1. 서 론
리튬은 현대 에너지 기술, 특히 전기차, 휴대용 전자기기, 재생 에너지 저장 시스템을 구동하는 리튬 이온 배터리(Lithium ion battery, LIB) 발전에 필수적인 자원이다[1-11]. LIB의 급속한 성장과 더불어 윤활 그리스, 흡착제 등 다양한 산업 분야에서의 수요 증가로 인해, 탄산리튬의 전세계 교역량은 지속적으로 증가할 것으로 전망된다[12,13]. 이러한 수요 증가에도 불구하고 대부분의 리튬은 여전히 암석과 염수로부터 추출하여 생산된다. 미국 지질조사국(United States Geological Survey, USGS)에 따르면, 전 세계 천연 리튬의 약 40%는 광물 퇴적물에서, 약 50%는 염수에서, 나머지 10%는 점토 및 기타 원천에서 추출된다고 보고된다[14-16].
리튬 추출 및 회수 기술로써 증발, 전기적 분리, 용매 추출, 흡착 등 다양한 기술이 개발되었다[16-19]. 하지만, 생산된 리튬의 고형화를 위해서는 필연적으로 침전 공정을 거쳐야 한다. 일반적으로 침전물은 주로 탄산리튬 형태로 생성된다. 대표적으로 탄산나트륨(Na2CO3) 투입[20,21]과 이산화탄소(CO2) 주입법[1,12,22]이 있다. 전자는 공정이 단순하고 비용이 저렴하여 산업 현장에서 널리 사용되지만, 나트륨 불순물 유입으로 인해 제품의 순도를 저하시킬 수 있다. 반면, CO2 주입법은 고순도 제품 생산에 유리하나, 반응 중 용액의 pH가 점차 감소하여 침전 효율이 저하되고 기 형성된 탄산리튬의 재융해가 발생할 수 있다[1,12]. 이를 보완하기 위해 NaOH와 같은 염기성 화학물질이 투입되지만, 이는 다시금 불순물의 유입 우려를 야기한다[22]. 이러한 배경에서, 외부 화학물질 없이 용액의 pH를 정밀하고 안정적으로 제어할 수 있는 기술 개발이 요구된다.
전기화학적 공정, 특히 바이폴라막 전기투석(Bipolar membrane electrodialysis, BMED)은 외부 화학 첨가제 없이 용액의 pH를 제어할 수 있는 공정으로 주목을 받고 있다[23-26]. BMED는 바이폴라막 내부에서 물을 H+와 OH- 이온으로 해리시킴으로써, 별도의 산이나 염기의 주입 없이도 용액의 pH 조절이 가능하다[27,28]. 그러나 이러한 시스템은 일반적으로 수전해 기반의 전극 반응을 통해 전류를 유도하기 때문에, 높은 작동 전압과 고가의 전극이 필요하고, 전극의 부식이나 기체 발생에 따른 시스템 안정성 저하 문제가 빈번히 보고되고 있다. 뿐만 아니라, 스케일업에 있어 다수의 이온교환막이 요구되어 공정의 확장성이 제한되기도 한다[29,30].
이러한 기술적 한계를 극복하기 위해, 최근에는 산화환원 커플을 매개로 하는 redox-BMED (redox-mediated bipolar membrane electrodialysis) 기술이 제안되었다[31]. Redox-BMED는 전극에서 Fe(CN)64-/Fe(CN)63-와 같은 가역적 산화환원 커플을 전자 전달 매체로 활용함으로써, 전극에서의 수전해 반응 없이도 안정적으로 전류 흐름을 유도한다. 이를 통해 기존의 BMED 보다 작동 전압을 크게 낮출 수 있을 뿐 아니라, 전극 부식 및 기체 발생을 억제하여 시스템의 내구성과 안정성을 획기적으로 향상시킬 수 있다. 또한, 전극 적층을 통한 독특한 스케일업 방식을 통해 다수의 이온교환막 없이도 처리량을 높일 수 있다는 장점을 갖는다. 이러한 낮은 작동 전압과 독톡한 스케일업 방식은 redox-BMED 가 기존의 BMED에 비해 약 40% 이상의 설비 및 운전 비용을 절감할 수 있다고 보고된 바 있다[31, 32,33].
