Selective Separation of Ni 2+ /Co 2+ and H + from MWCNT Purification Waste Acid by an Acid-Resistant Nanofiltration Membrane and Reuse Evaluation

전기 자동차와 휴대용 전자 기기에 전력을 공급하는 리튬 이온 배터리 깊은 곳에는 핵심적인 구성 요소인 탄소 나노튜브가 자리 잡고 있습니다. 이것들은 탄소 원자로 이루어진 미세한 튜브 모양의 구조체로, 강도와 전기 전도성으로 유명합니다. 이를 제조하기 위해 엔지니어들은 종종 니켈이나 코발트와 같은 금속의 미세 입자를 촉매제로 사용하여 탄소가 완벽한 모양으로 성장하도록 돕습니다. 그러나 튜브가 형성된 후에도 이 금속 입자들은 튜브 내부에 갇히거나 표면에 달라붙어 있으며, 고성능 배터리에 유용한 재료로 만들기 위해서는 반드시 제거해야 할 불순물로 작용합니다. 이들을 세척하는 표준적인 방법은 튜브를 강한 황산에 넣고 끓이는 것인데, 이 과정은 원치 않는 금속 입자를 액체 속으로 녹여냅니다. 이로 인해 발생하는 폐액은 위험할 정도로 산성이 강하며 용해된 금속들로 가득 차게 됩니다. 전통적으로 공장들은 이 폐기물을 중화시키기 위해 대량의 화학 물질을 사용하며, 이는 유해한 폐기물 슬러지를 생성하고 귀중한 금속과 산을 모두 버리게 되는, 비용이 많이 들고 환경적으로 해로운 순환을 초과합니다.

중국의 한 연구팀은 특수 필터를 사용하여 이 순환을 끊는 방법을 찾아냈습니다. 폐기물을 중화시키는 대신, 그들은 강한 산을 견딜 수 있도록 설계된 막(membrane)을 통과시켰습니다. 이 막은 물과 산 분자는 통과시키면서 더 무거운 금속 이온은 걸러내는 매우 미세한 체 역할을 합니다. 목표는 이 단순한 분리 과정을 통해 귀중한 금속을 재사용을 위해 농축하고, 깨끗한 산을 공장으로 돌려보내 다시 사용할 수 있는지 확인하는 것이었습니다. 연구진은 두 가지 다른 유형의 폐기물을 대상으로 이 방법을 테스트했습니다. 하나는 코발트를 포함한 폐기물이었고, 다른 하나는 니켈을 포함한 폐기물이었습니다. 그들은 이 간단한 분리가 금속을 재사용 가능한 수준으로 농축하는 동시에, 공장에서 다음 번 세척 단계에 다시 사용할 수 있을 만큼 깨끗한 산 흐름을 만들어낼 수 있는지 확인하고자 했습니다.

연구는 다중 벽 탄소 나노튜브의 정제 과정에서 발생하는 두 가지 특정 폐기물 흐름에 집중했습니다. 한 흐름은 코발트 촉매로 만들어진 튜브에서 나왔고, 다른 하나는 니켈 촉매로 만들어진 튜브에서 나왔습니다. 두 흐름 모두 매우 산성이 강했으며, 니켈 폐기물이 코발트 폐기물보다 약간 더 공격적이었습니다. 연구진은 상업용 막 모듈에 이 액체들을 펌프로 밀어 넣고, 압력을 가해 액체를 필터 너머로 통과시켰습니다. 과정이 진행됨에 따라, 그들은 물과 산을 제거하면서 금속 이온을 뒤에 남겨둠으로써 액체를 점진적으로 농축했습니다. 그들은 막이 금속을 얼마나 잘 붙잡아 두는지와 농축 단계에 따라 산이 얼마나 통과하는지를 모니터링했습니다.

