[독일] IKTS 연구소, 세라믹 멤브레인 개발

독일 Hermsdorf의 IKTS 세라믹 기술 및 시스템 연구소(Fraunhofer Institute for Ceramic Technologies and Systems)의 연구원은 이전보다 더 작은 분자를 분리 할 수 있는 세라믹 멤브레인을 개발하여 보다 효율적인 하·폐수정화를 가능하게 하고 있다.

세라믹 멤브레인은 하·폐수를 재사용 할 수 있도록 에너지 효율적인 기계적 분리 기술을 제공한다. 그러나 이 기술은 450 달톤(Daltons) 이상의 분자로 제한되어 왔다. 

Ingolf Voigt 박사, Hannes Richter 공학박사와 독일 Hermsdorf에 소재한 Fraunhofer IKTS의 Petra Puhlfuerss는 단지 200달톤의 몰 질량으로 용해 된 유기 분자를 걸러 낼 수 있는 멤브레인을 생산했다고 보고했다.

Hermsdorf의 IKTS 및 Site Manager 부국장인 Voigt는 "우리의 세라믹 멤브레인으로 200달톤의 분자 분리 한계를 처음으로 달성했다.

이 결과를 얻으려면 몇 가지 장애물을 극복해야 했다.  첫 번째는 멤브레인 자체의 생산과 관련이 있다. 이러한 작은 분자를 확실하게 분리하기 위해서는 분리 할 분자보다 작은 기공을 갖는 막이 필요했다. 

Fraunhofer팀은 1나노미터 미만의 기공을 가진 나노 여과막을 개발했다. 액체가 이러한 기공을 통해 여과되는 경우 물만 통과하여 많은 용존 분자와 염분을 남긴다. 멤브레인은 항생제나 호르몬과 같은 유해물질을 식수에서 걸러 낼 수 있다.

또한, 하나의 큰 기공이 분자를 통과시키기에 충분하기 때문에 모든 기공은 가능한 한 크기가 비슷해야 했다.

IKTS의 리히터(Richter) 부서장은 "우리는 졸-겔(sol-gel) 기술을 정제함으로써 이러한 결과를 달성했다.

두 번째 장애물은 이러한 멤브레인 층을 더 큰 표면에 결함이 없도록 만드는 것이었다.

 IKTS의 과학자 Puhlfuerss는 "표면이 불과 몇㎠ 밖에 코팅되지 않았지만 우리는 234㎡의 멤브레인 영역을 갖춘 파일럿 시스템을 장착했는데 이는 우리 멤브레인이 몇 배 더 큰 것을 의미한다”고 말했다.

[원문보기]

Fraunhofer researchers take ceramic nanofiltration to the next level

Researchers from the Fraunhofer Institute for Ceramic Technologies and Systems IKTS, Hermsdorf, Germany, have developed ceramic membranes capable of separating out smaller molecules than ever before, enabling the more efficient purification of wastewater.

Ceramic membranes offer an energy efficient mechanical separation technology for cleaning wastewater for reuse. However, the technique has been limited to molecules of 450 Daltons or more.

Dr Ingolf Voigt, Dr-Ing. Hannes Richter and Dipl.-Chem. Petra Puhlfuerss from Fraunhofer IKTS in Hermsdorf, Germany, report that they have now produced membranes which can relably filter out dissolved organic molecules with a molar mass of only 200 Daltons.

"With our ceramic membranes, we achieve, for the first time, a molecular separation limit of 200 Daltons - and, thereby, a whole new quality," says Voigt, Deputy Institute Director of the IKTS and Site Manager in Hermsdorf.

Several obstacles had to be overcome to achieve this result. The first involved the production of the membrane itself. To separate such small molecules reliably, a membrane was needed with pores smaller than the molecules to be separated.

The Fraunhofer team has developed a nanofiltration membrane with pores of <1 nanometre. If a liquid is filtered through these pores only water will pass through, leaving behind much of the dissolved molecules and some salts. The membrane can even filter out substances like antibiotics and hormones which are still present in drinking water.

In addition, all of the pores had to be as similar in size as possible, since a single larger opening is sufficient to allow molecules through.

"We achieved these results by refining sol-gel technology," reports Richter, Head of Department at the IKTS.

The second hurdle was to make such membrane layers defect-free over larger surfaces.

"Whereas only a few square centimeters of surface are usually coated, we equipped a pilot system with a membrane area of 234 square meters, which means that our membrane is several magnitudes larger," explains Puhlfuerss, scientist at the IKTS.

Pilot plant
The ceramic membrane is robust and can withstand heat and chemicals, making it suitable for wastewater processing in oil production. A pilot plant commissioned by Shell in Alberta, Canada, and built by Andreas Junghans ? Anlagenbau und Edelstahlbearbeitung GmbH & Co. KG of Frankenberg, Germany, has been successfully purifying wastewater since 2016, which is used for the extraction of oil from oil sand.

The researchers are currently planning an initial production facility with a membrane area of more than 5000 m2.

Any kind of water can be purified, including surface water, and water from wells or rivers. Heavy metals and dissolved organic substances from agricultural applications can be also removed, for example, herbicides which might have been carried to the surface water.

For the development of the ceramic nanofiltration membrane, Voigt, Richter and Puhlfuerss have received this year’s Joseph-von-Fraunhofer award.

 [출처 = Filtration+Separation(www.filtsep.com) / 2017년 6월 12일]