▲ 초고투과성 그래핀 나노섬유를 이용한 수처리 분리막

국내 연구진이 그래핀을 활용해 수처리 효율을 크게 높였다.

GIST(광주과학기술원, 총장 문승현)는 김인수 지구환경공학부 교수팀과 윤명한신소재공학부 교수팀이 그래핀을 나노섬유의 형태로 제작해 지지층이 없어도 물리적 강도 확보가 가능한 초고투과성 수처리막을 개발했다고 지난 23일 밝혔다.

오랜 기간 삼투압 차에 의해 물을 여과하는 정삼투(Forward Osmosis) 공정에 대한 연구가 활발히 이뤄져왔다.

이러한 정삼투 공정에 쓰이는 수처리막의 삼투압 차가 감소되어 물의 이동이 감소하는 농도분극(Concentration Polarization) 현상을 악화시켜 수처리 효율을 감소시키는 주된 원인으로 지적돼왔다.

이러한 현상은 분리막의 물리적 강도를 확보하기 위한 다공성 재질의 막인 ‘지지층’의 물리적인 저항에 의해 발생한다. 특히 다공성 지지층 내부에서 발생하는 농도분극 현상은 수투과도 저하의 주된 원인이다.

이에 연구팀은 기존 정삼투 수처리막에서 지지층을 제거하고, 부직포 형태의 나노섬유를 적용하여 물리적 강도를 확보함과 동시에 농도분극현상을 현격하게 감소시켜 수처리 효율을 크게 개선했다.

또한, 본 연구에서 제작된 수처리막의 수투과도는 54.6 LMH로 현재 상용화된 수처리막(평균 30 LMH) 보다 1.8배 뛰어난 성능을 갖추고 있다.

농도분극 현상은 지지층의 공극률 (Porosity)과 굴곡도 (Tortuosity) 및 두께에 의해 결정이 된다. 연구팀은 지지층을 제거하여 위 물리적 인자들을 완벽하게 제거함과 동시에, 그래핀 나노섬유 사이를 PVDF(Polyvinylidene fluoride) 재질로 채워 수처리 막으로써의 기능을 확보할 수 있었다.

김인수 교수는 “이번 연구는 지지층이 없이 그래핀과 나노섬유를 이용해 물리적 강도를 확보하면서 수처리 효율을 급격하게 향상시켜, 수처리막 제작에 있어 돌파구를 마련한 첫 사례이며, 향후 수처리 시장에서 널리 적용되길 기대한다.”고 말했다.

한편, 본 연구는 국토교통부가 지원하는 플랜트 연구사업(해수담수화)의 지원을 받아 수행됐으며, 연구 성과는 화학물리분야 국제학술지인 Journal of Materials Chemistry A(JMCA)에 4월4일에 온라인 게재됐고, 표지논문(Frontispiece)으로 선정됐다.