원유와 가스 생산에서 나오는 폐수는 리튬 공급원?

문광주 기자 / 기사승인 : 2021-09-11 21:09:41
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* 추정에 따르면 가까운 장래에 리튬 수요가 현재 생산 속도를 4배 초과할 수 있다.
* 새로운 분리막은 리튬은 통과시키지만 나트륨과 기타 염은 억제
* 폴리머 막을 화학적으로 수정해 선택적으로 리튬 이온은 통과, 나트륨 및 기타 이온은 억제

폐수를 리튬 공급원으로 펌핑?
멤브레인 기술은 석유 및 가스 생산에 사용되는 물에서 리튬을 추출할 수 있다.


새로운 원료 공급원:
새로운 유형의 막은 탐나는 원료인 리튬의 새로운 공급원인 석유 및 천연 가스 추출에서 생성되는 물을 개발하는 데 도움이 될 수 있다. 이것은 남아메리카의 소금호수만큼 많은 리튬을 함유하고 있지만 지금까지 추출은 효과가 없었고 거의 불가능했다. 새로운 분리막은 리튬은 통과시키지만 나트륨과 기타 염은 억제하기 때문에 이를 변경할 수 있다고 연구원들이 보고했다. 

▲ 원유와 천연 가스의 생산에는 많은 양의 물이 토출된다. 여기에는 많은 양의 리튬이 포함돼 있다.

리튬은 세계에서 가장 많이 찾는 원료 중 하나다.
희끄무레한 은빛 알칼리 금속은 휴대폰에서 전기 자동차에 이르기까지 거의 모든 모바일 기술에 사용되는 리튬 이온 배터리의 핵심 구성 요소이기 때문이다. 추정에 따르면 가까운 장래에 리튬 수요가 현재 생산 속도를 4배 초과할 수 있다. 지금까지 금속은 주로 남미의 소금호수에서 태양열을 통해 염수를 농축하여 추출되었다. 그런 다음 결정화되는 리튬 염이 추가로 처리된다.

새로운 리튬 공급원으로 물을 펌핑?

아직까지 거의 사용되지 않은 리튬 저장소가 있다.
원유 및 천연 가스 생산(예: 프랙킹)에서 부산물로 생성되는 물이다. "리터당 100~1,000 밀리그램에서 이 물은 염수와 유사한 리튬 농도를 포함하고 있으며 대량으로 생산된다"고 산타바바라에 있는 캘리포니아 대학의 사무엘 와르녹(Samuel Warnock)과 그의 동료들은 설명했다.
▲ 로키산맥을 배경으로 하는 미국 와이오밍주의 Pinedale antline에 있는 "tight gas" 유정. Author : The Pinedale Field office of the BLM Wyoming State Office


미국에서만 하루에 100억 리터 이상의 물이 석유 및 가스 생산에 사용된다.
대부분은 파쇄 유체로 사용되거나 지하에서 석유와 가스를 몰아내는 데 쓰인다.

이 리튬이 생산 폐수에서 분리될 수 있다면 배터리 생산을 위한 부수적인 원료가 될 것이다. 그러나 지금까지 이 추출을 위한 효과적이고 저렴한 방법이 부족하다. 많은 일반적인 멤브레인 필터는 나트륨 이온 및 기타 염에서 리튬 이온을 분리하지 못한다.

약간의 추가 기능이 있는 고분자 멤브레인

Warnock과 그의 팀은 이제 이에 대한 가능한 솔루션을 개발했다.
그들은 폴리머 막을 화학적으로 수정해 선택적으로 리튬 이온은 통과시키지만 나트륨 및 기타 이온은 억제하도록 했다.

출발점은 추가 결합으로 보강된 오각형 탄화수소로 구성된 폴리머인 폴리노보넨으로 만들어진 멤브레인이었다. 연구원들은 멤브레인 내의 수분 함량을 조절하기 위해 폴리에틸렌 측쇄를 이 고분자 구조에 연결했다.

멤브레인의 결정적인 수정은 특별한 크라운 에테르([12] crown-4)를 프레임워크에 통합하는 것이다. 4개의 연결된 에테르 분자로 구성된 이 큰 꽃 모양의 단위는 선택적인 이온 트랩 역할을 한다. 고분자 막의 수분 함량이 높으면 에테르는 우선적으로 나트륨 이온과 복합 결합을 형성하지만 리튬이 통과할 수 있도록 한다.

▲ 멤브레인의 고리 모양의 크라운 에테르는

선택적으로 나트륨 이온을 제자리에 고정하지만 

리튬은 통과하도록 한다. © University of Texas at Austin



리튬에 대한 높은 선택적 투자율

이는 동일한 이온 전하와 유사한 크기로 인해 나트륨 이온과 리튬 이온만 분리하기 어려웠던 기존의 방법과 달리 변형 폴리노보넨 멤브레인이 이를 수행할 수 있다는 것을 의미한다고 연구진은 보고했다.

나트륨 및 리튬염 용액을 사용한 개별 테스트에서 리튬의 투과성은 나트륨보다 2.3배 더 높았다. "이것은 밀도가 높은 수분 함유 폴리머에 대해 문서화된 가장 높은 투과성 선택성이다"고 팀이 말했다.

멤브레인은 여전히 ​​여러 가지 다른 염이 있는 용액에서 얼마나 잘 작동하는지 증명해야 한다. 과학자들에 따르면 이러한 변형된 막은 이전보다 더 효과적으로 수성 침전물에서 리튬을 분리하는 유망한 방법을 제시한다. "우리의 결과는 리튬 자원의 희소성을 해결하는 데 잠재적으로 매우 중요하다“고 공저자인 텍사스 대학 오스틴의 베니 프리먼(Benny Freeman)이 설명했다.

원료 공급에 기여

이러한 멤브레인을 사용하면 미래에 석유 및 가스 생산에서 나오는 폐수에서 대규모로 리튬을 추출할 수 있다. 팀이 설명하는 것처럼 텍사스의 Eagle-Ford 셰일 지층에서 파쇄 과정에서 생성된 물은 일주일 안에 300개의 전기 자동차 배터리 또는 170만 개의 휴대폰 배터리에 충분한 리튬을 생산할 수 있을 것이다.
(Proceedings of the National Academy of Sciences, 2021; doi: 10.1073/pnas.2022197118)

출처 : University of Texas at Austin

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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