코발트 함유 폐기물의 경우, 막은 매우 뛰어난 성능을 보였습니다. 액체를 20배 농축했을 때, 남아 있는 액체 속의 코발트 양은 리터당 수백 밀리그램에서 리터당 4그램 이상으로 증가했습니다. 막은 코발트 이온의 80% 이상을 차단했는데, 이는 대부분의 금속이 농축된 액체에 그대로 남아 있었음을 의미합니다. 또한 알루미늄이나 마그네슘과 같은 다른 불순물들도 잡아두었습니다. 동시에, 산은 높은 효율로 막을 통과했습니다. 금속 농도가 높아졌음에도 불구하고, 막은 여전히 산을 통과시켜 전체 액체 부피 중 90% 이상의 황산을 회수했습니다. 연구진은 또한 압력의 변화가 과정에 어떤 영향을 미치는지 테스트했습니다. 그들은 압력을 높이면 더 많은 액체가 필터를 통과하게 되며, 이것이 오히려 필터 표면에 입자가 쌓이는 것을 줄여줌으로써 막이 금속을 더 잘 붙잡도록 돕는다는 것을 발견했습니다.

니켈 함유 폐기물에 대한 결과도 비슷하게 유망했으나, 조건은 약간 달랐습니다. 니켈 폐기물은 더 강한 산성을 띠었기에 막이 조금 다르게 작동했습니다. 이 고산성 환경에서 막은 전기적 힘보다는 입자의 물리적 크기에 더 의존하여 분리를 수행했습니다. 그럼에도 불구하고, 막은 전체 과정 동안 90% 이상의 니켈 이온을 차단했습니다. 액체를 25배 농축함으로써, 니켈 농도를 리터당 1그램 미만에서 리터당 거의 17그램까지 높였습니다. 산 회수율 역시 높게 유지되어, 93% 이상의 황산이 막을 통과했습니다. 높은 산도 때문에 액체가 코발트 폐기물보다 필터를 더 느리게 통과했지만, 분리는 안정적이고 효과적이었습니다.

회수된 산이 정말로 유용한지 증명하기 위해, 연구진은 이를 다시 실전에 투입했습니다. 그들은 막을 통과한 깨끗한 산을 가져와 새로운 배치(batch)의 탄소 나노튜브를 정제하는 데 사용했습니다. 그들은 이 재활용된 산을 신선한 새 황산과 비교했습니다. 결과는 거의 동일했습니다. 재활용된 산을 사용하여 코발트 기반 튜브를 세척했을 때, 남은 금속의 양은 6% 이상에서 0.5% 미만으로 떨어졌습니다. 니켈 기반 튜브의 경우, 금속 잔류물은 7% 이상에서 0.5%로 감소했습니다. 새 산을 사용했을 때도 거의 비슷한 낮은 수준의 잔류량을 보였습니다. 이는 금속으로부터 분리된 산이 산업용 세척 과정에서 새 산만큼이나 효과적임을 확인시켜 주었습니다.

또한 연구는 재활용된 산으로 세척된 탄소 나노튜브의 물리적 구조를 조사했습니다. 연구진은 강력한 현미경을 사용하여 정제 전후의 튜브를 관찰했습니다. 세척 전의 튜브들은 금속 촉매의 검은 점들로 덮여 있었습니다. 재활용된 산으로 처리한 후, 이 점들은 사라지고 튜브는 깨끗하고 매끄러워졌습니다. 튜브 자체의 구조는 손상 없이 온전하게 유지되었습니다. 이는 이 재활용 과정이 정화하려는 귀중한 재료에 해를 끼치지 않았음을 보여주었습니다.

이 접근 방식은 전통적인 폐산 중화 방식보다 상당한 개선을 제공합니다. 기존 방식은 산을 중화하기 위해 대량의 화학 물질을 첨가해야 하며, 이는 처분해야 할 엄청난 양의 독성 슬러지를 생성하고 산과 금속의 가치를 파괴합니다. 새로운 방식은 물리적 장벽을 사용하여 구성 요소를 분리함으로써 추가적인 화학 물질의 필요성을 없애고 유해한 슬러지 생성을 방지합니다. 또한 공장이 산을 계속해서 다시 사용할 수 있도록 폐쇄 루프(closed loop)를 유지하게 하며, 동시에 회수를 위한 귀중한 금속을 농축할 수 있게 합니다. 연구진은 막이 수년간 연속적으로 사용될 때 어떻게 견딜지에 대해서는 테스트하지 않았다고 언급했으나, 그들의 연구 결과는 이 과정이 이러한 특정 산업 폐기물을 처리하는 데 기술적으로 실현 가능하며 효과적이라는 점을 보여줍니다. 이 연구는 차세대 에너지 저장에 필요한 재료를 생산하는 데 있어 더욱 지속 가능한 방법을 향한 명확한 경로를 제시합니다.