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친환경‧저에너지 자가재생 섬유소재 개발

- KIST 최재우 박사팀, 산업폐수에서 유가금속 회수하는 섬유기반 흡착 소재

- 소재의 교체 및 재생이 필요 없어 독성 화학물질과 에너지 사용을 최소화

 

최재우 KIST 책임연구원과 고영건 상명대학교 교수

일반적인 금속 회수용 흡착제는 높은 비표면적을 기반으로 흡착 성능을 높이기 위하여 입상 형태를 지니는데 이러한 소재의 형태는 수중 제어가 어려워 금속 회수 효율을 낮추는 단점이 있다. 섬유 형태의 금속 회수 소재는 비표면적이 낮아 흡착 성능이 낮지만 수중 제어가 용이하여 산업적 적용성이 높은 장점이 있다. 이런 두 가지 형태 소재의 장점을 적절히 섞어서 섬유 형태를 갖지만 흡착 성능이 매우 뛰어난 소재를 개발하고자 했다.

도금, 반도체, 자동차, 배터리, 신재생에너지 등 다양한 산업에서 발생하는 폐수 내 유가금속을 회수하기 위한 기술은 환경보호뿐만 아니라 경제적인 측면에서도 중요하다. 우리나라에서는 주로 폐수에 화학물질을 첨가해 중금속 이온을 산화물 형태로 석출시키는 방식을 사용하는데, 이 과정에서 유해 화학물질이 유출되는 등 사고가 잇따르고 있어 보다 친환경적인 기술 개발이 필요한 상황이다.

이런 가운데 한국과학기술연구원(KIST)은 물자원순환연구단 최재우 박사팀이 금속을 흡착한 후 결정화하는 방식으로 수중의 금속 이온을 회수하고, 회수된 금속 결정은 스스로 탈착되어 자가 재생이 가능한 섬유형 금속 회수 소재를 개발했다고 밝혔다.

 

자가재생 섬유의 제조 공정과 구조, 그리고 금속 회수 현상

KIST 연구팀은 섬유 형태의 소재 표면에 특정 화학기능기를 고정하면 수중 금속 이온이 결정화되는 현상을 활용하는 한편, 형성된 결정을 떼어내는 기술을 도입해 반영구적으로 사용할 수 있는 흡착 소재를 개발했다. 구리 이온으로 실험했을 때 기존 흡착제의 최대 흡착량은 약 1,060mg/g에 불과하지만, 개발된 소재를 활용하면 무한대에 가까운 흡착성능을 확보할 수 있다.

또한 기존 고기능성 흡착제는 수 나노미터에서 수십 마이크로미터로 지름의 작은 알갱이 형태로 되어 있어 수중에서 활용하기 어렵지만, KIST 연구팀이 개발한 금속 회수 소재는 섬유 형태를 가져 수중 제어가 쉬우므로 실제 금속 회수 공정에 적용하기 용이하다.

KIST 최재우 박사는 “개발 소재는 아크릴 섬유를 기반으로 만들어지기 때문에 습식 방사 공정을 통한 대량생산이 가능할 뿐 아니라 폐의류를 활용하는 것도 가능하다”라고 밝히며, “폐수 재활용 기술을 통해 산업계의 수요가 높은 유가금속의 해외 의존도를 낮출 수 있을 것”이라고 기대했다.

자가재생 섬유를 활용한 구리 회수 성능

과학기술정보통신부(장관 이종호)의 소재혁신 선도사업(2020M3H4A3106366), 세종 과학 펠로우십(RS-2023-00209565)과 KIST 기관고유사업(2E32442)으로 수행된 이번 연구 성과는 국제 학술지 「Advanced Fiber Materials」에 2023년 10월 16일 게재되었다.

* A Self-Regenerable Fiber Sloughing Its Heavy Metal Skin for Ultra-High Separation Capability

