김동표 교수팀, 유독성 물질 누출 없는 밀봉화학반응 시스템 개발

연구성과

김동표 교수팀, 유독성 물질 누출 없는 밀봉화학반응 시스템 개발

2016-03-08 533

세계적 권위의 학술지 네이처 커뮤니케이션 연구결과 발표

유독물질 안전 사용 시스템 개발로 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 개발되었다.

한국연구재단(이사장 정민근)은 미래창조과학부 리더연구자지원사업 (창의적 연구)의 지원을 받은 김동표 교수 연구팀(포항공대)이 모든 액체에 젖지 않는 양쪽 초소수성¹ 특수 분리기를 장착한 밀봉화학 반응시스템을 개발하여 유독물질의 생산부터 분해․배출 등 일련의 전 과정에서 유출가능성을 완전 차단한 안전화학 공정을 수행할 수 있게 되었다고 밝혔다.

최근 대학연구실, 화학공장 및 산업현장에서 고위험 유독성 화학약품 관련 안전사고가 빈번히 발생하여 유독성 물질의 안전성을 높일 수 있는 새로운 방안이 시급하다.

이에 김동표 교수 연구팀은 어떤 액체에도 젖지 않는 양쪽 초소수성 나노와이어 특수 분리기²를 개발하여 고위험 화학물질을 생산하고 분리·정제하여 응용한 다음 잔유물질의 분해 배출까지의 일련의 전 과정을 미세한 파이프 라인을 따라 수행하는 밀봉화학반응 시스템³을 개발했다.

휘발성이 높은 유독혼합물을 분리·정제할 때 외부노출이 완전 차단된 일괄공정 방식이 이상적이나, 기존의 분리방식은 노출 위험성이 크다. 가령 발암성 클로로메틸메틸에테르(CMME)⁴는 휘발성이 크기 때문에 취급 시 외부 누출사고 발생 가능성이 높다.

연구팀은 불안정한 기존의 이러한 증류 분리방식으로 인해 생기는 문제점을 극복하기 위해 실리콘 나노와이어⁵의 초소수성을 이용한 특수 분리기를 개발하여 유독성 기체물질을 효과적으로 분리하였다.

그 결과, 원료주입에 의한 유독성 물질의 생산부터, 분리, 응용 및 분해에 이르는 전 과정을 밀봉된 파이프 라인에서 수행함으로써 외부노출 가능성을 완전 차단하였다. 뿐만 아니라 공정과정 내 효율성도 높아지면서 공정시간을 단축했다.

2차 전지용 멤브레인⁶의 성능은 음이온 교환 수지의 클로로메틸화⁷ 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.

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.

세계적 권위의 학술지 네이처 커뮤니케이션(Nature Communications) 2월 26일자에 게재되었다.

[용어 설명]

1. 양쪽 초소수성 : 물과 기름 등 대부분의 액체에 젖지 않는 표면 특성을 의미함.

2. 양쪽 초소수성 나노와이어 특수 분리기 : 양쪽 초소수성 나노와이어는 기체는 통과시키고, 액체에는 젖지 않는 과학적 현상에 착안하여 새롭게 고안된 기체-액체 특수 분리기

3. 밀봉화학반응시스템 : 맹독성 화학물질의 생산부터 잔존물 분해배출까지 일련의 전 과정을 밀폐된 미세 파이프라인에서 연속 수행할 수 있는 안전화학 반응장치로서, 유독물질의 외부 유출가능성을 완전 차단한 화학공정에 적용하였음

4. 클로로메틸메틸에테르 : 의약품 및 천연물질의 합성 혹은 2차전지 멤브레인용 음이온교환 고분자를 제조할 때 사용해야 하는 발암성 유독화합물질

5. 실리콘 나노와이어 : 반도체 실리콘 표면을 화학적으로 부식시켜 제조한 머리카락의 약 1,000분의 1 굵기의 나노침(선) 평판 구조체

6. 2차 전지용 멤브레인 : 양극과 음극간의 접촉을 차단하는 나노기공을 가진 분리막으로 이온만을 선택 통과시켜 전지기능 수행케 하는 필터

7. 클로로메틸화 : 전지용 음이온교환 전해질 분리막을 제조하기 위한 할로겐화 처리법으로서 클로로메틸화법이 가장 일반적으로 사용

* 본 보도자료는 한국연구재단에서 작성 되었습니다.