월간전기

서울대학교 전기정보공학부 김성재 교수 연구팀이 정제수와 수소를 동시에 생산할 수 있는 새로운 에너지 회수형 정수 시스템을 개발했다. 염수에서 불순물을 제거하는 동시에, 수소 이온을 전극에서 환원시켜 수소 가스를 생산하는 이 혁신적 기술은 기존 담수화 시스템과 수전해 시스템을 통합해 에너지 손실을 최소화하는 방식으로 구현됐다.

깨끗한 물과 깨끗한 에너지를 동시에 확보하는 일은 현재 인류가 직면한 가장 중요한 과제 중 하나이다. 그런데 물을 정화하려면 전기가 필요하고, 전기를 생산하려면 다시 물이 필요한 역설적 상황이 발생한다. 따라서 이 두 문제를 함께 해결할 수 있는 기술의 필요성이 커지고 있다.

연구팀은 ‘이온농도분극(Ion Concentration Polarization, ICP) 현상’을 활용한 《정제수-수소 동시 생산 플랫폼》을 개발했다. 양이온 교환막을 이용한 이온농도분극 현상에 기반, 단일 모듈에서 염 제거와 수소 발생을 동시에 구현하는 나노전기수력학적 정화 시스템을 선보인 것이다. 기존의 담수화 기술과 수전해 기술을 하나로 통합한 이 시스템은 정화된 물을 제공하는 동시에 수소 에너지도 생산하는 새로운 정수 플랫폼이다.

핵심 원리는 다음과 같다. 전류를 특수한 막(양이온 교환막)을 통과하게 흘리는 과정에서 막의 한쪽에서는 염분과 오염 물질이 제거되어 깨끗한 물이 만들어지고, 다른 한쪽에서는 수소 이온(H+)이 전극에서 전자를 받아 수소 기체(H2)로 환원된다. 즉, 하나의 전기 반응으로 정제수와 수소 생산이 동시에 일어나는 것이다.

연구팀은 이 원리를 실험적으로 검증하기 위해 먼저 미세유체(microfluidic) 장치를 제작한 뒤, 형광 이미징으로 정제수 영역(이온 결핍 영역)과 수소 기포 발생을 동시에 관찰했다. 이후 3D 프린터로 제작한 손가락 크기의 메조 스케일(meso-scale) 장치에서 시간당 수 밀리리터(mL)의 수소 생산과 안정적인 정제수 생산을 실현했다.

그 결과, 정수에 사용된 전기 에너지의 약 10%가 수소 에너지로 회수됐으며, 전류가 증가할수록 수소 생산량이 선형적으로 증가하는 경향이 확인됐다. 그리고 농도가 높은 소금물에서도 정제수가 안정적으로 생성되는 양상을 보여, 해수 또는 염분이 많은 물에서도 이번 기술이 응용될 가능성을 입증했다.

또한 복잡한 다층 구조의 ‘전기투석’이나 고압이 필요한 ‘역삼투압방식’ 등 기존 정수 기술과 달리, 이 시스템은 단일 막(membrane) 구조로 구동되며 별도의 고압 펌프 없이 작동하는 강점을 지닌다. 그 덕분에 장치가 단순하고 가벼워 휴대용 또는 분산형 정수 장치로 확장할 수 있다.

연구진은 기존 이온농도분극 담수화에서는 그대로 소모되던 에너지의 약 8~10%를 돌려받을 수 있는 가능성을 제시했다. 특히 이번에 개발한 장치에서 생성된 수소를 연료전지로 다시 공급하면, 일부 전력을 스스로 생산하는 에너지 자립형 정수 장치로 발전할 수 있음을 보여주었다.

그리고 이 장치는 모듈형 구조로 설계되어, 마치 레고 블록을 조립하듯 여러 개를 병렬로 연결하면 처리 용량을 쉽게 늘릴 수 있다. 따라서 소형 개인용 정수기부터 재난 대응용 이동형 장치까지 다양한 규모로 응용이 가능하며, 군사 작전 지역이나 우주 탐사 환경 등 인프라가 제한된 장소에서도 유용하게 사용될 수 있다.

특히 염분뿐만 아니라 중금속, 미세입자, 세균 등 다양한 오염물질을 동시에 제거할 수 있는 ‘이온농도분극 기술’에 기반한 이 시스템은 환경오염 정화, 바이오 의학, 인공신장 등 여러 분야에서 활용될 전망이다.

해당 논문의 제1저자인 박지희 박사(서울대 에너지 이니셔티브 연구단)는 “정수 과정에서 발생하는 이온 이동을 활용해 에너지를 동시에 회수할 수 있다는 점이 이번 연구의 중요한 발견 중 하나”라며 “일부 에너지를 스스로 생산하며 작동하는 소형 정수기의 가능성을 제시한 이번 성과는 향후 환경 문제와 에너지 위기를 동시에 해결할 수 있는 차세대 지속가능 기술의 출발점이 될 것”이라고 강조했다.