[해외연구보고서] 맨체스터대학, 그래핀 정수필터로 위스키를 맑게 한다

영국 맨체스터 과학자들은 스래핀(graphene) 정수필터를 사용하여 위스키를 맑게 하는 기술을 개발했다.

이전에는 그래핀 산화물 막은 물을 제외한 모든 용매에 대해 완전히 불투과성인 것으로 나타났다. 그러나 네이쳐 머트리얼즈(Nature Materials)에 발표된 연구결과에 따르면, 이러한 막을 통과하는 분자는 간단하게 극저온으로 만들 수 있다.

맨체스터 대학(University of Manchester)의 내셔날 그래핀 연구소(National Graphene Institute)와 화학공학 및 분석과학 학교의 Rahul Nair 교수 팀이 이끄는 연구팀은이 막을 모든 용제가 통과할 수 있도록 하지만 미세 입자를 체질하는 능력을 손상시키지 않도록 조정했다.

새로 개발된 초박막에서 그래핀 - 산화물 시트는 조립 과정에서 형성된 핀홀이 그래핀 나노 채널로 상호 연결되는 방식으로 조립되어 막을 통과하는 용제의 큰 흐름을 허용하는 원자 스케일체를 생성한다.

이 새로운 연구는 해수담수화에서 유기용매 나노 필터레이션(OSN)에 이르기까지 그래핀 기반 멤브레인의 응용 분야를 확장한다. 염분과 물을 분리하는 해수담수화와 달리 OSN 기술은 유기용매에서 유상 또는 비충전 유기화합물을 분리한다.

예를 들어, 맨체스터 과학자들은 메탄올에 녹아 있는 나노미터(nm) 정도의 작은 유기염료를 완전히 제거할 수 있는 그래핀 산화물 멤브레인을 설계할 수 있음을 보여 주었다.

 Rahul Nair 교수는 "화학적 분리는 모두 에너지에 관한 것이고, 다양한 화학적 분리 공정은 산업 에너지 사용의 약 절반을 소비한다. 새로운 효율적인 분리 공정은 현재 수요가 많은 에너지 소비를 최소화한다. 2030년까지 세계는 오늘날보다 60% 더 많은 에너지를 소비 할 것으로 예상된다”고 말했다.

Nair 교수는 이어 "우리는 그래핀 산화물 막을 통해 위스키와 코냑을 걸러 냈다. 멤브레인은 알코올이 통과할 수 있도록 허용하지만 큰 분자는 제거하여 호박색을 나타낸다. 명백한 위스키는 원래의 위스키와 비슷한 냄새가 나지만 우리는 실험실에서 마실 수 없지만 재미있는 금요일 밤의 실험이었다"면서 “새로 개발된 멤브레인은 작은 분자를 걸러 낼뿐만 아니라 용매 유량을 증가시켜 여과 효율을 높인다” 주장했다.

실험을 주도한 Su 박사는 "개발된 멤브레인은 알코올을 여과하는 데 유용할뿐만 아니라 정확한 체크기와 높은 유속은 화학 및 제약 산업을 위한 다양한 유기 용매에서 분자를 분리할 수 있는 새로운 기회를 열어준다”면서 “이 개발은 기존의 고분자 기반 멤브레인 대부분이 유기 용매에서 불안정한 반면 개발된 그래핀 산화물 막은 매우 안정하기 때문에 특히 중요하다"고 강조했다.

National Graphene Institute에서 개발된 그래핀 산화막은 물 여과 및 담수화 응용 분야에서 널리 주목받아 물 부족 현상에 대한 잠재적 해결책을 제시하고 있다.

초박막을 사용함으로써 다른 용매를 걸러 낼 수있는 방법을 보여주는 최초의 명확한 실험으로 유기용매 나노여과의 가능성이 있음을 증명했다.

Graphene이란 세계 최초의 2차원 소재는 다목적의 최상급으로 알려져 있으며, 소수성 및 친수성 모두 강하고 유연하며 구부릴 수 있으며 인간의 머리카락보다 100만 배 얇을 수 있다.

이 연구는 그래파이트 멤브레인이 할 수 있는 것과 우리가 어떻게 사용할 수 있는지에 대한 인식을 변화 시켰다. 이러한 막을 특정 분자나 용매를 걸러 내도록 설계함으로써 이전에는 연구되지 않았던 새로운 잠재적 용도를 열어준다.

[원문보기]

Graphene water filter turns whisky clear

Previously graphene-oxide membranes were shown to be completely impermeable to all solvents except for water.

However, a study published in Nature Materials, now shows that the molecules that pass through these membranes can be tailored by simply making them ultrathin.

The research team was led by Professor Rahul Nair at the National Graphene Institute and School of Chemical Engineering and Analytical Science at The University of Manchester. They tailored the membrane to allow all solvents to pass through but without compromising its ability to sieve out the smallest of particles.

In the membranes, graphene-oxide sheets are assembled in such a way that pinholes formed during the assembly are interconnected by graphene nanochannels, which produces an atomic-scale sieve allowing the large flow of solvents through the membrane.

This research allows for expansion in the applications of graphene based membranes from sea water desalination to organic solvent nanofiltration (OSN). Unlike sea water desalination, which separate salts from water, OSN technology separates charged or uncharged organic compounds from an organic solvent.

To showcase this new technology, Manchester scientists demonstrated that graphene-oxide membranes can be designed to completely remove various organic dyes as small as a nanometre dissolved in methanol.

The newly developed membranes not only filter out small molecules but it boosts the filtration efficiency by increasing the solvent flow rate.

Dr. Su, who led the experiment added “The developed membranes are not only useful for filtering alcohol, but the precise sieve size and high flux open new opportunity to separate molecules from different organic solvents for chemical and pharmaceutical industries. This development is particularly important because most of the existing polymer-based membranes are unstable in organic solvents whereas the developed graphene-oxide membrane is highly stable.” 

Graphene-oxide membranes developed at the National Graphene Institute have attracted widespread attention for water filtration and desalination applications, providing a potential solution to the water scarcity.

By using ultra-thin membranes, this is the first clear-cut experiment to show how other solvents can be filtered out, proving that there is potential for organic solvent nanofiltration.

Graphene is the world’s first two-dimensional material. It is known for its versatile superlatives, it can be both hydrophobic and hydrophilic, stronger than steel, flexible, bendable and one million times thinner than a human hair.

This research has changed the perception of what graphene-oxide membranes are capable of and how we can use them. By being able to design these membranes to filter specific molecules or solvents, it opens up opportunities that have previously not been explored.

[출처 = Filtration+Separation(http://www.filtsep.com/food-and-beverage/news/graphene-water-filter-turns-whisky-clear/) / 2017년 11월 13일]