□ GIST(지스트, 총장 문승현) 지구환경공학부 김인수 교수팀과 신소재공학부 윤명한 교수팀이 그래핀(Graphene)*을 나노섬유의 형태로 제작하여 지지층(Support Layer)**이 없어도 물리적 강도 확보가 가능한 초고투과성 수처리막을 개발하였다.
* 탄소만으로 이루어져있어 물리적 및 화학적으로 안정된 고강도 물질
** 분리막의 물리적 강도를 확보하기 위한 다공성 재질의 막 

 

□ 오랜 기간 정삼투* (Forward Osmosis) 공정에 대한 연구가 활발히 이뤄져왔으며, 정삼투 공정에 쓰이는 수처리막의 지지층은 농도분극(Concentration Polarization)** 현상을 악화시켜 수처리 효율을 감소시키는 주된 원인으로 지적되어 왔다.  

∘ 이러한 현상은 지지층의 물리적 저항에 의해 발생되며, 실제 물의 이동을 발생시키는 두 용액간의 삼투압 차를 줄이기 때문에 물의 이동에 걸림돌이 된다. 특히 다공성 지지층 내부에서 발생하는 농도분극 현상은 수투과도 저하의 주된 원인이다.
* 서로 다른 농도를 가진 두 용액 사이에 비공극성 막을 배치하여 삼투압 차에 의해 물을 여과하는 공정
** 지지층의 물리적 저항으로 인해 삼투압 차가 감소되어 물의 이동이 감소되는 현상

□ 연구팀은 기존 정삼투 수처리막에서 지지층을 제거하고, 부직포 형태의 나노섬유를 적용하여 물리적 강도를 확보함과 동시에 농도분극현상을 현격하게 감소시켜 수처리 효율을 크게 개선하였다. 또한, 본 연구에서 제작된 수처리막의 수투과도는 54.6 LMH***로 현재 상용화된 수처리막(평균 30 LMH) 보다 1.8배 뛰어난 성능을 갖추고 있다.
*** 단위시간당 분리막의 단위면적당 투과되는 투과량을 나타내는 단위 (L/m2/h)

∘ 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.
* 전체 지지층의 부피에서 비어있는 공간이 차지하는 비율
** 지지층 내부의 굴곡진 구조로 인해 지지층의 두께에 비교하여 실제 물이 이동하는 거리의 비율

□ 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.

□ 본 연구는 국토교통부가 지원하는 플랜트 연구사업(해수담수화)의 지원을 받아 수행되었으며, 연구 성과는 화학물리분야 국제학술지인 Journal of Materials Chemistry A(JMCA)에 4월 4일(수)에 온라인 게재되었고, 표지논문(Frontispiece)으로 선정되었다. <끝>