화학연 김정훈·장봉준 박사, 균질계 양·음이온 교환막' 개발

개발된 양·음이온교환막이 적층된 전기투석모듈.<사진=한국화학연구원 제공>
개발된 양·음이온교환막이 적층된 전기투석모듈.<사진=한국화학연구원 제공>
국내 연구팀이 8년간의 연구 끝에 폐수를 정화하고 자원을 뽑을 수 있는 이온 교환막이 개발됐다.

한국화학연구원(원장 김성수)은 김정훈, 장봉준 박사 연구팀이 해수나 폐수를 정화하고 고부가가치 자원 회수에 유용한 전기투석 공정 핵심 기술인 '균질계 양·음이온 교환막'을 일본에 이어 세계에서 두번째로 개발했다고 4일 밝혔다.

전기투석공정은 해수 속 염화나트륨, 황산마그네슘, 염화칼슘 등을 제거해 식염제조, 해수 담수화와 해양 심층수 제조에 활용된다. 또 공업폐수에 포함된 카드뮴, 구리, 납 등 중금속과 비소, 염소, 불소 등 유해음이온 물질을 정화하고 재활용하는데 사용된다.

최근에는 바이오 분야의 주요 자원인 실크 아미노산, 부틸산 등 유기산을 회수하거나 신재생 에너지 분야의 핵심소재인 리튬, 마그네슘 등 희소금속자원을 회수하는데 활용된다.

전기투석공정에 사용되는 이온교환막에는 불균질계막과 균질계막이 있다. 불균질계 이온교환막은 미국의 GE와 체코의 MEGA사에서 수십년전에 개발된 1세대 제품으로 불투명하고 두꺼워서 전기 저항이 크다.

때문에 불균질막을 사용하면 이온이 선택적으로 잘 통과되지 못해 분리효율이 낮고 전기 에너지가 많이 소모돼 플랜트 비용이 높다. 이온농도가 낮은 불순물이 포함된 폐수나 강물 정화, 저염도 해수 정화에 사용된다.

균질계 이온 교환막은 불균질막보다 성능이 획기적으로 개선된 소재로 최근 일본 아스톰(ASTOM)사와 일본 AGC 엔지니어링사에서 개발, 균질막 제조 기술을 독점하고 있다.

이는 투명하고 얇아 전기 저항이 낮고 양이온과 음이온의 분리 효율이 높다. 기존 폐수, 강물, 해수 정화뿐만 아니라 소금생산, 유기산, 아미노산, 희소금속 회수 등 광범위하게 사용된다.

연구팀은 스타이렌 단량체에 가교제, 가소제, 개시제, 첨가제 등을 혼합해 폴리올레핀계 지지체에 코팅한 후 고온에서 고분자중합을 거쳐 전구체필름으로 만들고 후설폰화반응을 거쳐 양이온 교환막을 만들었다.

음이온 교환막은 비닐벤질클로라이드 단량체에 가교체, 가소제, 개시제, 첨가제 등을 혼합하고 고온에서 고분자 중합을 거쳐 전구체 필름으로 성형한 후 후아민화반응을 거쳐 제조했다.

개발된 교환막은 얇고 투명하며 기계적 강도가 높다. 전기저항도 낮아 양이온이나 음이온 등을 잘 분리할 수 있다. 이온 교환막을 실제 전기투석플랜트에 적용한 결과 일본 제품과 동급이상의 결과를 보였다.

연구팀은 15여건의 국내외 특허를 등록하고 상업화를 추진 중이다. 전기투석공정용 이온교환막 시장은 국내 약 200억원, 세계 2000억원 규모로 매년 5%정도 성장한 것으로 예상된다.

김정훈 박사는 "균질계 이온교환막 제조기술의 우수성에 따라 국내외 기업과 기술이전 및 상업화 협의를 추진하고 있다. 앞으로 이온교환막을 이용한 전기투석 공정 및 플랜트의 국내외 시장 진출에 박차를 가할 계획"이라고 말했다.  

장봉준 박사는 "8년간의 시행착오와 연구를 통해 기존 제품들의 기계적 강도나 이온선택성은 유지한 새로운 양이온 교환막과 음이온 교환막을 개발했다"면서"향후 스케일업 연구가 성공적으로 이뤄진다면 전세계 전기투석공정 분야를 석권할 수 있을 것으로 예상된다"고 강조했다.

한편 이번 연구는 환경부의 환경기술진흥원과 과학기술정보통신부의ㅣ나노융합 2020연구사업단의 지원으로 수행됐다.

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