유해한 염수 없이 해수를 담수로 — 리튬까지 회수하는 태양열 담수화 기술

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전 세계 22억 명이 안전하게 관리되는 식수에 접근하지 못하는 가운데, California부터 중동까지 담수화(desalination) 시설에 대한 의존이 커지고 있습니다. 그러나 주류인 역삼투(reverse osmosis)와 열 증류 방식은 막대한 에너지를 소비하고 전후처리가 필요하며, 고농도 염수(brine)라는 부산물을 만듭니다. 이 염수를 바다로 방류하면 국소 염도를 높이고 산소 농도를 낮춰 해양 생태계를 해칩니다. University of Rochester의 Institute of Optics 연구팀이 Light: Science & Applications에 발표한 새 시스템은 이 문제들을 동시에 겨냥합니다.

펨토초 레이저가 만드는 초흡습 블랙 메탈

연구를 이끈 Chunlei Guo 교수(광학·물리학, Laboratory for Laser Energetics 선임 과학자) 팀은 펨토초(femtosecond, 1,000조 분의 1초) 레이저 펄스로 금속 표면을 가공해 미세 구조를 만들었습니다. 이 처리로 금속은 태양광을 거의 전부 흡수하면서 동시에 초흡습(superwicking) 특성, 즉 물이 맺히지 않고 표면에 빠르게 퍼지는 성질을 갖게 됩니다. 패널의 활성 영역은 얇은 해수막을 끌어올려 태양열로 증발시키고, 남은 염분은 측면의 수동 영역(passive region)으로 밀어냅니다. 염분이 증발 지점에 굳어 물 흐름을 막는 스케일링은 태양열 담수화의 최대 난제인데, 이 이동 구조가 해법입니다.

진짜 해수가 어려운 이유와 커피 링 효과

Guo 교수에 따르면 기존 시스템은 물과 염화나트륨만 섞은 인공 해수로는 잘 작동했습니다. NaCl은 다공성 결정으로 굳어 물이 계속 스며들어 세척이 되기 때문입니다. 그러나 실제 해수에는 마그네슘, 칼슘 등이 포함돼 샤워 헤드의 물때처럼 단단하고 치밀한 침전물을 만듭니다. 팀은 블랙 메탈에 미세 홈을 설계하고 커피 링 효과(coffee ring effect)를 활용했습니다. 커피 방울이 마르며 입자가 가장자리로 몰려 고리를 남기는 그 현상입니다. Guo는 "커피를 떨어뜨리면 물이 증발하고 바깥 가장자리에 농축된 입자의 고리가 남는다. 우리는 같은 원리로 염분을 수동 영역으로 진행시킨다"고 설명했습니다. 태평양·대서양·인도양의 실제 해수 실험에서 표면은 스스로 세척됐고, 광물 축적이 담수화 효율을 떨어뜨리지 않았습니다.

폐기물 대신 자원 — 리튬 회수

시스템은 처리가 필요한 액상 염수 대신 용존 염분의 거의 100%를 고체로 추출합니다. 일부는 식염으로 쓸 수 있고, 더 가치 있는 광물 회수도 가능합니다. 핵심 타깃은 전기차·스마트폰용 리튬이온 배터리의 핵심 소재인 리튬입니다. Journal of Materials Chemistry A에 실린 별도 연구에서 팀은 hydrogen titanate 나노입자를 미세 홈에 심어 리튬을 선택적으로 분리했습니다. Great Salt Lake 시료로 염분 속 리튬의 약 50%를 회수했습니다. Guo는 "지상 리튬 채굴은 에너지·환경 측면에서 대가가 크므로, 염수에서 직접 리튬을 뽑는 것이 중요한 미래 경로가 될 수 있다"고 말했습니다. 다만 기술은 아직 소형 개념증명 단계이며, 기본 설계는 본질적으로 확장 가능하다는 것이 연구팀의 입장입니다.

Reddit 반응

• @Harflin — 이해가 안 되는 게, 염수를 마른 소금으로 바꾸는 건 비교적 간단할 것 같습니다. 염수 대신 소금을 만든다는 점 때문에 이 담수화 기술이 그렇게 더 나아진다는 부분에서 제가 뭘 놓치고 있는 걸까요?
• @DGrey10 — 엉망인 웹사이트네요. 첫 번째 캡션에서 대학 이름을 잘못 썼어요.
• @PPatBoyd — 이 주제에 1년 넘게 전에 댓글을 달았다고 생각했는데 겨우 3개월 전이었다니 정말 어리둥절합니다.
• @jhill515 — 담수화 기술은 문자 그대로 수 세기 동안 있어 왔습니다. 이 문제의 개선은 언제나 환영하지만 딱히 획기적이진 않네요. 납, 리튬 같은 금속을 걸러내면서 가정이나 상수도관에 설치할 수 있는 수동 에너지 필터야말로 기업 오염에 피해를 입은 모두에게 진짜 게임 체인저가 될 겁니다.
• @Foe117 — 기존 담수화 시설의 염수를 유용한 물질로 전환하면 안 되나요?

원문: ScienceDaily / 번역·요약: Trawling