하지만, 리튬 회수, 특히 탄산리튬 침전을 위한 pH 조절 공정으로써 redox-BMED 의 적용은 아직 충분히 연구되지 않았다. 기존의 redox-BMED 연구들은 주로 시스템 설계 및 개념적 타당성에 집중되어 있었으며, 리튬 회수를 위한 pH 조절 용도로서 redox-BMED를 적용하고, 다양한 운전 조건에 따른 산/염기 생산성과 에너지 소모량을 정량적으로 분석한 연구는 거의 보고되지 않았다.
이에 따라, 본 연구는 redox-BMED 시스템을 리튬 회수 공정의 pH 제어 기술로 최초 적용하고, 다양한 운전 변수(전압, 유속, 초기 리튬 농도, 음이온 종류 등)에 따른 산/염기 생산성과 에너지 효율을 정량적으로 분석하였다. 또한, 장기 운전 조건에서의 시스템 안정성과 내구성을 실험적으로 입증함으로써, redox-BMED 기술의 산업 적용 가능성과 스케일업 가능성을 평가하였다. 본 연구는 기존의 BMED 기반 리튬 회수 공정이 가진 기술적 한계를 보완하며, 화학약품 투입 없이 고순도 리튬 화합물 생산을 가능케 하는 지속가능한 전기화학적 공정으로서 redox-BMED 의 실용화 가능성을 제시하는데 의의가 있다.
2. 실험방법(또는 재료 및 방법)
2.1. Redox-BMED system 구성
Fig. 1은 본 연구에서 리튬 회수를 위해 사용된 redox- BMED 시스템의 구성을 나타낸다. 셀은 두 개의 전극, 세 개의 플레이트, 세 개의 이온 교환막 및 하나의 바이폴라막으로 구성된다. 셀의 양쪽 끝에는 end plates가 위치하며, 전용 채널을 통해 레독스 커플 용액(Fe(CN)64-/Fe(CN)63-)이 순환할 수 있도록 설계되었다. 왼쪽 끝 플레이트에서부터 첫 번째 채널은 레독스 커플 채널(Redox couple channel, RC)로 명명된다. 이 RC는 활성 탄소 섬유(activated carbon cloth, ACC) 전극, 티타늄 메쉬 집전체, 음이온 교환막(anion exchange membrane, AEM)의 순서로 배열되어 있다. 전극은 상업적으로 구입 가능한 ACC (5092-20, Kynol, Japan)을 이용하여 원형 디스크 형태(직경 3cm, 평균 질량 약 0.1g)로 제작하였다. AEM (AMVN, Selemion, Japan)은 4.5×4.5cm 크기로 집전체에 밀착하여 설치된다.
다음으로 4×4×0.5cm 크기의 아크릴 플레이트를 배치하고, 오른쪽에 바이폴라막(bipolar membrane, BPM, Neosepta BP-1E, Tokuyama Co., Japan)을 설치하였다. 이 채널은 왼쪽에 AEM, 오른쪽에 BPM을 두고 있으며, 이를 산성 채널(acid channel, AC)로 명명한다. BPM은 양이온 교환 표면이 AC를 향하도록 배치하여 외부의 화학물질 첨가 없이 물(H2O)이 H+와 OH-로 해리되도록 하였으며, 이로 인해 H+가 AC 내부에 축적되도록 하였다.
이후 동일 크기의 또 다른 아크릴 플레이트가 배치되어, 왼쪽에는 BPM, 오른쪽에는 양이온 교환막(cation exchange membrane, CEM, CMVN, Selemion, Japan)을 경계로 하는 농축 채널(concentration channel, CC)을 구성한다. 이 채널 내부에서는 리튬 이온이 OH-와 함께 농축된다. 그 다음으로, 동일한 크기의 아크릴 플레이트를 추가하여 오른쪽에 희석 채널(dilution channel, DC)을 형성하였다. DC는 Li2SO4와 같은 공급 용액(feed solution)의 흐름을 허용하도록 설계되었다. DC는 왼쪽의 CC와는 CEM에 의해, 오른쪽의 인접한 RC 채널과는 AEM에 의해 분리된다. 마지막으로 두 번째 RC가 셀의 가장 오른쪽 끝에 첫 번째 RC와 동일한 구조로 배치된다.
