울산과학기술원(UNIST)의 혁신적 개발: 담수화 및 폐플라스틱 재활용 기술

1. 요약

• 이 리포트는 울산과학기술원(UNIST)에서 최근에 개발한 두 가지 혁신적 기술에 대해 다룹니다: 담수화 배터리와 폐플라스틱을 재활용하여 탄소나노튜브(CNT)를 생산하는 기술입니다. 담수화 배터리는 해수 담수화와 전기 에너지 저장을 동시에 가능하게 하여 기존 해수담수화 기술의 에너지 소비 문제를 해결합니다. 폐플라스틱 재활용 기술은 플라스틱 폐기물을 열분해하여 탄화수소 가스로 변환한 후 고온 처리하여 탄소나노튜브로 전환하며, 이는 이산화탄소 배출을 줄이는 데 효과적입니다. 이 리포트는 두 기술의 메커니즘, 실험 결과, 경제적 효율성 및 환경적 영향에 대해 종합적으로 분석하고 있으며, 향후 연구 및 상용화 가능성에 대한 전망도 제시합니다.

2. 담수화 배터리 개발 배경

• 2-1. 기술 개발 동기

• 기후변화로 인한 지구 온도의 상승은 물 부족 현상을 심화시키고 있습니다. 이를 해결하기 위한 해수담수화 기술은 기존에 많이 연구되어 왔지만, 그 과정에서 필요한 에너지가 많아 오히려 지구 온난화를 가속화시키는 문제가 있었습니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 에너지 효율적인 해수담수화 기술 개발의 필요성이 대두되었습니다.

• 2-2. 기존 담수화 기술의 한계

• 기존의 해수담수화 기술은 바닷물을 민물로 바꾸기 위해 많은 에너지를 필요로 합니다. 또한, 해수담수화 과정에서 나트륨과 염소가 전극에 달라붙어 재사용에 어려움을 겪게 되며, 이를 해결하기 위한 지속적이고 효율적인 새로운 기술이 요구되었습니다. 이러한 기술은 또한 이산화탄소 배출 문제도 해결해야 했습니다.

• 2-3. 연구 목표

• 울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학과 안광진 교수팀과 김영식 교수팀은 해수담수화와 전기에너지 저장을 동시에 할 수 있는 '담수화 배터리'를 개발했습니다. 이 배터리는 충전과 방전 과정에서 염소를 반복적으로 포집하고 방출함으로써, 높은 효율로 담수화가 가능하며, 에너지 저장을 통해 시스템의 비용 절감과 효율 향상을 목표로 하고 있습니다.

3. 담수화 배터리 기술 설명

• 3-1. 기술 원리

• 울산과학기술원(UNIST)의 연구진은 바닷물을 민물로 바꾸면서 전기를 저장할 수 있는 '담수배터리'를 개발했습니다. 이 배터리는 충전 과정에서 해수에 포함된 나트륨과 염소를 포집하고, 방전 과정에서 이를 배출하여 염분을 제거함으로써 담수를 생산합니다. 이때 포집된 염소는 염화이온(Cl-) 형태로 저장됩니다. 이는 기존의 해수담수화 기술들이 에너지를 많이 소모하며 지구 온난화를 촉진하는 문제를 개선한 것입니다.

• 3-2. 충전 및 방전 과정

• 담수배터리는 충전 시 염소를 포집하고 방전 시에는 포집된 염소를 배출합니다. 이 과정에서 나트륨과 염소가 반복적으로 포집 및 배출되며, 이는 해수 담수화를 가능케 합니다. 양극에서 발생하는 수산화이온(OH-)을 이용하여 추가적인 에너지 소비 없이 이온교환수지를 재생합니다. 실험 결과, 염도 3.9%의 해수를 약 0.7% 수준까지 담수화하는 데 성공하였으며, 이는 공업용수로 사용할 수 있는 수준입니다.

• 3-3. 염소 포집 및 배출 메커니즘

• 담수배터리의 염소 포집 및 배출 메커니즘은 매우 효율적입니다. 기존 기술에서 문제가 되었던 염소의 전극 잔류율을 99% 이상 제거하여 우수한 재생능력을 보였습니다. 방전 과정에서 음극에 포집된 나트륨이 배출되는 동시에 음이온교환수지에 포집된 염소도 함께 배출됩니다. 이 메커니즘을 통해 담수배터리는 해수담수화 과정에서 매우 효율적으로 작동하며, 이번 연구는 이러한 기술의 상용화 가능성을 높인 것으로 평가됩니다.

