리튬 추출 ‘방해꾼’ 필터 없이 거른다

[임근배 교수팀, 힘 기반 리튬‧마그네슘 분리 메커니즘 정립]

기후변화와 화석연료 고갈 위험으로 전기자동차 수요가 늘어나며, 동력원의 핵심인 리튬 역시 중요한 금속으로 몸값을 높이고 있다. 리튬은 주로 소금호수에서 증발과 침출 공정을 거쳐 추출할 수 있지만, 물속에 리튬과 함께 녹아 있는 다량의 마그네슘이 리튬 추출의 방해꾼 역할을 해왔다.

포항공과대학 기계공학과 임근배 교수·박사과정 이민수 씨·권혁진 박사 연구팀은 RIST(포항산업과학연구원, 원장 남수희) 정우철 박사와 공동으로 필터나 추출제를 전혀 사용하지 않는 전기력 기반의 리튬·마그네슘 이온 분리 방법을 개발, 재료과학 분야 국제 학술지 ‘재료화학 A 저널(Journal of Materials Chemistry A)’에 뒷표지 논문(back cover)으로 발표했다.

소금호수에서 리튬을 추출할 때, 마그네슘은 증발 공정에서 리튬과 화합물을 형성하고, 화학적 침전 공정에서는 리튬과 함께 침전되며 두 번에 걸쳐 손실을 유발한다. 자연히 소금호수의 마그네슘 함량이 늘어날수록 손실과 생산비용은 커질 수 밖에 없다.

이를 개선하기 위해 다양한 방법이 제안됐지만, 특정 매개체에 의존하는 분리 방식은 실제 산업 분야에서 활용되기는 한계가 있었다.

임근배 교수팀은 미세 입자의 움직임을 정교하게 제어할 수 있는 전기수력학 현상에 주목했다. 대표적인 전기수력학 현상인 이온농도 분극 현상^*1을 응용하면 작은 부위에 강한 전기장을 형성할 수 있다. 이곳에 접근하는 대전 입자에는 전기장의 방향을 따라 전기력이 작용하는데, 이때 전기력의 크기는 입자 고유의 전기 이동도 크기와 비례한다.

연구팀은 리튬과 마그네슘의 전기 이동도 차이에 기인해 전기력 기반의 이온 분리 메커니즘을 정립했다. 관(管)에 이온들의 진행 방향과 비스듬한 방향으로 전기장을 형성해 리튬과 마그네슘이 다른 관으로 진행하도록 유도하며 연속적으로 분리하는 데 성공했다.

또한, 염수 조건에 따라 성능이 변화하는 기존 방법과 달리 힘 기반 이온 분리 방법에서는 염수 조건에 관계없이 일관된 이온 분리·추출 성능을 확인할 수 있었다.

임근배 교수는 “개발한 방법은 널리 응용될 수 있을 뿐만 아니라 필터리스(filterless) 메커니즘을 이용하기 때문에 생산비용을 낮출 수 있다”며 “향후 상용 염수 리튬 추출 공정에 실용적인 마그네슘 분리 방법으로접목될 수 있을 것”이라고 말했다.

한편, 이 연구는 한국연구재단 중견연구자지원사업의 지원을 받아 수행됐다.

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1. 이온 농도 분극 현상
나노 채널이나 이온 선택적 투과막 주변에 발생하는 현상으로서, 특정 이온의 이동에 따라 막 주변 이온의 농도가 분극되는 현상을 말한다.