폐기물에서 희토류 추출하는 단백질 흡착제 개발 

- 철강 폐기물로 희토류 공급 부족 해결 실마리 제안

열과 전기가 잘 통하는 특성을 가진 희토류. 전기전자, 촉매 광학 초전도체 등 다양한 산업 분야에서 필요로 하지만 생산이 제한적인 희토류를 폐기물인 철강 슬래그에서 선택적으로 회수 할 수 있는 단백질 흡착제가 개발됐다.
  한국연구재단(이사장 이광복)은 권인찬 광주과학기술원 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 지난달 19일 밝혔다.
  최근 희토류를 산업폐기물에서 회수하여 생산부족 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.
  연구팀은 희토류에 선택적 결합 및 탈착이 가능한 단백질과 온도에 따라 졸-젤 (Sol-Gel) 상변이가 되는 단백질을 융합하여 희토류만을 선택적으로 회수 가능하고 용매 사용 없이 반복 사용이 가능한 단백질 흡착제를 개발했다. 개발된 단백질 흡착제는 자연적으로 분해가 되어 환경오염의 문제도 최소화 할 수 있다.
  지구에 상대적으로 많이 분포되어 있는 13종의 희토류 원소와 과량의 비희토류 원소 혼합물에 개발한 단백질 흡착제를 적용, 실험실 조건에서 90% 이상의 희토류를 회수하고 비희토류는 거의 회수되지 않음을 확인하였으며 선택적 회수가 가능함을 발견했다. 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 확인하여 산업에서의 사용 가능성을 기대하고 있다. 다만, 실제 응용되기 위해서는 단백질 흡착제 생산 및 적용 규모 확대에 대한 더 많은 연구가 필요하다.
  과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 선도연구센터 ·중견연구와 C1 가스리파이너리 사업단의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 화학 분야 국제학술지‘Advanced Functional Materials’12월 26일 온라인에 게재됐다.

[주요 연구내용]

1. 연구의 필요성

희토류는 독특한 화학적, 전기적, 자성적, 발광적 특성을 가져 현대 산업에서 없어서는 안되는 중요한 자원으로 여겨지고 있다. 하지만 세계적인 수요에도 공급이 불안정하며, 희토류 생산에 있어 발생하는 환경문제가 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 산업 과정에서 나오는 희토류가 포함된 것으로 알려진 철강슬래그나 석탄 연소 잔류물(fly ash) 등에서 희토류를 회수하여 희토류 공급 및 환경 피해를 줄이기 위한 다양한 방법이 연구되었다. 그러나 현재까지 연구된 방법은 용매를 사용하여 더 큰 환경오염을 일으키거나 일회성으로 희토류를 회수하여 기존의 문제점을 해결하기 힘들었다. 연구팀은 실제 산업 부산물에서도 선택적․반복적으로 희토류를 회수할 수 있는 플랫폼 개발을 진행하였다.

2. 연구내용

연구팀은 온도 감응성 졸-젤 (Sol-Gel) 특성을 가지는 단백질이 희토류에 강한 흡착 효과를 가지는 것으로 보고된 단백질을 결합하여 단백질 흡착제를 설계하였고, 대장균에서 성공적으로 정제하였다.
  온도에 따라 흡착제는 고온 (~37℃)에서 젤 형태로 상변이를 하였으며, 저온 (~4℃)에서는 졸 상태로 존재하는 것을 확인하였다. 간단한 온도변화를 통해 젤 상태의 흡착제를 회수하고 졸 상태로 바꾸어 희토류 흡착을 가능함을 확인했다.
  희토류 회수 가능성을 확인하기 위해 흡착제를 다양한 희토류와 비희토류(일반 금속 원소 (마그네슘, 구리 등))를 섞은 용액에 적용할 경우, 희토류의 90% 이상이 회수된 것을 확인하였으며, 일반 금속 원소들은 희수가 거의 되지 않은 것을 통해 연구팀은 흡착제가 희토류만을 선택적으로 결합할 수 있음을 확인하였다. 얻어진 흡착제를 여러 번 사용이 가능함을 확인하기 위해 연구팀은 6번의 희토류 반복 회수 실험을 진행했으며, 희토류 회수가 지속적으로 가능함을 확인하였다.
   연구팀은 실제 산업 부산물인 철강슬래그를 이용하여 흡착제가 실제 산업 현장에서 사용 가능한지 확인해보았으며, 철강 슬래그에 존재하는 희토류를 성공적으로 회수할 수 있음을 확인하였다. 이를 통해 이번에 개발된 단백질 흡착제가 희토류를 친환경적으로 재활용할 수 있는 플랫폼이 될 수 있음을 보여주었다.

3. 연구성과/기대효과

희토류의 생산부족 문제를 해결하기 위한 기술들이 현재까지 다양한 한계가 있었다. 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. 또한, 이러한 단백질 흡착제는 철강 슬래그뿐만이 아닌 화력 발전이나 배터리 산업체 등 다양한 산업 현장에서 응용이 가능할 수 있는 잠재력을 지니고 있다.

<그림 1> 개발된 단백질 흡착제를 통한 선택적 희토류 회수 사이클.
희토류 및 비희토류 원소 혼합물에서 단백질 흡착제 통해 희토류를 선택적으로 회수하는 것을 표현. (자료제공: 광주과학기술원 권인찬 교수)

<그림 2> 개발된 단백질 흡착제를 통한 철강 슬래그 희토류 회수율.
단백질 흡착제를 통해 실제 철강 슬래그에 존재하는 희토류를 회수한 결과 비희토류는 거의 회수되지 않고 희토류를 선택적으로 회수 가능함을 확인. (자료제공: 광주과학기술원 권인찬 교수)

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