초록 ▼

□ 연구개요
꿈의 신소재로 주목받고 있는 그래핀을 양산화하여 대량생산을 하기 위해서는 화학적 박리법이 필수적임. 하지만 화학적 박리법을 활용한 그래핀 플레이크 생산 과정에서 필연적으로 발생하는 대량의 산폐액은 환경오염뿐만 아니라 소재의 단가 상승문제를 초래하고 있음. 따라서 본 연구에서는 그래핀 제조 과정 중 사용되는 산화제의 잔류 물질인 망간이 다량으로 존재하는 공정 폐액을 활용하여, 매우 낮은 pH를 가지고 있는 폐액에서 망간을 회수하는 전략을 수립하고 최종적으로 활용성이 높은 이산화망간으로 회수하는 방법을 제시하였음.

□ 연구개요
꿈의 신소재로 주목받고 있는 그래핀을 양산화하여 대량생산을 하기 위해서는 화학적 박리법이 필수적임. 하지만 화학적 박리법을 활용한 그래핀 플레이크 생산 과정에서 필연적으로 발생하는 대량의 산폐액은 환경오염뿐만 아니라 소재의 단가 상승문제를 초래하고 있음. 따라서 본 연구에서는 그래핀 제조 과정 중 사용되는 산화제의 잔류 물질인 망간이 다량으로 존재하는 공정 폐액을 활용하여, 매우 낮은 pH를 가지고 있는 폐액에서 망간을 회수하는 전략을 수립하고 최종적으로 활용성이 높은 이산화망간으로 회수하는 방법을 제시하였음.

□ 연구 목표대비 연구결과
- 그래핀 세척 공정별 분석 시행 결과 세척 1단계 폐액 내 고농도 망간 함유를 확인하였으며 그 농도는 평균 14,935.15 ± 1,640.73 mg/L로 연구 목표 10,000 mg/L 이상의 농도를 확인 후 회수 대상 폐액으로 최종 선정하였음.
- 황산 기반의 매우 낮은 pH를 가지고 있는 대상 폐액은 산촉매분해, 재용해로 인한 회수율 감소 문제가 발생하여 이를 해결하고자 폐액 내 불순물을 제거하기 위한 반용매침전법을 적용하였고 연구 결과, 아세톤 반용매 1:150 (w Mn/w acetone) 주입비율과 5분의 침전 반응 시간을 최적 조건으로 확립하였음.
- 이산화망간을 회수하는 방법으로는 크게 두 가지로 산화침전과 전해추출을 이용하였으며, 전해추출 방법을 통해 물이끼 형태의 이산화망간을 최종적으로 회수하였음.
- 산화침전 방법을 통해서는 나노 로드 (nano rod)가 표면에 형성된 성게 형태의 이산화망간을 회수하였으며, 이러한 nano rod의 길이와 구조적인 형태는 산화침전 반응 시간 및 온도에 따라 변화됨을 확인하였고, 결과적으로 촉매활성도에 큰 영향을 끼치는 것으로 결론을 도출하였음.
- 망간 농도 기준으로 폐액의 자원 회수율을 확인한 결과, 반용매 침전법 73%, 산화침전법 99%의 회수율을 얻었으며, 폐액 대비 이산화망간의 최종 회수율은 72%로 확인됨에 따라, 폐배터리 폐액을 이용한 기존 연구에서 밝혀진 60~70% 정도의 망간 회수율과 비교하여 이번 과제 수행을 통해 얻은 연구 결과가 더 높은 자원 회수율을 달성하였음.

□ 연구개발성과의 활용 계획 및 기대효과 (연구개발결과의 중요성)
- 그래핀 시장이 점점 더 커짐에 따라 그래핀의 공급 수요는 증가할 것으로 예상되며, 이는 그래핀의 대량생산 필요성을 가속화하고 화학적 박리법을 이용한 산화그래핀 제조 공정이 필수적으로 사용되면서 폐액의 증가는 불가피할 것으로 판단됨.
- 폐액을 처리하고 그 안에 존재하는 망간을 회수하여 사용한다면 자원회수와 환경적인 측면에서 매우 긍정적인 효과를 불러오고, 결과적으로 그래핀 제조 단가를 낮출 수 있어 그래핀의 상용화에 크게 이바지할 것으로 기대함.
- 또한 회수한 이산화망간은 촉매, 전극, 염료 등 다양한 분야에 적용 가능하며 특히 최근 전기 배터리 시장이 점점 더 커짐에 따라서 본 연구에서 개발한 망간 자원회수 전략은 큰 경쟁력 있는 기술로 활용될 수 있음.

(출처 : 연구결과 요약문 2p)