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- 새로 개발된 중공사막 전극을 이용한 전기화학적 CO2 광물화 기술
- 대기가 아닌 해양에서 이산화탄소 포집
- 선박 및 해양 플랫폼에도 적용 가능

기후 보호: 해수에서 CO2를 "석회화"하는 새로운 방법

해양에는 용해된 CO2 형태로 막대한 양의 온실가스가 존재한다. 새로운 방법은 이 CO2를 빠르고 효율적으로 석회암으로 변환하여 온실가스를 영구적으로 고정시킬 수 있다. 이는 새로 개발된 중공사막 전극을 이용한 전기화학적 CO2 광물화 기술로 가능해졌다. 이 시스템은 기존 방식보다 에너지 소비량이 절반밖에 되지 않으며, 환경 파괴적인 광물 침전물 생성을 방지합니다. 이러한 기술은 기후 보호에 크게 기여할 수 있다. 

▲ 해수에는 용해된 CO2가 포함되어 있으며, 이는 전기화학적으로 석회석(탄산칼슘)으로 변환되어 영구적으로 결합될 수 있다. 사진: © AI 생성 (ChatGPT)

자연은 그 원리를 보여준다. 수백만 년 동안 화학적 풍화 작용으로 대기 중의 이산화탄소가 석회암(CaCO3), 백운석, 기타 탄산염 암석 형태로 저장되어 왔다. 하지만 이러한 자연적인 CO2 광물화 과정은 수백 년에서 수천 년에 걸쳐 진행된다. 한편, 아이슬란드와 미국 등지에서 진행된 프로젝트들은 이 과정을 가속화하여 "현장 광물화"를 실현할 수 있음을 입증했다. 이 과정에서는 배기가스나 대기에서 CO2를 포집하여 물에 용해시킨 후 현무암층에 주입한다.

대기가 아닌 해양에서 이산화탄소 포집

다른 방법이 있다. 대기에서 이산화탄소를 포집하고 무기화하는 대신, 해수에서 이산화탄소를 포집할 수 있다. 해양은 지구에서 가장 중요한 이산화탄소 흡수원으로, 인간이 배출하는 이산화탄소의 약 30%를 흡수한다. 용해된 이산화탄소는 전극을 사용하여 해수의 pH를 알칼리성으로 조절하면 전기화학적으로 탄산칼슘(CaCO₃)으로 변환되어 침전될 수 있다.

한국과학기술원(KAIST)의 박인환 교수 연구팀은 "전기화학적 직접 해양 포집(e-DOC)은 기가톤 규모의 탈탄소화를 위한 실현 가능한 길을 열어준다"고 설명한다. 이 기술의 가장 큰 장점은 용해된 이산화탄소가 해수에서 제거되면 해수가 대기에서 새로운 이산화탄소를 흡수할 수 있다는 것이다. 이는 해양의 기후 완충 능력을 유지하는 데 도움이 된다. 또한, 이 공정은 대기에서 온실가스를 분리하는 직접 공기 포집(DAC) 공정보다 에너지 소비가 적다.

하지만 지금까지 해수에서 탄산칼슘을 전기화학적으로 침전시키는 데 사용된 전극은 표면이 새로 생성된 석회석으로 빠르게 덮여 추가적인 침전을 방해하기 때문에 효율이 떨어지는 문제가 있었다.

▲ 해수에서 이산화탄소를 무기화하는 데 사용되는 중공사막 전극의 구조 및 작동 원리 — © KAIST

물 공급식 중공사 전극을 이용한 광물화 장치

박 교수와 그의 동료들은 이 문제에 대한 해결책을 찾았을지도 모른다. 그들은 석회석 침전이 문제가 되지 않는 곳으로 유도되도록 설계된 중공사 전극 섬유를 개발했다. 즉, 석회석이 전극 표면에 직접 형성되는 것이 아니라 전극 표면 바깥쪽에 형성되도록 한 것이다. 동시에 반응 중에 발생하는 수소 기포는 브러시처럼 작용하여 다공성 전극 표면을 청소하고 광물 침전을 방지한다.

