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를 이용하여 하이브리드나노세공체를 합성한 후 이산 화탄소 흡착 실험을 수행한 결과 1bar에 가까운 아주 낮은 압력에서도 충분한 용량의 흡착이 가능하다는 것 을 보였으며, 수 회에 걸친 흡탈착 실험을 통해 반복 사용이 가능한 흡착제의 요건을 보여주기도 하였다.
최근의 보고에 의하면, 수소나 이산화탄소와 같은 기체의 흡착뿐만 아니라 MIL-100과 MIL-101 명명 되는 하이브리드 나노세공체 소재는 100℃ 이하에서 다량의 표면탈수 특성을 활용하여 제올라이트(NaX) 또는 실리카 겔과 같은 기존 상업용 수분흡착제보다 에너지 효율이 1.8배 이상, 흡착량은 4배 이상의 효율 을 가지고 있음이 보고되기도 하였다[그림 4].
결론
하이브리드 나노세공체는 균일한 크기의 세공과 결 정성 골격을 가지는 다공성 소재이며 분자수준에서의
다양한 세공크기 및 부피에 대한 선택성과 물리적, 화 학적 흡착 선택성 등의 특성을 가지고 있다. 이러한 특성은 하이브리드 나노세공체의 필요에 따라 합성 또는 소재의 설계 과정에서 골격을 이루는 중심금속 과 유기리간드의 종류를 용도에 따라 선택하여 합성 하는 맞춤형 소재의 개발이 가능할 뿐만 아니라 소재 의 합성 이후 개질을 통하여 조절하는 것 또한 가능하 기 때문에 앞에서 언급한 예뿐만 아니라 DNA와 같 은 거대 분자 및 이온이나 자원확보의 측면에서 다양 한 희소 유가금속 이온 등의 흡착 및 분리, 회수 분야 에서 뛰어난 응용 특성이 보일 것으로 예상되고 있으 며 금속, 산화물, 고분자, 바이오 분자 등 다른 소재와 의 복합화가 가능하기 때문에 향후 고선택적 나노복 합체 등과 같은 새로운 유형의 흡착 소재의 용도로 활 용될 수 있을 것으로 기대된다.
서론
산업과 문명의 발달로 인해, 최근 새로운 에너지 자 원의 확보에 많은 관심이 집중되고 있으며, 각 나라별 로 새로운 에너지 자원의 확보에 많은 노력을 기울이 고 있는 정국이다. 그러나 현재 사용되고 있는 원료의 대부분은 석탄, 석유와 같은 화석원료와 수력발전에 의한 에너지의 확보가 주종을 이루고 있고 1992년 6 월 리우 유엔환경회의에서 채택된 교토의정서 이후 환경에 대한 인식이 높아지고 규제가 강화되고 있다.
삼면이 바다인 우리나라의 실정과 지구의 약 70%를 차지하는 해수면을 고려해 볼 때, 해수에 있는 우라늄 외에 리튬, 마그네슘, 알루미늄, 아연, 철, 구리, 바나디
움, 니켈, 티타늄, 코발트, 은 등의 약 80여종의 막대한 양의 금속을 분리하기 위한 고도의 분리기술과 선택성 및 효율이 높은 고기능성 흡착 및 분리소재의 개발이 절실한 실정이다. 특히 리튬(2천억 톤), 우라늄(45억 톤), 몰리브덴(140억 톤) 등은 상업화 가능성이 큰 자 원 중 하나이다. 제조 염을 만드는 공정에서 농축된 염 수의 폐기 과정에 직접적으로 사용되거나 원자력발전 소 및 화력발전소의 냉각수로 사용된 후 배출되는 온 ㆍ해수에 직접 적용할 수 있어 경제성이 매우 높고 해 수 온난화를 완화시켜 환경보호에도 기여할 것으로 기 대된다. 특히, 희토류 금속 생산량의 90% 이상을 차지 하고 있는 중국의 수출금지로 공급 불안에 시달리고 특·별·기·획(Ⅲ)
자원회수를 위한 유기 흡착제 개발
김 중 현
연세대학교 화공생명공학과, [email protected]
NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 30, No. 1, 2012 … 47
있는 국내 산업에서는 중대한 문제가 아닐 수 없다. 전기자동차나 하이브리드 자동차의 모터용 고성능 자석 이나 에너지 절약형 가전제품 등에 사용되는 네오딤, 디스프로슘은 그 사용량이 2010년 3월 대비 약 2배가 상승했고 액정 패널의 연마제 등으로 사용되는 세륨은 3배 이상 상승하고 있다. 또한 휴대폰, 노트북PC, 캠코 더와 같은 이동용 전자기기와 최근 상용화 단계에 들 어선 하이브리드형 전기자동차의 동력원인 이차전지 원료로 사용되고 있는 리튬 또한 앞으로 100배 이상의 공급이 필요하기 때문에 수요가 폭발적으로 증가할 것 이며, 이러한 상황으로 계속 희소 금속 가격은 계속 급 상승할 가능성이 높다는 견해가 지배적이다.
본론
1) 희소금속 회수
본 연구는 천원자원이 부족한 우리나라의 실정을 고려하여 해수, 지상, 재활용자원으로부터의 고부가 가치 자원인리튬, 코발트, 인듐 등 10대 전략 희소금 속중 하나인 리튬에 대한 유가금속이온을 회수할 수 있는 넓은 표면적과 메조 및 마이크로 기공을 지니는 초고도가교 고분자 및 이의 개질체를 바탕으로 하는 나노그리드 재료를 개발하여 유가 금속의 고효율 회 수에 관련된 신산업 창출과 국가적으로 산업주도권을 확보하고자 한다.
