보도자료
기후위기를 극복하는 2050 탄소 중립 실현
보도일시		2022. 03. 31(목) 조간(온라인 03.30 12:00)부터 보도해주시기 바랍니다.
배포일시		2022. 03. 30(수) 09:00
문의처	한국에너지기술연구원 제주글로벌연구센터 전력시스템연구팀 박철호 책임연구원 064-800-2257 / 010-5624-5505 chpark@kier.re.kr		배포처	한국에너지기술연구원 문화홍보실 실장 황훈숙 042-860-3377 / 010-5405-2790 담당 송호진 042-860-3191 / 010-6759-5565 Email : shj@kier.re.kr

해수 담수화 에너지 소비량 절반 이상 낮춘다

- 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.

▣ 첨부자료 : 1. 연구성과 요약 1부.

2. 상세기술 소개 1부.

3. 연구자 이력사항 1부.  끝.

	이 자료에 대하여 더욱 자세한 내용(기술적 사항 등)을 원하시면 한국에너지기술연구원 박철호 박사(☎ 064-800-2257)에게 연락주시기 바랍니다.

연구성과 요약

○ 주요 기술개발 내용 - 1

- 계면중합을 통한 나노분리막 제조 시, 이온선택성 모노머를 함침 시킨 후, UV 경화를 통해 이온수지를 나노분리막에 함유시키는 기술 개발

- 이를 통해 염이 포함된 공급수에 압력을 인가하게 되면, 분리막을 통해 물과 Na또는 Cl 이온이 선택적으로 투과. 반면 2가 이온은 배제

- 이때 투과수와 농축수간의 농도분극이 발생하게 자발적으로 전위차가 발생

- 발생된 전위차는 전력추출이 가능하여, 펌프에서 소모되는 에너지소비량을 보상할 수 있는 시스템

○ 주요 기술개발 내용 - 2

- 식수정도의 깨끗한 물을 제공하기 위해 RO분리공정이 필요함. 이때 에너지 소비량은 공급수의 삼투압과 인가하는 압력, 그리고 유량에 의해 결정됨.

- 즉, 공급수의 삼투압을 감소시키기 위해, 염을 최대한 배제하기 위해 이온선택성이 있는 intercalation 전극을 혼합한 시스템을 적용하게 되면, RO 독립공정에 비해 51%의 에너지소비량을 감소시킬 수 있음.

○ 기대효과

- 염이 포함된 원수의 탈염공정의 에너지 소비량 감소 : 해수담수화, 산업용 폐수, 2차전지 전극 회수 등

[그림 1] 이번 연구를 통해 개발한 electrochemical desalination 에너지소비량

[그림 2] 이번 연구를 통해 개발한 EC 및 ECIC-RO 하이브리드 에너지소비량 비교

○ 논문정보

1. 논문제목 : Electrochemical energy-generating desalination system using a pressure-driven ion-selective nanomembrane

2. 저널정보 : Nano Energy, 2022, Volume 94, April 2022, 106939 (https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2022.106939)

3. 저자정보

박철호 (한국에너지기술연구원, 제주글로벌연구센터, 교신 및 1저자)

최  욱 (한국에너지기술연구원, 제주글로벌연구센터, 공동저자)

상세기술 소개

① 기술개요

- 기존 분리막을 통한 탈염공정의 에너지소비량을 혁신적으로 절감시킬 수 있는 electrochemical desalination system 개발.

- 이를 위해 압력에 의한 물질투과와 동시에 이온선택성을 부여하는 새로운 나노분리막 개발.

- 이온흡착 전극을 혼합된 시스템을 통해 기존 역삼투공정보다 51% 이상 에너지소비량이 감소되는 시스템 개발

② 기술의 구성도/개념도

- 압력 구동 이온 선택성 나노막을 사용하는 전기화학적 에너지 생성 담수화 시스템의 개략도. 양으로 하전된 이온 선택성 나노막은 물과 음으로 하전된 이온의 침투를 허용하고 음전하를 띤 나노막은 반대의 거동

③ 기술의 주요 내용 및 특징

- 수압을 증가시킴에 따라 물투과량이 증가하는 동시에, 막 전위차도 동시에 증가함으로써 추출할 수 있는 에너지량 증가

- 유입수의 성분의 구조에 따라, 추출할 수 있는 에너지량을 조절할 수 있는 특징

[그림 1] (a) 다른 공급 용액(0.03M)에서 적용된 압력의 함수로서 PIP/TMC-AMPS 나노막의 개방 회로 전압 및 (b) 전력 밀도. (a)의 삽입은 MgSO4 용액(0.03M)에 적용된 압력의 함수로서 물 투과율, 염분 제거 및 개방 회로 전압.

