김대우 교수팀, 유기용매 정제를 위한 초고성능 나노여과막 개발

나노다공성 그래핀 기반 고성능 유기용매 나노여과 및 스위칭 가능한 분리막 구현

[사진. 김대우 교수, 강준혁 제 1저자]

연세대학교 김대우 교수(화공생명공학과) 연구팀이 최고 성능의 유기용매 나노여과용 나노다공성 그래핀 기반 분리막을 개발함으로써 화학 공정 분야에서 공정 단가와 생산 에너지를 획기적으로 절감할 수 있는 기술을 구현했다.

분리 기술은 제약, 정유, 석유화학, 식품 등 제품 정제 및 원료 재활용을 위해 산업 전반에 적용되고 있다. 현재 사용 중인 증류 및 결정화를 포함하는 분리 공정은 전 세계 산업 에너지 소비의 15%를 차지하는 핵심 공정이다. 세계 산업 성장에 따라 유기용매의 사용 또한 기하급수적으로 늘어나고 있고, 고순도 유기용매에 대한 올해 수요는 세계적으로 24,550킬로톤을 넘을 것으로 예상된다. 따라서 유기용매의 순도를 높이고 재사용하기 위한 기술에 대한 요구도 날로 커지고 있다. 대표적으로 반도체 등 전자 산업의 경우, 반도체 공정에 사용된 유기용매 및 산성용액을 정제해 재활용하는 것이 향후 EGS 경영의 경쟁력 확보를 위해 필수적일 것으로 예상된다.

다른 복잡한 분리 기술에 비해 분리막 기술은 가압만으로 용매의 선택적 투과가 가능하고 분자체보다 큰 입자를 효과적으로 제거할 수 있다. 가열 반응과 화학물질을 사용하지 않아 친환경적이며, 공정에서 요구되는 에너지 및 비용도 절감할 수 있다. 특히 분리막 기반 분리 공정을 적용하면 증류 기반 분리 공정의 최대 90%까지 에너지 절감이 가능할 것으로 예측된다.

연구팀은 고성능 분리막의 개발을 위해 sp2 탄소 구조를 가지는 나노다공성 그래핀을 합성하는 기술과 이를 분리막으로 제조하는 기술을 개발했다. 그래핀은 sp2 탄소 결합으로 이뤄진 벌집 모양의 2차원 평면 구조를 가지며, 원자 하나의 얇은 두께를 가지고 있다. 이를 다층으로 적층하면 일정한 층간 구조를 가지게 돼 이를 통한 나노미터 크기의 물질 분리가 가능하지만, 낮은 용매 투과도, 화학적 증착 방법(CVD, Chemical Vapor Deposition)에 기반한 높은 제조 비용 및 대면적 제조의 어려움 등의 문제가 있다.

이에 연구팀은 ‘산화 그래핀’을 활용해 분리막에 사용할 나노다공성 그래핀을 합성했다. 산화 그래핀은 다층 구조의 그래핀인 흑연(graphite)의 산화 과정으로부터 만들어지는 2차원 물질이다. 다공성 지지체 위에 적층 시 층간 구조를 통해 선택적인 물질 분리가 가능하지만, 표면에 기공이 없는 구조로 매우 낮은 용매 투과도 및 배리어 특성을 보인다.

따라서 연구팀은 대면적 제작에 용이한 열처리 방법을 통해 그래핀 표면에 기공 형성을 시도했다. 열처리를 통한 기공 형성 방법은 무정형의 sp3 탄소 구조를 함께 형성해 용매 투과 및 층간 정렬을 방해하게 되는데, 연구팀은 마이크로웨이브 후처리를 통해 높은 결정성의 sp2 탄소 구조를 갖는 나노다공성 그래핀을 합성했다.