2.2. 실험 방법
모든 이온 교환막(AEM, CEM, BPM)은 잔류 보존제를 제거하기 위해 증류수(deionized (DI) water)에 24시간 동안 담가 두었다. 세척 후, 이 막들은 redox-BMED 셀에 설치되었다. 시스템은 Fig. 1에 나타난 바와 같이 semi-batch 모드로 작동되었으며, DC, CC, AC, RC 용액은 각각 연동펌프를 사용하여 개별적으로 순환시켰다.
본 시스템은 총 4개의 유동 채널로 구성되어 있으며, 각각의 기능은 다음과 같다. RC (Redox couple channel)는 전극에 직접 접촉하는 영역으로, 산화환원 커플이 포함된 전해질이 순환한다. DC (Dilution channel)는 리튬이 공급되는 feed 채널로써, 전압 인가 시 리튬 이온(Li+)과 음이온(SO42- 또는 Cl-)이 각각 반대 방향으로 이동한다. AC (Acid channel)는 바이폴라막에서 생성된 수소 이온(H+)과 DC에서 이동한 음이온이 농축되어 산이 생성되는 채널이며, CC (Concentrate channel)는 바이폴라막에서 생성된 수산화 이온(OH-)과 리튬 이온(Li+)이 농축되어 염기가 생성되는 채널이다.
셀의 가장 바깥쪽에 위치한 RC 채널에는 100mM ferro/ ferricyanide (Redox couple, Na4Fe(CN)6⋅10H2O, Sigma Aldrich, USA)와 100mM 황산나트륨(Supporting 전해질, Na2SO4, Sigma Aldrich, USA)의 혼합용액을 지속적으로 순환시켰으며, 각각 primary 전해질 및 supporting 전해질로 사용되었다.
DC 채널에서는 적절한 초기 농도의 황산리튬(Li2SO4, Sigma Aldrich, USA) 용액을 사용하였다. 셀의 전체 저항을 줄이기 위해 CC 채널과 AC 채널에는 DI water 대신 각각 100mg-Li/L의 Li2SO4와 10mM의 Na2SO4 용액을 채웠다.
셀은 배터리 사이클러(WBCS3000, WonATech, Korea)를 사용하여 일정한 전압 조건에서 작동하였다. 모든 채널(DC, CC, AC, RC)의 유속은 미리 설정된 값으로 연동펌프를 이용하여 유지하였다. 추가적으로, CC와 AC 채널에서의 pH 변화는 pH 전극(9615S-10D, Horiba, Japan)을 이용해 실시간으로 기록하였다.
체계적인 실험을 위한 운전 조건 및 변수는 Table 1에 요약하였다.
먼저, redox-BMED 시스템의 성능은 기본 조건(DC 및 CC: 100 mg-Li/L Li2SO4, AC: 10mM Na2SO4)에서 평가하였다. 다음으로, 인가전압의 영향을 확인하기 위해 전압을 0.6~1.2 V 범위에서 변화시켜 성능 변화를 관찰하였다. 이후 유속이 1.25~6.25cm/min 범위일 때의 시스템 성능을 평가하였다. 또한 음이온 종류의 영향을 평가하기 위해 DC 채널의 Li2SO4를 LiCl로 교체해서 평가했다. 이때 DC 채널의 LiCl 농도는 Li2SO4의 노르말 농도(normality)와 동일하게 맞추었고, RC와 AC 채널의 Na2SO4 또한 동일한 노르말 농도의 NaCl로 교체하였다.
