독성 유기용매 걸러주는 차세대 나노여과 분리막 개발

연구팀이 고분자 물질로 만든 차세대 나노여과 분리막을 유기용매 투과도 시험 장비에 넣고 있다. 한국화학연구원 제공

분리막은 폐수 정화나 바닷물 담수화 등 특정 물질을 거르는 필터로 활용된다. 국내 연구팀이 성능과 내구성을 모두 끌어올린 나노여과 분리막 제조 기술을 개발했다. 독성이 강해 기존 분리막으로 여과하기 어려웠던 유기용매의 분리·정제 과정에 활용될 것으로 기대된다.

한국화학연구원(KRICT)은 유영민 화학공정연구본부 선임연구원 연구팀이 내열성과 내화학성이 강한 고분자인 폴리벤즈이미다졸(PBI)이라는 소재를 이용해 고성능·고내구성 유기용매 나노여과 분리막 제조 기술을 개발하고 연구결과를 국제학술지 '저널 오브 멤브레인 사이언스' 3월 호에 게재했다고 29일 밝혔다.

유기용매는 반도체 제조에 쓰이는 실리콘 웨이퍼나 화장품처럼 고순도 물질에 있는 불순물을 제거하거나 의약품 합성, 기초화학 원료 생산 등 다양한 산업에 쓰인다. 최종 공정에서는 중간에 사용된 유기용매를 가열해 증류하거나 분리막으로 걸러내는데 이때 버려지는 폐 유기용매가 매년 200만 톤(t)이 넘는다.

분리막을 이용한 나노여과 방식은 증류보다 에너지가 적게 들고 더 다양한 유기용매 분리에 적용할 수 있다. 상용화된 기존 분리막 소재로 쓰이는 고분자 물질인 폴리이미드(PI)는 강산성이나 강알칼리성 유기용매에 닿으면 쉽게 손상되는 등 일부 유기용매에서만 사용할 수 있다는 한계가 있다. 또 유기용매를 투과시키는 정도와 용매에 섞인 특정 물질을 걸러내는 '선택도'도 낮은 편이다.

연구팀은 내열성과 내화학성이 높은 PBI 소재의 나노여과 분리막을 만드는 공정 중 후가교 방법을 새로 개발했다. 후가교는 고분자로 분리막을 만든 뒤 추가 화학반응을 통해 내구성과 용매 분리 성능을 향상시키는 공정이다. 특히 산업에 많이 쓰이면서 독성이 강한 '극성 비양성자성 유기용매'에 활용되려면 후가교 공정이 필수적이다.

연구팀은 기존 가교제보다 표면에너지가 높은 가교제를 사용해 분리막을 개선했다. 표면에너지가 높으면 유기용매 분자가 분리막을 통과할 때 에너지 장벽이 감소해 용매가 막을 투과하기 쉬워진다. 또 분리막의 작은 구멍인 기공을 균일하고 미세하게 조절해 유기용매를 분리할 때 용질을 걸러내는 선택도를 높였다.

연구팀이 개발한 나노여과 분리막의 단면과 여과 과정 모식도. 한국화학연구원 제공

새로운 후가교 공정을 거친 나노여과 분리막은 기존 분리막보다 72% 높은 투과도를 보였다. 용질 선택도는 6% 이상 높아졌다. 연구팀은 "수입률이 높은 유기용매의 재사용률을 높여 경제성을 높이고 독성이 강한 유기용매의 폐기량을 줄여 환경 문제를 개선할 수 있을 것으로 기대된다"고 설명했다.

이어 "PBI 나노여과 분리막은 최적화를 거쳐 2026년경 상용화 연계가 가능할 것으로 예상한다"며 "정밀화학 분야와 바이오매스 산업 등 다양한 분야에 기술을 확대 적용할 수 있을 것"이라고 밝혔다.

이영국 화학연 원장은 "유기용매 분리·정제 과정에서 소모되는 에너지 비용을 효과적으로 절감하고 재활용 효율도 높였다"며 온실가스 배출 저감과 환경오염 최소화 등 사회적 문제 해결에 기여할 것"이라고 기대했다.
 

[이병구 기자 2bottle9@donga.com]