이종석 교수 연구팀의 신정한 학생 (석박 통합 과정, 주저자), 그리고 이호준 학생 (석박 통합 과정, 공동저자)은 배터리 생산 공정에서 배출되는 폐수를 비롯해 다양한 전이 금속이 고농도의 불순물 염과 함께 포함되어 있는 폐수에서 전이 금속들을 선택적으로 회수할 수 있는반응 강화 분리막 캐스케이드 공정 (Reaction-Enhanced Membrane Cascades, REMCs)이라 명칭한 신규 다단계 분리막 공정을 개발하였다.

(왼쪽부터 신정한 (주저자), 이호준 (공동저자), 이종석 (교신저자))

연구팀은 전이금속과 알칼리 금속, 알칼리 토금속 중 전이 금속을 선택적으로 흡착하는 고분자인 폴리에틸렌이민 (Polyethyleneimine, PEI) 을 이용한 고분자 한외여과 (polymer enhanced ultrafiltration)에 정용여과법 (diafiltration)을 적용하여 전이금속만을 선택적으로 추출하였다, 이후 산성도 조절을 통해 고분자에서 전이금속들을 탈착시켜 다시금 정용여과를 통해 회수하였다. 그리고 완전히 분리된 전이금속 용액을 나노여과 (nanofiltration)를 통해 농축하는 해당 3단계로 이뤄진 공정을 개발하였다. 또한 인천대 김정 교수 연구팀과의 공동연구를 통해 전이 금속 추출 단계와 농축 단계에 2단 분리막 캐스케이드를 적용하여 단일단 분리막을 사용했을 때 대비 수율을 향상시켜, 폐수 내 전이금속의 90% 내외를 99.8%의 순도로 회수하였다.

연구팀이 개발한 공정의 경우, Ni, Cu, Cd과 같은 다양한 전이금속에도 적용이 가능하며, 실제 산업 폐수의 환경과 유사한 고농도의 염이 섞여 있는 경우에도 활용이 가능하기에, 탄소 중립 목표치 달성을 위한 자원 수요 증가 충족을 위한 자원 재활용 분야에서의 적용이 기대된다.

본 연구는 한국에너지기술평가원의 지원과 한국환경산업기술원의 지원으로 수행되었으며, 연구 결과는 화학공학 분야 유명 저널인 Chemical Engineering Journal (IF: 13.4)에 게재되었다.

1. 공정 모식도. a) PEI가 선택적으로 전이금속을 흡착하는 단계, b) PEI에 흡착되지 않은 알칼리 금속, 알칼리 토금속 불순물 염이 한외여과막을 투과하여 제거되는 단계, c) 산성도를 조절해 PEI 에서 전이 금속을 탈착시키고, PEI 와 전이 금속을 분리하는 단계, d) 나노여과막을 이용해 고순도, 저농도의 전이금속 용액을 고농도로 농축하는 단계.

2. 전이 금속과 불순물 염 페어 16개 페어에 대한 공정 최종 순도와 회수율

연구실 링크: http://gsslab.sogang.ac.kr/

논문 링크: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894724037343