인공 수련잎으로 리튬 및 광물 추출 효율 향상

광물 채굴에 대한 대안

세계 산업에 필요한 핵심 광물을 생산할 때, 실제로 가능한 공급원은 세 가지뿐입니다: 암석 채굴, 재활용, 그리고 용해된 광물 정제입니다. 철과 알루미늄과 같은 재료는 전통적인 광산이 주요 공급원이며, 재활용도 기여합니다.

하지만 리튬과 같은 재료의 경우, 주요 공급원 중 하나는 염수이며, 이는 광물이 풍부한 물로서 그 안에 포함된 광물을 수집하기 위해 증발시켜야 합니다. 비슷한 방법이 가장 중요한 두 가지 비료인 질산염과 칼륨비료 생산에도 자주 사용됩니다.

이 방법은 수천 에이커에 달하는 거대한 증발 연못을 필요로 하며, 지역 생태계에 큰 환경적 비용을 초래합니다.

출처: SQM

지금까지는 햇빛만을 이용해 연못을 가열하고 물을 증발시키는 방식으로 이루어졌습니다. 이는 효율적인 과정과 거리가 멀어, 거대한 면적이 필요합니다.

프린스턴 대학교 연구원들과 리튬 생산 거인 Sociedad Química y Minera de Chile와의 협업으로 개발된 새로운 물질이 증발 속도를 높일 수 있어 상황이 변하고 있을지도 모릅니다 (SQM ).

그들은 Nature Water¹에 그들의 발명을 발표했으며, 제목은 “지속 가능한 염수 채굴을 위한 계면 태양 증발”입니다.

리튬 대량 생산

(그리 지속 가능하지 않은) 녹색 에너지

암석(스포듐석 광상)에서 추출되지 않을 경우, 리튬은 주로 다른 염과 용해된 광물이 섞인 광물 염수에서 발견됩니다. 이 염수는 주로 지하수에서 추출되거나, 신선한 물로 광물 풍부한 퇴적물에서 리튬을 침출시켜 만들어집니다.

현재 전 세계적으로 수만 헥타르 규모의 태양 연못이 리튬 추출에 사용되고 있으며, 칠레만 해도 6,000헥타르(14,800에이커)를 보유하고 있습니다.

이 방법은 해당 지역의 물 공급에 극심한 압력을 가하고 있습니다. 더욱 악화되는 점은 리튬이 풍부한 지역이 대체로 사막이라는 점으로, 이는 리튬이 경제적으로 채굴 가능한 매장량에 집중되는 이유이기도 합니다. 따라서 제한된 물이 전부 리튬 산업으로 전용될 경우, 지역 생태계와 공동체가 위험에 처하게 됩니다.

에너지 소비

이 증발 연못은 태양 에너지를 “무료”로 활용하는 방법입니다. 이는 기계식 증기 압축이나 초고압 역삼투와 같은 전기를 사용하는 대안보다 우수한 옵션입니다.

아마도 더 친환경적일 수 있지만, 이러한 전기 기반 방법은 대규모 적용이 불가능합니다. 예를 들어, 칠레의 증발 연못만으로도 65 TWh의 태양 에너지를 활용하고 있으며, 이는 칠레 연간 총 생산량(~90 TWh)의 70%를 초과합니다.

중요한 문제는 비용은 저렴하지만 증발 연못 방식이 효율적이지 않다는 점입니다. 태양 에너지의 절반 이하만이 열 에너지로 전환되어 증발에 기여합니다.

여기서 프린스턴 연구원들의 발명이 등장합니다.

비료

리튬뿐만 아니라 비료도 증발 연못을 통해 생산될 수 있습니다. 특히, SQM은 매년 150만 톤의칼리체 광석 및 염수에서 질산염을 생산합니다.

출처: SQM

이는 SQM이 염수에서 추출하는 복합 화학 혼합물의 일부이며, 여기에는 염화리튬, 염화칼륨, 염화마그네슘, 붕산, 그리고 황산칼륨이 포함됩니다. 칼륨은 이후 혼합되어 질산칼륨을 형성합니다.

직접 채굴이나 천연 가스를 이용한 질소 기반 비료 합성(하버-보시 공정)과 비교하면 큰 비료 공급원은 아니지만, 이는 또 다른 환경에 영향을 미치는 생산 과정이며, 보다 효율적인 증발 연못을 통해 개선될 수 있습니다.

증발 최적화

이전 발견

증발 연못 효율성을 높이기 위한 최신 R&D 작업은 동일한 연구원들과 이 분야 다른 연구자들의 이전 연구를 기반으로 합니다. 그들은 인터페이스 태양 증발(ISE) 현상을 연구해 왔습니다.

ISE의 핵심 개념은 고광 흡수 물질을 활용해 거의 100%에 가까운 태양 복사를 포획하면서 동시에 염분이 풍부한 물을 흡수하는 것입니다.

출처: ResearchGate

또한 효율 저하를 초래하는 염 축적 및 결정화를 방지하기 위한 추가 진전이 이루어졌으며, 특히 염 역류 강화, 자누스 구조 설계, 그리고 방향성 결정화가 있습니다.

공공-민간 파트너십

이 작업은 대학의 START Innovators 프로그램의 일환으로 수행되었습니다. 학술 펠로우십과 스타트업 액셀러레이터를 결합한 이 프로그램은 연구원들이 기술 개발을 지속하면서 사업 계획을 수립하고 초기 단계 벤처를 구축하도록 지원했습니다.