또한 셀의 안정성을 평가하기 위해 총 5회의 반복 사이클 실험을 수행하였다. 이때 양/음극 전극으로써 3쌍의 ACC 전극이 사용되었다. 각 사이클은 연속적으로 24시간 동안 시스템을 작동한 후, RC, DC, CC, AC 채널을 DI water로 세척하는 과정으로 이루어졌다. 이때 이온교환막과 전극은 교체하지 않고, 각 사이클에서 용액만 새로 교체하여 다음 사이클을 진행하였다.
실험 동안 DC, CC, AC 채널에서 매시간마다 pH 측정을 통해 수소 이온 또는 수산화 이온 농도를 분석하였다. 이를 토대로 수소 이온과 수산화이온의 양을 계산했고 (식 (1)), 또한 에너지 소모량(Energy consumption) 평가하였다 (식 (2)).
[H+]와 [OH-]는 각각 수소이온과 수산화 이온의 농도, Q는 용액의 부피를 나타낸다.
Cavg,0는 초기의 수소 이온 농도와 수산화 이온 농도의 평균 값(mole/L), Cavg,t는 t시간의 수소 이온 농도와 수산화 이온 농도의 평균 값을 나타낸다(mole/L). I는 전류량, V는 인가 전압, Q는 용액의 부피이다(L).
3. 결과 및 고찰
Fig. 2는 redox-BMED 시스템에서 인가 전압이 산 및 염기 생산과 에너지 소모에 미치는 영향을 나타낸다. Fig. 2(a)에 따르면, 0.6V에서 약 20μmole 수준이던 산/염기 생성량이 1.2 V에서는 약 230μmole 이상으로 10배 넘게 증가하였다. 이러한 전압 의존적 산/염기 생산 증가 경향은 redox 전극 반응이 전기장의 강도에 비례하여 활성화되기 때문으로 해석된다. 실제로 기존 문헌에서도 redox-ED 시스템에서 인가 전압이 증가함에 따라 전류 밀도 및 이온 이동 속도가 선형적으로 증가하고, 이는 곧 이온 전이 및 물의 해리 반응을 촉진시킨다고 보고된 바 있다[31]. 특히 본 연구에서는 전압이 1.0V 이상일 때 생성량이 시간에 따라 선형 증가를 나타내며 시스템이 안정적으로 작동함을 확인할 수 있었다.
한편 Fig. 2(b)는 전압에 따른 에너지 소모량을 나타내며, 통상적으로 인가 전압이 증가함에 따라 에너지 소모량이 증가했다. 정량적으로, 0.6V에서는 약 44 Wh/mole로 가장 낮았고, 전압이 증가할수록 1.0 V에서 약 60 Wh/mole로 정점에 도달하였다. 에너지 소모량은 인가 전압과 소모 전류량에 비례하므로, 인가 전압의 증가가 에너지 소모량 증가를 야기하는 현상은 일반적이다[34]. 흥미롭게도 1.2V에서는 오히려 소폭 감소한 57 Wh/mole을 나타냈다. 이는 특정 전압 이상에서의 수소 이온/수산화 이온 생산에 대한 전류 효율의 증대에 기반한 것으로 보인다. 정량적으로 1.0V 인가 전압 대비 1.2 V인가 전압의 경우 26%가량 전류 효율이 개선되었다(Data not shown). 해당 결과를 통해서 특정 값 이상의 인가 전압이 물의 해리를 원활하게 유도되며, 이를 통해 전류 효율의 개선이 이루어짐에 따라 에너지 소모량 감소가 야기되는 것으로 보인다. 이와 같은 현상은 우리의 다른 전기화학 시스템에서 진행된 연구에서도 유사하게 관찰된 바 있다[35]. 결과적으로, 본 시스템은 전압이 높아질수록 산/염기 생산량은 증가하지만, 에너지 소비 측면에서는 최적 전압 조건이 존재함을 보여준다. 특히, 1.0~1.2 V 구간은 생성 효율과 에너지 절약이 균형을 이루는 구간으로 평가된다. 이러한 분석은 redox-BMED 시스템의 최적 설계 및 실용화를 위한 전압 조건 설정에 있어 중요한 지침이 될 수 있다.
