[한국]  DGIST, 값싼 원료로 초고속 수질정화 가능한 친환경 소재 개발

박치영 교수팀, 수중 페놀계 미세플라스틱 및 VOC 오염물 초고속 흡착 제거 가능한 광열 특성 다공성 고분자 개발

값싼 원료, 초고속 제거효율 및 태양광 기반 정화 공정으로 차세대 수질정화 소재 가능성 제시

재료 분야 최고 권위 학술지 『Advanced Materials』에 2022년 50호 표지 논문으로 선정

DGIST(대구경북과학기술원) 에너지공학과 박치영 교수(오른쪽 위) 연구팀은 수중 페놀계 유기오염물을 초고속으로 완전히 제거 가능한 ‘비정형 다공성 고분자 소재’ 개발에 성공했다. [사진출처(Photo source) = DGIST(대구경북과학기술원)]

 

DGIST(대구경북과학기술원·총장 국양) 에너지공학과 박치영 교수팀은 수중 페놀계 유기오염물을 초고속으로 완전히 제거 가능한 ‘비정형 다공성 고분자 소재’ 개발에 성공했다. 

이번에 개발된 다공성 소재는 광열효과를 바탕으로 물속 미세플라스틱뿐만 아니라 크기가 매우 작은 VOC의 효율적 제거 가능하며, 동시에 소재의 가격 경쟁력 및 태양광 기반 수질 정화 공정이 가능해, 향후 상업화 가능한 고효율 흡착 소재로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

화학산업의 급속한 발전으로 나타난 수질오염은 환경오염에서 대표되는 문제 사항으로, 이를 해결하기 위한 다양한 수질 정화 기술 및 소재들이 개발됐다. 기존의 흡착 메커니즘을 기반으로 하는 탄소 기반 다공성 소재는 흡착 속도가 느리고, 재활용을 위해 높은 열에너지가 필요하다는 한계점이 있다. 

페놀계 혼합 오염 물질인 BPA(Bisphenol A), BPS(Bisphenol S), 2-NO(2-Naphthol) 및 페놀의 빠른 흡착 및 광열 분자 체질의 개략도. 페놀류 오염 물질들이 포함된 수용액에 다공성 고분자를 분산시키고 태양광에 의해 열을 낼 수 있는 다공성 고분자 수처리 분리막 시스템을 도입하여 오염물을 흡착 및 체질할 수 있다. 정화된 수용액은 식수로 사용할 수 있을 정도로 깨끗함을 보여주고 있다. [사진출처(Photo source) = DGIST(대구경북과학기술원)]

 

이에 오염물 제거효율 향상을 위해 다양한 소재들이 개발되었지만 우수한 재활용성, 고효율성, 소재 원료의 경제성 및 산업화 가능성을 동시에 만족하는 소재의 개발에 어려움이 있었다.

DGIST 에너지공학과 박치영 교수팀은 저렴하고 효과적인 전구체(화학 반응에서 반응에 참여하는 물질)를 반응시켜 흡착 성능과 광열 특성이 뛰어난 다공성 고분자를 합성에 성공했다. 그리고 해당 고분자에 추가적인 산화 반응을 실험하고, 그 결과를 바탕으로 친수성 작용기를 도입해 수중 환경에서 미세 오염물질의 빠른 흡착을 가능하게 했다.

또한, 실험을 통해 연구팀이 개발한 고분자가 재활용에 있어 높은 열에너지가 필요 없고 성능 손실 없이 여러 번 사용 가능함을 확인했다. 연구팀은 개발된 고분자가 가진 넓은 범위의 빛 흡수 및 흡수된 빛의 열 전환 능력을 통해 태양 에너지를 구동력으로 물을 증발할 수 있는 수처리 분리막을 제작했고, 그 결과, 산화된 고분자가 코팅된 수처리 분리막이 태양광을 통해 페놀계 오염물 정화가 가능함을 확인했다.

DGIST 에너지공학과 박치영 교수는 “이번에 개발한 기술은 수중 페놀계 미세플라스틱 및 VOC 오염물을 초고속으로 세계 최고 수준의 정화 효율 (99.9% 이상 제거)을 보이는 독보적인 수질정화 기술이며 경제성이 우수하고, 전력이 없는 지역에서도 오염수를 정화해서 식수를 공급할 수 있는 범용성을 확보한 기술이 될 것으로 기대한다”고 밝혔다.

한편, 이번 연구는 한국연구재단 중견연구자 지원 사업과 나노 및 소재 기술개발사업 지원을 받아 수행됐으며, DGIST 에너지공학과 조완수, 최경현 석박사통합과정생, 이동준 석사과정생이 제1저자로 참여했다. 

연구 결과는 독일에서 격주로 발행되는 재료공학 분야 세계 최고 권위 학술지인 『어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)』에 2022년 50호 표지 논문으로 선정 및 게재됐다. [사진출처(Photo source) = DGIST(대구경북과학기술원)]

 

[원문보기]

Researchers develop eco-friendly materials capable of purifying water

 

Professor Park Chi-Young's team successfully developed an atypical porous polymer material that can completely remove phenolic organic contaminants in water at ultra-high speeds. 

The porous material developed can efficiently remove not only microplastics in the water but also very small-sized volatile organic compounds (VOCs) based on photothermal effect. 

At the same time, it is expected to be utilized as a high-efficiency adsorption material that can be commercialized in the future as it has cost competitiveness based on raw materials and enables a solar-based water purification process.

Water pollution caused by the rapid development of the chemical industry is a pressing problem, and various water purification technologies and materials have been developed to address this issue.

 Carbon-based porous materials using existing adsorption mechanisms have limitations in that the adsorption rate is slow and high thermal energy is required for recycling. 

While various materials have been developed to improve contaminant removal efficiency, it has been difficult to develop materials that simultaneously satisfy excellent recyclability, high efficiency, economic efficiency of raw materials, and industrialization potential.

DGIST Department of Energy Science and Engineering Professor Park Chi-Young's team has now succeeded in synthesizing a porous polymer with excellent adsorption performance and photothermal properties by reacting an inexpensive and effective precursor. 

Also, an additional oxidation reaction was experimented on the polymer, and based on the results, a hydrophilic functional group was introduced to enable fast adsorption of micro-pollutants in the aquatic environment.

Furthermore, it was confirmed through experiments that the polymer developed by the research team does not require high thermal energy for recycling and can be used multiple times without loss of performance.

The research team produced a water treatment membrane capable of evaporating water using solar energy as a driving force through the developed polymer's ability to absorb light broadly and convert the absorbed light into heat. 

As a result, it was confirmed that the water treatment membrane coated with the oxidized polymer could purify phenolic contaminants through sunlight.

DGIST Department of Energy Science and Engineering Professor Park Chi-Young said, "The technology we developed here is an unrivaled water purification technology with the world's highest purification efficiency, removing more than 99.9% of phenolic microplastics and VOC contaminants in water at ultra-high speeds. 

We expected that it will be a universal technology with high economic efficiency that can purify contaminated water and supply drinking water even in areas where there is no power supply."

The research results were selected and published in Advanced Materials.

[출처 = DGIST(대구경북과학기술원)(https://www.dgist.ac.kr/kr/html/sub06/060104.html) / 2022년 12월 20일]

[논문출처 = Phys.org(https://phys.org/news/2022-12-eco-friendly-materials-capable-purifying.html) / 2022년 12월 29일]