“우리 교수진과 연구원들이 기술을 상업 부문으로 효과적으로 전환할 수 있는 생태계를 조성하는 데 도움을 주는 것은 혁신 사무실의 핵심 기능입니다.”

Craig Arnold – Vice Dean for Innovation and University Innovation Officer. 

이 접근 방식은 실험실 아이디어를 산업 규모로 전환하는 속도를 높이고, 학계 연구자들의 기술 역량을 실용적인 적용으로 보다 잘 전환하려는 목표를 가지고 있습니다.

“Professor Ren과 그의 팀 같은 연구원들과 우리가 할 수 있는 일은 그들이 아이디어를 생각하는 방식을 재조정하도록 돕는 것입니다. 우리의 목표는 참가자들의 관점을 급진적으로 바꾸어, 프로그램에 들어올 때와는 완전히 다른 관점을 가지고 떠나게 하는 것입니다.

우리는 연구자의 전통적 범위를 벗어날 수 있는 복잡한 질문을 제시하지만, 이는 학술 혁신을 성공적인 결과로 전환하는 데 필수적입니다.

Nena Golubovic – Director of the Design for Impact program in Sciences and Engineering

이는 성공적인 것으로 보이며, 기술이 “어린이 수영장에 있는 작은 프로토타입” 단계에서 남미의 광물 생산 시설에서 상용화 준비 제품을 테스트하는 단계로 2년 이내에 전환되었습니다.

“프린스턴은 작은 기업으로 성공하는 데 필요한 기술과 지식을 가르쳐 준 기반, 생태계, 그리고 자원을 제공했습니다.”

Sean Zheng – Princeton Critical Minerals’ CEO (formerly PureLi)

효율성 향상

이전 프로토타입이 목재를 물 운반 재료로 사용한 반면, 연구원들은 꼬인 셀룰로오스 섬유 결정화를 발명했습니다. 이는 빠른 물 증발뿐만 아니라 선택적 리튬 회수를 위한 공간적으로 분리된 결정화를 가능하게 합니다.

그들은 또한 탄소 기반 재료에 대한 독점 코팅을 사용하여 빠른 증발, 광물 분리 및 부착 방지 특성을 구현했습니다.

스타트업 Princeton Critical Minerals는 SQM이 소유한 실제 리튬 증발 연못에서 첫 프로토타입을 테스트했으며, 이는 물 표면에 떠 있는 수련잎 모양이었습니다.

출처: ResearchGate

열 카메라로 관찰했을 때, 물 표면이 훨씬 더 뜨겁고 특히 인공 수련잎의 특수 구역에서 핫스팟이 나타나는 것이 명확합니다. 이 설계는 개방형 연못의 50% 효율에 비해 태양 에너지의 96%를 열 에너지로 전환할 수 있음을 증명했습니다.

출처: ResearchGate

이로 인해 증발 속도가 전반적으로 급격히 개선되어 평균적으로 두 배가 되었으며(염도에 따라 40–122% 증가), 과정이 훨씬 빨라짐에 따라 연못 바닥으로의 물 손실도 크게 감소했습니다.

출처: ResearchGate

추가 연구

열 카메라 데이터는 인공 수련잎이 작동하는 핵심 방식이 햇빛의 열을 연못 표면에 유지하여 실제 증발이 일어나게 하고, 열이 손실되는 바닥이 아니라는 것을 증명했습니다.

온도가 광물 용해도에 영향을 미치므로, 수련잎 표면의 온도를 추가로 조정하면 리튬 생산을 더욱 향상시킬 수 있을 것입니다.

“우리는 현장 테스트 결과를 본 뒤서야 이러한 질문들이 떠올랐습니다. 실험실에 머물렀다면 이러한 새로운 방향은 결코 나타나지 않았을 것입니다.”

Z. Jason Ren – Professor of civil and environmental engineering

다음 단계는 인공 수련잎의 대량 생산을 시작하고 장치의 경제성을 탐구하며, Princeton Critical Minerals의 장기 비즈니스 모델을 모색하는 것입니다.

리튬 증발 기업

SQM은 세계에서 두 번째로 큰 리튬 채굴 기업으로, 칠레에 자산을 보유하고 있으며 리튬이 회사 사업의 대부분을 차지합니다. 또한 천연 유래 질산칼륨 생산에서 시장을 선도하고 요오드, 염화칼륨, 붕산, 그리고 염화마그네슘과 같은 특수 화학 물질을 판매합니다.

출처: SQM

2023년 4월, 회사는 칠레가 국가의 리튬 산업 일부를 국유화하려는 움직임에 직면했습니다. 초기 충격을 넘어서, 계획에 대한 추가 세부 사항은 국가가 여전히 민간 외국인 투자를 유치하려는 의도를 명확히 했습니다.

보다 구체적으로, 국영 리튬 기업 Coldeco가 SQM과 계약을 재협상하고 있으며, 다른 리튬 매장량도 개발 대상으로 제공될 예정입니다. 기존 계약은 여전히 존중되어 2030년까지 유지될 것입니다.

협상이 진행 중이기 때문에 정보가 거의 없으며 SQM의 장기적인 미래를 예측하기 어렵습니다. 그럼에도 불구하고 칠레는 경제가 광업에 크게 의존하는 국가이며, 리튬뿐만 아니라 모든 광업에 대한 신뢰에 영향을 미치는 국유화 계획에 대한 초기 반발이 정부가 현재(당분간) 야망을 제한하도록 만들었습니다.

국유화 위협 이후 국제 리튬 가격이 지속적으로 하락했으며, 이는 2022년 말 최고점에서부터 회사 주가가 하락하는 원인이 되었습니다.

출처: Carbon Credit