유기용매 분리 정제용 고성능·고내구성 나노여과 분리막 모식도. (화학연 제공)/뉴스1

국내 연구진이 독성이 강한 유기용매의 재사용을 위한 나노여과 분리막 제조 기술 개발에 성공했다.

한국화학연구원 유영민 박사팀은 폴리벤즈이미다졸(PBI)를 이용해 차세대 나노여과 분리막 제조 기술을 개발했다고 29일 밝혔다.

이 기술은 기존 소재로는 내구성 및 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 효율적으로 줄이는데 기여할 것으로 전망된다.

유기용매는 의약품은 물론 정밀화학 산업에서 고순도 물질이 필요한 실리콘 웨이퍼·화장품의 불순물을 제거하는 용도 등 다양한 산업에서 활용되고 있다.

이에 연구팀은 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 유기용매를 잘 배출하고 원하는 용질은 잘 걸러낼 수 있다.

또 술폰 계열 가교제를 사용해 기존 할라이드 계열 가교제를 사용했을 때보다 높은 표면에너지를 가질 수 있었다.

가교된 유기용매 나노여과 분리막. (화학연 제공)/뉴스1

이를 통해 다양한 유기용매 분자가 분리막 통과에 필요한 에너지 장벽이 감소, 기존 대비 72% 높은 유기용매 투과도를 얻게 됐다.

이밖에 결합의 밀도를 세밀하게 조절하여 분리막의 기공 크기를 정하는 측면에서는 기존 할라이드 계열 가교제에 비해 술폰 계열 가교가 더 가교 밀도를 올릴 수 있어 보다 세밀한 분리가 가능했다. 이를 통해 기존과 비교해 용질의 선택도를 6% 이상 높일 수 있었다.

연구팀은 기존의 연구들과는 다르게 가교된 분리막의 화학적 성질과 분리막의 용매 투과도와의 상관관계를 밝힘으로써 앞으로 지속적인 분리막 성능 개선을 위한 기반을 마련했다.

연구팀은 현재 후속 연구로서 가교된 PBI 유기용매 나노여과 분리막에 대한 pilot scale(중간 시험 규모) 검증 단계에 있다.

또 앞으로 모듈화 및 시스템 최적화를 거쳐 2026년경 상용화 연계가 가능할 것으로 기대했다.

왼쪽부터 한국화학연구원 신성주 연구원(제1 저자)과 유영민 선임연구원(교신저자). (화학연 제공)/뉴스1

이영국 화학연 원장은 “나노여과 분리막 제조 기술은 유기용매 분리·정제 과정에서 소모되는 에너지 비용을 효과적으로 절감하고 유기용매의 재활용 효율도 높일 수 있는 기술"이라며 "온실가스 배출 저감과 환경오염 최소화 등 사회적 문제 해결에 기여할 것으로 생각한다"고 말했다.

한국화학연구원 기본사업, 산업통상자원부 에너지기술개발사업의 지원을 받아 수행된 이번 연구의 성과는 분리막 공정 과학기술 분야 최고 권위 국제학술지 '널 오브 멤브레인 사이언스' 3월호에 실렸다.