국토해양부는 전세계의 리튬은 매장량은 1,400~2,800 만톤이나, 상업적 가채량은 410 만톤 수준으로 향후 10 년내 고갈이 예상되고 있음을 보도하였다. 또한 2000 년부터 한국지질자원연구원을 통해 해수리튬 추출연
구를 지원해 왔으며, 2011년 7월부터 강릉 앞바다에서 리튬망간산화물을 이용하여 상업적으로 시험생산에 들어갔다.
거시적 금속이온 포집 방법에는 여러가지 방식이 존재한다. 공침법, 부선법, 용매추출법, 생물농축법 그 리고 흡착법이 있는데 대량의 용액을 처리해야 하는 해수 중 유용금속 채취에 가장 유망한 방법으로는 흡 착법이 가장 우수하다고 알려져 있다. 흡착법 중 무기 흡착제는 흡착성능이 우수한 반면 성형이 어렵고 내구 성에 문제가 있기에 본 연구단에서는 무기물 기반의 리튬을 흡착할 수 있는 흡착제의 단점을 극복하기 위 하여 유기 흡착제를 이용하고 보완하는 연구기술이 요 구된다고 판단하여 메조 또는 마이크로 기공을 갖는 넓은 표면적을 지닌 유기흡착제를 개발, 발전시키려 한다. 또한 알려져 있는 리튬망간산화물의 경우 산처 리를 이용한 이온교환방식을 이용하고 있어 추후 화학 적 처리의 문제로 대두될 가능성이 있다고 판단된다.
그렇기에 본 연구에서는 초분자형태의 크라운 에테르 와 넓은 표면적과 친환경적인 하이드로겔을 이용한 친 환경적 공정을 도입하여 리튬을 흡착, 탈착하려 한다.
2) 기능기가 개질된 유가고분자 흡착제
초분자화학이란, 수소결합, 정전기 또는 전하의 이 동으로 인한 상호작용 등의 분자 사이에서 작용하는 약한 힘으로 생성되는 2개 이상의 분자 집합체가 초 분자이다. 그리고 초분자 화학은 21세기형 첨단기술
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그림 1. 리튬(Li)과 우라늄(U)의 응용 분야. 그림 2. 코발트(Co)와 인듐(In)의 응용 분야.
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을 대표하는 나노기술의 기초이기도 하다. 1967년 Charles Pedersen은 크라운 에테르를 최초로 발견하 여 1987년에 다양한 모양의 크라운 에테르의 금속 양 이온 흡착을 발견하면서 초분자 화학의 공로를 인정 받아 노벨상을 받았다. 다양한 크기의 기공을 지닌 크 라운 에테르는 알칼리 이온 포집제, 유기합성에서의 상간 이동촉매, 액체크로마토그래피에서의 아민류 분 리용 이동상 첨가제, 나노크기의 캡슐에 약물을 넣어 필요한 장소로 보내 발광함으로써 캡슐의 뚜껑을 여 는 기술은 약물 전달 시스템에 이용할 수 있다. 초분자 형태의 크라운 에테르 중 하나인 12-crown-4는 그것 의 원형크기와 모양 그리고 산소의 전하 때문에 양이 온의 금속 이온을 흡착할 수 있다. Li+이온의 크기는 1.39Å이고 12-crown-4의 기공의 크기는 1.2~1.4Å 이므로 다른 이온들과 선택적으로 흡착할 수가 있다.
크라운 에테르의 표면 주변에는 수소에 의해 양전 하가 넓고 충분히 분포하고 있으나 중간에는 양이온 과 음이온으로 인해 중성적으로 유지하고 있고 그 중 심에서는 산소의 음이온 전하 때문에 음전하를 띄고 있다. 또한 음전하에 Li+이 근처에 분포할시 흡착되면 서 중성적으로 안정화를 유지하게 된다.
본 연구에서는 12-crown-4을 개질하여 고분자 표 면에 라디칼 중합을 이용하여 부착함으로써, 하이드 로겔 기반의 유기흡착제를 중합 제조하여 다양한 금
속이온들이 존재하는 해수상에서 리튬이온을 선택적 으로 흡착한 후, 호스트-게스트 화학을 이용하여 하이 드로겔 특유의 고온에서 수축하는 특성을 활용, 리튬 을 탈착하여 회수하는 있는 공정을 제안하였다. 또한, 상자성 나노입자를 부착함으로써 자성으로 다시 흡착 제를 회수하여 재활용할 수 있게 합성하였다.
결론
3면이 바다로 둘러 싸여 있고 광물자원이 부족한 국가에서 미래산업의 핵심이 되는 금속광물들을 해외 로부터 안정적으로 확보하는 것은 앞으로의 국가적인 문제가 아닐 수 없다. 그렇기에 본 연구에서는 분자 구조가 왕관 모양으로 된 크라운 에테르로 리튬을 포 집하고 고분자의 특성을 이용하여 탈착을 시도하고 자성입자를 활용하여 물질의 회수를 담당하는 조직적 인 고분자 복합체를 제조, 활용하여 친환경 유기금속 회수 공정에 적용하고자 한다.
특·별·기·획(Ⅲ)