Fig. 3는 redox-BMED 시스템에서 유속(cross-flow velocity)이 산/염기 생산량과 에너지 소모량에 미치는 영향을 보여준다. Fig. 3(a)에 따르면, 유입속도가 1.25cm/min에서 6.25cm/min으로 증가함에 따라 생성된 산 및 염기의 총량은 약 90 μmole에서 260 μmole로 약 3배 이상 증가하였다. 이는 유입속도가 증가하면서 전극 및 막 표면에서의 농도 구배가 완화되고, 물질전달 속도가 향상되기 때문이다. 이전 문헌에서도 유속 증가가 redox 전극 근처에서의 농도 편차를 최소화함으로써 전체 시스템 반응성을 향상시킨다고 보고하였다[36, 37].
또한 Fig. 3(b)에서는 제시된 유속에 다른 에너지 소모량을 나타낸다. Fig. 3(b)에 따르면, 유속이 증가함에 따라 에너지 소비는 1.25cm/min에서 약 60Wh/mole이었으나, 6.25 cm/min에서는 약 44Wh/mole로 감소하였다. 이는 유속 증가로 인해 생성물의 농도가 빠르게 증가하면서 동일한 전력 소비하에 더 많은 산/염기를 생산하게 되어 단위 생성물당 에너지 효율이 향상된 결과로 해석된다. 이전 연구에서도, 유입속도가 증가할수록 농도 분극(concentration polarization) 현상이 완화되고 전기화학 반응의 활성화가 유지되어 시스템의 에너지 소비가 줄어든다고 보고하였다[36]. 이와 같은 결과는 시스템 스케일업이나 고속 운전 조건 하에서도 redox-BMED 공정의 높은 에너지 효율을 유지할 수 있음을 시사하며, 실용화를 위한 운전조건 설계에서 유속 조절이 중요한 인자로 작용할 수 있음을 보여준다.
Fig. 4는 redox-BMED 시스템에서 주요 음이온의 종류 (SO42- 와 Cl-)에 따른 산/염기 생산성과 에너지 소모량의 차이를 보여준다. Fig. 4(a)에 따르면, 동일 운전 조건(전압 1.2 V, 유속 3.125cm/min)에서 Cl- 기반 전해질을 사용한 경우 산/염기 총 생산량은 약 270μmole로, SO42- 기반 시스템(약 210 μmole) 대비 약 29% 높은 생산성을 보였다. Cl- 기반 전해질이 SO42- 에 비해 더 높은 산/염기 생산량을 보인 것은, 단순히 Cl- 이온의 전기 이동도가 SO42-에 비해 2배 이상 높기 때문만이 아니라, 다음과 같은 복합적인 요인에 기인한다. 첫째, 전하수 차이에서 비롯된 막 전이 저항 차이가 있다. Cl-는 단가 음이온으로, 이온교환막을 통과할 때 이온 간 정전기적 반발력이 작아 투과 저항이 상대적으로 낮다. 반면, SO42-는 2가 음이온으로, 더 강한 정전기적 상호작용과 수화구조를 가지며, 이는 막 내에서의 확산 속도를 저해하는 요인으로 작용한다[37]. 뿐만 아니라, redox-BMED 시스템의 이온 전달 경로는 단순 확산이 아닌 전기화학적 구동력에 의존하므로, 이온의 수화 반경, 막 선택성, 전하수 등에 따른 복합적인 막 통과 효율이 산/염기 생산성에 큰 영향을 미친다[38]. 이로 인해 Cl- 이온이 DC에서 빠르게 AC로 이동하면서, AC 내 BPM에서의 물 해리 반응을 촉진 시켜 AC와 CC내에 더 많은 산/염기가 생성 된 것으로 해석된다.
