[영국] 폴리머 멤브레인으로 만들어진 뛰어난 나노필터
 영국 임페리얼 칼리지 런던(Imperial College London) 연구진은 초박막의 합성 멤브레인을 이용하여 유기 용매에서 작은 분자를 필터링할 수 있는 새로운 연구결과를 발표했다. 폴리마이드로 만들어진 이번 필름은 10나노미터보다 얇아서 분자 거름종이 역할을 할 수 있다. 10나노미터보다 작은 분자만 필터를 통과할 수 있어 그 보다 큰 분자와 작은 분자를 나눌 수 있게 되었다. 이러한 필터는 매우 복잡한 섬유 구조를 하고 있다. 연구진은 필터의 표면적을 증가시켜 더욱 효과적인 필터효과를 만들어 낼 수 있게 되었다. 이러한 구조는 약품을 재조하는 정제시스템에서 유기 분자를 걸러내는 데에서부터 담수화 공장의 필터까지 다양한 분야에서 활용될 수 있다.
멤브레인은 융매로부터 여러 종류의 분자들을 선택적으로 거를 수 있다. 담수화 공장에서 물에서 소금 성분을 걸러내는 데에도 활용될 수 있다. 또한 피를 정류하는 데에도 사용될 수 있다. 그러나 아직 대부분에서는 이러한 필터 멤브레인을 사용하기보다는 증류와 희석과 같은 방법을 사용한다. 이는 화학적인 처리 과정에서 이러한 멤브레인이 화학물에 취약한 성질을 가지고 있기 때문이다. 더욱이 이러한 멤브레인으로 만들어진 필터는 산업적으로 활용할 만큼 규모를 키우는 것이 힘들다.
연구진은 이번에 거의 생물학적 멤브레인에 가까운 두께의 얇은 멤브레인을 만드는데 성공했다. 또한 이번에 개발된 멤브레인은 매우 견고한 특성을 가지고 있다. 최대 50바의 높은 압력에 견딜 수 있으며 여러 유기 용매에 강한 내 저항성을 가지고 있다. 연구진은 이번에 프로토타입으로 이러한 멤브레인을 만들어 대략 80밀리미터의 용매를 거르는 실험을 진행했으며 이러한 규모는 향후 산업적으로 활용할 수 있을 만큼 크게 하는 것이 가능할 것이라고 내다봤다.
연구진은 이러한 멤브레인을 만들기 위해서 계면 중합(interfacial polymerisation)이라는 기술을 사용했다. 연구진은 처리 공정을 조절하여 부드럽거나 거친 막을 모두 만들 수 있게 되었다. 거친 표면 구조를 가진 멤브레인이 표면적이 크고 강도도 높다는 것을 확인했다. 또한 50바의 압력에서도 쉽게 구겨지지 않는 것을 확인했다.
연구진은 여러 색상과 종류의 염색약을 이용하여 멤브레인의 성능을 실험했다. 기구를 이용하여 압력을 가해서 멤브레인의 특성을 평가했다. 연구진은 흡수분광계를 이용하여 필터링된 물질을 분석했다. 연구진은 이러한 실험을 통해서 멤브레인의 우수성을 입증했다. 연구진은 또한 기름 정제에서부터 담수화까지 다양한 분야에서 친환경적인 멤브레인이 사용이 폭넓게 사용될 수 있도록 계속 연구를 이어나갈 것이라고 밝혔다. 이번 연구는 저널 Science 최근호에 게재되었다. (Science DOI: 10.1126/science.aaa5058)
그림. 미세한 구조로 이루어진 멤브레인의 전자현미경 사진
[출처 = KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』/ 2015년 6월 23일]
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Polymer membrane makes good nanofilter
Researchers at Imperial College London have succeeded in growing ultrathin synthetic membranes that can filter out small molecules from organic solutes. The films, which are made from polyamide, are less than 10 nm thick and work by allowing solvents to pass through them while retaining larger solute molecules. They can also be made to have a crumpled texture, which increases their surface area and makes them even more efficient at filtering. The structures might be used to purify organic mixtures in refineries, in drug manufacture and water desalination, to name but a few possible application areas.
Membranes are permeable barriers that can selectively filter out a range of molecules from solution. They can be used to remove salt from seawater in desalination plants, for example, and in dialysis for filtering blood. However, many industries use evaporation and distillation techniques (which are expensive in themselves) rather than filtering membranes because these films are often not very robust to the organic solvents employed in most chemical processes. What is more, many of the membranes made thus far cannot easily be scaled up to the sizes needed for industrial applications.
Now, however, a team of researchers led by Andrew Livingston say that their membrane might solve this last problem. The new film is less than 10 nm thick (nearly as thin as a biological membrane, which is 5–6 nm) and so is extremely permeable. It is also mechanically robust, can filter organic liquids at high pressures of around 50 bar and is resistant to a wide range of organic solvents. And that is not all. Although the prototype membrane measures around 80 mm across, Livingston and colleagues say that it could be scaled up to much larger areas, suitable for use in industrial processes.
Interfacial polymerisation
The researchers used a technique called interfacial polymerisation to make their membrane, growing it at an interface where two monomers meet to form a polymer. They were able to control the process and make either a smooth or crumpled film. They found that the crumpled structure was stronger and had a greater surface area. Surprisingly, the crumpled film did not buckle, even at pressures of 50 bar.
The Imperial College team tested the membrane in the lab by passing through it a mixture of solvent and dye molecules of different colours and sizes. They percolated the solution through the membrane at high pressure using a device called a dead-end cell to find out whether they could filter out everything but the solvent. They observed the filtering process using absorption spectroscopy, which relies on passing light of different colours (wavelengths) though the sample to determine which molecules pass through the membrane. The filter worked very well, with only the solvent passing through.
Crumpled membrane is better
The team also found that a crumpled membrane worked even better as a filter than a smooth one. Indeed, the crumpled structure filtered out substances four times faster than a smooth film of the same thickness, and about 1000 times faster than a commercial membrane.
Membranes are currently used in desalinating water, so that it is fit to drink, and in dialysis, says Livingstone, but the drawback is that industry has not been able to use these structures more routinely because of design limitations when they are applied to organic systems. "Our research suggests that we can overcome these challenges, which could make these membranes more attractive for industries ranging from pharmaceutics to oil refining. The energy and environmental benefits could be massive here," he adds.
Team member Santanu Karan says that he and his colleagues are now working more closely with industry to further refine their membranes. "We hope our work will lead to new collaborations and ultimately to improvements in the way industry uses separation processes."
The team also plans to attach the thin polymer films to supports at a larger scale, Livingston tells nanotechweb.org.
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