[일본] 효율적인 기름과 물 분리 위한 울트라틴 내구성 막 개발

고베대 멤브레인·필름기술연구소의 마쓰야마 히테토(MATSUAMA Hideto) 교수와 요시오카토모히사(YOSHIOKA Tomohisa) 교수 등이 이끄는 연구진은 물에서 석유를 높은 성능의 분리를 위한 반칙 방지 실리카 표면처리로 울트라틴 막 개발에 성공했다.

게다가, 이 막은 다재다능한 것으로 밝혀졌다. 그것은 다양한 기름의 물질로부터 물을 분리할 수 있었다.

이 결과는 2019년 10월 3일 『재료학회지(Journal of Materials Chemistry A)』에 온라인에 실렸다.

석유와 물을 분리하는 기술의 발전은 여러 산업에서 발생하는 기름 유출과 수질오염에 대처하는 데 매우 중요하다.

2025년까지 세계 인구의 3분의 2가 깨끗한 물을 충분히 이용할 수 없을 것으로 예측된다.

따라서 기름기 있는 유화제를 걸러서 사용 가능한 깨끗한 물의 양을 늘리는 기술의 개발이 주목을 받고 있다.

원심분리기, 화학 응고 등 기존의 정화방법과 비교하면 저비용, 에너지 효율적 대안으로 막 분리가 제안되어 왔다.

비록 이 기술이 크게 발전했지만, 대부분의 막은 기름 한 방울이 표면으로 돌이킬 수 없을 정도로 흡수되는 파울링 문제에 시달리고 있다.

이것은 막 모공 차단을 초래하고, 결과적으로 그것의 수명과 효율을 감소시킨다.

파울링 문제를 완화하는 한 가지 방법은 막에 표면 처리를 추가하는 것이다.

그러나 이 방법을 사용한 많은 실험은 원래 표면 구조의 변화, 강한 산, 알칼리, 소금 용액에 의한 처리 표면층의 열화 등의 문제에 부딪쳤다.

이러한 문제는 폐수처리 중 가혹한 조건에서 그러한 막의 실질적인 적용을 제한한다.

이 연구에서는 연구자들이 상면에 10나노미터(nm) 두께의 실리카 층을 입힌 다공성 폴리케톤(PK) 지지대로 구성된 막 개발에 성공했다.

이 실리카 층은 정전기를 이용하여 PK 섬유의 층에 형성되었다. 음(-)으로 충전된 실리카는 양(+)으로 충전된 PK에 끌렸다.

PK막은 모공이 크고 다공성이 높아 수분 침투율이 높다.

PK 섬유에 실리카를 첨가하는 실리콘화 프로세스는 표면 변형 막이 오염되지 않도록 보호하기 위해 강력한 오일 저항성 코팅 기능을 제공한다.

이 막의 또 다른 장점은 높은 물의 침투를 달성하기 위해 큰 압력 적용을 필요로 하지 않는다는 것이다.

막은 중력에 의한 물의 투과현상을 보였다. 심지어 10cm의 낮은 수위(약 0.01atm의 압력)를 사용했을 때에도.

또한 개발된 막은 10나노미터(nm) 크기의 것을 포함하여 99.9%의 기름 방울을 방출할 수 있었다.

1㎡ 면적의 이 막을 사용하면 1atm의 압력으로 6,000(L)리터의 폐수를 1시간만에 처리할 수 있다.

또한 여러가지 다른 기름진 유화제로부터 물을 분리하는 데도 효과가 있는 것으로 나타났다.

앞서 언급한 바와 같이, 이 규제는 강력한 오일 제거제 코팅 기능을 제공하였다. 파울링에 대한 내구성을 시험하기 위해 막에 대한 실험을 통해 기름이 표면에 흡착되지 않고 기름 방울을 쉽게 씻어낼 수 있다는 사실이 밝혀졌다.

이 막은 다양한 산성, 알칼리성, 용제, 소금 용액에 대해 대단한 내성을 보였다.

이 연구진이 개발한 울트라틴막은 방파제 저항성 외에 기름기 있는 유화제로부터 물을 효율적으로 분리하는 것을 입증했다.

수질오염과 깨끗한 물 부족과의 싸움에서 에멀젼을 분리하는 기술은 필수적이다. 이 발전이 산업폐수 처리에 활용될 수 있기를 기대한다.

[원문보기]

Development Of Ultrathin Durable Membrane For Efficient Oil And Water Separation

Researchers led by Professor MATSUYAMA Hideto and Professor YOSHIOKA Tomohisa at Kobe University’s Research Center for Membrane and Film Technology have succeeded in developing an ultrathin membrane with a fouling-resistant silica surface treatment for high performance separation of oil from water.

Furthermore, this membrane was shown to be versatile; it was able to separate water from a wide variety of different oily substances.

These results were published online in the ‘Journal of Materials Chemistry A’ on October 3 2019.

The development of technology to separate oil from water is crucial for dealing with oil spills and water pollution generated by various industries.

By 2025, it is predicted that two thirds of the world’s population won’t have sufficient access to clean water.

Therefore the development of technologies to filter oily emulsions and thus increase the amount of available clean water is gaining increasing attention.

Compared with traditional purification methods including centrifugation and chemical coagulation, membrane separation has been proposed as a low cost, energy efficient alternative.

Although this technology has been greatly developed, most membranes suffer from fouling issues whereby droplets of oil get irreversibly absorbed onto the surface.

This leads to membrane pore blocking, subsequently reducing its lifespan and efficiency.

One method of mitigating the fouling issues is to add surface treatments to the membrane.

However, many experiments with this method have encountered problems such as changes in the original surface structure and the deterioration of the treated surface layer by strong acid, alkaline and salt solutions.

These issues limit the practical applications of such membranes in the harsh conditions during wastewater treatment.

In this study, researchers succeeded in developing a membrane consisting of a porous polyketone (PK) support with a 10 nano-meter thick silica layer applied on the top surface.

This silica layer was formed onto the PK fibrils using electrostatic attraction- the negatively charged silica was attracted to the positively charged PK.

The PK membrane has a high water permeance due to its large pores and high porosity.

The silicification process- the addition of silica on the PK fibrils- provides a strong oil-repellant coating to protect the surface modified membrane from fouling issues.

Another advantage of this membrane is that it requires no large pressure application to achieve high water penetration.

The membrane exhibited water permeation by gravity- even when a water level as low as 10cm (with a pressure of approx. 0.01atm) was utilized.

In addition, the developed membrane was able to reject 99.9% of oil droplets- including those with a size of 10 nanometers.

By using this membrane with an area of 1m2, 6000 liters of wastewater can be treated in one hour under an applied pressure of 1atm.

It was also shown to be effective at separating water from various different oily emulsions.

As mentioned, the silification provided a strong oil repellant coating. Through the experiments carried out on the membrane to test its durability against fouling, it was discovered that oil did not become adsorbed onto the surface and that the oil droplets could be easily cleaned off.

This membrane showed great tolerance against a variety of acidic, alkaline, solvent and salt solutions.

The ultrathin membrane developed by this research group has demonstrated efficient separation of water from oily emulsions, in addition to anti-fouling resistance.

Technology to separate emulsions is indispensable in the fight against water pollution and clean water shortages. It is hoped that this development could be utilized in the treatment of industry waste water

[출처=워터온라인(https://www.wateronline.com/doc/development-of-ultrathin-durable-membrane-for-efficient-oil-and-water-separation-0001) / 2020년 1월 6일]