국내 분리막 소식

 (1)유사 단백질 선별 신소재 분리막 개발..단백질 맞춤형 분리장치 기대

  9일 한국연구재단에 따르면 포항공대 지능형미세유체 의약합성연구단 김동표 교수와 숙명여대 화공생명공학부 최경민 교수 연구팀은 금속과 유기물질 복합체로 제조한 막에 거대 기공을 뚫어 단백질을 포함한 거대 복합 분자를 선택적?효율적으로 분리하는 기술을 개발하는 데 성공했다. 
  연구결과는 최상위 학술지 네이처의 자매지인 ‘네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)’에 지난달 27일 게재됐다. 
금속-유기 구조체 기반의 기존 분리막은 미세 기공만 갖고 있어 아주 작은 분자 물질과 기체만 분리할 수 있다. 구조가 크고 복잡한 단백질을 분리하기 위해서는 이들이 통과할 수 있는 거대 기공이 필요할 뿐만 아니라 내부 공간의 표면 전기를 조절해야 하지만 쉽지 않았다.
  연구팀은 미세 기공만으로 구성된 금속-유기 구조체 내에 단백질도 통과할 수 있는 거대 기공을 제조해냈다. 마치 골목길만 있는 지역에 고속도로를 굴착한 것과 닮았다. 이는 유기물의 특정 부분과 금속 이온의 결합을 절단하는 촉매화학 반응을 이용함으로써 가능했다.
  제조된 거대 기공과 미세 기공 표면에 양전기나 음전기를 갖도록 유도하면 전기적인 이끌림과 반발력에 의해 단백질마다 이동속도에 차이가 생긴다. 이러한 원리로 유사 크기의 단백질도 분리할 수 있다. 
특히 기공의 표면전기 특성을 전환할 수 있는 유동성 액체를 흘려주면 특정 단백질만 분리할 수 있는 공정으로 손쉽게 전환할 수 있다. 
  최경민 교수는 “기존에 거대?복합 물질을 적용하지 못했던 금속-유기 구조체에 거대 기공을 도입해 성공적으로 유사 단백질을 선별한 사례”라며 “의약품, 천연 원료, 박테리아 등 각종 단백질의 맞춤형 정밀 분리 장치로서 매우 유용하게 활용될 것으로 기대된다”라고 연구의의를 밝혔다. 
[뉴스펌 2018.10.09]

(2)해수담수화 플랜트 고성능 RO 분리막 제조 기술 '국산화' 성공

  LG화학 신정규 연구위원은 세계 최고 수준의 고염/보론 제거율 성능의 역삼투 분리막 기술을 개발?상용화해 고성능 RO 분리막 제조 기술 국산화 및 해수담수화 플랜트 효율 극대화에 기여한 공로를 인정받아 대한민국 엔지니어상 7월 수상자로 선정됐다.

  신정규 연구위원은 분리막의 활성층 공극을 제어할 수 있는 나노 소재 개발을 통해 염 제거율과 투과유량 성능을 모두 확보 가능한 해담수용 RO 분리막을 개발했다. 높은 염 제거율은 동일한 에너지 소비 기준에서 고수질의 물 생산을 가능하게 하며, 높은 투과유량은 정유량 운전이 기본인 RO 플랜트의 에너지 저감에 있어 중요한 성능 지표로 이를 향상시킴으로써 플랜트 효율을 극대화 할 수 있다.

  나노 소재와 더불어 자체 개발한 붕소(B) 제거용 핵심 소재는 특히 해담수용 RO에서 세계적 수준인 95% 붕소 제거기능을 지닌 제품 개발을 가능하게 했으며, 원천 특허를 확보함으로써 지속적인 연구 개발의 초석을 구축했다.

이 같은 기술력은 세계에서도 인정받았다. 중동 오만 소하르 프로젝트(25만t/일), 이집트 프로젝트(30만t/일) 등 중동 지역 해수담수화 중대형 프로젝트 4건을 연달아 수주했다.

  신정규 연구위원은 “긍정의 마인드로 끊임없이 우수한 제품 개발을 함께해온 동료들과 연구개발을 적극 지원해 준 회사에 감사드리며, 앞으로도 지속적으로 연구에 매진해 시장을 선도할 수 있는 제품 개발에 더욱 노력할 것”이라고 수상 소감을 밝혔다.

