나노기술 및 정책 정보

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멤브레인 분리 기술은 수(水)처리 분야에서 가장 일반적으로 사용되고 있는 기술 중의 하나이며, 새로운 유형의 고성능 멤브레인 소재로서 2차원 분리 필름층 간격에 대한 정확한 조절은 물의 통과량과 차단 효율성을 향상시키는 관건이 되고 있으며, 삽입 방법은 가장 효과적인 조절 방법임.

지금까지 고성능 나노 스케일 삽입제 개발과 적용은 여전히 매우 도전적인 일임. 현재 제일 일상적인 하드 물질 삽입제(예를 들면 탄소나노튜브, TiO₂와 SiO₂ 나노 입자 등)는 분산성이 좋지 않으며, 2차원 필름의 질서정연한 층상 구조를 파괴하기 쉽고, 서브 나노 사이즈 이온의 빠른 침투를 야기함.

이런 문제점에 근거하여 중국 난징(南京, 남경) 대학교 환경대 장워이밍(張煒銘, 장위명), 판빙차이(潘丙才, 반병재) 교수 연구팀은 나노 바이오닉의 아이디어를 바탕으로 최초로 연질 삽입제를 통해 수로 단백질 채널과 유사한 채널을 구축하는 새로운 전략을 제시하였음.

연구팀은 오수 및 폐수에서 중금속 화합물에 대한 효율적인 분리 및 수질 정화를 최종 목표로 확정하고, 폴리아크릴로니트릴 겔 소프트 입자(PAN GPs，1-8nm)를 제조하여 산화 그래핀(GO) 멤브레인의 나노 스케일 삽입제로 사용하고, GO 멤브레인층 간의 PAN GPs 변형, 팽창 및 PAN GPs-π 효과에 대한 제어를 통해 나노 사이즈의 층간 거리를 정확하게 제어하였음.

또한, 알칼리성 처리를 통해 PAN GPs 표면에서 전하 및 이중 소수(double hydrophobic)성/친수성(hydrophilic properties)을 생성시키고 물 채널 차단 및 물의 신속한 침투를 유기적으로 융합시켜 물 채널/단백질 채널과 유사한 구조를 구축하였음. 그 결과 GO 복합 멤브레인은 96% 이상의 중금속 화합물 이온(Cu-NTA, Cu-CA, Cu-EDTA, Ni-EDTA, Cr-EDTA)을 차단할 수 있었으며, 물의 통과량은 문헌에서 보도된 유사한 멤브레인에 비해 4-13배에 이르렀음.

연구팀은 나노 크기의 소프트 입자 삽입제와 산화 그래핀 시트(sheet) 사이의 상호 역할 및 높은 물의 통과량과 높은 차단의 도메인 분리 및 구성 메커니즘을 심층적으로 연구하였으며, 제안된 소프트 입자 삽입 전략은 고성능 수처리 2차원 복합 멤브레인 디자인과 개발의 새로운 방향이 될 것으로 전망됨.

본 연구 성과는 ‘Nano Letters’ ("Soft Particles Enable Fast and Selective Water Transport through Graphene Oxide Membranes") 지에 게재됨.