄일 수 있다. 여기에 순환 과정에서 발생하는 농축수의 압력 손실을 최소화하기 위해 제트펌프(Jet Pump)를 적용, 기존 RO 시스템에서 압력을 유지하는 데 소모되던 에너지도 절감할 수 있다.
일반적인 하폐수 재이용 플랜트의 역삼투막 공정 회수율은 보통 75% 수준으로 설계되는데, 운영 중인 하수처리장 방류수를 대상으로 진행한 CSRO 파일럿 테스트에서는 최대 97%의 회수율을 달성했다. 또한, 기존 RO기술 대비 10% 이상의 전력 사용량 절감 효과도 확인됐다.
기존 RO 시스템에서 반복적으로 발생하던 문제인 엘리먼트 간 부하 불균형과 지속적인 막 오염 노출로 인한 성능 저하 현상 역시 CSRO를 통해 개선될 것으로 기대된다. 예상되는 기대효과는 기존 대비 약품 사용량 20% 절감 및 막 수명 20% 연장으로, 현재 비교 운전을 통해 지속적인 실증 검증이 이뤄지고 있다.
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반도체 수처리 분야 활용성 커…AI 활용한 기술 고도화도 추진 중
CSRO는 현재 국내 반도체 및 식음료 기업의 주요 사업장에서 실증을 진행하며 기술력을 입증하고 있다. 이미 3건의 특허를 등록했으며, 2024년 9월 및 2025년 5월에 걸쳐 해수담수화 분야에서 세계적으로 권위 있는 국제 학술지 디샐리네이션(Desalination)에 논문 2편이 게재되는 성과도 거두었다.
2023년에는 하폐수 재처리수의 수질기준 11개 항목을 모두 충족하고, 기존 RO 기술 대비 평균 12.6%의 에너지 절감 효과를 인정받아 환경부로부터 녹색기술인증을 획득했다. 최근에는 *무방류 분야 핵심기술인 막 기반 농축수 처리 기술 개발을 위한 국책과제에 선정되며, 차세대 수처리 기술 개발도 본격화되고 있다.
*무방류: 사업장에서 발생한 폐수를 공공수역으로 배출하지 않고 자체적으로 처리하거나 재이용하는 기술 혹은 시스템.
특히 CSRO 기술은 SK에코플랜트가 추진 중인 반도체 종합 서비스에서 핵심적인 역할을 수행할 것으로 기대된다. AI 산업의 급속한 성장으로 반도체 수요는 지속적으로 증가하고 있으며, 이에 따라 보다 효율적인 수처리 시스템의 중요성이 높아지고 있기 때문이다. 실증이 완료되어 상업화 단계에 진입하면, 국내는 물론 글로벌 반도체 기업에도 공급이 가능해져 차별화된 경쟁력을 갖춘 수처리 솔루션으로 자리잡을 것으로 보인다.
SK에코플랜트는 현재 CSRO 기술에 AI를 접목해 고도화하는 방안도 함께 추진하고 있다. 기존에는 물 유입 방향의 전환 주기를 시간이나 운전 횟수 기준으로 설정했지만, AI를 도입하면 수질, 목표 회수율, 방류 시점, 막 오염 정도 등을 실시간으로 분석해 자동으로 최적화된 운전을 수행할 수 있다. CSRO 기술의 고도화를 바탕으로 반도체 산업 수처리 분야에서 또 한번 비약을 준비중인 SK에코플랜트. 다음 행보가 글로벌 시장의 판도를 어떻게 바꿀 지 주목된다.
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이영근 프로는 수처리 및 해수담수화 분야에서 공정기술개발에 20년 이상의 경력을 보유하고 있다. 현재 SK에코플랜트에서 CSRO 기술 개발을 시작으로 실증 및 사업화를 추진 중에 있으며, 무방류 분야 관문기술로 MBC(Membrane Brine Concentrator) 기술개발을 위한 환경부 국책과제 공동기관 책임자를 맡고 있다.
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이영근
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안정적인 물의 공급이 전세계적으로 어려워지고 있다. 유엔 세계기상기구(WMO, World Meteorological Organization)는 2021년 연례 보고서를 통해 “2050년에는 약 50억 명이 물 부족으로 고통받을 것”이라고 경고했다. 3년 후 발표된 연례 보고서에서도 “전 세계 강의 유량이 33년 만에 최저치를 기록했다”며 “기후 위기로 인해 홍수나 가뭄이 점점 더 빈번해지고 있다”고 덧붙였다. 물의 순환이 불규칙해지며 깨끗한 물의 안정적인 공급은 더욱 어려워지고 있지만, 반도체 등 다량의 물을 필요로 하는 첨단 산업의 발전으로 공업용수 수요는 계속해서 증가하고 있다.
