- 에너지연, 이온선택성 나노분리막을 통해 탈염과 동시에 에너지 추출

- 인가압력 및 유량에 따라 탈염정도 및 추출 에너지량 조절

- 탈염 전극 결합을 통해 단일 역삼투공정 대비 51% 에너지 소비량 감소

- 차세대 분리막 원천기술, 소재공학 분야 국제학술지 ‘Nano Energy’ 게재

■ 한국에너지기술연구원(원장 김종남) 제주글로벌연구센터 박철호 박사 연구진은 해수담수화와 같은 탈염* 공정에서 에너지 소비량을 혁신적으로 절감할 수 있는 이온선택성 나노분리막과 전기화학적 에너지 생성 시스템인 EC-desalination** 공정 개발에 성공했다

* 탈염: 유체성분 속에 포함되어 있는 염분 물질을 제거하는 것. 플랜트 산업에서는 담수화 공정과 원유 탈염 공정이 대표적

** EC-desalination(electrochemical energy-generating desalination system): 압력에 의한 탈염과 동시에 전기화학적으로 전력을 추출하는 기술

□ 인구의 증가와 산업의 고도화와 함께 기후변화로 인해 물의 중요성이 날로 높아진 가운데, 편재성 등의 이유로 공급부족 문제가 심각히 대두되고 있다. 특히 물 수요는 계속 증가하고 있지만 막상 지구 표면의 약 70%를 차지하는 바닷물은 극히 제한적 사용만 가능하다. 해수를 깨끗한 물로 만드는 해수 담수화 기술이 세계적으로 주목받고 있는 이유이다. 하지만 이 과정에는 많은 전기 에너지가 필요하고 또 전기를 만들기 위해 막대한 이산화탄소를 배출해 기후 변화를 초래한다. 따라서 해수 담수화 기술은 에너지 소비를 줄이는 게 핵심이며, 이를 위해 소재·공정·IT 개발에도 많은 연구가 이루어지고 있다.

■ 이런 상황에서 연구진은 기존 압력응답성 나노여과막*에 이온선택성을 갖는 새로운 나노분리막을 개발했다. 이 기술은 나노여과막에 의한 탈염과정에서 이온의 선택적 투과에 의한 전위차를 발생시키는 에너지 하베스팅** 개념을 도입해 전력소비량을 혁신적으로 낮추는 신기술이다.

* 나노여과막 (Nanofiltration) : 삼투압 이상의 압력을 가하면 물과 1가 이온(Na+ 또는 Cl-)만 투과하는 분리막

** 에너지 하베스팅 (energy harvesting): 태양광, 진동, 열, 풍력 등과 같이 자연적인 에너지원으로부터 발생하는 에너지를 미세하게 수확하여 전기에너지로 변환시켜 저장 또는 사용하는 일련의 기술

□ 연구진이 개발한 나노분리막은 기존 압력응답성 나노여과막의 기본 성능에 1가 이온과 양이온 또는 음이온을 선택적으로 투과하는 기능을 가져, 막을 사이에 두고 이온의 선택적 이동에 따라 전위차를 발생시킨다. 마치 전기뱀장어가 전기를 생산할 때, 이온들로 채워진 막이 두 이온의 선택적 이동을 허용해 전력이 뿜어져 나오는 원리와 유사하다.

□ 나노분리막을 통해 투과된 물에는 1가 이온이 함유되어 있어 식수원으로 사용하기 어렵다. 이에 연구진은 투과수 내 이온을 제거하고 전극의 전위차를 활용하기 위해 활성금속삽입 전극(Intercalation)을 도입해 에너지추출량을 증가시킴과 동시에 식수 사용도 가능토록 했다. 이렇게 완성된 탈염시스템은 역삼투법* 독립 시스템에 비해 소비되는 에너지를 약 51% 수준까지 획기적으로 저감됐다.

* 역삼투법 : 역삼투법은 삼투압 이상의 압력에너지를 이용하여 물은 통과시키지만 용질(이온성 물질)은 거의 투과시키지 않아 깨끗한 물을 생산하는 공법

■ 전 세계 수처리 시스템 시장은 2021년부터 2028년까지 4.6%의 연평균 성장률을 보이며 2028년이 되면 124억2천만 달러에 이를 것으로 예상된다. 연구진이 개발한 기술은 대표적 수처리 시장인 해수담수화 뿐만 아니라 환경보호법에 따라 에너지 소비량이 증가하는 산업용 폐수에도 적용할 수 있어, 탈염 공정에 소비되는 에너지의 혁신적 저감을 통해 탄소중립에 기여할 수 있을 것으로 기대한다.

■ 연구책임자인 박철호 박사는 “이번 연구에서 개발된 나노분리막의 새로운 기능 구현으로 탈염과 동시에 에너지 하베스팅이 가능하다는 것을 처음 보여줬고 기존 탈염 기술의 에너지효율 증대 한계성을 극복할 수 있는 하나의 큰 전기를 마련했다.”며, “산업분야의 처리수 상태에 맞게 분리막과 전극이 쉽게 최적화 될 수 있어 가시적 수치이상으로 에너지소비량을 절감시킬 수 있을 것이다“고 말했다.

□ 한편 이번 연구는 산업통상자원부 소재부품기술개발사업의 지원을 받아 수행됐으며, 이 세계최고 수준의 결과는 소재공학 분야 저명 국제학술지인 ‘Nano Energy(IF 17.881 JCR Materials Science 분야 5위, 상위 97.53%)’ 4월 1일자 온라인 판에 게재됐다.