[산업뉴스 2018.07.10]

(3)세계 최초 나노셀룰로오스 이용 ‘리튬-황 종이전지’

  이번에 개발된 리튬-황 종이전지는 기존 전지에서 열에 약해 폭발 위험성이 문제가 되었던 플라스틱 분리막을, 나무 세포를 얇게 쪼갠 차세대 친환경 소재인 나노셀룰로오스로 대체해 고온, 충격 등 분리막 파괴에 의한 폭발위험성을 제거했다.

또한 나노셀룰로오스 분리막과 전극을 일체형으로 만드는 혁신적인 구조변경을 통해 눌리거나 구겨지는 조건에서도 정상적으로 작동하여 안전성을 높였다.

  리튬-황 전지는 기존 리튬이온 전지에 사용되는 코발트를 황으로 대체한 것으로 에너지 용량이 2배 이상이며, 원료 가격도 1/35로 절감된다.
  황을 전극으로 사용하여 충전과 방전을 반복하면 황부산물이 생성되는데, 이는 전지의 용량과 수명을 급격히 감소시키는 원인이 된다. 그러나 이번에 개발된 리튬-황 종이전지는 황부산물의 발생을 억제시켜 기존의 리튬-황 전지에 비해 수명이 3배 이상 향상됐다.

  또한 리튬-황 종이전지는 형태를 자유롭게 변형할 수 있는데, 굽힘 반복시험에서 기존의 리튬-황 전지 대비 유연성이 2.5배 이상 크게 향상됐을 뿐 아니라 심하게 구긴 상태에서도 전지 성능이 정상적으로 구현됐다. 이는 향후 몸에 착용해 사용하는 휴대전화 등 웨어러블 디바이스에도 활용가능하다.
  리튬-황 종이전지는 국립산림과학원 신소재연구팀과 울산과학기술원 이상영 교수 연구팀이 공동으로 개발한 국내 원천기술로 임산공학과 전지공학의 혁신적인 협업 성과로 평가 받고 있다. 이번 연구결과는 이미 국내 특허가 출원됐으며, 현재는 해외 특허출원을 준비 중이다. 또한 관련 논문은 에너지 분야의 세계적 권위지인 「에너지와 환경과학」(Energy and Environmental Science; 인용지수=30.1) 온라인판에 게재됐으며 연구결과의 중요성을 인정받아 표지논문으로 선정됐다.
국립산림과학원 이선영 연구관은 이번 리튬-황 종이전지 개발의 중요성을 “재생가능한 자원인 나무에서 얻을 수 있는 친환경 재료로 전지 원료를 얻은 것”이라 강조했다. 
[한국목재신문 2018.11.17]

(4)[올해의 신기술]미세먼지·온실가스 배출 줄이는 산소투과 멤브레인 기술

  순수한 산소는 다양한 산업 분야에 쓰인다. 제강 공정 불순물 제거나 여러 공정의 온도를 높이는 일, 이산화탄소 포집에 활용 가능하다.

  문제는 산소 제조에 많은 전력이 필요하다는 점이다. 대안으로 공기 내 산소를 분리하는 산소투과 멤브레인이 나왔다. 산소투과 멤브레인은 산소만 분리하는 이온전도성 막을 뜻한다. 산소 환원 반응과 이온화 산소 산화 과정을 동시에 일으켜 산소이온과 전자를 교환하는 방식을 쓰는데, 지금까지는 분리효율과 내구성을 모두 확보하기가 어려웠다.

연구팀은 기존에 쓰던 페로브스카이트 소재에 이온전도도와 안정성이 매우 높은 '형석계 산화물'을 더했다. 형석계 산화물의 경우 전기전도성이 거의 없어 기존 페로브스카이트를 복합하는 최적 구조를 만들었다. 또 소재 표면에 활성층을 구현해 성능을 높였다.

  이렇게 만든 소재의 산소투과 성능은 1분에 1㎠당 3.6밀리리터(㎖)에 달한다. 세계 최고 수준이다. 10바(bar) 가압운전에도 세계에서 세 번째로 성공했다.

기술준비수준(TRL)은 4단계다. 현재 미니모듈을 제작해 성능 테스트를 진행하고 있다. 세계에서 두 번째로 평판형 소재 구현에도 성공했다. 이미 해외 특허 한 건과 국내 특허 세 건 등록에 성공했다.

