글로벌물산업정보센터

~ 혁신적인 조수(造水)시스템에 의한 지구규모의 지속 가능성에 공헌 ~

21세기는 물의 세기라고 한다. 지구 수준에서의 수자원 고갈문제에 대해 해수의 담수화는 지속가능성을 좌우하는 중요기술이며, 최근에는 자원산출에 따른 수반수(随伴水) 처리와 환경문제 또는 세계공통의 과제가 된 공업용수 및 도시폐수의 정화 등 광범위한 조수기술의 발전은 인류의 지속가능성에 가장 중요한 과제 중 하나이다. 때문에 현재의 투수막 기술 즉, 기존의 조수용 막을 넘는 고성능이며 강인한 새로운 수분리막의 기대가 높아져 국제적으로 활발한 연구개발이 추진되고 있다. 신슈대학 아쿠아이노베이션 거점에서는 나노카본에 관한 지금까지 축적된 연구결과를 기반으로 고성능이며, 강인한 탄소계 수분리막의 기초과학과 기술 개발에 의해 일본의 물 플랜트산업의 발전과 지구규모의 지속가능성에 대한 공헌을 목표로 하고 있다.

비공유결합적으로 약한 표면 수사(개질)한 다층 카본 나노튜브(MWCNT)와 방향족 폴리아미드로 두께 약 100nm의 나노 복합막을 독자적인 방법으로 조제하여 역삼투막을 계면중합에 의해 생성하였다. 이 삼투압막 활성층은 잘 분산된 CNT(15.5 w%)와 매트릭스(모재)의 폴리아미드 복합으로 구성되어 있다.

종래 CNT와 탄성중합체(Elastomers) 수지류 등의 복합계에서는 CNT의 균일 분산이 곤란하였기 때문에 CNT의 특성이 충분히 발휘되지 않았다. 역삼투막 분야에서도 CNT와의 복합화는 다수 수행되어 발표되었지만, CNT의 균일 분산이 곤란하였기 때문에 CNT의 특성을 살린 개발성과는 얻지 못하였다. 한편 신슈대학 연구팀은 CNT를 균일 분산하는 것이 아니라 섬유를 풀어 헤치는 독자적인 방법을 개발하여 다양한 분야에서 성공하였다.

본 연구에서는 신슈대학 연구팀이 가진 CNT를 풀어 헤치는 기술을 종래 박막형성기술과 융합함으로써 새로운 나노복합 막형성 기술을 개발하고 이 기술을 이용하여 종래에는 불가능하였던 고농도의 MWCNT가 해체 분리된 폴리아미드 복합막에 의한 역삼투막 개발에 성공하였다. 개발한 MWCNT-폴리아미드 복합막은 투수성능이 향상되었을 뿐만 아니라, 우수한 내오염성 및 내염소성을 가진다는 것을 알았다.

개발한 MWCNT-폴리아미드 복합막의 특징은 필러(첨가제)인 나노튜브 표면 주변에 수투과성, 탈염성이 양호한 특이한 미세구조를 가진 방향족 폴리아미드 층을 형성한 것과 그 나노구조의 역삼투막 기능에 대한 기여를 밝혀낸 것이다. 또한 폴리아미드 층에 MWCNT를 첨가하는 것은 처리수 중에 함유된 철분의 흡수를 억제하는 효과를 나타낸다는 것을 알았으며, 이것이 역삼투막 표면에 부착물(fouling) 층의 형성을 방지하는 효과가 있다는 것을 알아내었다.

그리고 주목할 만한 것은 본 복합막의 기능 중 내염소수성이 현저하게 향상된 점이다. 이러한 특징은 개발한 나노복합막이 염수로부터 염분을 배제하는 높은 탈염성능을 나타내고 높은 투수성을 가지고 있다는 것을 나타내었다. 또한 내부착성, 내염소성을 겸비한 것으로 지금까지 다수 보고된 CNT/폴리아미도 복합막과 비교하여 탁월한 역삼투막 기능을 가진다는 것을 알았다. 이러한 기능 발현은 해체기술의 응용이라는 독자적인 복합막 조제법이 기여한 것으로 CNT의 주변에 형성되는 고유의 폴리아미드 나노구조가 이 역삼투막의 높은 투수성과 탈염성에 기여하고 있는 것은 투과형전자현미경의 사진에서도 나타났다. 개발한 MWCNT-폴리아미드 복합막에 의한 역삼투막은 시판 CNT를 이용하고 있기 때문에 이 시대에 새로운 막으로서 실용적인 발전이 기대된다.

그림. CNT와 폴리아미드의 나노 복합막의 구조 모델