KIC News, Volume 24, No. 6, 2021
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펜실베니아주립대(Pennsylvania State University)와 로렌스 리버모어 국립연구소 (Lawrence Livermore National Laboratory) 공동연구팀: 란모듈린(Lanmodulin)
단백질을 이용, 전자 폐기물 및 석탄재에서 금속의 추출 및 정제 기술 개발
희토류 원소(rare-earth elements, REE)에는 스칸듐, 이트륨과 함께 15개의 란탄족 원소가 포함되며, 그 중 다수는 전기 자동차, 풍력 터빈, 발광 다이오드 등의 첨단 제품에 사용된다. 이러한 희토류 원소들은 분리 및 정제를 위해 많은 에너지와 유기 용매를 요구하므로, 희토류 원소의 추출 및 분리는 경제적이지 않고, 환경 친화적이지 않다. 뿐만 아니라, 석탄 산화 시 남은 재, 광산 유출수, 폐전자제품 폐기물 내 희토 류 원소 등에도 동일한 문제가 적용되므로, 산업 폐기물 발생을 줄이고, 희토류 자체에 대한 가공 접근성을 개선할 수 있는 방법 개발이 요구돼 왔다.
최근 펜실베니아 주립대(Pennsylvania State University)의 Joseph A. Cotruvo Jr 교수와 Lawrence Livermore National Laboratory의 Dan M. Park 박사가 이끄는 공동연구팀은 유기 용매 없이 란탄족에 강한 친화력을 가진 단백질 인 란모듈린(lanmodulin)을 이용, 희토류 원소 추 출 대체 공정을 개발했다.
연구팀은 다공성 마이크로 비드컬럼에 단백질 을 부착했고, 산성 용액 내 금속 이온의 컬럼 통과 시 란모듈린이 구리 또는 아연 등의 희토류 원소 를 용액에서 잡아낼 수 있었다. 다른 물질의 통과 시, 희토류 용액의 pH 변경 또는 희토류 원소의
킬레이트화 위해 시트르산과 같은 반대 이온을 추가해 희토류 원소의 분리효율을 높일 수 있다. Cotruvo는 프로세스의 산과 컬럼 자체를 여러 번 재사용할 수 있다고 말한다. 특정 메탄 소화 박테리아에 의해 생성된다.
연구팀은 0.1% 미만의 희토류에서 시작 후, 석탄회 침출 용액으로 정제 컬럼을 테스트했고, 컬럼을 한 번 통과 시 금속 이온의 88%가 희토류 원소의 농축 용액 생성에 충분하므로 순도를 2,000배 향상시킬 수 있었다. 또한, 연구팀은 pH 조정을 통해 무게별 희토류 원소를 포함하는 개별 배치로 컬럼에서 희토류 원 소를 추출했고, 희토류 자석을 포함하는 전자 폐기물에서 네오디뮴(Nd)과 디스프로슘(Dy)을 포함한 두 개 의 희토류 혼합물을 완전히 분리할 수 있었다. 연구팀은 이러한 여러 분리 주기에 걸쳐 폐기물 내 순도 99% 이상 원소 80% 이상을 회수할 수 있었다.
단백질 기반 방식의 본 연구는 분리 컬럼을 연결한 연속 공정에 기반, Scale-up 최적화를 통해 더 큰 규모에서 연속적으로 실행할 수 있고, pH, 유속 및 기타 요인과 같은 조건과 컬럼 성능을 조정 시 개선된 성능을 나타낼 수 있다.
연구성과는 미국화학회의 ACS Cent. Sci. 온라인판에 게재되었다(ACS Cent. Sci. 2021, DOI: 10.1021/
acscentsci.1c00724).
출처: 2021. 10. 25. Chemical & Engineering News VOLUME 99, ISSUE 39 (https://cen.acs.org/analytical-chemistr y/separations/Protein-unlock-new-sources-rare-earth-elements/99/web/2021/10)
작성: 손 희 상 (광운대학교)
Figure. 란모듈린(Lanmodulin) 단백질 운반 컬럼을 이용, 네 오디뮴 및 디스프로슘과 같은 희토류 원소의 효율적 분리와 폐기물 내 귀금속 회수에 사용 가능. (Credit: ACS Cent. Sci.)