  유지행 박사는 “수년 간 실패를 통해 세계에서 세 번째로 대면적 분리막을 만들 수 있었다”며 “저비용 산소제조기술로 에너지와 환경문제를 모두 해소할 수 있을 것”이라고 말했다.
[전자신문 2018.11.13] 

(5)대구 벤처기업, 세계 최초 ‘분리막 이산화탄소 포집 기술’ 개발

  대구시 북구에 있는 이산화탄소 포집 장치 연구·개발 벤처기업인 ‘아스트로마’는 자사가 세계 최초로 상용화에 성공한 관련 기술을 필리핀 퀘손주 마우반시에 1억8000만 달러(한화 2000억 원) 규모로 수출하는 계약을 현지에서 체결했다고 3일 밝혔다.

마우반시는 필리핀 수도인 마닐라시에서 150km 정도 떨어져 있으며, 마닐라시에 전력을 공급하고 있는 에너지발전 특화도시다.

  아스트로마는 필리핀 시장 진출을 위해 DOE(에너지부), DENR(환경자원부), DOST(과학기술부) 등 필리핀 정부 3개 부처의 엄격한 검증절차를 거쳤다. 특히 필리핀 마우반시는 에너지 특화도시의 위상과 전 세계적 이슈인 기후변화에 선제 대응하고, 현존하는 가장 친환경적이고 경제적인 아스트로마의 관련 기술 채택을 위해 모든 발전소에 ‘친환경 멤브레인을 이용한 이산화탄소 포집 장치 설치 의무화’를 조례로 통과시켰다.

  이는 아스트로마가 100% 원천기술 보유에다 기존의 다른 기술보다 친환경적이면서 포집율 90%, 농도 97%의 탁월한 성능을 보유하며, 운영 및 유지관리 비용 등에서 최고의 경제성을 갖고 있기 때문이다.

아스트로마는 2012년 회사 설립 이전부터 이산화탄소 포집을 위한 연구에 투자하며, 한전과 기술 실증 및 사업화를 위한 180억원 규모의 공동 프로젝트를 수행해왔다.

  포집에 성공한 아스트로마는 한전과 함께 지난해 충남 당진 화력발전소 5호기에 1MW 규모의 이산화탄소 포집 플랜트 준공을 성공리에 마쳤다. 또 일본·싱가포르·말레이시아 등 동남아시아는 물론 미국·중국·유럽 등지와도 관련기술 및 사업에 대한 협상을 진행하고 있다.

  아스트로마 신기영 대표는 “마우반시를 시작으로 필리핀 전역의 화력발전소에 아스트로마의 기술을 적용하기 위해 중앙정부와 협력 중”이라며 “기후변화는 세계인들이 모두 공감할 정도의 시급한 문제로 지구환경 개선 및 지구온난화 해결의 선두에 서는 세계적 기업이 되겠다”고 포부를 밝혔다.

[경북일보 2018.09.04]

(6)LG화학, LG전자 분리막사업 넘겨받아 수처리사업 빨리 키운다

  26일 업계에 따르면 LG전자는 최근 멤브레인(분리막)사업을 LG화학에 넘겨 수처리 관련 사업을 일원화한다는 방침을 정했다.
  LG화학은 정보전자소재사업부에서 수처리 역삼투압 필터사업을, LG전자에서는 B2B사업부가 분리막사업을 맡고 있다.
수처리 필터사업을 놓고 같은 그룹 안에서 두 개의 회사가 별로도 사업 활동을 진행해 왔던 셈이다.
박진수 LG화학 대표이사 부회장이 수처리사업을 미래 먹거리 가운데 하나로 육성하겠다고 밝힌 만큼 사업 일원화를 계기로 수처리사업 확대에 더욱 속도를 낼 것으로 보인다.
  LG화학이 LG전자의 분리막사업을 넘겨받으면 사업 분산에 따른 비효율이 없어지고 LG화학이 보유하고 있는 기초소재 기술 덕분에 시너지가 발생할 가능성이 크다.
박 부회장은 2018년 시무식에서 “바이오사업 성장전략을 차질없이 이행하고 에너지, 물, 무기소재분야에서 적극적으로 신사업을 벌여야 한다”고 말했다.
  세계적으로 물 부족 현상이 부각 되면서 다우케미칼, 도레이케미칼, 니토덴코 등 세계 화학회사들은 수처리 필터사업을 미래 먹거리로 보고 사업에 뛰어들고 있다.
  LG화학은 2014년 미국의 수처리 필터회사인 나노에이치투오(NanoH2O)를 인수하면서 수처리사업을 본격적으로 시작했다.
2015년에는 충청북도 청주에 수처리 역삼투분리막 필터 생산공장의 상업가동을 시작했고 2017년에 생산시설을 늘렸다.
  LG화학은 미국과 일본의 회사들보다 뒤늦게 수처리 필터사업에 뛰어든 후발주자지만 기초소재부문의 기술력 덕분에 높은 수준의 경쟁력을 갖춘 것으로 평가된다.
  LG화학 관계자는 “LG화학의 역삼투압 필터는 업계 최고 수준의 이온 제거율 및 투과 유량을 보이고 있다”며 “LG화학은 역삼투랍 필터부문에서 높은 수준의 기술력을 보유하고 있다”고 말했다.
  LG화학은 수처리 필터 기술 경쟁력을 바탕으로 세계 곳곳에서 잇달아 수주 실적을 내고 있다.
  2017년에는 이집트 최대 규모의 해수 담수화 프로젝트를 수주했다. 세계적 수처리 전문회사 메티토가 이집트 엘갈라라와 포트 사이드 지역에 건설하는 30만 톤 규모 해수 담수화공장에 역삼투압 필터 단독 공급회사로 선정됐다.
  2016년에는 오만에 지어지는 25만톤 규모의 해수 담수화설비에 수처리 필터를 공급하는 회사로 뽑히기도 했다.

