바닷물을 민물로 바꾸고 리튬도 얻는다

생기연, 담수화 공정에서 나오는 고염도 농축수에서 리튬 회수하는 기술 개

바닷물을 민물로 바꾼 후 나오는 고염도 농축수에서 배터리 핵심 재료인 리튬을 회수하는 기술이 개발됐다. 

한국생산기술연구원(원장 이낙규)은 담수화 공정 후 폐기되는 농축수로부터 담수와 고순도 리튬을 얻을 수 있는 순환형 에너지 시스템을 개발했다고 7일 밝혔다.

정다운 박사(왼쪽)가 연구원과 증산발전 소자 모듈을 보고 있다. (자료=생기원)

생기원 한러혁신센터 정다운 박사는 해수담수화 공정에서 버려지는 고염도 농축수가 해양 생태계를 교란시킨다는 사실에 주목, 이를 재이용할 방법을 찾았다. 

연구팀은 전기투석 방식의 담수화 시스템은 높은 전류를 필요로 하지 않는다는 점에 착안해 증산발전 소자를 개발했다. 증산발전 소자는 한 쪽에 물을 주입하면 모세관 현상에 의해 반대쪽 건조한 방향으로 물이 흐르면서 그 차이로 전기를 생산한다. 

식물이 뿌리에서 흡수한 물을 잎의 기공을 통해 내보내는 증산작용 원리에서 착안한 에너지 하베스팅 소자다. 한 번만 물을 주입하면 공기 중의 수분을 자동으로 흡수해 자가 발전하는 순환형 시스템이다.

이때 전력은 소자 내 물의 이동 속도와 증발량에 좌우된다. 연구팀은 친수성인 셀룰로오스 파이버를 수직배향 하고, 섬유조직 하나하나에 나노 크기 카본 입자를 코팅해 표면적을 넓혀 물의 이동과 증발에 유리한 원통형 소자를 제작했다.

각각의 증산발전 소자는 한 개당 0.4~0.5V의 전기를 생산하며, 이를 3개 연결하면 1.5V 건전지 한 개에 해당하는 전력이 된다. 소자 한 개의 전력은 크지 않지만, 소자를 직·병렬로 연결해 모듈화하고, 모듈을 계속 적층하는 방식으로 발전량을 조절할 수 있다. 적층 방식이어서 거대한 설비나 넓은 부지가 필요 없고, 물을 활용한 증산발전으로 에너지를 얻기 때문에 이산화탄소도 발생시키지 않는다.

고순도 리튬 추출 시스템 모식도 (자료=생기원)

연구팀은 이어 증산발전 소자에 전기투석 장치를 연결해 높은 효율로 담수와 리튬을 얻는 순환형 에너지 시스템을 개발했다. 증산발전으로 얻은 전기를 전기투석 장치에 활용한 것은 세계 최초라고 연구팀은 밝혔다. 

장치 내부에 2개의 특수 분리막을 삽입해 중앙에 바닷물을 주입하면 계속 순환하면서 한쪽에는 담수가, 다른 한쪽에는 리튬 농축수가 만들어지는 구조다.

연구팀은 리튬을 분리해 분말화 하는 공정도 함께 개발했다. 세라믹연구원 공인인증 결과, 생산된 리튬 분말은 순도가 실용화 가능한 수준인 99.6%에 이르는 것으로 나타났다. 

연구팀은 현재 기업과 함께 리튬 생산 규모를 키우기 위한 연구를 추진하고 있다. 또 해수 외에도 폐배터리, 폐전자기기를 분쇄해 나오는 블랙파우더에서 리튬만 선택적으로 분리하는 응용 기술 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"이라며 "다른 생산방식보다 저렴한 비용으로 고순도 리튬까지 추출할 수 있어 경제성 있는 리튬 생산을 위해 기업과의 스케일업 연구를 추진 중"이라고 밝혔다.