화학연, 유기용매 재사용 위한 분리막 제조 기술 개발

고성능·고내구성 나노여과 분리막 제조 기술 연구

[이데일리 강민구 기자] 국내 연구진이 차세대 나노여과 분리막 제조 기술을 개발했다. 이를 통해 20% 가량 폐기되는 유기용매 재활용 가능성도 제시했다.

한국화학연구원은 유영민 박사팀이 폴리벤즈이미다졸(PBI) 소재를 이용한 고성능 고내구성 유기용매 나노여과 분리막 제조 기술을 선보였다고 29일 밝혔다.

논문 주요 기여자.유영민 선임연구원(오른쪽), 신성주 연구원(왼쪽).(사진=한국화학연구원)

이번에 개발한 기술을 활용하면 기존 소재로는 내구성이나 분리 성능이 떨어져 적용할 수 없었던 다양한 유기용매 분리·정제 과정에 활용할 수 있다. 앞으로 실증을 통해 산업계가 가열 방식의 분리·정제 시 투입하던 많은 에너지를 줄이는데 쓸 수 있다.

현재 유기용매는 다양한 산업에서 활용되고 있다. 의약품 합성의 반응 매개체로, 또는 석유로부터 다른 기초화학원료를 생산할 때 반응물을 용해시키는 용도로, 또는 정밀화학 산업에서 고순도 물질이 필요한 실리콘 웨이퍼·화장품 등의 불순물을 제거하는 용도로 사용된다.

유기용매를 효율적으로 분리·회수하기 위해 다양한 기술도 개발되고 있다. 특히 분리막을 이용한 유기용매 나노여과 방식은 가열 후 분리하는 증류 방식에 비해 에너지를 적게 쓰고, 다양한 유기용매 분리에 적용할 수 있어 주목받고 있다.

다만 물에 비해 유기용매는 화학적으로 분리막을 손상시키는 경우가 많아 개발하기 어려웠다. 연구팀은 PBI 소재로 나노여과 분리막을 만들 때 중요한 기술인 후가교 방법을 새로 개발했다. 이 방법은 기존 가교법과 비교할때 분리막의 기공(구멍)들을 균일하고 미세하게 조절할 수 있어 유기용매는 잘 배출하고 원하는 용질은 잘 걸러낼 수 있다.

술폰 계열 가교제를 사용해 기존 할라이드 계열 가교제를 사용했을 때에 비해 높은 표면에너지를 갖도록 했다. 다양한 유기용매 분자가 분리막 통과에 필요한 에너지 장벽이 줄어 기존보다 72% 높은 유기용매 투과도를 얻었다.

이 밖에 분리막의 화학적 성질과 분리막의 용매 투과도와의 상관관계를 밝혀 앞으로 지속적인 분리막 성능 개선을 위한 기반도 마련했다.

연구팀은 후속 연구를 통해 가교된 PBI 유기용매 나노여과 분리막에 대한 파일롯 규모 검증 단계에 있다. 앞으로 모듈화와 시스템 최적화를 거쳐 오는 2026년께 상용화 연계가 가능할 것으로 보고 있다.

연구 결과는 분리막 공정 과학기술 분야 국제학술지 ‘저널 오브 멤브레인 사이언스(Journal of Membrane Science)’에 올해 3월호에 게재됐다.

강민구 (science1@edaily.co.kr)