‘산업 필수품’ 유기용매 재활용 늘린다…나노여과 분리막 개발

유영민 화학연 선임연구원 연구진
후가교 기술 개발해 투과율·선택도 개선

한국화학연구원 연구진이 개발한 유기용매 분리막. 기존 분리막보다 투과율과 선택도를 높여 유기용매의 재활용률을 높일 수 있을 것으로 기대를 모은다./한국화학연구원

국내 연구진이 화학 산업에서 사용하는 유기용매의 재활용을 돕는 기술을 개발했다. 산업 필수품인 유기용매는 모든 분야에서 사용되지만 재활용이 어려워 공정 비용을 높이는 요인으로 지목되고 있다. 유기용매의 재활용률을 높여 비용 절감에 효과가 클 것으로 기대를 모은다.

유영민 한국화학연구원 그린탄소연구센터 선임연구원이 이끄는 연구진은 29일 독성이 강한 유기용매를 걸러내 재활용을 돕는 나노여과 분리막 기술을 개발했다고 밝혔다.

유기용매는 반도체, 디스플레이, 의약을 비롯한 다양한 분야의 산업에서 원료를 녹이기 위해 사용하는 물질이다. 가령 반도체, 디스플레이 산업에서는 실리콘 웨이퍼에 붙은 불순물을 닦아내거나 제약 산업에서는 물질 합성을 위한 화학 반응을 만드는 데 쓰인다. 유기용매는 독성이 강해 모든 공정이 끝난 후 가열하거나 분리막으로 걸러내야 한다. 그러나 재활용되는 비율은 크지 않아 사용이 끝난 유기용매 대부분이 버려진다. 매년 국내에서만 200만t에 달하는 유기용매 폐기물이 발생한다.

유기용매의 재활용이 어려운 이유는 분리막을 화학적으로 손상시키기 때문이다. 현재 폴리이미드(PI)를 사용해 내구성이 강한 분리막이 개발돼 있으나 산성도 변화에 약하고 일부 유기용매에서만 사용할 수 있다는 한계가 있다. 유기용매를 잘 배출하는 투과도와 유기용매에 섞여 있는 특정 물질을 걸러내는 선택도도 낮다는 문제가 있다.

화학연 연구진은 화학적 내구성이 강한 폴리벤즈이미다졸(PBI)을 이용한 분리막 제조 기술을 개발해 이런 문제를 해결했다. 고분자 분리막을 만든 후 추가적인 화학 반응으로 고분자끼리 다시 결합시키는 ‘후가교’ 공정을 적용해 내구성을 크게 높였다. 기존 소재로는 걸러낼 수 없던 유기용매의 분리 성능을 높이고 유기용매를 제거하기 위해 필요한 에너지를 크게 줄일 수 있을 것으로 기대를 모은다.

연구진은 폴리벤즈이미다졸 분리막의 작은 구멍을 균일하고 미세하게 조절할 수 있는 후가교 기술을 만들었다. 유기용매 배출 성능을 높이고 원하는 물질을 더 잘 걸러낼 수 있게 하는 기술이다. 유기용매 분자가 분리막을 통과할 때 필요한 에너지를 낮춰 기존 기술보다 투과도를 72%가량 개선했다.

같은 크기의 분자를 걸러내는 비율인 ‘용질 선택도’도 6% 이상 개선했다. 분자 크기가 483Da(달톤)인 물질을 기준으로 기존 기술이 85.54%를 분리할 수 있던 반면 이번에 개발한 기술을 이용하면 91.67%를 분리할 수 있다.

연구진은 유기용매 분리막 공정을 이용하면 20%가량 폐기하는 유기용매를 재활용해 경제성을 높일 수 있을 것으로 기대하고 있다. 유기용매는 독성이 강해 환경에도 악영향을 미치는 만큼 친환경 공정 도입을 앞당길 수 있다는 기대다. 후속 연구를 통해 상용화 가능 여부를 검증할 예정이며 2026년 상용화를 목표로 하고 있다.

연구 결과는 국제 학술지 ‘저널 오브 멤브레인 사이언스’ 3월호에 소개됐다.

Journal of Membrane Science, DOI: https://doi.org/10.1016/j.memsci.2024.122463

□ 이번 논문은 분리막 공정 과학기술 분야 최고 권위 국제학술지인 ‘저널 오브 멤브레인 사이언스(Journal of Membrane Science(IF : 9.5))’ 2024년 3월호에 게재됐다.

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