폐수 정화나 바닷물 담수화 등 수처리 과정에서 필터로 활용하던 분리막공정이 최근 다양한 산업에서 유기용매를 이용해 특정 물질만 정밀하게 분리·정제하는 연구로 활발히 진행 중이다.

현대 산업에서 유기용매는 의약품 합성 반응매개체, 석유에서 다른 기초 화학원료를 생산할 때 반응물을 용해시키는 용도, 또는 정밀화학에서 고순도 물질이 필요한 실리콘 웨이퍼나 화장품 제조공정에서 불순물을 제거하는 용도로 사용된다. 때문에 유기용매 시장은 연평균 7% 이상 성장하며, 2029년에는 404억 달러 규모에 이를 전망이다.

그러나 최종 물질을 생산할 때 중간에 포함됐던 유기용매를 가열하거나 분리막으로 걸러내 일부만 재활용하고 나머지는 버려진다. 이로 인해 국내에서만 폐 유기용매 발생량이 매년 200만 톤에 이른다.

이에 학계는 유기용매를 효율적으로 분리·회수하기 위한 연구를 진행 중이다. 이 중 분리막을 이용한 유기용매 나노여과 방식은 기존 가열 후 분리하는 증류방식보다 에너지를 적게 소모하면서 다양한 유기용매 분리에 적용할 수 있어 주목받고 있다.

유기용매 재사용 나노여과 분리막 기술 

한국화학연구원(이하 화학연)은 유영민 박사팀이 높은 내열성과 내화학성을 갖는 고분자 ‘폴리벤즈이미다졸(PBI)’로 고성능·고내구성 유기용매 나노여과 분리막 제조기술을 담은 연구논문을 발표했다고 29일 밝혔다.

이 기술을 활용하면 기존 소재로는 내구성과 분리성능이 떨어져 적용할 수 없었던 다양한 유기용매 분리·정제 과정에 활용할 수 있다. 

연구팀은 화학적 내구성이 뛰어난 PBI 소재를 이용한 분리막 제조방법을 제시했다.

현재 상용화된 유기용매 나노여과 분리막기술은 후가교 공정을 거쳐 만든 폴리이미드(PI) 소재를 사용하며, PI 분리막은 강산성 또는 강알칼리성 등 극한 환경을 제외한 특정 수소 이온농도 범위나 일부 유기용매에서만 사용할 수 있는 것이 한계로 작용했다.

연구팀은 PBI 소재로 나노여과 분리막을 만들 때 가장 중요한 후가교 방법을 새로 개발했다. 새로운 가교법은 기존 PBI 소재 유기용매 나노여과 분리막의 가교법과 비교할 때 분리막의 기공을 균일하고 미세하게 조절할 수 있어 유기용매는 잘 배출하고 원하는 용질은 잘 걸러낼 수 있다.

이를 통해 다양한 유기용매 분자가 분리막 통과에 필요한 에너지 장벽이 감소, 기존보다 72% 높은 투과도를 확인했다. 아울러 결합 밀도를 세밀하게 조절힌 술폰 계열 가교로 기존 할라이드 계열 가교제보다 용질 선택도를 6% 이상 높였다.

또 연구팀은 가교 분리막의 화학적 성질과 분리막 용매 투과도의 상관관계를 밝혀 향후 분리막 성능을 지속적으로 개선할 수 있는 기반도 마련했다.

이번 연구결과는 각 산업 분야 에너지효율 향상은 물론, 폐기되는 독성 유기용매 재활용에도 큰 역할을 할 것으로 기대된다.

연구팀은 후속 연구로 모듈화 및 시스템 최적화를 거쳐 2026년경 상용화 길을 열 방침이다.

이영국 화학연 원장은 “이번 연구는 유기용매 분리·정제 과정에서 소모되는 에너지 비용을 효과적으로 절감하고, 유기용매의 재활용 효율도 높일 수 있는 기술”이라며 “이를 통해 온실가스 배출 저감과 환경오염 최소화 등 사회적 문제 해결에 기여할 것”이라고 말했다.

대덕특구=이재형 기자 jh@kukinews.com 기사모아보기