나노기술 및 정책 정보

• 목록

담수는 인류와 기타 생명이 생존할 수 있는 가장 소중한 자원 중의 하나에 속하지만 인구의 증가, 기후 변화, 물 오염 때문에 담수 사용 가능성은 점점 더 낮아지고 있음. 풍부한 해수가 담수 대체 물 자원으로 될 수는 있겠지만 해수 담수화는 생산성이 떨어지고 에너지 소모가 상대적으로 높은 제한을 받고 있음.

역삼투(RO) 기술을 포함한 막을 기반으로 하는 해수 담수화 기술은 현재 이미 열 탈염 방법보다 더 효과적이라는 점이 입증되었으며, 전통적인 중합성 역삼투(RO) 막에는 오물에 대한 낮은 저항 수준과 낮은 선택성 및 안정성, 취약한 화학/열분해 저항 등의 결함이 존재하기 때문에 더욱 좋은 삼투성, 선택성, 화학 안정성을 보유하고 있는 동시에 오염에 저항할 수 있는 신소재에 대한 탐색은 과학자들이 끊임없이 노력하고 있는 방향임.

신형 세 가지 유형의 막은 물 삼투성과 선택성 문제를 해결하는데 큰 잠재력을 보이며, 신형 세 가지 유형의 막은 다공성 그래핀, 인공 수막(水膜) 통로와 같은 초박(超薄) 나노포러스막(nano-porous membrane), 탄소나노튜브(CNTs)와 적층 벨트 2차원 물 통로 막, 산화 그래핀(GO)과 이황화몰리브덴이 포함됨.

이론적으로 원자 두께의 막은 매우 높은 삼투 비율을 발생시키는데, 물통과량과 막 두께는 반비례 관계를 형성하고 이런 소재 중에서 그래핀 소재는 내 오염성, 내 분해성, 초고(超高) 기계 성능과 찢어짐에 저항하는 강도가 높은 특징을 보유하고 있기 때문에 조절 가능한 작은 구멍 갭 크기, 조절 가능한 삼투 비율, 화학적 안정성과 신축이 가능한 합성 방법은 원가 면에서 효율성을 보유하고 있는 생산을 실현할 수 있는 것으로 나타남.

이런 우세 때문에 그래핀 베이스 막은 차세대 해수 담수화 시스템 분야에서 전망이 밝은 후보로 평가 받고 있는 상황이지만 나노다공성 그래핀이 해수 중에서의 응용은 아직도 연구 단계에 있는 상황이며, 단일 층에서 반경이 0.45nm 이하인 무결점 서브 나노포러스(nano-porous)를 뚫어 탈염을 실현하기는 쉽지 않음.

이러한 주요 원인은 균일한 서브 나노레벨의 공경을 보유한 공극 분포가 필요하기 때문이며, 공경의 크기가 나노다공성 그래핀의 선택성을 결정하게 되므로 심각한 도전에 직면하게 됨. 나노포러스막 제조로 하여금 관건적인 요소가 되게끔 하여 다공성 그래핀 막 기술의 대규모 응용에 영향을 끼치게 됨.

다른 여러 분리막은 여전히 삼투성과 탈염 비율 간의 모순 문제에 직면하고 있는데 높은 탈염 비율 수준에 도달하려면 물 삼투성을 희생시켜야 하기 때문에 두 개 모두 만족할 수 있는 결과에 도달하기 어려워 과학자들은 해결책을 내놓지 못하고 있음.

막의 선택성은 막의 삼투성과 선택성 간의 모순에 의존하고 있는 동시에 막 분리 기술의 발전을 결정하게 됨.

중국 장수(江蘇, 강소) 대학교 연구팀은 미국 캘리포니아 대학교 버클리 캠퍼스 연구팀과 공동연구를 통해 미지의 메커니즘을 발견하고, 포러스를 이용하여 나노다공성 그래핀 막을 회전시켜 삼투성과 선택성 간의 모순을 파괴함. 그 결과, 회전 그래핀 막은 거의 100%에 달하는 염분 배출 비율을 실현하며, 공극 사이즈가 수합(水合) 이온보다 큰 동시에 표면이 액체/그래핀 인터페이스 슬라이딩 이동을 할 때 회전 막은 동시에 초(超) 선택성과 전례 없는 높은 삼투 비율을 실현할 수 있다는 점을 발견하였음.

연구팀은 "시간 선택성" 개념을 제시하고, 비(非) 전통 선택성은 이온이 포러스를 통해 관통하는 시간과 이온 슬라이딩 이동을 하는데 필요한 시간 간의 차이에 의해 발생하게 된다는 연구 결론을 도출하였음. 새롭게 발견한 시간 선택성은 공극 크기의 제한을 극복한다는 점을 발견하고, 일종 새로운 이론을 제시함으로써 고 성능 막 디자인을 위해 기반을 구축하였음.

연구팀은 이번 연구를 통해 효율적인 반 삼투 탈염 장치 디자인을 위한 중요한 과학 기반을 구축하였으며, 회전/컷팅 막 이론과 실험 연구를 추진하고, 차세대 해수 담수화 시스템 디자인 및 물 정화 기술 혁신을 위해 중요한 기술 수단을 제공하였음.

본 연구 성과는 Science Advances ("Surface slip on rotating graphene membrane enables the temporal ivity that breaks the permeability-ivity trade-off")에 게재됨.