전기투석 공정용 이온교환막 제조기술 국산화 및 글로벌 시장 진출 가속화

[인더스트리뉴스 박관희 기자] 한국화학연구원(화학연) 김정훈, 장봉준 박사 연구팀은 해수나 폐수를 정화하고 고부가가치 자원 회수에 유용한 전기투석공정 핵심기술인 ‘균질계 양이온‧음이온 교환막’을 일본에 이어 세계에서 두번째로 개발했다.

전기투석 공정은 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 농축되는 공정이다.

전기투석 공정은 해수 속 염화나트륨, 황산마그네슘, 염화칼슘 등을 제거해 식염 제조, 해수 담수화 및 해양 심층수 제조에 활용하거나 공업폐수에 포함된 중금속(카드뮴, 구리, 납) 및 유해음이온(비소, 염소, 불소) 등 유해 이온 물질을 분리해 정화‧재활용하는 데 사용된다. 최근에는 바이오 분야의 주요 자원인 실크 아미노산, 부틸산 등 유기산을 회수하거나 신재생에너지분야의 핵심소재인 희소금속자원(리튬, 마그네슘 등)을 회수하는 데 활용되고 있다.

전기투석 공정에 사용되는 이온교환막에는 불균질계막과 균질계막이 있다. 불균질계 이온교환막은 미국의 GE와 체코의 MEGA사에서 수십년전에 개발된 1세대 제품으로 불투명하고 두꺼워서 전기 저항이 크다. 따라서 불균질막을 사용하면 이온이 선택적으로 잘 통과되지 못해 분리효율이 낮고 전기에너지가 많이 소모되며 플랜트비용이 높다. 주로 이온농도가 낮은 불순물이 포함된 폐수나 강물 정화, 또는 저염도 해수의 정화 등에 활용된다.

균질계 이온 교환막은 불균질막보다 성능이 획기적으로 개선된 소재로, 최근에 일본 ‘아스톰(ASTOM)’사와 일본 ‘AGC엔지니어링’사에서 개발되었다. 투명하고 얇아 전기 저항이 낮고 양이온과 음이온의 분리효율이 높다. 기존의 폐수‧강물, 해수의 정화뿐만 아니라 소금생산, 유기산, 아미노산 및 희소금속의 회수 등에 광범위하게 사용되고 있는데 그동안 일본의 두 회사에서 전세계 균질막 제조 기술을 독점해왔다.

화학연 김정훈, 장봉준 박사팀은 8년간의 연구 끝에 일본에 이어 세계에서 두번째로 균질 이온 교환막을 개발하여, 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.

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