화학硏, 유기용매 재사용 가능 '나노여과 분리막' 기술 확보

고성능·고내구성 유기용매 나노여과 분리막 제조 기술

다양한 유기용매 분리·정제 공정 효율 개선, 에너지 저감

[대전=뉴시스] 화학연구원이 개발한 가교된 유기용매 나노여과 분리막 개선 기능. 가교 전 막과 비교해 강한 유기용매인 디메틸포름아마이드, 메틸피롤리돈에 침지 후 3주 이상 보관해도 녹지 않고 잘 견딘다. *재판매 및 DB 금지

[대전=뉴시스] 김양수 기자 = 한국화학연구원은 그린탄소연구센터 유영민 박사팀이 높은 내열성 및 내화학성을 갖는 고분자 '폴리벤즈이미다졸(polybenzimidazole·PBI)'를 이용해 고성능·고내구성 유기용매 나노여과 분리막 제조기술을 확보했다고 29일 밝혔다.

유기용매는 의약품 합성이나 석유로부터 다른 기초화학원료 생산, 또는 고순도 물질이 필요한 실리콘 웨이퍼·화장품 등의 불순물 제거 등 다양한 산업에서 활용되고 있다.

분리막을 이용한 유기용매 나노여과 방식은 가열 후 분리하는 증류방식에 비해 에너지가 적게 소모되고 다양한 유기용매 분리에 적용할 수 있어 주목받고 있다.

현재 상용화된 유기용매 나노여과 분리막 기술로는 후가교(Post-crosslinking) 공정을 거쳐 만든 폴리이미드(polyimide·PI) 소재 분리막이 있으나 강산성 또는 강알칼리성 등 극한환경을 제외한 특정 수소 이온농도(pH) 범위와 일부 유기용매에서만 사용할 수 있다는 한계가 있다.

또한 유기용매를 잘 배출하는 투과도와 유기용매에 섞여 있는 특정 물질(용질)을 걸러내는 선택도 역시 낮은 편이다.
    
이에 화학적 내구성이 뛰어난 폴리벤즈이미다졸(polybenzimidazole·PBI) 소재를 이용한 분리막 제조 방법이 제시되는 상황이다.

이번에 유영민 박사팀은 PBI 소재로 나노여과 분리막을 만들 때 가장 중요한 기술인 후가교 방법을 새로 개발했다. 이 가교법은 기존 PBI 소재 유기용매 나노여과 분리막의 가교법과 비교할 때 분리막의 기공(구멍)들을 균일하고 미세하게 조절할 수 있어 유기용매는 잘 배출하고 원하는 용질은 잘 걸러낼 수 있는 장점이 있다.

특히 술폰(sulfone) 계열 가교제를 사용해 기존 할라이드(halide) 계열 가교제를 사용했을 때에 비해 높은 표면에너지를 갖는다.
 
이로 인해 연구팀은 다양한 유기용매 분자가 분리막 통과에 필요한 에너지 장벽을 감소시켜 기존보다 72% 높은 유기용매 투과도를 확보했다.

또 결합의 밀도를 세밀하게 조절해 기존 할라이드 계열 가교제에 비해 가교가 밀도가 높아 세밀한 분리가 가능해 기존보다  용질의 선택도를 6% 이상 높였다.

이와 함께 연구팀은 가교된 분리막의 화학적 성질과 분리막의 용매 투과도와의 상관관계를 밝혀 지속적으로 분리막 성능 개선을 꾀할 수도 있게 했다.

이번 연구로 유기용매 분리막 공정 도입을 통한 각 산업의 에너지 효율향상 뿐만 아니라 폐기되는 유기용매의 재활용 기술개발에도 속도가 기대된다.

연구팀은 후속 연구를 통해 모듈화 및 시스템 최적화를 거쳐 2026년께 상용화에 착수, 정밀화학 분야를 비롯한 화학산업 및 바이오매스 산업 등 다양한 분야에서 기술을 적용할 예정이다.

연구 결과는 과학기술 분야 국제학술지인 '저널 오브 멤브레인 사이언스(Journal of Membrane Science(IF : 9.5))' 3월호에 게재됐다.(논문명:Solvent-resistant crosslinked polybenzimidazole membrane for use in enhanced molecular separation)

화학연 이영국 원장은 "유기용매 분리·정제 과정에서 소모되는 에너지 비용을 효과적으로 절감하고 유기용매의 재활용 효율도 높일 수 있는 기술"이라며 "온실가스 배출저감과 환경오염 최소화 등 사회적 문제해결에 기여할 것으로 기대한다"고 말했다.


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