국내 연구진, 염분차발전 물결무늬 패턴 이온교환막 개발
하수처리시설 탄소중립 전환 및 에너지 자립도 향상 기대
[에너지신문] 한국에너지기술연구원 해양융복합연구팀 최지연·정남조 박사 공동연구팀이 하수방류수와 실제 해수를 이용한 염분차 발전에서 오염에 강하고 스택 내부 압력 손실이 매우 적은 물결무늬 패턴형 이온교환막 개발에 성공했다.
염분차 발전은 기상에 상관없이 안정적인 전력생산이 가능하다. 특히 우리나라의 지리적 여건상 해안가에 인접한 하수처리시설에 적용시 정점을 극대화 할 수 있다. 일정한 농도로 배출되는 방류수를 이용해 안정적인 전력 생산이 가능하고, 하수처리장을 에너지다소비시설에서 에너지생산시설로 탈바꿈할 수 있다.
염분차 발전 중 역전기투석은 교대로 적층된 이온교환막과 그 사이에 해수, 담수가 원활히 흐르도록 유로 역할을 하는 스페이서로 구성된다. 그러나 스페이서는 직조 방식의 구조적·형태적 한계로 인해 스택의 압력을 상승시켜 에너지 소모를 증가시키고 유·무기 오염문제가 발생한다. 역전기투석(Reverse Electrodialysis, RED)은 스택 내의 이온교환막을 통해 바닷물과 민물 사이의 이온이 분리되고 이동할 때 발생하는 전위차를 이용해 전기를 생산한다.
이 문제를 해결하기 위해 이온교환막에 직접 구조체를 연결해 스페이서 고유의 역할을 수행하도록 만든 패턴형 이온교환막 개발을 위한 노력들이 진행 중이다. 그러나 대부분 열압착 또는 용액캐스팅 방식으로 얇은 막을 만드는데 한계가 있으며 금속형 몰드에서 분리 시 발생할 수 있는 균열과 고온·고압으로 인해 이온교환막 성능 저하 등이 문제로 지적된다.
이에 연구팀은 3차원 프린터로 패턴 구조물을 이온교환막 표면에 직접 인쇄해 120미크론(㎛) 정도로 매우 얇은 패턴형 이온교환막을 개발하는데 성공했다. 연구팀이 개발한 패턴형 이온교환막은 압력을 1/3수준으로 줄이고 내오염성이 향상돼 스택의 안정성을 획기적으로 높였다.
기존의 직조형 스페이서는 직교형태로 구성돼 작은 공간이 생겨 해수와 방류수에 존재하는 콜로이드 형태의 오염 물질들이 쉽게 갇히고 이는 곧 스택의 압력을 증가시키는 원인이 된다. 콜로이드는 기체·액체·고체 속에 분산 상태로 있고 확산 속도가 느리며, 현미경으로는 볼 수 없으나 원자 또는 저분자보다는 커서 반투막을 통과할 수 없을 정도의 물질이다.
연구팀은 3차원 프린터로 세공충진형 이온교환막의 표면에 물결무늬 패턴을 적용해 마이크로 크기의 해수 및 담수의 유로를 만들어 이 문제를 해결했다. 해수와 담수는 물결무늬의 패턴을 따라 막힘없이 유로를 따라 흐르게 되고, 이로 인해 오염 물질들이 스택 내부에 쌓이지 않아 내오염성 향상 및 압력저감 효과가 극대화됐다.
세공충진형 이온교환막은 소수성 지지체가 갖는 나노 사이즈의 기공 내에 이온 전달을 할 수 있는 친수성 고분자를 채워 선택적인 이온 교환을 할 수 있도록 제작된 분리막이다. 상용 이온교환막 대비 낮은 전기적 저항과 높은 선택도를 갖고 있다.
또한 물결무늬 패턴막이 직선형 패턴막에 비해 높은 출력밀도와 낮은 압력강하가 확인됐는데, 이는 동일한 유효면적을 갖는 패턴막이라 하더라도 패턴 구조물에 따라 해수와 하수방류수가 효과적으로 혼합되는 정도가 다르기 때문인 것으로 확인됐다.
스페이서와 평막으로 구성된 스택과 패턴막으로 구성된 스택을 비교한 결과 압력을 1/3 이하로 줄여 소모되는 에너지를 획기적으로 줄였다. 또한 실제 해수와 하수방류수를 사용한 비교에서도 스페이서와 평막을 사용한 스택은 압력이 초기대비 3배 이상 상승해 6일 만에 운전이 중단됐으나 패턴막은 14일 이상 안정적으로 운전해 우수한 성능을 보였다.
더불어 스택을 장기간 운전 시 직조형 스페이서를 사용하는 역전기투석의 유지비용은 전체의 30~50%를 차지하는데 반해, 연구팀이 개발한 패턴형 이온교환막은 10~20% 수준으로 유지비용을 절감시켜 경제성을 확보했다.
연구팀이 개발한 3차원 프린터를 이용한 패턴형 이온교환막 기술은 대면적화, 양산화 문제를 동시에 해결할 뿐만 아니라 성능 손실 없이 다양한 패턴 구조물을 구현할 수 있고 기존 분리막 소재 기술의 응용분야 확장 등 기술 확산에 기여할 것으로 기대된다.
최지연 해양융복합연구팀 박사는 “이번에 개발한 패턴형 이온교환막은 하수처리장 방류수를 재사용해 안정적인 전기 생산이 가능한 기술로 탄소중립 실현 및 하수처리장의 에너지 자립도를 높이는 데 기여할 수 있는 기술”이라며 “특히 이온교환막 기반 다양한 전기화학 공정 분야에 적용될 수 있어 국내 소재부품 기술 경쟁력 강화에 큰 도움이 될 것”이라고 말했다.
한편 이번 연구는 과학기술정보통신부 기후변화대응기술개발 사업의 지원을 받아 수행됐다. 연구결과는 네이처스프링거에서 발행하는 환경·물 분야의 국제학술지인 ‘npj Clean Water’ 3월호에 게재됐으며, ‘패턴형 이온교환막 및 이의 제조방법’ 기술 특허 등록을 완료했다.