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□ 2023년부터 향후 5년 간 전 세계 해수담수화 시장이 연평균 8.1%* 성장할 것으로 예측되는 가운데 담수화 공정 후 버려지는 고염도 농축수가 새로운 문제로 떠오르고 있다.   

 ㅇ 전 세계 1일 농축수 생산량은 2019년 기준 약 1억4,200**만 톤으로, 국내에서도 하루 7만5,000여 톤의 농축수가 버려지고 있는 실정이다. 

  * ‘해수와 염수 담수화 (Seawater and Brackish Water Desalination)’ ; BCC Research, 2022.11.

 ** ‘담수화 및 염수 생산 현황 : 글로벌 전망 (The state of desalination and brine production : A global outlook)’ ; Science of The Total Environment, 20 March 2019.

□ 한국생산기술연구원(원장 이낙규, 이하 생기원) 연구진이 담수화 공정 후 폐기되는 농축수로부터 담수와 고순도 리튬을 얻을 수 있는 ‘순환형 에너지 시스템’을 개발했다. 

 ㅇ 생기원 한러혁신센터 정다운 박사는 해수담수화 연구를 진행하던 중 버려지는 고염도 농축수가 해양생태계를 교란시킨다는 사실에 주목하고, 

      이를 재이용할 수 있는 연구 개발을 병행한 끝에 이번 성과를 얻었다.   

□ 연구팀은 먼저, 전기투석 방식의 담수화 시스템의 경우 높은 전류를 필요로 하지 않는다는 점에 착안해 ‘증산발전 소자’를 개발했다. 

 ㅇ 증산발전 소자는 한 쪽에 물을 주입하면 모세관 현상에 의해 반대쪽 건조한 방향으로 물이 흐르면서 그 차이로 전기를 생산하게 된다.  

 ㅇ 식물이 뿌리에서 흡수한 물을 잎의 기공을 통해 내보내는 증산작용 원 리에서 착안한 에너지 하베스팅 소자로, 

      한 번만 물을 주입하면 공기 중의 수분을 자동으로 흡수해 자가 발전하는 순환형 시스템이다. 

 ㅇ 이때 전력은 소자 내 물의 이동 속도와 증발량에 좌우되는데, 연구팀은 친수성인 셀룰로오스 파이버를 수직배향 하고, 

      섬유조직 하나하나에 나노크기의 카본입자를 코팅하는 방식으로 표면적을 넓혀 물의 이동과 증발에 유리한 원통형 소자를 제작했다.  

□ 각각의 증산발전 소자는 한 개당 0.4~0.5V의 전기를 생산하며, 이는 3개 연결 시 1.5V 건전지 한 개에 해당하는 전력량이다. 

 ㅇ 증산발전 소자 한 개의 전력은 크지 않지만, 소자를 직·병렬로 연결 해 모듈화하고, 모듈을 계속 적층하는 방식으로 발전량을 조절할 수 있다. 

 ㅇ 또한 적층 방식이어서 거대한 설비나 넓은 부지가 필요 없고, 물을 활용한 증산발전으로 에너지를 얻기 때문에 이산화탄소를 발생시키지 않는 것도 장점이다. 

□ 연구팀은 이어, 개발한 증산발전 소자에 전기투석 장치를 연결해 고수율의 담수와 리튬을 얻는 ‘순환형 에너지 시스템’을 개발하는 데 성공했다. 

 ㅇ 증산발전으로 얻은 전기를 전기투석 장치에 활용한 것은 세계 최초로, 장치 내부에는 2개의 특수 멤브레인(분리막)을 삽입해 

      중앙에 바닷물을 주입하면 계속 순환하면서 한쪽에는 담수가, 다른 한쪽에는 리튬 농축수가 만들어지는 구조이다. 

 ㅇ Na+와 Cl-를 분리해 만들어지는 담수화 전 과정은 모니터로 관찰할 수 있으며, 한양대학교 기계공학부 곽노균 교수 연구팀의 전용기술인 

  ‘이온 거동 가시화기술’을 공동 연구를 통해 이번 성과에 적용했다. 

□ 한편 리튬 농축시스템은 리튬(Li)만 선택적으로 분리하는 멤브레인을 삽입해 Li과 Cl2, H2 가스가 만들어지는 구조로, 연구팀은 리튬을 분리해 분말화 하는 공정도 함께 개발했다. 

 ㅇ 생산된 리튬 분말은 세라믹연구원 공인인증 결과 실용화 가능한 수준 인 99.6%의 고순도를 보이는 것으로 나타나 현재 기업과 함께 리튬 생산 규모를 키우기 위한 연구를 추진하고 있다. 

 ㅇ 연구팀은 또한 해수 외에도 폐배터리, 폐전자기기를 분쇄해 나오는 블랙파우더로부터 리튬만 선택적으로 분리하는 응용기술 개발도 기획 중이다.

□ 정다운 박사는 “개발된 순환형 에너지 시스템은 전기와 식수를 동시에 얻을 수 있어 물이 부족한 지역이나 우주선과 같은 특수 환경에서도 활용 가능한 시스템”이라고 설명하며 

    “다른 생산방식보다 저렴한 비용으로 고순도 리튬까지 추출할 수 있어 경제성 있는 리튬 생산을 위해 기업과의 스케일업 연구(Scale-up R＆D)를 추진 중”이라고 밝혔다.