[비즈니스포스트 2018.08.26]  

 국외 분리막 소식

 (1) 높은 선택성의 올레핀/파라핀 분리를 위한 매우 안정하고 비용 효율적인 이온성액체 기반 촉진수송막 개발?

  올레핀/파라핀 분리를 위한 많은 노력이 있었음에도 불구하고 운반체의 불안정성으로 인해 상업적 성공을 거두지 못했었다. 최근에는 운반체를 안정화시키기 위하여 PIL의 브뢴스테드 산성 성질을 이용하여 안정적이고 비용이 효율적인 액체기반 FTM(PIL-FTM)분리막이 보고됐다. 운반체/PILs에서의 기체 용해도를 측정하고 분리 성능을 측정한 결과, PILs의 구조가 C2H4 투과성에 영향을 미치고 PILs의 에테르기와 하이드록실기의 존재가 C2H4 / C2H6 선택성을 현저히 향상 시킨다는 것을 보여주었다. 결과적으로 PIL-FTM의 분리성능은 기존 문헌의 다른 결과보다 훨씬 높은 성능을 보였으며, 6개월의 장기간 우수한 안정성을 보였다. 이는 PIL과 캐리어 사이의 수소결합 및 배위상호작용에 의한 것으로 나타났으며, 이러한 장기간 안정성 및 우수한 분리 성능, 친환경성, 효율적인 경제성은 멤브레인을 산업적으로 사용할 수 있을 것으로 기대된다.

출처: Journal of Membrane Science 557 (2018) 76?86 (2018년 7월 1일)

(2) 그래핀 산화물과 ZIF-8의 혼합 사용으로 CO2/CH4 분리성능 및 강도가 향상된 혼합 매트릭스 막 개발

  Zeolitic imidazolate framework-8 (ZIF-8)과 graphene oxide (GO)를 포함한 용액을 캐스팅하여 합성한 고분자 매트릭스가 우수한 CO2 /CH4 분리성능을 보이는 것으로 보고 되었다. ODPA-TMPDA에 ZIF-8 나노 결정을 첨가한 막과 순수한 ODPA-TMPDA막을 비교하였을 때 CO2 투과성을 크게 향상되었고 ODPA-TMPDA에 GO를 첨가한 결과 CO2/CH4 선택성이 향상되었다. 따라서 두 가지 필러를 모두 함유한 복합막은 순수한 고분자 막과 비교하였을 때 CO2 투과도(최대 60 %) 및 CO2/CH4 선택도(최대 28 %)가 크게 향상되었다고 보고 되었다. ZIF-8 혼합-매트릭스 막은 기계적 안정성이 감소하지만 GO 혼합-매트릭스 막은 기계적 강도 또한 향상되었음이 밝혀졌다. 이러한 시너지 효과로 인한 혼합 매트릭스막의 CO2/CH4 분리성능 및 기계적 강도의 향상은 천연가스 정제를 위한 효과적인 접근법으로 제시되었다.

