세라믹 필터 국산화…‘염색폐수 99.8% 제거’

▲ 세라믹 분리막 특성 평가를 진행 중인 한국재료연구원 송인혁 책임연구원(왼쪽)과 이홍주 선임연구원.

염색 폐수에서 염료를 99.8%까지 제거할 수 있는 필터(분리막)가 개발되어 기술 이전을 준비 중이다. 한국재료연구원(KIMS) 나노재료연구본부 이홍주 선임연구원과 송인혁 책임연구원이 세라믹 분리막 표면을 나노 단위에서 매끄럽게 제어하는 제조 공정과 낮은 압력에서도 오염물질을 정밀하게 걸러내는 분리막 소재 기술을 업그레이드했다.

해당 연구원들이 2023년 개발한 ‘초평단·무결점 나노여과막 제조기술’의 에너지 소모가 크고 공정이 복잡했던 기존 수처리 분리막 한계를 개선했다. 

세라믹 분리막은 화학적·열적 안정성이 뛰어나 산업폐수처리, 해수 담수호, 반도체 공정용 초순수 제조 등 극한 환경 수처리에 필수적인 소재다. 하지만 기존 제조방식은 지지체 위에 여러 분리막 층을 반복 코팅하고 고온에서 소결(분말 입자들이 열적 활성화 과정을 거쳐 하나의 덩어리로 되는 과정)하는 복잡한 공정을 거쳐야 하기 때문에 에너지 소모가 컸다.

또 이 과정에서 표면이 거칠어져서 상부 분리 층에서 미세 균열이 생겨 성능 저하로 이어졌다. 더구나 나노여과 분리막은 고압(10bar)에서만 작동해 운용비용이 많이 들어 산업현장에 적용하기 어려웠다.

▲ 왼쪽은 기존 분리막으로 미세한 균열과 일부 기공으로 유기물이 세는 모습이고, 오른쪽은 크랙이나 결함없이 유기물이 분리되는 단면이다.     ©TIN뉴스

이에 연구팀은 ‘상호 도핑(Mutual Doping)’ 기술을 통해 서로 다른 층의 입자를 섞어 결합력을 높이고, 모든 층을 한 번에 굽는 ‘동시 소결(Co-sintering)’ 기술로 이 같은 문제점을 해결했다.

기존에 1300℃에 달하던 소결 온도를 1000℃ 수준으로 낮추면서도, 입자 간 소결성을 높여 낮은 온도에서도 단단하고 견고한 세라믹 구조를 구현했다. 특히 표면 거칠기를 기존 대비 절반 이하(24.49㎚ → 11.74㎚)로 낮추는 등, 기존 다단계 공정으로는 달성하기 어려웠던 수준으로 초평탄(Rq 11.74㎚) 표면을 구현해 분리막 균열 발생을 근본적으로 억제하는 제조 공정을 완성했다.

‘지르코니아 기반 루즈 나노여과막’ 소재 기술 및 분리막 개발

▲ 염료는 막고 소금(이온)물은 통과시키는 ‘고선택성 지르코니아 분리막’의 구동 메커니즘     ©TIN뉴스

연구팀은 또 낮은 압력에서도 높은 분리 성능을 구현할 수 있는 ‘지르코니아(ZrO2·세라믹계 강철로 불리는 지르코늄 산화물) 기반 루즈 나노여과막’ 소재 기술도 함께 확보했다. ‘루즈 나노여과막’은 나노여과막(NF)과 한외여과막(UF) 사이의 성능을 가진 분리막으로, 염료와 같은 유기물은 거르고, 소금(이온)은 투과시키는 특성이 있어 자원 회수에 유용하다.

연구팀은 상호 도핑 공정(서로 다른 층의 원료 입자를 섞어 결합력을 높이는 기술)으로 형성된 매끄러운 기판 위에 자체 개발한 친환경 수계 지르코니아(ZrO2) 졸(Sol)을 코팅, 미세 기공에 의한 체 거름 효과와 정전기적 반발력이 동시에 작용하는 분리막을 구현했다.

이 분리막은 수돗물 수준의 낮은 압력(2bar)에서도 염색 폐수 속 염료를 99.8% 이상 제거하면서, 소금 (이온) 성분은 선택적으로 통과시키는 것이 특징이다. 이 기술은 기존 상용 분리막의 한계였던 이온과 염료 분리 난제를 해결, 수처리 패러다임을 단순 오염 제거에서 ‘자원 회수’로까지 확장했다. 특히 높은 수투과도를 바탕으로 처리 효율을 크게 높여, 세라믹의 뛰어난 화학적 안정성과 우수한 유량 회복 특성을 통해 분리막의 수명과 경제성을 함께 향상시켰다.

이홍주 선임연구원은 “소재 기술과 제조 공정 기술을 결합, 미세 기공과 공정 결함을 동시에 제어하는 차세대 수처리 통합 솔루션을 완성했다는 데 큰 의미가 있다”며 “특히 무결점에 가까운 표면 제어와 높은 에너지 효율 달성은 기존 수처리 분리막 기술의 한계를 넘어선 새로운 접근”이라고 말했다.

이 기술은 섬유 염색 폐수 처리, 반도체 공정 초순수 제조 등 고도의 정밀 정수가 요구되는 분야에 폭넓게 활용 가능하다. 특히 고효율 구동으로, 대형 수처리 플랜트 에너지 비용과 탄소 배출을 획기적으로 줄이는 것 또한 가능할 것으로 전망된다.

현재 연구팀은 확보된 기술을 기반으로, 대면적 세라믹 분리막 제조 및 양산화(Scale-up) 연구에 집중하고 있으며, 관련 핵심기술에 대한 국내외 특허 출원을 완료했다. 향후 파일럿 규모의 실증을 통해 산업 현장 적용 가능성을 검증하고, 관련 기업으로의 기술이전을 추진할 계획이다.

한편 이번 연구결과는 수처리 분야 국제학술지 탈염(Desalination, JCR 상위 2%)과 막과학저널(Journal of Membrane Science, JCR 상위 5%)에 온라인으로 게재됐다.

김성준 기자 tinnews@tinnews.co.kr

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