4. 담수화 배터리의 성능 및 효율성 평가

• 4-1. 실험 결과

• 울산과학기술원(UNIST) 연구팀은 바닷물을 담수화하고 전기를 저장할 수 있는 담수 배터리를 개발하였습니다. 연구팀은 375mL의 염도 3.9%의 해수를 약 0.7% 수준까지 담수화하는 데 성공했습니다. 이 배터리는 충전과 방전 과정에서 염소를 반복적으로 포집하며, 기존의 기술보다 염소를 99% 이상 제거하는 우수한 재생능력을 보였습니다. 이 기술 덕분에 담수화 과정에서 발생하는 CO2 배출 문제도 해결하였습니다. 실험 결과는 국제학술지 'ACS Energy Letters'에 2024년 5월 16일자로 게재되었습니다.

• 4-2. 염도 감소율 및 담수화 능력

• 연구팀은 담수 배터리를 이용해 375mL의 염도 3.9% 해수를 약 0.7% 수준까지 낮추는 데 성공하였습니다. 이는 공업용수로 활용 가능한 수준입니다. 이 배터리는 충전 시 염소를 포집하고, 방전 시 염소를 방출하는 과정을 반복하여 염도를 낮춥니다. 또한 음이온교환수지를 활용하여 염소를 효과적으로 포집하고 재생할 수 있는 기술을 사용하였습니다.

• 4-3. 경제적 효과 및 비용 절감

• 담수 배터리는 에너지 저장과 해수 담수화 기능을 동시에 수행할 수 있어 설비 비용을 절감할 수 있습니다. 기존의 해수 담수화 기술과 달리 추가적인 에너지를 거의 필요로 하지 않아 경제적입니다. 이를 통해 신재생 에너지를 안정적으로 저장하고 사용할 수 있는 장점을 제공합니다.

5. 폐플라스틱을 활용한 탄소나노튜브 생산 기술 개발 배경

• 5-1. 기술 개발 동기

• UNIST 에너지화학공학과 안광진 교수와 임한권 교수 공동연구팀은 폐플라스틱을 효과적으로 저감 활용하여 고품질의 물질을 생산하는 기술 필요성에 집중했습니다. 현재 대부분의 폐플라스틱은 소각 매립으로 처리되고 있으며, 재활용된 부분도 물리적인 방식으로 수행되어 품질과 처리에 한계가 있습니다. 따라서 탄소중립과 순환경제 실현을 목표로, 플라스틱 폐기물을 더 높은 부가가치의 소재로 전환하는 화학적 재활용 기술 개발이 시급한 상황이었습니다.

• 5-2. 기존 플라스틱 재활용 문제

• 현존하는 플라스틱 재활용 방법은 대부분 소재의 품질을 저하시킵니다. 폐플라스틱의 물리적 재활용은 품질이 낮아 재활용된 제품의 사용처가 제한적입니다. 또한, 대부분의 플라스틱 폐기물은 여전히 소각 또는 매립 처리되며, 이로 인해 환경 오염 문제가 지속되고 있습니다. 이러한 문제점들로 인해 새로운 재활용 방식, 특히 고부가가치 소재로의 전환이 요구되었습니다.

• 5-3. 연구 목표

• UNIST 연구팀은 플라스틱 폐기물에서 생산된 혼합 가스를 이용해 탄소나노튜브(CNT)를 생산하는 혁신적인 방법을 고안했습니다. 이 기술은 폐플라스틱을 열분해하여 메탄, 에틸렌, 프로필렌 등의 탄화수소 가스로 변환한 뒤, 이를 고온에서 처리해 탄소나노튜브로 전환하는 방식입니다. 연구팀은 이를 통해 탄소중립과 순환경제에 기여하고자 하며, 신재생에너지를 활용한 시나리오 분석을 통해 경제적 타당성을 입증하려는 목표를 가지고 있습니다.

6. 탄소나노튜브 생산 공정 및 원리

• 6-1. 폐플라스틱의 열분해 과정

• 울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학과 안광진, 임한권 교수 공동연구팀은 폐플라스틱을 열분해하여 메탄, 에틸렌, 프로필렌 등 탄화수소 가스로 변환하는 기술을 개발했습니다. 이 과정은 마스크 폐기물에서 생성된 혼합 가스를 활용합니다. 연구팀은 이를 통해 저분자의 원료 물질을 생산하고, 이를 정제하여 탄소나노튜브(CNT)로 전환하는 화학적 재활용 방식의 업사이클링 기술을 제안했습니다.