이에 한정된 수자원을 고려해 이미 사용한 물을 정화∙처리한 뒤 다시 활용하려는 ‘물 재이용’ 노력이 활발해지고 있다. 실제로 전 세계 물 재이용 시장 규모는 2023년 약 161억 달러(한화 약 22조 원)에서 연평균 10.8% 성장해 2028년에는 약 270억 달러(한화 약 37조 원)에 이를 것으로 전망된다(Marketsandmarkets, ‘Water Recycle and Reuse Market’, 2023). 우리나라 역시 공업용수 부족이 우려되고 있으며, 환경부는 제2차 물 재이용 기본계획에서 물 재이용량을 2022년 16.8억톤에서 2030년 25.9억톤 수준까지 확대하겠다는 목표를 제시했다.
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물 재이용 시스템의 핵심 기술 ‘역삼투막’
하폐수 등의 오염수를 일상생활이나 산업 공정에서 다시 사용하기 위해서는, 수처리 과정을 거쳐 물속의 오염물질을 제거해야 한다. 일반적으로 하폐수의 수처리 과정은 응집 및 침전과 같은 전처리를 거친 후, 여과 장치를 통해 정화된 물을 재이용수로 공급하는 방식으로 이뤄진다.
최근 물 재이용에 대한 관심이 높아지며 시장에서 주목받고 있는 기술이 바로 ‘역삼투(Reverse Osmosis, 이하 RO)’ 기술이다. RO는 해수 담수화, 공업용수 및 하폐수 재이용 등 다양한 분야에 활용되는 고수준 수질 정화 기술로, ‘삼투현상’을 역이용해 오염수를 정화하는 방식이다. 삼투압보다 더 큰 압력을 오염수에 가하면, 농도가 높은 쪽(오염수)에서 낮은 쪽(깨끗한 물)으로 물이 이동하게 되며, 이 과정에서 *반투막(Membrane)이 오염물질을 걸러낸다.
*반투막: 특정 분자나 이온만 통과시키는 막.
RO 공정을 거친 후에는 깨끗한 물이 분리되고, 남은 오염물질은 ‘농축수’로 남게 된다. 농축수는 무방류(방류없이 내부에서 순환하는 방식) 처리를 위해 증발농축, 결정화 공정을 거친다. 이 과정에서 증발된 수분은 응축시켜 재이용수로 활용되고 남겨진 슬러지는 결정화되어 매립되거나 비료, 고체연료로 최종 처리된다. RO 기술의 수준은 정화된 물의 양뿐 아니라, 남겨지는 농축수의 양과 그 처리 비용에도 영향을 미치기 때문에 관련 기술 고도화를 위한 연구가 지속적으로 이루어지고 있다.
깨끗한 물에 대한 수요 증가와 물 재이용 활성화가 맞물리면서 RO 시장도 빠르게 성장 중이다. 시장조사기관 비즈니스 리서치 인사이트에 따르면 전 세계 RO 시스템 시장은 2023년 83억6000만달러(약 11조 원)에서 연평균 5.3% 성장해 2032년에는 133억1000만달러(약 18조 원) 규모에 이를 것으로 전망된다. 특히 반도체, 제약, 식음료 등 첨단산업 및 제조업 분야에서 RO 시스템 수요가 증가하고 있으며 도시 수처리 시스템, 담수화, 산업용수 재이용 프로젝트의 확대도 시장 성장에 영향을 미칠 것으로 보인다.
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현존하는 가장 고도화된 역삼투막 기술, ‘CSRO’
SK에코플랜트는 기존 사업 역량을 바탕으로 차별화된 반도체 종합 서비스를 제공하고 있다. 반도체 생산 설비 구축 역량에 환경·에너지 기술을 융합해 새로운 경쟁력을 만들어내고 있으며, ‘CSRO(Circle-Sequence Reverse Osmosis, 순차적 순환공정 역삼투막)’ 기술은 그 대표 사례 중 하나다. 반도체 산업 내 증가하는 RO 시스템 수요에 대응하기 위해 개발됐다.
일반적으로 RO 시스템은 반투막을 원통형으로 둥글게 말아 넣은 모듈인 ‘엘리먼트(Element)’ 여러 개를 직렬로 ‘베셀(Pressure Vessel)’이라 불리는 압력용기에 넣고, 이를 하나의 프레임 위에 여러 개 배치하여 ‘RO 스키드(Skid)’로 조립한다. RO 스키드는 *회수율을 높이기 위해 하나 또는 여러 ‘단계(Stage)’로 배열시켜 구성된다.
*회수율: 투입한 오염수 대비 얻어낸 깨끗한 물의 비율
하지만 기존 RO 시스템은 물이 일방향으로만 흐르도록 설계돼 있어 여러 가지 한계가 있었다. 우선 투입된 오염수를 최대한 많이 정화해 회수율을 높이려면 RO 스키드를 여러 단계로 구성해야 하므로, 필연적으로 설비 면적이 커진다. 베셀의 앞쪽에 있는 엘리먼트는 고부하, 유기물 오염물질에 지속적으로 노출되며 빠르게 손상되고, 뒤쪽 엘리먼트에는 고농도, 무기물 오염물질이 침전되어 스케일(침전물)이 발생하는 문제가 생긴다. 이를 해결하기 위해 약품을 추가로 투입해야 하며, 그에 따라 관리 비용도 증가하게 된다.
