로체스터대, 친환경 해수담수화 기술 개발: 농축수 배출 없이 리튬까지 회수

바닷물을 마실 물로 바꾸는 기술은 이미 존재하지만, 그 대가는 결코 가볍지 않았습니다. 전 세계 대부분의 담수화 시설은 막대한 전력을 소모할 뿐 아니라, 염분이 극도로 농축된 폐수를 바다로 다시 방류해 주변 해양 생태계를 파괴해 왔습니다.

로체스터 대학교 연구팀이 이 고질적인 문제를 해결할 새로운 방식을 내놓았습니다. 유해한 농축 폐수를 전혀 배출하지 않으면서, 걸러진 고체 염분에서 배터리용 리튬까지 뽑아내는 기술입니다.

로체스터대 광학연구소 춘레이 궈 교수 연구팀은 화학 첨가물 없이 태양열만으로 바닷물을 정수하는 친환경 담수화 기술을 국제 학술지 'Light: Science & Applications'에 발표했습니다.

'커피링 효과'로 소금 침착 문제 해결

이 기술의 핵심은 펨토초 레이저로 정밀 에칭한 특수 흑색 금속 패널입니다. 이 표면은 태양광을 거의 전부 흡수해 열로 바꿀 뿐 아니라, 물을 강력하게 끌어당기는 초흡수성 특성을 지녀 해수를 얇은 수막 형태로 넓게 펼칩니다.

기존 태양열 담수화 연구는 염화나트륨만 섞은 실험실용 모의 해수에서는 잘 작동했지만, 실제 바닷물에서는 번번이 실패했습니다. 태평양, 대서양, 인도양의 바닷물에는 칼슘과 마그네슘 같은 다양한 미네랄이 들어 있어, 물이 증발하면서 주전자 바닥의 물때처럼 단단한 막을 형성해 장치를 막아버리기 때문입니다.

연구팀은 커피 방울이 마를 때 가장자리에 입자가 짙게 남는 현상인 '커피링 효과'를 역이용했습니다.

패널 중앙의 활성 영역에서 바닷물을 증발시키는 동시에, 잔류 염분과 미네랄을 레이저 처리가 되지 않은 외곽의 비활성 영역으로 밀어내도록 미세 홈을 설계한 것입니다. 덕분에 표면이 스스로 청소되며 소금이 단단하게 엉겨 붙지 않고 고체로 떨어져 나옵니다.

유해 폐수를 배터리 광물 자원으로 전환

바다로 버려야 했던 농축 폐수가 사라지고 바닷물 속 염분이 거의 100% 마른 고체로 분리되면서, 잔여물은 자원으로 탈바꿈했습니다.

연구팀은 'Journal of Materials Chemistry A'에 게재된 후속 논문을 통해, 금속 홈에 티탄산수소 나노입자를 결합해 소금에서 리튬만 선택적으로 분리하는 기술도 선보였습니다.

미국 그레이트솔트호의 호숫물 샘플로 테스트한 결과, 담수화 후 남은 염분 속 리튬의 약 50%를 성공적으로 추출해 냈습니다.

이번 연구는 미국 국립과학재단, 빌 앤 멀린다 게이츠 재단, 세계대학네트워크의 지원을 받아 진행되었습니다.

왜 중요한가

유엔에 따르면 전 세계 22억 명이 안전한 식수를 공급받지 못하고 있습니다. 하지만 기존 역삼투 방식 담수화는 설비 투자비와 전력 소모가 극심하고, 농축 폐수 처리 문제로 환경 규제 부담이 컸습니다.

우리는 이 기술의 가장 영리한 지점이 '해양 오염원을 유망한 광물 자원으로 전환한 점'에 있다고 봅니다. 친환경 전환으로 리튬 수요는 치솟고 있지만 전통적인 광산 채굴은 막대한 환경 파괴를 유발합니다. 담수화 과정에서 태양열만으로 식수와 리튬을 함께 확보할 수 있다면, 물 부족 해안 지역의 경제적 지속가능성은 획기적으로 개선됩니다.

다만 대규모 상용화까지는 넘어야 할 산이 분명합니다. 현재 단계는 소형 프로토타입 장치 수준의 개념 검증에 가깝습니다. 펨토초 레이저로 넓은 면적의 금속을 가공하는 공정 비용이 만만치 않으며, 장기간 거친 해풍과 염분에 노출되었을 때 미세 에칭 구조가 성능을 얼마나 유지할 수 있을지는 추가적인 검증이 필요합니다.