생기원, 폐기 농축수로 담수·고순도 리튬 얻는다…순환형 에너지 시스템 개발

증산작용 원리에서 착안…자가 발전 순환형 시스템
직·병렬 연결 모듈화…적층 방식으로 발전량 조절

한국생산기술연구원은 담수화 공정 후 폐기되는 농축수로부터 담수와 고순도 리튬을 얻을 수 있는 '순환형 에너지 시스템'을 개발했다.

정다운 생기원 한러혁신센터 박사는 버려지는 고염도 농축수가 생태계를 교란시킨다는 점에 주목, 이를 재이용 할 수 있는 연구 개발을 병행한 끝에 이번 성과를 얻었다.

연구팀은 전기투석 방식의 담수화 시스템의 경우 높은 전류를 필요로 하지 않는다는 점에 착안, 모세관 현상에 의해 전기를 생산하는 '증산발전 소자'를 개발했다. 증산발전 소자는 식물이 뿌리에서 흡수한 물을 잎의 기공을 통해 내보내는 증산작용 원리에서 착안한 에너지 하베스팅 소자로, 한 번만 물을 주입하면 공기 중의 수분을 자동 흡수해 자가 발전하는 순환형 시스템이다. 이때 발생하는 전력은 소자 내 물의 이동 속도와 증발량에 좌우되는데, 연구팀은 친수성인 셀룰로오스 파이버를 수직배향하고, 섬유조직 하나하나에 나노 크기의 카본입자를 코팅해 표면적을 넓혔다. 증산발전 소자는 한 개당 0.4-0.5V의 전기를 생산하며, 3개가 연결되면 1.5V 건전지 한 개 전력량과 동일하다. 증산발전 소자 각각의 전력은 크지 않지만 이를 직·병렬로 연결해 모듈화하고, 이런 모듈을 계속 적층하는 방식으로 발전량을 조절할 수 있다. 이런 적층 방식의 장점은 증산발전으로 에너지를 얻기 때문에 이산화탄소를 발생시키지 않고 특별한 설비나 부지를 필요로 하지 않다는 것이다.

연구팀은 세계 최초로 증산발전 소자에 전기투석 장치를 연결해 고수율의 담수와 리튬을 얻는 '순환형 에너지 시스템' 개발에도 성공했다. 장치 중앙에 바닷물을 주입하면 계속 순환하며 Na+와 Cl-를 분리해 내부에 삽입된 2개의 특수 분리막을 기준으로 한쪽에는 담수를, 다른 한쪽에는 리튬농축수를 만든다. 곽노균 한양대 기계공학부 교수 연구팀의 전용기술인 '이온 거동 가시화기술'이 공동 연구를 통해 이번 성과에 적용됐다.

연구팀은 리튬을 분리해 분말화하는 공정도 함께 개발했다. 생산된 리튬 분말은 실용화 가능 수준인 99.6%의 고순도로, 현재 기업과 함께 리튬 생산 규모를 키우기 위한 연구도 추진 중이다.

정 박사는 "개발된 순환형 에너지 시스템은 전기와 식수를 동시에 얻을 수 있어 물이 부족한 지역이나 우주선과 같은 특수환경에서도 활용 가능하다"며 "경제성 있는 리튬 생산을 위해 기업과의 스케일업 연구를 추진 중"이라고 밝혔다.