소금물서 리튬만 쏙…500배 농축 분리막 기술 개발

일본 고베대학교 연구팀이 소금물에서 리튬을 효율적으로 회수할 수 있는 새로운 고분자 분리막을 개발했다.

고베대학교 연구팀은 화동이공대학, 난징공업대학, 한양대학교와 공동으로 1가 이온은 빠르게 통과시키고 양전하와 관계없이 다가 이온은 효과적으로 차단하는 고분자 분리막을 개발했다고 29일 밝혔다. 연구 결과는 국제학술지 '사이언스 어드밴시스'에 실렸다.

연구팀은 다공성 고분자 네트워크의 분자 구조를 제어해 상호 연결된 물 채널을 만들었다. 이 채널은 1가 이온의 이동은 촉진하고 다가 이온의 이동은 제한한다.

연구팀은 특별히 설계된 분자 구성 단위를 결합해 약 0.5~0.7나노미터 너비의 상호 연결된 기공을 포함하는 3차원 고분자 네트워크를 구축했다. 이후 전하를 띤 작용기를 도입해 분리막의 구조적 안정성을 유지하면서 '수화 채널'로 알려진 연속적인 물길 형성을 촉진했다.

린위칭 연구원은 "핵심은 단순히 막의 기공을 작게 만드는 것이 아니라, 그 안에서 물 분자가 어떻게 구성되고 연결되는지를 제어하는 것"이라며 "이러한 수화 경로를 설계함으로써 1가 이온의 이동을 촉진하고 다가 이온에 대한 강력한 장벽을 만들 수 있다"고 설명했다.

실험 결과, 1가 이온은 주변 물 분자를 부분적으로 재구성하며 비교적 낮은 저항으로 좁은 채널을 통과할 수 있었다. 반면 다가 이온은 더 강한 수화, 공간적 제약, 정전기적 상호작용으로 인해 훨씬 높은 이동 장벽에 직면했다.

연구팀은 이 분리막을 마그네슘이 풍부한 소금 호수 염수에서 리튬을 회수하는 3단계 전기투석 공정에 적용했다. 전기투석은 전기장을 이용해 용해된 이온을 선택적 막으로 통과시켜 가치 있는 이온을 분리하고 농축하는 기술이다.

그 결과, 초기 염수에서 약 40이었던 마그네슘 대 리튬 비율이 3단계 분리 후 0.08까지 점진적으로 감소했다. 이는 약 500배 감소한 수치다. 리튬이 농축된 용액은 순도 99.5%의 탄산리튬 결정으로 전환됐다. 분리막은 400시간 이상의 연속 전기투석 작동 동안 안정적인 분리 성능을 유지했다.

또한 연구팀은 동일한 분리막이 모의 해수에서 염화나트륨을 선택적으로 농축할 수 있음을 입증했다. 처리 후 농축 용액에서 측정된 이온 질량의 99.4%를 나트륨과 염화물이 차지했다.

마츠야마 히데토 연구원은 "빠른 이온 수송과 정밀한 선택성을 결합하는 능력은 분리막 기술의 중요한 진전"이라며 "이 접근법은 복잡한 수용액에서 귀중한 자원을 회수할 새로운 기회를 제공한다"고 말했다.