출처 : Journal of Industrial and Engineering Chemistry, 2018, 67, 156-163 (2018년 11월)

 (3) CO2분리를 위한 나노다공성 카바이드 유도-탄소 하이브리드막 개발 

 CO2분리를 위한 카바이드 유도탄소 (CDC)가 포함 된 혼합 매트릭스 막 (Mixed Matrix Membranes, MMM)을 연구한 결과, 합성된 CDC는 카보닐그룹과 같이 표면에 산소 부분이 존재 할 뿐만 아니라 나노다공성의 특성에 따라 높은 열안정성을 나타내는 것으로 최근 보고되었다. 결과적으로, MMM의 분리성능은 CDC의 유리한 표면의 특성 및 용해도 및 확산도를 향상시킨 나노다공성의 조작으로 인해 CO2의 투과도 및 CO2/CH4 선택도 모두가 두배가 된다는 것이 보고되었다.

출처 : Journal of Natural Gas Science and Engineering 59 (2018) 9?20 (2018년 11월)

 (4) Sodium hypochlorite을 사용한 분리막 세정법 개발

 화학적 세정은 막 분리 공정에서 심각한 오염을 줄이는 중요한 방법이다. 최근 lysozyme(LYS)을 다양한 농도 (0-2000ppm)의 차아염소산나트륨(NaClO)에 노출시켜 물리화학적 성질과 작용기의 변화 및 막 투과성의 변화가 보고되었다. 그 결과 막 여과성이 'U자형' 경향을 확실히 보여주었으며, 저용량 NaClO에 대한 노출의 경우, 방향족 치환기의 분해를 촉진하여 소수성 축합 방향족 물질의 형성을 유도한다는 것이 밝혀졌다. 반대로, 높은 NaClO 부하에서는 단백질 구조가 완전히 파괴되었으며 형광 강도가 명백히 감지되지 않아 멤브레인 필터능의 회복을 촉진하는 것으로 밝혀져 많은 주목을 받았다.

출처 : Chemosphere, 2018, 211, 139-148 (2018년 11월)

 (5) 석유화학 폐수증기 내 나프탈렌 제거를 위한 고분자막 개발

 석유화학 폐수에서 방향족 탄화수소를 표적으로 제거하기 위해 polysulfone(PSf)을 사용한 고분자막(MiM)이 보고되었다. 나프탈렌을 오염 물질로 선택적으로 제거할 수 있는 멤브레인은 상전환 기술로 제조되었으며, 비교 실험을 위하여 나프탈렌이 없는 상태에서 Nonimprinted 막(NiM)이 사용되었다. 막의 선택성은 여과 시험을 통해 나프탈렌을 분리하는 능력에 의해 평가되었으며, 결과는 NiM과 비교하여, 각인 된 막(MiM)은 나프탈렌 분자에 대해 더 높은 친화성을 나타냈다. MiM의 선택성은 NiM보다 2.27 배 더 큰 것으로 보고되었으며, 산업적으로 응용될 수 있을 것으로 기대되었다.

 출처 : Advances in Polymer Technology, 2018, 37, 2288-2293 (2018년 10월)

 (6) 오염저항성과 내습성이 향상된 복합 Hyflon AD/poly(vinylidenefluoride) 분리막 개발

 멤브레인 파울링(membrane fouling)과 기공습윤(pore wetting)은 멤브레인 증류(MD)의 분리 성능에 영향을 미치는 주요 문제로 알려져있다. 가동 시간이 늘어남에 따라 더 심각해질 수 있으며, 열 및 물질 이동에 부정적인 영향을 준다. 최근 Hyflon AD/PVDF 복합막을 사용해서 CaCO3, 산(HA) 또는 실리카 졸(SiO2)을 함유 한 용액을 공급 원료로 사용하여, 농축공정 중 플럭스 및 염 제거율의 변화를 조사 및 비교하였다. 그 결과 기존의 멤브레인은 저농도에서도 쉽게 오염되고 젖기 쉬워던 반면에 하이브리드 성분 솔루션을 사용할 경우 기존 멤브레인의 플럭스 감소보다 낮은 것으로 밝혀졌다. 전체적으로 복합 막은 향상된 오염 저항성 및 내습성을 나타내었고 안정한 염 배제를 계속 유지하였다. 개발된 분리막 중에서, 보다 작은 기공 크기 (M-40L)의 복합 막은 모든 멤브레인중에서 가장 우수한 성능을 나타내어 실용적인 VMD 응용 분야에 대한 실용가능성이 가장 높은 것으로 분석되었다.

출처 : Separation and Purification Technology 211 (2019) 135?140 (2019년)