반면, 두 전해질 조성 간 에너지 소비량은 Fig. 4(b)에서 볼 수 있듯이 유사하게 나타났다. 두 시스템 모두에서 약 55 Wh/ mole 수준으로 유사한 값을 나타냈으며, 이는 redox-BMED 시스템에서 BPM을 통한 물 해리 반응과 redox 전극 반응이 주요한 에너지 소비 기전이기 때문에, 이온의 단순 전도도 차이가 전체 에너지 효율에 미치는 영향은 제한적임을 시사한다. 실제로, 이전 연구에서도 이온 종류에 따라 생성량 차이는 존재하였으나, 단위 생성물 당 에너지 소비는 redox 반응의 효율에 의해 더 크게 좌우된다고 보고된 바 있다[36]. 결과적으로, 본 연구는 redox-BMED 공정에서 feed 전해질 구성 선택이 전체 시스템 성능 향상에 기여할 수 있음을 보여주며, 응용 분야에 따라 적절한 이온 조성이 사전 고려되어야 함을 시사한다.
Fig. 5는 redox-BMED 시스템에서 DC의 초기 농도가 산/염기 생산량과 에너지 소모량에 미치는 영향을 보여준다. Fig. 5(a)에 따르면, 리튬 농도를 250mg-Li/L에서 2,500mg-Li/L로 증가시켰을 때 생성된 산 및 염기의 총량은 약 178 μmole 에서 231 μmole 수준으로 증가하였다. 그러나 농도 증가에 따른 생산량의 변화폭은 크지 않았으며, 이는 redox-BMED 시스템 내 산/염기 생산이 공급 이온의 절대량에 의해 크게 영향을 받지 않는다는 점을 시사한다. 또한, 초기 농도에 크게 관계 없이 안정적인 pH 조절이 가능함을 의미한다. 한편 Fig. 5(b)는 DC 채널의 초기 농도 변화에 따른 에너지 소모량의 차이를 보여준다. Fig. 5(b)에서 보면, 250 mg-Li/L 에서 에너지 소모량은 약 57 Wh/mole을 나타냈으며, 1,000 mg-Li/L와 2,500 mg-Li/L 에서는 각각 45, 46 Wh/mole을 나타냈다. 이러한 경향은 공급 농도가 높을수록 용액의 이온 전도도가 증가하여 셀의 전체 저항이 감소하고, 동일한 전압 하에서 더 낮은 전력 소비로 산/염기를 생산할 수 있기 때문으로 사료된다. 특히, 공급 농도 1,000 mg-Li/L 이상에서는 에너지 효율이 포화되는 양상을 보여, 공정 최적화를 위한 농도 범위 설정에 있어 참고가 될 수 있다.
Fig. 5는 DC 채널의 초기 농도에 따른 산/염기 생산에 대한 에너지 소모량을 나타낸다. Fig. 5에서 보면, 250 mg-Li/L 에서 에너지 소모량은 약 57 Wh/mole 을 나타냈으며, 1,000 mg-Li/L와 2,500 mg-Li/L에서는 각각 45, 46 Wh/mole을 나타냈다. Fig. 5의 결과를 통해서 용액의 농도가 낮은 경우 높은 에너지 소모량을 보였다. 본 Redox ED는 전기화학 시스템이므로, 용액의 농도가 낮을 경우(250 mg-Li/L) 용액 저항이 증가하므로, 에너지 소모량이 증가한 것으로 사료된다. 반면, 용액의 농도가 높을 경우(1,000 mg-Li/L) 용액 저항 감소로 에너지 소모량이 감소하는 것으로 사료된다.
Fig. 6은 redox-BMED 시스템의 장기 운전 안정성을 에너지 소모량 평가를 통해 나타낸다. 총 120시간 동안 시스템을 연속적으로 운전하였으며, 수직선은 각 24시간 주기의 종료 시점으로, 이때마다 모든 채널(DC, CC, AC, RC)을 증류수로 세척하고 초기 용액으로 교체했음을 의미한다. 이러한 세척 및 교체 주기를 총 5회 반복함으로써, 막 fouling의 가능성을 최소화 하고, 사이클 간의 영향을 분리하여 평가할 수 있도록 설계하였다.
