[과학을읽다]폐수에서 금속이 '자란다'…KIST, 세계 최고 성능 구리 회수 캡슐 개발

산업폐수 속 구리 선택적 회수·재활용
자원 확보·환경 보호 동시 달성 기대

산업 현장에서 유해 폐수로 취급되던 구리가 고순도 금속으로 다시 태어나는 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다.

한국과학기술연구원(KIST) 연구팀이 폐수 속 구리 이온을 흡착한 뒤 캡슐 내부에서 직접 금속 결정으로 성장시키는 신개념 회수 소재를 구현해 전략금속 확보와 친환경 자원순환 분야에서 주목받고 있다.

3D 고밀도 아민 밀리캡슐(DMC)의 내부 기공구조의 곡률에 따른 제어된 결정형성 메커니즘. 고밀도 아민 밀리캡슐 내에 형성된 다양한 기공의 곡률에 따라 도입된 아민 작용기의 밀도에 차이가 있음을 확인. 이를 기반으로 결정화 유도 작용기 도입. 구리 흡착 후 내부 다단기공구조는 고밀도의 결정으로 채워져 있음을 micro-CT 이미지를 통해 확인하고, 기타 양이온 금속 이온과 공존 조건에서도 구리에 대한 높은 선택도 보임. 선행 문헌에서 보고된 구리 회수와 비교했을 때 나노크기의 흡착제보다 약 2배 이상 높은 구리 회수 용량 확인. 그림설명 및 제공 : 최재우 한국과학기술연구원 책임연구원, 정영균 박사후연구원, 이윤 학생연구원.

폐수가 금속 자원으로…구리 공급난 해결 실마리

한국연구재단은 20일 최재우 KIST 박사 연구팀이 고용량·고내구성의 '3차원 아민 밀리캡슐'을 개발해 국제학술지 '첨단 복합재료 및 하이브리드 소재(Advanced Composites and Hybrid Materials)'에 발표했다고 밝혔다.

구리는 반도체·전력망·2차전지·신재생 인프라 구축에 필수적인 금속으로, 수요가 빠르게 증가하는 반면 해외 의존도가 높아 안정적 회수 기술의 필요성이 커지고 있다.

기존 전기분해나 막분리 방식은 고비용으로 실증화가 제한적이었고, 평면 구조 기반의 흡착제는 용량·선택성 저하로 산업 현장에 즉시 적용하기 어려웠다. 나노입자형 소재는 성능은 우수하지만, 분리 과정이 까다롭고 대규모 공정에서 취급성 문제가 제기돼 왔다.

연구팀은 이러한 한계를 해결하기 위해 구리 이온이 캡슐 내부 공간에 유입돼 3차원 구조 안에서 그대로 결정으로 자라는 '흡착-결정화 메커니즘'을 구현했다. 쌀알 크기의 밀리캡슐 내부에는 방사형 골격과 다층 기공 구조가 형성돼 있으며, 표면에 도입된 고밀도 아민 작용기가 구리를 빠르게 포획한다. 이후 음이온과 결합해 금속 결정으로 성장하는 과정이 캡슐 내부에서 일어나 구조적 안정성과 높은 회수 효율을 동시에 확보했다.

세계 최고 용량…50일 연속 운전에도 안정 유지

이 소재는 1602.3㎎/g의 최대 흡착용량을 기록했는데, 이는 기존 소재 대비 약 두 배 이상 높은 세계 최고 수준이다. 7회 재사용 시 성능 감소는 6.4% 이내로 제한되었고, 50일 연속 운전에서도 구조적 손상이 없었다.

여러 금속이 혼재된 산업폐수에서도 구리에 대한 선택성이 매우 높아 실제 반도체·도금·금속가공 폐수에 적용 가능한 수준으로 평가된다. 밀리미터 크기 고분자 캡슐이기 때문에 고체-액체 분리가 쉽고 압력 손실이 적어, 기존 연속식 컬럼 공정에 바로 투입할 수 있다는 점도 산업적 장점으로 꼽힌다.

이번 기술의 또 다른 특징은 소재 제작에 일상 의류의 주요 성분인 아크릴 섬유를 활용했다는 점이다. 폐의류를 고부가가치 회수 소재로 전환할 수 있어 친환경 순환경제 기술로서 확장성이 크다.

최재우 박사는 "캡슐 내부에서 자라는 고순도 구리 결정은 촉매나 전극 등 고부가가치 소재로 재활용될 수 있어 단순 처리 기술이 아닌 '폐수→금속 생산' 구조를 만드는 기반이 될 것"이라고 설명했다. 공동 연구자인 정영균 박사는 "반도체·도금 등 실제 산업폐수를 대상으로 추가 실증을 진행해 산업 현장 적용성을 더욱 높일 계획"이라고 밝혔다.

구리 수요는 AI 데이터센터 확장, 전기차 보급, 송배전망 강화 등으로 앞으로도 급증할 전망이다. 도시폐기물·전자폐기물·산업폐수를 새로운 '도시 광산'으로 활용하는 기술의 중요성이 커지는 가운데, 이번 기술은 국내 자원 확보와 환경오염 저감, 산업 경쟁력 제고를 동시에 겨냥할 수 있는 플랫폼으로 기대된다.

ACHM에 게재된 논문 제목은 "아민 기반 밀리캡슐 내 제어된 인시투 결정화에 의한 초고효율 구리 회수(Controlled in-situ crystallization in amine-rich millicapsules for hyper-efficient copper recovery)"다. 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 '세종과학펠로우십' 지원으로 수행됐다.

김종화 기자 justin@asiae.co.kr