[에너지산업신문]

지구 표면수의 70%를 차지하는 바닷물을 음용수와 생활용수로 바꿔 주는 해수 담수화 기술은 첨단 기술로 각광을 받지만, 전기에너지 소비량이 과다한 점이 한계로 꼽혀 왔다.

한국에너지기술연구원이 이온선택성 나노분리막을 활용해 기존 해수 담수화 방식에 소모되는 전기 에너지를 51% 수준까지 획기적으로 저감할 수 있는 신기술을 개발해 눈길을 끌고 있다.

30일 에너지기술연구원 제주글로벌연구센터에 따르면 센터 박철호 박사 연구진은 해수담수화와 같은 탈 염분 공정에서 에너지 소비량을 혁신적으로 절감할 수 있는 ‘이온선택성 나노분리막과 전기화학적 에너지 생성 담수화 시스템(electrochemical energy-generating desalination system)’ 공정 개발에 성공했다.

공정의 핵심은 압력에 의한 탈 염분 공정에서 동시에 전기화학적으로 전력을 추출하는 것이다. 탈 염분 공정은 유체성분 속에 포함된 염분 물질을 제거하는 공정으로, 플랜트 산업에서는 담수화 공정과 원유 탈염 공정이 대표적이다.

연구진은 기존 압력응답성 나노여과막의 기본 성능에 1가 이온과 양이온 또는 음이온을 선택적으로 투과하는 기능을 추가한 신개념 나노분리막을 개발했다. 이 나노여과막은 삼투압 이상의 압력을 가하면 물과 나트륨 이온(Na+) 또는 염소 이온(Cl-) 등 1가 이온만 투과하는 분리막이다.

이번에 개발된 나노여과막을 이용하는 탈염분 공정에서는 막을 사이에 두고 이온을 선택적으로 투과시키면서 전위차가 발생된다. 이 때 전위차에 의해 생기는 전기 에너지를 수확(하베스팅)하는 개념을 도입해 전력 소비량을 혁신적으로 낮추는 신기술이다. 전기뱀장어가 전기를 생산할 때, 이온들로 채워진 막이 두 이온의 선택적 이동을 허용해 전력이 뿜어져 나오는 원리와 비슷하다.

나노분리막을 통해 투과된 물에는 1가 이온이 함유돼 식수로 사용하기 어렵다. 연구진은 투과수 내 이온을 제거해 식수로 사용할 수 있게 만들고, 전극의 전위차를 활용하기 위해 활성금속삽입 전극(Intercalation)을 도입해 에너지추출량을 증가시켰다.

이렇게 완성된 탈염시스템은 삼투압 이상의 압력을 주어 이온성 물질(불순물)을 걸러내 물을 정화하는 역삼투법 독립 시스템에 비해 에너지 소비를 약 51% 수준까지 획기적으로 저감할 수 있다.

수처리 시스템 세계 시장은 2021년부터 2028년까지 4.6%의 연평균 성장률을 보이고 있다. 2028년에는 124억2000만 달러에 이를 것으로 예상된다. 연구진이 개발한 기술은 해수담수화 뿐만 아니라 환경보호법에 따라 에너지 소비량이 증가하는 산업용 폐수 정화에도 적용할 수 있다. 이같은 정수 공정에 소비되는 에너지를 획기적으로 저감해 탄소중립에 기여할 수 있다는 것이 연구원의 설명이다.

연구책임자인 박철호 박사는 “이번 연구에서 개발된 나노분리막의 새로운 기능 구현으로 탈염과 동시에 에너지 하베스팅이 가능하다는 것을 처음으로 보여줬다”며 “기존 탈염 기술의 에너지효율 증대 한계성을 극복할 수 있는 하나의 큰 전기를 마련한 것”이라고 자평했다.

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

연구진이 개발한 이온선택성 나노분리막. (c)한국에너지기술연구원

에너지산업신문 심유빈 knews77@daum.net 심유빈의 기사 더보기

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