• 6-2. 탄화수소 가스 생성 및 처리

• 폐플라스틱의 열분해로 생성된 메탄, 에틸렌, 프로필렌 등의 탄화수소 가스는 고온에서 처리되어 탄소나노튜브로 변환됩니다. 이 공정은 기존의 메탄, 수소 기반 공장과 비교했을 때 이산화탄소 배출량이 적어 친환경적입니다. 또한 폐기물 분리 과정 없이 가스를 처리할 수 있는 장점이 있으며, 이는 저비용으로 대량의 탄소나노튜브를 생산할 수 있는 가능성을 제공합니다.

• 6-3. 탄소나노튜브 형성 메커니즘

• 열분해된 탄화수소 가스를 고온에서 처리함으로써 탄소나노튜브가 형성됩니다. 이는 원통형 모양의 나노 구조를 가지는 탄소 동소체로, 반도체, 배터리 등 다양한 실용적인 기술로 성장할 수 있는 잠재력을 지닙니다. 연구팀은 재생에너지를 활용한 시나리오 분석을 통해 탄소나노튜브 생산의 경제적, 환경적 평가를 진행했고, 이 기술이 탄소중립 전략으로서의 가능성을 확인했습니다.

7. 탄소나노튜브 기술의 환경적 및 경제적 영향

• 7-1. 이산화탄소 배출 감소

• UNIST의 연구진은 폐플라스틱을 사용하여 탄소나노튜브(CNT)를 생산하는 기술을 개발하였습니다. 이 기술은 폐플라스틱을 열분해하여 메탄, 에틸렌, 프로필렌 등 탄화수소 가스로 변환한 다음, 이를 고온에서 처리하여 탄소나노튜브로 전환하는 방식입니다. 기존 메탄과 수소 기반의 CNT 생산 공정과 비교하여 이산화탄소 배출량이 현저히 적습니다. 더불어 폐기물 분리 과정 없이도 가스를 처리할 수 있는 장점이 있어서 환경적 이점을 더욱 확대합니다. 연구팀은 실험 데이터를 기반으로 탄소나노튜브 생산의 경제적, 환경적 평가를 진행한 결과 공정 타당성을 확인했습니다.

• 7-2. 재생에너지 활용

• 연구팀은 재생에너지를 활용한 시나리오 분석을 통해 탄소중립 전략을 제시하였습니다. 폐플라스틱을 재활용하여 제조한 탄소나노튜브의 생산 과정에 재생에너지를 사용함으로써 이산화탄소 배출량을 더욱 줄일 수 있습니다. 이러한 재생에너지 기반 공정을 통해 탄소중립에 기여할 수 있는 방안을 도출하였으며, 이는 지속 가능한 발전과 환경 보호에 중요한 역할을 할 수 있음을 보여줍니다.

• 7-3. 공정의 경제성 평가

• 마스크 폐기물을 포함한 폐플라스틱은 현재 대부분 소각매립으로 처리되고 있습니다. 하지만 UNIST의 연구팀이 개발한 화학적 재활용 공정은 이러한 폐기물을 고부가가치의 탄소나노튜브로 전환할 수 있습니다. 연구에 따르면, 기존 방식과 비교하여 이 산화탄소 발생량이 적고, 비용 또한 저렴한 방법으로 CNT를 대량 생산할 수 있는 가능성을 확인했습니다. 특히, 복잡한 시스템에도 불구하고 기존 방식과 비슷한 비용으로 운영할 수 있어 경제적인 면에서도 경쟁력이 있습니다.

8. 기술의 상용화 전망 및 미래 연구 방향

• 8-1. 기술의 상용화 가능성

• UNIST의 연구진은 담수화 배터리와 폐플라스틱을 탄소나노튜브(CNT)로 전환하는 기술이 상용화될 가능성이 크다고 보고 있습니다. 담수화 배터리는 에너지 저장과 해수 담수화를 동시에 가능하게 하여 설비 비용을 절감할 수 있습니다. 김영식 교수는 담수화 배터리 기술이 차세대 기술로서 상용화될 것이며, 이번 연구가 상용화 시기를 앞당길 것이라고 예측하였습니다. 폐플라스틱을 탄소나노튜브로 전환하는 기술도 공정 타당성을 확보하였고, 재생에너지 전력 수급을 고려한 시나리오 분석을 통해 이산화탄소 배출량 저감에 기여할 수 있는 탄소중립 전략을 도출하였습니다. 이는 경제적, 환경적 측면에서 높은 상용화 가능성을 나타내고 있습니다.