Fig. 6 결과를 통해서 2가지 중요한 관찰 결과가 도출되었다. 첫째, 생산된 산/염기가 용액 내 농축 됨에 따라 점차 에너지 소모량이 증가했다. Fig. 6의 초기 24시간 결과를 보면 초기 에너지 소모량 90 Wh/mole에서 220 Wh/mole로 증가했다. 이러한 증가는 산/염기 생성이 증가하며 누적됨에 따라, 셀 전체에 흐르는 전류량이 증가했기 때문으로 판단된다. 일정 시간 내 전력 소비량이 생성된 산/염기 양보다 빠르게 증가할 경우 소비량 수치가 상승할 수 있기 때문이다. 둘째, 120시간 동안 점차 시스템이 안정화 됨에 따라 에너지 소모량이 절약 되었다. 정량적으로 각 24시간 마다의 에너지 소모량 평균 값이 초기 24 시간에서는 168 Wh/mole을 보였으며, 마지막 24 시간(96~120 시간) 에서는 99 Wh/mole를 보였다. 이전 연구에서도 유사하게 24시간 이상 운전 시 pH 안정성과 redox 반응의 지속성을 보고한 바 있으며[31], 본 연구는 이를 더욱 확장된 시간축(120시간)에서 실험적으로 검증하였다. 아울러, 본 실험에서는 각 사이클 후 채널을 세척하였고, 실험 중 pH 및 전류 밀도의 극단적인 변화 없이 작동이 지속되었음을 통해, fouling 이나 막 성능 저하 없이 안정적으로 작동했음을 확인할 수 있다. 뿐만 아니라, 3 쌍의 전극 스택 구조에서도 이와 같은 안정성을 유지하였다는 점을 통해, 향후 다전극 기반 시스템의 스케일업 가능성도 함께 제시된다. 따라서 본 연구는 redox-BMED 기술이 장기 연속운전 및 주기적 세척 조건에서도 높은 재현성과 내구성을 보장함을 실험적으로 입증하였으며, 이는 산업적 적용 가능성에 중요한 기반 자료로 작용할 수 있다.
4. 결론
본 연구에서는 리튬 회수 공정에서의 pH 조절을 위해 redox 기반의 bipolar 전기투석(redox-BMED) 시스템을 적용하고, 산/염기 생산량 및 에너지 소비 특성에 대한 체계적인 평가를 수행하였다. 실험 결과, 전압(0.6~1.2 V), 유속(1.25~6.25 cm/min), 원수 농도(250~2,500 mg-Li/L), 그리고 음이온 종류(Cl-vs. SO42-) 변경이 모두 산/염기 생성량 및 전하 효율에 유의미한 영향을 미치는 것으로 나타났다. 특히 1.0~1.2 V, 6.25 cm/min 조건에서 약 260 μmole 이상의 산/염기가 생성되었으며, 단위 생성물당 에너지 소비는 최저 44 Wh/mole 수준까지 감소하였다. 아울러, 다전극 구조(3쌍)를 기반으로 한 장기 연속 운전(120시간)에서도 시스템은 일정한 에너지 소비 패턴과 높은 안정성을 유지하여, redox-BMED 공정이 실제 산업 적용을 위한 내구성과 확장성을 확보할 수 있음을 입증하였다. 본 연구는 외부 화학 첨가제 없이 고순도 리튬 화합물 생산을 가능하게 하는 친환경 전기화학 공정으로서 redox-BMED의 실용화를 위한 기초 데이터를 제공하였다. 특히, 본 기술은 CO2 기반 탄산리튬 침전 공정에서의 pH 조절, 폐배터리 재활용 공정에서의 중성화 단계, 브라인 또는 정제 리튬 용액의 고순도 정제 공정 등 다양한 산업적 리튬 회수 단계에서 직접 적용이 가능할 것으로 보인다. 또한, 향후 자원순환 및 탈탄소화 기술과의 융합을 통해 전통적 화학 기반 리튬 생산 방식의 대체 기술로 발전할 수 있을 것으로 기대된다.
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