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산업폐수에서 유가금속 회수하는 친환경‧저에너지 자가재생 섬유소재 개발

등록일 : 23-10-31
물자원순환연구단 최재우 박사팀
조회수 : 3910

첨부파일 :
231031 [KIST 보도자료] KIST. 산업폐수에서 유가금속 회수하는 친환경 저에너지 자가재생 섬유소재 개발_업로드용.hwp

- 산업폐수에서 유가금속 회수하는 섬유기반 흡착 소재 개발

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

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, 원장 윤석진)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.

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.

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 게재*되었다.

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[그림 1] 자가재생 섬유의 제조 공정과 구조, 그리고 금속 회수 현상

(a) 자가재생 섬유의 전구체 섬유를 제조하는 습식 방사 공정. (b) 전구체 섬유 및 (c) 자가재생 섬유의 구조. (d) 자가재생 섬유의 표면에서 금속 이온이 흡착-결정화-성장-탈착하는 과정을 나타내는 모식도. (e) 자가재생 섬유의 표면에 형성된 금속 결정. (f) 디지털카메라로 촬영된 구리 금속에 담겨진 자가재생 섬유. 자가재생 섬유 표면에 형성된 구리 결정의 (g) 접착력 저하, (h) 충돌, (i) 곡률에 의한 탈착과정.

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[그림 2] 자가재생 섬유를 활용한 구리 회수 성능

(a) 자가재생 섬유의 결정 탈착 기능을 지닌 결함 영역의 함량에 따라 변화되는 시간에 따른 구리 흡착량. (b) 자가재생 섬유의 두께에 따라 변화되는 시간에 따른 구리 흡착량. (c) 용액에 포함된 구리 이온이 자가재생 섬유의 농도에 따라 용액에 존재하는 구리 이온의 비율이 줄어드는 양상. (d) 용액에 포함된 구리 이온의 초기 농도에 따른 구리 회수 속도를 나타냄. (e) 구리 용액의 pH에 따라 변화되는 구리 이온 회수 속도. (f-i) 5000 mg/L의 초기 농도를 지닌 구리 용액에 담지된 자가재생 섬유로 인해 용액은 맑아지고 반응조 바닥에 형성된 구리 결정.

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[그림 3] 자가재생 섬유의 표면에 있는 구리 결정의 탈착 현상

결함 영역이 좁은 경우 (a) 섬유와 결정 사이의 접착력 저하, (b) 곡률로 인한 복원력에 의한 구리 결정 탈착 현상. (c) 결함 영역이 특정한 경우에는 성장하던 결정들끼리 발산하고 수렴하여 탈착되는 현상. (d) 결함 영역이 넓은 경우 탈착 없이 결정은 성장하여 섬유를 뒤덮은 채로 결정 성장이 종료되는 현상. (e-h) 각 구리 결정이 탈착되는 순간을 포착하여 촬영된 전자현미경 이미지. (i) 구리 결정이 탈착되지 않고 섬유를 둘러싼 순간을 포착하여 촬영된 전자현미경 이미지. (k) 반응조 바닥에 포집된 구리 결정 및 (l) X-ray 회절분석 결과.

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[그림 4] 자가재생 섬유가 적용된 반영구 금속 회수 모듈

(a) 자가재생 섬유가 적용된 반영구 금속 회수 모듈의 모식도. (b) 자가재생 섬유 표면에 형성된 금속 결정. (c) 모듈 바닥에서 회수된 금속 결정의 전자현미경 이미지. (d) 자가재생 섬유가 적용된 반영구 금속 회수 모듈의 실제 사진. (e) 금속 회수 이후 모듈 사진. (g) 자가재생 과정동안 섬유의 표면 화학기능기의 시간에 따른 변화를 나타내는 표면 분석 결과.

○ 논문명: A Self-Regenerable Fiber Sloughing Its Heavy Metal Skin for Ultra-High Separation Capability

○ 학술지: Advanced Fiber Materials

○ 게재일: 2023. 10. 16.

○ DOI: https://doi.org/10.1007/s42765-023-00333-0

○ 논문저자

- 정영균 박사 후 연구원(제1저자/KIST 물자원순환연구단)

- 고영건 교수(교신저자/상명대학교 생명화학공학부 화공신소재전공)

- 최재우 책임연구원(교신저자/KIST 물자원순환연구단)