배터리 재료를 이용한 고성능 전기화학 탈염기술 개발

Abstract

전 세계 인구증가와 산업화로 인해 담수의 수요는 점점 증가하고 있으며, 안정적인 물 공급을 위해서는 염수를 담수화하는 탈염기술의 개발이 시급한 실정이다. 근래에 이용되고 있는 염수의 담수화를 위한 탈염기술은 증발 공정과 막 공정이 있으나, 비효율적인 에너지 사용과 막 교체비용으로 인해 운영비가 높으며 거대한 부대시설이 필요하여 도서지방이나 중소 도시에서 운용하기에는 어려운 단점이 있다. 최근에 이르러서는 기존 탈염공정의 단점을 극복한 전기화학 기반 탈염기술이 효율적인 에너지 사용, 간편한 운전 및 친환경적인 공정으로 주목 받고 있으며 탄소전극을 이용한 축전식 탈염공정을 기반으로 다양한 연구가 진행되고 있다. 본 연구에서는 이러한 전기화학 기반 탈염기술에 대해 배터리 물질을 이용하여 기존 기술 대비 성능이 크게 향상된 공정을 개발하였다. 배터리물질을 탈염공정에 적용할 경우, 수중 내의 이온을 화학적 반응을 통해 제거해 주게 되며 표면적만 이용할 수 있는 탄소전극 대비 전극 내부까지도 이용할 수 있어 이온을 저장할 수 있는 용량이 크다. 또한 방전 시 자가 방전이 잘 일어나지 않아 에너지 효율도 높일 수 있는 장점을 가지고 있다. 본 연구에서는 탈염공정에 적용한 배터리 물질로는 산화망간나트륨 (Na0.44MnO2) 과 은 (silver), 그리고 프러시안 블루 (Prussian blue) 를 이용하여 고성능 전기화학 탈염공정을 구현하였다. 첫 번째로 배터리 전극을 탄소전극과 융합한 복합형 축전식 탈염공정을 시현하였으며, 두 번째로는 이차전지의 원리를 이용하여 흔들의자형 배터리 탈염공정을 구성하였다. 각 공정에 대해 탈염특성과 성능평가를 시행하였고 이를 기존 기술과 비교해 보았으며, 전극에 대한 물리화학 및 전기화학적 분석을 통해 구현한 시스템이 어떠한 원리로 작동하는지에 대한 분석하였다. 이러한 배터리 물질이 결합된 전기화학적 탈염공정은 기존 기술 대비 높은 탈염용량을 가지고 있었으며, 방전과정에 의한 에너지 회수가 가능하여 매우 높은 에너지 효율을 가지고 있었다. 앞으로 배터리 물질의 안정성 향상, 운전조건의 최적화를 통해 본 연구에서 개발한 기술이 담수화 공정에 있어서 경쟁 가능한 기술로 발전할 수 있을 것으로 여겨진다.