▲ KIST-명지대 공동 연구팀이 개발한 전력발생 물정화 멤브레인 모식도

[기계신문] 최근 전 세계 수질 오염에 대한 환경문제가 심각하게 대두되면서 이미 40 % 이상의 인구가 물 부족 문제를 체감하고 있다.

네이처(Nature)에 실린 연구보고서에 따르면, 빗물이나 바닷물, 지하수, 강물, 오·폐수 등 우리 주변에 존재하는 다양한 형태의 물을 마시거나 사용할 수 있는 물로 정화하는데 드는 에너지가 미국 전체 산업계에 쓰이는 에너지의 45~50 %를 차지할 정도로 많은 에너지가 소요된다.

그렇다면 물을 정화하는 과정에서 전력을 발생시킬 수 있다면 어떨까? 국내 연구진이 폐수를 식수로 정화하면서 전기를 생산할 수 있는 분리막(Membrane)을 개발해 화제다.

한국과학기술연구원(KIST) 전자재료연구센터 장지수 박사, 명지대학교 신소재공학과 윤태광 교수 공동 연구팀은 오·폐수, 바닷물, 지하수 등 다양한 물자원을 활용해 전기를 연속적으로 발생시키면서 식수를 제공할 수 있는 신개념 분리막을 개발했다.

연구팀이 개발한 분리막은 하부에는 물을 정화시키는 다공성 필터 분리막이, 상부에는 전기가 통하는 전도성 고분자가 샌드위치 구조로 결합되어 있다. 분리막은 물이 흐르는 방향을 제어해 수직으로 관통하면 정화되고, 수평방향으로 확산하면 직류 전기를 만들어내도록 설계되었다.

▲ KIST-명지대 공동 연구팀이 개발한 전력발생 물정화 멤브레인 작동원리 모식도

10 ㎚(1억분의 1미터) 이하의 오염물질을 95 % 이상 제거할 수 있어 폐수에 존재하는 미세플라스틱이나 중금속 입자 등을 정화할 수 있으며, 단 10 ㎕의 물로도 3시간 이상 전력을 발생시킬 수 있다.

또한 개발된 분리막은 단순한 용액 프린팅 공정을 통해 크기 제한 없이 제작이 가능하기 때문에 제작 단가와 공정에 소요되는 시간을 동시에 절감해 상용화 가능성이 크다. 연구팀은 개발된 분리막을 실제 공장 현장에 적용하여 폐수의 수질을 식수 수준으로 향상시키면서 전기를 생산하는 후속 연구를 진행 중이다.

KIST 장지수 박사는 “물부족 문제 해결과 친환경 에너지 생산이 동시에 가능한 신기술로 수질관리 및 비상전력 시스템으로도 응용 가능성이 매우 크다”고 밝혔다.

이번 연구에서 개발된 물정화 전력발생 분리막은 액체를 이용하여 에너지를 발생시키는 때문에, 몸에 부착해 인체에서 발생하는 땀을 활용하여 전력을 발생시키는 웨어러블 디바이스로도 응용가능성이 크다. 추가적으로, 분리막의 물정화 특성이 더욱 향상된다면 선박에 부착되어 바닷물을 식수로 만들고 동시에 선박 비상전력원으로 활용이 가능할 것으로 기대된다.

한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부의 지원을 받아 KIST의 주요사업으로 수행되었으며, 연구 결과는 재료 분야 국제학술지 ‘Advanced Materials’ 최신 호에 게재되었으며, 대표 Front-cover로 선정되었다.

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