▲ (左부터)양/음이온교환막이 적층된 전기투석모듈과 제작된 모듈내부의 음이온 교환막

국내 연구진이 전세계 두 개의 일본기업이 독점적으로 보유하고 있던 균질계 양이온·음이온 교환막을 개발하며 전기투석공정의 불모지였던 국내에서 수입대체와 수출 교두보를 확보하게 됐다.

한국화학연구원은 김정훈, 장봉준 박사 연구팀이 해수나 폐수를 정화하고 고부가가치 자원 회수에 유용한 전기투석공정 핵심기술인 ‘균질계 양이온·음이온 교환막’을 일본에 이어 세계에서 두번째로 개발했다고 4일 밝혔다.

전기투석 공정은 해수 속 염화나트륨, 황산마그네슘, 염화칼슘 등을 제거해 식염 제조, 해수 담수화 및 해양 심층수 제조에 활용한다. 또는 공업폐수에 포함된 중금속(카드뮴, 구리, 납) 및 유해음이온 등 유해 이온 물질을 분리해 정화·재활용하는 친환경 자원제조 기술이다.

최근 바이오 분야의 주요 자원인 실크 아미노산, 부틸산 등 유기산을 회수하거나 신재생 에너지분야의 핵심소재인 희소금속자원(리튬, 마그네슘 등)을 회수하는 데 활용되고 있다.

양이온 교환막과 음이온 교환막 수백장이 교대로 배열된 장치에 외부 전기를 공급하면, 물 안에 녹아있는 이온성 물질들이 전기장을 통해 양이온은 양이온 교환막으로, 음이온은 음이온 교환막으로 각각 선택적으로 이끌려서 통과해 걸러지고 농축된다.

여기서 사용되는 이온교환막에는 불균질계막과 균질계막이 있다. 불균질계 이온교환막은 미국의 GE와 체코의 MEGA사에서 수십년전에 개발된 1세대 제품으로 주로 이온농도가 낮은 불순물이 포함된 폐수나 강물 정화, 또는 저염도 해수의 정화 등에 활용된다.

균질계 이온 교환막은 불균질막보다 성능이 개선된 소재로, 최근에 일본 ‘아스톰(ASTOM)’사와 일본 ‘AGC엔지니어링’사에서 개발되어 두 회사가 제조기술을 독점하고 있다.

투명하고 얇아 전기 저항이 낮고 양이온과 음이온의 분리효율이 높아 기존 ‘정화’뿐만 아니라 소금생산, 유기산, 아미노산 및 희소금속의 회수 등에 광범위하게 사용된다.

이에 화학(연) 김정훈, 장봉준 박사팀은 8년간의 연구 끝에 일본에 이어 세계에서 두번째로 균질 이온 교환막을 개발해, 국내외 특허 15여 건을 등록하고 관련 국내외 기업에 상업화를 추진하고 있다.

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 고분자중합을 거쳐 전구체 필름으로 성형한 후 후아민화반응을 거쳐 제조했다

이러한 방법으로 개발된 새로운 이온 교환막은 얇고 투명하며 기계적 강도가 높다. 전기저항도 낮아 양이온이나 음이온 등을 잘 분리할 수 있다. 이온 교환막을 실제 전기투석플랜트에 적용한 결과 성능이 일본 아스톰사와 동급이상인 것으로 나타났다.

전기투석 공정용 이온 교환막 시장은 현재 국내 약 200억원, 세계 약 2,000억원 규모이며 매년 5% 정도 성장할 것으로 예측된다.

향후 전기탈이온장치(EDI)에 의한 초순수 제조분야, 역전기투석을 이용한 에너지발전 (RED) 등 신재생에너지 분야의 성장에 따라 경우 관련시장이 더욱 커질 것으로 기대된다.

연구책임자 김정훈 박사는 “본 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.

기술개발의 공동개발연구자 장봉준 박사는 “기존 상업 제품들의 기계적 강도나 이온선택성을 유지한 새로운 양이온 교환막과 음이온교환막을 개발했다”며 “현재 참여회사와 함께 상용화를 위한 스케일업 연구를 진행중인데, 향후 스케일업 연구가 성공적으로 이루어진다면 전세계 전기투석공정 분야를 석권할 수 있을 것으로 예상된다”고 밝혔다.

한편, 이번 연구는 환경부의 환경기술진흥원과 과학기술부의 나노융합 2020연구사업단(단장 박종구)의 지원으로 수행됐으며, 본 지원으로 현재 상업화를 추진 중에 있다.