• 8-2. 현재 진행 중인 프로젝트

• 현재 UNIST 연구진은 담수화 배터리와 탄소나노튜브 생산 기술에 대한 추가적인 연구와 실험을 진행 중에 있습니다. 담수화 배터리의 경우, 연구진은 375mL의 염도 3.9%의 해수를 약 0.7% 수준까지 담수화하는데 성공하였습니다. 이는 공업용수로 활용 가능한 수준이라고 보고되었습니다. 탄소나노튜브 생산 기술은 폐플라스틱을 열분해해 탄화수소 가스로 변환한 뒤 고온에서 처리하여 생산하는 방식으로, 기존 메탄, 수소 기반 공장과 비교해 이산화탄소 배출량이 적어 친환경적이며, 저렴하게 대량 생산할 수 있는 장점이 있습니다. 연구 결과는 각각 'ACS 에너지 레터스'와 '케미컬 엔지니어링 저널'에 게재되었습니다.

• 8-3. 향후 연구 계획

• 향후 연구 계획으로는 담수화 배터리의 전극 재생 능력 향상과 대규모 실험 및 시범 프로젝트 진행이 포함됩니다. 또한 탄소나노튜브 생산의 경우, 현재 실험실 수준의 장치를 더 큰 규모로 설계하여 실제 산업에 적용할 수 있는 기술을 확보할 계획입니다. 이를 위해 UNIST는 탄소중립실증화센터, 방위사업청, 산업통상자원부, 과학기술정보통신부 한국연구재단, 제이오의 지원을 받을 예정입니다. 안광진 교수와 임한권 교수는 열분해 기술의 발전으로 탄소나노튜브 공급량이 늘어나면 에너지 안보에도 기여할 것이라고 밝혔습니다.

9. 결론

• 이번 리포트에서 다룬 울산과학기술원(UNIST)의 담수화 배터리와 폐플라스틱 재활용 기술은 경제성과 환경적 이점으로 인해 주목받고 있습니다. 담수화 배터리는 해수 담수화와 에너지 저장을 동시에 수행할 수 있어 에너지 효율이 높고, 시스템 비용을 절감할 수 있습니다. 탄소나노튜브(CNT) 생산 기술은 폐플라스틱을 고부가가치 제품으로 전환하여 플라스틱 폐기물 문제를 해결하는 동시에 이산화탄소 배출량을 줄이는 친환경적 방법입니다. 이러한 기술들은 지속 가능한 발전과 환경 보호에 기여할 것으로 기대되며, 연구진은 향후 기술의 상용화와 대규모 적용 가능성을 지속적으로 연구하고 있습니다. 특히, 담수화 배터리와 CNT 기술 모두 신재생에너지를 활용하여 탄소중립에 기여할 수 있는 전략을 제시하고 있어 미래 에너지 안보에도 긍정적인 영향을 미칠 것입니다.

10. 용어집

• 10-1. 울산과학기술원(UNIST) [기관]

• 울산과학기술원은 국내 최고의 과학기술 연구 기관 중 하나로, 다양한 혁신적 기술 개발에 힘쓰고 있습니다. 특히 이번 리포트에서는 담수화 배터리와 폐플라스틱 재활용 기술 개발에 대한 연구 결과를 소개합니다.

• 10-2. 담수화 배터리 [기술]

• 담수화 배터리는 바닷물을 담수로 변환하면서 동시에 에너지를 저장할 수 있는 혁신적 기술입니다. 충전 및 방전 과정에서 염소를 포집하고 배출하는 방식으로 작동하며, 높은 효율성을 자랑합니다.

• 10-3. 탄소나노튜브(CNT) [물질]

• 탄소나노튜브는 높은 전도성, 강도, 내구성을 갖춘 재료로, 다양한 산업 분야에서 활용됩니다. UNIST가 폐플라스틱을 이용해 이를 생산하는 기술을 개발하여, 환경적 문제를 해결하면서 고부가가치 제품을 만들어낼 수 있는 가능성을 열었습니다.

11. 출처 문서

• 바닷물→민물 바꾸면서 전기도 저장… ‘담수배터리’ 개발http://www.popsci.co.kr/news/articleView.html?idxno=21675
• UNIST "폐플라스틱으로 탄소나노튜브 생산하는 기술 개발" | 연합뉴스https://m.yna.co.kr/view/AKR20240725137500057
• UNIST "해수 담수화·에너지 저장 동시에 하는 배터리 개발" | 연합뉴스https://www.yna.co.kr/view/AKR20240723129800057
• UNIST 안광진·김영식 교수팀, 바닷물 담수화 배터리 개발http://www.ulkyung.kr/news/articleView.html?idxno=50855
• 대한전선, 미국에서 1,900억 원 규모 계약 체결https://www.greened.kr/news/articleView.html?idxno=316902
• UNIST, 폐플라스틱의 재발견•••녹색성장 가능성https://www.todayenergy.kr/news/articleView.html?idxno=273191