해수 광물화 시스템은 세 가지 구성 요소로 이루어져 있다. 어셈블리의 외부 껍질은 다공성 스테인리스강 중공사로 이루어져 있으며, 이는 작동 전극 역할을 한다. 연구팀은 "전압이 가해지면 물에서 수산화 이온(OH-)이 생성되어 국소 pH 값이 증가한다"고 설명했다. 이는 주변에서 탄산칼슘과 수산화마그네슘(Mg(OH)₂)의 침전을 촉진한다.

▲ 유동 셀 구성에서의 연속 e-DOC 성능. (a) 순차 여과 장치와 함께 유동식(FT) 및 우회식(BP) 작동 모드의 개략도. 출처:A Compact Hollow Fiber Electrode Assembly Architecture for Continuous Electrochemical Marine Carbon Dioxide Removal / Advanced Energy Materials / First published: 19 June 2026)

중공 섬유 전극 내부는 나피온(Nafion)이라는 고분자로 만들어진 이온 교환막으로 덮여 있다. 해수는 중앙의 백금-이리듐 와이어(대극 역할을 함)를 지나 공동을 통과하며 흐른다. 물에서 방출된 수소는 이 와이어에서 방출되어 다공성 스테인리스 스틸 케이스를 통해 기포 형태로 배출된다. 추가적인 세척 효과를 위해 2~3시간마다 0.1초 동안 해수 유입량을 크게 증가시킨다. 박 교수 연구팀은 이러한 고압 펄스가 전극에 쌓인 침전물을 씻어낸다고 설명했다.

해수는 중앙의 백금-이리듐 와이어(대극 역할을 함)를 지나 흐릅니다. 실제 실험 결과 용해된 CO₂의 80~90%가 제거되었다. 연구진은 실험실에서 모의 ​​해수를 사용하고 한국 제주도 연안의 실제 해수를 사용하여 해수에서 CO₂를 무기화하는 이 기술의 실제 효과를 테스트했다. "100시간의 테스트 기간 HEFA 전극은 40리터의 해수를 알칼리화했으며, 제곱센티미터당 약 20mA(밀리암페어)의 일정 전류 하에서 뛰어난 전위 안정성을 보였다"고 박 교수 연구팀은 보고했다.

이 전극 시스템은 해수에 용해된 무기 탄소의 80~90%를 제거하고 주로 탄산칼슘 형태로 침전시켰다. 전극 내부 표면에는 광물 침전물이 전혀 남지 않았으며, 외부 표면에만 소량의 탄산칼슘과 브루사이트가 축적되었다. 연구팀은 초음파 처리와 간단한 산성 세척을 통해 24시간마다 이러한 침전물을 제거했다. 제주도에서 진행된 시험에서 이 시스템은 성능 저하 없이 120시간 이상 가동되었다.

또 다른 장점은 이산화탄소 광물화에 있어 기존 기술 대비 최대 54%의 전력 소비를 절감할 수 있다는 점이다. 박 연구팀의 보고에 따르면, "수산화마그네슘과 고순도 수소와 같은 유용한 부산물이 동시에 생산되어 전력 비용을 상쇄할 수 있다.“

선박 및 해양 플랫폼에도 적용 가능

KAIST의 고동연 교수는 "이 기술은 해수에 용해된 이산화탄소를 광물화하여 대기 중으로 다시 방출되는 것을 막을 수 있다"며, "이를 통해 온실가스를 영구적으로 저장하고 해양의 이산화탄소 흡수를 촉진할 수 있다"고 설명했다. 이 시스템은 해양 이산화탄소 포집 기술의 수익성과 확장성을 높여 기후 보호에 기여할 수 있다.

전극 시스템의 소형화 및 모듈식 설계 덕분에 기존 시설에 비교적 쉽게 통합할 수 있다. 연구진은 이러한 해양 이산화탄소 무기화 기술이 선박이나 해양 플랫폼에서도 활용될 수 있다고 설명했다.
출처: 박인환 (한국과학기술원(KAIST), 대전) 외, 첨단 에너지 소재, 2026; doi: 10.1002/aenm.71205

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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