④ 기술의 비교우위성/기존 기술 대비 차별성

- 기존 공정 RO (역삼투)공정대비 EC-RO는 약 30%, ECIC-RO는 약 51% 에너지소비량 감소

⑤ 실험 및 실증 데이터

- 압력응답성 이온선택성 나노분리막 제작

지지층은 전기방사기(NanoNC Co., Korea)를 이용하여 제조하였다. PES(22.5중량%)를 80℃에서 2일 동안 DMF에 용해시켰다. PES 용액을 시린지 펌프를 사용하여 0.5mL/h의 속도로 옮겼습니다. 노즐(18 게이지)과 회전 드럼(수집기) 사이의 작동 거리는 30cm였습니다. 2시간 후, 전기방사 매트는 공용매 후처리 기술을 사용하여 상호 연결되었습니다. 압력 구동 이온 선택성 멤브레인은 광 보조 IP를 사용하여 합성되었습니다. 음전하를 띤 이온 선택성 나노막의 수용액은 PIP(1wt.%), AMPS(2wt.%), MBA(1.5wt.%), DMPA(0.1wt.%)로 구성되어 실험(그림 S1). 전기방사된 PES 지지체(두께: 20μm)를 수용액에 60초 동안 담갔다. PES 표면의 과량의 수용액을 에어 나이프(0.2 bar의 압력)를 사용하여 부드럽게 평평하게 만들었습니다. 습윤된 PES 지지체를 즉시 N-헥산이 포함된 TMC(0.1중량%) 용액으로 옮겼다. 1분 후, TMC 용액을 버렸다. 이어서, 시료에 380 nm 파장의 자외선(UV)을 30분간 조사하였다(Fig. S1(f)). UV 광선과 멤브레인 샘플 사이의 거리는 3cm였습니다.

- 성능 평가 실험 환경 구축

압력 구동 이온 선택성 나노막의 성능 평가 : 전지는 2개의 Pt 또는 Ag/AgCl 전극, 저장소, 실리콘 가스켓(두께 20μm) 및 이온 선택성 나노막으로 구성되었습니다. 메쉬형 폴리에스터 스페이서(공극률: 70%, 두께: 1mm)를 멤브레인 사이에 삽입하였다. 효율적인 막 면적은 18 cm2였다. 전기화학적 에너지 생성 담수화 시스템은 그림 S3에 나와 있습니다. 공급 용액을 하나의 저장소로 펌핑하고 배압으로 조절했습니다(Parker, USA). 가해진 압력 하에서 물과 반대이온이 막을 가로질러 투과되었다. 전극은 개방 회로 전압과 내부 저항을 모니터링하기 위해 Keithley 6513 멀티미터에 연결되었습니다. 투과액 및 잔류액의 전도도는 InLab 738-ISM 센서가 있는 Mettler Toledo를 사용하여 측정되었습니다. 모든 실험은 온도 영향을 최소화하기 위해 23 ± 2°C에서 수행되었습니다.

- 성능 평가

그림 4c는 0.03M NaCl 공급 용액에 MgSO4를 첨가한 후의 전기화학적 특성을 보여줍니다. 개방 회로 전압은 MgSO4의 추가로 인해 크게 증가했으며 농도와 무관하게 일정하게 유지되었습니다. 개방전압은 투과선택성과 농도차의 두 가지 요인에 의해 영향을 받는다. 염 제거율의 변화는 MgSO4 농도에서 무시할 수 있습니다. 그러나 내부 저항은 공급 및 투과 용액의 농도가 증가함에 따라 감소합니다. 결과적으로 최대 용해도(20°C에서 ~0.03M)에 도달할 때까지 MgSO4 농도가 증가함에 따라 전력 밀도가 증가합니다. 농도에 대한 전력 밀도의 의존성은 NaCl 용액을 사용하여 확인되었습니다(그림 4d). 개방 회로 전압은 이온 상호 작용으로 인해 농도의 함수로 약간 감소합니다. 내부 저항은 농도가 증가함에 따라 크게 감소하지만 막 저항인 ~3Ω에 도달합니다. 따라서 내부 저항이 막 저항과 거의 같아질 때까지 전력 밀도가 증가합니다.

⑥ 기술의 성숙도

- 실험실 단계의 concept-of-proof 단계로 TRL 4단계 수준

⑦ 기술의 적용처(응용분야, 적용제품, 이미지)

- 해수담수화

- 산업용 폐수 처리 등