화학과 제약 산업에서 사용하는 유기용매를 친환경적으로 분리하는 공정 기술이 개발됐다. 빽빽한 탄소 배열을 사용해 유기용매 정제에 높은 성능을 보이는 것으로 나타났다.
최민기 한국과학기술원(KAIST) 생명화학공학과 교수 연구팀은 2차원 다공성 탄소 기반의 유기용매 정제용 나노여과막을 개발했다고 3일 밝혔다.
유기용매란 시너·솔벤트 등 어떤 물질을 녹일 수 있는 액체상태의 유기 화학물질이다. 유기용매 분리공정은 제약과 정유, 석유화학 등 제품 정제와 원료 재활용을 위해 적용되고 있다. 특히 제약 산업의 경우 고품질의 의약품 제조를 위해 고순도의 유기용매 사용이 필수적이다. 고순도 유기용매에 대한 수요가 산업 전반으로 높아지면서, 친환경·고성능 분리 공정에 대한 요구가 증가하고 있다.
기존 유기용매 분리공정은 혼합물에 포함된 물질 간의 끓는점 차이를 이용한다. 유기용매 분리로 증류법을 사용하면서 막대한 에너지가 소모되는 단점이 있다.
연구팀이 채택한 방법은 압력을 이용해 유기용매를 선택적으로 투과하는 분리막 기술이다. 분리막에 유기용매를 투과해 큰 입자들을 효과적으로 제거할 수 있다. 분리막 기술은 열을 가하지 않아 공정에서 요구되는 에너지 비용을 절감할 수 있고, 가열 과정 중 나타나는 화학적 변성 위험을 줄일 수 있다.
연구팀은 고성능 분리막을 제작하기 위해 2차원 마이크로 다공성 탄소 물질을 합성하고, 이를 분리막으로 제조하는 기술을 개발했다. 기존에는 탄소 원자가 벌집 모양으로 배열돼 안정적이고 강성이 높은 그래핀을 사용했지만, 원자들이 촘촘히 배열돼 물질이 통과하지 못한다는 문제가 있다.
연구팀은 2㎚(나노미터·10억 분의 1m) 이하의 마이크로 기공을 갖는 결정성 알루미노실리케이트 물질 제올라이트를 활용해 분리막에 다공성 탄소물질을 합성했다. 제올라이트는 일반적으로 3차원 마이크로 기공 구조를 가지지만, 일부는 2차원 기공 연결구조를 지녀 연속적인 탄소 골격이 자랄 수 있는 공간을 제공할 수 있다.
연구팀은 2차원 기공 연결구조를 가지는 제올라이트에 탄소를 채워 넣고, 제올라이트만 선택적으로 녹여내 2차원 탄소 물질을 합성했다. 합성된 탄소는 제올라이트의 마이크로 기공 구조를 가지고, 이 마이크로 기공 구조가 벌집 구조로 빽빽하게 배열됐다.
합성된 탄소 시트는 얇은 두께의 분리막으로 제작된다. 새로 개발된 탄소 분리막은 기공 크기보다 큰 유기 용질은 걸러내고, 작은 유기용매는 투과시켜 고순도 유기용매를 얻는 데 활용할 수 있다. 특히 높은 기공 밀도 덕에 기존 분리막에 비해 높은 유기용매 투과도를 보여 대량 정제에 적합하다는 게 연구팀의 설명이다.
최민기 교수는 "극도로 균일한 크기의 마이크로 기공이 초고밀도로 존재하는 2차원 다공성 탄소의 합성법은 세계적으로 보고된 바 없는 새로운 개념"이라며 "분리막뿐 아니라, 배터리나 축전지 같은 전기화학 저장 장치와 화학 센서 등 다양한 분야에서 활용될 수 있다"고 했다.
이번 연구는 삼성전자 미래기술육성센터의 지원을 받아 수행됐다. 연구성과는 국제학술지 '사이언스 어드밴시스(Science Advances)'에 올해 2월 10일 게재됐다.
참고 자료
Science Advances, DOI: https://science.org/doi/10.1126/sciadv.ade7871