□연구개요

도금, 반도체, 자동차, 배터리, 신재생에너지 등 다양한 산업에서 발생되는 폐수에는 여러 종류의 유가금속이 포함되어 있다. 최근 들어 이러한 폐수 내 포함되어 배출되는 금속들에 대해 자원 재활용이나 환경 오염의 관점에서 많은 관심을 갖고 있다. 또한, 각종 인쇄회로기판 (Printed Circuit Board, PCB) 등을 포함하는 전자부품 스크랩이나, 화학공장에서 나오는 폐 촉매 등과 같은 폐기물로부터 유가 금속을 재활용하기 위한 다양한 기술이 개발되고 있다. 특히, 제조업이 주요 산업이지만 자원 빈국인 우리나라는 이러한 기술 확보를 통해 산업 수요가 높은 유가 금속의 해외 의존도를 낮춤과 동시에 폐기물로부터 경제적인 이익을 창출할 수 있다. 하지만, 현재 국내에서는 폐수의 pH를 조절하여 중금속 이온을 산화물 형태로 석출시켜 회수하는 방법을 이용하고 있는데, 이는 99% 이상의 금속을 고형화하여 회수할 수 있다는 장점이 있지만, 다량의 화학첨가물이 사용되기 때문에 환경규제로 인해 산업에서 사용하기에 많은 제약이 따르게 된다. 현재는 일본, 미국 등 재활용 기술이 확보된 선진국에 헐값으로 금속 자원을 수출하고, 고순도로 회수된 유가 금속을 몇 배 높은 가격으로 수입하는 실정이다. 이러한 이유로 반복 재생이 가능하며 단위 무게 당 중금속 흡착 성능이 높은 소재를 개발하기 위해 끊임없는 연구개발이 필요하다.

 

자가재생 섬유가 적용된 반영구 금속 회수 모듈
자가재생 섬유의 표면에 있는 구리 결정의 탈착 현상

○ 연구내용

본 연구에서는 금속을 흡착 후 결정화하는 방식으로 수중의 금속 이온을 회수하고, 회수된 금속 결정이 스스로 탈착되어 자가재생이 가능한 특징을 지닌 섬유형 금속 회수 소재를 개발했다. 금속을 회수하는 다양한 방법 중에 흡착법은 경제적이며 효율적인 금속 회수 공정을 구현할 수 있는 장점이 있다. 통상 고기능성 흡착제는 비표면적을 넓히기 위해 직경이 수 나노미터에서 수십 마이크로미터 범위를 지니며 이는 실제 금속 회수 공정에 적용하기에 적합하지 않다. 왜냐하면, 작은 직경의 분말형태 흡착제는 실제 이용 시 높은 압력강하가 발생하고 흡착제 교체 주기가 짧으며 사용 후 소재 회수가 어렵다는 문제로 공정 적용이 어렵고, 관리비용 또한 높기 때문이다. 이러한 이유로 현재 상용되고 있는 흡착제는 다양한 화학적 기능기를 지닌 수지들이 있지만 대부분 흡착 성능이 상대적으로 낮다. 이에 반하여, 본 연구에서 개발된 자가재생 소재는 흡착량이 거의 무한대이며, 소재 교체 없이 반영구적인 금속 회수 공정 구현이 가능하다는 특징을 갖고 있다.

개발 소재는 일반적인 아크릴 옷을 구성하는 섬유를 기반으로 만들어지기 때문에 폐의류를 활용하여 제조 가능하므로 경제적이며 친환경적인 특징이 있다. 또한, 이 섬유의 제조 방법인 습식 방사 공정은 이미 섬유 산업에서 범용적으로 활용되는 생산 방법이므로 대량 생산이 용이하다.

○ 기대효과

본 연구에서 개발된 자가재생 기능성 섬유는 금속 결정의 성장-탈착 과정을 반복할 수 있으므로, 기존 흡착제 기반 금속 회수 공정처럼 흡착제를 교체할 필요 없이 반영구적으로 이용이 가능하다. 이에 따라 공정의 효율을 높일 수 있으며 흡착소재의 교체가 필요 없으므로 관련된 비용도 절감할 수 있다. 또한, 이 섬유는 간단한 공정으로 제조 가능하고 폐의류를 활용할 수 있으므로 경제적이며 친환경적이다. 이러한 특성을 통해 종래 흡착제들의 현장 공정 적용 시 발생되는 문제점인 압력 강하, 반복적 소재 교체 및 효율 저하 등에 대해 보완이 가능하다.

□용어해설

1. 비표면적

입자의 단위 질량당 표면적을 말하며, 입자가 작아질수록 커지기 때문에 물질의 흡착 계면 현상을 측정하는 데 이용된다.

2. 화학기능기

분자들의 특징적인 화학 반응을 담당하는 분자 내 특정 부분을 말한다. 이 기능기는 수중 금속 이온들과 반응하여 흡착을 통한 회수 성능에 영향을 준다.

3. 공존 이온

수중 금속 이온과 공존하고 있는 다양한 양이온과 음이온의 총체를 말한다.

4. 부유고형물

물에 용해되지 않고 떠다니는 물질로 입자 크기가 0.0001 mm 이상의 현탁 고형물을 말한다.

KIST 홍보실 제공 

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