반면 SK에코플랜트의 CSRO는 이름 그대로, 물을 여러 번 “순차적으로 재순환’시키는 방식으로 기존 RO 시스템의 한계를 극복하고 있다.
CSRO는 오염수를 첫번째 베셀을 통과하는 점은 기존과 같지만, 이후 물을 다음 베셀에 정방향으로 보내지 않고 역방향으로 이동시켜 여러 차례 재순환시킨다. 이러한 재순환을 반복함으로써 회수율을 원하는 수준까지 끌어올릴 수 있으며, 설비를 확장할 필요가 없어 전체 시스템이 차지하는 면적도 줄일 수 있다. 여기에 순환 과정에서 발생하는 농축수의 압력 손실을 최소화하기 위해 제트펌프(Jet Pump)를 적용, 기존 RO 시스템에서 압력을 유지하는 데 소모되던 에너지도 절감할 수 있다.
일반적인 하폐수 재이용 플랜트의 역삼투막 공정 회수율은 보통 75% 수준으로 설계되는데, 운영 중인 하수처리장 방류수를 대상으로 진행한 CSRO 파일럿 테스트에서는 최대 97%의 회수율을 달성했다. 또한, 기존 RO기술 대비 10% 이상의 전력 사용량 절감 효과도 확인됐다.
기존 RO 시스템에서 반복적으로 발생하던 문제인 엘리먼트 간 부하 불균형과 지속적인 막 오염 노출로 인한 성능 저하 현상 역시 CSRO를 통해 개선될 것으로 기대된다. 예상되는 기대효과는 기존 대비 약품 사용량 20% 절감 및 막 수명 20% 연장으로, 현재 비교 운전을 통해 지속적인 실증 검증이 이뤄지고 있다.
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반도체 수처리 분야 활용성 커…AI 활용한 기술 고도화도 추진 중
CSRO는 현재 국내 반도체 및 식음료 기업의 주요 사업장에서 실증을 진행하며 기술력을 입증하고 있다. 이미 3건의 특허를 등록했으며, 2024년 9월 및 2025년 5월에 걸쳐 해수담수화 분야에서 세계적으로 권위 있는 국제 학술지 디샐리네이션(Desalination)에 논문 2편이 게재되는 성과도 거두었다.
2023년에는 하폐수 재처리수의 수질기준 11개 항목을 모두 충족하고, 기존 RO 기술 대비 평균 12.6%의 에너지 절감 효과를 인정받아 환경부로부터 녹색기술인증을 획득했다. 최근에는 *무방류 분야 핵심기술인 막 기반 농축수 처리 기술 개발을 위한 국책과제에 선정되며, 차세대 수처리 기술 개발도 본격화되고 있다.
*무방류: 사업장에서 발생한 폐수를 공공수역으로 배출하지 않고 자체적으로 처리하거나 재이용하는 기술 혹은 시스템.
특히 CSRO 기술은 SK에코플랜트가 추진 중인 반도체 종합 서비스에서 핵심적인 역할을 수행할 것으로 기대된다. AI 산업의 급속한 성장으로 반도체 수요는 지속적으로 증가하고 있으며, 이에 따라 보다 효율적인 수처리 시스템의 중요성이 높아지고 있기 때문이다. 실증이 완료되어 상업화 단계에 진입하면, 국내는 물론 글로벌 반도체 기업에도 공급이 가능해져 차별화된 경쟁력을 갖춘 수처리 솔루션으로 자리잡을 것으로 보인다.
SK에코플랜트는 현재 CSRO 기술에 AI를 접목해 고도화하는 방안도 함께 추진하고 있다. 기존에는 물 유입 방향의 전환 주기를 시간이나 운전 횟수 기준으로 설정했지만, AI를 도입하면 수질, 목표 회수율, 방류 시점, 막 오염 정도 등을 실시간으로 분석해 자동으로 최적화된 운전을 수행할 수 있다. CSRO 기술의 고도화를 바탕으로 반도체 산업 수처리 분야에서 또 한번 비약을 준비중인 SK에코플랜트. 다음 행보가 글로벌 시장의 판도를 어떻게 바꿀 지 주목된다.
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이영근 프로는 수처리 및 해수담수화 분야에서 공정기술개발에 20년 이상의 경력을 보유하고 있다. 현재 SK에코플랜트에서 CSRO 기술 개발을 시작으로 실증 및 사업화를 추진 중에 있으며, 무방류 분야 관문기술로 MBC(Membrane Brine Concentrator) 기술개발을 위한 환경부 국책과제 공동기관 책임자를 맡고 있다.