지스트 연구팀 '폐기물에서 희토류 추출 기술 개발'...희토류 부족 해소 기대
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지스트 연구팀 '폐기물에서 희토류 추출 기술 개발'...희토류 부족 해소 기대
  • 정 현 기자
  • 승인 2022.01.25 02:11
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논문, 국제학술지 'Advanced Functional Materials' 최근호 게재

[위즈뉴스] 국내 연구진이 폐기물인 철강 슬래그에서 희토류를 회수할 수 있는 단백질 흡착제를 개발했다. 철강 슬래그는 선철 또는 강을 제련한 후에 남은 비금속성 찌꺼기를 말한다. 

지스트(광주과학기술원, 총장 김기선) 20일, 신소재공학부 권인찬 교수 연구팀이 희토류를 선택적으로 강하게 결합하는 것으로 보고된 단백질과 온도 조절을 통해 재사용이 가능한 것으로 보고된 단백질을 융합하여 용매 사용 없이 희토류를 회수할 수 있는 단백질 흡착제를 개발했다고 밝혔다.

왼쪽부터 조하이브 후세인 박사과정생, 권인찬 교수, 김승균 박사과정생 / 사진=지스트

희토류(Rare earth elements)는 원소기호 57번부터 71번까지의 란타넘계 원소와 21번 스칸듐(Sc)과 39번 원소 이트륨(Y)를 포함한 원소로 독특한 화학적, 전기적, 자성적, 발광적 특성을 갖고있어 첨단산업(스마트폰, 반도체, 자동차, 항공 우주 산업 등)에 사용되는 원소를 총칭한다. 희토류는 열과 전기가 잘 통하는 특성을 가지고 있지만, 생산이 제한적이다.

이번 연구성과를 담은 논문은 화학분야의 SCI급 국제학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials, IF=18.808)’ 지난해 12월 26일자 온라인판에 게재됐다.

논문명은 'Repeated Recovery of Rare Earth Elements Using a Highly Selective and Thermo-Responsive Genetically Encoded Polypeptide '이며, 지스트 권인찬 교수가 교신저자로, 조하이브 후세인 박사과정생 과 김승균 박사과정생이 공동제1저자로 참여했다. 

연구팀의 권인찬 교수는 "희토류의 생산부족 문제를 해결하기 위한 기술 들이 현재까지 다양한 한계가 있었다"면서 "하지만 이번 기술을 통해 다양한 산업 현장에서 나오는 부산물에서 부가가치가 높은 희토류를 회수할 수 있어, 희토류 공급의 문제 및 환경오염 문제를 줄이는 데 기여할 것으로 기대한다"고 말했다.

이어 "단백질 흡착제는 철강 슬래그뿐만이 아니라 화력 발전이나 배터리 산업체 등 다양한 산업 현장에서 응용이 가능할 수 있는 잠재력을 지니고 있다"고 말했다.

국제학술지 'Advanced Functional Materials' 최신호에 게재된 해당 논문 

최근 희토류를 산업폐기물에서 회수하여 생산 부족 문제를 해결하려는 연구들이 진행되어 왔으나, 기존의 기술로는 사용한 흡착제나 용매가 환경오염의 원인이 되는 한계가 존재했다. 

또한, 산업폐기물 내 희토류는 소량 존재하고, 마그네슘․구리 등의 희토류가 아닌 원소들(비희토류)이 다량 포함되어 있어서 희토류만을 선택적으로 회수하는 것이 어려웠다. 

이에따라, 연구팀은 희토류에 선택적 결합 및 탈착이 가능한 단백질과 온도에 따라 졸-젤(Sol-Gel) 상변이가 되는 단백질을 융합하여 희토류만을 선택적으로 회수할 수 있고, 용매 사용 없이 반복 사용이 가능한 단백질 흡착제를 개발했다.

개발된 단백질 흡착제는 자연적으로 분해가 되어 환경오염의 문제도 최소화 할 수 있다. 졸-젤 (Sol-Gel) 상변이란 자극 (온도, pH 등)에 따라 입자가 분산 (Sol)과 특정한 형태 (Gel)로 변화가 가능한 현상을 말한다.

지구에 상대적으로 많이 분포되어 있는 13종의 희토류 원소와 과량의 비희토류 원소 혼합물에 개발한 단백질 흡착제를 적용함으로써, 실험실 조건에서 90% 이상의 희토류를 회수하고 비희토류는 거의 회수되지 않음을 확인했으며 또, 선택적 회수가 가능함을 발견했다. 

자료이미지=지스트

[그림설명] 개발된 단백질 흡착제를 통한 선택적 희토류 회수 사이클
희토류 및 비희토류 원소 혼합물에서 단백질 흡착제 통해 희토류를 선택적으로 회수하는 것을 표현하고 있다.

또한, 일정 횟수 반복 사용하여도 희토류 회수 효율이 유지되어 흡착제의 활용 가능성을 확인했다.

나아가 산업폐기물인 철강 슬래그에 존재하는 15종의 희토류에 대해 80% 이상 회수하는 결과를 확인해, 산업에서의 사용 가능성을 기대하고 있다. 

연구팀은 "다만, 실제 응용되기 위해서는 단백질 흡착제 생산 및 적용 규모 확대에 대한 더 많은 연구가 필요하다"고 말했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 선도연구센터 중견연구와 C1 가스리파이너리 사업단의 지원으로 수행됐다.


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