농도차를 활용한 역전기투석 (Reverse Electrodialysis) 기술 기반의 신재생 에너지 생산

서론

현재 에너지산업은 석유기반의 에너지생산에서 탄소배출이 없는 신재생에너지로 패러다임이 변화하고 있다. 재생에너지 중 태양열에너지, 수력에너지, 풍력에너지는 생산량이 불규칙적이고 예측이 불가능해 에너지공급의 조율이 어렵다는 한계가 있다. 반면 용액의 농도 차이를 이용해 에너지를 생산하는 염도차 발전 기술은 주변 환경에 영향을 받지 않고 안정적인 발전이 가능해 주목받고 있다. 염도차 발전 중 기술적으로 주목받는 방법은 삼투압에 의한 용액의 전달로 에너지를 생산하는 압력지연삼투(Pressure Retarded Osmosis, PRO) 발전과 이온교환막을 이용해 이온의 전달현상으로 에너지를 생산하는 역전기투석(Reverse Electrodialysis, RED)발전이 있다. 

역전기투석

역전기투석의 핵심원리는 특정 이온만을 선택적으로 투과시키는 양이온교환막(Cation Exchange Membrane, CEM)과 음이온교환막(Anion Exchange Membrane, AEM)을 기기내에 교차적으로 위치시키는 것이다. CEM과 AEM 사이 공간에는 유체가 흐를 수 있도록 유로가 설계되어 있다. 유로를 따라 고농도와 저농도의 용액이 교차적으로 공급된다면, 고농도의 용액으로부터 저농도의 용액으로 이온이 농도구배에 의해 자발적으로 확산된다. 교차 위치된 CEM과 AEM에 의해 양이온과 음이온의 이동방향은 달라지며 시스템에 전위차가 만들어 진다. 시스템 양말단의 전극에서 전기화학반응에 의해 전자가 생성되고, 전자가 외부 회로로 이동하여 전기에너지가 생성된다. 그림과 같은 역전기투석의 핵심 소재로 이온을 선택적으로 투과하는 이온교환막과 전기화학반응이 일어나는 전극 및 전해액 등이 있다.  

이온교환막 & 전극

이온교환막 (Ion Exchange Membrane, IEM)은 역전기투석 발전의 핵심 요소이다. 기존에 개발된 이온교환막은 RED공정에 성능이 최적화 되어 있지 않으므로 RED공정에 적합한 분리막 개발이 필요하다. 이온교환막은 일반적인 다공성 분리막과는 다르게 기공이 없는 박막형태의 전도성 막이다. 
이온교환막은 기계적물성을 위한 소수성 소재 (backbone)와 이온전달을 위한 친수성 작용기를 갖는 고분자로 구성된다. 대표적인 backbone으로는 불소계, 탄화수소계가 사용되며, 이온전달을 위한 작용기로는 sulfonic acid (HSO3-), carboxylic acid (COO-), PO3H-, PO32- 등의 charge를 띈 functional group이 사용된다. 
연구중인 대표적인 탄화수소계 고분자로는 polybenzimidazole (PBI), polyethersulfone (PES), polyaryletherketone (PAEK), sulfonated polyetheretherketone (SPEEK), sulfonated poly(arylene ether sulfone) (SPAES) 등으로 다양하며 기존 상용막 대비 우수한 성능이 보고되고 있다. 이러한 이온교환막에 요구되는 물성으로는 주쇄의 물리적 안정성, 작용기의 높은 이온전도도, 산화안정성, 열적안정성 등이 있으며 물성들을 강화하기 위해 무기물질을 첨가하는 등 이온교환막에 대한 연구가 지속적으로 이루어지고 있다. 
모든 전지반응에 있어서 에너지변환효율을 극대화하기 위해 전극의 효율적인 설계가 중요하다. 전극은 금속전극과 비금속전극으로 나눌 수 있다. 금속전극으로는 고순도의 백금, 금, 은, 팔라듐 전극이 일반적이다. 금속 전극은 positive potential 조건에서 산화피막이 형성되며 소량 용해되는 단점을 갖지만 산화반응용 산화전극으로 적합하기에 주로 활용된다. 비금속 전극으로는 유리탄소전극, 흑연전극 등이 일반적으로 사용되며 전기와 열 전도도가 높고 내식성, 내열성이 우수한 전도체이다. 역전기투석의 전극에는 Redox couple이 적용되는 사례가 많지만 전극 표면의 파괴 및 변형으로 인해 성능이 보장되지 않는다. 따라서 전극의 구성과 성능을 향상시키기 위한 연구도 활발히 진행중이다. 

결론

신재생에너지에 대한 관심이 증가하면서 안정적인 발전이 가능한 역전기투석 발전이 주목받고 있다. 역전기투석은 강하구에서 해수와 담수의 염도차를 이용한다. 역전기투석에 관한 연구와 관련기업 수가 꾸준히 증가하고 있으며, 최근 scale-up 및 pilot-scale의 연구가 활발히 진행 중이다. 또한, 해수담수화 기술과의 연계 및 폐열에너지 활용 등 응용분야도 확장되고 있다. 현재 개발된 기술들을 바탕으로 최적화 및 스케일업 그리고 소재의 성능 향상이 전략적으로 이루어진다면 역전기투석 발전은 미래 사회를 위한 신재생에너지의 중심으로 정착될 것으로 기대된다. 

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