본 연구의 핵심은 높은 밀도의 sp2 탄소 구조를 가지는 나노다공성 그래핀을 제작했을 뿐만 아니라, 이를 이용한 나노여과막을 통해 높은 용매 투과도 및 스위칭이 가능한 (switchable) 분획 분자량(molecular weight cut-off; MWCO)을 확인했다는 점이다. 그래핀 기반 물질은 용매에 따라서 용매 분자와 그래핀 표면의 상호 작용을 통해 층간 구조가 확장되는 정도가 달라지는데, 본 연구는 이러한 특징에 착안해 용매 교환 공정을 통해 그래핀 기반 분리막 최초로 수 나노미터 크기의 유기 삼원 혼합물을 분리하는 기술을 구현했다.

연세대 김대우 교수는 “기존에 상용화된 폴리머 또는 세라믹 소재의 나노여과막은 느린 용매 투과도로 인해 사용이 매우 제한적이며 장시간 사용 시 고분자 구조가 안정하지 못한 문제가 있다. 본 연구를 통해 그래핀 소재가 분리막 소재로 매우 효과적임을 증명했으며, 특히 용매 투과도의 경우 기존의 고분자 및 세라믹보다 1,000배 이상 빠르기 때문에 현재 사용하는 분리막 모듈의 크기를 1,000배 이상 줄일 수 있을 것”이라고 전했다. 또한 “본 연구에서 개발한 고결정성을 가지는 나노다공성 그래핀은 분리막뿐만 아니라, 촉매 지지체, 도전재, 슈퍼캐퍼시터 전극 등 다양한 분야에서 활용 가능할 것으로 기대된다”고 전망을 제시했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부 신진연구자지원사업, 산업자원통상부 산업기술거점센터육성시범사업, 교육부 대학중점연구소지원사업의 지원으로 연세대 김대우 교수 연구팀의 강준혁 연구원(제1저자)과 함께 진행됐으며, 세계적인 과학 분야 권위지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 2월 17일(현지시간) 게재됐다.

[그림 설명] 높은 밀도의 sp2 탄소 구조를 가지는 나노다공성 그래핀 합성 및 유기용매 나노여과막으로의 응용. 산화 그래핀에 열처리 및 마이크로웨이브 처리를 통해 sp2 탄소 구조를 가지는 나노다공성 그래핀을 합성했다. 이를 이용한 나노여과막은 높은 용매 투과도 및 스위칭이 가능한 분리 특성을 보였다. 이러한 특성은 여러 산업 분야에서 물질 정제 및 용매 재사용을 위해 활용될 수 있다.

논문정보

● 논문제목: Microwave-Assisted Design of Nanoporous Graphene Membrane for Ultrafast and Switchable Organic Solvent Nanofiltration

● 논문주소: https://doi.org/10.1038/s41467-023-36524-x

용어설명

● Graphene oxide (GO; 산화 그래핀): 그래핀(graphene)은 탄소 원자들의 sp2 결합으로 이뤄진 벌집 모양의 2차원 평면 구조를 가지는 물질이다. 높은 전기전도도, 열전도도, 인장 강도 등의 우수한 물성으로 인해 전극, 에너지 소자, 발광 소재, 분리막 등의 여러 분야에서 연구되고 있다. 산화 그래핀(graphene oxide, GO)의 경우 다층 구조의 그래핀인 흑연(graphite)에서 산화 과정을 거쳐서 만들어지는 물질이다.

● Nanofiltration (NF; 나노여과): 나노여과(Nanofiltration, NF)란 한외여과(Ultrafiltration, UF)와 역삼투(Reverse osmosis, RO)의 사이의 범위인 100 – 2000 Da 정도의 분획 분자량을 가진다. 나노여과 분리막은 구동 압력에 의해 다가 이온 및 저분자량의 유기물을 상변화 없이 쉽게 제거할 수 있다.

● Molecular weight cut-off (MWCO; 분획 분자량): 분리막의 분리 성능을 분자량의 크기로써 나타내는 지표이다. 분리막이 90%까지 저지할 수 있는 물질의 분자량을 일반적으로 분획 분자량으로 표시한다.