바닷물에는 육지에서 찾을 수 있는 것보다 5000배 많은 리튬을 함유하고 있지만 물 1ℓ(백만분의 1ppm)당 매우 낮은 농도만 존재한다.
사우디아라비아 킹 압둘라 과학 기술 대학의 지핑 라이가 이끄는 팀이 고순도 리튬 추출 기술을 개발, 그동안의 문제를 해결했다.
리튬 이온을 추출하기 위해 이전에 사용한 적이 없는 방법을 시도했다. 그들은 희토류인 리튬-란탄-티타늄-산화티타늄(LLTO)으로 만든 세라믹 멤브레인(특정 성분을 선택적으로 통과하는 여과재)을 포함하는 전기 화학 세포를 활용했다.
세라믹 멤브레인의 크리스탈 구조에는 더 큰 금속 이온을 차단하면서 리튬 이온이 통과할 수 있을 만큼 충분히 넓은 구멍을 만들었다.
세라믹 멤브레인은 그간 우수한 특성에도 불구하고 높은 제조단가 때문에 수처리 분야에서 주로 정밀여과와 한외여과(UF)용으로 매우 제한적으로 응용되고 있으나 최근에는 나노여과 멤브레인 적용성 등이 검토되어 고분자로 만들어진 멤브레인을 대체하여 다양한 하수와 폐수 처리에 적용하고 있다.
‘에너지 및 환경 과학’에 발표된 논문에서 “멤브레인의 결정 구조가 더 큰 금속 이온을 차단하는 동안 리튬 이온이 통과할 수 있을 만큼 충분히 넓은 구멍을 포함하고 있다”고 설명하고 있다.
동시에, 음 이온은 표준 음이온 교환막을 통해 공급 챔버를 빠져나와 염화나트륨 용액과 백금 루테늄 양극을 포함하는 제3구획으로 전달된다.
라이와 그의 그룹은 홍해에서 바닷물을 사용하여 시스템을 테스트했다.
3.25V 전압에서, 세포는 양극에서 음극 및 염소 가스에서 수소 가스를 생성한다. 이것은 챔버에 축적되는 리튬-란탄-티타늄-산화티타늄 멤브레인을 통해 리튬의 수송을 구동한다. 이 리튬 농축물은 4주기의 처리 주기에 대한 공급 원료가 되어 결국 9000ppm 이상의 농도에 도달할 수 있다.
최종 제품을 배터리 제조업체의 요구사항을 충족할 수 있도록 순수하게 만들기 위해 과학자들은 용액의 농도를 조정하여 다른 금속 이온의 흔적만 포함하는 고체 리튬 인산염을 생산해 제공했다.
연구원에 따르면, 바닷물에서 리튬의 1㎏을 추출하기 위해 5달러 정도의 전기가 필요하다. 이는 생산되는 수소와 염소의 가치를 통해 전력비용을 상쇄할 수 있으며, 담수화 플랜트를 통해 담수를 제공할 수도 있다.
이 연구 결과를 상용화할 수 있다면 다용도 활용이 가능할 것으로 기대된다.
박정한 글로벌이코노믹 기자 park@g-enews.com
