최근 해상에서 오일 유출 사고가 빈번히 발생하고 유전의 주입 물 처리 및 기계, 화학 공업 등 분야에서 오일 함유 폐수 처리 문제는 전 세계 범위에서의 관심을 받고 있는 상황이다.

“어떻게 하면 오일과 물 혼합물의 효율적인 분리를 실현할 것인가”라는 과제는 산업계와 학술계의 관심을 받고 있는 이슈 과제로 되고 있다. 오일 물 마이크로 에멀젼(microemulsion) 분리는 유화 특성 및 사이즈 효과 때문에 오일과 물 분리 연구 분야에서의 난점으로 되고 있다.

현재 오일 물 분리 기술로는 주로 부상법(flotation) 및 흡착 방법 등이 있으며, 이런 두 가지 방법을 비교해 보면 막 분리 재료는 분리 효율성이 높고, 분리 생성물의 순수 정도가 높은 특징을 보유하고 있으며, 특히 폴리 불화 비닐 리덴(Polyvinylidene fluoride) 분리 막 재료는 매우 이상적인 열 안정성, 기계 성능 및 분리 특성을 보유하고 있기 때문에 시정(市政) 오수 혹은 공업 오수의 MBR 혹은 침투식 초 여과(Submerged ultrafiltration) 공법에 폭넓게 응용되고 있다.

하지만 비교적 강한 소수성 때문에 쉽게 수체(水體) 속 유기물 혹은 오일 유형 오염을 쉽게 받을 수 있기 때문에 성능 저하를 발생시키며 원가 상승을 발생시키게 된다.

이런 문제점을 해결하기 위해 중국과학원 닝보(寧波) 재료 기술 및 공정 연구소 연구팀은 폴리 불화 비닐 리덴(Polyvinylidene fluoride) 미세 다공성 막 및 오일과 물 분리 응용을 연구하고 특수 침투(Special infiltration) PVDF 오일-물 분리 막(PVDF Oil-water separation membrane) 연구에서 혁신적인 성과를 취득하여 이슈가 되고 있다.

연구팀은 원 위치 특성 개선 및 폴리머 소프트 템플릿 스트리핑 기술을 통해 위상 전환 과정을 제어하고 PVDF 막 표면의 마이크로 사이즈 구조 및 친수성 폴리머 네트워크가 PVDF 막 표면에 대한 균일한 모자이크 제어를 통해 오일 하에서의 초 소수성과 물에서의 초소유성을 보유한 PVDF 마이크로 다공성 막을 개발하였는데 이런 막은 오일 물과 물 오일 마이크로 에멀젼을 분리하는데 사용되며 분리 비율은 99.9% 이상 수준에 달하며 분리 사이즈는 20nm 수준에 달하는 것으로 나타났다.

동시에 이런 방법은 중복성과 안정성이 이상적이며 연속화 대면적 제조를 실현할 수 있으며 오일과 물 분리 및 오염 저항 타입의 막 재료 분야에서 밝은 응용 전망을 보유하고 있는 상황이다.

연구팀의 관련 연구 성과는 어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials) 학술지에 발표되었다(Advanced Materials，2014, 26, 2943-2948).

특수 침투 폴리 불화 비닐 리덴(Polyvinylidene fluoride) 미세 다공성 막이 오일/해수(海水) 시스템 속에서의 분리 특성에 대해 한층 더 심층적인 탐색 작업을 실행하기 위해 연구팀은 전(前) 단계에 폴리머 미세 다공성 막의 이중 연속 구조에 대한 조정 제어를 실행한 기초 상에서 도파민 용해 액체 침투 기술을 이용한 동시에 도파민의 자체 중합 반응을 이용하여 PVDF 미세 다공성 막 상에서 ‘홍합(mussel)’ 바이오닉 특성을 보유한 친수 표면을 구축하여 오일/해수 에멀젼에 대한 효율적인 분리에 이용하였다.

연구팀이 개발한 특성 개선 막은 안정적인 해수 하에서의 초소유성 특징을 보유하고 있기 때문에 막 표면과 오일 방울 등 오염 물질의 접착력을 효과적으로 감소시킬 수 있는 동시에 막의 오염 저항 능력을 향상시키고 막의 사용 수명을 연장시킬 수 있는 것으로 나타났다.

연구팀의 관련 연구 성과는 국제학술지 ‘멤브레인 사이언스 저널(Journal of Membrane Science)’에 발표되었다(Journal of Membrane Science, 476 (2015) 321–329).

연구팀은 N, N-디 에틸 아미노 에틸(Diethylaminoethyl) 기능 단일체를 이용하여 pH 응답 PVDF 막을 개발하는데 성공하였다. 동 분리 막의 침투성은 매개체의 pH를 통해 조정 제어할 수 있으며 물 하에서의 초친유(pH=7.4)가 물 속에서의 초소유(pH=2.0) 변화를 발생시켜 물 오일 에멀젼을 성공적으로 분리시킴으로써 동 분리 막의 응용 분야를 한층 더 확대시켰다.

연구팀의 관련 연구 성과는 영국 과학 학술지 ‘RSC Advances`에 발표되었다(RSC Advances, 5 (2015) 23530 – 23539).

이번 연구는 국가과학기술부의 ‘중대 첨단기술 산업화 프로젝트(863 계획)’의 ‘세부 과학연구 과제’ 비용, 국가자연과학기금위원회의 ‘기초과학 연구 프로젝트’(51273211, 51473177) 비용, 중국과학원의 ‘청년 혁신 추진회 과학연구 프로젝트’ 비용 지원을 받아 추진되었다.

그림 1. PVDF 미세 다공성 막의 ‘홍합’ 바이오닉 특성 개선 및 오일/해수 마이크로 에멀젼 액체 분리
그림 2. PVDF 오일 물 분리 막 pH 응답 메커니즘

 

[출처 = KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』/ 2015년 4월 1일]