나노기술 및 정책 정보

• 목록

미국 펄프 및 제지 산업은 나무에서 셀룰로오스 펄프를 생산하기 위해 다량의 물을 사용함. 펄프화 공정에서 나오는 물에는 많은 유기 부산물과 무기화학 물질이 포함되어 있음. 물과 화학 물질을 재사용하기 위해 제지 공장에서는 물을 끓여서 화학 물질과 분리하는 증기 공급식 증발기에 의존함.

증발기에 의한 물 분리는 효과적이지만 많은 양의 에너지를 사용하게 됨. 미국이 현재 세계에서 두 번째로 큰 제지 생산국이라는 점을 감안할 때, 미국의 약 100개 제지 공장은 물 재활용을 위해 연간 약 0.2쿼드(쿼드 1조 BTU)의 에너지를 사용하는 것으로 추정되며, 이는 가장 에너지 집약적인 화학 공정 중 하나임. 미국 로렌스 리버모어 국립 연구소에 따르면 2019년 미국의 모든 산업 에너지 소비는 총 26.4쿼드임.

대안은 에너지 효율적인 여과막을 배치하여 펄프화 폐수를 재활용하는 것이지만, 지난 수십 년 동안 상업적으로 사용 가능한 기존의 폴리머 멤브레인은 펄프화 폐수 및 기타 여러 산업 응용 분야에서 발견되는 가혹한 조건과 높은 화학적 농도에서 작동을 견딜 수 없었음.

조지아 공과 대학의 연구진은 탄소 기반의 내 화학성 물질인 산화 그래핀(GO)으로 만든 멤브레인을 엔지니어링하는 방법을 발견하여 산업 응용 분야에서 효과적으로 작동할 수 있게 함.

GO는 기존의 막을 통하는 것보다 훨씬 더 빨리 물이 통과할 수 있도록 하는 놀라운 특성을 가지고 있으나, GO 멤브레인이 산업에 활용될 수 있도록 높은 화학 농도의 현실적인 조건에서 작동하도록 만드는 것이 관건임.

새로운 제조 기술을 사용하여 연구진은 더 높은 화학 농도에서도 효과적으로 물을 계속 여과할 수 있도록 GO 멤브레인의 미세 구조를 제어할 수 있었음. 생산 공정에서 다량의 물을 사용하는 많은 산업은 이러한 GO 나노 여과막을 사용할 수 있을 것임.

GO 재료와 관련된 우수한 화학적 안정성을 유지하면서 높은 여과 성능과 기계적 안정성을 보여주는 새로운 유형의 GO 구조가 필요하고, 이러한 새로운 구조를 만들기 위해 연구진은 GO 시트 사이에 큰 방향족 염료 분자를 끼우는 아이디어를 고안함. 연구진은 이러한 분자가 한 분자를 다른 분자 위에 쌓는 것을 포함하여 여러 방법으로 GO 시트에 강력하게 결합한다는 것을 발견함.

그 결과 염료 분자가 ‘기둥’ 역할을 하는 GO 시트 사이에 공간이 생성되었고, 물 분자는 기둥 사이의 좁은 공간을 통해 쉽게 걸러지며 물에 존재하는 화학 물질은 크기와 모양에 따라 선택적으로 차단되었음. 연구진은 멤브레인 미세 구조를 수직 및 수평으로 조정하여 공간의 높이와 간격을 모두 제어할 수 있었음.

이후 연구진은 용해된 화학 물질이 포함된 다양한 물의 흐름으로 GO 나노 여과막을 테스트했으며 고농도에서도 크기와 모양에 따라 화학 물질을 차단할 수 있는 막의 기능을 보여줌 궁극적으로 새로운 GO 멤브레인을 최대 4피트 길이의 시트로 확장하고 제지 공장에서 파생된 실제 공급 흐름에서 750 시간 이상 작동을 시연함.

이는 산업의 지속 가능성 향상 및 제지 공장 에너지 사용 비용을 절감할 수 있는 GO 멤브레인 나노 여과의 잠재력을 보여주는 것으로, 개발된 막을 이용해 제지 산업에서 물 분리의 에너지 비용을 30% 이상 절약할 수 있을 것임.

본 연구 성과는 Nature Sustainability ("Graphene oxide nanofiltration membranes for desalination under realistic conditions")에 게재됨.