유독성 물질 누출 없는 밀봉화학반응 시스템 개발
고부가가치 화학물 생산 안전성·효율성 높여
인체에 닿으면 발암 및 사망에 이를 수 있는 위험성이 매우 높은 유독성 화학물질. 이 물질 생산 과정에서 유독성 물질 노출을 완전히 차단시켜 안전성과 효율성을 높인 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다.
한국연구재단(이사장 정민근)은 미래창조과학부 리더연구자지원사업(창의적 연구)의 지원을 받은 김동표 교수 연구팀(포항공대)이 모든 액체에 젖지 않는 양쪽 초소수성* 특수 분리기를 장착한 밀봉화학 반응시스템을 개발하여 유독 물질의 생산부터 분해배출 등 일련의 전 과정에서 유출가능성을 완전 차단한 안전화학 공정을 수행할 수 있게 되었다고 밝혔다.
*양쪽 초소수성 : 물과 기름 등 대부분의 액체에 젖지 않는 표면 특성을 의미함.
최근 대학 연구실, 화학공장 및 산업현장에서 고위험 유독성 화학약품 관련 안전사고가 빈번히 발생하여 유독성 물질의 안전성을 높일 수 있는 새로운 방안이 시급하다.
*양쪽 초소수성 나노와이어 특수 분리기: 양쪽 초소수성 나노와이어는 기체는 통과시키고 액체에는 젖지 않는 과학적 현상에 착안하여 새롭게 고안된 기체-액체 특수 분리기.
*밀봉화학반응시스템: 맹독성 화학물질의 생산부터 잔존물 분해배출까지 일련의 전 과정을 밀폐된 미세 파이프라인에서 연속 수행할 수 있는 안전화학 반응장치로서, 유독 물질의 외부 유출가능성을 완전 차단한 화학공정에 적용했다.
휘발성이 높은 유독 혼합물을 분리·정제할 때 외부노출이 완전 차단된 일괄공정 방식이 이상적이나 기존의 분리방식은 노출 위험성이 크다.
가령 발암성 클로로메틸메틸에테르(CMME)****는 휘발성이 크기 때문에 취급 시 외부 누출사고 발생 가능성이 높다.
*클로로메틸메틸에테르: 의약품 및 천연물질의 합성 혹은 2차전지 멤브레인용 음이온교환 고분자를 제조할 때 사용해야 하는 발암성 유독 화합물질.
연구팀은 불안정한 기존의 이러한 증류 분리방식으로 인해 생기는 문제점을 극복하기 위해 실리콘 나노와이어의 초소수성을 이용한 특수 분리기를 개발하여 유독성 기체물질을 효과적으로 분리했다.
*실리콘 나노와이어: 반도체 실리콘 표면을 화학적으로 부식시켜 제조한 머리카락의 약 1,000분의 1 굵기의 나노침(선) 평판 구조체.
그 결과 원료주입에 의한 유독성 물질의 생산부터, 분리, 응용 및 분해에 이르는 전 과정을 밀봉된 파이프라인에서 수행함으로써 외부노출 가능성을 완전 차단했다. 뿐만 아니라 공정과정 내 효율성도 높아지면서 공정시간을 단축했다.
▲ 2차 전지용 멤브레인의 성능은 음이온 교환 수지의 클로로메틸화 정도에 의해 크게 좌우되는데 기존 공정에 비해 밀봉화학반응 시스템에서는 공정시간은 1/4 수준으로 단축하고 클로로메틸화 수율은 약 12% 향상시켰다. 또한 각종 의약품 및 천연물 합성 시에도 안전하고 높은 효율을 나타냈다.
*2차 전지용 멤브레인: 양극과 음극간의 접촉을 차단하는 나노기공을 가진 분리막으로 이온만을 선택 통과시켜 전지기능 수행케 하는 필터.
*클로로메틸화: 전지용 음이온교환 전해질 분리막을 제조하기 위한 할로겐화 처리법으로서 클로로메틸화법이 가장 일반적으로 사용.
김동표 교수는 “이번 연구는 산업적으로는 유용하지만 생산 및 취급 시 안전사고가 빈번한 맹독성 중간 화학원료를 안전하면서도 높은 효율로 생산할 수 있는 환경친화적 신화학공장 모델 확립 가능성을 보여 주었으며, 산업체에서 연소혼합물 내 휘발성 물질을 분리 응용하는데 있어서도 지속가능형 그린 화학공정 및 시스템으로 활용할 수 있을 것으로 기대된다”고 연구의 의의를 설명했다.